Измерение шероховатости поверхности

Цель работы

Ознакомление с существом таких понятий как трение скольжения и трение качения. Ознакомление с понятиями шероховатость и чистота об-работки поверхности. Освоение методики измерения классов чистоты об-работки поверхностей деталей на микроскопе МИС-11.

Теоретическая часть

Трением в технике называется процесс, характеризующий сопро-тивление перемещения одного тела по поверхности другого. Различают два вида трения при взаимном перемещении твердых тел: трение сколь-жения (трение I рода) и трение качения (трение II рода).
Трение скольжения – сопротивление движению, когда одни и те же участки одного тела соприкасаются с различными участками другого те-ла.
Трение качения - сопротивление движению, когда различные уча-стки одного тела последовательно соприкасаются с различными участка-ми другого тела.
Физически два вида трения твердых тел оказываются совершенно различной сущности, поэтому их характеристики принципиально отли-чаются друг от друга, их коэффициенты имеют различный физический смысл и, соответственно, различную размерность.
Трение скольжения определяется законом Кулона, сформулирован-ного в 1799 году, гласящим, что сила сопротивления движению пропор-циональна силе, сдавливающей по нормали трущиеся поверхности:

Fтр = fтр * N

Эта сила всегда направлена против движения, так что:

Fтр = - fтр * N ()

Для перемещения твердого тела по горизонтальной поверхности силой Р, действующей вдоль направления соприкосновения необходимо, чтобы было выполнено условие:

P * Fтр  или    P * mg*fтр

Где m – масса тела, g – ускорение силы тяжести, g=9,80665 м/с2.
Если на тело действует сила Р по направлению движения (рис. 1), то возникает сила трения Fтр и тогда характер движения определяется углом трения, который находится из уравнения:

fтр  или     φ = arctg fтр


Рис. 1

Если тело покоится, то φ называют углом трения покоя, если тело движется, то φ - угол трения движения.
Трение качения – сопротивление перекатыванию. Здесь энергия тратится на упругую деформацию в точке соприкосновения тел. Рис.2 ил-люстрирует ситуацию.

Рис.2

При перекатывании по плоскости цилиндрическое тело или шар как бы “катит” впереди себя деформационный валик, возникающий вследствии давления перекатываемого тела на плоскость. В этом случае точка приложения силы, характеризующей реакцию опоры и определяю-щей степень сопротивлению перекатыванию, как бы смещается вперед по направлению движения на расстояние к. Сила трения качения определя-ется из закона Кулона вида:

P = k * N / r

Здесь N – нормальная реакция опоры, r – радиус кривизны цилиндра или шара, к – коэффициент трения качения. Из сопоставления формул (1) и (5) видно, что коэффициенты трения скольжения и трения качения имеют разную размерность. Коэффициент трения скольжения имеет ну-левую размерность – отношение двух сил. Коэффициент трения качения имеет размерность длины, так как характеризует плечо силы реакции опоры в ответ на упругую деформацию:

k =  P / N * r

По этой причине коэффициент трения качения несоизмерим с трени-ем скольжения и имеет разный физический смысл.
При изготовлении деталей машин и механизмов поверхности всегда отличаются от идеальных, поскольку на них остаются микро неровности при любом способе обработки. Именно эти неровности и определяют ве-личины сил трения, появляющихся при перемещении деталей.
Для характеристики микро неровностей в технике используют поня-тие шероховатости и связанное с ней понятие чистоты обработки поверх-ности.
Шероховатость – совокупность неровностей поверхности с малыми шагами и амплитудами. Характеристикой шероховатости считается высо-та выступов и впадин относительно средней поверхности (рис.3).

Рис. 3

При небольших выступах и впадинах (до 10-20 мкм) характеристи-кой шероховатости является их средняя арифметическая величина Rа в мкм на некоторой базовой длине L:

Отсчет ведется от базовой линии, имеющей форму номинального профиля, проведенной так, что среднее квадратическое отклонение про-филя от этой линии минимально.
При больших шероховатостях на основании стандарта ГОСТ 2789-73 основным параметром шероховатости является высота Rz неровностей профиля по десяти точкам на базовой длине L, т.е.:

где Hi max и Hi min – отклонения пяти наибольших максимумов и пяти наименьших минимумов профиля. Обычно Rz * 4Rа. Rа обычно составля-ет 0,05 допуска на размер изготавливаемой детали.
В зависимости от вида обработки задается базовая длина, шерохова-тость Rа  в мкм и число базовых длин. Чистота обработки поверхностей, характеризуемая 14 различными степенями определяется по шероховато-сти Rа, значения которой даны в таблице 1.

Таблица 1

Вид обработки

Класс чистоты

Rа, мкм

Базовая длина L, мм

Число базовых длин m

Точение

4, 5

6,3; 3,2

2,5

2

Шлифовка

6, 7, 8

1,6; 0,8; 1,4

0,8

3-4

Полировка

9, 10, 11, 12

0,2; 0,1;

0,005; 0,025

0,25

6-7

Доводка

13, 14

0,012; 0,006

0,08

8-10

Измерение шероховатости состоит в выявлении профиля поверхно-сти и вычислении параметра Rа. Поверхность либо ощупывают иглой профилометра, либо осцилографируют профиль при перемещении датчи-ка по поверхности, либо измеряют по степени размытия оптического изо-бражения, сфокусированного на измеряемую поверхность. Именно этот метод используется при измерении шероховатости на микроскопе МИС-11.

Измерение шероховатости микроскопом МИС-11

Микроскоп МИС-11 относится к неконтактным профилометрам, в которых на деталь проецируется изображение щели одним микроскопом, а наблюдение ведется во второй микроскоп. Это поясняется рисунком 4.

Изображение щели              Реальное изображение
на идеальной поверхности

Рис. 4


Если на поверхности появляется ступенька (рис.5), то при наклонном освещении будет наблюдаться картина, изображенная на рис.5

Рис. 5

Когда наблюдается шероховатая поверхность, имеющая большое ко-личество хаотически расположенных ступенек, то резкий край изображе-ния размывается. Величину этого размытия измеряют, наводя измери-тельный окуляр-микрометр последовательно то на верхний, то на нижний край размытия. Схема показана на рис.6.

Рис.6

Измерения можно проводить по любому резкому краю изображения.