Методы оценки качества поверхности

               Министерство образования и науки Российской Федерации

        Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

                     высшего образования Алтайский государственный      

                        технический университет им. И. И. Ползунова

                             Факультет специальных технологий

                         Кафедра: «Технология машиностроения»

                                                      Работа защищена с оценкой______________

                                                                                          «____» _апреля__2020 г.

                                                     Руководитель_________________ Буевич В. Н.

                                                                                
                           (подпись)

                                                Курсовая работа

                Тема: «Методы оценки качества поверхности»

           по дисциплине: «Физические методы исследований»

Студент группы: 8КТМ-82____________________________ Иванов Д. С.

Проверил: к. т. н. доцент _____________________________ Буевич В. Н.

                                              Барнаул 2020

                                                  Содержание

Введение…………………………………………………………………. 2 стр.

Прямые методы оценки качества поверхности……………………………….

Косвенные методы оценки качества поверхности……………………..8 стр.

Приборы и методы проверки качества гальванических покрытий…...11 стр.

Заключение……………………………………………………………….13 стр.

Список используемой литературы……………………………………...14 стр.

                                                Введение

        Под качеством поверхности понимают состояние поверхностного слоя как результат воздействия на него одного или последовательного комплекса технологических методов. Оно характеризуется совокупностью характеристик шероховатости и волнистости поверхностного слоя и микроструктуры его. Слой металла с изменениями по сравнению с основным металлом, из которого изготавливается деталь, структурой, фазовым и химическим составом называется поверхностным слоем. Внешняя поверхность этого слоя граничит с окружающей средой или сопрягаемой деталью. В условиях эксплуатации поверхностный слой детали подвергается сильному физико-химическому воздействию: механическому, тепловому, световому, магнитоэлектрическому, химическому и др. потеря деталью своего служебного назначения происходит в большинстве случаев с поверхности: износ, кавитация, эрозия, коррозия, усталостные трещины и т.д. К характеристикам качества поверхностного слоя относится Rz и Ra – высота неровности по 10-ти точкам и среднеарифметическое отклонение профиля.         Качество поверхности оказывает значительное влияние на эксплуатационные свойства деталей (износостойкость; статическая, длительная и усталостная прочность; качество посадок сопрягаемых деталей и др.). Установлено, что 80…85% машин выходит из эксплуатации в результате изнашивания деталей, и только 15…20% – по другим причинам. На величину и интенсивность износа поверхностей в подвижных сопряжениях машин непосредственное влияние оказывает шероховатость. Оценку шероховатости производят при контроле и приемке деталей, а также при выполнении исследований в лабораторных условиях. Применяемые методы оценки можно разделить на прямые и косвенные. Для косвенной оценки используют эталоны шероховатости.

                      Прямые методы оценки качества поверхности

Для прямой оценки применяют щуповые (профилометры и профилографы) и оптические (двойной и интерференционный микроскопы) приборы. Начнем рассмотрение темы с щуповых приборов. Профилометры – щуповые приборы которые выпускают как стационарного типа так и переносные; они позволяют измерять шероховатость в пределах Ra=0,02¸100 мкм.(Рисунок 1). Действие профилометра основано на ощупывании поверхности алмазной иглой, движущейся по ней по заданной траектории. Возникающие при этом механические колебания иглы вызывают в электрической системе прибора соответствующие Э.Д.С. На шкале прибора оценка шероховатости дается по Ra и Rmax . Профилометр - это достаточно дорогое и хрупкое устройство. Одно из его недостатков – это непосредственный контакт с поверхностью. Это может привести к появлению царапин на поверхности исследуемой детали, а в результате прибор может не точно оценить шероховатость поверхности. На рисунке 1 представлен мобильный профилометр Surtronic Duo.

                         Рисунок 1.  Профилометр Surtronic Duo.

         Профилометры выпускают стационарного и переносного типов, они позволяют измерять шероховатость в пределах 0,02 - 5 мкм. На шкале профилометра оценка шероховатости дается по параметрам Ra или HCK (средне квадратичное отклонение высоты микронеровностей от средней линии профиля). На рисунке 2 представлена профилограмма поверхности детали.

                          Рисунок 2. Профилограмма поверхности и параметры шероховатости

          Где, R – Высота  неровностей профиля по десяти точкам; S - cредний шаг неровностей профиля, среднее арифметическое значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины; n– число шагов в пределах базовой длины l; Р - уровень сечения профиля – расстояние между линией выступов профиля и линией, пересекающей профиль эквидистантно линии выступов профиля.

       Профилографы (Рисунок 3) применяют для записи микропрофиля поверхности (Rz = 0,025 ^ 80 мкм) в виде профилограмм. При последующей обработке отснятой профилограммы могут быть получении значения Ra и Rz для данной поверхности. Профилографы предназначены для лабораторных исследований и не пригодны для цехового контроля деталей.  Конструктивно прибор состоит из нескольких блоков: измерительного, преобразовательного, записывающего. На рисунке показаны советский и более современный вариант этого устройства.

                                    Рисунок 3. Профилографы.

          Назначение узлов профилографа:

- измерительный блок ( по центру) получает сигнал, являющийся основой всего измерения. На его основании впоследствии строится кривая, которая характеризует микронеровности. Эта часть конструкции состоит из алмазной иглы, привода иглы, измерительного столика;

- электронный преобразовательный блок (справа), в котором сигнал, поступающий из первого блока, усиливается и преобразуется с помощью специальных электронных преобразователей. Эта часть прибора наиболее значимая и сложная;

- записывающий блок (слева). Сюда поступает обработанный сигнал. Он с помощью записывающего устройства (электронного или аналогового) преобразуется в профилограмму в значительно увеличенном масштабе. В качестве материала для черчения графика может выступать светочувствительная, металлизированная бумага или специальная пленка. Профилограмма записывается в увеличенном масштабе. Ее кратность по горизонтали достигает 100 000, по вертикали — в диапазоне от 400 до 200 000. Благодаря масштабированию сделать расшифровку становится гораздо проще. Стоит отметить, что принцип действия профилометра мало чем отличается от работы профилографа. Единственным нюансом здесь выступает отображение результатов не в графическом виде, а на дисплее в виде числовых значений.

       Помимо двух этих приборов для измерения характеристик шероховатости деталей и узлов механизмов, отдельно существует некий их гибрид. Это комбинированное устройство под названием профилограф-профилометр. На рисунке 4 и 5, изображены общий вид профилографа-профилометра «Talysurf-5M» и профилографа-профилометра БВ-7669. Такие устройства одновременно выдают результаты как в графическом виде, так и в виде числовых значений (в режиме реального времени). Прибор является универсальным.

       Рисунок 4. Общий вид профилографа-профилометра «Talysurf-5M»

Стойка с приводом 1, подающее устройство 2, датчик (стандартный) 3, процессор 4 и самописец 5, являющийся интегральной частью процессора.

Большая часть данных измерения получается в результате выполнения одного перемещения датчика над поверхностью; значения параметров затем выбираются по желанию из запоминающих устройств. С помощью данной системы могут быть получены графики шероховатости, волнистости или несглаженного профиля. В России промышленностью выпускаются профилографы-профилометры моделей 201; 202; 252; 280; 171311, а также профилометры моделей 253, 283, 296, 170622, которые позволяют измерять параметр шероховатости до 0,02 – 0,04 мкм.

                    Рисунок 5. Профилограф-профилометр БВ-7669.

         Для прямой оценки шероховатости используются переносные или стационарные сравнительные микроскопы, в которых изображение контролируемой поверхности и эталона соединены в поле того самого окуляра, разделенном на две равные части и увеличены в 10 - 50 раз. Например, двойной микроскоп МИС-11 (Рисунок 6) предназначеные для измерения шероховатости поверхности. В этом приборе микронеровностей освещают световым лучом, направленным под некоторым углом к контролируемой поверхности. Микронеровностей измеряют с помощью окулярного микрометра или фотографируют.  Сменными объективами могут достигаться увеличения и в 517 раз. На приборе определяют шероховатость поверхности по показателю Rz. Недостаток метода - необходимость измерений и дальнейших подсчетов результатов измерений.

       При обработке металлов резанием деформации подвергается не только срезаемый слой, но и поверхностный, образовавшийся на детали после прохода резца. Под влиянием этих деформаций изменяются механические свойства поверхностного слоя: увеличивается его твердость и уменьшается пластичность, т. е. он становится более хрупким. О степени наклепа металла судят по тому, насколько увеличивается его твердость в сравнении с той исходной твердостью, которую он имел до обработки резанием. Такое изменение механических свойств в результате пластических деформаций в холодном состоянии называется упрочнением, или наклепом.

                       Рисунок 6. Двойной микроскоп мод. МИС-11

         Для определения глубины и степени наклепа наиболее распространен метод "косого среза". Сущность его заключается в следующем. На образце с помощью притирки пастой ГОИ изготовляют срез под небольшим углом 300 (Рисунок 7). Определяется с помощью прибора твердость по длине среза, находят расстояние от начала среза (точка А на рис. 6.7.) до точки, после которой твердость перестает изменяться (точка В).

Глубина наклепанного слоя: 

h =l × sin a ;

Степень наклепа (в %) определяют из соотношения:

Ин=(Hн-Ho)/Ho*100%

где, Hн – наибольшая твердость поверхностного слоя; Но - твердость основного металла. Степень наклепа обычно составляет 120–160 %.

      Рисунок 7. "Косой срез" для определения глубины наклепанного слоя.     

                      Косвенные методы оценки качества поверхности

        Оценка шероховатости поверхности в цеховых условиях часто осуществляется визуально - осмотром обработанной поверхности и сравнением ее с аттестованным эталоном. Эталоны должны быть изготовлены из тех материалов, что и проверяемые детали, так как отражательная способность материалов различна. В таблице 6.15 представлена отражательная способность часто используемых в промышленности материалов. Шероховатость поверхности детали сравнивается визуально (невооруженным глазом или через лупу) с поверхностью образца из того же материала и обработанного тем же способом, что и деталь.  Данный метод является субъективным, т.е. зависит от конкретного человека (сколько людей – столько и мнений). Этот метод является качественным и не определяет величину (цифру) шероховатости поверхности, а определяет только годится или нет деталь по своей шероховатости. Качественного метода вполне достаточно для определения шероховатости для неответственных деталей.    

Ширина образцов сравнения должна быть не менее 20 мм. а длина образцов определяется в зависимости от измеряемой шероховатости.  Существует специальные наборы - Образцы шероховатости по ГОСТ 9378-93. Рисунок 8.

                     Рисунок 8. Образцы шероховатости по ГОСТ 9378-93.

Параметры шероховатости при их изготовлении клеймят на образце в специальной для этого зоне. Правильность контроля в значительной степени зависит от опыта и квалификации контролера, а также от вида и интенсивности освещения. Повышение точности сравнения можно получить  контролем на микроскопах сравнения. Микроскоп позволяет одновременно рассматривать контролируемую и образцовую поверхности, находящиеся в поле зрения микроскопа, при одинаковом увеличении и одинаковых условиях освещения. Микроскоп сравнения позволяет получить надежные результаты до Rz=0,l мкм (12-й класс шероховатости). По требованию заказчика поверхность образца может дополнительно оцениваться параметрами шероховатости Ra, Rmax, Sm, S, tp, значения которых не нормируются и приводятся как справочные по результатам измерений.

Порядок работы по контролю образцами шероховатости:

Контроль поверхности детали производится путем визуального и тактильного сравнения с образцом, проводя ногтем вдоль линии максимальной шероховатости поверхности. Как правило, эта линия перпендикулярна следам обработки. Таким образом к оцениваемой поверхности, подбирается наиболее подходящий образец, значение шероховатости которого берется в качестве оценочного.

Условия транспортировки, хранения и эксплуатации:

Упаковка, транспортирование и хранение образцов должно соответствовать требованиям ГОСТ 13762. Для предотвращения коррозии, образцы покрытыслоем смазки, которая удаляется перед работой ветошью. По окончании работ следует восстановить легкий слой смазки. Хранитьобразцы следует в футляре. Рабочий диапазон температуры окружающей среды, от 0 до 30°С.

            Один из косвенных методов применяемых при оценке шероховатости поверхностей деталей больших габаритов, в труднодоступных местах, когда непосредственное применение прибором невозможно, используют метод слепков. Специально изготовленную массу с силой прикладывают к измеряемой поверхности. После застывания масса отделяется от поверхности, получается слепок, на поверхности которого зеркально повторяются неровности исследуемой поверхности. По измеренной шероховатости поверхности слепка определяют параметры шероховатости контролируемой поверхности детали. В качестве материала для слепка применяют целлулоид, легкоплавкие сплавы, воск, парафин, серу, гипс-хромпик и др.

     Среди оптических т. е. бесконтактных способов измерения шероховатости поверхности существует немало. Самыми распространёнными входящими в неё методами являются следующие:

- светового и теневого свечения;

- микроинтерференционный;

- растровый.

                                                  Растровый метод

         Суть данного метода достаточно проста: на исследуемую поверхность накладывается изготовленная из стекла пластинка, на которую нанесена растровая сетка (система равноудалённых параллельных линий) с достаточно малым шагом. При наклонном падении световых лучей в местах микронеровностей штрихи отраженной сетки накладываются на штрихи реальной – возникают муаровые полосы, свидетельствующие о наличии впадин и выступов на изучаемой поверхности. Точное измерение параметров неровности осуществляется по изложенной в ГОСТ методике с помощью растрового микроскопа. Стоит отметить, что данный метод используется при исследовании лишь тех поверхностей, следы обработки на которых имеют преимущественное направление.

                             Методы светового и теневого свечения

         Метод светового свечения при измерении параметров неровности применяется наиболее часто и заключается в следующем. Исходящий от источника света световой поток преобразуется в тонкий пучок, проходя через узкую щель. Далее он с помощью объектива под определённым углом направляется на исследуемую поверхность. Отраженный луч снова проходит через объектив и формирует изображение щели в окуляре. Абсолютно ровная поверхность соответствует идеально прямой светящейся линии, шероховатая поверхность – искривлённой. Теневой метод является «продолжением» светового: на небольшом расстоянии от изучаемой поверхности устанавливается линейка, ребро которой скошено. Пучок света проходит тот же путь, однако, словно ножом срезается ребром. На контролируемой поверхности появляется тень, верхняя часть которой точно повторяет изучаемый профиль. Рассматривая это изображение в микроскоп, делают выводы о характере и параметрах шероховатости.

                                 Микроинтерференционный метод

        Для реализации микроинтерференционного метода используют измерительный прибор, в состав которого входит интерферометр и измерительный микроскоп. С помощью первого устройства формируется интерференционная картина исследуемой поверхности с искривлениями полос в местах неровностей. Увеличивающий в разы полученную картину микроскоп позволяет измерить параметры шероховатости.

         Приборы и методы проверки качества гальванических покрытий

       Металлические и неметаллические покрытия контролируют по толщине, пористости, коррозионной стойкости, прочности сцепления с основным металлом, внутренним напряжениям и некоторым специальным свойствам. Контролю подвергают 1—2% деталей от партии, ав особых случаях до 100%, т. е. всю партию. К дефектам покрытия можно отнести механические повреждения, подгар, питтинг, отслоение, шелушение, крупнозернистость, большую неравномерность толщины по поверхности изделия и др.Первой контрольной операцией после нанесения покрытия является визуальный осмотр изделий при дневном или искусственном освещении не менее 300 лк. На этом этапе определяют явно бракованные детали, имеющие внешние дефекты. Следующей контрольной операцией является измерение толщины.

                           Разрушающие методы контроля толщины

        Этот параметр покрытия наиболее важный и, как правило, является определяющим, от него зависят антикоррозионные и многие технологические свойства изделия. При измерении необходимо учитывать, что толщина покрытия неодинакова на различных участках поверхности. На протяженных плоских поверхностях толщина покрытия всегда меньше в середине, чем на краях. В углублениях, пазах, отверстиях она также меньше, чем на остальной поверхности, а в глухих, глубоких отверстиях покрытие может отсутствовать. Поэтому при контроле определяют среднее значение толщины покрытия, производя замеры от минимального до максимального значения.Разрушающие методы измерения толщины основаны на растворении металла покрытия за определенное время в заданных условиях. Растворение может быть химическим и электрохимическим.

                                                   Капельный метод

        Капельный метод контроля заключается в том, что покрытие растворяют последовательно наносимыми с помощью пипетки каплями раствора, имеющего строго определенный состав и температуру (18—25 °С). После нанесения каждую каплю выдерживают на поверхности в течение заданного промежутка времени, а затем снимают фильтровальной бумагой. Эту операцию повторяют несколько раз до появления основного металла. Для каждого покрытия составлен целый ряд растворов, работающих при определенных температурах. Метод прост в эксплуатации, но требует большой аккуратности при измерении, его погрешность достигает +30%; минимальная контролируемая толщина — 2 мкм. Метод может применяться для контроля толщины на очень больших и сложно профилированных деталях.

                                                  Струйный метод

        Существует два варианта струйного метода: струйно-периодический и струйно-объемный. Оба варианта используют для измерения толщины на деталях с площадью более 0,3 см2, профиль которых не препятствует стенанию раствора. Толщина покрытия определяется по времени растворения его раствором, подаваемым с заданной скоростью. Момент появления основного металла устанавливается визуально, что несколько снижает точность измерения.

                                           Металлографический метод

        Металлографический метод — один из наиболее точных методов разрушающего контроля, его применяют для измерения местной толщины одно- н многослойных металлических и неметаллических покрытий. Метод заключается в измерении с помощью микроскопа толщины покрытия на поперечном срезе покрытой детали. Для этой цели пригодны микроскопы с увеличением 500—1000 и покрытия толщиной более20 мкм. Для измерения толщины изготовляют шлиф с поперечным разрезом покрытия. Учитывая трудоемкость метода, его используют для арбитража и структурных исследований покрытии.

                             Неразрушающие методы контроля толщины

        Они более удобны в эксплуатации, мобильны и отличаются высокой точностью и простотой. Погрешность этих методов составляет 3—5%. Для контроля толщины предназначены приборы, использующие, например, следующие принципы измерения: электромагнитный, вихревых токов и радиометрический.

                               Электромагнитный принцип измерения

         Электромагнитный принцип измерения основан на регистрации измерения магнитного потока в зависимости от толщины покрытия. Приборы, работающие на этом принципе, измеряют толщину немагнитных покрытий (медь, цинк, кадмий и хром) на стальной поверхности. Они могут использоваться как в производственных, так и в лабораторных условиях. Недостатком метода является зависимость результатов контроля от шероховатости поверхности, термической обработки, магнитных свойств и толщины основного металла. Для настройки приборов необходимо использовать образцы из материала измеряемых изделий. Такие образцы называют эталонами. Выпускаются также приборы карандашного типа. Предел измерения этих приборов 0—50мкм.Погрешность достигает ±10%.

                                 Определение пористости покрытия

        Почти все покрытия имеют поры различных размеров и глубины. По размерам определяют на макропоры (радиус менее 100 А°), микропоры (радиус более 15 А°) и промежуточные. Пористость определяют наложением фильтровальной бумаги, смоченной специальным раствором, на предварительно обезжиренную поверхность стальных или из медных сплавов деталей простой формы. Раствор подбирают так, чтобы он, не действуя на металл покрытия, реагировал через поры с металлом основы, образуя при этом хорошо различимые продукты реакции в виде точек. Бумагу выдерживают на деталях в течение 20 мин —для медных покрытий на стали. 5 мин — для никелевых и 10 мин— для всех остальных, кроме оловянных. После снятия бумаги на ней подсчитывают количество пор на единицу поверхности. В качестве реагента для смачивания бумаги используют раствор, содержащий: железисто синеродистый калий— 10 г/л, натрий хлористый — 20 г/л. 

                                                   Заключение

      Качество поверхности оказывает значительное влияние на эксплуатационные свойства деталей (износостойкость; статическая, длительная и усталостная прочность; качество посадок сопрягаемых деталей и др.). Поверхности деталей контролируются косвенными и прямыми методами контроля качества поверхности. К характеристикам качества поверхностного слоя относится Rz и Ra – высота неровности по 10-ти точкам и среднеарифметическое отклонение профиля по которому и производится контроль качества. При контроле поверхностей деталей с гальваническим покрытием следует обращать внимание на качество покрытия от которого также зависят эксплуатационные свойства деталей. Для контроля покрытий применяются разрушающие и неразрушающие методы контроля.

Список используемой литературы:

1. Интернет-ресурс: https://www.promequipment.ru/publication/digest/66-pribory-i-metody-proverki-kachestva-galvanicheskih-pokrytiy.html статья: «Приборы и методы проверки качества гальванических покрытий».

2.      Интернет-ресурс:  https://poznayka.org/s29261t1.html фрагмент из статьи: «Методы измерения и оценки качества поверхности», - Метод косого среза и его сущность. 

3.      Интернет-ресурс:   https://ndt-welding.com/sherohovatost-poverhnosti-vidyi-metodyi-i-parametryi/ статья:  «Шероховатость поверхности. Виды, методы и параметры».  

4.  Интернет-ресурс:  http://www.ntcexpert.ru/documents/Pasport-obrazcov-sherohovatosti.pdf  Информация из паспорта образца шероховатости поверхности.

5.       Интернет-ресурс:    https://studfile.net/preview/5226146/page:29/ статья:

«Методы измерения и оценки качества поверхности».