Měření drsnosti

Profily povrchu a parametry profilu povrchu

V technické praxi hraje pojem drsnosti povrchů nezastupitelnou roli. Je vyhodnocována různými technikami i různými matematickými postupy již od dvacátých let minulého století. Nicméně vyhodnocování bývá často podceňováno a redukováno na nalezení parametru Ra, nebo Rz. Toto je však v součastnosti zcela nepřípustné zjednodušení problematiky a následující partie budou osvětlovat „malou“ část rozsáhlé problematiky.

Nejprve uvažme, co je to vlastně drsnost povrchu. Základní definice dle ČSN EN ISO 4287 (popisující termíny, definice a parametry povrchu) stanovuje, že drsnost je souhrn nerovností povrchu s relativně malou vzdáleností, které nevyhnutelně vznikají při výrobě nebo jejím vlivem.

Podíváme-li se na reálný povrch, můžeme tam nalézt jak mikronerovnost(což je výše definovaná drsnost povrchu, která je dána stopami, které zanechává řezný nástroj, případně brusivo), tak i makronerovnosti (jež se nazývají vlnitostí povrchu a jsou  nejčastěji způsobeny vibrací soustavy  Stroj – Nástroj – Obrobek – Prostředí). U obrobených povrchů ploch se tyto nerovnosti navzájem překrývají a je nutné je navzájem odfiltrovat (tedy rozdělit na drsnost a vlnitost povrchu).

Dále je nutné si uvědomit, že dle výše uvedené definice do hodnocení drsnosti povrchu se nepočítají vady, které se mohou na povrchu vyskytovat, tj. povrchové trhliny, praskliny, škrábance, naraženiny apod.

Rozdělení parametrů profilu povrchu

Standardně jsou parametry profilu povrchu rozděleny do tří skupin, a to na parametry výškové, délkové a hybridní, kde v praxi jsou nejpoužívanější parametry výškové. Dále však musíme definovat pojem profil povrchu.

Profil povrchu vzniká jako průsečnice nerovností skutečného povrchu s rovinou vedenou kolmo k tomuto povrchu a je základním zdrojem informací pro posuzování drsnosti povrchu.

P – parametr – Je to nejmenší vzdálenost mezi dvěma rovnoběžnými mezními přímkami z nefiltrovaného profilu povrchu uvnitř měřené délky ln.

R – parametr – Je to svislá vzdálenost od nejvyšší špičky k nejhlubší rýze filtrovaného profilu drsnosti uvnitř měřené délky ln.

W – parametr – Je to vzdálenost mezi nejvyšším a nejhlubším bodem vyrovnaného profilu vlnitosti (drsnost odfiltrována) uvnitř měřené délky ln.

1) Výškové parametry profilu povrchu

Největší výška výstupku profilu Rp je výška Zp nejvyššího výstupku profilu v rozsahu základní délky. Průměrná výška prvků profilu Rc je průměrná hodnota výšek Zt prvků profilu v rozsahu základní délky.

2) Délkové parametry profilu povrchu

Průměrná šířka prvků profilu RSm je aritmetický průměr šířek Xs prvků profilu v rozsahu základní délky.

3) Hybridní parametry profilu povrchu – Materiálový poměr Rmr

Je jedním z důležitých parametrů pro hodnocení povrchů v praxi. Nazývá se tzv. materiálovým poměrem (symbolické označení Rmr) a je poměrem délky nosné plochy v kterékoliv hloubce profilu k celkové délce profilu. Vyjadřuje se nejčastěji v procentech.

Metody měření drsnosti povrchu

1) Metody kvalitativní    (porovnávací vzorkovnici s reálným povrchem)-k čemuž slouží dodnes využívané vzorkovnice povrchů, či komparační mikroskopy. Zde je však nutné upozornit, že se jedná o celkem zastaralou metodu, založenou na individuálních schopnostech povrch posuzujícího pracovníka.

2) Metody kvantitativní  (parametrické, využívající matematický popis parametrů povrchu) – k čemuž se využívjí v dnešní praxi zcela běžně tzv.profilometry.  Tyto se v podnikové mluvě často nazývají drsnoměry, což není zcela správné. Tyto přístroje mimo drsnost dokáží měřit i vlnitost a mnohdy i tvar. Tedy výraz „drsnoměr“ je nutné považovat za vžitý a ne zcela správný výraz.

Přístroje  kontaktní

Kontaktní přístroj znamená, že speciálně upravený hrot snímá souřadnice vyhodnocovaného povrchu, které jsou potom počítačově zpracovány. Jedná se o jednu z nejstarších metod hodnocení, která bývala využívána již v 20-tých létech minulého století. Kontaktní přístroj se skládá z části mechanické a elektronické.

• Mechanická část se skládá ze stolku, na který se umisťuje měřená součást a ramena se snímacím hrotem (tzv. snímací hlavice), které se pohybuje určitou konstantní rychlostí a snímací hrot snímá nerovnosti povrchu (přímočarý vratný pohyb je zajištěn pomocí elektromotorku).
• Elektronická část slouží k transformaci mechanického signálu generovaného snímacím hrotem sledujícím nerovnosti povrchu měřené plochy na elektrický signál, který se zpracovává (číselnou hodnotou příslušného parametru drsnosti nebo grafickým záznam nerovnosti povrchu).

Pohyb snímacího hrotu musí být velmi přesný co do přímosti a rovnoměrnosti. Rychlost musí být volena s ohledem na dynamické vlastnosti snímacího systému. Tyto přístroje dále umožňují přenos naměřených dat do PC (nejčastěji pomocí USB nebo COM rozhraní) pro jejich podrobnější analýzu.

Vertikální pohyb hrotu při přechodu výstupků a prohlubní je indukčním měřidlem převáděn na elektrický signál. Tento se potom dále počítačově zpracovává a následovně vyhodnocuje. Pro tento systém snímání je charakteristická malá měřicí síla (tedy malá síla přitlačující hrot k povrchu), což minimalizuje nebezpečí poškození měřeného povrchu.

Správnost výsledku měření ovlivňuje:
a) poloměr zaoblení snímacího hrotu (2 µm, 5 µm, 10 µm)
b) vrcholový úhel snímacího hrotu (600, 900)
c) měřící (přítlačná) síla (cca 0,00075 N)
d) rychlost změny měřící síly

V tradičním strojírenském prostředí mají kontaktní metody proti bezkontaktním zřejmou výhodu ve větší toleranci vůči znečištění. Snímací hrot odsune malé nečistoty nebo mu nevadí olejová vrstva. Bezkontaktní sonda vyžaduje skutečně čistý měřený povrch.Ve strojírenské praxi je zatím dávána přednost kontaktním měřícím přístrojům před bezkontaktními.

Přístroje bezkontaktní

V laboratorní a vědecké praxi se především využívají přístroje na hodnocení povrchů pracující na bezkontaktním principu, a tedy využívajících bezkontaktních snímačů. Z nich se nejčastěji využívá snímačů CLA (Chromatic Lenght Aberration) a snímačů laserových. Rozlišitelnost snímačů CLA je v um, laserových snímačů je přibližně o řád nižší.

Princip CLA snímače je možno popsat takto. Bílé světlo je rozkládáno a optikou je směrováno na kontrolovaný povrch. Optika rozloží světlo podle vlnových délek a v každém bodě povrchu je zaostřena jen určitá vlnová délka . Světlo odražené z povrchu prochází otvorem, který propustí jen světlo zaostřené vlnové délky. Spektrometr vychýlí světlo na maticový senzor, kde je každému bodu připravena prostorová poloha, která je následně počítačově zpracována a vyhodnocena. Na místo CLA snímačů je možné použít i snímačů laserových. Ty však nejsou tak přesné jako snímače CLA. Nasnímané prostorové polohy jsou potom zpracovány speciálními softvéry, které umožní 3D zpracování dat, včetně 3D vizualizace.

VYHODNOCENÍ MĚŘENÍ DRSNOSTI

Charakteristiky drsnosti, zvláště parametry vertikální Rt, Rz, Rz1max a Ra, se pohybují v rozmezí od -20% do +30%. Jedna samotná naměřená hodnota proto nemůže podávat žádnou komplexní výpověď o respektování tolerovaných parametrů. V normě ČSN EN ISO 4288 příloze A je tato skutečnost upřesněna:

Pravidlo maxima

Povrch odpovídá požadavku maxima, jestliže žádná z naměřených hodnot parametru na celém kontrolovaném povrchu nepřesáhne ani v jednom případě předepsanou hodnotu horní meze.

Pravidlo 16%

Povrch je považován za přijatelný, jestliže ne více než 16% všech naměřených hodnot parametru na vyhodnocované délce přesahuje předepsanou hodnotu této horní meze. Pravidlo je standardní, nepředepisuje se. Mezní hodnotu smí překročit 16% naměřených hodnot.

Postup:

1. Je první naměřená hodnota menší než 70% toleranční meze, platí toto pravidlo.

2. Provedeme další dvě měření vždy na jiných místech povrchu; pokud jsou všechny tři naměřené hodnoty menší než mezní hodnota, platí toto pravidlo.

3. Provedeme dalších devět měření vždy na jiných místech povrchu; pokud není dvě a více hodnot větších než mezní hodnota, platí toto pravidlo.