Ε.1. Εισαγωγή
ΣΥΝΗΘΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑ ΤΙΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΤΡΑΧΥΤΗΤΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ – ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ
EΙΣΑΓΩΓΗ
H τραχύτητα επιφάνειας που προκύπτει από την εκτέλεση των ποικίλων κατεργασιών μορφοποίησης είναι ένα βασικό κριτήριο κατεργαστικότητας. Αποτελεί έτσι, ένα κρίσιμο παράγοντα παραδοχής ή απόρριψης των τελικών τεμαχίων. Είτε πρόκειται για ένα απλό διακοσμητικό αντικείμενο, είτε για ένα υψηλών απαιτήσεων λειτουργικότητας στοιχείο μηχανής (π.χ. οδοντωτό τροχό, στροφαλοφόρο άξονα, έδρανο) οι μετρήσεις τραχύτητας πρέπει να είναι ακριβείς και αντιπροσωπευτικές για την κάθε επιφάνεια. Μάλιστα, οι τραχυμετρήσεις σε διάφορες φάσεις του κύκλου παραγωγής επιτρέπουν εκτός από διαπίστωση σφαλμάτων στα αρχικά στάδια, έλεγχο και βελτιστοποίηση της κατεργασίας. Η τραχύτητα άλλωστε αποτελεί και ελεγκτικό μέγεθος σε προβλήματα αυτομάτου ελέγχου και διαγνωστικής δυσλειτουργιών ή βλαβών στα σύγχρονα συστήματα κατεργασιών (Σχήμα 1).
Στα επόμενα θα εστιαστούμε σε ορισμένα παραδείγματα συνήθων προβλημάτων, σφαλμάτων και παρανοήσεων που ανακύπτουν στις μετρήσεις και στην ανάλυση της τραχύτητας.
- Ποιες παράμετροι προσδιορίζονται και τι αυτές χαρακτηρίζουν ;
(Χρήσιμο ιστορικό) Παλαιότερα, ο καθορισμός της τραχύτητας κατεργασμένης επιφάνειας διεξάγετο καθαρά εμπειρικά, όσο και κατά υποκειμενικό τρόπο, δηλαδή με απλή οπτική επιθεώρηση ή επιθεώρηση δι’ αφής σε σύγκριση με πρότυπες επιφάνειες δεδομένου βαθμού τραχύτητας. Επομένως, δεν ήταν αναγκαίες στενές ανοχές, ούτε ο προσδιορισμός και ο συμβολισμός της τραχύτητας. Ο έλεγχος της τραχύτητας βελτιώθηκε με την εισαγωγή των αντεστραμμένων τριγώνων κατά DIN 140, όμως ο ποσοτικός προσδιορισμός επετεύχθη με τα πρότυπα ASA (1940) και BS (1950), όπου ορίζονται παράμετροι τραχύτητας, οι οποίες εκφράζονται αριθμητικά και μετρούνται από κατάλληλα όργανα (προφιλόμετρα). Οι πρώτες αριθμητικές παράμετροι, οι οποίες προτάθηκαν ήταν το μέγιστο ύψος και το μέσο ύψος τραχύτητας συμβολιζόμενες ως Rmax και Ra, αντιστοίχως. Η τελευταία μάλιστα έχει καθιερωθεί ως η πιο δημοφιλής παράμετρος. Το μεταγενέστερο πρότυπο ISO R468 (1966) εισηγείται τον υπολογισμό τριών παραμέτρων (Rmax, Ra και Rz) παράλληλα με αναφορά στη σχετική κατεργασία κοπής. Όμως, ο χαρακτηρισμός της επιφάνειας μόνον υψομετρικά, με απόλυτες τιμές και αντίστοιχους μέσους όρους, έχει σαφείς περιορισμούς. Η σταθερότητα ή διακύμανση των τιμών της Ra μπορεί να επιτρέπει στοιχειώδη έλεγχο της κατεργασίας όμως δεν δίνει καμία πληροφορία για την μορφή της επιφάνειας.
Οι σύγχρονες υψηλές απαιτήσεις για μεγαλύτερη λειτουργική ακρίβεια και υψηλότερη διάρκεια ζωής των τεχνολογικών επιφανειών επιβάλλουν την θεώρηση και άλλων παραμέτρων, τόσο αριθμητικών, όσο και στατιστικών, που καταρχήν είχαν προταθεί σε ερευνητικές εργασίες για να περιγράψουν και άλλα χαρακτηριστικά της επιφάνειας καθ’ύψος και κατά μήκος. Ορισμένες τελικά υιοθετήθηκαν από το ISO 4287 (1997).
Η βασική διάκριση μεταξύ των παραγόμενων περιγραμμάτων εντοπίζεται σε περιοδικά και σε τυχαία (Σχήμα 2). Τα πρώτα οφείλονται σε κατεργασίες με εργαλείο καθορισμένης γεωμετρίας (τόρνευση, φραιζάρισμα, πλάνισμα). Η υφή τους χαρακτηρίζεται από τα αποτυπώματα της ακής του εργαλείου που ισαπέχουν κατά την τιμή της εκάστοτε εφαρμοζόμενης πρόωσης. Αυτό πάντως δεν ισχύει σε περιπτώσεις μη ομαλού σχηματισμού του αποβλίττου, όπως για ασυνεχές απόβλιττο, ψευδόκοψη και σοβαρή φθορά του εργαλείου.
Τα δεύτερα παράγονται από λειαντικές κατεργασίες ή μη συμβατικές κατεργασίας (π.χ. ηλεκτροδιάβρωση). Είναι σαφώς αναγνωρίσιμα αν και δύσκολα περιγράψιμα.
Εμπορικά λογισμικά λογικού κόστους που συνεργάζονται με τα σύγχρονα τραχύμετρα υπολογίζουν πάνω από 100 (!) παραμέτρους. Από αυτές έως 6 χρησιμοποιούνται στην βιομηχανία , αλλά και για έρευνα και ανάπτυξη.
Δεν υφίσταται λοιπόν πλέον η δυσκολία προσδιορισμού κάποιων παραμέτρων, αλλά από την άλλη πλευρά γεννιέται σύγχυση ως προς τις επιλέξιμες από αυτές βάσει ή όχι των προτύπων.
Επομένως, παίζει σημαντικό ρόλο η εξειδίκευση της παραγωγής του μηχανουργείου, η συμμόρφωση προς σύγχρονες προδιαγραφές επιφανειών και η κατάρτιση του τεχνικού προσωπικού του τμήματος του ποιοτικού ελέγχου.
Εδώ, πρέπει να τονιστούν τρία σημεία:
α) Οι παρανοήσεις μεταξύ συναφών παραμέτρων, όπως ανάμεσα σε Ra και Rq ή Rt και Rz, είναι συχνές και πρέπει να γίνονται οι αντίστοιχες διορθώσεις.
β) Δεν είναι εύκολη η επιλογή των παραμέτρων, καθώς υφίσταται άμεση εξάρτηση από την κατεργασία που προηγήθηκε, αλλά και την μετέπειτα λειτουργική (τριβολογική) συμπεριφορά της επιφάνειας.
γ) Πρέπει να συμπληρωθεί η έρευνα σχετικά με την αλληλεξάρτηση των εν χρήσει παραμέτρων για όσο το δυνατόν περισσότερες μηχανουργικές κατεργασίες και ευρεία περιοχή μεταβολής παραγόντων κοπής (πρόωση, ταχύτητα κοπής, γεωμετρία κοπτικού κ.ά.). Έτσι, θα προκύψει ένα ελάχιστο σύνολο ασυσχέτιστων μεταξύ των παραμέτρων που θα περιγράφει διαφορετικά χαρακτηριστικά της επιφάνειας.
2. Επιλογή αισθητηρίου (pick up)
Διατίθενται δύο τύποι αισθητηρίων: με πέδιλο και χωρίς πέδιλο.
Το πέδιλο χαρακτηρίζεται από πολύ μεγαλύτερη ακτίνα καμπυλότητας σε σχέση με τον στυλίσκο και ακολουθώντας εφαπτομενικά το περίγραμμα της επιφάνειας δρα ως μηχανικό φίλτρο, το οποίο αποκόπτει την κυμάτωση (Σχήμα 3). Τούτο σημαίνει πως μόνο παραμέτρους τραχύτητας μπορούμε να μετρήσουμε. Με τα αισθητήρια χωρίς πέδιλο υπολογίζουμε αξιόπιστα όλα τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας (μακρογεωμετρικά και μικρογεωμετρικά). Άρα, πρέπει να λαμβάνεται υπ’όψη η διαφορά αυτή των δυνατοτήτων μέτρησης κατά την αγορά του αισθητηρίου.
Επίσης, υπάρχουν ευθέα και πλευρικά αισθητήρια, τα οποία χαρακτηρίζουν επίπεδες και καμπύλες επιφάνειες, αντιστοίχως. Το ζητούμενο, που όμως δεν έχει διευκρινιστεί, είναι αν τα πλευρικά αισθητήρια μπορούν να μετρήσουν αξιόπιστα επίπεδες επιφάνειες, κάτι που θα προσέφερε συμφερότερη λύση.
3.Επιλογή μήκους κύματος αποκοπής (cut-off)
Ο στυλίσκος του τραχυμέτρου εκτελεί μία ρυθμιζόμενη προκαθορισμένη διαδρομή πάνω στην επιφάνεια του δοκιμίου. Πρέπει να γίνει διάκριση μεταξύ του συνολικού διαστήματος της τροχιάς του και του δειγματοληπτικού μήκους μέτρησης, το οποίο είναι μικρότερο από το πρώτο και συνίσταται από συνήθως 5 μήκη κύματος αποκοπής (Σχήμα 4). Αυτό το μήκος έχει αναγνωριστεί από δεκαετίες ως μείζον στοιχείο στην αποτίμηση της τραχύτητας, καθώς είναι το ελάχιστο μήκος όπου συλλέγονται τα δεδομένα της τραχύμέτρησης. Αν είναι μικρότερο από το αναγκαίο, ο χαρακτηρισμός της τραχύτητας δεν θα αντιπροσωπεύει το περίγραμμα, αν είναι πολύ μεγαλύτερο θα αποδίδει στην τραχύτητα μακρογεωμετρικά χαρακτηριστικά. Συστηματικά, η τελική επιλογή του μήκους κύματος αποκοπής συναρτάται άμεσα προς την κατεργασία και την μορφή των περιγραμμάτων που αυτή παράγει, όπως φαίνεται στον Πίνακα 1. Σαφώς, η περιοδικότητα ή τυχαιότητα του περιγράμματος παίζει σημαντικό ρόλο και από το παράδειγμα που ακολουθεί συνάγεται ότι και οι συνθήκες κατεργασίας, όπως η πρόωση, επιβάλλουν διαφορετικές τιμές cut-off, ακόμη και κατά την ίδια κατεργασία. Ίσως, ένας πρακτικός κανόνας του να περιλαμβάνονται σε ένα μήκος κύματος αποκοπής 10-15 αποτυπώματα του εργαλείου δίνει μία συμβιβαστική λύση.
Μία συνιστώμενη τιμή αποκοπής παλαιότερα ήταν τα 0,8 mm (πρότυπο ANSI Β46.1-1985), επειδή ήταν αποτελεσματική για πολλά είδη κατεργασιών, αλλά και με αρκετές εξαιρέσεις.
4. Επιλογή φίλτρου
Το σήμα που λαμβάνεται από το αισθητήριο πρέπει να φιλτραριστεί ηλεκτρονικά πριν γίνει η ψηφιακή επεξεργασία της μέτρησης, ούτως ώστε να παρέχονται οι χρήσιμες πληροφορίες και λεπτομέρειες για την τραχύτητα. Δηλαδή, το χρησιμοποιούμενο φίλτρο πρέπει να αποκόπτει την κυμάτωση και το σφάλμα μορφής με ταυτόχρονη μικρή παραμόρφωση φάσης. Το νεότερο φίλτρο είναι το Gauss (ISO 11562), που είναι βελτιωμένο σχετικά με το παλαιότερο αναλογικό 2RC. Οι σύγχρονες προδιαγραφές ταχύτητας αποπεράτωσης καθορίζουν τον τύπο του φίλτρου. Δεδομένου ότι η εφαρμογή διαφορετικού φίλτρου αλλοιώνει τις τιμές των παραμέτρων επιβάλλεται η διασαφήνιση του θέματος αυτού από τον σχεδιαστή- κατασκευαστή. Βεβαίως, η επιλογή του κατάλληλου φίλτρου έχει ιδιαίτερη σημασία σε ερευνητική αντιμετώπιση θεμάτων, όπως ο έλεγχος της κατεργασίας, τριβολογικές ιδιότητες (τριβή -φθορά-λίπανση), διαγνωστική της κατάστασης της εργαλειομηχανής κλπ.
5. Μέγεθος στυλίσκου
Οι ακτίνες καμπυλότητας των στυλίσκων του εμπορίου κυμαίνονται από 2μm έως 10μm. Υπάρχει αντιστοιχία ανάμεσα στην καμπυλότητα και στην ιχνηλασία πολύ μικρών ανωμαλιών του περιγράμματος, όπως και στην δυνατότητα χάραξης της επιφάνειας του δοκιμίου. Ο μεγάλης καμπυλότητας στυλίσκος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5 αδυνατεί να διακρίνει ιδιαίτερες λεπτομέρειες (πολύ μικρά μήκη κύματος). Αντιθέτως, η πίεσή του επί της επιφάνειας αυξάνει και μπορεί να χαράξει μαλακά υλικά, όπως: πλαστικά, ελαστομερή, μόλυβδο κ.ά. Σε τέτοιες περιπτώσεις άλλωστε πρέπει να είναι ελαττωμένο και το φορτίο «ανάγνωσης» του στυλίσκου.
6. Χρήση φθαρμένου στυλίσκου
Το υλικό κατασκευής του στυλίσκου, φυσικό ή τεχνητό διαμάντι, είναι πολύ σκληρό, αλλά και έχει χαμηλή δυσθραυστότητα. Κατά συνέπεια, εφόσον δεν αποφεύγονται και οι κρούσεις με το δοκίμιο κατά τις μετρήσεις, απολεπίσεις ή θραύση είναι αναμενόμενες μετά από κάποιο χρονικό διάστημα χρήσης. Σε αυτή την περίπτωση ο στυλίσκος δεν διεισδύει επαρκώς και τούτο διαπιστώνεται από τις εσφαλμένες τιμές των παραμέτρων. Αν υπάρχει υποψία φθοράς μπορεί αυτή να διαπιστωθεί με ένα μηχανουργικό μικροσκόπιο (χαμηλής ισχύος) ή με μέτρηση του προτύπου πλακιδίου διακρίβωσης.
7. Λανθασμένη κατεύθυνση ή θέση μέτρησης
Σε πολλές κατεργασίες εξ αιτίας της κινηματικής τους το κοπτικό εργαλείο αφήνει το αποτύπωμά του προς καθορισμένες διευθύνσεις, δηλαδή η επιφάνεια αποκτά προσανατολισμένα γεωμετρικά χαρακτηριστικά (Σχήμα 3). Κατά μία διεύθυνση θα εμφανίζεται η μέγιστη τιμή εύρους της τραχύτητας (κάθετη στην ταχύτητα κοπής), ενώ η κάθετη σε αυτήν διεύθυνση εμφανίζει την ελάχιστη τραχύτητα. Επομένως, οι ιδιότητες αυτές δεν πρέπει να αγνοούνται για να μην υποεκτιμάται η τραχύτητα. Ο προσανατολισμός είναι δυνατόν να μεταβληθεί σε περίπτωση έντονων ταλαντώσεων ή φθοράς του εργαλείου.
Εκτός από την κατεύθυνση μερικές φορές έχουν σημασία και οι θέσεις μέτρησης στην επιφάνεια, οι οποίες εξαρτώνται από φθορά του εργαλείου και δυναμικά φαινόμενα. Για παράδειγμα, η τραχύτητα κατά μήκος ενός τορνευμένου άξονα επιδεινώνεται αν δεν έχει αλλαχθεί το κοπτικό. Ή κατά φραιζάρισμα με μεγάλο βάθος κοπής ή σε χαμηλής ισχύος φραιζομηχανή (άρα και χαμηλής στιβαρότητας) υφίσταται ανομοιογένεια των τιμών τραχύτητας σε διάφορες θέσεις.
8. Ύπαρξη επιφανειακών ελαττωμάτων
Υπάρχει πιθανότητα να ευρεθούν στην επιφάνεια σχισίματα, πόροι ή και ρωγμές, που δεν οφείλονται στην κατεργασία ή δεν είναι αντιπροσωπευτικά της κατεργασίας π.χ. τραυματισμός της επιφάνειας κατά την απόσυρση του τεμαχίου από την εργαλειομηχανή. Mε τα φορητά τραχύμετρα που υπολογίζουν μία ή δύο παραμέτρους ή για παλαιά όργανα χωρίς λογισμικό η μόνη λύση είναι η αποφυγή τέτοιων περιοχών πριν ληφθεί η μέτρηση. Με την υποστήριξη των σύγχρονων λογισμικών μέτρησης της τραχύτητας μπορεί το ελάττωμα να απαλειφθεί κατά την ανάλυση και να μην επηρεάσει την τελική αποτίμηση.
Επίσης, μία άλλη αιτία είναι η διάβρωση, χημική ή φυσική, που οφείλεται στο περιβάλλον π.χ. ταχεία οξείδωση της επιφάνειας αν η μέτρηση διεξαχθεί καθυστερημένα. Σε αυτή την περίπτωση μεταβάλλονται οι κορυφές των ανωμαλιών και επηρεάζονται κατά περίπτωση οι παράμετροι. Η έκταση της οξείδωσης εξαρτάται και από το υλικό π.χ. μεγάλη έκταση σε χάλυβα, σημειακή (spots) σε κράμα αλουμινίου.
9. Tαλαντώσεις κατά την μέτρηση
Αν το τραχύμετρο, και αυτό είναι σύνηθες, λειτουργεί μέσα σε μηχανουργείο είναι δυνατόν οι μετρήσεις να επηρεάζονται από ταλαντώσεις. Συγκεκριμένα, ταλαντώσεις που προέρχονται από την λειτουργία παρακείμενων εργαλειομηχανών μεταδίδονται μέσω του δαπέδου και διεγείρουν τον στυλίσκο με αποτέλεσμα την παραποίηση του σήματος του περιγράφοντος την επιφάνεια και επακόλουθη μείωση της αξιοπιστίας και της επαναληψιμότητας της μέτρησης. Οι πηγές των ταλαντώσεων αναγνωρίζονται μάλλον εύκολα, εκτός αν είναι χρονικά απρόβλεπτες π.χ. διέλευση βαρέων οχημάτων από γειτονικό δρόμο και η λύση μπορεί να είναι η τοποθέτηση του τραχυμέτρου πάνω σε ένα βαρύ τραπέζι ή αν η ταλάντωση είναι εντονότερη, η έδραση με αντικραδασμικά πέλματα. Φυσικά, πρέπει να καταβληθεί προσπάθεια δραστικής μείωσης των ταλαντώσεων σε ένα μηχανουργικό περιβάλλον διότι καταπονούνται και οι ίδιες οι εργαλειομηχανές με κίνδυνο εμφάνισης αστοχιών (πλαστικές παραμορφώσεις μερών, ρωγμές κ.ά.).
10. Aσυμβατότητα λογισμικών μέτρησης
Η πληθώρα λογισμικών που διατίθεται για την μέτρηση των παραμέτρων από διάφορους οίκους κατασκευής τραχυμέτρων έχει καταστήσει την ανάλυση της τραχύτητας προσιτή σε βιομηχανικούς χρήστες και ερευνητές. Έχει δημιουργήσει όμως και προβλήματα, καθώς δεν είναι δυνατό για εμπορικούς λόγους να έχει κάποιος πρόσβαση στον πηγαίο κώδικα αυτών των προγραμμάτων και να εξακριβώσει πώς υπολογίζεται η κάθε παράμετρος. Το αποτέλεσμα είναι προφανώς ασυμφωνία μεταξύ ομοειδών μετρήσεων που επηρεάζει περισσότερο τις απαιτήσεις ακρίβειας και επικοινωνίας ανάμεσα σε ομάδες που δραστηριοποιούνται σε αυτό το πεδίο. Καταβάλλεται προσπάθεια θέσπισης ενός κοινού format δεδομένων, το οποίο θα γίνει γενικά αποδεκτό.
11. Νέες εξελίξεις στην οργανολογία
Τα τραχύμετρα τύπου στυλίσκου είναι καθιερωμένα στην βιομηχανική και εργαστηριακή πρακτική και κατά βάση παρέχουν δισδιάστατη απεικόνιση της επιφάνειας, η οποία είναι επαρκής για αρκετές κατεργασίες. Οι δυνατότητες των σύγχρονων τραχυμέτρων επιτρέπουν αξιόπιστο γεωμετρικό προσδιορισμό για την πλειονότητα των τεχνολογικών επιφανειών και το κόστος τους, όπως και του συνοδεύοντος λογισμικού, είναι σαφώς προσιτό. Στην πραγματικότητα η επιφανειακή τοπογραφία είναι τριών διαστάσεων και υπάρχουν περιπτώσεις όπου η εξέταση μιας τομής κάθετα προς τον προσανατολισμό του αποτυπώματος του εργαλείου (ιδέ και παραγρ. 7) δεν είναι ικανοποιητική. Επομένως, ένας τρισδιάστατος υψομετρικός χάρτης θα περιέγραφε καλύτερα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της επιφάνειας και θα προσέφερε νέες δυνατότητες.. Προς την κατεύθυνση αυτή υπάρχουν οπτικά τραχύμετρα που σαρώνουν την επιφάνεια και εξάγουν τρισδιάστατες τοπογραφικές παραστάσεις. Για την αποτίμηση της τραχύτητας ορίζονται νέες παράμετροι αντίστοιχες με του δισδιάστατου χαρακτηρισμού π.χ. Sa αντί Ra, αλλά και παράμετροι που δεν ορίζονται σε δύο διαστάσεις, όπως η Std που περιγράφει την κατευθυντικότητα του περιγράμματος.
Η αντιμετώπιση αυτή επιβάλλεται και από λειτουργικές απαιτήσεις και θα έδινε ώθηση σε νέα αντιμετώπιση φαινομένων όπως η λίπανση και η φθορά. Ο κύκλος των μετρήσεων διεξάγεται ταχύτερα συγκριτικά με τα μηχανικά όργανα, παρουσιάζουν πάντως και αυτά προβλήματα, όπως συχνά σφάλματα λόγω διάχυσης και συμβολής.
Διαβάστε όλο το άρθρο στο "Panda-πάντα" »
Μεταφράστε αυτό το άρθρο (Translate this article) »
