Поверхностей

При контроле отклонений формы номинально цилиндрических поверхностей измеряемыми параметрами являются отклонение от цилиндричности, отклонение от круглости и отклонение от номинального профиля продольного сечения. Если рассматривать отклонения от круглости и от номинального профиля продольного сечения как элементарные, то их объединение даст оценку комплексного по отношению к ним отклонения от цилиндричности. Следует также иметь в виду, что предельное значение отклонения от круглости может быть нормировано для номинально круглого сечения любой поверхности вращения (конической, сферической, тороидальной, гиперболоида вращения и т.д.).

Контроль отклонения от цилиндричности осуществляется путем измерения отклонений ограниченного количества контрольных точек или профилей (линий), лежащих на контролируемой поверхности.

В зависимости от особенностей расположения измеряемых точек или линий различают следующие методы измерения отклонений от цилиндричности:

- метод поперечных сечений;

- метод продольных сечений (метод образующих);

- метод винтовой линии;

- метод экстремальных значений.

Каждый из этих методов может быть реализован либо путем непрерывного измерения по линиям (сканирование по линиям), либо путем дискретного измерения в выбранных точках (по контрольным точкам). При наличии определенной доминирующей составляющей отклонения формы в поперечном или продольном сечениях поверхности предпочтение следует отдавать соответственно либо методу поперечных сечений, либо методу образующих.

При измерении методом поперечных сечений измеряемую деталь выставляют на столе измерительного прибора так, чтобы ось контролируемой поверхности была совмещена с осью вращения стола или измерительного преобразователя. За ось поверхности в первом приближении можно принять прямую, проходящую через центры крайних поперечных сечений. После этого контролируемую поверхность сканируют (ощупывают) в процессе вращения в ряде выбранных поперечных сечений. Измеренные профили записывают на одной и той же диаграмме в полярной системе координат, и на ней строят прилегающую или среднюю окружность, общую по отношению ко всем профилограммам (рис. 3.36). За искомое отклонение от цилиндричности принимают, например, наибольшее расстояние по радиусу от общей прилегающей окружности до максимально удалённой точки одной из профилограмм. При построении средней окружности отклонение рассчитывают по двум экстремально расположенным точкам (снаружи и внутри средней окружности).

Рис. 3.36. Оценка отклонения от цилиндричности при использовании

метода поперечных сечений

О – центр общей прилегающей окружности

а – схема расположения измеряемых поперечных сечений поверхности;

б – профилограммы (круглограммы) выделенных поперечных сечений

В случае использования метода продольных сечений(метода образующих) после ориентирования контролируемой поверхности в системе координат используемого средства измерения, её измеряют в нескольких продольных сечениях. Схематично эта процедура представлена на рис. 3.37.

Измеренные профили записывают на одной и той же линейной диаграмме, и на ней строят прилегающий или средний профиль продольного сечения, общий по отношению ко всем профилограммам. За отклонение от цилиндричности принимают, например, расстояние от максимально удалённой точки одной из профилограмм до соответствующей линии прилегающего профиля по нормали к ней.

Рис. 3.37. Оценка отклонения от цилиндричности при использовании метода образующих (метода продольных сечений)

а – схема расположения измеряемых продольных сечений поверхности;

б – профилограммы образующих выделенных продольных сечений

При использовании метода винтовой линии также как в предыдущих случаях предварительно ориентируют контролируемую поверхность в системе координат используемого средства измерения, после чего осуществляют ее измерение в двух крайних поперечных сечениях и по винтовой линии в соответствии со следующий схемой (рис. 3.38).

Рис. 3.38. Схема расположения измеряемых сечений поверхности

при использовании метода винтовой линии

При этом рекомендуется, чтобы на длине нормируемого участка укладывалось целое число шагов (не менее 2-х) винтовой линии. Измеренные профили записывают на одной полярной диаграмме и оценивают искомое отклонение от цилиндричности, так же как в методе поперечных сечений.

При измерении отклонения от цилиндричности методом экстремальных значений также как во всех предыдущих случаях сначала осуществляют ориентирование контролируемой детали в системе координат используемого средства измерения. После чего измеряют две образующие одного произвольным образом расположенного продольного сечения. По записанным на линейной диаграмме по профилограммам реальных образующих находят основное положение двух экстремально расположенных точек, определяющих два наибольших отклонения профиля продольного сечения. В выявленных таким образом двух осевых положениях измеряют профили поперечных сечений с одной установки контролируемой детали, записывают их профилограммы на одной полярной диаграмме и оценивают искомое отклонение от цилиндричности как в методе поперечных сечений.

Описанную процедуру можно проиллюстрировать с помощью схемы, представленной на рис. 3.39.

Рис. 3.39. Оценка отклонения от цилиндричности при использовании

метода экстремальных значений

Рекомендуемое минимальное число измеряемых сечений, линий и точек при использовании различных методов измерения отклонения от цилиндричности может быть выбрано согласно таблице.

Таблица 11

Минимальное количество измеряемых сечений, линий и точек

для различных методов измерения

Все рассмотренные методы измерения отклонений от цилиндричности могут быть реализованы с применением кругломера, который кроме прецизионного вращательного относительного перемещения измерительного преобразователя и контролируемой детали обеспечивает также возможность их относительного прецизионного прямолинейного перемещения в направлении оси детали, его обобщенная схема предоставлена на рис.3.40. Кругломер такой конструкции иногда называют цилиндромером.

Следует отметить, что возможны два варианта реализации такого прибора – с вращающейся измеряемой деталью и с вращающимся измерительным преобразователем. На представленной выше схеме кроме вращающейся детали прибор имеет прецизионную направляющую прямолинейного движения измерительного преобразователя, выставленную параллельно оси вращения шпинделя.

Перед измерением деталь ориентируют (центрируют и нивелируют) по двум сечениям, находящимся на границах нормируемого участка. С помощью измерительного преобразователя контролируемая поверхность измеряется по отдельным линиям, и записываются соответствующие профилограммы измеренных сечений в полярной или декартовой системе координат. Если прибор снабжен компьютером, то измерение в каждом выбранном сечении можно производить дискретно и автоматически с помощью соответствующей программы вычислять искомое отклонение от цилиндричности по измеренным координатам точек.

Рассмотренное средство измерений позволяет отдельно контролировать такие дифференциальные или поэлементные отклонения формы поверхностей, как отклонения от круглости или отклонения профиля продольного сечения. Причем, такое средство измерения позволяет измерять данные отклонения в соответствии с их стандартными определениями. Следует отметить, что измерения отклонений формы номинально цилиндрических поверхностей, выполняемые с помощью кругломеров, считаются наиболее достоверными.

1 – измеряемая деталь; 2 – предметный стол, закрепленный на прецизионном шпинделе;

3 – линейный измерительный преобразователь; 4 – электронный блок, включающий усилитель, частотный фильтр и устройство отображения измерительной информации;

5, 6 – записывающие устройства (самописцы), воспроизводящие измеренные профили поверхности детали; 7 – плоскость центрирования детали; 8 – плоскость нивелирования детали;

9 – электроприводы, обеспечивающие вращение предметного стола и прямолинейное перемещение измерительного преобразователя

Рис. 3.40. Схема цилиндромера (кругломера, обеспечивающего

прецизионные вращательное и поступательное перемещения)

В том случае, когда нет возможности прямого измерения отклонения от цилиндричности, его определяют путем расчета по измеряемым отдельным составляющим отклонениям (дифференциальным отклонениям) с использованием специальных методик измерений.

На практике вместо контроля комплексного отклонения от круглости часто бывает достаточно проконтролировать его частные виды, такие как овальность и огранка (четная и нечетная). Для контроля частных видов отклонений от круглости могут использоваться как накладные, так и станковые средства измерений, реализующие двухточечную или трехточечную схему измерения. Варианты схемы двухточечного измерения с использованием накладного и станкового средств измерений представлены на рис. 3.41.

1 – контролируемая деталь; 2 – измерительная головка;

3 – измерительная стойка; 4 – скоба

Рис. 3.41. Измерение отклонения от круглости по двухточечной схеме:

а) с использованием накладного средства измерения;

б) с использованием станкового средства измерения

Представленная схематично методика выполнения измерений может быть реализована двумя способами:

1) путем непрерывного измерения диаметров при вращении детали относительно двухточечного средства измерения (индикатора часового типа закрепленного в измерительной стойке, индикаторной скобы, рычажной скобы и др.);

2) путем дискретного измерения диаметров по отдельным направлениям при шаговом (прерывистом) повороте детали относительно двухточечного средства измерения.

В процессе измерения первым способом деталь поворачивают не менее чем на 180^º и фиксируют разность между наибольшим и наименьшим диаметрами измеряемого сечения:

При этом отклонение от круглости профиля измеренного сечения определяют как

При выполнении измерений вторым способом измеряют диаметры в отдельных направлениях контролируемого сечения, как правило, равномерно расположенных.

В случае, когда имеет место овальность, оптимальными вариантами являются измерения в трех или четырех направлениях (рис. 3.42).

Рис. 3.42. Выбор расположения контрольных сечений при реализации двухточечной схемы дискретного измерения:

а) при использовании трех контрольных сечений;

б) при использовании четырех контрольных сечений

По результатам измерений определяется разность между наибольшим и наименьшим из измеренных диаметров , а отклонение от круглости EFK находится по формуле

,

где k – эмпирический поправочный коэффициент, учитывающий вероятность необнаружения экстремальных сечений, значение которого при измерении овальности принимается равным:

- k = 1,6 при измерении диаметров в трех направлениях;

- k = 1,7 при измерении диаметров в четырех направлениях;

- k = 2 при измерении диаметров в шести и более направлениях.

Двухточечными измерениями можно пользоваться только в случаях, когда отклонение от круглости имеет характер овальности или огранки с четным числом граней.

Измерение огранки с нечетным числом граней по двухточечной схеме невозможно. Если отклонение от круглости содержит составляющие с нечетным числом неровностей, то двухточечное измерение должно заменяться трехточечным, например, с использованием базирующей призмы. Схемы трехточечного измерения на базе станкового средства измерения представлены на рис. 3.43.

1 – контролируемая деталь; 2 – измерительная призма;

3 – измерительная головка; 4 – штатив или измерительная стойка

Рис. 3.43. Измерение отклонения от круглости по трехточечной схеме:

а) симметричной; б) несимметричной

Различают симметричную схему измерений, когда ось измерительного наконечника располагается по биссектрисе угла призмы α и несимметричную схему, когда ось измерительного наконечника располагается под углом β к биссектрисе. При реализации измерительной процедуры контролируемый вал устанавливают в призме и вращают, при этом определяют наибольшее изменение показаний измерительной головки за один оборот детали. Отклонение от круглости определяют как

,

где – коэффициент, который зависит от количества неровностей на длине окружности детали, определяющих огранку, от угла α или комбинации улов α и β.

Рекомендуемые углы α и β и значения коэффициентов для профилей с различным количеством неровностей n на периметре выбирают по специальной таблице.

Трехточечная схема измерения применима и для измерения отклонений от круглости отверстий (рис. 3.44).

1 – контролируемая деталь; 2 – измерительная головка;

3 – специальные опорные элементы, реализующие «внутреннюю призму»

Рис. 3.44. Измерение отклонения от круглости отверстия

по трехточечной схеме:

а) симметричной; б) несимметричной

Трехточечную схему измерения применяют для деталей, имеющих отклонения от круглости в виде огранки с нечетным числом граней. Особенностью контроля деталей по такой схеме является необходимость предварительного определения количества неровностей n на периметре контролируемого профиля, определяющих огранку. Такая необходимость отпадает при выполнении измерений по комбинированной схеме, аккумулирующей в себе двух- и трехточечную схемы измерений и базирующейся на использовании призмы и двух измерительных головок, работающих в паре (рис. 3.45).

При выполнении измерительной процедуры деталь базируется в призме и в процессе ее непрерывного или дискретного вращения сканируется (ощупывается) в выбранном контрольном сечении одновременно (или последовательно) двумя измерительными головками. Одна из головок измеряет отклонения точек профиля в направлении перпендикулярном одной из граней призмы (реализация двухточечной схемы), а вторая, измеряющая отклонения, например, в направлении параллельном одной из граней призмы, позволяет реализовать трехточечную схему. При этом рекомендуется использовать призмы с углами α = 60^º или α = 120^º и несимметричную схему трехточечного измерения.

При вращении контролируемой детали определяют максимальные разности показаний ΔA₁ и ΔA₂ обеих измерительных головок. Для рекомендуемых углов призмы отклонение от круглости принимают равным

,

где ΔA_max – большее из значений ΔA₁ и ΔA₂.

1 – контролируемая деталь; 2 – призма; 3, 4 – измерительные головки;

5, 6 – установочные узлы (специальные стойки с кронштейнами)

Рис. 3.45. Измерение отклонения от круглости по комбинированной

двух- и трехточечной схеме

Рассмотренные методики выполнения измерений отклонений от круглости валов по трехточечной схеме при базировании деталей в призме предназначены для использования при контроле деталей относительно небольших размеров. В случае же контроля крупногабаритных деталей на практике для реализации трехточечной схемы измерения используют вариант методики выполнения измерений с применением накладной седлообразной призмы («наездника») как это представлено на рис. 3.46.

При выполнении измерений контролируемая деталь вращается в центрах, призмах или патроне. На измеряемую поверхность детали устанавливается специальная накладная призма («наездник») с закрепленной на ней измерительной головкой, с помощью которой измеряются отклонения точек выделенного профиля поверхности. При этом фиксируется максимальная разность ΔA показаний измерительной головки за один оборот детали, а отклонение от круглости определяется по формуле

,

где k_n – коэффициент, зависящий от угла «наездника» и количества неровностей на длине окружности детали.

1 – контролируемая деталь; 2 – измерительная головка;

3 – призма; 4 – центра

Рис. 3.46. Измерение отклонения от круглости по трехточечной схеме

с использованием накладной седлообразной призмы («наездника»)

Одним из достоинств данной методики выполнения измерений является возможность контроля деталей непосредственно на технологическом оборудовании (не снимая деталь со станка).

Измерение отклонения профиля продольного сечения рекомендуется производить не менее чем в трех сечениях, расположенных равномерно по окружности. В каждом продольном сечении измеряются обе образующие путем непрерывного сканирования или дискретного ощупывания по отдельным контрольным точкам. В случае дискретного измерения образующих минимальное количество точек, измеряемых на одной образующей, рекомендуется принимать по таблице 12.

Таблица 12

Рекомендации по выбору минимального числа контрольных точек

При наличии априорной информации о характере отклонения формы реального профиля (например, что он имеет конусообразную, седлообразную или бочкообразную форму) число контрольных точек может быть уменьшено.

За искомое отклонение профиля продольного сечения принимается наибольшее из отклонений, измеренных в разных сечениях.

Оценка искомого отклонения профиля продольного сечения по результатам измерения образующих производится либо ручной обработкой профилограмм, либо с помощью компьютера с использованием специализированного программного обеспечения. В отдельных случаях возможна оценка искомого отклонения непосредственно по показаниям отсчетного устройства используемого средства измерения.

При ручной обработке вначале должны быть получены на одной диаграмме либо с помощью записывающего устройства (самописца), либо построением по точкам профилограммы обеих образующих продольного сечения. При этом необходимо, чтобы начальные точки обеих профилограмм соответствовали одному поперечному сечению и чтобы профилограммы были правильно ориентированы относительно измеряемой детали.

По совмещенным профилограммам образующих реального профиля продольного сечения поверхности строится прилегающий профиль как пара параллельных прямых, касательных к профилограммам с внешней по отношению материалу детали стороны, расположенных так чтобы наибольшее расстояние от одной из этих прямых до соответствующей точки профилограммы, измеренное по нормали, было минимальным. Найденное таким образом расстояние и принимается за искомое отклонение профиля продольного сечения.

Вместо контроля комплексного отклонения профиля продольного сечения в соответствии с его стандартным определением на практике часто бывает достаточно проконтролировать его частные виды, такие как конусообразность, седлообразность, бочкообразность, а также отклонение оси от прямолинейности (изогнутость оси).

Для контроля частных видов отклонения профиля продольного сечения могут использоваться как накладные, так и станковые средства измерений, реализующие двухточечную схему измерения (рис. 3.47). При этом для профилактики методической погрешности измерения, при наличии явно выраженной или доминирующей седлообразности реального профиля для контроля продольного сечения предпочтительнее использовать накладное средство измерения.

При контроле таких частных видов отклонения профиля продольного сечения, как конусообразность, седлообразность или бочкообразность измеряют диаметры поверхности в трех поперечных сечениях (двух крайних и одном среднем) в точках, принадлежащих одному продольному сечению, а искомое отклонение профиля продольного сечения EFP находят по формуле

,

где d_max и d_min – экстремальные значения диаметров из всех измеренных.

При контроле конусообразности в принципе достаточно выполнить измерения диаметров поверхности в двух крайних поперечных сечениях.

Рис. 3.47. Измерение частных видов отклонения профиля продольного сечения

а) с использованием накладного средства измерения;

б) с использованием станкового средства измерения

При контроле таких частных видов отклонения профиля продольного сечения, как конусообразность, седлообразность или бочкообразность измеряют диаметры поверхности в трех поперечных сечениях (двух крайних и одном среднем) в точках, принадлежащих одному продольному сечению, а искомое отклонение профиля продольного сечения EFP находят по формуле

,

где d_max и d_min – экстремальные значения диаметров из всех измеренных.

При контроле конусообразности в принципе достаточно выполнить измерения диаметров поверхности в двух крайних поперечных сечениях в точках, принадлежащих одному продольному сечению, а искомое отклонение профиля продольного сечения находится по такой же формуле.

Особое место занимает контроль отклонения оси поверхности от прямолинейности или изогнутости оси. Оно в принципе не может быть измерено с использованием накладного прибора, и для его контроля на практике используют различные станковые средства измерений (рис. 3.48).

а) б)

1 – контролируемая деталь; 2 – измерительная головка;

3 – штатив (стойка); 4 – поверочная плита; 5, 6 – призмы

Рис. 3.48. Измерение отклонения от прямолинейности оси

а) при базировании детали на номинально плоской поверхности;

б) при базировании детали в призмах

Возможны два варианта реализации схемы измерения, отличающиеся базированием объекта контроля.

При выполнении измерений по первому варианту схемы деталь базируется на рабочей номинально плоской поверхности поверочной плиты или предметного стола измерительного прибора. При повороте детали не менее чем на 360^º по измерительной головке фиксируют минимальное и максимальное показания. Искомое отклонение от прямолинейности оси определяется по формуле

.

В случае выполнения измерений по второму варианту схемы подлежащая контролю деталь устанавливается в двух узких (ножевых) призмах, расположенных по краям контролируемой поверхности. За один оборот детали по измерительной головке фиксируется минимальное и максимальное показания, а искомое отклонение от прямолинейности оси находится из зависимости

.