Метрология поверхностей. Принципы, промышленные методы и приборы
Покупка
Тематика:
Технология машиностроения
Издательство:
Интеллект
Автор:
Уайтхауз Дэвид
Год издания: 2009
Кол-во страниц: 472
Дополнительно
Вид издания:
Практическое пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-91559-023-5
Артикул: 130024.02.99
Учебно-справочное руководство известного специалиста отражает как совершенствовавшиеся много десятилетий методы обработки и контроля качества поверхностей в машиностроении и оптическом приборостроении, так и достижения последних лет (включая новые способы описа-ния характеристик и использование сканирующих микроскопов).
Для технических университетов и специалистов промышленных предприятий, инженеров-разработчиков
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 12.03.01: Приборостроение
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
- 15.03.03: Прикладная механика
- 15.03.05: Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств
- 15.03.06: Мехатроника и роботехника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Д. УАЙТХАУЗ 2009 МЕТРОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИНЦИПЫ, ПРОМЫШЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ Перевод с английского А.Я. Григорьева и Д.В. Ткачука под редакцией Н.К. Мышкина
Д. Уайтхауз
Метрология поверхностей. Принципы, промышленные методы и приборы: Научное издание / Д. Уайтхауз – Долгопрудный:
Издательский Дом «Интеллект», 2009. – 472 с.
ISBN 9785915590235
Учебносправочное руководство известного специалиста отражает как
совершенствовавшиеся много десятилетий методы обработки и контроля
качества поверхностей в машиностроении и оптическом приборостроении,
так и достижения последних лет (включая новые способы описания характеристик и использование сканирующих микроскопов).
Для технических университетов и специалистов промышленных предприятий, инженеровразработчиков.
© 2004, Elsevier Ltd
© 2009, ООО Издательский Дом «Интеллект»,
перевод на русский язык, оригиналмакет,
оформление
ISBN 9785915590235
ISBN 1 9039 9660 0 (англ.)
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие редактора перевода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Предисловие автора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
Г л а в а 1
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
1 .1 . О главном . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
1 .2 . Что такое метрология поверхности? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
1 .3 . Полезность метрологии поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
1 .3 .1 . Обработка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
1 .3 .2 . Инструмент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
1 .3 .3 . Эксплуатационные характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
1 .4 . Природа поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
1 .4 .1 . Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
1 .4 .2 . Масштабный фактор и тенденция к миниатюризации . . . .29
1 .4 .3 . Роль метрологии поверхности в обеспечении
работоспособности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
1 .4 .4 . Стандарты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
Г л а в а 2
Идентификация и выделение характеристик поверхности . . . . . . . . . . . . . . .34
2 .1 . Визуализация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
2 .2 . Шероховатость и профиль поверхности — понятие о процедуре
измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
2 .2 .1 . Профили . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
2 .2 .2 . Определения длин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
2 .2 .3 . Связь шероховатости с базовой длиной . . . . . . . . . . . . . . .40
2 .3 . Волнистость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
2 .4 . Концепция базовой длины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
2 .4 .1 . Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
Оглавление
2 .4 .2 . Значения базовых длин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
2 .4 .3 . Основные правила для определения базовой длины
при измерении шероховатости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
2 .5 . Форма базовой линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
2 .5 .1 . Система огибающей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
2 .5 .2 . Метод мотива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
2 .6 . Другие методы определения базовой линии . . . . . . . . . . . . . . . .62
2 .6 .1 . Метод наименьших квадратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
2 .6 .2 . Полиномиальная аппроксимация . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
2 .7 . Фильтрация и система средней линии (М-система) . . . . . . . . . .64
2 .7 .1 . Определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
2 .7 .2 . Общие сведения о фильтрации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
2 .7 .3 . Стандартный аналоговый 2CR-фильтр . . . . . . . . . . . . . . .69
2 .7 .4 . Фильтры с фазовой коррекцией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Г л а в а 3
Профильные и пространственные параметры шероховатости . . . . . . . . . . . .74
3 .1 . Основные определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
3 .2 . Классификация профильных параметров . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
3 .2 .1 . Высотные параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
3 .2 .2 . Шаговые параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
3 .2 .3 . Гибридные параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
3 .2 .4 . Параметры-функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
3 .2 .5 . Опорная кривая . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
3 .3 . Анализ случайных процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
3 .3 .1 . Общие замечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
3 .3 .2 . Основные положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
3 .4 . Пространственная оценка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
3 .4 .1 . Исходные предпосылки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
3 .4 .2 . Взаимосвязь профильных и пространственных
параметров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113
3 .4 .3 . Комментарии к пространственным параметрам . . . . . . . .117
3 .5 . Функции пространственной частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
3 .6 . Замечания к цифровому анализу пространственных данных . . .126
3 .7 . Двумерная фильтрация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128
3 .8 . Фрактальные поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
Г л а в а 4
Шероховатость поверхности и технология обработки . . . . . . . . . . . . . . . .133
4 .1 . Где и когда измерять? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
4 .2 . Методы обработки и шероховатость поверхности . . . . . . . . . . .134
4 .2 .1 . Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
4 .2 .2 . Токарная обработка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
Оглавление 4 .2 .3 . Алмазное точение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143 4 .2 .4 . Фрезерование и протягивание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 4 .2 .5 . Формирование поверхностей при абразивной обработке .152 4 .2 .6 . Качество обработки при шлифовании . . . . . . . . . . . . . . .155 4 .2 .7 . Наношлифование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164 4 .2 .8 . Хонингование и суперфиниш . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165 4 .2 .9 . Полирование (притирка) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167 4 .2 .10 . Специальные методы обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . .169 4 .2 .11 . Нанотехнология в обработке поверхностей . . . . . . . . . .175 4 .3 . Управление качеством обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176 4 .3 .1 . Диаграммы Шухарта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176 4 .3 .2 . Кумулятивные суммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178 4 .4 . Взаимосвязь между метрологией поверхности . . . . . . . . . . . . .181 4 .5 . Силовые и метрологические цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185 4 .6 . Единичные события и автокорреляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186 4 .7 . Анализ спектра мощности поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . .188 4 .8 . Использование функций пространственных частот . . . . . . . . .190 Г л а в а 5 Эксплуатационные характеристики шероховатых поверхностей . . . . . . . . .194 5 .1 . Общий подход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194 5 .2 . Конкретные примеры из трибологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208 5 .3 . Модели поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213 Г л а в а 6 Общие вопросы оценки качества поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219 6 .1 . Экспресс-методы исследования поверхности . . . . . . . . . . . . . .219 6 .1 .1 . Общие свойства поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219 6 .1 .2 . Профилограмма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223 6 .2 . Исследовательское оборудование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224 6 .2 .1 . Проблемы измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224 6 .2 .2 . Особенности методов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225 6 .2 .3 . Развитие методов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225 6 .3 . Сравнительный анализ возможностей различных методов . . . .228 6 .3 .1 . Щуповые методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .228 6 .3 .2 . Оптический метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .228 6 .3 .3 . Другие методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .228 6 .3 .4 . Сравнение приборов для исследования поверхностей . . .229 Г л а в а 7 Щуповые приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231 7 .1 . Щуп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231 7 .2 . База измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232
Оглавление 7 .3 . Использование опоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234 7 .4 . Датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237 7 .5 . Повреждение поверхности щупом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237 7 .6 . Использование щуповых приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239 7 .6 .1 . Особенности измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239 7 .6 .2 . Встроенные щуповые приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241 7 .6 .3 . Портативные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .242 7 .6 .4 . Универсальные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .244 7 .6 .5 . Щуповые приборы с высокой скоростью измерений . . . .248 Г л а в а 8 Оптические методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .250 8 .1 . Оптическая длина пути . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .252 8 .2 . Проникновение оптического излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . .252 8 .3 . Разрешение и глубина фокуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .253 8 .4 . Сравнение оптических и щуповых методов . . . . . . . . . . . . . . .254 8 .5 . Глоссометр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256 8 .6 . Фотометрическая интегрирующая сфера . . . . . . . . . . . . . . . . .257 8 .7 . Дифрактометр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .258 8 .8 . Интерферометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .260 8 .9 . Оптические профилографы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .263 8 .10 . Гетеродинный метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .264 8 .11 . Другие оптические методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267 8 .12 . Результаты сравнения щуповых и оптических методов . . . . . . .270 Г л а в а 9 Сканирующая микроскопия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273 9 .1 . Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273 9 .2 . Сканирующие зондовые микроскопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .275 9 .2 .1 . Атомно-силовой микроскоп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .275 9 .2 .2 . Латеральный силовой микроскоп . . . . . . . . . . . . . . . . . .275 9 .2 .3 . Магнитный силовой микроскоп . . . . . . . . . . . . . . . . . . .276 9 .2 .4 . Сканирующий тепловой микроскоп . . . . . . . . . . . . . . . .276 9 .2 .5 . Сканирующий микроскоп ионной проводимости . . . . . .276 9 .2 .6 . Ближне-полевой оптический сканирующий микроскоп . .277 9 .3 . Режимы работы сканирующего туннельного микроскопа . . . . .277 9 .3 .1 . Режим постоянной высоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .277 9 .3 .2 . Режим постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .277 9 .3 .3 . Микропозиционирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .281 9 .4 . Атомно-силовой микроскоп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .283 9 .5 . Потенциал зондовых методов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .284 9 .6 . Масштабный фактор в метрологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .286
Оглавление
Г л а в а 1 0
Простые погрешности формы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .288
10 .1 . Основные положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .288
10 .2 . Непрямолинейность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .292
10 .3 . Измерение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .292
10 .4 . Измерение и классификация отклонений
от прямолинейности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .303
10 .5 . Неплоскостность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .306
Г л а в а 1 1
Некруглость и ее следствия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .313
11 .1 . Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .313
11 .2 . Направление измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314
11 .3 . Графическое представление некруглости . . . . . . . . . . . . . . . . .317
11 .4 . Огранка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .319
11 .5 . Методы измерения некруглости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .321
11 .5 .1 . Гармонический анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .321
11 .5 .2 . Методы измерения диаметров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .324
11 .5 .3 . Методы измерения хорд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .324
11 .5 .4 . Методы измерения радиусов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .328
11 .6 . Свойства измерительного сигнала некруглости . . . . . . . . . . . . .336
11 .6 .1 . Увеличение и исключение незначащих данных . . . . . . .336
11 .6 .2 . Представление с помощью лимаконы . . . . . . . . . . . . . .339
11 .7 . Оценка некруглости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .345
11 .7 .1 . Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .345
11 .7 .2 . Методы наилучшей подгонки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .349
11 .8 . Измерение дуг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .354
11 .9 . Прочие параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .357
11 .9 .1 . Скорость изменения радиуса детали . . . . . . . . . . . . . . .357
11 .9 .2 . Кривизна поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .357
11 .9 .3 . Гармонический анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .359
11 .10 . Методы фильтрации данных при определении некруглости . . .363
11 .11 . Сложности при проведении гармонического анализа . . . . . . . .365
11 .12 . Альтернативы гармоническому анализу . . . . . . . . . . . . . . . . . .367
11 .12 .1 . Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .367
11 .12 .2 . Средняя длина волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .367
11 .13 . Отклонения, сопровождающие некруглость . . . . . . . . . . . . . . .369
11 .13 .1 . Несоосность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .370
11 .13 .2 . Неперпендикулярность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .372
11 .13 .3 . Другие погрешности измерения эксцентриситета/
наклона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .375
Оглавление
Г л а в а 1 2
Нецилиндричность и несферичность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .377
12 .1 . Нецилиндричность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .377
12 .2 . Схемы измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .380
12 .3 . Основные определения параметров нецилиндричности . . . . . .387
12 .3 .1 . Несоосность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .387
12 .3 .2 . Влияние неровностей большого размера . . . . . . . . . . . .387
12 .3 .3 . Несогласованность базового цилиндра с формой
детали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .388
12 .3 .4 . Биения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .388
12 .4 . Оценка нецилиндричности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .389
12 .5 . Дополнительные параметры нецилиндричности . . . . . . . . . . . .390
12 .6 . Несферичность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .391
12 .7 . Частичная несферичность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .394
12 .8 . Статор двигателя Ванкеля и другие детали сложной формы . . .396
Г л а в а 1 3
Конструкция измерительных приборов и минимизация погрешностей
измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
13 .1 . Исходные предпосылки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .398
13 .2 . Возможности приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .399
13 .3 . Ошибки измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .399
13 .4 . Проектирование измерительного инструмента и уменьшение
погрешностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .401
13 .4 .1 . Основные проблемы измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . .401
13 .4 .2 . Кинематика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .403
13 .4 .3 . Псевдокинематические (упруго-пластичные)
конструкции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .409
13 .4 .4 . Механизмы с шестью опорами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .410
13 .4 .5 . Подвижность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .410
13 .4 .6 . Простая инструментальная погрешность Аббе
и косинусная ошибка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .412
13 .4 .7 . Свойства измерительной цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .413
13 .4 .8 . Выбор материалов и решение некоторых других задач . .417
13 .4 .9 . Механическая стабильность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .420
13 .4 .10 . Оптимизация конструкции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .422
13 .4 .11 . Увеличение точности измерений . . . . . . . . . . . . . . . . .422
13 .4 .12 . Обратный метод проведения измерений . . . . . . . . . . . .423
13 .4 .13 . Многошаговый метод измерений . . . . . . . . . . . . . . . .425
13 .5 . Проведение измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .425
13 .6 . Механизмы на упругих элементах — устранение
гистерезиса и трения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .429
Оглавление
13 .6 .1 . Преимущества и недостатки механизмов на упругих
элементах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .430
13 .6 .2 . Недостатки упругих элементов, работающих на изгиб . .431
13 .6 .3 . Механизм линейного перемещения на упругих элементах 432
13 .7 . Очистка и транспортировка деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .436
13 .7 .1 . Очистка деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .436
13 .7 .2 . Транспортировка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .436
Г л а в а 1 4
Калибровка приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .438
14 .1 . Эталоны шероховатости и их классификация . . . . . . . . . . . . . .438
14 .2 . Калибровка щупа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .441
14 .3 . Калибровка высотной базы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .444
14 .3 .1 . Эталоны типа А1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .444
14 .3 .2 . Кристаллографический метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .445
14 .4 . Общая высота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .447
14 .5 . Калибровка кругломеров по высотной базе . . . . . . . . . . . . . . .448
14 .6 . Калибровка фильтра (эталоны типа С) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .448
14 .7 . Вибрирующие столы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .450
14 .8 . Сравнение данных, полученных на разных приборах . . . . . . . .451
14 .9 . Взаимосвязь стандартов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .456
Г л а в а 1 5
Регистрация данных, численные методы анализа и представление результатов 457
15 .1 . Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .457
15 .2 . Численные модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .458
15 .3 . Размер набора данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .459
15 .4 . Практические ошибки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .461
15 .5 . Обозначение шероховатости на чертежах . . . . . . . . . . . . . . . . .463
15 .6 . Выбор параметров измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .464
15 .7 . Основы стандартов шероховатости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .465
Л и т е р а т у р а . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .469
ПрЕдИсЛОВИЕ рЕдАктОрА ПЕрЕВОдА Предлагаемый читателю перевод книги известного английского ученого и инженера Дэвида Уайтхауза обобщает фактически всю его деятельность на протяжении почти пятидесяти лет в качестве создателя новой инженерной дисциплины — метрологии поверхности . Автор начинал свою карьеру в фирме Taylor Hobson — лидере в создании приборов для точных измерений в машиностроении — как конструктор приборов для оценки качества поверхности в промышленности, и около двадцати лет его жизни были связаны с использованием этих приборов на практике . Затем он более двадцати лет заведовал кафедрой в Уорвикском университете, продолжая оставаться научным консультантом фирмы . Жизненный опыт дал ему уникальную возможность быть на острие технологической революции, начавшейся после второй мировой войны и перешедшей в фазу высоких технологий в последнее двадцатилетие . При этом, традиционное машиностроение стало производить прецизионное оборудование с широким использованием вычислительной техники, а точность обработки и качество поверхности деталей резко возросли . Кроме того, вследствие глобализации экономики резко возросла роль стандартов качества поверхности и их согласованности в международном масштабе . Сильная сторона книги Уайтхауза — детальный анализ процесса зарождения национальных стандартов и их трасформации в международные . Последние два-три десятилетия во всех развитых странах характе ризуются усилением внимания к роли поверхности как уникального геометрического объекта, обладающего сложным набором параметров, и как физического объекта с определенной толщиной и спе
цифическими физико-механическими свойствами . Интересы науки и техники сместились в настоящее время в сторону получения данных об очень гладких поверхностях микро- и нано- метрового масштаба . Исследования поверхности получили дополнительный стимул в связи с изобретением целого класса сканирующих зондовых приборов . Кроме того, возможности измерительной техники резко возросли в результате использования новых материалов, бурного развития электроники и оптоэлектроники, лазерной техники и программно-вычислительных методов . Книга Уайтхауза отражает процесс развития метрологии поверхно сти от простейших щуповых и оптических приборов до сканирующих зондовых микроскопов, и от простых моделей поверхности и методов обработки данных по диаграммам профилей до компьютерных методов анализа пространственных данных с применением сложных методов обработки стохастических процессов . В книге отмечается важная роль ученых бывшего СССР в ста новлении метрологии, особенно при выработке национальных и международных стандартов качества поверхности . Однако, по причине практической недоступности для англоязычного читателя, в списке литературы нет ссылок на русскоязычные издания в области метрологии поверхности и трибологии, которые мы сочли необходимым включить в список дополнительной литературы при переводе книги . Книга Уайтхауза выходит в свет в тот момент, когда машино строение России начинает осваивать перспективные области прецизионных технологий, микро- и нанометровые диапазоны точности изготовления деталей . Значение метрологии поверхности в данный период трудно переоценить . На наш взгляд, предлагаемый перевод книги Д . Уайтхауза будет полезным для широкого круга специалистов в области метрологии, механической обработки, измерительной техники, для студентов и аспирантов машиностроительных специальностей, для исследователей, работающих в области приборостроения . Редактор перевода, чл.-корр. НАНБ Н.К. Мышкин Предисловие редактора перевода
ПрЕдИсЛОВИЕ АВтОрА Значение метрологии поверхности осознавалось в Вели кобритании на протяжении многих лет, и в этой области многое было сделано такими фирмами, как Taylor Hobson, Hilger Watts, Mercer и др . Свой вклад внесли и некоммерческие организации, в частности, конечно, Национальная Физическая Лаборатория Великобритании (NPL) . Однако не столь известно, что с давних пор важность метрологии и обработки поверхностей привлекала большое внимание в технике (некоторые ключевые даты приведены в прилагаемом ниже списке) . В январе 1939 года для решения проблемы метрологии повер хности был учрежден Исследовательский отдел Общества инженеров промышленности под руководством д-ра Дж . Шлезингера (G . Schlesinger) . К марту 1940 года был подготовлен и опубликован первый официальный отчет, определивший следующие цели в области метрологии поверхности: — замена нечетких описательных методов определения качества поверхности строгой системой; — выбор подходящих параметров для оценки качества поверхности; — определение соответствующих обозначений для чертежей; — сравнение различных методов для определения характеристик структуры поверхности . Были определены и основные проблемы, требующие решения: — подготовка стандартов качества поверхности; — определение типов отклонений формы поверхности от номи нальной для использования в конкретных практических приложениях .
Предисловие автора В те годы более 90% приложений метрологии поверхности отно сились к машиностроению и масштабы измерений были в диапазоне сотен микрометров . В наше время проблемы метрологии поверхности очень важ ны для таких областей техники, как полупроводники, электроника и оптика, где масштабы измерений доходят до нанометровых и атомарных размеров . Проблемы метрологии при этом остаются прежними — лишь измерительные приборы стали намного более совершенными . В настоящей книге сделана попытка увязать первоначальные цели метрологии поверхности с задачами сегодняшнего дня . Книга разбита на довольно большое число коротких параграфов . Это сделано намеренно, чтобы каждый параграф можно было рассматривать, как самостоятельный фрагмент в описании предмета книги . Однако данные фрагменты сгруппированы так, чтобы видно была логика постановки конкретной проблемы и способы ее решения . Две таких группы посвящены шероховатости и некруглости) как основным видам отклонений формы поверхности . Прочие параграфы могут рассматриваться как соподчиненные с принципиальными главами, например цилиндричность с некруглостью . Группировки фрагментов возможны по отношению и к оборудованию, например, щуповым и оптическим методам . Поскольку эти вопросы переплетаются с характеристиками геометрии, легче рассматривать их взаимосвязь, пользуясь короткими параграфами, чем большими всеобъемлющими главами . Книга преимущественно направлена на то, чтобы дать конструк торам и контролерам качества основы метрологии поверхностей и показать, как применить знания для решения практических задач . Математические вычисления сведены к минимуму, чтобы не отвлекать читателя от основного стержня изложения материала, а ссылки на литературу достаточны, чтобы позволить читателю, если необходимо рассмотреть предмет более детально . То, что книга скорее помогает читателю понять основы пред мета, чем дать набор правил, делает ее полезной для использования в курсах дисциплин для инженеров в машиностроении и промышленности . Дэвид Уайтхауз ) В английской технической литературе для описания отклонений формы поверхности обычно используют определения идеальной формы: прямолинейность, круглость и т .д . В русском переводе использованы более понятные термины: непрямолинейность, некруглость и т .д .
1 Хронология исторических дат, связанных с развитием метрологии и обработки поверхностей 1731 Система линейных измерений Вернье 1769 Первая машина для расточки пушечных стволов Смитона 1775 Паровая машина Уатта, основанная на машине Уилкинсона 1800 Высокоуглеродистые инструментальные стали 1865 Полубыстрорежущие стали Мускета из Шеффилда 1867 Производство калибров Вернье Брауном и Шарпом 1886 Статья Рейнольдса по гидродинамической теории трения в Трудах Королевского общества 1895 Введение микрометра 1896 Плитки Иогансона как прогрессивный метод измерения допусков 1898 Анализ стружки при точении 1900 Быстрорежущие стали 1904 Анализ Николсоном давлений под инструментом при отделе нии стружки 1911 Промышленный выпуск калибров 1915 Внедрение в промышленность бесцентрового шлифования 1916 Разработка цементируемых карбидов для режущего инстру мента в Германии 1922 Использование первых притирочных машин 1929 Первый профилометр Шмальца в Германии 1933 Профилометр Аббота в США 1934 Микроскоп Линника в СССР 1934 Глоссометр фирмы Карл Цейс в Германии 1935 Профилометр Флеминга в Германии 1936 Щеточный анализатор поверхности в США 1936 Емкостный профилометр в Германии 1936 Суперфинишная обработка поверхности фирмы Крайслер в США 1938 Измеритель шероховатости Томлинсона в Великобритании 1939 Пневматический прибор Николау во Франции 1940 Профилометр Тэлисерф в Великобритании 1940 Первый стандарт шероховатости поверхности В46 в США 1942 Стандарты обработанных поверхностей в США 1943 Использование алмазного инструмента в Великобритании 1944 Первые методы реплик с поверхности «Факс Фильм» 1946) Образование международной организации по стандартам ISO 1952 Растровый электронный микроскоп 1955 Конфокальный сканирующий микроскоп 1982 Сканирующий туннельный микроскоп Биннинга и Рорера 1986 Атомно-силовой микроскоп Биннинга и Гербера ) Эта и последующие даты добавлены редактором перевода с учетом развития приборной базы метрологии поверхности Хронология
ВВЕдЕНИЕ 1.1. О ГЛАВНОм Автору этой книги хотелось показать значение метроло гии поверхности в машиностроении и промышленности, не вдаваясь в тонкие детали применения методов и средств измерения . Также хотелось бы как можно полнее объяснить причины использования соответствующих определений и стандартов . Поэтому, основная идея книги — это тщательный анализ практики измерений характеристик поверхности . При этом аспекты метрологии в производстве рассматриваются отдельно от эксплуатационных характеристик произведенных изделий . Автор трактует параметры поверхности как независимые призна ки, а не как переменные, фундаментальная проблема лишь в том, что никогда не было ясно, и не вполне ясно сейчас, какой из них нужно применять в том, или ином случае . 1.2. ЧтО тАкОЕ мЕтрОЛОГИя ПОВЕрхНОстИ? При упоминании выражения «метрология поверхно сти» обычно представляются картины шероховатых поверхностей с регулярными треугольными или синусоидальными формами . Эти простые очертания соответствуют следам, оставляемым инструментом при обработке поверхности . Кроме того, более длинные волны на поверхности образуются из-за отклонений инструмента от заданной трассы, что в результате эквивалентно изменению его геометрии . 1 Г Л А В А
Глава 1. Введение 1 Известны отклонения от идеальной окружности, плоскости или другой заданной формы . Эти отклонения представлены на Рис . 1 .1 для цилиндрической поверхности и на Рис . 1 .2 . для номинально плоской поверхности . Многие виды геометрических признаков поверхности можно отнести к отклонениям формы . Это, например, отклонения от прямоугольности, заданного наклона или конусности, от параллельности и правильного круга, при этом большое количество видов отклонений не связано с размером . Их описание не всегда просто и очевидно . Например, измерение радиуса детали относится к размерной метрологии, а радиус локальной кривизны детали — к метрологии поверхности . Рис . 1 .1 . Отклонения от правильной цилиндрической формы . Рис . 1 .2 . Отклонения от идеальной плоскости .
1 1.3. Полезность метрологии поверхности 1.3. ПОЛЕзНОсть мЕтрОЛОГИИ ПОВЕрхНОстИ Важностью геометрии поверхности на микроуровне часто пренебрегают . Она как бы находится в стороне от основных технических проблем и рассматривается как вредный фактор, с которым приходится считаться, но который не требует серьезного внимания . «Делай поверхность как можно более гладкой — хуже не будет» . Это утверждение часто высказывают по неведению и ненамеренно, и столь же часто применяют на практике . Фактов, доказывающих важность учета микрогеометрии, до недавнего времени просто не было . Развитие трибологии, численных методов анализа и теории случайных процессов изменили ситуацию . Кроме того, появились и приборы для поверхностных измерений . На рисунке 1 .3 показано место метрологии поверхности в производстве и эксплуатации детали . В настоящее время общепризнанны две важных роли метроло гии поверхности: она помогает контролировать производственный процесс, включая процесс обработки детали и работу станка, а также помогает оптимизировать эксплуатацию детали . В обоих случаях метрология оказывает огромное влияние на качество процессов . Это иллюстрирует Рис . 1 .4 . Контроль в производстве повышает качество деталей и, следовательно, определяет их совместимость . Оптимизация условий эксплуатации помогает конструктору и таким образом повышает качество конструирования . Первый эффект очевиден, а второй нет, и только сравнительно недавно значение предупреждающей функции метрологии стало очевидным (Ризон, 1971) . Шероховатость поверхности может влиять на эксплуатацию детали как позитивно, так и негативно . Рис . 1 .3 . Место метрологии поверхности в процессах производства и эксплуатации детали . Станок Обработка заготовки Измерение поверхности Эксплуатационные свойства детали Трение и износ Свободная поверхность — усталость Процесс