Не существует абсолютно гладких поверхностей, даже сама тщательно обработанная деталь будет иметь микрорельеф, состоящий из выступов и углублений. Значение гладкости и ровности поверхности детали в любом случае будет отличаться от заданного чертежом значения, т. е. от номинального значения. При этом, отклонение может быть либо макрогеометрическим, либо микрогеометрическим. Макрогеометрические отклонения могут быть охарактеризованы волнистостью детали и несоответствием форме. Микрогеометрические отклонения, в свою очередь, определяются не чем иным, кроме шероховатости поверхности.

В машиностроительной, приборостроительной, оборонной, космической и других отраслях промышленности необходимо точно определять шероховатость поверхности деталей и измерять профиль, для предотвращения преждевременного изнашивания и выхода их из строя. С этой целью применяют прибор профилометр.

Шероховатость — это совокупность микронеровностей, появляющихся на поверхностях готовых изделий или деталей с относительно малыми шагами на базовой длине [1,2].

Метрологическое обеспечение параметров шероховатости обладает достаточно развитой нормативно-технической базой документации и разнообразными высокоточными средствами измерений данного параметра. Но даже наличие современного и точного оборудования не может гарантировать полной достоверности результатов. Можно заметить, что даже на тех приборах, которые регулярно проходят процедуру поверки, при проведении замеров на одной и той же поверхности можно получить кардинально различные значения параметров шероховатости. Данная причина заключается в наличии множества факторов, которые непосредственно сопровождают процесс измерения и вносят свой вклад в погрешность замеров.

В соответствии с ГОСТ Р 8.736–2011 и рекомендациями ИСО 4288, погрешность измерения параметров микрогеометрии представляет собой совокупность систематических и случайных составляющих [1,3]. Для системного анализа целесообразно классифицировать факторы, влияющие на точность измерений, по их происхождению.

1. Температурные воздействия

Одним из самых значимых факторов, который влияет на точность измерения параметров шероховатости. Согласно МИ 1850–88 установлено, что измерения должны проводится при температуре 20±5 °С [4].

При несоблюдении данного требования возникают следующие последствия:

– Тепловое расширение материала, из которого изготовлена деталь. Изменение линейных размеров микронеровностей пропорционально коэффициенту теплового расширения материала.

– Температурная деформация прибора. Изменение геометрии направляющих и кинематических звеньев профилометра приводит к дополнительным погрешностям трассировки.

– Градиенты температуры. Особенно опасны неравномерные температурные поля, вызывающие коробление как детали, так и элементов прибора.

Существуют способы, для минимизации данных воздействий:

– термостатирование помещений;

– выдержка деталей и приборов в зонах измерений, для выравнивания температуры (не менее 4–6 часов для крупногабаритных деталей);

– при проведении особо точных измерений учет температурных поправок.

2. Вибрационные воздействия

При измерении параметров шероховатости особенно критически важным фактором является вибрация. Источниками вибраций могут выступать работающее оборудование, проезжающий транспорт, персонал.

Негативное влияние вибрации проявляется в:

– наложении низкочастотных колебаний на полезный сигнал профиля;

– искажении траектории движения щупа;

– потери контакта измеряющей иглы с контролируемой поверхностью.

Способы минимизации:

– Установление приборов на виброизолирующие платформы или фундаменты;

– Проведение замеров во время отсутствия технологических вибраций.

3. Чистота поверхности

Наличие на измеряемой поверхности загрязнений, масленых пленок, продуктов коррозии приводит к:

– искажению реального профиля;

– ускорению износа контактного щупа;

– рассеиванию на загрязнениях при измерениях оптическими методами.

К способам минимизации относят:

– Тщательная очистка поверхности (протирание спиртом, обдув чистым воздухом) перед измерением;

– Контроль чистоты в зонах, где происходит измерения;

– Использование защитных устройств для приборов.

4. Методические факторы погрешности

Методическая составляющая погрешности обусловлена несовершенством выбранного алгоритма измерений и обработки данных.

4.1. Влияние выбора базовой длины и фильтров

Ключевым фактором, определяющим корректность оценки шероховатости, является выбор параметров фильтрации. В профилометрии используются фильтры λs (подавление коротковолновых составляющих — шума) и λc (определение границы между шероховатостью и волнистостью) [1,2].

Как показывают экспериментальные данные, варьирование длины отсечки шага λs и базовой длины λc приводит к статистически значимому изменению параметра Ra.

Увеличение λs (усиление фильтрации высоких частот) сглаживает профиль, что ведет к занижению значения Ra.

Увеличение λc (базовой длины) расширяет диапазон учитываемых неровностей, что может приводить к завышению Ra за счет включения составляющих волнистости.

Погрешность возникает, когда выбранные параметры фильтрации не соответствуют шагу неровностей контролируемой поверхности, что регламентировано требованиями ГОСТ 2789–73 (ИСО 4287–84) [1,2].

4.2. Влияние числа измерений

Шероховатость, как случайный процесс, требует статистической обработки. Единичное измерение не может достоверно характеризовать всю поверхность детали. Погрешность, обусловленная конечным объемом выборки, уменьшается с увеличением количества трасс и зависит от интервала корреляции между точками профиля. Недостаточное количество измерений приводит к низкой воспроизводимости результатов [3,5].

5. Инструментальные (аппаратурные) факторы

Данная группа факторов связана с конструктивными особенностями и техническим состоянием средств измерений (СИ).

5.1. Погрешности датчика и первичного преобразователя

В контактных профилометрах-профилографах основным источником погрешности является измерительная игла.

– Геометрия наконечника: Радиус закругления иглы (стандартные значения 2, 5 или 10 мкм) должен быть меньше радиуса измеряемых неровностей. В противном случае происходит сглаживание профиля, и результаты измерения Ra и Rz оказываются заниженными [1,2].

– Износ иглы: В процессе эксплуатации происходит истирание алмазного острия, что эквивалентно увеличению радиуса контакта и, как следствие, появлению прогрессирующей систематической погрешности.

5.2. Погрешности кинематики привода

Нестабильность скорости перемещения датчика или наличие люфтов в направляющих приводит к искажению горизонтальных координат профиля, что вносит вклад в погрешность измерения шаговых параметров (RSm).

5.3. Погрешность калибровки

Отсутствие или нерегулярность калибровки по эталонным образцам шероховатости (образцовым мерам) ведет к невыявленным систематическим погрешностям во всем диапазоне измерений [4].

5.4 Факторы, связанные с объектом контроля

Анизотропия поверхности

Для большинства технологических процессов обработки (точение, фрезерование, шлифование) характерна направленная текстура поверхности. Измерение, выполненное вдоль следов обработки, дает значения шероховатости (например, Ra), в разы меньшие, чем измерение поперек следов. Проведение измерений без учета направления неровностей является грубой методической ошибкой, что подчеркивается в требованиях ГОСТ [1,2].

Наличие макродефектов

Локальные дефекты (царапины, раковины, заусенцы) не являются характеристикой технологической шероховатости, но при попадании в трассу измерения искажают профиль, создавая ложные выбросы. Стандарт ИСО 8785 предписывает исключать такие участки из зоны контроля [6].

Физико-механические свойства материала

При использовании контактных методов для измерения мягких (например, алюминиевых) или эластичных (полимерных) материалов возможно пластическое деформирование поверхности измерительной иглой, что вносит дополнительную погрешность, неотделимую от результата измерения.

6. Классификация и пути минимизации погрешностей

Проведенный анализ позволяет классифицировать факторы погрешности по возможности их устранения:

1. Систематические погрешности (неправильный выбор фильтра, износ иглы, нарушение калибровки) — могут быть выявлены и исключены путем коррекции методики или введением поправок.
2. Случайные погрешности (вариации профиля на разных участках, вибрации) — уменьшаются за счет увеличения числа наблюдений и статистической обработки.
3. Грубые погрешности (промахи ) — вызваны наличием дефектов или загрязнений и устраняются отбраковкой аномальных результатов.

Для минимизации суммарной погрешности измерения параметров шероховатости необходимо:

– Выбирать параметры фильтрации λc и λs согласно нормативной документации на контролируемую деталь.

– Обеспечить корректную ориентацию трассы перемещения датчика перпендикулярно следам обработки.

– Проводить измерения на участках, свободных от дефектов и загрязнений.

– Обеспечить виброзащиту и термостабилизацию зоны контроля.

– Выполнять регулярную калибровку средств измерений по образцовым мерам.

Литература:

1. ГОСТ 2789–73 (ИСО 4287–84). Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения. — М.: ИПК Издательство стандартов,1973.
2. ИСО 4287–84 (ISO 4287:1984). Шероховатость поверхности. Термины, определения и параметры поверхности. — Международная организация по стандартизации, 1984.
3. ИСО 4288:1996 (ISO 4288:1996). Шероховатость поверхности. Правила и процедуры измерения параметров профиля. — Международная организация по стандартизации, 1996.
4. МИ 1850–88. Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения параметров шероховатости поверхности профильными методами. Общие требования к проведению измерений. — М.: ВНИИМС, 1988.
5. ГОСТ Р 8.736–2011 (или ИСО 4288:1996). Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения параметров шероховатости поверхности методом профилирования. Общие требования. — М.: Стандартинформ, 2011.
6. ИСО 8785 (ISO 8785). Отклонения поверхности и дефекты поверхности. Термины, определения и параметры. — Международная организация по стандартизации.