Как измерить шероховатость: профилометр, отсечка λc, образцы сравнения и протокол

Какие стандарты действуют

Параметры шероховатости в российских чертежах обычно задают по ГОСТ 2789-73, обозначения — по ГОСТ 2.309-73; о них — в статье «Шероховатость Ra и Rz». Термины профильного метода дублирует ГОСТ Р ИСО 4287-2014, идентичный ISO 4287:1997.

Международная база сменилась. По данным PTB (метрологический институт Германии), ISO 4287 заменён на ISO 21920-2, ISO 4288 (правила оценки) — на ISO 21920-3, ISO 1302 (обозначения) — на ISO 21920-1, а ISO 3274 (контактные приборы) — на ISO 25178-601. Руководства производителей, на которые опирается статья, описывают условия по ISO 4288 и ISO 3274 — отсюда и цифры ниже.

Как работает контактный профилометр

Датчик с иглой перемещается приводом по прямой. Игла — конус с углом 60° или 90° и сферическим закруглением радиусом 2, 5 или 10 мкм; измерительное усилие в среднем положении — 0,75 мН (Mitutoyo по JIS B 0651, аналог ISO 3274). Игла сама работает как механический фильтр: в узкие впадины она не проходит.

Опорой служит либо прямая направляющая привода, либо опора-салазка (skid), которая скользит по детали рядом с иглой. Салазка отсекает волнистость, но при расстоянии между гребнями, сопоставимом с её размером, искажает профиль. Taylor Hobson приводит рекомендацию ISO — радиус салазки больше 50 λc — и уточняет, что современные стандарты салазку больше не рекомендуют.

Дальше прибор фильтрует профиль: фильтр λs убирает самые короткие волны, фильтр λc отделяет шероховатость от волнистости. Параметры считают на длине оценки ln, которая обычно состоит из пяти базовых длин lr, а lr равна λc. Щуп проходит больше: к ln добавляются участки разгона и выбега.

Как выбрать отсечку по ожидаемому Ra

Условия измерения по ISO 4288 и ISO 3274 в изложении Mitutoyo:

Столбцы Ra и Rz применяют к непериодическим профилям — шлифованию, хонингованию, доводке. Для точения и фрезерования, где профиль периодический, ISO 4288 выбирает отсечку по среднему шагу RSm. При Ra больше 0,5 мкм или Rz больше 3 мкм можно брать иглу 5 мкм вместо 2 мкм.

Пример: ожидаем Ra около 1,6 мкм после чистового шлифования. Попадаем в строку «0,1–2»: λc = 0,8 мм, ln = 5 · 0,8 = 4 мм, ход щупа 4,8 мм. Значит, на поверхности нужен ровный участок не короче примерно 5 мм.

Образцы сравнения по ГОСТ 9378-93

ГОСТ 9378-93 действует и распространяется на образцы для сравнения визуально и на ощупь с поверхностями после резания, полирования, электроэрозии, дробеструйной и пескоструйной обработки. Образцы выпускают по способам обработки; на оправе указывают значение Ra, способ обработки и материал деталей, для которых образец предназначен.

Стандарт оговаривает, что образцы с Ra до 0,1 мкм нужны скорее, чтобы показать разницу между значениями, чем для сравнения с деталями. Практическое правило вытекает из самого стандарта: сравнивайте с образцом того же способа обработки и того же материала — фрезерованную сталь со шлифованным образцом сравнивать бессмысленно.

Оптические методы

Бесконтактные приборы — конфокальные микроскопы, интерферометры белого света, датчики с фокусированным лучом — не царапают поверхность и работают быстрее. По Taylor Hobson, у них свои ограничения: пятно луча обычно 10–15 мкм, приборы не «сметают» грязь, как алмазная игла, не меряют полностью чёрные и прозрачные поверхности, а на тонких поверхностях часто показывают большие значения. Результаты контактного и оптического метода коррелируют, но напрямую не совпадают — метод записывают в протокол.

Типичные ошибки

• Трасса вдоль следов. Измеряют поперёк направления неровностей, если на чертеже не сказано иное; вдоль следов гребней может не оказаться вовсе. При перекрещивающихся следах Taylor Hobson советует вести трассу под 45°.
• Грязь, масло, СОЖ. Плёнка и частицы попадают в профиль. Поверхность очищают перед измерением.
• Кривизна. На цилиндрах, шарах, галтелях номинальную форму убирают программой методом наименьших квадратов, используют датчик с большим диапазоном или вращают деталь под датчиком. Салазка впереди или позади иглы на кривой поверхности искажает профиль.
• Короткий участок. Если нужного хода нет, по Mitutoyo уменьшают число базовых длин и записывают это; если места ещё меньше, вместо Rz меряют полную высоту первичного профиля Pt.
• Одна трасса. По Mitutoyo разброс вертикальных параметров на поверхности примерно от −20 до +30 %. Правило 16 % по ISO 4288: если первое значение меньше 70 % предела — годно; иначе ещё две трассы, все три в пределе — годно; иначе ещё девять, и годно, если за предел вышли не больше двух из двенадцати. Для параметров с индексом max — не меньше трёх трасс, и ни одна не должна превышать предел.

Пример: на чертеже Ra 1,6, первая трасса показала 1,0 мкм. Порог 0,7 · 1,6 = 1,12 мкм, 1,0 меньше — поверхность годна без дополнительных трасс.

Что писать в протоколе

Без λc, иглы и направления протокол не повторить, а значит, спор с заказчиком не решить. Как профилометр вписывается в общий выбор средств измерения, — в статье «Измерительный инструмент», как договориться о приёмке — в статье «Как принять детали от цеха».