Projekt: ODBORNÝ VÝCVIK VE 3. TISÍCILETÍ Téma: Metrologie, dílenské měření délkových rozměrů, struktura povrchu, tvrdost součástí Obor: Nástrojař, Obráběč kovů Ročník: 2. Zpracoval(a): Pavel Rožek Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010
Obsah Základy měřicí techniky 3 Veličiny a jejich jednotky 3 Ovlivňující veličiny 4 Chyby měření a jejich příčiny 4 Rozdělení chyb měření 4 Měření délek a úhlů 5 Měření délek 6 Měření úhlů 9 Struktura povrchu a její parametry 10 Měření drsnosti povrchu a vlnitosti 10 Zkoušky tvrdosti 11 Zkouška tvrdosti podle Vickerse 11 Zkouška tvrdosti podle Rockwella 12 Zkouška tvrdosti podle Brinella 13 Přenosné tvrdoměry 14
1. ZÁKLADY MĚŘICÍ TECHNIKY 1.1 VELIČINY A JEJICH JEDNOTKY Veličinami jsou myšleny fyzikální veličiny. Veličiny jsou specifické charakteristiky hmoty, polí i záření, umožňující jejich popis, např. délka, čas, teplota nebo elektrický proud. Základem mezinárodní soustavy jednotek SI (Systéme International d Unités) jsou základní jednotky. Pro snadnější vyjádření velkých násobků nebo zlomků jednotek se používají jejich desítkové násobky a zlomky, označují se jako násobné a dílčí jednotky a jsou tvořeny předponou před hlavní jednotkou. Např.: centi, mili, mikro, nano atd. Délka Délka je základní fyzikální veličinou a její hlavní jednotkou je metr. Jeden metr je vzdálenost, kterou urazí světlo ve vakuu 1/299 729 458 sekundy. Kromě hlavní jednotky se běžně používají další délkové jednotky: 1 kilometr (km) = 1000 m 1 decimetr (dm) = 0,1 m 1 centimetr (cm) = 0,01 m 1 milimetr (mm) = 0,001 m 1 mikrometr (µm) = 0,000 000 1 m = 0,001 mm 1nanometr (nm) = 0,000 000 001 m = 0,001 µm Kromě metrických jednotek se setkáváme u průmyslových výrobků s údaji (např. rozměry závitů) spojenými s jednotkou 1 inch (in) = 1 palec = 25,4 mm. Úhel Rozlišujeme rovinný a prostorový úhel. Rovinný úhel charakterizuje vzájemnou polohu dvou různoběžek. Jednotka rovinného úhlu je odvozena od jedné otáčky polopřímky kolem pevného bodu v rovině, resp. jedné otáčky průvodiče bodu pohybujícího se po kružnici. Jedné otáčce odpovídá plný úhel = 360. Jeden úhlový stupeň (1 ) je 1/360 plného úhlu. Jeden stupeň se dělí na 60 úhlových minut( ). Jedna úhlová minuta se dělí na 60 vteřin ( ). Platí: 1 = 60 = 3600 Jeden radián (rad) je úhel odpovídající jednotkovému oblouku na jednotkové kružnici (obr. 1). Plný úhel má 2π radiánů a 1 rad = 57,295 779 51. Jeden steradián (sr) je prostorový úhel, který při středu ve středu jednotkové koule vytíná na jejím povrchu plochu jednotkového obsahu. Používá se při definici jednotky svítivosti.
1.2 OVLIVŇUJÍCÍ VELIČINY PŘI MĚŘENÍ DÉLEK A ÚHLŮ K ovlivňujícím veličinám při měření délek a úhlů patří zejména teplota, vlhkost vzduchu, síla, atmosférický tlak, vliv chvění, osvětlení apod. Teplota Teplota ovzduší i teplota měřených součástí a měřidel ovlivňuje výrazně měřené hodnoty délkových rozměrů. Jednotkou teploty je Celsiův stupeň ( C) a kelvin (K). Mezi teplotou vyjádřenou v Celsiových stupních (t) a teplotou vyjádřenou v kelvinech (T) platí vztah t ( C) = T (K) 273,15. Pro délková a úhlová měření platí referenční teplota 20 C (dle normy ČSN EN ISO 1:2003) Vlhkost vzduchu Z vlhkostních veličin uvádíme relativní vlhkost F vlhkého vzduchu při tlaku p a teplotě T. Relativní vlhkost se obvykle udává v procentech, např. 50 % relat. Síla Síla se projevuje při délkových měřeních: jako měřicí síla u měřicího dotekového přístroje, jako tíhová, popř. silová deformace měřidel a měřených součástí. Síla se vyjadřuje v newtonech (N). Atmosférický tlak U velmi přesných měření je třeba brát ohled na atmosferický (barometrický) tlak. Tlak se vyjadřuje v pascalech (Pa). 1 bar = 0,1 Mpa 1 mbar = 1 hpa 1.3 CHYBY MĚŘENÍ A JEJICH PŘÍČINY 1.3.1 ROZDĚLENÍ CHYB MĚŘENÍ Chyby měření se obvykle člení na: hrubé chyby (jsou na prvý pohled nápadné svou velikostí), systematické chyby (mají za stejných podmínek stejnou velikost i znaménko (+ nebo -), náhodné chyby (mají za stejných podmínek různou velikost a rozdílné znaménko). Příčiny hrubých, systematických a náhodných chyb i způsob, jak je odstraňovat resp. jak s nimi pracovat, je u délkových měření zřejmý z následující tabulky:
Druh chyby měření Příčiny vzniku chyby Opatření Hrubé chyby Nepozornost operátora Uvolněný regulační prvek Změna nastavení pomocné energie Systematické chyby Chyby dělení stupnice Většina teplotních vlivů Deformace měřeného objektu vzniklá tíhovými účinky Vliv měřicí síly Nesprávný měřicí postup Úbytek pomocné energie Náhodné chyby Tření a vůle v ložiskách a vodicích plochách měřicího přístroje Kolísání teploty Kolísání měřicí síly Otřesy a krátkodobé kmitání Měřené hodnoty, zatížené hrubými chybami, se vyloučí z výsledku měření a dále se s nimi neuvažuje. Systematické chyby se odstraní vhodnou korekcí nebo změnou příčin, které je způsobují, např. změnou velikosti ovlivňujících veličin. Náhodné chyby se zahrnou do nejistoty měření. 2. MĚŘENÍ DÉLEK A ÚHLŮ Měření je soubor činností, jejichž cílem je stanovit hodnotu veličiny. Podle použité měřící metody rozlišujeme: a) Měření absolutní - velikost měřeného rozměru lze odečíst přímo na měřidle, např. metr, posuvné měřítko. b) Měření komparační (porovnávací) - velikost měřeného rozměru se zjistí tak, že se určí, o kolik jednotek je měřený rozměr větší nebo menší než rozměr, na který byl měřící přístroj nastaven. c) Měření nepřímé - používá se tehdy, nejde-li měřený rozměr určit přímo. Zpravidla se hledaný rozměr vypočítá z výsledků přímých měření. Měřidla používaná k měření délek se rozdělují buď podle přesnosti (mm, setinová, tisícinová), nebo podle konstrukce a použití na: 1) Měřidla přímá (posuvné měřítko, mikrometr, metr) - naměřenou hodnotu čteme přímo. 2) Měřidla pevná (základní měrky, kalibry všeho druhu) - nemají stupnici. 3) Měřidla nepřímá komparační (např. měřidla se zabudovaným číselníkovým úchylkoměrem: dutinoměr, pasametr, ).
2.1 MĚŘENÍ DÉLEK Koncové měrky Koncové měrky patří v průmyslu a zejména ve strojírenství vzhledem ke své přesnosti a poměrně jednoduchému způsobu používání k nejdůležitějším délkovým ztělesněným mírám. Koncová měrka je čtyřboký hranol, jehož funkční koncové plochy jsou přesně rovinné a rovnoběžné. Funkční plochy jsou broušeny a lapovány do zrcadlového lesku. Vysoká jakost povrchu způsobuje, že koncové měrky při nasunutí funkčními plochami na sebe navzájem přilnou. Takto lze spojovat několik měrek (zpravidla se nespojují více než čtyři) a vytvářet tak různé kombinace rozměrů. Koncové měrky se vyrábějí v sadách, ve kterých jsou jednotlivé koncové měrky účelně odstupňovány podle své délky tak, aby bylo možno složit z co nejmenšího počtu koncových měrek co nejvíce různých rozměrů. Příklad skládání koncových měrek: Rozměr 125,535 mm lze složit z těchto koncových měrek: 1,005 mm, 1,03 mm, 23,5 mm,100 mm. Obr. 1: Koncové měrky Koncové měrky se dodávají ve čtyřech třídách přesnosti, označených K, 0, 1, 2. Koncové měrky Třída přesnosti Způsob použití K 0 1 2 Kalibrace koncových měrek a jiných obdobně přesných etalonů, nastavování a nastavování měřicích přístrojů Kalibrace méně přesných délkových etalonů, nastavování a kalibrace kalibrů a měřicích přístrojů Nastavování a kalibrace měřicích přístrojů a měřicích přípravků, nastavování a kontrola nářadí, přípravků a strojů
Mezní hladké kalibry Mezní hladké kalibry slouží ke kontrole mezních rozměrů hřídelů a děr. Mezní kalibry mají dvě funkční části, které ztělesňují dva mezní rozměry: dobrou stranu kalibru pro kontrolu meze maxima materiálu u hřídele i díry, zmetkovou stranu kalibru pro kontrolu meze minima materiálu u hřídele i díry. Podle účelu použití se mezní kalibry dělí na: dílenské kalibry (používané ve výrobě a při kontrole jakosti výroby), porovnávací kalibry (používané při kalibraci, resp. při kontrole dílenských kalibrů). Mezní kalibry na díry Mezní kalibry pro hřídele - válečkové trny do Ø 100 mm - ploché kalibry od Ø 80 mm do Ø 250 mm - odpichy s kulovými plochami do Ø 800 mm - mezní kontrolní kroužky - mezní třmenové kalibry
Posuvná a mikrometrická měřidla Mezi posuvná měřidla patří posuvky, posuvné hloubkoměry a posuvné výškoměry. Posuvky jsou univerzální, slouží k měření průměrů hřídelů a děr, vzdáleností, roztečí a hloubek, dále k měření geometrických úchylek. Funkční plochy měřicích ramen umožňují měření vnějších i vnitřních rozměrů (hřídelů i děr). Měřicí rozsahy posuvek jsou od 160 mm až do 2000 mm. Nonická diference je zpravidla 0,1 mm ; 0,05 mm ; 0,02 mm. Obr. 2: Posuvné měřítko Mikrometrická měřidla Mikrometrická měřidla jsou přístroje pro měření vnějších a vnitřních rozměrů. Měřicím prvkem je mikrometrický šroub. Délka šroubu je obvykle 25 mm, mimořádně 50 mm, stoupání závitu 0,5 mm, mimořádně 1 mm. Měřené hodnoty se čtou na měřicím bubínku, na jehož obvodu je 50 dílků (hodnota dílku je tedy 0,01 mm). Obr. 3: Třmenový mikrometr
2.2 MĚŘENÍ ÚHLŮ Měření úhlů a tvarů Velikost rovinného úhlu se udává ve stupních, minutách, a vteřinách (šedesátinná soustava); pravý úhel je 90. Příklad: 15 36 28 Používá se i desetinná soustava, pravý úhel je 100 g (gradů), 1 grad má 100 cg (centigradů). Příklad: 386,25 g Měření: Úhly se měří buď přímo (úhelníky, úhloměry, ), nebo nepřímo tak, že se určí jiné rozměry a z nich se velikost úhlu vypočítá. Obr. 4: Příložný úhelník Obr. 5: Mechanický úhloměr Kolmost (90 ) - používá se pevných normalizovaných úhelníků různých velikostí, konstrukcí a přesností nebo kontrolního válce pro přesná měření. Úhly - používají se úhloměry s otočnými rameny různých konstrukcí: obloučkový přesnost 1, univerzální mechanický přesnost 5, univerzální optický přesnost 5, optická úhlová libela přesnost 1, optická dělící hlava pro přesné měření přesnost lepší než 10, opticky na mikroskopu přesnost 1, sinusové pravítko je přesně broušená deštička, která má na obou koncích upevněny válečky o stejném průměru a přesné vzdálenosti od sebe (L= 100; 200; 300; 400; 500), kuželové kalibry používají se pro kontrolu vnějších (kroužek) i vnitřních (trn) kuželů. Přesnost úhlu se kontroluje pomocí tušírovací barvy, průměr se kontroluje pomocí mezních rysek na kalibru trnu, nebo čelním odlehčením u kalibru kroužku. Vodorovná poloha se měří vodováhou. Je to v kovovém loži uložená zakřivená skleněná trubice naplněná vodou nebo lihem tak, aby vznikla bublina. Trubice je opatřena stupnicí, která udává polohu bubliny. Je-li vodováha uložena vodorovně, je bublina na vrcholu zakřivení, tzn. mezi středními ryskami. Citlivost bubliny (vodováhy) je sklon roviny v mm na 1 m délky při přesunutí vzduchové bubliny o 1 dílek. Například: 0,1/1000; 0.025/1000; 0.04/1000 Podle konstrukce jsou vodováhy: podélné jeden směr (vodorovně), křížové dva směry (vodorovně), rámové měří vodorovný i svislý směr.
3. STRUKTURA POVRCHU A JEJÍ PARAMETRY Drsnost povrchu je geometrická technická veličina, definovaná jako souhrn nerovností s relativně malými vzdálenostmi (roztečemi). Tyto nerovnosti jsou obvykle způsobovány při obrábění břitem řezného nástroje a jeho posuvem, dále při odlévání, tváření apod. Vlnitost a případné úchylky tvaru se do drsnosti povrchu nezahrnují. V současné době se přešlo na novou veličinu struktura povrchu, která kromě drsnosti povrchu zahrnuje ještě další veličiny: drsnost povrchu, tzv. parametry R (Roughness), vlnitost, tzv. parametry W (Waviness), základní profil, tzv. parametry P (Profile). Parametrem, který je obvykle u drsnosti povrchu nejčastěji používán, je průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu Ra v rozsahu základní délky lr. Téměř 92 % všech strojírenských podniků v ČR používá tento parametr. 3.1 MĚŘENÍ DRSNOSTI POVRCHU Metody měření drsnosti povrchu se dělí na: Kvalitativní metody - jsou založené na porovnávání kontrolovaného povrchu, respektive kontrolované drsnosti povrchu s porovnávacím vzorkem drsnosti povrchu. Vzorky drsnosti povrchu různých stupňů drsnosti vytvářejí tzv. sady vzorků, popřípadě vzorkovnici drsnosti povrchu. Kvantitativní metody - používají se zejména ve strojírenství. Nejběžnějším měřicím přístrojem je dotykový profilometr (drsnoměr). Tento elektronický přístroj se skládá z posuvové jednotky se snímačem a z vyhodnocovací jednotky, která je zpravidla spojena se zapisovačem nebo tiskárnou. Snímače jsou vyměnitelné a umožňují měření na různých plochách. Obr. 7: Snímač drsnoměru Obr. 6: Přenosný drsnoměr Carl Zeiss
4. ZKOUŠKY TVRDOSTI Tvrdost je odpor kladený materiálem vnikajícímu (zkušebnímu) tělesu. Zkoušku tvrdosti provádíme podle: Vickerse, Rockwella, Brinella. 4.1 ZKOUŠKA TVRDOSTI PODLE VICKERSE (ČSN EN ISO 6507-1) Při zkoušce tvrdosti podle Vickerse se vtlačuje do rovné plochy zkoušeného materiálu zkušební silou F diamantové vnikající těleso ve tvaru čtyřbokého jehlanu s vrcholovým úhlem 136 a po jeho vyjmutí se měří úhlopříčky základny vytvořeného jehlanového vtisku. Zkouška tvrdosti se většinou provádí na univerzálních zkušebních strojích. Při zkouškách tvrdosti podle Vickerse se používá pro měkké i tvrdé materály stejného zkušebního tělesa. Obr. 8: Zkouška tvrdosti podle Obr. 9: Univerzální tvrdoměr Vickerse Označování Tvrdost podle Vickerse se označuje číselnou hodnotou tvrdosti, zkratkou HV, hodnotou podílu zkušební síly a síly 9,81 N a dobu působení síly v sekundách. 210 HV 50 / 30 210 hodnota tvrdosti HV zkouška podle Vickerse 50 zkušební síla F = 50 x 9,81 N = 490,3 N 30 doba působení síly v sekundách
4.2 ZKOUŠKA TVRDOSTI PODLE ROCKWELLA (ČSN EN ISO 6508) Zkouška tvrdosti podle Rockwella se skládá ze čtyř kroků. Obr. 10: Průběh zkoušky tvrdosti podle Rockwella Vnikající těleso se nejprve vtlačí do vzorku určitou silou (např. 98 N) a na této úrovni se vynuluje měřicí úchylkoměr, který má dvě stupnice pro dvě vnikací tělesa (kužel a kuličku). Potom se vtlačí vnikací těleso zkušební silou (např. 1373 N) a po krátké chvíli se zvedne. Nárust hloubky vtisku h je odečten na úchylkoměru v dílcích, přímo jako tvrdost podle Rockwella. K měření tvrdosti tvrdých materálů se používá diamantový kužel s vrcholovým úhlem 120 např. (při postupech HRB a HRA). K měření měkkých materiálů se používá zakalená ocelová kulička průměru 1,59 mm nebo 3,175 mm (např. při postupech HRB a HRF). Rokwellovou zkouškou lze různými silami měřit tvrdosti materiálů ve velkém rozsahu. Označování Tvrdost podle Rockwella se označuje naměřenou hodnotou, písmeny HR a písmenem označujícím stupnici. 58 HRC 56 hodnota tvrdosti HRC Rockwellova zkouška C
4.3 ZKOUŠKA TVRDOSTI PODLE BRINELLA (ČSN EN ISO 6505-1) Při zkoušce tvrdosti podle Brinella se do rovné plochy zkoušeného materiálu vtlačuje zkušební silou F ocelová kalená nebo tvrdokovová kulička o průměru 1 mm; 2,5 mm; 5 mm a 10 mm. Měří se pak průměr vtisku kuličky. Zkoušky tvrdosti podle Brinella se provádějí na univerzálních tvrdoměrech, podobně jako zkoušky podle Vickerse. Obr. 11: Zkouška tvrdosti podle Brinella Zkoušky podle Brinella se hodí jen pro zkoušení tvrdosti stčedně tvrdých a měkkých materiálů. Označování Tvrdost podle Brinella se označuje naměřenou hodnotou a při standardní síle a velikosti kuličky ještě písmeny H. Třetí písmeno označuje materiál kuličky, HBS označuje Brinellovu zkoušku s ocelovou kuličkou a HBW s kuličkou z tvrdokovu. 228 HBW 2,2 / 187,5 / 30 228 hodnota tvrdosti HBW Brinell a materiál kuličky 2,5 průměr kuličky v mm 187,5 síla v kp 187,5 x 9,81 = 1839 N 30 doba působení v sekundách
4.4 PŘENOSNÉ TVRDOMĚRY Zkoušení tvrdosti velkých dílů nebo na těžko dostupných místech dílů se provádějí malými ručními přístroji. Ruční tvrdoměr se přitiskne k materiálu a tlačítkem se spustí. Změřená hodnota tvrdosti se zobrazí na displeji. Ultrazvukový tvrdoměr vyhodnocuje odražený ultrazvukový signál a podle útlumu určuje tvrdost materálu (tvrdý materiál pohlcuje málo energie). Odrazový tvrdoměr vyhodnocuje rychlost odražené ocelové kuličky (tvrdý materiál pohlcuje málo energie). Obr. 13: Odrazový tvrdoměr Obr. 12: Přenosný tvrdoměr Equotip
POUŽITÁ LITERATURA 1. JOSEF DILLINGER A KOLEKTIV: MODERNÍ STROJÍRENSTVÍ PRO ŠKOLU A PRAXI, EUROPA SOBOTÁLES 2. ČENĚK NENÁHLO: MĚŘENÍ VYBRANÝCH GEOMETRICKÝCH VELIČIN, ČMS PRAHA 2005 3. Internet: www.dill.cz Internet: www.somex.cz