CAP.10. STAREA SUPRAFEŢELOR

10.1. Suprafeţe şi profile

Când se discută despre suprafeţele pieselor facem apel la reprezentarea ce ne-a fost indusă în şcoală prin studiul geometriei euclidiene. Ne gândim la pânza fără grosime generată de o curbă ce se deplasează cu un punct sau pe o altă curbă. La această reprezentare, suprafaţa ne apare perfect netedă. Dacă examinăm cu atenţie suprafaţa oricărei piese realizată fizic vom constata că prezintă asperităţi. Se văd urmele lăsate de sculele de la prelucrare sau ondulaţiile provenite de la uscare – răcire – cristalizare. Cel ai important semn că suprafaţa reală prezintă abateri de la netezime este lipsa aspectului strălucitor, de oglindă. Aspectul mat presupune reflectarea luminii pe direcţii oarecare, din cauza microsuprafeţelor cu normalele orientate întâmplător.

Noţiunea de starea suprafeţelor se referă la abaterile calitative legate de aspect care evidenţiază măsura în care suprafaţa reală diferă de o suprafaţă ideală, netedă.

Aşa cum s-a mai precizat în capitolul 1, suprafaţa nominală este o suprafaţă ideală, sugerată în proiect prin simboluri şi reprezentări.

Ea este perfect netedă. Suprafaţa reală este definită filozofic, prin limita care separă materialul piesei de mediul înconjurător. Ea nu poate fi cunoscută practic. Ceea ce putem pune în evidenţă cu mijloacele de observare, de măsurare este suprafaţa efectivă. Ea tinde către suprafaţa reală pe măsură ce mijloacele sunt din ce în ce mai performante.

Prin intersectarea suprafeţelor cu plane se obţin profilele. Orientarea planelor de intersecţie este importantă pentru a pune în evidenţă anumite aspecte ale suprafeţelor. În realitate profilele sunt atât de edificatoare şi de utile încât se neglijează însăţi faptul că aparţine unor suprafeţe pe care le caracterizează. După denumirile suprafeţelor din care sunt obţinute prin intersectare, profilele poartă denumirile: profil nominal, profil real şi profil efectiv.

10.2. Profile efective

Problema stării suprafeţelor a avut o evoluţie sinuoasă determinată de aspectele calitative ce trebuiau cuantificate, ataşându-se şirul numerelor naturale în raport de un criteriu de corespondenţă. De la simpla reacţie biologică de asperitate pentru simţul tactil şi aspectul mat, indus de fascicolul de lumină reflectat, până la măsurarea unor adâncimi sau proeminenţe au apărut multe noţiuni care şi-au pierdut sau şi-au schimbat înţelesul.

Clasificările într-o manieră inginerească s-au putut face după apariţia mijloacelor de preluare a profilelor; profilometrele, profilografele.

În practică s-au impus profilometrele cu traductoare inductive sau piezoelectrice şi interferometrele.

Traductorul inductiv, prezentat în figura 10.1 se reazemă cu patina 3 pe suprafaţa piesei, 2.Patina 3 se deplasează menţinând contactul cu suprafaţa piesei, datorită ghidajului oscilant suspendat 6. Miezul de fier 5 este solidar cu patina şi poartă două bobine electromagnetice L1 şi L2. Palpatorul 4 cu vârf conic de diamant este solidar cu jugul magnetic 7. La deplasarea paralelă cu masa 1 şi aproximativ “paralel” cu suprafaţa piesei 2, are loc o urmărire a profilului piesei. Jugul magnetic 7 modifică întrefierul din electromagnet şi inductanţele bobinelor L1 şi L2 determinând

1

modificări ale tensiunilor electromotoare. Cele două bobine sunt legate în punte, iar semnalul obţinut este aplicat pe un condensator cu descărcare de prag. Un numărător electronic înregistrează

Fig. 10.1. Profilometru inductiv

descărcările în funcţie de timp. Semnalul astfel obţinut şi memorat reprezintă la scară, integrala numerică în funcţie de timp a profilului efectiv. Printr-o prelucrare electronică într-o unitate de calcul se obţine funcţia adâncimilor profilului efectiv în raport cu deplasarea orizontală.

De fapt profilul efectiv este graficul funcţiei y(x) explorată punctiform şi memorată electronic în baza de date.

În varianta optică cu interferenţă, prezentată în fig.10.2 funcţia numerică a profilului efectiv este preluată de la o celulă fotoelectrică ce numără frecvenţa franjelor de interferenţă.

Fig. 10.2. Profilometru optic cu interferenţă

Fascicolul luminos obţinut de la sursa 6 şi concentrat în sistemul optic 7, devenind coerent, este separat de prisma cu feţe semitransparente 4. Fascicolele reflectate de piesa 2 şi de oglinda fixă 3

2

sunt suprapuse ajungând pe catodul celulei fotoelectrice 5. Semnalul electric este preluat şi prelucrat electronic, astfel că se obţine profilul efectiv sub formă numerică, y(x).

La varianta piezoelectrică, palpatorul mecanic transmite oscilaţia traductorului, obţinându-se în mod asemănător profilul efectiv al piesei palpate.

Se cuvine să prezentăm câteva observaţii. Profilul efectiv nu este identic cu profilul real. El prezintă abateri datorate acurateţei constructive a sistemului şi frecvenţei de măsurare. Se consideră că profilul este “filtrat”. Din acest punct de vedere, profilele sunt de trei feluri:

a) profil total la care filtrarea este pe cât posibil înlăturatăb) profil filtrat “trece sus” la care frecvenţa de măsurare este ridicată şi apar neuniformităţi

numite “rugozităţi”c) profil filtrat “trece jos” la care frecvenţa de măsurare este joasă şi apar neuniformităţi

numite “ondulaţii”Pentru a putea fi vizualizate profilele vor fi modificate atât în amplitudine cât şi în

longitudine. Profilografele dispun de posibilităţi de alegere a factorului de amplificare şi a vitezei de transport a hârtiei pe care se înregistrează profilul.

Întregul studiu referitor la starea suprafeţelor are la bază profilul efectiv obţinut prin mijloace practice (cu profilometre) şi prezentat ca o bază de date, funcţia numerică a adâncimilor y(x). Profilul efectiv este graficul funcţiei y(x) pentru fiecare din variantele de filtrare. Notaţiile profilelor vor fi: P – profil total, R – profil filtrat „trece sus“ şi W - profil filtrat „trece jos“.

Fig 10.3. Profile efective: a - profil total, P, b - profil filtrat “trece sus“, R, şi c-profil filtrat “trece jos”

3

În continuare studiul se va limita la profilul filtrat „trece sus“ prezentat în figura 10.3.b.Sistemul de axe este orientat cu Oy în jos pentru că ordonatele au semnificaţia de adâncimi,

deoarece palpatorul este deasupra piesei. Zonele de minim (cele de sus) se vor numi proieminenţe, iar cele de maxim (cele de jos) se vor numi goluri.

10.3. Parametrii caracteristici de profil

Starea suprafeţelor se apreciază cantitativ după mărimea parametrilor caracteristici de profil definiţi prin STAS 5730/1 – 91. În continuare se vor defini cei mai importanţi parametrii caracteristici pentru profilul filtrat „trece sus“. Ei se mai numesc şi parametrii de rugozitate. Pentru celelalte profile, parametrii sunt definiţi în mod asemănător.

Cele trei tipuri de profile modificate şi anamorfozate sunt prezentate în figura 10.3.

10.3.1. Adâncimea de nivelare, Rp

Reanalizând modul de obţinere a profilului efectiv se constată că poziţia sistemului de coordonate, de referinţă, este aleasă arbitrar de operatorul uman sau chiar de aparat. Pentru fixarea sistemului de referinţă faţă de profilul efectiv s-a definit parametrul adâncime de nivelare, R p. Exprimarea analitică a parametrului Rp este:

(10.1)

Semnificaţia geometrică este prezentată în figura 10.4.Integrala reprezintă aria cuprinsă între abscisa Ox şi profilul efectiv. Adâncimea de nivelare

este nivelul unui profil rectiliniu (lăţimea unui dreptunghi de aceeaşi arie şi lungime). Linia „m“ se mai numeşte linie medie şi consfinţeşte poziţia sistemului de coordonate faţă de profilul efectiv.

10.3.2. Adâncimea maximă a golului yv max. Înalţimea maximă a proeminenţei, yp max. Înalţimea maximă a profilului, Ry.

4

Fig. 10.4. Adâncimea de nivelare, Rp

Pe lungimea de baă pot fi identificate punctele de extrem cu distanţa cea mai mare faţă de linia medie, aşa cum se poate vedea în figura 10.5.

Distanţa maximă deasupra liniei medii este înălţimea maximă a proeminenţei , yp max , iar distanţa maximă sub linia medie este adâncimea maximă a golului, yv mav. Suma celor două distanţe formează înălţimea maximă a profilului, Ry.

Ry = yp mav + yv mav [m] (10.2)

10.3.3. Înălţimea neregularităţilor profilului în zece puncte, Rz

Examinând distanţa punctelor de extrem faţă de linia medie (m), se poate stabili ordinea descrescătoare pentru primele cinci puncte de fiecare parte a liniei medii. În figura 10.6 au fost cotate: yp1 … yp5 şi yv1 … yv5 .

5

Fig.10.5. Înalţimea maximă a profilului Ry. Înalţimea maximă a proeminenţei yp max. Adâncimea maximă a golului yv max

Fig.10.6. Înălţimea neregularităţilor profilului în zece puncte, Rz. (Rugozitatea în zece puncte)

Rugozităţile în zece puncte se calculează cu relaţia:

Rz = (10.3)

În mod asemănător, calculul înălţimii medii se poate extinde la toate cele “n” proeminenţe din limitele lungimii de bază.

10.3.4. Abaterea medie aritmetică a profilului, Ra. Rugozitatea medie aritmetică.

Este un parametru global ce dă informaţii atât asupra amplitudinii profilului, cât şi asupra repartizării neuniformităţilor pe lungimea de bază. Expresia analitică pentru abaterea medie aritmetică, Ra este:

Ra = (10.4)

După cum este reprezentat în figura 10.7, geometric rugozitatea Ra reprezintă lăţimea unei benzi cu aria egală cu cea închisă între profilul efectiv şi linia medie, m şi aceeaşi lungime de bază.

Sub semnul de integrală a avut loc o translaţie de abscisă cu Rp, noua abscisă devenind linia medie, iar funcţia integrată este în modul pentru a nu apare suprafeţe negative.

În mod similar se poate defini şi media pătratică a abaterii profilului, Rq:

Rq = (10.5)

Pentru unităţile de calcul ale aparatelor care preiau profilul efectiv este deosebit de importantă media pătratică. Rotaţia în plan a sistemului de axe determină o creştere a mediei pătratice. Poziţia unghiulară a abscisei sistemului de coordonate este fixată automat de profilometre prin condiţia ca media pătratică să fie minimă.

Profilometrele moderne raportează baza de date referitoare la profil numai după ce fixează şi unghiular sistemul de coordonate.

6

Fig.10.7. Abaterea medie aritmetică a profilului, Ra. (Rugozitatea medie aritmetică.)

10.3.5. Pasul mediu al neregularităţilor profilului, Sm

Dacă se face analogia profilului efectiv şi graficul fenomenelor ondulatorii se pot identifica perioadele prin punctele consecutive de intersecţie cu linia m, având aceeaşi variaţie de semn, de la proeminenţă spre gol. În figura 10.8 sunt cotate distanţele similare perioadelor cu S1, S2, …, Si, …,Sn pe toată lungimea de bază.

Evident că media paşilor este pasul mediu, Sm:

Sm = (10.6)

În mod asemănător se definesc şi alţi parametrii de pas: pasul proeminenţelor ca distanţă între vârfuri, lungimea desfăşurată a profilului, densitatea proeminenţelor profilului D ca numărul lor pe lungimea de bază. Aceşti parametrii se referă numai la repartiţia neuniformităţilor pe lungimea de bază.

10.3.6. Procentajul lungimii portante a profilului, Tp

Se poate prevedea că profilul efectiv al suprafeţelor suferă modificări. Uneori au loc prelucrări de netezire prin care sunt îndepărtate vârfurile aşa cum este sugerat în desenul din figura 10.9.

Procesul natural de uzură precum şi deformaţiile elastice datorate compresiunii la contactul dintre piese, micşorează mult suprafaţa pe care se poate conta când superficial o calculăm, L x l.

7

Fig.10.8. Pasul mediu al neregularităţilor profilului, Sm

Fig.10.9. Procentajul portant, Tp

Se defineşte lungimea portantă a profilului p ca suma segmentelor Li ce se obţine prin intersectarea profilului ca o paralelă la linia medie situată la “p” procente din înălţimea maximă a profilului, Ry sau distanţa între linia exterioară e şi linia interioară i a profilului ce se consideră 100%.

Procentajul lungimii portante al profilului este raportul între lungimea portantă şi lungimea de bază ale profilului exprimat în procente.

Tp = (10.7)

Poziţiile pentru care se determină Tp sunt pentru p = 10, 20 … 90 %.Procentajul portant dă informaţii complexe asupra stării suprafeţelor. Dacă se analizează

numai două cazuri tipice: profilul asemănător literei m şi profilul asemănător literei . Pentru procentajul portant la p = 50% în primul caz Tp este mult mai mare decât 50%, iar în cazul al doilea este mult mai mic decât 50%. Profilul “m” se comportă bine la ungere (nu rupe pelicula de lubrifiant), dar este periculos la piese solicitate variabil (abisurile sunt amorse de fisuri ce favorizează ruperea la comprimări şi întinderi repetate). Din contră, profilul “” nu este indicat la ungere (vârfurile vor străpunge pelicula de lubrifiant), dar se comportă foarte bine la solicitări variabile.

Proiectanţii de maşini şi aparate au la dispoziţie un număr considerabil de parametrii de stare a suprafeţei prin care pot comunica executanţilor condiţiile de funcţionare. Constructorii de profilometre – profilografe îşi aleg numai anumiţi parametrii caracteristici de profil pe care îi evidenţiază aparatele lor.

10.4. Clase de precizie şi valori normalizate

Mărimile parametrilor Rz şi Ra se exprimă în micronimetri. Valorile ce pot fi utilizate sunt termenii seriei R10: 1; 1,25; 1,60; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; precum şi valorile obţinute prin multiplicarea cu puteri întregi ale lui 10.

Există o încercare de grupare a stării suprafeţelor în 14 clase de rugozitate numerotate cu N0, N1, …, N13. Practic însă ele nu se utilizează.

Lungimea de bază este normalizată la un număr finit de valori: l = 0,08; 0,25; 0,8; 2,5; 8 şi 25, exprimată în milimetri.

10.5. Simbolizarea stării suprafeţelor

Modul de comunicare a cerinţelor privind starea suprafeţelor este reglementat prin STAS 612-83. Pe simbolul din desen reprezentând o anume suprafaţă se înscrie un semn asemănător semnului de radical, ca în figura 10.10

În locurile notate cu litere se pot înscrie informaţiile dorite de proiectant;a) grosimea stratului minim ce se îndepărtează obligatoriu de pe semifabricat (dacă este cazul).b) pot exista trei situaţii: - îndepărtarea de material este obligatorie; o - îndepărtarea de

material este interzisă şi nu se precizează nimic despre stratul iniţial;c) datele referitoare la parametrul caracteristic de profil. Valoarea numerică a parametrului este

obligatorie şi înseamnă că valoarea efectivă nu poate fi mai mare decât cea înscrisă (poate fi dat şi un interval). Pentru toţi parametrii în afară de Ra este obligatorie specificarea simbolului

8

parametrului (Rz, Tp, Ry, …). În unele cazuri poate fi înscrisă numai clasa de rugozitate (de exemplu N8);

d) procedeul tehnologic prin care se va obţine suprafaţa: lustruit, cromat, călit HRC…;e) lungimea de bază dacă este diferită de valoarea normalizată pentru parametrul notat la punctul c;f) forma şi orientarea urmelor rămase de la prelucrare: = paralele sau perpendiculare faţă de

planul desenului, X încrucişat, M oarecare, C circulare şi R radiale.

Pentru exemplificare se dă simbolul din figura 10.11 cu următoarele semnificaţii. Suprafaţa se obţine prin rectificare îndepărtând minim 0,5 mm. rugozitatea medie aritmetică Ra este de maxim 1 m şi adâncimea maximă Ry de maxim 6,3 m.

Lungimea de bază obligatorie este de 2,5 mm. Direcţia urmelor perpendiculară pe planul desenului.

Direcţia urmelor este foarte importantă pentru muchiile ascuţite ale sculelor tăietoare. Toate lamele de ras au urmele perpendiculare pe muchie. La fel se practică şi la cuţitele de bucătărie moderne.

Un exemplu de înscriere a stării suprafeţelor poate fi văzut pe desenele de execuţie de la montajele cu rulmenţi (Fig.3.4.).

9

de

c

ba f

Fig.10.10. Simbolizarea stării suprafeţelor

rectificat 2,5/ Ry 6,3

1

0,5

Fig.10.11. Exemplu de simbolizarea