1

CAP.10. STAREA SUPRAFEELOR 10.1. Suprafee i profile Cnd se discut despre suprafeele pieselor facem apel la reprezentarea ce ne-a fost indus n coal prin studiul geometriei euclidiene. Ne gndim la pnza fr grosime generat de o curb ce se deplaseaz cu un punct sau pe o alt curb. La aceast reprezentare, suprafaa ne apare perfect neted. Dac examinm cu atenie suprafaa oricrei piese realizat fizic vom constata c prezint asperiti. Se vd urmele lsate de sculele de la prelucrare sau ondulaiile provenite de la uscare rcire cristalizare. Cel ai important semn c suprafaa real prezint abateri de la netezime este lipsa aspectului strlucitor, de oglind. Aspectul mat presupune reflectarea luminii pe direcii oarecare, din cauza microsuprafeelor cu normalele orientate ntmpltor. Noiunea de starea suprafeelor se refer la abaterile calitative legate de aspect care evideniaz msura n care suprafaa real difer de o suprafa ideal, neted. Aa cum s-a mai precizat n capitolul 1, suprafaa nominal este o suprafa ideal, sugerat n proiect prin simboluri i reprezentri. Ea este perfect neted. Suprafaa real este definit filozofic, prin limita care separ materialul piesei de mediul nconjurtor. Ea nu poate fi cunoscut practic. Ceea ce putem pune n eviden cu mijloacele de observare, de msurare este suprafaa efectiv. Ea tinde ctre suprafaa real pe msur ce mijloacele sunt din ce n ce mai performante. Prin intersectarea suprafeelor cu plane se obin profilele. Orientarea planelor de intersecie este important pentru a pune n eviden anumite aspecte ale suprafeelor. n realitate profilele sunt att de edificatoare i de utile nct se neglijeaz nsi faptul c aparine unor suprafee pe care le caracterizeaz. Dup denumirile suprafeelor din care sunt obinute prin intersectare, profilele poart denumirile: profil nominal, profil real i profil efectiv. 10.2. Profile efective Problema strii suprafeelor a avut o evoluie sinuoas determinat de aspectele calitative ce trebuiau cuantificate, atandu-se irul numerelor naturale n raport de un criteriu de coresponden. De la simpla reacie biologic de asperitate pentru simul tactil i aspectul mat, indus de fascicolul de lumin reflectat, pn la msurarea unor adncimi sau proeminene au aprut multe noiuni care i-au pierdut sau i-au schimbat nelesul. Clasificrile ntr-o manier inginereasc s-au putut face dup apariia mijloacelor de preluare a profilelor; profilometrele, profilografele. n practic s-au impus profilometrele cu traductoare inductive sau piezoelectrice i interferometrele. Traductorul inductiv, prezentat n figura 10.1 se reazem cu patina 3 pe suprafaa piesei, 2. Patina 3 se deplaseaz meninnd contactul cu suprafaa piesei, datorit ghidajului oscilant suspendat 6. Miezul de fier 5 este solidar cu patina i poart dou bobine electromagnetice L1 i L2. Palpatorul 4 cu vrf conic de diamant este solidar cu jugul magnetic 7. La deplasarea paralel cu masa 1 i aproximativ paralel cu suprafaa piesei 2, are loc o urmrire a profilului piesei. Jugul magnetic 7 modific ntrefierul din electromagnet i inductanele bobinelor L1 i L2 determinnd modificri ale

2

tensiunilor electromotoare. Cele dou bobine sunt legate n punte, iar semnalul obinut este aplicat pe un condensator cu descrcare de prag. Un numrtor electronic nregistreaz

Fig. 10.1. Profilometru inductiv descrcrile n funcie de timp. Semnalul astfel obinut i memorat reprezint la scar, integrala numeric n funcie de timp a profilului efectiv. Printr-o prelucrare electronic ntr-o unitate de calcul se obine funcia adncimilor profilului efectiv n raport cu deplasarea orizontal. De fapt profilul efectiv este graficul funciei y(x) explorat punctiform i memorat electronic n baza de date. n varianta optic cu interferen, prezentat n fig.10.2 funcia numeric a profilului efectiv este preluat de la o celul fotoelectric ce numr frecvena franjelor de interferen.

Fig. 10.2. Profilometru optic cu interferen Fascicolul luminos obinut de la sursa 6 i concentrat n sistemul optic 7, devenind coerent, este separat de prisma cu fee semitransparente 4. Fascicolele reflectate de piesa 2 i de oglinda fix 3 sunt

3

suprapuse ajungnd pe catodul celulei fotoelectrice 5. Semnalul electric este preluat i prelucrat electronic, astfel c se obine profilul efectiv sub form numeric, y(x). La varianta piezoelectric, palpatorul mecanic transmite oscilaia traductorului, obinndu-se n mod asemntor profilul efectiv al piesei palpate. Se cuvine s prezentm cteva observaii. Profilul efectiv nu este identic cu profilul real. El prezint abateri datorate acurateei constructive a sistemului i frecvenei de msurare. Se consider c profilul este filtrat. Din acest punct de vedere, profilele sunt de trei feluri: a) profil total la care filtrarea este pe ct posibil nlturat b) profil filtrat trece sus la care frecvena de msurare este ridicat i apar neuniformiti numite rugoziti c) profil filtrat trece jos la care frecvena de msurare este joas i apar neuniformiti numite ondulaii Pentru a putea fi vizualizate profilele vor fi modificate att n amplitudine ct i n longitudine. Profilografele dispun de posibiliti de alegere a factorului de amplificare i a vitezei de transport a hrtiei pe care se nregistreaz profilul. ntregul studiu referitor la starea suprafeelor are la baz profilul efectiv obinut prin mijloace practice (cu profilometre) i prezentat ca o baz de date, funcia numeric a adncimilor y(x). Profilul efectiv este graficul funciei y(x) pentru fiecare din variantele de filtrare. Notaiile profilelor vor fi: P profil total, R profil filtrat trece sus i W - profil filtrat trece jos.

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

4

n continuare studiul se va limita la profilul filtrat trece sus prezentat n figura 10.3.b. Sistemul de axe este orientat cu Oy n jos pentru c ordonatele au semnificaia de adncimi, deoarece palpatorul este deasupra piesei. Zonele de minim (cele de sus) se vor numi proieminene, iar cele de maxim (cele de jos) se vor numi goluri. 10.3. Parametrii caracteristici de profil Starea suprafeelor se apreciaz cantitativ dup mrimea parametrilor caracteristici de profil definii prin STAS 5730/1 91. n continuare se vor defini cei mai importani parametrii caracteristici pentru profilul filtrat trece sus. Ei se mai numesc i parametrii de rugozitate. Pentru celelalte profile, parametrii sunt definii n mod asemntor. Cele trei tipuri de profile modificate i anamorfozate sunt prezentate n figura 10.3. 10.3.1. Adncimea de nivelare, Rp Reanaliznd modul de obinere a profilului efectiv se constat c poziia sistemului de coordonate, de referin, este aleas arbitrar de operatorul uman sau chiar de aparat. Pentru fixarea sistemului de referin fa de profilul efectiv s-a definit parametrul adncime de nivelare, Rp. Exprimarea analitic a parametrului Rp este: 1 l R p = y ( x ) dx l 0

[ m]

(10.1)

Semnificaia geometric este prezentat n figura 10.4. Integrala reprezint aria cuprins ntre abscisa Ox i profilul efectiv. Adncimea de nivelare este nivelul unui profil rectiliniu (limea unui dreptunghi de aceeai arie i lungime). Linia m se mai numete linie medie i consfinete poziia sistemului de coordonate fa de profilul efectiv.

Fig. 10.4. Adncimea de nivelare, Rp

5

10.3.2. Adncimea maxim a golului yv nalimea maxim a profilului, Ry.

max

. nalimea maxim a proeminenei, yp

max

.

Pe lungimea de ba pot fi identificate punctele de extrem cu distana cea mai mare fa de linia medie, aa cum se poate vedea n figura 10.5.

Fig.10.5. nalimea maxim a profilului Ry. nalimea maxim a proeminenei yp max. Adncimea maxim a golului yv max Distana maxim deasupra liniei medii este nlimea maxim a proeminenei , yp max , iar distana maxim sub linia medie este adncimea maxim a golului, yv mav. Suma celor dou distane formeaz nlimea maxim a profilului, Ry. Ry = yp mav + yv mav [m] (10.2)

10.3.3. nlimea neregularitilor profilului n zece puncte, Rz Examinnd distana punctelor de extrem fa de linia medie (m), se poate stabili ordinea descresctoare pentru primele cinci puncte de fiecare parte a liniei medii. n figura 10.6 au fost cotate: yp1 yp5 i yv1 yv5 .

Fig.10.6. nlimea neregularitilor profilului n zece puncte, Rz. (Rugozitatea n zece puncte)

6

Rugozitile n zece puncte se calculeaz cu relaia: Rz =5 1 5 yp i + yv i 5 i =1 i =1

[ m]

(10.3)

n mod asemntor, calculul nlimii medii se poate extinde la toate cele n proeminene din limitele lungimii de baz. 10.3.4. Abaterea medie aritmetic a profilului, Ra. Rugozitatea medie aritmetic. Este un parametru global ce d informaii att asupra amplitudinii profilului, ct i asupra repartizrii neuniformitilor pe lungimea de baz. Expresia analitic pentru abaterea medie aritmetic, Ra este: 1 l Ra = 0 y( x ) R p dx l

[ m]

(10.4)

Dup cum este reprezentat n figura 10.7, geometric rugozitatea Ra reprezint limea unei benzi cu aria egal cu cea nchis ntre profilul efectiv i linia medie, m i aceeai lungime de baz.

Fig.10.7. Abaterea medie aritmetic a profilului, Ra. (Rugozitatea medie aritmetic.) Sub semnul de integral a avut loc o translaie de abscis cu Rp, noua abscis devenind linia medie, iar funcia integrat este n modul pentru a nu apare suprafee negative. n mod similar se poate defini i media ptratic a abaterii profilului, Rq: Rq =2 1 l y ( x ) R p dx 0 l

(10.5)

Pentru unitile de calcul ale aparatelor care preiau profilul efectiv este deosebit de important media ptratic. Rotaia n plan a sistemului de axe determin o cretere a mediei ptratice. Poziia unghiular a abscisei sistemului de coordonate este fixat automat de profilometre prin condiia ca media ptratic s fie minim. Profilometrele moderne raporteaz baza de date referitoare la profil numai dup ce fixeaz i unghiular sistemul de coordonate.

7

10.3.5. Pasul mediu al neregularitilor profilului, Sm Dac se face analogia profilului efectiv i graficul fenomenelor ondulatorii se pot identifica perioadele prin punctele consecutive de intersecie cu linia m, avnd aceeai variaie de semn, de la proeminen spre gol. n figura 10.8 sunt cotate distanele similare perioadelor cu S1, S2, , Si, ,Sn pe toat lungimea de baz.

Fig.10.8. Pasul mediu al neregularitilor profilului, Sm Evident c media pailor este pasul mediu, Sm: 1 n Sm = S i n i =1

(10.6)

n mod asemntor se definesc i ali parametrii de pas: pasul proeminenelor ca distan ntre vrfuri, lungimea desfurat a profilului, densitatea proeminenelor profilului D ca numrul lor pe lungimea de baz. Aceti parametrii se refer numai la repartiia neuniformitilor pe lungimea de baz. 10.3.6. Procentajul lungimii portante a profilului, Tp Se poate prevedea c profilul efectiv al suprafeelor sufer modificri. Uneori au loc prelucrri de netezire prin care sunt ndeprtate vrfurile aa cum este sugerat n desenul din figura 10.9.

Fig.10.9. Procentajul portant, Tp Procesul natural de uzur precum i deformaiile elastice datorate compresiunii la contactul dintre piese, micoreaz mult suprafaa pe care se poate conta cnd superficial o calculm, L x l.

8

Se definete lungimea portant a profilului p ca suma segmentelor Li ce se obine prin intersectarea profilului ca o paralel la linia medie situat la p procente din nlimea maxim a profilului, Ry sau distana ntre linia exterioar e i linia interioar i a profilului ce se consider 100%. Procentajul lungimii portante al profilului este raportul ntre lungimea portant i lungimea de baz ale profilului exprimat n procente. Tp =

100 n Li l i =1

[%]

(10.7)

Poziiile pentru care se determin Tp sunt pentru p = 10, 20 90 %. Procentajul portant d informaii complexe asupra strii suprafeelor. Dac se analizeaz numai dou cazuri tipice: profilul asemntor literei m i profilul asemntor literei . Pentru procentajul portant la p = 50% n primul caz Tp este mult mai mare dect 50%, iar n cazul al doilea este mult mai mic dect 50%. Profilul m se comport bine la ungere (nu rupe pelicula de lubrifiant), dar este periculos la piese solicitate variabil (abisurile sunt amorse de fisuri ce favorizeaz ruperea la comprimri i ntinderi repetate). Din contr, profilul nu este indicat la ungere (vrfurile vor strpunge pelicula de lubrifiant), dar se comport foarte bine la solicitri variabile. Proiectanii de maini i aparate au la dispoziie un numr considerabil de parametrii de stare a suprafeei prin care pot comunica executanilor condiiile de funcionare. Constructorii de profilometre profilografe i aleg numai anumii parametrii caracteristici de profil pe care i evideniaz aparatele lor. 10.4. Clase de precizie i valori normalizate Mrimile parametrilor Rz i Ra se exprim n 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 i valorile obinute prin multiplicarea cu puteri ntregi ale lui 10. Exist o ncercare de grupare a strii suprafeelor n 14 clase de rugozitate numerotate cu N0, N1, , N13. Practic ns ele nu se utilizeaz. Lungimea de baz este normalizat la un numr finit de valori: l = 0,08; 0,25; 0,8; 2,5; 8 i 25, exprimat n milimetri. 10.5. Simbolizarea strii suprafeelor Modul de comunicare a cerinelor privind starea suprafeelor este reglementat prin STAS 61283. Pe simbolul din desen reprezentnd o anume suprafa se nscrie un semn asemntor semnului de radical, ca n figura 10.10 n locurile notate cu litere se pot nscrie informaiile dorite de proiectant; a) grosimea stratului minim ce se ndeprteaz obligatoriu de pe semifabricat (dac este cazul). b) pot exista trei situaii: - ndeprtarea de material este obligatorie; o - ndeprtarea de material este interzis i nu se precizeaz nimic despre stratul iniial; c) datele referitoare la parametrul caracteristic de profil. Valoarea numeric a parametrului este obligatorie i nseamn c valoarea efectiv nu poate fi mai mare dect cea nscris (poate fi dat i un interval). Pentru toi parametrii n afar de Ra este obligatorie specificarea simbolului

9

parametrului (Rz, Tp, Ry, ). n unele cazuri poate fi nscris numai clasa de rugozitate (de exemplu N8); d) procedeul tehnologic prin care se va obine suprafaa: lustruit, cromat, clit HRC; e) lungimea de baz dac este diferit de valoarea normalizat pentru parametrul notat la punctul c; f) forma i orientarea urmelor rmase de la prelucrare: = paralele sau perpendiculare fa de planul desenului, X ncruciat, M oarecare, C circulare i R radiale.d e c b a f 0,5 1 rectificat 2,5/ Ry 6,3

Fig.10.10. Simbolizarea strii suprafeelor

Fig.10.11. Exemplu de simbolizarea

Pentru exemplificare se d simbolul din figura 10.11 cu urmtoarele semnificaii. Suprafaa se obine prin rectificare ndeprtnd minim 0,5 mm. rugozitatea medie aritmetic Ra este de maxim 1 m i adncimea maxim Ry de maxim 6,3 m. Lungimea de baz obligatorie este de 2,5 mm. Direcia urmelor perpendicular pe planul desenului. Direcia urmelor este foarte important pentru muchiile ascuite ale sculelor tietoare. Toate lamele de ras au urmele perpendiculare pe muchie. La fel se practic i la cuitele de buctrie moderne. Un exemplu de nscriere a strii suprafeelor poate fi vzut pe desenele de execuie de la montajele cu rulmeni (Fig.3.4.).