ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

Измерение — нахождение физической величины опытным путем с помощью технических средств. Технические измерения применяются для определения путем измерения абсолютных размеров величины износа деталей, оценки деформации, овальности, кор-сетности, величины зазоров, натягов, взаимного расположения геометрических осей, поверхностей, определения глубины коррозионного повреждения и т.д. [7].

В практике контроля наибольшее распространение имеют метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой. При использовании первого метода значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного средства прямого действия. При применении метода сравнения измеряемую величину (параметр) сравнивают с мерой. В данном случае под мерой понимается средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины данного размера.

Основной особенностью измерений является то, что они, как правило, выполняются на деталях, имеющих определенную наработку и вероятное наличие износов. Износ обычно распределяется неравномерно по площади или объему диагностируемой детали, что очень важно учитывать при определении его количественных характеристик. На рис. 2.1 изображен износ отверстия в силовом фитинге. У торца фитинга отверстие имеет овализацию.

II

II

Рис. 2.1. Изменение формы отверстия фитинга вследствие износа

Для определения ее размеров, измерения необходимо выполнить в сечениях 1—1 и II—II. Если измерить диаметр отверстия только в сечении 1—1, то не будет определено истинное значение износа. В поперечном сечении видно, что вдоль оси отверстия также износ неравномерный. Измерения только в сечении а—а или б— б, или в-в не дадут полного представления о характере износа. Например, если измерение произвести по сечению б—б, то окажется, что отверстие имеет номинальный размер, что может привести к ошибочному выводу об отсутствии износа. Измерение отверстий по нескольким сечениям и поясам дает возможность правильно определить метод ремонта. Этими же соображениями необходимо руководствоваться при определении износа по наружным размерам (рис. 2.2, а и 2.2, б).

1

• 2
• 3

Рис. 2.2, а. Частные виды отклонений профиля продольного сечения,

возникающие вследствие износа:

7 — конусообразность; 2 — бочкообразность; 3 — седлообразность

і

1

Рис. 2.2, б. Частные виды отклонений от окружности, возникающие

вследствие износа:

7 — овальность; 2 — огранка

Порядок измерения, применяемый инструмент и приспособления, места замеров, количество поясов и промеров рекомендуются для каждой детали картой промеров. При выборе измерительных средств для контроля учитываются основные характеристики измерительных средств: цена деления, диапазон показаний по шкале, пределы измерений, начальное и конечное значения шкалы, чувствительность и абсолютная погрешность измерительного прибора. Диапазон и цена деления средства измерения должны соответствовать классу и степени точности, указанным в чертежах для данной детали. Основные принципы выбора инструмента заключаются в следующем: точность измерительного средства должна быть выше точности выполнения измеряемого параметра изделия, а трудоемкость измерений и их стоимость должны быть возможно более низкими. При техническом диагностировании в процессе эксплуатации применяется комплект ВИК-1 (рис. 2.3), в состав которого входят измерительные инструменты, а также приборы для оптико-визуального контроля.

Рис. 2.3. Комплект для визуального контроля ВИК-1 [12]:

1 — универсальный шаблон УІ1ІС-3; 2 — зеркало поворотное (с/= 32 мм); 3 — лупа двукратная Л ПК-471; 4 — лупа шестикратная ЛП-6; 5 — лупа измерительная десятикратная ЛИ-10 или восьмикратная ЛИ-8; б — штангенциркуль с глубиномером ШЦ-1 -125-0,1; 7 — линейка металлическая 300 мм Л-300; 8 — набор радиусных шаблонов № 1 (/? = 1 —6 мм); 9 — набор радиусных шаблонов № 3 (Я = 7-25 мм); 10 — набор щупов № 4 (0,1-1,0 мм); 11 — угольник поверочный 100 х 60 мм; 12 — фонарь миниатюрный; 13 — маркер по металлу (белый); 14 — рулетка (5 м)

Измерительные инструменты

Самым простым проверочным измерительным инструментом является линейка измерительная металлическая. Она служит для грубого измерения размеров деталей. На одной стороне линейки наносятся деления — миллиметровые или дюймовые, а иногда те и другие. Расстояние между штрихами — делениями (цена деления) равно 1 мм (дюймовые — /6"). Иногда делают линейки с делениями 0,5 мм (1/64"). Линейки изготовляют длиной 150, 300, 500 и 1000 мм.

Для измерения деталей с помощью измерительной линейки служат кронциркуль и нутромер (рис. 2.4). Кронциркулем измеряют наружные размеры, а нутромером — внутренние. Для того чтобы прочесть размер, измеренный кронциркулем или нутромером, его надо перенести на линейку, как это показано на рис. 2.5. Для повы-

а

в

г

Рис. 2.4. Кронциркули и нутромеры:

о— простой кронциркуль; б — простой нутромер; в — пружинный кронциркуль; г — пружинный нутромер; 1 — пружина; 2 — гайка; / — измеряемый размер

Рис. 2.5. Перенос размера, измеренного кронциркулем, на измерительную

линейку

шения точности измерения изготовляют пружинные кронциркули и нутромеры. Ножки таких инструментов соединяют кольцевой пружиной, которая стремится их раздвинуть, но этому препятствует гайка. Завертывая или отвертывая круглую гайку с малым шагом резьбы на стяжной винт, который закреплен на одной ножке и свободно проходит через другую, можно более точно установить инструмент на требуемый размер.

Для проверки величины зазоров между поверхностями деталей служат щупы. Щуп представляет собой набор стальных пластинок различной толщины — 0,03—1,0 мм. Пластинки насажены на общую ось, которая запрессована в обойму, имеющую форму скобы и охватывающую сложенные пластинки (рис. 2.6).

Ось

Обойма

Рис. 2.6. Щуп

Для проверки величины какого-либо зазора в него вводят пластинку щупа толщиной, примерно равной величине проверяемого зазора. При больших зазорах нужную толщину щупа можно получить сложением нескольких пластинок. Величину зазора определяют по наибольшей толщине одной или нескольких пластинок, сложенных вместе, которые проходят в зазор без особого усилия. Перед работой пластинки щупа тщательно протирают, а после работы смазывают бескислотной смазкой. Вводить щуп в зазор нужно осторожно, чтобы не погнуть и не сломать пластинки.

Для измерения радиусов скруглений, галтельных переходов служат радиусомеры. Радиусомер представляет собой набор пластинок, соединенных, как и пластинки щупа, на одной оси, запрессованной в обойме. Свободные концы пластинок закруглены по радиусу разной величины. Радиусомер применяется для проверки как вогнутых, так и выпуклых поверхностей. Проверку радиуса поверхности детали производят путем приложения к ней закругленного конца пластинки. Величина радиуса пластинки, наиболее точно прилегающей к проверяемой поверхности, считается величиной радиуса детали.

Для определения шага и профиля резьбы служат резьбовые шаблоны или резьбомеры (рис. 2.7). Резьбомер представляет собой набор гребенок, зубцы которых точно соответствуют определенному шагу и профилю резьбы (метрическому с углом 60° или дюймовому с углом 55°).

Рис. 2.7. Резьбомер

Размеры зубьев шестерен и величины шага зацепления измеряют эвольвентомерами и шагомерами. Для проверки фигурных контуров, различных углов, пазов применяют различные плоские зо

шаблоны; для проверки одного размера — предельные калибры (калибры-скобы, резьбовые калибры) (рис. 2.8, 2.9, 2.10).

Рис. 2.8. Предельные калибры-пробки [4, с. 47]: а — односторонние калибры; б — двусторонний калибр

Рис. 2.9. Предельные калибры-скобы [4, с. 48]:

о — проверка диаметра вала двусторонней скобой; б — односторонний калибр-скоба; в — регулируемый калибр-скоба; 7 — корпус; 2 — измерительная вставка; измерительные штифты; 4 — крепежные штифты; 5 — установленные винты

б

Рис. 2.10. Предельные резьбовые калибры [4, с. 49]:

а — пробка; б — скоба

Для более точного измерения применяют нониусные инструменты. Их можно подразделить на два основных вида: штанген- и микрометрические инструменты. К первым относятся штангенциркули, штангенглубиномеры, штангенреймассы и штангензубомеры.

Штангенциркуль (рис. 2.11) служит для измерения наружных и внутренних размеров. Он состоит из стальной линейки-штанги с нанесенными на ней миллиметровыми делениями. К концу штанги прикреплены неподвижные губки /; по штанге может перемещаться подвижная рамка 2 с губками. Предварительная установка рамки на размер производится рукой при отвернутых

Рис. 2.11. Штангенциркуль [4, с. 51]:

1 — неподвижные губки; 2 — подвижная рамка; 3 — зажимной винт рамки; 4 — зажимной винт микрометрической подачи; 5 — хомутик; б — винт микрометрической

подачи; 7 — нониус

зажимных винтах 3 и 4. Затем винтом 4 прижимают хомутик 5 к штанге и винтом 6 микрометрической подачи (вращая круглую гайку в хомутике) передвигают рамку в нужное положение. После этого завертывают винт 3 и определяют показания инструмента. Для этой цели на боковой стороне рамки сделан вырез, через который видны деления штанги и прикрепляется или наносится на самой рамке нониус 7.

Нониусом (рис. 2.12) называется вспомогательная штриховая шкала измерительного инструмента, по которой определяются дробные доли основной шкалы. Шкала нониуса равна девяти делениям штанги. Эти 9 мм точно разделены штрихами на 10 частей, каждая из которых, следовательно, равна 0,9 мм. Таким образом, одно деление нониуса короче одного деления штанги на 1—0,9 = = 0,1 мм. Эта разница в 0,1 мм соответствует точности измерений п

20

Измерительная линейка 1 мм 10

15

I I I I I

^ Нониус

ОДмм ¹⁰

Девять делений измерительной линейки разделены на 10 частей

Рис. 2.12. Принципиальная схема нониуса штангенциркуля

штангенциркулем. При измерениях размеров больше 1 мм сначала отсчитывают целое число миллиметров на штанге, которое стоит до нулевого штриха нониуса, а затем доли миллиметра по шкале нониуса. Штангенциркули изготавливаются с нониусами с точностью отсчета не только 0,1 мм, но 0,05 и 0,02 мм. При измерении внутренних размеров необходимо учитывать ширину губок штангенциркуля, которая у нового инструмента обычно равна 8 или 10 мм. Для не ответственных измерений удобен штангенциркуль облегченного типа (рис. 2.13). Короткие губки такого штангенциркуля, предназначенные для внутренних замеров, устроены так, что не требуется пересчет, учитывающий ширину губок. Соединенный с подвижной рамкой стержень дает возможность измерять также и глубину.

Штангенглубиномер по принципу устройства отличается от штангенциркуля только тем, что его штанга несколько уже и не имеет губок (рис. 2.14, а). При совпадении нулевых делений

Рис. 2.14. Штангенглубиномер (а) и штангенрейсмасс (б) [4, с. 54]

нониуса и штанги измерительный торец штанги совпадает с рабочей поверхностью рамки штангенглубиномера. Метод измерения аналогичен методу измерения штангенциркулем. Штангенрейсмасс применяется для разметочных работ (рис. 2.14, б). Штангензубомер предназначен для определения толщины зуба цилиндрических зубчатых колес (рис. 2.15).

Микрометр (рис. 2.16) является более точным измерительным инструментом, чем штангенциркуль. Микрометр применяется для измерения наружных размеров — длины, толщины, диаметра де-

Рис. 2.15. Штангензубомер [4, с. 54]:

• 7 — высотная линейка; 2— подвижная губка
• 1 2 3 4 5 6

б

Рис. 2.16. Микрометр [4, с. 55]:

о — общий вид; б — разрез по барабану; в — отсчет результатов измерения; 7 — скоба; 2 — неподвижная пятка; 3 — микрометрический винт; 4 — стебель;

5 — барабан; 6 — трещотка; 7 — стопор

талей. Он состоит из скобы /, в которую с одной стороны вставлена неподвижная пятка 2, тщательно доведенный торец которой является одной из измерительных плоскостей микрометра. С другой стороны скоба имеет стебель (трубку) 4. Внутри стебля нарезана резьба с шагом 0,5 мм, в которую ввертывается микрометрический винт 3 торец винта является второй измерительной плоскостью микрометра. Винт прочно соединен с барабаном 5, вращая который можно сближать или удалять измерительную плоскость винта относительно измерительной плоскости пятки. Размер измеряемой детали определяется при зажатии ее между измерительными плоскостями микрометра. Для того чтобы не произошло слишком сильного зажатия, имеется предохранительное устройство — трещотка 6, вращая которую можно передавать только определенное усилие шпинделя. Когда это усилие будет достигнуто, храповичок муфты станет проскальзывать с характерным треском, который указывает на полный контакт измерительных поверхностей микрометра с измеряемой поверхностью детали. Для отсчета результатов измерения на стебле нанесена шкала с миллиметровыми делениями, разделенными пополам.

На конической части барабана нанесено по окружности 50 равных делений. Штрихи от 0 до 50 через каждые пять делений отмечены цифрами. При нулевом положении, т.е. когда измерительные плоскости микрометра под действием трещотки будут совпадать одна с другой, нулевой штрих на барабане совпадет с нулевым штрихом на стебле. Так как шаг резьбы шпинделя равен 0,5 мм, при полном обороте барабана его край отойдет от нулевого штриха на такую же величину — 0,5 мм. Если же барабан повернуть не на полный оборот, т.е. не на 50 делений, имеющихся на нем, а только на одно деление, то край барабана переместится от нулевого штриха стебля на величину 0,5 : 50 = 0,01 мм. Величина 0,01 мм является ценой деления микрометра. Для закрепления измерительных плоскостей в нужном положении служит стопор 7. Прежде чем вращать барабан, нужно отпустить стопор, чтобы не повредить микрометрическую резьбу.

Микрометрический глубиномер предназначен для измерения глубин и высот. Он устроен так же, как и микромер, но вместо скобы имеет траверсу с измерительной плоскостью 4 (рис. 2.17). Измерение и отсчет производятся так же, как и микрометром. Микрометрический нутромер служит для точного измерения диаметра отверстий или ширины пазов (рис. 2.18). Он состоит из стебля 2 с неподвижным сферическим наконечником /, барабана 4 и измерительного стержня 5, неподвижно укрепленного в барабане. Нако-

Рис. 2.17. Микрометрический глубиномер с ценой деления 0,01 мм:

1 — трещотка; 2 — барабан; 3 — стебель; 4 — траверса с измерительной плоскостью; 5 — измерительный сменный стержень; 6 — стопор

5

1

• 2
• 3

Рис. 2.18. Микрометрический нутромер [4, с. 57]:

1 — сферический наконечник; 2 — стебель; 3 — стопор; 4 — барабан; 5 — измерительный стержень

нечник измерительного стержня тоже сферический. При вращении барабана длина нутромера увеличивается до тех пор, пока сферические наконечники не придут в соприкосновение с поверхностью измеряемого отверстия или паза. К микрометрическому нутромеру прилагается несколько сменных штифтов разной длины, благодаря которым можно одним и тем же нутромером измерять детали различных размеров.

Механические измерительные инструменты и приборы служат для относительных измерений. Замер проверяемого изделия передается с помощью зубчатых, рычажно-зубчатых или пружинных механизмов на стрелку, которая показывает значение относительного размера на шкале инструмента. Наибольшее распространение получили индикатор часового типа и индикаторный нутромер.

Индикатор часового типа (рис. 2.19) состоит корпуса /, внутри которого расположен механизм передачи отклонений.

8

Рис. 2.19. Индикатор часового типа [4, с. 58]:

• 1 — корпус; 2 — наконечник; 3 — измерительный стержень; 4 — гильза; 5 — рейка; 6 — циферблат; 7 — ободок; 8 — стрелка; 9 — указатель числа оборотов;
• 10 — стрелка указателя числа оборотов; 11 — пружина

Измерительное усилие от наконечника 2 передается на измерительный стержень 3, который заключен в гильзе 4, запрессованной в корпус. Измерительный стержень имеет рейку 5, связанную с системой зубчатых колес, передающих движение измерительного стержня на стрелки циферблатов. Индикатор имеет циферблат 6 с подвижной шкалой и указатель числа оборотов 9. Циферблат укреплен на ободке 7, имеющем наружную накатку. Шкала указателя оборотов прикреплена к корпусу индикатора. Шкала циферблата имеет 100 делений по окружности: цена каждого деления составляет 0,01 мм, а шкала указателя числа оборотов имеет 10 делений по окружности; цена каждого деления 1 мм. Стрелка 10 на шкале 9 показывает, на сколько полных миллиметров переместился измерительный стержень; стрелка 8 показывает на шкале циферблата 6, на сколько сотых миллиметра (кроме целых) переместился стержень. Перемещение стержня в обратную сторону происходит под действием пружины 11 на рычаг, который давит на штифт, укрепленный на измерительном стержне. Для измерений индикатор устанавливают в специальное приспособление. При установке индикатора на требуемый замер измерительному стержню дают небольшое натяжение. После этого для удобства отсчета отклонений подвижный циферблат повертывают так, чтобы нулевой штрих шкалы подвижного циферблата точно поместился над стрелкой. Отклонение стрелок в ту или иную сторону при выполнении замера будет показывать, на сколько целых и сотых долей миллиметра деталь больше или меньше контрольного замера.

Индикаторный нутромер служит для измерения диаметров отверстий или ширины пазов деталей. Им определяют разницу проверяемого размера по сравнению с образцом, т.е. также проводят относительные измерения. Нутромер (рис. 2.20) состоит из двух основных узлов: измерительной части и обычного индикатора /, описанного выше. Измерительная часть имеет подвижный наконечник 5 и неподвижный измерительный стержень 6. Перемещение подвижного наконечника передается механизму индикатора через качающийся рычаг 7 и стержни 2 и 3 (схема передачи показана на рис. 2.20, б). При измерении отверстия нутромер устанавливается в диаметральное положение автоматически благодаря центрирующему мостику 4. Индикаторным нутромером легко и удобно определять овальность и конусность отверстий, для этого нутромер перемещают в различных плоскостях отверстия и на различной длине следят за отклонением стрелки.

Механические приборы отличаются простотой, высокой надежностью измерений, однако имеют относительно невысокую точность и производительность контроля. Кроме механических измерительных приборов, распространение получили оптические приборы — окулярные микрометры, измерительные микроскопы и т.п. С помощью оптических приборов достигается наивысшая точность измерений. Однако приборы этого вида сложны, их настройка

а

Рис. 2.20. Индикаторный нутромер [4, с. 60]:

а — общий вид; 6 — схема передачи; 7 — индикатор; 2 и 3 — стержни; 4 — центрирующий мостик; 5 — подвижный наконечник; 6 — неподвижный стержень;

7 — качающийся рычаг

и измерение требуют больших затрат времени. Приборы довольно дорогостоящие и часто не обладают высокой надежностью и долговечностью. Для измерений наружных и внутренних размеров, отклонений формы поверхностей (в том числе внутренних), конусов и т.п. используются пневматические приборы — длиномеры.

Пневматические приборы имеют высокую точность и быстродействие. Ряд измерительных задач, например точные измерения в отверстиях малого диаметра, решается только приборами пневматического типа. Однако приборы этого вида чаще всего требуют индивидуальной тарировки шкалы с использованием эталонов. Пневматические приборы находят широкое применение в основном в авиаремонтном производстве. Все большее распространение в автоматической контрольно-измерительной аппаратуре получают электрические приборы. Эта группа приборов отличается быстродействием, возможностью документирования результатов, удобством управления.

Измерение толщины электролитических покрытий выполняют магнитным прибором по усилию, необходимому для отрыва магнита от детали. Чем толще покрытие, тем меньше усилие отрыва магнита от детали. По величине усилия отрыва с помощью специальных таблиц определяют толщину покрытия с точностью до 0,05—0,01 мм. Измерение чистоты механической обработки деталей шлифованием, хонингованием, полировкой и другими видами обработки выполняют с помощью профилометров, которые определяют высоту микронеровностей (шероховатостей). Зная высоту неровностей, можно определить соответствие чистоты обработки заданному классу. При отсутствии профиломеров чистоту обработки сравнивают с заранее подготовленными эталонами, сопоставляя их с обработанными поверхностями детали при десятикратном увеличении.

Часто возникает необходимость определить какой-либо размер в труднодоступном месте. В этих случаях пользуются различными приспособлениями для косвенных измерений или прибегают к изготовлению слепка. Например, для снятия слепков с резьбы и измерения ее шага для контроля радиусов применяют специальные смеси на основе эпоксидных смол. В состав смеси входят графит, дибутилфлатат и другие вещества. Резьбу перед заливкой смеси очищают, смазывают раствором воска в бензине, затем производят заливку. Отвердение происходит несколько часов, после этого по слепкам производят измерения. В некоторых случаях в труднодоступных местах для определения зазоров применяют пластилин.

При измерениях имеют место погрешности. Погрешностью измерения называется разница между полученными результатами измерения (т.е. показаниями измерительного инструмента или прибора) и действительным размером детали. Величина погрешности измерения зависит не только от конструкции измерительного инструмента, но и от многих других причин. Большое влияние на погрешность измерения оказывает шероховатость обработанной поверхности. Чем больше шероховатость контролируемой поверхности, тем большая ошибка будет при измерении. Субъективные погрешности зависят от квалификации исполнителя, его опыта, внимательности, остроты зрения, психического состояния и т.д. На величину погрешности оказывают также влияние температурные условия. Нельзя измерять детали сильно нагретые или охлажденные, так как размеры в таком состоянии будут значительно отличаться от действительных. Проверку размеров деталей нужно производить при определенной стандартной температуре, а именно при +20°С. Это необходимо потому, что деталь и измерительный инструмент по-разному изменяют свои размеры под действием температурных условий, вследствие чего возрастает погрешность измерения.

Различают систематические, случайные и грубые погрешности.

Систематическая погрешность — погрешность, значение которой при повторных измерениях повторяется или закономерно изменяется. Эта погрешность увеличивает либо уменьшает результат каждого измерения на одну и ту же величину. Инструментальные погрешности, зависящие от погрешностей применяемых средств измерения, учитывают при контроле измерительных инструментов и приборов метрологической службой. Влияние систематических погрешностей можно устранить, если ликвидировать причины их появления или внести поправку в результат измерения, равную величине погрешности, но с обратным знаком. В таких случаях важно учитывать при измерениях в первую очередь изменение температуры.

В качестве примера рассмотрим систематическую ошибку, возникающую при изменении температуры относительно стандартной (+20°С). Допустим, нужно измерить диаметр (1 детали, изготовленной из латуни, стальным измерительным инструментом при температуре +30°С. Известно, что коэффициент линейного расширения латуни а„= 18 • 10^-6оС^_|; аналогичный коэффициент для стали а_ст = 12 • 10^-6°С^-1. Систематическая ошибка может быть вычислена по формуле

Л_Сист = ^ПОМ - 0(«л - ^аст)>

где 7_П0М — температура помещения; /_н — номинальная температура. В нашем примере /_и = 20°С, /_пом = 30°С. Примем й- 20 мм. Проведя вычисления, получим Д_сист = 20(30 — 20) • (18 • 10^_6 — 12 • 10^_6) = = 0,0012 мм = 1,2 мкм. Ошибка в 1,2 мкм может оказаться весьма существенной, принципиально влияющей на работу соединения, где была установлена латунная деталь. Учет такой ошибки тем более важен, что измерения деталей могут производиться вне отапливаемых помещений, а их ремонт — в отапливаемых.

Случайная погрешность — погрешность измерения, принимающая при повторных измерениях одной и той же величины и в тех же условиях разные значения по величине и знаку. Случайные погрешности вызываются многими причинами: влиянием нестабильности измерительного усилия, влиянием зазора между деталями измерительного прибора, погрешностью при отсчете показаний прибора, неточностью установки измеряемого изделия относительно измерительного устройства. Для исключения случайных погрешностей, возможных в каждом случае, измерение следует производить несколько раз и брать среднее арифметическое всех результатов.

Грубые погрешности — погрешности, превышающие максимальное значение случайных погрешностей более чем в три раза. Результат с такой погрешностью отбрасывают. Причинами грубых погрешностей могут быть неправильное снятие показаний по шкале прибора, описки результата измерения или другие ошибки. Погрешности измерения могут быть выражены как в абсолютных, так и в относительных (в процентах или долях) величинах. Для каждого вида измерительного инструмента установлены допустимые предельные погрешности, которые необходимо учитывать при выборе инструмента для измерения деталей [7].