методы и средства измерений шероховатости поверхностей. Курсовая_методы_и_средства_определения_шероховатости_3_1. Сравнительный анализ методов и средств измерения шероховатостей поверхностей

• Название: Сравнительный анализ методов и средств измерения шероховатостей поверхностей
• Анкор: методы и средства измерений шероховатости поверхностей
• Дата: 22.06.2022
• Размер: 1.37 Mb.
• Имя файла: Курсовая_методы_и_средства_определения_шероховатости_3_1.docx
• Тип: Курсовая; #611036
• страница: 6 из 6

3. Сравнение определения шероховатости поверхностей различными методами

3.1 Описание способа и объекта исследования шероховатости

Параметр «шероховатость» является одним из фундаментальных свойств поверхности твердых материалов. Он определяет прочность, износостойкость, химическую стойкость, цветопередачу, внешний вид и другие характеристики поверхности материалов [18].

В настоящее время для оценки качества поверхности бумаги и картона во всем мире используются косвенные методы, основанные на измерении расхода воздуха между измерительным элементом прибора и поверхностью анализируемого материала. Согласно ГОСТ 30115−95 (ИСО 8791-1-86), шероховатость – это неровность поверхности, которая определяется по расходу воздуха [3]. Представленное определение явно не соответствует понятию «шероховатость», которое определяется как совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих микрорельеф поверхности. Шероховатость поверхности характеризуется ее профилем, который представляет собой ломаную линию пересечения поверхности плоскостью, перпендикулярной направлению неровностей [4].

Ранее было показано, что косвенные методы испытаний шероховатости дают усредненную (брутто) характеристику состояния поверхности анализируемого материала. Следовательно, очень высока вероятность получения идентичных результатов при различных реальных состояниях поверхности тестируемого материала [12, 7].

В представленном исследовании проведен сравнительный анализ шероховатости прямым и косвенным методами широкого спектра целлюлозно-бумажной продукции – от волокнистых полуфабрикатов до мелованных видов бумаги высокого качества. Показаны преимущества атомно-силовой микроскопии (АСМ) при оценке качества целлюлозно-бумажной продукции.

В работе использовали следующие виды целлюлозно-бумажной продукции:

− товарная целлюлоза (сульфитная еловая полубеленая целлюлоза ПБ-1, ОАО «Сясьский ЦБК»;

– сульфатная беленая целлюлоза из хвойной древесины ХБ-2 и из смеси лиственных пород древесины ЛС-0, ОАО «Архангельский ЦБК»);

– бумага для гофрирования из нейтрально сульфитной полуцеллюлозы Б-0-112 (группа предприятий «ПЦБК», ГОСТ 53206–2008);

– бумага для гофрирования из 100%-ной макулатуры Б-125 (АО «Ярославская бумага»);

– бумага мешочная М-70А (ОАО «Марийский ЦБК», ГОСТ 2228−81);

– бумага-основа и бумага мелованная литого мелования (СССР, НПО «СОЮЗ»); – бумага мелованная литого мелования SUNIKOTE 180 G (INDUSPAP, Франция);

– неглазированная односторонняя бумага «ЛЮКСОАРТ» с тиснением «лен», «мешок», «яичная скорлупа» (Санталахти, Финляндия).

3.2 Проведение исследования двумя методами

Определение шероховатости по методу Бендсена. Прибор типа SE 164 Bendtsen (L&W, Швеция) применяется для измерения значений шероховатости образцов в диапазоне от 50 до 5000 мл/мин.

Перед проведением испытаний все образцы целлюлозно-бумажной продукции кондиционировали в течение 2 ч при относительной влажности воздуха (50 ± 2) % и температуре (23 ± 1) °С [5].

Для проведения измерения испытуемый образец помещали между плоской стеклянной пластиной и измерительной головкой (под действием веса головки образец подвергается воздействию стандартного контактного давления (98 кПа)). Устанавливали значение давления воздуха, используемого для проведения измерений (1,47 кПа), и регистрировали давление в измерительной головке и расход воздуха. Расход воздуха, используемого при проведении измерений, регистрируется в приборе с помощью прецизионного измерительного прибора. Шероховатость исследуемых образцов измеряли в компенсированном режиме. Для проведения измерения испытуемый образец помещали между плоской стеклянной пластиной и измерительной головкой (под действием веса головки образец подвергается воздействию стандартного контактного давления (98 кПа)). Устанавливали значение давления воздуха, используемого для проведения измерений (1,47 кПа), и регистрировали давление в измерительной головке и расход воздуха. Расход воздуха, используемого при проведении измерений, регистрируется в приборе с помощью прецизионного измерительного прибора. Шероховатость исследуемых образцов измеряли в компенсированном режиме.

Определение шероховатости методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Все измерения выполняли на микроскопе Solver HV (ООО «НТ-МДТ», Россия), работающем в полуконтактном режиме, при комнатной температуре и атмосферном давлении [16]. Кондиционирование образцов бумаги и целлюлозы не проводили. Образец бумаги помещали на поверхность стандартной кремниевой пластины, используемой в микроэлектронной промышленности. Далее подготовленный образец устанавливали в атомно-силовой микроскоп.

Измерения рельефа поверхности образца выполняли в области значений размеров поля зрения от 10 000 до 4 мкм². В работе использовали стандартные кантилеверы производства ООО «НТ-МДТ» (Россия). Собственные часто ты кантилеверов находились в диапазоне 110– 180 кГц, радиус закругления зонда равен 10 нм. Атомно-силовой микроскоп обеспечивает прямое изображение рельефа поверхности в масштабе 3D. Обработка полученных результатов с применением специального встроенного программного обеспечения позволяет рассчитать параметр Ra в полном соответствии с требованиями ГОСТ 2789–73 (ИСО Р 468) [4].

На топографических изображениях, полученных в режиме постоянной амплитуды, высота профиля передается цветом: чем выше находится деталь рельефа, тем она светлее (рис. 3.1).


Рисунок 3.1 – Пример топографического изображения поверхности мелованной бумаги литого мелования (СССР, НПО «СОЮЗ»): а – топографическое изображение с выделенной линией; б – профиль выделенной линии поверхности
За результат принимали среднее значение шероховатости (Ra [4]) по трем измерениям в произвольно выбранных точках образца.

Результаты испытаний, полученные в настоящей работе, показывают, что имеется определенный интервал шероховатости, в котором существует взаимно однозначное соответствие между значениями искомого параметра, определенным как косвенным, так и прямым методами (рис. 3.2).


Рисунок 3.2 – Результаты испытаний целлюлозно-бумажной продукции по показателю «шероховатость» стандартным методом Бендсена и методом атомно-силовой микроскопии: 1 – бумага мелованная литого мелования SUNIKOTE 180 G; 2, 3 – бумага мелованная литого мелования (НПО «СОЮЗ»; 155 и 225 г/м2 ); 4 – бумага-основа для производства мелованной бумаги (НПО «СОЮЗ», 200 г/м2 ); 5 – бумага мешочная (ОАО «Марийский ЦБК»); 6 – бумага для гофрирования Б-0-112 (группа предприятий «ПЦБК»); 7 – бумага для гофрирования Б-125 (АО «Ярославская бумага»)
Установленное соответствие удовлетворительно аппроксимируется линейной функцией с коэффициентом корреляции 0,96.

Свободный член уравнения не равен нулю и имеет положительное значение. Это свидетельствует о том, что при шероховатости по методу Бендсена, равной нулю, реальное значение параметра будет низким, но никогда не равным нулю. Так, при испытаниях косвенным методом мелованных видов бумаги, полученных технологией литого мелования, были получены величины шероховатости в интервале 0–17 мл/мин. Они значительно ниже допустимой величины в методе Бендсена (см. выше). Реальные величины шероховатости поверхности мелованной бумаги, измеренные прямым методом, составили 33–43 нм.

В процессе проведения испытаний были зафиксированы два важных обстоятельства.

Во-первых, испытания образцов бумаги с тиснением методом Бендсена выявили исключительно широкий интервал значений шероховатости – от 630 до 5400 мл/мин. Очевидно, что операция тиснения одной и той же основы не может привести к столь значительным изменениям искомого параметра. Так, величины шероховатости, полученные прямым методом, практически не отличались и находились в диапазоне (250 ± 50) нм. Установленное несоответствие объясняется тем, что при наличии тиснения фиксируется расход воздуха, обусловленный не микрорельефом поверхности (шероховатость), а параметром «волнистость» [18].

Во-вторых, испытания товарных волокнистых полуфабрикатов показали, что независимо от породы древесины, способа делигнификации и применения отбелки шероховатость образцов, измеренная методом Бендсена, оказалась одинаковой и составила 6000 мл/мин. Абсолютное отклонение в параллельных экспериментах было равно нулю.

Имеющиеся результаты не соответствуют ранее полученным данным по шероховатости поверхности листов товарной целлюлозы [12]. Было установлено, что имеется близкая к линейной положительная корреляция между шероховатостью поверхности листов товарной целлюлозы и весовым коэффициентом, характеризующим грубость волокон растительной ткани [12]. Полное совпадение значений шероховатости для различных марок товарной целлюлозы, измеренной методом Бендсена, обусловлено объемной плотностью листов.

Результаты, представленные в таблице (3.1), показывают, что объемная плотность листов находится в достаточно узком диапазоне от 0,51 до 0,59 г/см³. При условии, что плотность целлюлозы как природного полимера составляет 1,56 г/см³, несложно рассчитать, что степень заполнения исследуемых образцов веществом будет 0,32–0,38, т. е. практически от 60 до 70% материала занимает воздушное пространство. Таким образом, в процессе измерения шероховатости поток воздуха в аппарате Бендсена проходит не между измерительной головкой и поверхностью образца, а направляется сквозь материал по пути наименьшего сопротивления.
Таблица 3.1 – Результаты измерений плотности листов товарной целлюлозы

Изготовитель	Марка целлюлозы, порода древесины. Способ варки	Характеристика товарной целлюлозы (папка)		Нормативная документация на продукцию
		показатель	значение показателя
ОАО «Архангельский ЦБК»	ЛС-0, смесь лиственных пород древесины. Сульфатный	1. Масса целлюлозы площадью 1 м2, г	650	ГОСТ 28172−89
		2. Толщина, мм	1,10
		3. Плотность, г/см3	0,59
	ХБ-2, из хвойной древесины. Сульфатный	1. Масса целлюлозы площадью 1 м2, г	640	ГОСТ 9571−89
		2. Толщина, мм	1,10
		3. Плотность, г/см3	0,58
ОАО «Сясьский ЦБК»	ПБ, ель ≈ 100% (по данным СЦБК). Сульфитный	1. Масса целлюлозы площадью 1 м2, г	509	ТУ 5411-016- 43508418-2004
		2. Толщина, мм	1,00
		3. Плотность, г/см3	0,51

Проведенные исследования показали универсальность атомно-силовой микроскопии как прямого метода анализа шероховатости широкого спектра целлюлозно-бумажной продукции. Экспериментально установлено, что по сравнению с косвенным методом испытаний по расходу воздуха (метод Бендсена) атомносиловая микроскопия отражает реальное состояние микрорельефа волокнистых полуфабрикатов и бумаги. Метод прямого анализа не имеет ограничений, которые свойственны косвенным методам испытаний. Анализ шероховатости поверхности прямым методом применим к любым видам бумажно-картонной продукции независимо от плотности образца, наличия тиснения, мягкости и воздухопроницаемости материала.

Заключение

Измерения – единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические объекты, физические явления и процессы.

При рассмотрении качеств поверхности следует уделить внимание шероховатости. Этот параметр измеряется на момент производства различной продукции различными методами, предусматривающие применение специальных инструментов контроля. Контроль шероховатости поверхности – часть технологического процесса, предусматривающий применение различных методов оценки параметра шероховатости.

Самыми распространенными средствами для измерения шероховатости поверхности являются профилометры. Для каждого вида поверхности существуют свои методы и инструменты определения шероховатости.

Список использованной литературы

1. ГОСТ 2789–73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. – М.: Стандартинформ, 2018. – 6 с.

2. ГОСТ 9378-93 Образцы шероховатости поверхности (сравнения). Общие технические условия. – Межгосударственный совет по стандартизации, сертификации и метрологии, 2002. – 8 с.

3. ГОСТ 30115−95 (ИСО 8791-1-86) Бумага и картон. Определение шероховатости/гладкости (методы с применением пропускания воздуха). Общие требования. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1999. – 7 с.

4. ГОСТ 2789−73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. – М.: Стандартинформ, 2006. – 7 с.

5. ГОСТ 13523–78 Полуфабрикаты волокнистые. Бумага и картон. Метод кондиционирования образцов. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1978. – 3 с.

6. РМГ 29-2013 Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения. – М.: Стандартинформ, 2013. – 83 с.

7. Атомно-силовая микроскопия – современный метод определения шероховатости целлюлознобумажной продукции / М. Г. Михалева [и др.] // Материалы Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со Дня рождения профессора В. М. Резникова «Химия и химическая технология переработки растительного сырья», Минск, 10–12 окт. 2018 г., Минск, 2018. – С. 126−130.

8. Белкин И. М. Средства линейно-угловых измерений: справочник / И. М. Белкин. Моква: Машиностроение, 1987. – 368 с.

9. Безвесильная, О.М. Преобразующие устройства приборов: учебник / О. М. Безвесильная, П. М. Таланчук. – К.: НМК ВО, 1993. – 362 с.

10. Бирюков С.В., Чередов А.И. Методы и средства измерений: Учебное пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. – 88 с.

11. Дивин, А.Г. Методы и средства измерений, испытаний и контроля: Учебное пособие. В 5 ч. / А.Г. Дивин, С.В. Пономарев. – Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. – Ч. 1. – 104 с. – 100

12. Изучение топографии материалов на целлюлозной основе методом атомно-силовой микроскопии / А. А. Кирсанкин [и др.] // Лесной вестник/Forestry Bulletin. – 2018. – Т. 22. – № 1. – С. 88–93.

13. Клаасен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. – М.: Постмаркет, 2014. – 352 с.

14. Мальков О.В., Литвиненко А.В. Измерение параметров шероховатости поверхности детали // МГТУ, 2012. – 212 с.

15. Метрологические характеристики средств измерений и технического контроля геометрических величин: справочник / сост. Л. И. Анисимова, А. С. Кривоногова; под науч. ред. Б. Н. Гузанова. 2-е изд., доп. и испр. Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2018. – 258 с.

16. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Н. Новгород: ИФМ РАН, 2004. – 110 с.

17. Рябов В.П., Позняк Е.С. Методы и средства измерений, испытаний и контроля. – М.: МУГП. – 2009. – 157 С.

18. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т. 1 / под ред. А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1986. – 656 с.

19. Средства измерения, контроля и управления: каталог / сост. В. Н. Ярмушевская; ОАО ВНИИТЭМР. Москва: Каталог, 2004. – 128 с.

20. Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 2012 – 205 с.