Штангенциркули являются одними из наиболее часто используемых измерительных инструментов в механической обработке, и на точность их измерения влияют различные факторы. Среди них усилие зажима, приложенное оператором, является одной из переменных, которую легче всего упустить из виду. Даже если один и тот же оператор использует один и тот же штангенциркуль для измерения одной и той же заготовки, различия в силе зажима могут привести к отклонениям показаний на десятки микрометров и более. В этой статье анализируется конкретное влияние силы зажима на точность измерения с физической точки зрения и представлены методы управления стандартными измерительными усилиями.
I. Физические основы влияния силы нажатия на точность измерений.
1. Во время измерения штангенциркулем оператор большим пальцем нажимает на раму штангенциркуля, в результате чего измерительные губки приближаются к поверхности заготовки. До тех пор, пока измерительная поверхность губок не соприкоснется с заготовкой и не приложит определенное давление. Во время этого процесса между корпусом суппорта и рамой остается зазор. Когда к рамке прикладывается прижимная сила, рама создает наклонный крутящий момент на направляющей поверхности, что приводит к отклонению фактического положения измерения губок. Это отклонение составляет примерно несколько микрометров на обычном штангенциркуле и может достигать десяти-двадцати микрометров в случаях, когда длина выдвижения губок велика.
2. Под действием силы прижима поверхность заготовки также будет подвергаться упругой деформации. Для тонкостенных деталей и заготовок из мягких материалов контактное давление измерительных губок вызовет локальную депрессию в измеряемой области, в результате чего измеренное значение будет меньше фактического размера. На примере алюминиевой трубки с толщиной стенки 0,5 миллиметра при использовании обычного измерительного усилия для измерения наружного диаметра измеренная величина может быть на несколько микрометров-несколько десятков микрометров меньше фактического размера в свободном состоянии. Чем ниже твердость материала и тоньше толщина стенки, тем более очевидной будет ошибка измерения, вызванная этой упругой деформацией.
3. Нельзя игнорировать и упругую деформацию самого суппорта. Корпус суппорта представляет собой тонкий конструктивный элемент. Когда рама штангенциркуля подвергается воздействию большой силы, корпус подвергается небольшой деформации изгиба, что приводит к изменению соотношения открытия и закрытия измерительных губок. Эта упругая деформация корпуса суппорта обычно происходит в пределах микрометровой шкалы, но для прецизионных деталей с узким диапазоном допуска ее уже достаточно, чтобы повлиять на определение квалификации. Учитывая все эти три эффекта, совокупная погрешность измерения, вызванная силой зажима, колеблется от 10 до 50 микрометров, в зависимости от конкретных условий работы.
II. Различия в чувствительности к силе нажатия у разных типов суппортов
1. Штангенциркуль обладает наибольшей чувствительностью к силе нажатия. Рама штангенциркуля опирается на пружинные пластины, которые создают определенное сопротивление трения и поддерживают стабильность положения. Оператору необходимо оценить величину измерительной силы посредством тактильных ощущений. Поскольку штангенциркуль не имеет механизма ограничения силы, сила нажатия, прикладываемая разными операторами или одним и тем же оператором при разных операциях, существенно различается, что приводит к снижению повторяемости результатов измерений. В сценариях контроля партий повторяемость измерений штангенциркулем обычно контролируется в диапазоне от плюс-минус двадцати до тридцати микрометров, что уже является обычным уровнем.
2. Цифровой штангенциркуль имеет структуру, которая в основном аналогична штангенциркулю, и метод направления рамы такой же. Поэтому его чувствительность к силе нажатия аналогична чувствительности штангенциркуля. Однако цифровой штангенциркуль имеет функцию вывода данных, которая позволяет ему судить о том, соответствует ли сила нажатия во время измерения, наблюдая за изменениями числовых значений. Оператор может слегка регулировать силу нажатия до и после считывания значения индикации, наблюдать за стабильным диапазоном числового значения и тем самым находить подходящий диапазон силы измерения. В некоторые высококлассные цифровые штангенциркули добавлена вспомогательная функция индикации измерения силы, которая может помочь оператору контролировать постоянство измерительной силы.
3. Высокоточный штангенциркуль с устройством точной настройки имеет определенные преимущества в контроле силы зажима. Устройство точной настройки приводит раму в медленное движение посредством гайки с накаткой и конструкции винтового стержня. Оператор может постепенно увеличивать силу зажима, поворачивая ручку точной настройки после контакта с заготовкой, уменьшая внезапные изменения давления, вызванные тремором рук или мгновенными ударами. Такие суппорты обычно сочетаются с большей силой запирания рамы, и опрокидывающее воздействие рамы на направляющую поверхность относительно невелико. Общая повторяемость измерений этого типа штангенциркуля лучше, чем у обычных штангенциркулей.
III. Определение и область применения стандартной измерительной силы
1. В области измерения длины стандартная измерительная сила обычно определяется как от 3 до 5 Ньютонов. Это значение силы было доказано многолетней практикой и позволяет обеспечить достаточный контакт измерительного инструмента и измеряемой поверхности без повреждения поверхности детали. В этом диапазоне измерительных усилий упругая деформация и глубина вдавливания стальных измерительных инструментов находятся в допустимых пределах. В международных стандартах и отечественных правилах метрологической поверки единых числовых требований к измерительному усилию штангенциркулей нет. Однако эксплуатационные характеристики обычно рекомендуют, чтобы измерительные губки просто соприкасались с измеряемой поверхностью и имели определенное ощущение трения.
2. При точных измерениях требуется более строгий контроль измерительной силы. При использовании штангенциркуля в метрологической лаборатории для измерения точных деталей рекомендуется использовать специальный штангенциркуль, оснащенный силоизмерительным устройством, или использовать силоизмерительный стол с регулируемой измерительной силой для облегчения работы. Стол для измерения силы контролирует силу контакта измерительных губок с помощью прецизионных пружин или электронных датчиков силы и может контролировать колебания измерительной силы в пределах ±0,5 Ньютонов, что значительно улучшает повторяемость измерений. Для заготовок с полем допуска в пределах нескольких микрометров такая точность контроля усилия является необходимым условием обеспечения достоверности измерений.
3. В реальных операциях на месте трудно точно контролировать значение измерительной силы. Тем не менее, благодаря обучению ощущению рук и накоплению опыта, измерительную силу можно сделать постоянной. Вообще говоря, эталоном измерительного усилия является сила, при которой измерительные губки слегка скользят по поверхности заготовки, не оставляя видимых вмятин. Начинающие операторы могут сначала несколько раз попрактиковаться на стандартных манометрах, чтобы почувствовать характеристики стандартной измерительной силы, а затем применить ее к реальным измерениям. Регулярная калибровка ощущения руки с помощью измерителя силы помогает поддерживать постоянство измеряемой силы.
