ОАО «НИИизмерения»
средства контроля размеров и формы

Кайнер Г.Б.
КТН
ОАО «НИИизмерения»
Россия, г.Москва

Выбор и назначение методов и средств измерения деталей, изготовляемых по высоким и нанотехнологиям

Установлено, что максимальная идентификация этапов различных методов измерения деталей позволяет обеспечивать сходимость результатов контроля деталей

Ключевые слова: идентификация, интерференция, комплекс электрических параметров.

Многолетний опыт изготовления деталей по традиционным технологиям показал высокую эффективность применения РД 50-98-86 «Выбор универсальных средств измерений линейных размеров до 500 мм» и ГОСТ 8.051-81 «Погрешности, допускаемые при измерении линейных размеров до 500 мм».

В соответствии с указанными НТД выбор и назначение измерительного средства производится исходя из оптимального соотношения погрешности метода измерения и нормированного допуска на изготовление детали [1]. Соответствующие расчеты для высоко и нанотехнологий, ВТ и НТ, показали, что допускаемые погрешности измерения изготавливаемых деталей должны находиться на уровне допускаемых погрешностей аттестации плоскопараллельных концевых мер длины, КМД, на интерференционном компараторе ИК.

Однако ИК предназначен только для поверки и аттестации КМД, поэтому измерения и контроль изготавливаемых деталей необходимо производить на прецизионных приборах методом сравнения с КМД, аттестованными на ИК.

Отсутствие таких приборов с точностью метода измерения на уровне точности ИК потребовало создание новой концепции совершенствования единства измерений и выбора методов и средств измерений деталей, изготавливаемых по НТ и ВТ [2].

Наши исследования и эксперименты показали, что основой концепции должна быть максимальная идентификация методов измерения, критериев и параметров оценки точности всех этапов метода измерения. Полученные результаты позволили впервые идентифицировать бесконтактный и контактный методы измерений; поверку КМД и приборов; их настройку и измерение прецизионных деталей. При этой идентификации ИК остается образцовым измерительным средством передачи единицы длины образцовым КМД от исходного эталона.

Именно идентификация с ИК и методом измерения на нем потребовали глубокого всестороннего исследования всех этапов процесса измерения на ИК. Следует отметить, что аттестация на ИК образцовых КМД 01 и 0 классов точности, изготавливаемых на уровне НТ – это уникальное органическое сочетание НТ и НМ.

Перспективы развития НТ и НМ требуют оценки возможности повышения точности интерференционного метода измерения и ИК.

ИК ранее назывался «абсолютный интерференционный компаратор «Кестерс», по имени его автора Dr.W.Кesters, который опубликовал в 1926 г. подробное описание нового интерференционного метода измерения длины и компаратора в журнале [3];

Интерференционный компаратор изготавливался многие десятилетия только фирмой «К.Цейсс». Это позволило фирме аттестовывать изготавливаемые КМД с точностью на уровне НМ. Можно считать, что фирма «К.Цейсс» впервые соединила НТ изготовления своих КМД с НМ аттестации на компараторе «Кестерс».

Создание интерференционного метода измерения длины КМД на компараторе потребовало введения принципиально нового «разделения» длины меры на механическую и оптическую длины.

Механическая длина – кратчайшее расстояние между параллельными измерительными поверхностями КМД, оптическая длина – расстояние от верхней измерительной поверхности КМД до измерительной поверхности плоской образцовой стеклянной пластины, к которой притерта измеряемая мера, на компараторе измеряется оптическая длина меры.

Однако применение образцовых КМД на приборах требует воспроизведения ее механической длины, указанной в аттестате поверки на ИК, например, как срединная длина. В связи с этим при измерении КМД на ИК необходима идентификация механической и оптической длины контролируемой меры [4]. Такая идентификация должна быть обеспечена притиркой КМД к образцовой стеклянной пластине. Измерительные поверхности меры и пластины должны находиться в одной плоскости со свободной измерительной поверхностью этой пластины, относительно которой измеряется оптическая длина КМД.

Контролируемая притирка КМД к стеклянной пластине – это тонкий, сложный, многократный процесс плавного соединения поверхностей до их молекулярного, адгезионного сцепления при одновременном контроле взаимного положения поверхностей по интерференционной картине. Притирка производится до смены интерференционной картины «металлическим блеском», что свидетельствует о максимальном прилегании притертых поверхностей.

Было принято считать, что притирка с «металлическим блеском» обеспечивает совмещение притертых поверхностей с плоскостью свободной измерительной поверхностью пластины с максимальной точностью.

Однако проведенные исследования показали, что объективная оценка взаимного положения этих поверхностей должна производиться специальным измерением на ИК [5]; соответствующие результаты учитываются при расчете действительной оптической длины КМД, аттестацией на ИК. Такая оценка оптической длины позволяет идентифицировать с механической длиной и обеспечить на ИК передачу единицы длины на КМД. При поверке и калибровке выбранного измерительного прибора по образцовым КМД необходимо воспроизводить ее аттестованную длину с максимальной точностью, которая зависит и от идентичности с методом воспроизведения длины на ИК.

Известно: на всех прецизионных приборах метод воспроизведения длины образцовых КМД принципиально отличается от метода воспроизведения длины на ИК. Это приводит к скрытой погрешности поверки, калибровки и измерения деталей. Учитывая острую необходимость применения таких приборов для контроля деталей, изготовляемых по НТ, были проведены экспериментальные работы.

На столиках таких приборов, в первую очередь, вертикальных интерферометров, устанавливались доведенные высокоточные плоскопараллельные пластины из прозрачного лейкосапфира, имеющего очень высокую износостойкость. Практика показала, что притирка КМД к таким пластинам идентична притирке к стеклянным пластинам на ИК и это обеспечивает идентичность воспроизведения длины образцовых мер, тем самым, точную поверку и калибровку выбранных приборов.

На ИК были проведены специальные измерения КМД, притертых к пластинам из лейкосапфира; сопоставление полученных результатов их аттестации с результатами аттестации на стеклянных пластинах показало сходимость этих значений.

Экспериментальные измерения доведенных цилиндрических деталей, в том числе, плунжера, при их базировании на той же пластине из лейкосапфира, показали возможность получения интерференционной картины контакта детали с пластиной, что обеспечило объективную оценку базирования детали и высокую точность измерения методом сравнения с КМД.

Несмотря на трудоемкость таких измерений, применение пластины из лейкосапфира позволяет существенно повысить точность поверки, калибровки приборов и метода измерения прецизионных деталей. Практика показала практическую возможность применения такого метода, при крайней необходимости – на пластинах из кварцевого стекла.

Однако подавляющее большинство высокоточных деталей измеряются на приборах со стальными столиками и поэтому длительное время проводилась разработка и исследования методов идентификации воспроизведения длины КМД на ИК и на универсальных приборах, а так же идентификации с ними методов измерения прецизионных деталей, изготовленных по НТ и ВТ.

Для оценки перспективы развития НТ и НМ принципиальное значение имеет объективная оценка достижимой точности аттестации образцовых КМД на ИК, специальные исследования показали, что даже высший уровень притирки КМД к стеклянной пластине – «металлический блеск», не позволяет однозначно, на уровне НМ, оценивать положение КМД на пластине. Это обусловлено тем, что «металлический блеск» указывает на высший уровень притирки – сопряжение поверхностей с максимальным сближением и прилеганием; Такое сопряжение принято считать пределом точности соединения двух «деталей».

Однако специальные измерения показали, что и при достижении «металлического блеска» имеется определенная вариация положений притираемых КМД, обусловленная молекулярным (адгезионным) взаимодействием поверхностей КМД и пластины. По «металлическому блеску» нельзя оценить вариацию положений меры и, следовательно, соответствующую погрешность аттестации КМД на ИК. Повышение точности аттестации КМД на ИК требует объективной оценки параметров притирки КМД и при «металлическом блеске».

Исследования показали - только метод оценки комплекса контролируемых электричеcких параметров, R, L, C имеет разрешающую способность на уровне нанометров при контроле взаимного положения притертых поверхностей. Этот метод был использован при исследовании притирки КМД к специальной стеклянной пластине с полупрозрачным электропроводным покрытием и на доведенной пластине из специального электропроводного стекла [2].

Полученные результаты показали: при «металлическом блеске» электрические параметры, контролируемые по прецизионному мегомметру, позволяют оценивать уровень адгезионного сцепления притертых поверхностей и по электрическим параметрам идентифицировать точность притирки на более высоком уровне, чем по интерференционной картине и «металлическому блеску».

Применение специальных стеклянных пластин для поверки, калибровки и настройки приборов при измерении деталей, изготовленных по НТ, практически затруднено. Поэтому также проводились исследования притирки по электрическим параметрам на специальных стальных пластинах и на столиках универсальных приборов.

Известно, что на ИК проводится аттестация КМД, притертых к образцовой доведенной стальной пластине. Исследования на ИК проводились при последовательной аттестации одних и тех же образцовых КМД, притираемых к стеклянным и металлическим пластинам и столикам -при контроле параметров притирки и взаимного положения поверхностей всеми вышеупомянутыми методами и средствами.

Полученный большой массив результатов исследований позволил сделать новый принципиальный вывод: метод контроля параметров притирки по комплексу электрических параметров оптимально сочетается с методами контроля по интерференционной картине и «металлическому блеску», т.е. с методами измерения оптической длины КМД на ИК.

При аттестации на ИК КМД, притертых к металлической пластине и столику универсального прибора, контроль притирки по комплексу электрических параметров – способ контроля точности притирки на уровне НМ и НТ единственно возможный. Одни и те же образцовые КМД при точном базировании на стеклянной и металлической пластинах были аттестованы по 1 разряду.

При базировании КМД на различных пластинах впервые оценивались по электронному термографу «ИРТИС» температурные поля КМД и пластин. Записи этих полей на компьютере термографа показали, что температурное поле КМД, притертой к стальной пластине, более равномерное, чем аналогичное поле той же КМД, притертой к стеклянной пластине. Это объясняется практически одинаковой теплопроводностью КМД и металлической пластины (столика) по сравнению с различной теплопроводностью стальной меры и стеклянной пластины.

В связи с этим необходимо учитывать, что применение образцовых КМД на универсальных приборах со стальными столиками требует аттестации этих мер на ИК при независимом воспроизведении длины мер на стеклянной и стальной пластинах. Такие образцовые КМД должны иметь два соответствующих аттестата и это следует учитывать при выборе образцовых КМД для контроля деталей, изготовленных по НТ и ВТ.

В этих случаях калибровка и настройка прибора может производиться при контроле базирования КМД на стальном столике прибора по электрическим параметрам, что позволит идентифицировать метод контроля деталей на этом приборе. Поверка этого прибора может производиться при базировании КМД на образцовой стеклянной пластине, установленной на приборе, что позволит идентифицировать эту поверку с аттестацией ИК – на стеклянной пластине. Это решает основную проблему выбора и назначения приборов для НТ и НМ - сохранение идентичности метода воспроизведения длины образцовых КМД при их аттестации на ИК, при поверке, калибровке, настройке универсальных прецизионных приборов.

Следует указать, что только контролируемая притирка обеспечивает оптимально достижимую точность сборки блоков КМД. Известно, что подавляющее число измерений деталей на приборах производится сравнением с блоками КМД. Однако собранные блоки КМД, даже 1 разряда, не подлежат аттестации на ИК по объективным причинам, поэтому точность блоков мер должна быть гарантирована только контролируемой притиркой КМД.

Известно, что притирка деталей в некоторых соединениях обеспечивает важнейшие функциональные свойства, например, в прецизионных конусных соединениях – герметичность; на станках с ЧПУ: прочность и точность соединения оправки с инструментом в соответствующей конусной втулке.

Проведенные эксперименты позволили установить, что в комплексе электрических параметров каждый из них позволяет оценивать специфику процесса и соответствующих параметров притирки. Измерения мегомметром переходного сопротивления контакта Rпер притираемых поверхностей производились на частоте 120 Hz и 1 KHz с разрешающей способностью 1х10-3ом. Было установлено, что опытный оператор, притирая КМД, добивается оптимальной адгезии, т.е. сцепления, при нескольких попытках, последовательно оценивая по Rпер весь процесс от базирования меры под действием только ее массы до оптимального сцепления. При этом Rпер изменяется от нескольких КоМ, т.к. базирование под действием собственной массы – это минимальная площадь контакта; до Rпер 1 х 10-3–2 х 10 –3 ом практически максимальная площадь квазиметаллического контакта: несколько точек контакта по вершинам микронеровностей. Как правило, при таких параметрах Rпер достигается оптимальное адгезионном сцепление притираемых поверхностей.

Многочисленные эксперименты на тонких КМД (1,5 – 2 мм) и мерах 5 мм показали специфику притирки таких мер. Экспериментально установлены оптимально достижимые уровни точности притирки таких КМД и соответствующие значения Rпер.

Особо следует отметить предельные значения Rпер. процесса притирки:

Rпер. ~ 1 х 10-3 – 2 х 10 –3 ом – это высший уровень качества притирки КМД 0 класса, который обеспечивает идентичность воспроизведения длины образцовой КМД на стальной пластине; при таких значениях Rпер. производится аттестация КМД на ИК. При поверке по КМД приборов со стальными столиками следует обеспечить притирку КМД с Rпер. не более 3 х 10-3 ом, что позволит воспроизвести аттестованное на ИК значение КМД, благодаря чему будет обеспечено единство измерений на уровне НМ.

Известно, что при поверке, калибровке и настройке приборов, как правило, применяются блоки аттестованных КМД. Однако собранные блоки КМД, даже 1 и 2 разрядов, не подлежат аттестации на ИК и это создает принципиально трудную проблему аттестации длины собранного блока мер.

В первую очередь проверяется качество притирки КМД в блоке – по Rпер, значения которого не должно превышать вышеуказанных, чтобы обеспечить идентичность притирки этих мер при их аттестации. После этого необходимо проверить прочность адгезионного сцепления мер в блоке, но не сдвигая меры для оценки усилия сдвига; прочность проверяется измерением Rпер при базировании блока на его различные поверхности в т.ч. и на нерабочие.

Неизменность значений Rпер при таких переустановках блока означает надежную адгезию притертых мер, что должно обеспечить точное воспроизведение длины блока. Обязательная контрольная проверка – блок устанавливается на столик прибора и при арретировании измерительного стержня с наконечником показания Rпер по мегомметру не должны изменяться.

Для оператора весьма важно оценивать сам процесс притирки КМД по Rпер : постепенное уменьшение Rпер означает увеличение площади контакта поверхности, следовательно, их постепенное сближение до адгезионного взаимодействия. Однако, если это Rпер. 3 х 10-3 – 5 х 10–3 ом, притирка КМД не может быть признана оптимальной и снова повторяется.

В процессе притирки много общего с процессом окончательной доводки КМД и столиков приборов, поэтому разработанный метод контроля притирки по Rпер. был успешно применен для оценки процесса окончательной доводки, но при соответствующих Rпер., характерных только для процесса доводки и для доводочной среды. Применение критерия и параметров Rпер. для доводки и притирки – позволяют объективно оценивать высший уровень НТ – окончательную доводку и достижение адгезионного взаимодействия.

Широкий диапазон измерения и высокая разрешающая способность измерения емкости С по мегомметру – единицы рF, позволяет точно оценивать и изменение расстояния между притираемыми поверхностями и параметры среды между ними.

Результаты измерений параметров С показали сложность оценки процесса притирки, более сложный чем оценка по Rпер. Процесс притирки сопровождается изменением параметров промежуточной среды – тончайшие пленки на поверхности разрываются в процессе притирки и коагулируют в мельчайшие «шарики» [5]. Эти «шарики» выполняют роль подшипников и, деформируясь постепенно уменьшаются до определенных размеров, превращаясь в квазитвердые тела. Все изменения расстояния между притираемыми поверхностями, изменения формы, параметров, свойств и «поведения» мельчайших частиц между поверхностями и траектории их движения неоднозначно оцениваются по параметрам С. Сопоставление с параметрами Rпер. и специальная программа обработки значений С, определение диэлектрической постоянной позволяет по С оценивать притираемость поверхностей по основному показателю – max C, при - минимуме Rпер.

Контролируемые значения индуктивности L характеризуют электромагнитные свойства тонких слоев притираемых поверхностей. Процесс притирки обуславливает различные виды деформаций: от рук оператора, адгезионного взаимодействия и т.п., и соответствующие поверхностные и внутренние деформации мер, пластины, столика. Точные измерения необходимо производить только после стабилизации всей измерительной системы, в первую очередь, КМД.

Новые исследования показали, что параметр D, дисперсия электрических параметров, измеряемая мегомметром, может характеризовать релаксацию, при которой изменяется характер притирки, следовательно, изменяются соответствующие электрические параметры по мегомметру. Дисперсия этих параметров объективно оценивает процесс деформаций и релаксации. Постоянные или медленно изменяющиеся параметры D позволяют производить измерения КМД и деталей.

Таким образом, новый метод контроля процесса и параметров притирки поверхностей по комплексу электрических параметров впервые позволяет объективно оценивать динамику процесса деформации и релаксацию, благодаря чему обеспечить идентификацию притирки КМД на ИК и при измерении деталей на универсальных приборах сравнением с КМД. Именно это и позволяет сохранить точность аттестации образцовых КМД – первейшее условие метрологического обеспечения НТ при выборе приборов.

Была установлена эффективность контроля электрических параметров при оценке состояния всего измерительного прибора и любых его узлов – для контроля его стабильности.

Воспроизведение аттестованной длины КМД универсальных калибров при поверке и калибровке, производится контактными методами, которые принципиально отличаются от бесконтактного метода аттестации на ИК. В связи с этим, исследовалась проблема идентификации на уровне НМ бесконтактного интерференционного метода измерения на ИК с контактными методами измерения на универсальных прецизионных приборах. Только идентификации этих методов измерения позволяет решить проблему метрологического обеспечения и выбора соответствующих средств измерения для НТ.

Особая трудность проблемы идентификация обусловлена большим количеством разнообразных прецизионных приборов с широким диапазоном измерительных усилий, отсчетных устройств, типов, параметров и материалов их измерительных наконечников: это обуславливает соответствующий разброс контактных деформаций, которые не могут быть рассчитаны экспериментально, оценены и учтены на уровне НМ.

Экспериментальные исследования показали, что в качестве единого критерия момента контакта измерительных поверхностей наконечника прибора и образцовой меры должен быть скачок контактной разности потенциалов, КРП, [6]. Известно, что скачок КРП происходит при межатомном расстоянии между поверхностями, следовательно, без контактных деформаций. Созданная комплексная измерительная система позволила регистрировать скачок КРП на приборе с дискретностью 0,005-0,01 мкм при нулевом измерительном усилии.

Испытания этой измерительной системы на ИК, при аттестации длины образцовых образцовых КМД интерференционным методом и по скачку КРП показали работоспособность и высокую точность новой измерительной системы. Точность оценки скачка КРП при измерении КМД – на уровне 0,005- 0,01 мкм, при этом одновременно измерялась на ИК длина меры по скачку КРП и независимо – по интерфренционным полосам. Сходимость полученных результатов показали высокую стабильность и разрешающую способность критерия оценки скачка КРП – это позволило идентифицировать метод оценки скачка КРП и интерференционный метод

Специальные исследования скачка КРП с дискретностью подачи 0,005 мкм позволили установить, что в момент “начала” скачка КРП Rпер. между измерительными поверхностями КМД и наконечника имеет максимальное значение порядка 1012– 1014 ом; При минимальном сближении этих поверхностей,  0,005 мкм, резко уменьшается Rпер. и этот перепад Rпер. характеризует переход от бесконтактного к контактному методу измерения.

Измерения показали, что при Rпер. 1 х 106 ом, контактные деформации <0,01 мкм; можно считать, что критерий скачка КРП – критерий бесконтактного метода измерения; переход к Rпер. 1 х 106 ом – это, условно, переход к контактному методу измерения; соответствующие параметры Rпер. позволяют идентифицировать бесконтактный и контактный методы измерения на универсальных приборах. Таким образом, единство измерений бесконтактным и контактным методами обеспечивается идентификация скачка КРП с интерференционным методом измерения КМД на ИК и идентификацией скачка КРП по параметрам Rпер. с контактным методом измерения тех же образцовых КМД, аттестованных на ИК. Применение Rпер. в качестве критерия для оценки контактного и бесконтактного методов измерений, по соответствующим параметрам Rпер., решает проблему выбора универсальных прецизионных приборов для НТ.

В первую очередь были проведены экспериментальные измерения на вертикальном интерферометре ИВ, самом точном и широко применяемом приборе, при установке механизма тонкой подачи с дискретностью 0,01 мкм; измерения Rпер. производились прецизионным мегомметром. Этот же мегомметр контролирует притирку КМД к столику ИВ при его поверке, калибровке и настройке.

После контролируемой притирки образцовой КМД и соответствующей выдержки, механизмом тонкой подачи подводят измерительный наконечник ИВ к КМД до нормированного Rпер., как правило, несколько Мом и по трубке интерферометра отсчитывают соответствующие показания – т.е. воспроизводят аттестованное значение длины КМД при одном общем критерии контакта Rпер. Контролируемая по Rпер. притирка КМД к столику ИВ (и другого аналога) позволяет повысить точность поверки, калибровки и настройки прибора; это необходимо учитывать при выборе и назначении приборов для контроля деталей.

Имеется несколько специальных экспериментальных образцов ИВ с двумя измерительными интерференционными системами и двумя подвижными измерительными стержнями с наконечниками: одна система в кронштейне ИВ, вторая – в столике. На этих приборах КМД базируется без притирки к столику прибора, точность базирования контролируется по обеим измерительным системам.

Такое базирование КМД не идентично базированию меры при аттестации на ИК, но идентично базированию контролируемой детали на ИВ. Проведенный анализ позволяет оценить оба метода измерений на приборах при воспроизведении длины КМД и при измерении детали.

Контролируемая притирка КМД на ИК и ИВ позволяет идентифицировать притирку. Известно, что контролируемая притирка производится в несколько приемов и это обуславливает существенные деформации мер и всего прибора, которые объективно регистрируются компьютерным термографом «ИРТИС» и прецизионным мегомметром по комплексу электрических параметров, в первую очередь по Rпер. Процесс релаксации и стабилизации длится долго и воспроизведение аттестованной длины притертой КМД – только после полной стабилизации, в том числе и всей интерференционной измерительной системы. После этого мера снимается со столика и на ее место базируется деталь, но без ее притирки к столику, т.е. не идентично базированию КМД. После выдержки и измерения детали обязательно вновь притирается та же мера – для оценки смещения исходной настройки прибора по КМД. Оценка этого смещения настройки производится только после соответствующей длительной выдержки и стабилизации показаний.

Базирование КМД на ИВ без притирки, но при контроле по двум интерференционным системам ИВ, производится с минимальными деформациями, которые также контролируются вышеуказанными приборами. При измерении детали ее базирование идентично базированию КМД и это принципиально важно для НТ и НМ.

Были проведены специальные длительные сравнительные испытания двух моделей ИВ и соответствующих методов измерений прецизионных деталей, изготовленных по НТ. Полученные результаты показали преимущества ИВ с двумя интерференционными измерительными системами. По аналогии с таким ИВ были изготовлены специальные экспериментальные приборы с двумя индуктивными измерительными системами с ц.д. 0,01 и 0,1 мкм. Соответствующие испытания полностью подтвердили преимущество прибора и метода измерения с двумя измерительными системами.

Следует отметить, что на таких приборах могут производиться измерения и с одной измерительной системой, как на традиционных ИВ.

Таким образом, при выборе и назначении приборов для контроля деталей, изготовляемых по НТ и ВТ, необходимо учитывать опыт применения прецизионных приборов: стандартного и модернизированного ИВ, специального ИВ с 2 интерференционными системами; специального прибора с 2 индуктивными измерительными системами.

Как правило, при измерении деталей на всех приборах с вертикальной линией измерения, при базировании и поиске экстремальных значений и отсчете показаний, деталь – в руках оператора. При этом температурные деформации – доминирующие, и соответствующие погрешности предопределяют точность метода измерения прецизионных деталей.

Применение специальных приспособлений на таких приборах позволяет, после предварительной установки детали, все дальнейшие перемещения детали производятся без контакта с руками оператора. На таких устройствах базируются специальные аттестованные меры – аналоги контролируемых деталей и измерение деталей производится методами сравнения с этими мерами.

Имеющийся опыт доказывает, что применение таких мер радикально повышает точность метода измерения на приборах. Применение мер – аналогов деталей - перспективное направление метрологического обеспе-чения НТ. Поэтому при выборе приборов необходимо изготавливать и аттестовывать конкретные меры – аналоги контролируемым деталям.

Приборы с горизонтальной осью измерения, типа горизонтальные интерферометр, оптиметр: длиномеры и измерительные машины имеют широкое применение. На этих приборах производятся измерения наружных и внутренних параметров деталей и в этом их принципиальное отличие от приборов с вертикальной осью. В ряде случаев одна деталь соединения, например, плунжер, измеряется на ИВ, втулка – на горизонтальном интерферометре. Известно, что в плунжерной паре должна быть обеспечена плавность хода плунжера и соответствующая герметичность при высоком давлении. Детали плунжерной пары должны быть измерены с нормированным зазором на уровне точности НМ.

Специально проведенные экспериментальные измерения показали, что при изготовлении и сборке соединений деталей, изготавливаемых по НТ, эти сопрягаемые детали должны измеряться на одном приборе. Разные методы измерений и разные приборы не позволяют получить соединения деталей на уровне НТ, с заданной точностью и функциональными свойствами. Проведенные исследования методов измерения на приборах с горизонтальной осью измерения позволили оценить достижимые точности измерения прецизионных деталей и дать рекомендации по выбору соответствующих приборов.

Следует отметить принципиальные отличия этих приборов: весь процесс измерения производится с помощью механизмов прибора, без контакта рук оператора с мерой и деталью; базирование производится на столике прибора по нерабочей грани меры, с креплением специальной струбциной; воспроизведение аттестованной длины меры – по экстремальным значениям отсчетного устройства прибора; тонкие КМД от 0,5 до 3 мм устанавливаются не на столике прибора, а навесу между измерительными наконечниками.

Проведенные измерения показали, что на приборах с горизонтальной осью измерений объективно нарушается идентичность методов измерения наружных и внутренних параметров деталей, а также деталей до 3-5 мм.

Блок КМД для измерений внутренних параметров отличается специальными боковиками, которые притираются к КМД и весь блок крепится в специальной струбцине, которая устанавливается на столике прибора. Притирка боковиков, стягивание блока в струбцине и крепление самой струбцины полностью нарушает притирку мер внутри собранного блока и притирку боковиков, расстояние между которыми должно соответствовать блоку КМД. Все измерения различными методами, в т.ч. по Rпер, доказали, что притирка боковиков к блоку и сжатие всего блока в струбцине всегда нарушает притирку КМД и это приводит к большой скрытой погрешности собранного блока.

Существенное уменьшение такой погрешности достигается подбором параметров боковиков; притирка с блоком КМД таких аттестованных боковиков позволяет получить между их внешними измерительными поверхностями длину, равную, по номиналу, одной мере, по которой аттестуется эта длина блока, и затем определяется фактическая длина между внутренними поверхностями притертых боковиков; позволяет исключить скрытую погрешность блока мер, с боковиками, собранного в струбцине.

В производственных условиях это практически единственный вариант исключения скрытой погрешности настройки прибора по блоку – при измерении внутренних параметров деталей на универсальных приборах с горизонтальной осью измерений. Следует отметить, что поверка приборов типа горизонтальный интерферометр производится для измерения наружных параметров деталей. Для этих приборов принципиально важна оценка точности метода измерения внутренних параметров с применением специальных серьг: сложная конструкция, большое измерительное усилие и деформации, неравномерное температурное поле усложняют точную оценку погрешности.

Указанные факторы не позволяют идентифицировать метод измерения внутренних параметров прецизионных деталей с методом измерения наружных параметров деталей того же номинала. Это исключает получение прецизионных соединений с заданными функциональными свойствами. Специальные эксперименты доказывают: только идентичные методы измерения наружных и внутренних параметров деталей могут обеспечить точность деталей и соединений на уровне НТ и НМ.

Разработанный новый метод оценки контакта измерительных поверхностей по скачку КРП и комплексу электрических параметров позволил создать принципиально новый метод и прибор для измерения внутренних и наружных параметров деталей, обеспечивающие идентичность их контроля [5].

Принципиальные преимущества: гарантированная идентичность контакта измерительных наконечников без кконтактных деформаций; измерение внутренних и наружных параметров деталей от одной КМД, исключение переустановки КМД до и после измерения детали, которая устанавливается вместе с КМД на столике прибора, что гарантирует получение общего температурного поля КМД, детали и измерительных наконечников.

Многолетняя работа этих приборов в различных отраслях подтвердила их высокую точность и, в первую очередь, была решена проблема аттестации образцовых колец. Для всех видов измерений поверка и калиброка этих приборов производится по одним и тем же образцовым КМД. Настройка приборов на заданные параметры деталей производится аналогичным методом, что поверка и калибровка – по соответствующим мерам.

Идентичность измерений деталей на этих приборах позволяет получить их соединения с заданными параметрами их сопряжений и функциональных свойств. В первую очередь была решена проблема метрологического обеспечения переходных посадок, при номинальном “нулевом” зазоре таких посадок. Было установлено, что для посадок деталей такой зазор не может быть воспроизведен из-за специфики сопряжений цлиндрических деталей с одинаковыми наружными и внутренними диаметрами.

С максимальной точностью “нулевой” зазор воспроизводится только при адгезионном сцеплении измерительных поверхностей притертых КМД, при их аттестации на ИК.

Изготовление по НТ и ВТ соединений с програмируемыми функциональными свойствами потребовало создание новых критериев, параметров и методов объективного контроля различных свойств соединений при их сборке, работе, для оценки надежности и диагностики.

Одно из самых регламентируемых функциональных свойств соединений – плавность движения детали соединения: под действвием собственной массы; для многих соединний характер такого движения детали - критерий качества. Измерения деталей плунжерной пары высокого давления на упомянутом приборе с электронным индикатором контакта позволили собрать для исследования критерия “плавность” движения несколько плунжерных пар с параметрическим рядом зазоров.

Оценка плавности движения под действием собственной массы производилась следующим образом: плунжер вводился в плунжерную втулку до начала его плавного движения во втулке вниз, до частичного выхода из втулки, затем втулка переворачивалась и плунжер двигался по втулке в обратном направлении. Аналогичные измерения производились при движении втулки по плунжеру.

Все перемещения обеих деталей плунжерной пары контролировались мегомметром по комплексу параметров R, L, C, D, Hz и дополнительно по автоколлиматору, настроенному на доведенные торцы обеих деталей.

Необходимо иметь в виду, что при движении детали непрерывно изменяется взаимное положение сопрягаемых поверхностей, что фиксируется по автоколлиматору с ц.д. 1 и электрическим параметрам – по мегомметру. Смазка и ее свойства оказывает решающую роль на характер движения; тщательное удаление смазки промывкой приводит к скачкообразному ухудшению плавности движения.

Аналогичные результаты были получены при исследовании характера вращения детали в соединениях с малыми зазорами.

Принципиально новые результаты были получены при исследовании зависимости свойств конусных соединений от зазоров и адгезионного взаимодействия.

Большой массив полученных данных позволяет сделать вывод, что функциональные свойства соединений зависят не только от зазоров, но и других факторов. Выбор соответствующих приборов позволяет гарантировать точные измерения параметров сопрягаемых диаметров соединений, что делает возможным достоверную оценку влияния зазоров и других факторов на функциональные свойства и работу ответственных соединений деталей; это позволяет повысить эффективность НТ, ВТ и НМ.

Специально проведенные исследования показали, что для деталей, изготовленных по НТ, на функциональные свойства прецизионных соединений деталей существенное влияние оказывают параметры микронеровностей и текстуры поверхностей.

Однако, как правило, эти параметры не нормируются и не контролируются, ограничиваясь нормированием и контролем параметров шероховатости Ra и Rz.

Сопоставление профилограмм и параметров микронеровностей и текстуры поверхностей на зондовых микроскопах с записями профилограмм и параметрами шероховатости поверхности на профилогографах показывает существенную разницу оценок качества одной и той же поверхности.

Необходимо учитывать, что контроль параметров шероховатости на профилографах-профилометрах производится на базовых длинах, с соответствующими фильтрами, что объективно исключает соответствующую информацию о качестве поверхности.

На практике целнсообразно на приборах для контроля шероховатости оценку качества поверхности производить по профилограммам, по всей длине трассирования; в ряде случаев возможно отключение фильтров. Это позволит использовать имеющиеся приборы и получить более полную информацию о качестве поверхности и точнее оценивать влияние соответствующих параметров качества поверхноссти на функциональные свойства деталей и соединений.

Оценка влияния температурных деформаций на функциональные свойства и работу соединений детали представляет максимальную трудность: из-за сложного температурного поля соединения и отсутствия точных значений температурных коэффициентов линейного и объемного расширения, ТКЛР и ТЛОР, деталей соединения [7].

Температурное поле соединения необходимо контролировать по компьютерному термографу “ИРТИС”, т.к. только по нему можно точно оценить динамику этого поля и определить период его стабилизации.

Многолетний опыт измерений на высокоточных приборах доказывает - только точные экспериментальные измерения температурных деформаций с одновременным контролем температуурного поля по термографу позволяют рассчитать ТКЛР и ТКОР для конкретных деталей и оценить температурные деформации соединения деталей. Одновременное сопоставление с функциональными свойствами соединения и с соответствующими зазорами позволяет комплексно оценивать работу соединения в реальных условиях.

Одно из важнейших функциональных свойств деталей – их износостойкость; для ответственных деталей и соединений оценка начальной стадии износа необходима для диагностики работоспособности и надежности соединений. Специально разработанная методика позволяет, без разборки соединения, оценить начало и динамику процесса износа поверхностей деталей – по комплексу электрических параметров, измеряемых по мегомметру.

Полученные результаты показали, что в большинстве случаев нормируется и контролируется только макротвердость деталей. Однако параметры макротвердости не позволяют объективно оценивать микротвердость тонких слоев поверхности детали. Исследования показали, что для метрологического обеспечения НТ необходимо нормировать и контролировать микротвердость на долемикронной глубине поверхности.

Последовательное измерения микротвердости в тонком слое поверхности, на различной глубине позволяют оценить режимы финишных операций НТ. Современные бесконтактные методы контроля микротвердости поверхности позволяют оценить остаточные поверхностные напряжения [8] деталей.

Представленные материалы показывают: максимум идентификации методов и средств измерений деталей и соединений должен быть основным критерием при их выборе и назначении для метрологического обеспечения НТ и ВТ.

Литература:

1. Марков Н.Н., Кайнер Г.Б., Соцердотов П.А. – Погрешность и выбор средств при линейных измерениях. . М.Машиностроение. 1967 г.

2. Кайнер Г.Б. Совершенствование единства измерений. Журнал «Измерительная техника» 2007 г.

3. Dr.W.Kesters Ein neuer lnterferenz-Komparator f.unmittelbaren Weellenlagen fnsehluss, Ztschr, f.Feinmechanik u. Prazision 34j., H.7, 1926

4. Захарьевский А.Н. Интерферометры. – М.Оборонгиз, 1952г.

5. Кайнер Г.Б. - Измерение линейных размеров высокоточных деталей. М.Машиностроение. 1975г

6. Физический энциклопедический словарь. – «М.Советская энциклопедия» 1984 г.

7. Марков Н.Н., Соцердотов П.А. – Погрешности от температурных деформаций при линейных измерениях. М.Машиностроение. 1976 г.

8. Гоголинский К.В., Решетов В.Н. применение сканирующих зондовых микроскопов для анализа с субмикронным и нанометровым разрешением структуры и распределения механических свойств материалов. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1998г. т.64, 36, стр.30-43.