Прибор-профилограф для измерения неровностей листовых вязкоупругих материалов

В условиях постоянно нарастающего дефицита натурального сырья, ухудшение экологической ситуации и необходимости разумного природопользования, все большее значение в различных областях хозяйства приобретает использование всевозможных полимерных материалов. В этом отношении трудно недооценить роль искусственных и синтетических кож. Все более широко применяемых в самых различных отраслях промышленности и в быту и призванных как восполнить дефицит натуральной кожи, так и открыть новые возможности их использования из-за уникального и весьма разнообразного комплекса свойств.

Создание высококачественных искусственных материалов для обуви, одежды и хозяйственных нужд остается актуальной и привлекает внимание ученых и исследователей на сегодняшний день. Кроме требований к физико-механическим, деформационно-прочностным и износостойким свойствам искусственных материалов, потребители придают большое значение внешнему виду готовой продукции. От поставщиков и производителей все чаще требуют изготовления искусственных кож со структурой, в максимальной степени приближенной к структуре натуральной кожи. Чем регулярнее и равномернее распределены неровности на поверхности полимерного покрытия, тем в большей степени изделие приближается по внешнему восприятию к натуральному материалу.

До недавнего времени качество полимерных материалов оценивали в основном чисто визуальным способом. Это противоречит требованиям производителей к системе контроля качества, согласно которой показатели качества должны оцениваться и контролироваться на различных стадиях технологического процесса с учетом удовлетворения желаний потребителей. В соответствии с этим возникла потребность в разработке гибкой измерительной системы для трехмерного контроля поверхности искусственных материалов.

Производство искусственных и синтетических кож – сложный многоста­дийный процесс, включающий операции подготовки основы, смешение компонентов рецепта, формирование покрытий и отделочные операции. В про­цессе производства искусственной кожи поверхность материала претерпевает ряд изменений, связанных с нанесением адгезионных слоёв, лицевого слоя, а также при отделке. При формировании лицевого покрытия на поверхности могут обра­зовываться микротрещины с включениями, замины, шероховатость поверхности, волнистость и другие виды дефектов, кроме того, наблюдается разнотолщинность материала. Особенно сильно изменяется рельеф поверхности материалов после операции тиснения. На искусственных кожах на нетканых основах возможно по­явление дефекта вылегания структуры, который проявляется при деформировании материалов. Данный дефект снижает физико-механические свойства и портит внешний вид изделий.

Именно характеристики по­верхности определяют важнейшие эксплуатационные свойства: биосовместимость, адгезионные, фрикционные, тех­нологические, эстетические, органолептические и пр. Постоянное повышение требований к этим свойствам обусловливает необходимость изучения их много­образных функциональных связей с параметрами шероховатости.

Существуют несколько методов, а также комплексы методов исследования поверхности искусственных материалов. Комплекс методов и средств неразрушающего контроля материалов и изделий с целью исследования поверхностных показателей, обнаружения дефектов и пороков включает: разработку методов и аппаратуру (дефектоскопы, микроскопы, трехмерные оптические системы высокого разрешения, профилометры и др.); составление методик контроля; обработку показаний приборов (снимки, рентгены, профилограммы).

Вследствие несовершенства технологии изготовления или в результате эксплуатации в тяжёлых условиях в изделиях появляются различные дефекты – нарушения сплошности или однородности материала, отклонения от заданного химического состава или структуры, а также от заданных размеров. Дефекты изменяют физические свойства материала.

Неровность поверхности является одной из основных геометрических характеристик качества поверхностного слоя материала. Для измерения неровности используются приборы в основном двух видов: бесконтактные, например, оптические и контактные – щуповые. Промышленное применение приобрел щуповой метод. Профилографические методы исследования необходимы при изучении поверхностей материалов, поверхностных слоев и их структуры. Они основаны на измерении неровностей поверхностей и предоставлении результатов в виде кривой линии (профилограммы), характеризующей волнистость и шероховатость поверхности. Обработку профилограммы осуществляют графоаналитическим способом.

Суть устройства приборов-профилографов контактного действия заключается в том, что по контролируемой поверхности перемещается игла с радиусом закругления 2-10 мкм, значительно меньшим, чем радиус закругления вершин микронеровностей колебания иглы в вертикальном направлении преобразовывается в электрические сигналы и регистрируется отсчетным устройством [1].

Как правило, профилографическим исследованиям подвергаются поверхности деталей машин, изделия из металлов, пластмасс и пр. Особенностью искусственных кож является их малый модуль по отношению к металлам, поэтому определение поверхностных свойств на стандартных приборах является проблематичным. Современные профилографы имеют большие усилия датчиков на исследуемый материал, что не приемлемо по отношению к низкомодульным искусственным материалам, а так же отсутствие возможности вести измерения в деформированном состоянии.[2]

На кафедре технологии полимерных пленочных материалов и искусствен­ной кожи МГУДТ модернизирован прибор для измерения неровностей листовых вязкоупругих материалов. Конструктивными особенностями прибора является его базирующий элемент в виде шара диаметром 100 мм для измерения неровностей поверхности материалов в свободном и деформированном состояниях. Скорость трассирования 314 мм/мин [3].

На рис. 1 представлено устройство, общий вид.

Рис. 1. Устройство для измерения неровностей листовых вязкоупругих материалов
в свободном и деформированном состоянии

Устройство состоит из базирующего элемента (1, 2), который в свою очередь состоит из верхней части 1 со сферической поверхностью и нижней части 2, установленной на валу 3, и прикрепленным к ней поворотным столиком 4 с лимбом угла поворота, узла прижима, содержащего направляющие 5 и кольцевой зажим 6 для крепления образца материала 16 с помощью болтов 13 и гаек 14. Вал 3, находящийся на опорных стойках 15, связан посредством редуктора 7 с электро­двигателем 8. На основании прибора 9 закре­плена стойка 10 с подвижным кронштейном 11 и датчиком перемеще­ния 12, которые представляют собой отсчетный узел.

Устройство дает возможность вести измерения профилей поверхностей анизотропных листовых материалов под любым углом в диапазоне от 0 до 180^о без замены образца. Результат достигается тем, что базирующий элемент, состоит из двух частей: нижней части, находящейся на валу, и прикрепленным к ней поворотным столиком с лимбом угла поворота, и верхней части со сферической поверхностью, которая совместно с узлом прижима исследуемого материала и поворотным столиком, представляет собой единую конструкцию, выполненную с возможностью поворота в плоскости перпендикулярной оси базирующего элемента [3].

Первостепенной задачей при изготовлении профилографов для оценки ха­рактеристик поверхности низкомодульных материалов явля­лось создание контактного датчика. Выбор пал на щу­повой тензометрический контактный консольный датчик. Чувствительный элемент датчика, изготовлен­ный из дюралюминия марки Д16, представлен на рис 2. Материал датчика выбран с учётом низкого модуля, поэтому можно его использовать для регистра­ции быстро протекающих процессов. Основание чувствительного элемента 1, консольно крепящееся к кронштейну, переходит в чувст­вительную балочку 2, на которую наклеены тензорезисторы 3. Балочка переходит в жесткий рычаг 4, который предназна­чен для снижения давления съемного щупа датчика 5 на образец. При сборке датчика применяли тензорезисторы марки КФ-5 [4].

Рис. 2. Контактный датчик для профильных исследований

Электрическая блок-схема измерения и автоматической записи неровности поверхности исследуемого материала представлена на рис. 3.

Рис. 3. Электрическая блок-схема регистрации неровностей поверхности материалов:

1 – источник постоянного стабилизированного напряжения; 2 – тензометрический консольный датчик; 3 – АЦП; 4 – компьютер; 5 – принтер; 6 – КСП-4

Чувствительность датчика можно варьировать в широком диапазоне, изменяя стабилизированные постоянные напряжения на выходе датчика. Источник стабилизированного постоянного напряжения дает возможность изменять питающее напряжение от 3 до 15 В, при этом меняется как чувствительность датчика, так и кратность увеличения [5].

Важнейшим параметром пригодности датчика для профильного метода исследований являются показатели давления щупа датчика, оказываемого на поверхность исследуемого материала, и градиент усилия при механических колебаниях. Максимальное измерительное усилие при среднем уровне щупа определено в международном стандарте ИСО I880. Для радиуса щупа датчика 10 мкм максимальное измерительное усилие при среднем уровне щупа не должно превышать 0,004 Н, а максимальная постоянная измерительного усилия не должна превышать 200 Н/м.

На рис. 4 отображен вид снятых профилограмм поверхности искусственной кожи СК-8 в свободном и деформированном состоянии.

Рис. 4. Профилограммы поверхности искусственной кожи СК-8:

а – в свободном состоянии; б – в деформированном состоянии

Таким образом, созданное устройство позволяет определить неровности поверхности низкомодульных искусственных материалов в свободном и деформированном состоянии под любым углом в диапазоне от 0 до 180^о, дает возможность изучить скрытые дефекты анизотропных искусственных материалов, зависящие от направления и проявляющиеся в деформированном состоянии, а так же определить их взаимосвязь с технологическими параметрами получения искусственных материалов, что в конечном итоге отразится на повышении качества выпускаемой продукции.

Данная работа поможет в обнаружении и устранении дефектов, связанных с неровностью поверхности и оценить профиль поверхности материалов с точки зрения ее микрогеометрии на предприятиях лёгкой промышленности в производстве продукции из искусственных и синтетических материалов [6].

Литература:

1. Суслов А.Г., Корсакова И.М. Назначение, обозначение и контроль параметров шероховатости поверхностей деталей машин [Текст]. – М.: МГИУ, 2010.

2. ГОСТ 19300 – 86. Профилографы-профилометры контактные [Текст]. – М.: Изд-во стандартов, 1986.

3. Тугучева С. А., Копылов А. И., Андрианова Г. П., Кечекьян А.С. Устройство для измерения неровностей листовых вязкоупругих материалов в свободном и деформированном состоянии. – Ч.: Молодой ученый, № 9(32), 2011, С. 59-61.

4. Тугучева С. А., Копылов А. И., Андрианова Г. П., Кечекьян А.С. Консольный датчик для профильных исследований низкомодульных материалов. – М.: Дизайн и технологии (МГУДТ), № 25, 2011, С. 68-72.

5. Заболотная Ю. А. Современные датчики [Текст]: спр. – М.: Техносфера, 2005.5.

6. Копылов А. И., Тугучева С. А., Андрианова Г. П., Кечекьян А.С. Заявка на патент 2011120381 Российская Федерация, МПК В 5/28 G 01 Устройство для измерения неровностей листовых вязкоупругих материалов [Текст]/ заявл. 23.05.2011.