OBSAH
Učebnice seznamuje studenty s koncepcí metrologického systému v ČR, základními pojmy matematické statistiky, veličinami a jednotkami, měřením základních fyzikálních veličin, měřením délek a úhlů, hodnocením jakosti povrchu vyrobených součástí, zkouškami mechanických a technologických vlastností materiálů, komplexním měřením součástí, kontrolou výrobních strojů a metalografickými metodami zkoumání materiálů.
Autorský kolektiv: doc. Ing. Leoš Bumbálek, Ph.D. doc. Dr. Ing. Vladimír Pata doc. Ing. Jiří Pernikář, CSc. doc. Ing. Stanislav Věchet Ing. Karel Němec, Ph.D. Ing. Klára Hanzlíková, Ph.D.
Fotodokumentace: Ing. Bohuslav Doňar, CSc.
Lektorovali: doc. Ing. Rudolf Dvořák, CSc. Ing. Miloslava Fiřtová
© doc. Ing. Leoš Bumbálek, Ph.D., za kolektiv, 2009 ISBN 978-80-7333-072-9
PŘEDMLUVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1
ÚVOD DO KONTROLY A MĚŘENÍ (J. Pernikář) . . . . . . . . . . . .
11
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
Technická kontrola ve strojírenském podniku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Koncepce metrologického systému v České republice . . . . . . . . . . . . Základní pojmy v metrologii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Základní pojmy matematické statistiky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Veličiny a jednotky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Základy teorie chyb měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Podmínky správného měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 13 16 19 27 30 32
2
MĚŘENÍ ZÁKLADNÍCH FYZIKÁLNÍCH VELIČIN (J. Pernikář) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
Měření teploty a tepla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teplotní stupnice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rozdělení teploměrů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dotykové (dilatační) teploměry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Odporové teploměry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Termoelektrické teploměry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bezdotykové teploměry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Indikátory teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Měření tlaku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rozdělení tlakoměrů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapalinové tlakoměry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deformační tlakoměry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Snímače tlaku s elektrickým výstupem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Měření průtoku a rychlosti proudění kapalin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Měření síly, momentu síly, práce a výkonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Síla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Moment síly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Práce a výkon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35 35 38 38 43 44 46 48 49 51 52 53 53 54 57 57 59 60
2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3
5
2.4.4 Měření otáček . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.5 Měření vlhkosti, hustoty a viskozity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61 62
3
MĚŘENÍ DÉLEK A ÚHLŮ (V. Pata) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.3 3.4
Rozdělení měřidel délky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanická měřidla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrická měřidla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optická měřidla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Souřadnicové měřicí stroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kalibrace měřidel délky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontrola úhlů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66 67 83 85 88 92 96
4
HODNOCENÍ JAKOSTI POVRCHU (L. Bumbálek, V. Pata) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
MECHANICKÉ A TECHNOLOGICKÉ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ (S. Věchet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
115
5
5.1 Mechanické vlastnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Statická zkouška tahem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Tečení materiálů a mechanické zkoušky při zvýšených teplotách . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Měření tvrdosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4 Zkouška rázem v ohybu podle Charpyho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.5 Únavové zkoušky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Technologické vlastnosti a jejich zkoušení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Zkoušky slévárenských vlastností . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Zkoušky svařitelnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Zkoušky tvařitelnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Zkoušky obrobitelnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3
6
115 116 123 125 129 131 139 139 139 143 146
ZKOUŠKY BEZ PORUŠENÍ MATERIÁLU (K. Němec) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
148
Vizuální metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapilární metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Magnetické a elektromagnetické metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Magnetická metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metoda vířivých proudů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zkoušky ultrazvukem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Průchodová metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Odrazová (impulsová) metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rezonanční metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
149 149 150 150 151 152 153 153 154
6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3
Zkoušky prozařováním . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zkouška prozařováním rentgenovým zářením . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gamagrafie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Neutronografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
155 155 157 158
7
KOMPLEXNÍ MĚŘENÍ SOUČÁSTÍ (J. Pernikář) . . . . . . . . . . . .
159
7.1 7.2 7.3 7.4
Kontrola závitů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontrola ozubených kol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontrola vaček . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komplexní měření konkrétní součásti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
159 162 164 166
8
KONTROLA VÝROBNÍCH STROJŮ (V. Pata) . . . . . . . . . . . . . .
169
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.6.1 8.6.2 8.6.3 8.7
170 171 173 173 176 177 177 180 181
8.10
Geometrické zkoušky přímosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metody založené na měření délky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metody založené na měření úhlů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geometrické zkoušky rovinnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geometrické zkoušky kolmosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Otáčení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Obvodové házení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Periodický axiální pohyb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Čelní házení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zkoušky přesnosti a opakovatelnosti nastavení polohy v číslicově řízených osách . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geometrická přesnost strojů pracujících bez zatížení . . . . . . . . . . . . . Zkoušky kruhové interpolace u číslicově řízených obráběcích strojů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vibrace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
186 188
9
METALOGRAFIE (K. Hanzlíková) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
189
Metalografická mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Světelná mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Příprava metalografických výbrusů pro světelnou mikroskopii . . . . . Hodnocení metalografického výbrusu pomocí světelné mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.4 Barevná metalografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Fraktografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
189 189 193 199 200 205
LITERATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
206
8.8 8.9
9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3
181 185
7
Stanovení celkové největší chyby číselníkového úchylkoměru se provádí přístrojem pro kontrolu úchylkoměrů (obr. 50) při směru pohybu měřicího doteku (vzestupném nebo zpětném). Při této zkoušce se ukazovatel nastaví na čárku stupnice kalibrovaného číselníkového úchylkoměru (pro nastavení se doporučuje použít lupu). Odpovídající hodnota se čte na stupnici přístroje pro kontrolu číselníkových úchylkoměrů. Měří se po intervalech 0,1 nebo 0,5 mm. Největší chyba v libovolném úseku 1 mm se zjišťuje při nepřetržitém pohybu měřicího doteku, a to v intervalech 0,1 mm u setinových a 0,01 mm u tisícinových číselníkových úchylkoměrů. Dva úseky o rozsahu 0,1 mm se mohou kontrolovat v libovolném místě stupnice. Doporučuje se kontrolovat v místech, která při zjišťování celkové největší chyby vykazují největší úchylky, a to po úsecích 0,02 mm u setinových a 0,002 mm u tisícinových číselníkových úchylkoměrů. Za největší chybu v rozsahu 0,1 mm se považuje rozdíl mezi největší a nejmenší naměřenou úchylkou v úseku, který dává větší hodnotu úchylky. Stanovení chyby reverzibility se zjišťuje jako rozdíl dvou měření v určeném místě měřicího rozsahu při vzestupném a zpětném pohybu měřicího doteku. Doporučuje se měřit na počátku, ve středu a na konci měřicího rozsahu. Za chybu reverzibility se bere největší ze zjištěných rozdílů.
3.4
Obr. 51. Úhelník plochý
KONTROLA ÚHLŮ
V technické praxi je běžně používanou jednotkou jeden stupeň (1°), tj. třistašedesátý díl plného úhlu. Stupeň se dále dělí na 60 minut (60′) a jedna minuta na šedesát úhlových vteřin (60″). Vedle šedesátinných jednotek se také (např. v geodézii) používají stupně setinové. Jeden setinový stupeň 1g (grad) je čtyřstý díl plného úhlu.
Měřidla na měření úhlů Úhly lze měřit různými způsoby, a to buď metodou přímou (úhloměry, úhlovými měrkami apod.), nebo nepřímou, kdy jsou potřebné míry změřeny jiným způsobem a konečná hodnota úhlové míry je vypočtena. K měření kolmosti, zvláštního případu kontroly úhlů, se nejčastěji používají pevná měřidla – úhelníky, které se vyrábějí v několika provedeních, velikostech a stupních přesnosti. Jedná se zejména o úhelníky:
• plochý (obr. 51), • příložný, • nožový (obr. 52).
96
Obr. 52. Nožový úhelník
Dovolená úchylka kolmosti úhelníků se udává na určitou délku. K přesnému měření kolmosti a také ke kontrole úhelníků se používá kontrolní válec, který má mezi čelem a válcovou plochou úhel 90° (obr. 53). Další pomůckou pro hodnocení úhlů jsou úhlové měrky. Tyto měrky jsou realizovány ocelovými kalenými, přesně broušenými a lapovanými destičkami, které jsou dodávány v sadách (obr. 54). 97
Obr. 53. Kontrolní válec
Obr. 55. Úhloměr plochý
Obr. 56. Úhloměr univerzální
Obr. 54. Úhlové měrky
98
Nejčastěji používaným měřidlem v dílenské praxi je úhloměr. Pro nejhrubší stanovení velikosti úhlu – např. při orýsování – se používá úhloměr plochý, nejčastěji v rozsahu 0 až 180°, s rozlišitelností 1° (obr. 55). Přesnějším měřidlem je univerzální úhloměr, kterým je možné změřit libovolný úhel. Rozlišitelnost tohoto měřidla je obvykle 5′. Stupnice na pevném měři99
Dalším důležitým parametrem je kuželovitost (k) vyjadřovaná poměrem 1 : k. Kuželovitost je dána vztahem: 1:k= Obr. 57. Kuželový kalibr
cím kotouči je rozdělena na čtyři kvadranty po 90° a kotouč je pevně spojen s ramenem, jehož příložné plochy tvoří pravý úhel (obr. 56). Dalším měřidlem často používaným v praxi je úhloměr digitální. Kuželové kalibry jsou zvláštním druhem měr koncového typu a zhmotňují daný úhel v každém osovém řezu (obr. 57). Tyto kalibry slouží ke kontrole kuželových spojení součástí, u kterých je zabezpečována např. souosost. Určujícími parametry kuželů jsou:
• • • •
sin α =
Ve výrobní praxi je také používán úhel nastavení, který je dán tvořící přímkou kužele a osou rotace. Má poloviční velikost vrcholového úhlu (obr. 58).
(3.3)
H , L
(3.4)
D
d
⎛ z2 − z1 ⎞ , ⎟ ⎝ l ⎠
tg Δα = ⎜ kde α je Δα = α' – L – H – z1, z2 – l –
α 2 α
H , L
α = arc sin
tvořící přímka kužele
osa rotace
Obr. 58. Parametry kužele
100
(3.5)
měřený úhel (jmenovitá hodnota), α – α', měřený úhel (vyrobená hodnota), rozteč válečků (velikost sinusového pravítka), rozměr sestavy koncových měrek, čtení úchylkoměru, vzdálenost čtení úchylkoměru na horní ploše součásti.
Při měření se sinusové pravítko známé délky L pokládá jedním válečkem na příměrnou desku a pod druhý váleček se vloží sestava koncových měrek o hodnotě H, která se vypočte ze vztahu: H = L . sin α .
L
(3.2)
Kalibry pro kužele různých druhů (Morse, krátké, strmé apod.) jsou uvedeny v příslušných normách. Správná funkce kuželového spojení je zabezpečována předepisováním tolerancí vrcholového úhlu. V ISO platí pro kuželové součásti norma ISO 1947–1973 pro kuželovitosti 1 : 3 až 1 : 500 a pro délky L = 6 až 630 mm. Podle tohoto systému tolerancí se kužele rozdělují do dvanácti tříd přesností, označených jako AT 1 až AT 12. Sinusové pravítko (obr. 59) je přestavitelná úhlová míra, která ve spojení s koncovými měrkami umožňuje nastavení a měření úhlů v rozsahu 0° až 60° s rozlišitelností 5″. Měřený úhel se stanoví podle vztahů:
vrcholový úhel (α), velký průměr kužele (D), malý průměr kužele (d), délka kužele (L).
v
α D−d , = 2tg L 2
(3.6)
Správná hodnota měřeného úhlu se zjistí tak, že se provede čtení úchylkoměru na obou koncích horní plochy měřené součásti – z1, z2. Je-li z1 = z2, potom Δα = 0 a jmenovitý úhel je správně dodržen. 101
