Роль концевых мер длины в современных технических измерениях

М. И. Этингоф

ОАО «НИИизмерения», Москва, Россия, email: etingof@glasnet.ru

Рассмотрены изменения в сферах назначения и применения плоскопараллельных концевых мер длины при измерениях в машиностроении. Эти изменения вызваны появлением широкодиапазонных точных средств абсолютных измерений. Относительные измерения и использование мер сократились.

Плоскопараллельные концевые меры длины (КМД) применяют при хранении и воспроизведении единицы длины, поверке и калибровке мер и измерительных приборов, установке приборов на ноль в относительных измерениях, непосредственных измерениях размеров изделий и особо точных разметочных работах и наладке станков как на производстве, так и в лабораториях. Их используют для передачи значений размера от международного эталона длины (метра) до изделия, т. е. в качестве эталонного средства для настройки на номинальный размер контрольных приборов с малым диапазоном измерений при относительных измерениях, а также металлорежущих станков с ЧПУ, контрольных приспособлений и т. д.

В последние годы с появлением электронных широкодиапазонных приборов, длинномеров, высотомеров и координатно-измерительных машин (КИМ) применение, назначение и роль КМД существенно изменились.

Плоскопараллельные КМД – меры длины с постоянным значением размера между двумя взаимно параллельными измерительными плоскостями – выпускают в соответствии с национальным и международным стандартами [1, 2].

Впервые КМД в виде стальных прямоугольных параллелепипедов (плиток) были изготовлены фирмой «Иогансон» (Швеция) и представлены на Всемирной выставке в Париже в 1900 г. Поэтому в просторечии КМД долгое время называли плитками Иогансона, а со временем – просто плитками.

Эти меры выпускают несколько ведущих зарубежных фирм – Tesa (Швейцария), Mahr (Германия), MITUTOYO (Япония) и др., а в России – завод «Красный инструментальщик» (Киров).

Интересно отметить, что КМД – самое долгоживущее средство измерений (СИ) (эталон). Их применяют более 100 лет без каких-либо существенных изменений конструкции. За это время сменилось несколько поколений этих мер, появилось много новых совершенных и точных электронных приборов и СИ, построенных с применением высоких технологий, но КМД сохранились и используются в практически неизменном виде. Однако современные меры стали более совершенными и точными благодаря применению новых материалов изготовления и более точным методам поверки и калибровки. Дополнительно к стальным начали производить меры из твердого сплава и керамики, что существенно повысило их качество, сохранность размера и износостойкость.

Такое длительное применение КМД объясняется, в том числе тем, что они являются материальным носителем размера. В отличие, например, от самых точных современных электронных и оптических СИ, которые требуют периодической и сложной калибровки, размер КМД очень мало меняется со временем и его легко проверить даже с помощью точных универсальных СИ. Это главное преимущество КМД и поэтому они пользуются доверием потребителей. Плоскопараллельные меры надежно обеспечивают единство измерений в машиностроении и никакой альтернативы им пока нет.

Очень полезное практическое свойство КМД – притираемость, т. е. способность прочно сцепляться между собой измерительными поверхностями, образуя блок, а также с плоской стальной или стеклянной пластиной [3]. Размер блока из нескольких мер практически равен сумме размеров отдельных КМД, входящих в блок. Для обеспечения притираемости их изготавливают с шероховатостью рабочих поверхностей
R ≤ 0,063 мкм согласно [4].

В настоящее время в соответствии с международным стандартом [2] по допуску КМД разделены на четыре класса точности:

  • меры класса точности 2 обычно используют как рабочие эталоны в измерительных лабораториях для установки приборов и инструментов при относительных измерениях и их калибровки, а также для настройки контрольных приспособлений и станков;
  • меры класса точности 1, в основном, применяют как рабочие эталоны в измерительных лабораториях и контрольных пунктах для калибровки приборов и инструментов и при точных измерениях;
  • меры класса точности 0 служат в качестве исходного эталона (образцового средства) в калибровочных и измерительных лабораториях в термоконстантных помещениях для поверки и калибровки концевых мер, приборов, инструментов и калибров и при высокоточных измерениях;
  • меры класса точности К играют роль исходного эталона (образцового средства) в калибровочных и измерительных лабораториях государственных метрологических институтов и сертификационных центрах для поверки и калибровки КМД, эталонов длины, приборов, инструментов и калибров. Эти концевые меры являются самым точным эталоном длины.

Основные отличия современных КМД – материал, из которого их изготавливают: помимо высоколегированной стали используют твердые сплавы и керамику, и очень высокая точность их аттестации.

Стальные меры, произведенные, например, из хромистых сталей марок 120ХГ, ХГ, ШХ15 и X, имеют хорошее адгезионное сцепление с другими мерами и предметными столиками измерительных стоек, высокую износостойкость измерительных рабочих поверхностей и большой срок службы. Стальные меры закалены и подвергнуты искусственному старению, что позволяет сохранять их размер в течение длительного времени. Твердость рабочих поверхностей составляет не менее 800 HV, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) – 10,8×10-6 ºС-1. Недостаток стальных КМД – чувствительность к царапинам, износу рабочих поверхностей и возможность их коррозии. Стальные меры требуют тщательного ухода. Так, перед измерением с них следует снять защитную смазку, а после использования нанести опять. Кроме того, стальные меры чувствительны к изменению температуры, в том числе нагреваются от рук оператора.

Меры, изготовленные из твердого сплава (карбида вольфрама), в 10 раз прочнее стальных и обладают очень высокой притираемостью. Твердость рабочих поверхностей составляет не менее 1400 НV, ТКЛР – 4,23×10-6 ºС-1. Недостаток твердосплавных КМД – большая масса, что не позволяет собирать из них блоки большого размера.

Меры из циркониевой керамики исключительно устойчивы к износу и царапинам рабочих поверхностей. Керамика не подвержена коррозии, поэтому в отличие от стальных и твердосплавных мер керамические КМД не боятся влажных рук контроллера. Эти меры имеют самый длительный срок службы и наибольшую стабильность по сравнению с КМД из других материалов. Это позволяет увеличить межповерочный интервал. Керамические меры не намагничиваются, не притягивают пыль и не требуют специального ухода для защиты от коррозии. Твердость рабочих поверхностей составляет 1400 НV, ТКЛР –9,3×10-6 ºС-1.

В таблице приведены сравнительные характеристики стальных и керамических мер.

Характеристики материала

Циркониевая

керамика

Сталь

Твердость по Виккерсу, HV

1350

800

ТКЛР, ºС-1

(9,3±0,5)×10-6

(10,8±0,5)×10-6

Сопротивление изгибу, МПа

1270

1960

Число Пуассона

0,3

0,3

Плотность, г/см3

6,0

7,8

Модуль продольной упругости, Н/мм2

206000

206000

Теплопроводность, Вт/(м×к)

2,9

54,4

Как видно из таблицы, керамические и стальные меры имеют практически одинаковые ТКЛР. Это позволяет составлять блоки из этих мер, а также делает стальные и керамические меры полностью взаимозаменяемыми. Поэтому выпускают наборы, состоящие из данных мер. Наиболее часто применяемые меры изготавливают из керамики, так как они более устойчивы к износу. Однако в случае прецизионных измерений с мерами класса К в один блок нельзя притирать стальные и керамические КМД из-за их разной теплопроводности и износа стальных мер в процессе притирки.

Керамические и стальные меры выпускают четырех указанных классов точности (в том числе К), которые используют как исходные эталоны. Таким образом, керамические и стальные меры надежно обеспечивают единство измерений в машиностроении.

Аттестация (поверка и калибровка) современных КМД осуществляется с очень высокой точностью. Высокоточные измерения линейных размеров выполняют с помощью лазерных бесконтактных интерферометров непосредственно в длинах волн. Современные лазерные интерферометры снабжены устройством для компенсации погрешностей измерений, обусловленных воздействиями окружающей среды: изменениями температуры, давления воздуха, длины волны. Такой поверке (сертификации) подвергают эталонные КМД класса точности К в аккредитованных международных сертификационных лабораториях. Меры классов точности 0, 1, 2 калибруются производителем на специальных автоматизированных компараторах, снабженных инкрементными или индуктивными преобразователями, компьютерами и устройствами для контроля температуры и компенсации тепловых погрешностей методом сравнения или прямого измерения. Это также обеспечивает высокую точность аттестации.

Погрешность измерения длины L мер до 100 мм на современных компараторах с инкрементными преобразователями с компенсацией погрешностей, обусловленных изменениями температур, будет

U = ±(0,015 + 0,5L),

где U – в микрометрах, L – в метрах.

Несколько более высокую точность измерений эталонных КМД обеспечивают абсолютные лазерные бесконтактные интерферометры (U = ±0,02 мкм).

Вероятно, практически достижимая на современных приборах точность измерения небольших КМД с погрешностью U = 0,03 … 0,04 мкм – это физический предел. Точнее измерить концевые меры нельзя и, по-видимому, не нужно, во всяком случае в машиностроении. Поэтому с их помощью можно проводить точные измерения с погрешностью не менее 0,03 – 0,04 мкм [5].

Однако несмотря на все достоинства, высокое качество и точность КМД их роль и значение при технических измерениях сильно изменились. Это связано с появлением множества электронных приборов и инструментов с большими диапазонами измерений и цифровым отсчетом. Цифровые штангенинструменты и микрометры с емкостными инкрементными преобразователями, цифровые фотоэлектрические инкрементные измерительные головки, высотомеры и КИМ позволяют выполнять абсолютные измерения в больших диапазонах от нескольких миллиметров до нескольких метров. В лабораториях и на производстве значительно реже применяют относительные измерения с использованием КМД для настройки на ноль или на размер. Хотя следует иметь в виду, что однажды калиброванные электронные приборы никогда не гарантируют сохранения калибровки в течение времени. Но электронные широкодиапазонные цифровые приборы настолько просты и удобны в эксплуатации, что им всегда отдают предпочтение перед мерами, с помощью которых проводят трудоемкие относительные измерения.

Таким образом, в результате изменений методов измерений и структуры измерительных приборов и инструментов потребность в КМД и соответственно их выпуск существенно сократились. Теперь нужны, в основном, меры высоких классов точности, используемые для калибровки и поверки приборов.

Характерным примером средств абсолютных измерений, функционирующих без периодического применения мер, являются КИМ. При запуске в эксплуатацию КИМ калибруют с помощью ступенчатого блока, состоящего обычно из пяти КМД. После этого машина работает весь межповерочный период времени, например, один год, выполняя абсолютные измерения размеров деталей без калибровки. Хотя каждая КИМ снабжена специальной мерой, с помощью которой можно провести ее калибровку в случае необходимости.

Таким образом, качество, износостойкость и точность современных КМД повысились, но их применение при технических измерениях в машиностроении существенно уменьшилась. В основном, их используют для периодической поверки и калибровки мер и СИ в качестве эталонов и значительно реже – для настройки приборов при относительных измерениях и в процессе измерений.

Литература

1. ГОСТ 9038–90. Меры длины концевые плоскопараллельные. Технические условия.

2. ISO 3650:1998. Lengs standards – Gauge blocks.

3. Кайнер Г. Б., Кулаков А. И. О притираемости доведенных поверхностей // Измерительная техника. 1972. № 11. C. 76–77.

4. ГОСТ 2789–73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.

5. Кайнер Г. Б. Измерение линейных размеров высокоточных деталей. М.: Высшая школа, 1975.

 

Измерительная техника. 2012. № 3