2.4 Микрометры

Микрометр впервые был запатентован французским изобретателем Жаном Лораном Палмером в 1848 году под названием «круговой штангенцирцуль с круговым нониусом». Однако  производство микрометров началось после посещения двумя американскими инженерами Джозефом Брауном и Лусканом Шарле Парижской выставки, где они увидели изобретение Палмера и организовали его серийным выпуск.

Микрометры – очень популярный инструмент для  измерения  наружных диаметров, толщин и т.п. Благодаря простой конструкции, удобству в обращении,  быстроте в работе и достаточно высокой точности измерений, они – самые употребляемые цеховые инструменты для линейных измерений.  Каждый станочник, слесарь, технолог и конструктор имеет собственный микрометр. Большое разнообразие конструкций, позволяющие измерять самые разные наружные поверхности, делают  их универсальными инструментами.

Микрометры (МК) выпускают многие зарубежные фирмы – Tesa (Швейцария), Mitutoyo (Япония). Carl Mahr (Германия) и отечественные фирмы – Челябинский инструментальный завод (ЧИЗ) и Кировский инструментальный завод (КРИН). Также в продаже имеются китайские микрометры, к которым следует относиться с определенной осторожностью.

Качество современных МК очень высокое. Точный шлифованный винт, беззазорное соединение винта и гайки, твердосплавные торцевые измерительные поверхности  обеспечивают плавное   перемещение винта без биения торцевой поверхности. Применение нержавеющих сталей   и термообработки обеспечивает  антикоррозийные свойства инструмента,  сопротивление износу и коррозии. Положительной особенностью МК является соблюдение принципа Аббе, что существенно повышает точность измерения.

Современные микрометры,  микрометрические инструменты и приборы подразделяются на две группы:

– механические МК со штриховой отсчетной шкалой и нониусом;

– электронные МК с цифровым отсчетом.

   Согласно ИСО 3611—2010 микрометры со шриховым отсчетом называют микрометрами с аналоговой индикацией, а микрометры с цифровым отсчетом называют микрометрами с цифровой индикацией.

Механический микрометр со штриховым отсчетом

Основным элементом МК является микрометрическая винтовая пара. С ее помощью поступательное перемещение измерительной поверхности (торца) микрометрического винта связано с поворотом отсчетного барабана. Один оборот барабана микровинта соответствует перемещению торца микровинта на один шаг резьбы винта. В большинстве конструкций шаг резьбы винта составляет 0,5 мм, а на барабан наносят 50 или 100  делений. Таким образом, цена деления отсчета составляет 0,01 или 0,05 мм. Точность микровинта зависит от точности резьбовой передачи, поэтому ее изготовлению уделяют особое внимание.  Винт изготовлен из закаленной стали. Резьба винта шлифуется на высокоточных станках. Латунная гайка выполнена разрезной с возможностью выборки люфта в резьбовой передаче. Микрометрическая пара в приборах оформлена в виде отдельного узла – микрометрической головки (рис. 2.4.1).

Рис. 2.4.1   Микрометрическая головка

Микрометрическая головка входит в состав микрометров различного назначения, нутромеров, глубиномеров, различных стационарных приборов в качестве измерительного узла или узла, задающего точные  перемещения, и т. п.

В головке микрометрический винт  перемещается совместно с барабаном  относительно стебля, жестко соединенного с микрометрической гайкой. Микрометрические головки обычно имеют две шкалы (рис. 2.4.2): круговую для определения дробных долей оборота и линейную для определения числа полных оборотов микрометрического винта. Линейная шкала и продольный штрих нанесены на наружной поверхности стебля (или на гильзе, одеваемой на стебель).

                           Рис. 2.4.2    Барабан микрометра

Цена деления линейной шкалы равна шагу винта, при шаге 0,5 мм наносятся две части шкалы с длиной деления  1,0 мм, сдвинутые друг относительно друга на 0,5 мм. Общая длина линейной шкалы определяется диапазоном измерительного перемещения микрометрического винта (обычно 25 мм). Круговая шкала нанесена на скосе барабана, торец которого является указателем линейной шкалы. Указателем круговой шкалы   служит продольный штрих линейной шкалы.

Диаметр барабана выбран таким, чтобы длина деления была около 1 мм. Для отсчитывания дробных долей деления круговой шкалы в некоторых случаях применяют нониус, аналогичный нониусу штангенциркуля со считыванием без паралакса. Цена деления нониуса составляет 0,001 мм. Однако применение нониуса имеет смысл только в том случае, когда отсчитываемые доли деления меньше погрешности микрометрической передачи.

Для стабилизации измерительного усилия предусмотрено специальное устройство  (трещотка, или фрикцион), закрепленное на барабане. С помощью этого устройства на измерительной по­верхности микрометрического винта создается усилие,   лежащее для большинства случаев применения микрометрических головок в пределах 5-10 Н.

МК являются универсальными инструментами для наружных измерений. Конструкция и метрологические характеристики МК определены ISO 3611:2010, DIN 863 и ГОСТ 6207-90.

Рис. 2.4.3   Микрометр

МК (рис. 2.4.3) имеют скобу, в которую с одной сто­роны установлена микрометрическая головка, а с другой пят­ка, Конструкция микрометров предусматривает стопорное устройство  для закрепления микрометрического винта. Измерительными поверхностями у микрометров  яв­ляются параллельные плоскости торцов микрометрического вин­та и пятки, обычно имеющие диаметр 8 мм. Для повышения точности измерений выпускают микрометры с диапазоном измерения до 100 мм с диаметром рабочих поверхностей (стебля и пятки) уменьшают до  6,5 мм. Для повышения износостойкости измерительные поверхности микро­метров  изготовляют из твердого сплава. Для установки ну­левого положения микрометры с нижним пределом измерений от 25 мм комплектуют устано­вочными мерами. Цена деление большинства механических микрометров составляет 0,01 мм. Выпускают также МК с ценой деления 0,05 мм и с нониусом с ценой деления 0,001 мм.

МикрометрыРис. 2.4.4  Специализированные МК

Выпускают много специализированных моделей МК для разнообразных измерений (рис. 2.4.4)

Рис. 2.4.5   Механический микрометр (скоба) для измерения больших    диаметров

МК для измерения диаметров более 500 мм (скобы) делают сварными из труб для облегчения и снабжают теплоизолирующими накладками (рис. 2.4.5). Скобы  выпускаются с пределом измерения 100 мм каждая и снабжаются сменными наконечниками с приращением длины 25 мм. Диапазон измерений микрометрических скоб  до 1500 мм.Погрешность измерения скоб иногда определяют по формуле

U = ±(6 + L/75) мкм,

где L  максимальный предел измерения данной скобы в мм.

Следует отметить, что измерение микрометрическими скобами больших диаметров (более 500 мм) очень неудобная операция, требующая опыта и терпения. Результат измерения не надежен.

Скобы для больших размеров выпускают со штриховой или электронной головкой с цифровым отсчетом. Это облегчает процесс измерения. Иногда электронную головку снабжают выходом на внешние устройства, что позволяет проводить несколько измерений подряд и делать статистическую обработку результатов.

     Электронный микрометр с цифровым отсчетом.

Несмотря на  повсеместное распространение микрометров с шриховыми шкалами и нониусом, отсчет по двум штриховым шкалам и сложение их результатов неудобен, особенно при плохом зрении и недостаточном освещении. Поэтому появление электронных микрометров с цифровым отсчетом сделало процесс измерения значительно проще и удобнее, а в некоторых случаях и точнее.

Конструктивно электронный микрометр (рис. 2.4.6) мало отличается от механического микрометра, но вместо штриховых шкал он снабжен инкрементным   индуктивным угловым энкодером (раздел  3.2), небольшим электронным  устройством и цифровым дисплеем.  Энкодер состоит из двух небольших дисковых пластин, на котором размещены изолированные друг от друга электроды.  Один диск поворачивается  вместе с винтом, второй неподвижен и удерживается шпонкой, расположенной вдоль винта. Оба диска перемещаются вместе с микровинтом на всю величину хода винта.

Рис. 2.4.6   Электронный микрометр

На скобе микрометра также расположен   электронный микропроцессорный блок и цифровой дисплей с дискретностью показаний 0,01 или 0,001 мм. Высота цифр составляет 7-9 мм. На корпусе  имеются две кнопки «вкл/выкл» и установка нуля. Установка нуля возможна как при сведенных пятках МК, так и любом месте диапазона измерения (например, для контроля партии одинаковых деталей).  Некоторые модели имеют дополнительные функции, например, сортировка по размерам, выход и интерфейс  на внешние устройства (например, компьютер или специальный блок) и т.д. Для соединения с внешними устройствами микрометр снабжают кабелем с USB разъемом. Выпускают также модели с бескабельной передачей данных через небольшой передатчик с кнопкой.Возможность передачи результатов измерений внешним устройствам используется для статистической обработки результатов измерений партии деталей.

Вся электронная система питается от небольшой литиевой  батарейки, срок службы которой 1,5 года или 2000 часов.

Электронные микрометры выпускаются с диапазоном измерения до 300 мм и  степенью защиты от IP40 – до IP65 по стандарту DIN EN  60529 и ГОСТ 14254-96.

Кроме стандартных  МК выпускают много специализированных моделей, например, для измерения толщины стенок труб со сферическими измерительными поверхностями, для измерения мягких материалов с измерительными поверхностями в форме дисков, для измерения среднего диаметра  резьбы, для измерения длины общей нормали зубчатых колес с измерительными поверхностями в форме дисков, для измерения наружного диаметра многолезвийного инструмента и др.

Суммарная погрешность измерения с помощью миркометра  состоит из следующих составляющих:

– погрешностей микрометрической головки;

– отклонения от плоскостности и от па­раллельности плоских измерительных поверхностей винта и пят­ки (при различных углах поворота микрометрического винта и при его стопорении). При эксплуатации микрометров отклонения от параллельно­сти измерительных поверхностей винта и пятки приводят к раз­личной погрешности для разных форм измеряемых деталей (пло­ских, цилиндрических, сферических). Также различными будут деформации этих деталей под действием измерительного усилия;

– деформации скобы микрометра под дей­ствием измерительного усилия;

– погрешности установочных мер;

– существенной составляющей погрешности измерения микро­метрами (особенно микрометрами больших размеров) является температурная погрешность, вызываемая как разностью темпера­тур измеряемой детали и микрометра, так и нагревом микромет­ра, а иногда и контролируемой детали,  теплом рук контролера (для уменьшения последней погреш­ности в микрометрах для измерения размеров свыше 50 мм пре­дусмотрены теплозащитные накладки).

– погрешность,  возникающая у электронных микрометров из-за ошибок емкостного или индуктивного преобразователя.

Пределы допускаемой погрешности микрометров приведены в табл. 2.4.1. Указанные значения погрешностей установлены в зави­симости от диапазона измерений.

Предел допускаемой погрешности микрометрической головки (при выпуске ее в качестве отдельного изделия) оговорен ГОСТ 6507—90 «Микрометры с ценой деления 0,01 мм. Технические ус­ловия» в виде предельной погрешности δ = ±4 мкм.

Предельно допустимая погрешность G микрометра в любой точке диапазона измерений (25 мм) указана в табл. 2.4.1

Таблица 2.4.1

Диапазон измерения,мм Предельно допустимая погрешность G, мкм Отклонение от параллельности и плоскостности винта и пятки, мкм
   0 – 50                 4             2
   50 – 100                 5              2
  100 – 150                 6              3
  150 – 200                  7              4
  200 – 250                  8              4
  250 – 300                  9               5
 300 – 350                  10                5
 350 – 400                  11                6
 400 – 450                  12                 6
 450 – 500                   13                 7

Указанные в таблице  предельно допустимая погрешности G включают в себя погрешность микрометрической головки, погрешность от прогиба скобы микрометра и погрешность от неровностей и непараллельности измерительных поверхностей.

  Калибровку и поверку микрометров осуществляют с помощью концевых мер длины в нескольких точках в диапазоне измерений согласно ISO 3611:2010, DIN 863 и ГОСТ 6207-90. Концевые меры подбирают таким образом, чтобы была возможность определить предельную погрешность измерения G микрометра во всех точках диапазона измерения. Например, рекомендуемые размеры концевых мер длины для проверки микрометров – 3,1; 6,5; 9,7; 12,5; 15,8; 19,0; 21,9 и 25 мм.

Для проверки отклонений плоскостности и параллельности измерительных поверхностей микрометра (торца винта и пятки) необходимо три или четыре плоскопараллельных оптических стеклянных пластины с градацией по высоте в 1/4 или 1/3 шага микровинта (0,5 мм). Это обеспечивает проверку с трех или четырех положениях при полном повороте микровинта.

Рис. 2.4.7  Проверка параллельности торцев пяток по оптическому стеклу

Для проверки пластину устанавливают между пяткой и торцом винта. Аккуратно перемещая пластину между измеряемыми поверхностями определяют наименьшее количество интерференционных колец или полос на одной измерительной поверхности (рис. 2.4.7).

К этому числу прибавляют количество колец или полос на другой измерительной поверхности. При длине волны света примерно 640 нм ширина одной интерференционной полосы составляет 320 нм (0,32 мкм).

Следует отметить, что микрометры обеспечивают хорошую прослеживаемость, если поверяются или калибруются по аттестованным концевым мерам.

 

Микрометрический глубиномер

Микрометрический глубиномер (рис. 2.4.8) состоит из базирующей опоры, в которой закреплен микровинт с диапазоном измерения 25 мм, и сменных измерительных вставок разной длины. Общий предел измерения глубиномера до 300 мм. Глубиномеры также как и МК выпускаются механическими и электронными с цифровым отсчетом.

Цена деления глубиномера – 0,01 мм. Отклонение от плоскостности базирующей опоры –  2 мкм. Допуск длины измерительных вставок ±(2 + L/75), где L – длина вставки. Погрешность измерения с самой маленькой вставкой – 5 мкм.

 Рис. 2.4.8    Микрометрический глубиномер

 

1  Соболев М.П. и Этингоф М.И.  Автоматический размерный контроль на металлорежущих станках. Ойкумена, 2005, 300 с.

2  Чудов В.А., Цидулко Ф.В., Фрейдгейм Н.И. Размерный контроль в машиностроенииМ, Машиностроение, 1982, 328 с.

3  Городецкий Ю.Г.  Конструкция, расчет и эксплуатация измерительных инструментов и приборов. Машиностроение, 1971, 376 с