Плоские плиты: назначение, устройство и контроль точности.

Введение

Плоская поверхность, используемая в качестве эталонной плоскости

Эталонная плита – это цельная, плоская плита, используемая в качестве основной горизонтальной эталонной плоскости для прецизионного контроля, разметки и наладки инструмента. Эталонная плита часто служит базовой линией для всех измерений детали, поэтому одна из её основных поверхностей обрабатывается до исключительно высокой плоскостности с допусками менее чем на 2960 мм для плит класса 0. Эталонные плиты – распространенный инструмент в машиностроении и часто оснащаются монтажными элементами, позволяющими интегрировать их в конструкцию машин, таких как координатно-измерительные машины, прецизионные оптические сборки или другое высокоточное научное и промышленное оборудование. Плиты обычно имеют квадратную или прямоугольную форму, хотя могут быть вырезаны любой формы.

Точность и степень

Для определения точности некоторых метрологических приборов используются различные классы, такие как: AA, A, B и Workshop grade. Хотя класс Workshop является наименее точным, все классы поверхностных плит отличаются высокой степенью плоскостности. Поверхностные плиты необходимо регулярно калибровать, чтобы убедиться в отсутствии сколов, деформаций или износа. Распространенной проблемой является износ отдельных участков, например, вызванный частом использованием инструмента в одном и том же месте (например, индикатора высоты), что приводит к неровностям поверхности и снижению общей точности плиты. Этот износ может значительно ускориться при наличии абразивной пыли. Инструменты и заготовки также могут повредить плиту при падении на нее. Повреждения могут возникнуть и из-за несвоевременного удаления стружки и другого мусора, что приведет к неверным измерениям. Устранить повреждения плиты можно только путем повторной обработки поверхности, для которой требуются специализированные методы и оборудование, зависящие от класса плиты.

История

В отличие от большинства механических прецизионных приборов, поверхностные плиты не выводят свою точность из более точных эталонов. Вместо этого они достигают точности благодаря применению принципа "автоматической генерации калибров". В этом процессе три приблизительно плоские поверхности последовательно доводятся до прецизионной плоскостности путем ручного трения их друг о друга попарно с нанесением красящего вещества между ними, а затем ручной обработки высоких точек. Любые отклонения от плоскостности устраняются этой обработкой, поскольку единственной стабильной, взаимно сопряженной формой поверхности является плоскость. Важность высокоточной поверхностной плиты впервые была осознана Генри Модслеем примерно в 1800 году. Он разработал методы обработки чугунной плиты до плоскостности, нанесения синей краски между парами плит для выявления дефектов и работы с плитами наборами по три, чтобы гарантировать плоскостность, избегая сочетания вогнутых и выпуклых пар. Джозеф Уитворт, родившийся в 1803 году, был учеником Модслея с 1825 года, но покинул его к моменту основания собственного дела в 1833 году. Он описал этот процесс в Британской ассоциации в 1840 году в своей работе "О создании истинных плоскостей или поверхностей на металлах", как он упомянул во время своего председательского выступления в 1856 году на учредительном собрании Британского института инженеров-механиков в Глазго. Его работа 1840 года и предыдущий опыт работы у Модслея привели к тому, что некоторые авторы считают Уитворта создателем техники обработки поверхностных плит, а не Модслея.

Гранит

До Второй мировой войны металл был стандартным материалом для изготовления поверхностных плит, однако военные усилия различных стран привели к дефициту металла. Владелец мастерской по изготовлению памятников и металлоконструкций (Уоллас Херман) в Дейтоне, штат Огайо, вместе со своим изобретательным сотрудником Дональдом В. Портером начал использовать гранит вместо металла для изготовления поверхностных плит. Сегодня большинство поверхностных плит по-прежнему изготавливаются из черного гранита, точнее – черной диабазы, а более износостойкие плиты – из гранита, содержащего кварц. Содержание кварца в этих гранитных плитах повышает их износостойкость, поскольку кварц – более твердый минерал. Черный гранит преимущественно используется в основаниях станков, гранитных аксессуарах и специальных применениях благодаря своей превосходной жесткости, отличным виброгасящим свойствам и хорошей обрабатываемости. Гранит, содержащий кварц (обычно розовый, белый или серый), часто делают толще черного гранита, чтобы обеспечить сопоставимую несущую способность, поскольку он менее жесткий. Повреждение гранитной плиты обычно приводит к сколу, но не влияет на точность всей поверхности. Даже при наличии скола, другая плоская поверхность все еще может контактировать с неповрежденной частью плиты, в то время как повреждение чугунной плиты часто приводит к приподнятию окружающего материала над рабочей поверхностью, из-за чего проверяемые объекты перестают располагаться параллельно плите. Гранит также обладает естественной стабильностью, немагнитностью, отличными виброгасящими свойствами и не подвержен коррозии. 3 августа 1961 года была выпущена Федеральная спецификация GGG P 463B, устанавливающая требования в американской системе мер к поверхностным плитам из магматических пород (гранита) для использования в прецизионной разметке, компоновке и контроле. Она включала новую сертификацию, повторную сертификацию в полевых условиях и повторную сертификацию после восстановления поверхности. GGG P 463B была впоследствии пересмотрена и переиздана 12 сентября 1973 года как GGG P 463C, которая предоставила единый язык и термины классификации для производства и торговли поверхностными плитами. 15 июня 1977 года к федеральной спецификации была внесена поправка, включающая требования в метрической системе. Хотя GGG P 463C широко использовалась в американской промышленности с момента публикации, правительство не выпускало новых редакций для соответствия достижениям в отрасли. Американское общество инженеров-механиков (ASME) приняло решение создать комитет для пересмотра федеральной спецификации в соответствии с современными технологиями. В частности, был добавлен более полный глоссарий с актуальными определениями и использован новый формат, который должен быть более понятен современным пользователям стандарта. ASME также признала необходимость обновления с учетом современных концепций, таких как прослеживаемость и погрешность измерений, которые значительно развились с 1973 года. В июне 2013 года ASME заменила Fed Spec GGG P 463C на американский национальный стандарт ASME B89.3.7 – 2013 Granite Surface Plates. Стандарт ISO определяет ISO8512 2 для гранитных поверхностных плит, но, по всей видимости, действующая версия все еще датируется 1990 годом.

Before the Second World War, metal was the standard material used for surface plates, however, the war efforts of various countries put a strain on the availability of metal. A monument and metal shop owner (Wallace Herman) in Dayton, Ohio, along with his inventive employee Donald V. Porter, started using granite in place of metal for his surface plates. Today most surface plates continue to be made of black granite, more accurately referred to as black diabase, with the more wear resistant surface plates being made of quartz bearing granite. The quartz content of these granite surface plates increases the wear resistance of the plate as quartz is a harder stone. Black granite is dominantly used in machine bases, granite accessories, and custom applications for its superior stiffness, excellent vibration damping, and improved machinability. Quartz bearing granite (usually pink, white, or grey) is often made thicker than black granite to provide equal load bearing capabilities of the types of material used for surface plates, as it is not as stiff as black granite. Damage to a granite surface plate will usually result in a chip but does not affect the accuracy of the overall plane. Even though it is chipped, another flat surface can still make contact with the undamaged portion of a chipped surface plate, whereas damage to a cast iron plate often raises the surrounding material above the working plane causing inspected objects to no longer sit parallel to the surface plate. Granite is also inherently stable, is non magnetic, has excellent vibration damping characteristics, and will not rust. On 3 August 1961, Federal Specification GGG P 463B was issued to provide requirements in United States customary units for igneous rock (granite) surface plates for use in precision locating layout, and inspection work. It encompassed new certification, recertification in the field, and recertification after resurfacing. GGG P 463B was later revised and reissued on 12 September 1973 as GGG P 463C, which provided common language and terms of classification for surface plate manufacturing and commerce. On 15 June 1977 an amendment was issued to the federal specification in order to include requirements in metric units. Although GGG P 463C was used extensively in American industry since its publication, the government did not issue any new revisions to keep up with advancements within industry. The American Society of Mechanical Engineers (ASME) decided to form a committee to revise the federal specification in accordance with modern technologies. Most notably, a more complete glossary was added with currently accepted definitions, and a new format was used that should be more familiar to current users of the Standard. ASME also recognised the need for updates to incorporate modern concepts such as traceability and measurement uncertainty that have undergone considerable development since 1973. In June 2013, ASME replaced Fed Spec GGG P 463C with the American National Standard (ANS) ASME B89.3.7 – 2013 Granite Surface Plates. Iso standard defines ISO8512 2 for granite surface plates, but it seems the current in use is still dating back 1990.

Чугун

До Второй мировой войны почти все поверхностные плиты изготавливались из ребристого чугуна, где ребра использовались для повышения жесткости без увеличения веса, характерного для цельной конструкции. Чугун подвергался выдержке для снятия внутренних напряжений и снижения вероятности деформации или коробления плиты со временем. Сегодня чугунные поверхностные плиты часто используются на производстве в качестве инструмента для доводки гранитных плит, позволяя достичь определенных классов точности. Металл позволяет лапирующей среде проникать на большую плоскую поверхность. Несмотря на снижение популярности в машиностроительных мастерских, чугун остается наиболее распространенным материалом для эталонных поверхностей (в отличие от поверхностных плит) среди лабораторных метрологов, производителей станков, изготовителей мерительных инструментов и других отраслей, требующих высокой точности при измерении плоскостности. Правильно отлитый чугун обладает большей размерной и геометрической стабильностью с течением времени, чем гранит или керамика, легче обрабатывается до более высокой степени плоскостности и обеспечивает лучшую опорную поверхность для создания других эталонных стандартов. Эти специализированные плиты производятся комплектами по три непосредственно предприятием-пользователем, что позволяет регулярно проводить их проверку и доработку, в том числе методом трех плит Уитворта, без необходимости отправлять их на восстановление. Несмотря на высокую стабильность, чугун не подходит для использования в качестве обычной поверхностной плиты в высокоточных производственных процессах из-за теплового расширения. Однако, природа и применение эталонной поверхности уже подразумевают дорогостоящие меры по контролю температуры независимо от выбранного материала, что делает чугун предпочтительным. В отличие от гранита, чугун обладает очень однородными оптическими свойствами, а в отличие от стекла или керамики – незначительной глубиной проникновения света, что делает его подходящим для определенных оптических применений.

Стекло

Стекло является альтернативным материалом и использовалось во время Второй мировой войны, когда ощущалась нехватка материалов и производственных мощностей. Стекло можно должным образом шлифовать, и его преимущество заключается в том, что оно скалывается, а не образует заусенцы, что является проблемой при использовании серого чугуна.

Аксессуары

Поверхностная плита используется совместно с такими принадлежностями, как угольник, линейка, поверочные плиты, синусная рейка, синусная плита, индикатор часового типа, параллельные плиты, угловая плита, высотомер и т.д.

Калибровка поверхностных плит

Калибровка гранитной плиты должна выполняться регулярно для поддержания ее плоскостности и обеспечения точности измерений с течением времени. Интервалы между калибровками зависят от условий эксплуатации плиты. При необходимости выполняется шлифовка или восстановление поверхности для приведения результатов измерений в соответствие с установленными допусками. Эта процедура включает полировку поверхности абразивной пастой для удаления всех неровностей. Калибровка гранитной плиты также включает очистку и легкую полировку.