STRUMENTI DI MISURA E DI CONTROLLO
Opportunamente distribuiti, vengono programmati nel ciclo di lavorazione dei controlli.
I controlli (misure) dei pezzi vengono eseguiti con appropriati strumenti.
Perché sia garantita la precisione dello strumento, questo viene a sua volta “controllato”
mediante appositi campioni materiali.
Per eseguire le misurazioni, quindi, occorrono vari mezzi tecnici: gli strumenti veri e propri, che
interagiscono col sistema misurato, ne forniscono il valore, ed i campioni materiali che non
possiedono indice di misura ma riproducono valori noti di una grandezza.
Tra i primi ricordiamo i calibri e i micrometri; tra i secondi ricordiamo i blocchetti
pianoparalleli.
CARATTERISTICHE DI UNO STRUMENTO
PORTATA MASSIMA
SENSIBILITÀ
ASSOLUTA
PRECISIONE
PRONTEZZA
FEDELTÀ
STABILITÀ
APPROSSIMAZIONE
È la massima grandezza che lo strumento può misurare.
Per esempio il micrometro centesimale per esterni 0 – 25 può
misurare al massimo una grandezza di 25 mm.
È il rapporto tra lo scostamento dell’indice dello strumento ed il
corrispondente incremento della grandezza da misurare:
Sa = ∆l / ∆G
Rappresenta l’attitudine di uno strumento a fornire misure col
minimo errore.
È il tempo che trascorre prima che l’indice, muovendosi dalla sua
posizione di riposo, raggiunga la definitiva posizione di equilibrio
allorché allo strumento stesso viene bruscamente applicata una
grandezza.
È l’attitudine di uno strumento a fornire misure di una stessa
grandezza poco differenti tra loro, quando vengano eseguite nelle
stesse condizioni ed a brevi intervalli di tempo.
È l’attitudine di uno strumento a fornire misure di una stessa
grandezza poco differenti tra loro, quando vengano eseguite nelle
stesse condizioni ed a lunghi intervalli di tempo.
È la più piccola frazione di una grandezza, lineare o angolare, che è
possibile misurare con uno strumento.
Per esempio, nel goniometro diviso in gradi l’approssimazione è 1°
1
BLOCCHETTI PIANO-PARALLELI
I blocchetti piano-paralleli,
noti con il nome di blocchetti
Johansson dal nome del
tecnico svedese che li ideò
nel 1896, sono blocchetti
campione di riscontro, di
acciaio speciale, a forma di
parallelepipedo con le due
facce opposte perfettamente
piane, parallele e levigate.
La misura stampigliata sul
blocchetto rappresenta la
dimensione vera, nominale, la
distanza tra le due superfici di
misura alla temperatura di
20°.
I blocchetti piano-paralleli sono strumenti campione, in quanto sono impiegati per la taratura
degli strumenti di precisione.
Sono normalmente costruiti secondo una serie di spessori variabili da 1 a 100 mm. Una serie
molto adoperata è la seguente (Mahr):
1
•
SERIE SI SPESSORI BLOCCHETTI PIANO – PARALLELI (MAHR)
1,001
1,002
1,003
1,004
1,005
1,006
1,007
1,008
1,01
1,02
1,03
1,04
1,05
1,06
1,07
1,08
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
2
3
4
5
6
7
8
10
20
30
40
50
60
70
80
Caratteristiche
I blocchetti piano-paralleli devono avere:
-
planarità delle superfici di misura (0,05 ÷ 0,25 µm)
parallelismo delle superfici di misura
elevato grado di precisione
elevato grado di finitura (Ra = 0,025 µm)
elevata durezza superficiale
elevata resistenza all’usura
inalterabilità nel tempo
indilatabilità
2
1,009
1,09
1,9
9
90
La tabella UNI-ISO 3650 riporta le modalità di utilizzo dei blocchetti piano-paralleli.
•
Unione dei blocchetti
Per ottenere una varietà di spessori, è necessario unire tra di loro i blocchetti. Per fare ciò è
necessario strisciare i blocchetti uno sull’altro, cominciando da una estremità, e
contemporaneamente esercitando una leggera pressione, in modo da impedire che si formi uno
strato d’aria tra le superfici di misura.
Quando è necessario realizzare uno spessore non presente nella serie, costituito da una parte
intera e da una frazionaria, è bene formare dapprima la parte frazionaria, iniziando dal blocchetto
che fornisce l’ultima cifra decimale, aggiungendo via via i blocchetti con i millimetri interi.
Esempio: Spessore da realizzare: 43,364 mm
Composizione della pila di blocchetti:
1,004 +
1,060 +
1,300 =
_______
3,364 +
40,000 =
_______
parte frazionaria
parte intera
43,364
•
Classi di precisione
La tabella UNI ISO 3650 prevede per i blocchetti piano-paralleli quattro classi di precisione: 00,
0, 1, 2.
CLASSE
ESEMPI D’IMPIEGO
00
Misurazioni di altissima precisione (nei gabinetti
scientifici)
Controllo di apparecchi di misurazione di alta
precisione
Verifica e taratura di calibri, micrometri ecc.
0
1
2
Controllo dei calibri d’officina delle qualità IT6 e
IT7
3
TOLLERANZA DI
PLANARITÀ
0,05 (per spessori fino a 150
mm)
0,10 (per spessori fino a 150
mm)
0,15 (per spessori fino a 150
mm)
0,25 (per spessori fino a 150
mm)
•
Materiali dei blocchetti
Per la fabbricazione dei blocchetti s'impiegano i seguenti materiali:
- Acciaio ad alto tenore di carbonio, temprato e rinvenuto e poi stabilizzato per eliminare
l'austenite residua e le tensioni interne
- Acciaio legato, avente in genere la seguente composizione:
C = 1 ÷ 1,4 %
Cr = 0,8 ÷ 1,6 %
Mn = 1 ÷ 1,2 %
Si = 1,5 ÷ 2 %
V = 0,1 %
W = 0,5 ÷ 0,7 %
- Carburo di tungsteno (blocchetti ottenuti per sinterizzazione, con durezza molto elevata)
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VETRI INTERFERENZIALI (o SPECCHI DI FRESNEL o DISCHI OTTICI
o DISCHI DI VETRO)
Per controllare la planarità delle superfici levigate si ricorre a procedimenti ottici basati sui
fenomeni d'interferenza della luce. Questi procedimenti permettono di rilevare difetti inferiori ad un
micron.
La tabella UNI 7366 riporta le modalità di utilizzo dei vetrini piano-paralleli.
Nella pratica, per controllare la planarità, si impiegano i VETRI OTTICI PIANO-PARALLELI
costruiti con vetro speciale ad alta trasparenza e tagliati a forma di dischi:
- si appoggia il disco di vetro sulla superficie da controllare e si orienta il disco verso una sorgente
luminosa;
- si effettua un delicato movimento di rotazione del disco, esercitando una leggera pressione, fino a
che non si notano delle frange (se ci sono).
b
r
Avremo raggi a che penetrano nel vetro, lo
attraversano e vengono poi riflessi dalla
superficie S dell’oggetto (Es: blocchetto).
a
Vi sono raggi b che invece vengono riflessi dalla
faccia inferiore del vetro stesso. I raggi r uscenti
risultano dalla sovrapposizione dei raggi a e b.
l’intensità luminosa del raggio r dipende dalla
differenza dei percorsi APB di a e b.
Vetrro
S
B
A
d
P
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1) SE IL VETRO OTTICO E’ PARALLELO ALL’OGGETTO
La differenza di percorso APB tra i due raggi rimane costante.
I raggi risultanti r avranno la massima luminosità quando i due raggi componenti a e b raggiungono
il punto B in concordanza di fase;
λ
I raggi r avranno invece la minima luminosità quando i due raggi componenti a e b raggiungono il
punto B in opposizione di fase.
λ
IN DEFINITIVA: se la superficie da controllare è piana e parallela al vetro, quest’ultimo risulta
illuminato con intensità uniforme, senza frange di interferenza.
NON C’E’ ALLORA ERRORE DI PLANARITA’ NE’ DI PARALLELISMO.
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2) SE IL VETRO OTTICO E’ INCLINATO RISPETTO ALL’OGGETTO
b
r
a
S
B
A
d
P
I raggi uscenti risultano ancora dalla sovrapposizione di raggi che hanno percorso cammini diversi,
però la differenza di percorso APB è continuamente variabile perché la superficie del vetro si
allontana man mano dall’oggetto di una distanza d.
Di conseguenza i raggi componenti a e b arriveranno nel punto B in concordanza o in opposizione
di fase secondo il valore della differenza di percorso.
Nel caso di concordanza di fase si avrà la massima intensità luminosa.
Nel caso di opposizione di fase si avrà la minima intensità luminosa.
IL VETRO OTTICO PRESENTERA’ QUINDI UN’ALTERNANZA DI STRISCE CHIARE E DI
STRISCE SCURE PARALLELE CHE SONO APPUNTO LE FRANGE DI INTERFERENZA.
IL DIFETTO DI PARALLELISMO TRA IL VETRO E LA SUPERFICIE DEL PEZZO VIENE
PERCIO’ RILEVATO DALLA FORMAZIONE DELLE FRANGE DI INTERFERENZA.
Si forma una frangia di interferenza per ogni variazione di distanza uguale a mezza lunghezza
d’onda (tra vetro e pezzo).
Ecco alcune forme caratteristiche assunte dalle frange di interferenza:
DIFETTO DI
PARALLELISMO SENZA
ERRORE DI PLANARITA’
DIFETTO DI PARALLELISMO E
DI PLANARITA’
GROSSO DIFETTO DI
PARALLELISMO E DI
PLANARITA’
I dischi di vetro speciale devono avere resistenza all’usura ed alla scalfitura.
I dischi di vetro devono avere facce otticamente piene e scostamento di planarità 0,1÷0,2 [µ m].
La serie di quattro dischi in nostro possesso ha spessore:
12,00 / 12,125 / 12,25 / 12,375 [mm].
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L’analisi planimetrica (cioè la misurazione dello scostamento di planarità) è usata nella verifica
dello stato dei piani dei blocchetti piano paralleli o dei micrometri.
Dal numero e dalla forma delle frange, ottenuta sovrapponendo il disco di vetro ottico alla
superficie in esame, è possibile dedurre lo scostamento di planarità.
- Determinazione dello scostamento (errore) di planarità:
1) si conta il numero n delle frange
2) si ricava il numero di intervalli i = n - 1
3) si determina il dislivello massimo dei punti della superficie (errore di planarità)
e = λ/2 * i
dove λ è la lunghezza d’onda della luce in µm.
Si può assumere λ = 0,68 [µm] nel caso della luce solare (colore rosso) o λ = 0,58 [µm] nel caso che
la sorgente luminosa sia una lampada a luce gialla.
Esempio:
Si contino n = 4 frange
Si ha: i = n - 1 = 4 - 1 = 3 intervalli
Lo scostamento (errore) di planarità risulta:
e = λ/2 * i = 0,58/2 * 3 = 0,29 * 3 = 0,87 [µm]
8
Per la metrologia d’officina sono necessarie anche attrezzature complementari di riscontro.
PIANI DI RISCONTRO
Vengono adoperati in officina come piani di riferimento per eseguire varie operazioni di
controllo sui pezzi lavorati: planarità, parallelismo, ortogonalità, vari controlli di forma.
Possono essere di diverso materiale:
•
PIANI DI GHISA
Costruiti in ghisa EN-GJL-250 a struttura fine, sono provvisti di
nervature nella parte inferiore, per impedire le deformazioni, e di tre
piedi di appoggio per evitare il barcollamento.
Il piano superiore viene ricavato per piallatura o per fresatura e poi
rifinito mediante raschiettatura a mano (non sono rettificati mediante
mole perché i granelli di abrasivo, distaccandosi dalla mola, possono
rimanere incastonati nella ghisa e danneggiare i pezzi che verranno
appoggiati sul piano). Si ammette una tolleranza di 0,01 [mm].
•
PIANI DI GRANITO e in DIABASE
Hanno avuto grande diffusione in questi ultimi tempi perché presentano i seguenti vantaggi:
-
Elevata durezza e resistenza all’usura
Insensibilità alle variazioni di temperatura
Stabilità nel tempo
Inossidabilità
Amagneticità
•
PIANI DI ACCIAIO TEMPRATO
Presentano elevata durezza e resistenza all’usura. Vengono lavorati con paste abrasive speciali
raggiungendo un alto grado di precisione.
La forma del piano di riscontro é generalmente rettangolare con rapporto di 2 a 3 tra larghezza e
lunghezza, ma é anche diffusa la sezione quadrata di 50 [cm] di lato.
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STRUMENTI COMPARATORI FISSI - CALIBRI
Al fine di rendere più rapido e semplice il controllo dei pezzi lavorati, soprattutto se prodotti in
serie di pezzi uguali, vengono utilizzati gli strumenti comparatori fissi o calibri fissi, i quali
consentono il controllo diretto della dimensione e della forma di un pezzo con il metodo del
confronto.
Gli strumenti comparatori fissi non consentono quindi di misurare una quota qualsiasi di un
pezzo, ma offrono la possibilità di stabilire se una data quota è compresa o meno entro il campo di
tolleranza ad essa assegnato dal disegno.
La caratteristica di questi strumenti è quella di avere ognuno una forma e una dimensione
nominale determinate. Sono pertanto in grado di controllare soltanto un pezzo avente quella stessa
dimensione e quella forma, Il campo di misura di questi strumenti si riduce quindi a un solo valore
(dimensione nominale); più precisamente, ai valori compresi entro un ristretto campo di tolleranza
relativo alla dimensione nominale che contraddistingue il calibro. Ovviamente i calibri fissi devono
essere costruiti con una precisione superiore a quella richiesta per i pezzi che sono destinati a
controllare.
Calibri fissi
Sono utilizzati per il controllo dimensionale e di forma di alberi, fori, filettature interne ed
esterne, conicità ecc., soprattutto di pezzi prodotti in grande serie e realizzati con assegnate
tolleranze di lavorazione.
Quando occorre controllare la “forma” del foro per escludere eventuali errori geometrici, è
opportuno ricorrere a strumenti quali l’alesametro o il micrometro per interni.
Calibri fissi per fori
I calibri per fori sono previsti per il controllo del diametro di fori cilindrici, ma vengono
utilizzati anche per il controllo di quote interne di pezzi a forma prismatica (gole, scanalature, cave).
Calibri differenziali a tampone
Sono i calibri più usati per
il controllo dei fori lavorati con
tolleranze stabilite secondo le
norme ISO.
Sono costituiti da due corpi
perfettamente cilindrici lisci
(tamponi) uniti da un manico
centrale.
Sono costruiti in acciaio
speciale resistente all’usura,
temprato e rettificato, con
tolleranza di costruzione DIN
7162.
Quando il diametro effettivo del foro da controllare si trova compreso entro il campo di
tolleranza previsto dal calibro, il tampone di diametro inferiore (lato PASSA) deve poter penetrare
nel foro, mentre il tampone di diametro superiore (lato NON PASSA) non deve poter penetrare nel
foro.
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Caratteristiche dei calibri a tampone
Su ogni calibro a tampone del tipo PASSA e NON PASSA è riportata l’indicazione completa
della tolleranza ISO alla quale corrisponde il foro da controllare, cioè la dimensione nominale, la
qualità di lavorazione, la posizione della tolleranza e gli scostamenti corrispondenti: lo scostamento
superiore sul lato NON PASSA, quello inferiore sul lato PASSA.
I due lati si distinguono perché:
- il tampone del lato NON PASSA è più corto di quello del lato PASSA;
- una fascia rossa è riportata sul lato NP;
- sono riportate le scritte P (o MIN) sul lato PASSA, e NP (o MAX) sul lato NON PASSA.
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MICROMETRO CENTESIMALE PER ESTERNI
Il micrometro, progettato e costruito da Palmer, venne perfezionato nel 1858 da Joseph
Whitworth. Esso utilizza l'organo cinematico formato dall'accoppiamento vite-madrevite.
Esiste una grande varietà di micrometri, utilizzati per misurazioni esterne, misurazioni interne,
misurazioni di profondità ecc. Qui si fa riferimento al micrometro centesimale a vite con stativo ad
arco, secondo le norme UNI 5708.
NOMENCLATURA
Il disegno che segue indica le varie parti che costituiscono un micrometro.
PARTI COSTITUTIVE
Il micrometro è costituito da varie parti tra le quali:
- asta a vite: d = 8 mm ; Passo vite = 0,5 mm ; rugosità = 0,025 µm;
- incudine: d = 8 mm ; sporgenza ≥ 3 mm ; rugosità = 0,025 µm;
- tamburo e bussola graduati: 50 tratti con divisione 0,01 mm ; gioco tra estremità conica e bussola
≤ 7 mm. Le superfici del tamburo e della bussola devono essere cromate e opache per proteggerle
dall' ossidazione e migliorare le condizioni di lettura. I tratti della graduazione sia del tamburo sia
della bussola devono essere nitidi e larghi non più di 0,1 mm;
- frizione tale che la forza tra le superfici di misura sia costante e compresa tra 0,5 kg e 1 kg;
- Dispositivo di bloccaggio: è un dispositivo che permette il blocco dell' asta.
METODI DI VERIFICA
- planarità delle superfici di misura (1 µm, corrispondente a non più di 4 frange) ;
- parallelismo delle superfici di misura;
- perpendicolarità delle superfici di misura rispetto all' asse dell' asta.
- Errore totale: somma di tutti gli errori singoli;
- errore complessivo: differenza tra errore massimo errore positivo e massimo errore negativo.
- Campo di misura (portata del micrometro) da 0 a 25: l'errore complessivo è 3 µm, l'errore di
planarità sono quattro frange di interferenza, l' errore di parallelismo e di perpendicolarità sono 4
frange di d'interferenza.
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CARATTERISTICHE TECNICHE
- Pressione max di serraggio = 1 kg;
- campo di misura = 0 ÷ 25, 25 ÷ 50, 50 ÷ 75, 75 ÷ 100;
- Materiale = acciaio ad alto tenore di carbonio trattato con vite micrometrica in acciaio legato e
rettificato (errore sul passo ≤ 0,001 mm).
L'incudine e l'asta mobile hanno un diametro di 8 mm, sono di acciaio resistente all'usura e
all'ossidazione, temprato e stabilizzato, infine rettificato.
Lo stativo é di acciaio o di ghisa malleabile.
APPROSSIMAZIONE DEL MICROMETRO
L'approssimazione del micrometro è espressa dalla quantità di cui si sposta assialmente la vite
quando il lembo graduato ruota di una graduazione.
Se P = passo vite micrometrica ed N = numero graduazioni, in un giro completo della bussola la
vite si sposta di una quantità uguale al passo.
Se la bussola ruota di una divisione, cioè 1/N di giro la vite si scosterà di P/N.
Cioé:
1 : P = 1/N : x
da cui:
x = P/N
Quindi:
A = P/N
Se P = 0,50 = passo della vite ed N = 50 il numero delle divisioni:
A = 0,5/50 = 0,01 (mm)
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MICROMETRO PER INTERNI A 3 PUNTE
I micrometri per interni sono strumenti a lettura
diretta, che rilevano la misura del diametro dei
fori passanti o ciechi, sfruttando il principio
dell’espansione di misura mediante un cono
liscio spinto da una vite micrometrica.
Sono adatti all’impiego in officina, in sala di
collaudo e laboratori per i seguenti motivi:
1) precisione elevata delle misure (0,005
mm)
2) indicazione
del
valore
reale
indipendentemente dalla sensibilità
dell’operatore
3) lettura semplice e sicura
4) semplicità d’impiego
5) ripetibilità della misura assicurata da
una pressione di contatto costante
6) convenienza rispetto ai tamponi fissi,
che comportano elevati costi d’acquisto, di magazzino e manutenzione.
Lo strumento consta sostanzialmente di una testa di misura, di una vite micrometrica e del tamburo di lettura.
La testa di misura è costituita da un corpo in cui scorre un cono liscio sulla generatrice del quale sono tenuti appoggiati
da molle i tre tasti di misura.
La vite micrometrica, in acciaio temprato come la testa di misura, ha passo 0,5 mm.
Il tamburo di lettura porta le incisioni dei centesimi e la tacca di riferimento per i millimetri.
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