Концевые меры (также известные как концевые меры , калибры Йоханссона , скользящие калибры или блоки Джо ) представляют собой систему для получения точных длин. Отдельная концевая мера представляет собой металлический или керамический блок, который был прецизионно отшлифован и притерт до определенной толщины. Концевые меры поставляются в наборах блоков с диапазоном стандартных длин. При использовании блоки укладываются друг на друга, чтобы получить нужную длину (или высоту).
Концевые меры были изобретены в 1896 году шведским машинистом Карлом Эдвардом Юханссоном . [1] Они используются в качестве эталона для калибровки измерительного оборудования, используемого в механических цехах , такого как микрометры , синусные линейки , штангенциркули и циферблатные индикаторы (при использовании в качестве инспекции ). Концевые меры являются основным средством стандартизации длины, используемым в промышленности. [1]
Важной особенностью концевых мер является то, что их можно соединять вместе с очень небольшой размерной неопределенностью. Блоки соединяются скользящим процессом, называемым скручиванием , который заставляет их сверхплоские поверхности слипаться. Небольшое количество концевых мер может использоваться для создания точных длин в широком диапазоне. Используя три блока за раз, взятых из набора из 30 блоков, можно создать любую из 1000 длин от 3,000 до 3,999 мм с шагом 0,001 мм (или от 0,3000 до 0,3999 дюйма с шагом 0,0001 дюйма).
Калибровочный блок представляет собой блок из металла или керамики с двумя противоположными поверхностями, отшлифованными точно плоско и параллельно, на точном расстоянии друг от друга. Стандартные блоки изготавливаются из закаленного стального сплава, в то время как калибровочные блоки часто изготавливаются из карбида вольфрама (WC), карбида хрома (CrC) или керамики ( на основе SiO 2 ), поскольку они тверже и меньше изнашиваются. [2] Калибровочные блоки поставляются в наборах блоков различной длины вместе с дополнительными износостойкими блоками, что позволяет составлять широкий спектр стандартных длин путем их укладки. Длина каждого блока на самом деле немного короче номинальной длины, проштампованной на нем, поскольку проштампованная длина включает длину одной скрученной пленки , пленки смазки, которая разделяет соседние поверхности блока при нормальном использовании. Толщина скрученной пленки составляет около 25 нанометров (0,98 мкдюйма). [3] Номинальная длина датчика также известна как интерферометрическая длина . [4]
При использовании блоки извлекаются из набора, очищаются от защитного покрытия ( вазелин или масло) и сжимаются вместе , чтобы сформировать стопку требуемого размера. Калибровочные блоки калибруются для точности при 20 °C (68 °F) и должны поддерживаться при этой температуре во время проведения измерений. Это смягчает эффекты теплового расширения . Износостойкие блоки, изготовленные из более твердого вещества, такого как карбид вольфрама , включены на каждом конце стопки, когда это возможно, чтобы защитить калибровочные блоки от повреждения при использовании.
Механики и слесари-инструментальщики стараются использовать стопку с наименьшим количеством блоков, чтобы избежать накопления ошибок размера. Например, стопка общим весом .638, состоящая из двух блоков (блок .500, сжатый до блока .138), предпочтительнее стопки общим весом .638, состоящей из четырех блоков (например, .200, .149, .151 и .138, сжатых вместе). Как подробно описано в разделе «Сорта», каждый блок имеет допуск размера в несколько миллионных долей дюйма, поэтому их укладка вместе вносит кумулятивную неопределенность. Однако ошибка укладки даже от нескольких блоков обычно незначительна во всех случаях, кроме самых сложных. В загруженном цехе некоторые блоки будут использоваться в другом месте, поэтому создается стопка из блоков, доступных в данный момент. Обычно разница в несколько миллионных долей дюйма не будет обнаружена или не будет иметь значения в контексте. Контексты, требующие предельной точности, встречаются реже и требуют дополнительных затрат (например, большего количества наборов блоков и более высоких классов блоков).
Скручивание — это процесс скольжения двух блоков вместе, так что их поверхности соединяются. Благодаря своим сверхплоским поверхностям при скручивании калибровочные блоки плотно прилегают друг к другу. Правильно скрученные блоки могут выдерживать тягу в 300 Н (67 фунтов силы). [5] Механизм представляет собой комбинацию: [4] [5] [ требуется обновление ]
Считается, что последние два источника являются наиболее значимыми. [4] Эксперименты с трением блоков также показывают, что удаление оксидной пленки с поверхности стали путем отжима играет важную роль в процессе отжима. [7]
Никакого магнетизма , хотя для пользователя сцепляемость блоков ощущается как сцепляющиеся друг с другом слабые магниты на холодильнике. Однако, в отличие от магнитов, сцепляемость длится только до тех пор, пока блоки полностью соединены — блоки не притягиваются друг к другу через видимые зазоры, как это делают магниты.
Процесс отжима состоит из четырех этапов: [4]
После использования блоки повторно смазываются или смазываются для защиты от коррозии . Способность данного калибра к скручиванию называетсяскручиваемость ; официально определяется как «способность двух поверхностей плотно прилегать друг к другу при отсутствии внешних средств». Минимальные условия для скручиваемости — этошероховатость поверхности1 микродюйм (0,025 мкм)AAили лучше, иплоскостностьне менее 5 микродюймов (0,13 мкм).[4]
Существует формальный тест для измерения скручиваемости. Сначала блок подготавливается к скручиванию с использованием стандартного процесса. Затем блок скользит по 2-дюймовой (51 мм) эталонной (плоскостность 1 мкдюйм (0,025 мкм)) оптической плоскости кварца , прикладывая умеренное давление. Затем нижняя часть калибровочного блока осматривается (через оптическую плоскость) на предмет наличия масла или цвета. Для федеральных классов 0,5, 1 и 2 и классов ISO K, 00 и 0 под калибровочным блоком не должно быть видно масла или цвета. Для федерального класса 3 и классов ISO 1 и 2 не более 20% площади поверхности должны иметь масло или цвет. Этот тест трудно выполнить на калибровочных блоках тоньше 0,1 дюйма (2,5 мм), поскольку они, как правило, не являются плоскими в расслабленном состоянии. [4]
Изображенные аксессуары предоставляют набор держателей и инструментов для расширения полезности набора калибровочных блоков. Они предоставляют средства для надежного зажима больших стопок вместе, а также контрольные точки, чертилки и различные формы блоков, которые действуют как губки штангенциркуля, как внешние, так и внутренние. Конические наконечники облегчают измерение расстояний от центра до центра между центрами отверстий. Стопка калибровочных блоков с внешними принадлежностями для губ штангенциркуля, все сжатые вместе, действует как быстро собираемый калибр для прохода или непрохода на заказ .
Для удаления зазубрин и заусенцев , чтобы сохранить возможность отжима, используется специальный калибровочный камень , который не может повредить поверхность . [4]
Для подготовки калибровочного блока к отжиму используются две отжимные подушечки . Первая — масляная подушечка , которая наносит тонкий слой масла на блок. Вторая — сухая подушечка , которая удаляет излишки масла с блока после использования масляной подушечки. [4]
Концевые меры доступны в различных классах, в зависимости от их предполагаемого использования. [8] Критерием классификации является жесткость допуска по их размерам; таким образом, более высокие классы изготавливаются с более жесткими допусками и имеют более высокую точность и правильность . Различные стандарты классификации включают: JIS B 7506-1997 (Япония)/DIN 861-1980 (Германия), ASME (США), BS 4311: Часть 1: 1993 (Великобритания). Допуски будут варьироваться в пределах одного класса по мере увеличения толщины материала.
Более поздние обозначения марок включают (Федеральная спецификация США GGG-G-15C):
и ANSI/ASME B89.1.9M, который определяет как абсолютные отклонения от номинальных размеров, так и пределы параллельности в качестве критериев для определения класса. Как правило, классы эквивалентны бывшим федеральным классам США следующим образом:
Стандарт ANSI/ASME следует той же философии, что и в ISO 3650. Более подробную информацию о допусках для каждого сорта и размера блока см. в справке NIST ниже. Также см. страницу 3: Допуски коммерческих блоков калибров (длина относится к калиброванной толщине)
Концевые меры обычно изготавливаются из закаленных инструментальных сталей , керамики или твердых сплавов (например, карбида вольфрама или карбида тантала ). Часто карбид имеет твердость 1500 по Виккерсу . Длинные серии блоков изготавливаются из высококачественной стали с поперечным сечением (35 × 9 мм) с отверстиями для зажима двух пластин вместе. Они также доступны в материале из углеродистой стали. Стальные блоки закалены и отпущены . Твердость важна , поскольку она замедляет скорость износа датчика во время использования (именно поэтому другие виды датчиков, такие как штифты, резьбовые пробки и кольца, также закалены). Резка блоков по размеру выполняется шлифованием с последующей притиркой . Обычно не используется гальваническое или иное покрытие. Блоки содержатся очень слегка смазанными и хранятся и используются в сухих климатически контролируемых условиях; стальные калибровочные меры без гальванического покрытия могут служить десятилетиями без ржавчины.
Набор калибровочных блоков, также известный как «Jo Blocks», был разработан шведским изобретателем Карлом Эдвардом Юханссоном . [9] В 1888 году Юханссон был нанят инспектором-оружейником на государственном арсенале Carl Gustafs stads Gevärsfaktori (завод по производству винтовок города Карла Густава) в городе Эскильстуна , Швеция. Он был обеспокоен дорогими инструментами для измерения деталей винтовок Remington , которые тогда производились по лицензии на заводе Carl Gustaf. Когда в 1894 году Швеция приняла на вооружение адаптированный вариант карабина Mauser , Юханссон был очень взволнован возможностью изучить методы измерения Маузера в рамках подготовки к производству по лицензии на заводе Carl Gustaf (которое началось несколько лет спустя). Однако визит на завод Mauser в Оберндорфе-на-Неккаре , Германия, оказался разочарованием. По дороге домой в поезде он размышлял над этой проблемой, и ему пришла в голову идея о наборе блоков, которые можно было бы объединить для получения любой меры.
К этому времени уже существовала долгая история все более широкого использования калибров, таких как калибры для опиливания и проходные/непроходные калибры , которые изготавливались по индивидуальному заказу в инструментальном цехе для использования в цехе; но никогда не существовало сверхточных калибровочных блоков, которые можно было бы сжимать вместе, чтобы получить разные длины, как теперь представлял себе Йоханссон.
Вернувшись домой, Йоханссон переделал швейную машинку Singer своей жены в шлифовально-притирочный станок. Он предпочитал выполнять эту точную работу дома, так как шлифовальные станки на оружейной фабрике были недостаточно хороши. Его жена Маргарета помогала ему с первоначальным прототипированием. После того, как Йоханссон продемонстрировал свой набор на заводе Carl Gustaf, его работодатель предоставил ему время и ресурсы для разработки идеи. 2 мая 1901 года Йоханссон получил свой первый шведский патент, патент SE № 17017, под названием «Наборы концевых мер для точных измерений». 16 марта 1917 года Йоханссон основал шведскую компанию CE Johansson AB (также известную как «CEJ»).
Йоханссон провел много лет в Америке; за свою жизнь он пересек Атлантику 22 раза. [ необходима цитата ] Первый набор измерительных блоков CEJ в Америке был продан Генри М. Лиланду в Cadillac Automobile Company около 1908 года. Первый завод по производству его наборов измерительных блоков в Америке был основан в Покипси , округ Датчесс, штат Нью-Йорк, в 1919 году. Экономическая обстановка послевоенного спада и депрессии 1920–21 годов оказалась не столь благоприятной для компании, поэтому в 1923 году он написал письмо Генри Форду из Ford Motor Company , в котором предложил сотрудничество с целью спасения своей компании. Генри Форд заинтересовался, и 18 ноября 1923 года он начал работать на Генри Форда в Дирборне, штат Мичиган . Хауншелл (1984), ссылаясь на Альтина (1948) и различные архивные первоисточники, говорит: «Генри Форд приобрел знаменитое производство калибров шведа К. Э. Йоханссона в 1923 году и вскоре переместил его в лабораторный комплекс в Дирборне. Между 1923 и 1927 годами подразделение Йоханссона поставляло «Jo-blocks» в инструментальный цех Форда и любому производителю, который мог себе их позволить. Оно также производило некоторые из «проходных» и «непроходных» калибров Форда, используемых в производстве, а также другие прецизионные производственные устройства». [10]
В начале 20-го века дюйм США фактически определялся как 25,4000508 мм (с опорной температурой 68 °F (20 °C )), а дюйм Великобритании — как 25,399977 мм (с опорной температурой 62 °F (17 °C)). [11] Когда в 1912 году Йоханссон начал производить концевые меры в дюймах, компромисс Йоханссона заключался в производстве концевых мер с номинальным размером 25,4 мм с опорной температурой 20 °C (68 °F), с точностью до нескольких частей на миллион от обоих официальных определений. Поскольку блоки Йоханссона были настолько популярны, его блоки стали фактическим стандартом для производителей по всему миру, [11] [12] при этом другие производители концевых мер последовали определению Йоханссона, производя блоки, разработанные так, чтобы быть эквивалентными его. [13]
В 1930 году Британский институт стандартов принял дюйм, равный ровно 25,4 мм. Американская ассоциация стандартов последовала этому примеру в 1933 году. К 1935 году промышленность в 16 странах приняла «промышленный дюйм», как его стали называть, [14] [15] фактически одобрив прагматичный выбор коэффициента преобразования Йоханссона. [11]
В 1936 году, в возрасте 72 лет, Юханссон почувствовал, что пришло время уйти на пенсию и вернуться в Швецию. Он был награжден большой золотой медалью Королевской шведской академии инженерных наук в 1943 году, вскоре после своей смерти.
В 1948 году Brown & Sharpe выкупила права на бренд CE Johansson у Ford Motor Co., [16] и были изготовлены блоки с логотипами CE Johansson и Brown & Sharpe . Блоки с логотипами CE Johansson и Ford иногда используются и сегодня.
Подобно концевым мерам, это прецизионно отшлифованные цилиндрические стержни, которые используются в качестве контрольных калибров для измерения диаметров отверстий или в качестве частей проходных/непроходных калибров или в аналогичных устройствах.
Они поставляются в виде наборов отдельных роликов или шариков, используемых в роликовых или шариковых подшипниках или в производстве инструментов и штампов . Калибровочные шарики могут использоваться для калибровки гониометров угла контакта , станков с ЧПУ и аналогичного оборудования.