Analiza wpływu rezonansu igły pomiarowej na wyniki pomiaru chropowatości (Ra) w otworach platerowanych

1 Wstęp

W procesach wytwarzania komponentów przeznaczonych dla energetyki jądrowej obowiązują wymagania jakościowe o najwyższym stopniu rygorystyczności, gdzie nie dopuszcza się żadnych kompromisów ani niejednoznaczności interpretacyjnych. Dotyczy to w szczególności parametrów chropowatości powierzchni, które w wielu zastosowaniach mają bezpośredni wpływ na własności funkcjonalne elementów, ich trwałość oraz bezpieczeństwo pracy całych układów.

W takich warunkach pomiar chropowatości nie może być traktowany wyłącznie jako procedura kontrolna, lecz jako integralny element procesu technologicznego i systemu zapewnienia jakości. Wymaga to nie tylko stosowania odpowiednich przyrządów pomiarowych, ale również dogłębnego zrozumienia ich rzeczywistego działania, ograniczeń oraz potencjalnych źródeł błędów, które w specyficznych warunkach pomiarowych mogą prowadzić do istotnych zniekształceń wyników.

W takich warunkach nie wystarcza jedynie poprawne wykonanie pojedynczego pomiaru. Niezbędne jest zapewnienie, że cały system pomiarowy – obejmujący zarówno przyrząd, jego konfigurację, jak i sposób interpretacji wyników – działa w sposób stabilny, powtarzalny oraz odporny na zakłócenia wynikające z warunków geometrycznych pomiaru. Szczególnego znaczenia nabiera to w sytuacjach, gdy pomiary realizowane są w nietypowych warunkach, takich jak pomiar chropowatości wewnątrz otworów cylindrycznych, często w orientacji pionowej, z ograniczoną długością drogi pomiarowej oraz zmiennymi właściwościami materiałowymi (np. obecność plateru).

Błędna interpretacja wyników pomiarów chropowatości może prowadzić do poważnych konsekwencji technologicznych. W szczególności może ona skutkować nieprawidłową oceną zdolności procesu (np. poprzez zaniżenie lub zawyżenie wskaźników takich jak C_pk), a w konsekwencji prowadzić do podejmowania błędnych decyzji dotyczących parametrów obróbki, doboru narzędzi czy kwalifikacji wyrobu. W skrajnych przypadkach może to oznaczać zarówno nieuzasadnione odrzuty detali, jak i dopuszczenie do produkcji elementów niespełniających rzeczywistych wymagań jakościowych.

Celem niniejszego opracowania jest szczegółowa analiza procesu pomiaru chropowatości w warunkach rzeczywistych, ze szczególnym uwzględnieniem wpływu parametrów pomiarowych oraz ograniczeń geometrycznych na uzyskiwane wyniki. W pracy skoncentrowano się na identyfikacji zjawisk mogących prowadzić do powstawania błędów pomiarowych, w tym efektów wynikających z interakcji między strukturą geometryczną powierzchni a właściwościami dynamicznymi układu pomiarowego.

W oparciu o przeprowadzone pomiary oraz analizę sygnałów profilu chropowatości (w tym analizę częstotliwościową), podjęto próbę wyjaśnienia obserwowanych rozbieżności wyników oraz wskazania ich przyczyn fizycznych. Szczególną uwagę poświęcono wpływowi doboru długości odcięcia λc oraz parametrów drogi pomiarowej na stabilność i wiarygodność wyników.

Efektem przeprowadzonej analizy jest zestaw praktycznych zaleceń dotyczących zarówno konfiguracji przyrządu pomiarowego, jak i interpretacji uzyskiwanych wyników, mających na celu zwiększenie wiarygodności pomiarów oraz ograniczenie ryzyka błędnych decyzji technologicznych w warunkach produkcji seryjnej.

2 Charakterystyka systemu pomiarowego oraz geometria pomiaru

2.1 Geometria głowicy pomiarowej

Podstawowym elementem systemu pomiarowego jest głowica stykowa wyposażona w igłę pomiarową oraz pad ślizgowy. Geometria tego układu ma bezpośredni wpływ na możliwość wykonania pomiaru w ograniczonej przestrzeni geometrycznej, jaką stanowi otwór cylindryczny.

Z dokumentacji producenta wynika, że:

• szerokość głowicy wynosi nominalnie 4,8 mm,
• odległość igły pomiarowej od dolnej krawędzi głowicy wynosi 1,5 mm.

Jednak w trakcie przeprowadzonych badań stwierdzono, że rzeczywista głowica używana w pomiarach posiada inne wymiary:

szerokość głowicy wynosi 4,0 mm, odległość igły od dolnej krawędzi wynosi około 1,0 mm.

Różnice te nie zostały jednoznacznie wyjaśnione przez producenta i mogą wynikać z zastosowania starszej wersji głowicy lub wariantu konstrukcyjnego nieobjętego aktualną dokumentacją techniczną.

Z punktu widzenia metrologii różnice te mają istotne znaczenie, ponieważ wpływają bezpośrednio na wstępne ustawienie głowicy względem powierzchni statywu na którym ta głowica jest zamocowana.

2.2 Rola i niejawna geometria pada ślizgowego

Istotnym, lecz niewystarczająco opisanym w dokumentacji producenta elementem głowicy jest pad ślizgowy (tzw. skid), który odpowiada za odniesienie pomiaru do lokalnej geometrii powierzchni.

W dostępnych materiałach technicznych brak jest informacji dotyczących:

• dokładnej geometrii pada,
• jego rzeczywistego punktu kontaktu z powierzchnią,
• odległości tego punktu od igły pomiarowej.

Parametry te zostały oszacowane na podstawie:

• analizy powiększonych zdjęć głowicy,
• pomiarów orientacyjnych wykonanych suwmiarką,
• rekonstrukcji geometrycznej (reverse engineering).

W wyniku tej analizy stwierdzono, że:

• rzeczywisty punkt kontaktu pada z powierzchnią jest odsunięty od igły o określoną, nieznaną dokładnie wartość, którą w przybliżeniu można oszacować na 1,5 mm
• układ igła–pad tworzy układ mechaniczny o określonej długości bazowej, który wpływa na sposób odwzorowania profilu.

Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ:

• pomiar nie odnosi się do absolutnego poziomu odniesienia, lecz do lokalnej geometrii powierzchni,
• układ ten działa jak filtr mechaniczny, tłumiąc długie fale i wzmacniając określone składowe profilu,
• w warunkach ograniczonej geometrii (np. otwór) może dochodzić do niestabilności kontaktu lub zniekształceń pomiaru.
• należy zapewnić aby na całej drodze pomiarowej pad miał nieprzerwany kontakt z materiałem a szczególnie aby dochodził do krawędzi otworu na której może występować grat, a także aby nie przekraczał krawędzi otworu co może prowadzić do zafałszowania wyników lub do błędów przekroczenia zakresu.

2.3 Definicja i rzeczywisty przebieg drogi pomiarowej

Analiza zachowania przyrządu pomiarowego wykazała, że rzeczywisty przebieg pomiaru różni się od uproszczonego opisu spotykanego w dokumentacji.

W szczególności stwierdzono, że:

1. Stała droga wstępna

   Niezależnie od ustawień, przyrząd realizuje zawsze wstępny odcinek pomiarowy o długości równej λc, na którym nie jest dokonywany żaden pomiar (wyniki nie są prezentowane na ekranie przyrządu) a także nie jest on uwzględniany w ocenie chropowatości.

2. Droga pomiarowa

   Po przebyciu odcinka wstępnego realizowana jest właściwa droga pomiarowa, definiowana jako:

   • n × λc – w przypadku zadania liczby odcinków,
   • L – w przypadku zadania długości bezwzględnej.

3. Droga oceny – wpływ opcji „Przed/Po”

   Włączenie opcji „Przed/Po” powoduje zarówno zmianę drogi pomiarowej jak i zmianę zakresu oceny:

   1. Dla parametru n:

      • do drogi pomiarowej dodawany jest jeden dodatkowy odcinek λc,
      • ocena rozpoczyna się w połowie pierwszego odcinka λc (nie licząc wstępnego odcinka λc),
      • kończy się w połowie ostatniego (dodatkowego) odcinka λc.

   2. Dla parametru L:

      • całkowita droga pomiarowa pozostaje równa L,
      • droga oceny zostaje skrócona o ½λc na początku i ½λc na końcu.

2.4 Konsekwencje geometryczne w pomiarze otworów

W przypadku pomiarów chropowatości realizowanych wewnątrz otworów cylindrycznych, przedstawione wcześniej zależności geometryczne oraz sposób definiowania drogi pomiarowej prowadzą do szeregu istotnych ograniczeń i potencjalnych źródeł błędów.

Przede wszystkim należy uwzględnić, że rzeczywista długość toru ruchu głowicy jest większa niż deklarowana długość oceny, co wynika z obecności stałego odcinka wstępnego o długości λc. W praktyce oznacza to, że zarówno początek, jak i koniec rzeczywistego kontaktu układu pomiarowego z powierzchnią mogą znajdować się poza obszarem objętym analizą wyników.

Dodatkowo, ze względu na obecność pada ślizgowego, pomiar realizowany jest nie tylko przez igłę pomiarową, lecz przez cały układ mechaniczny igła–pad, którego geometria oraz wzajemne położenie względem powierzchni mają bezpośredni wpływ na stabilność i wiarygodność pomiaru.

W szczególności należy zwrócić uwagę na krytyczne zjawisko związane z położeniem punktu kontaktu pada ślizgowego względem krawędzi otworu. W przypadku niewłaściwego doboru głębokości wprowadzenia głowicy lub długości drogi pomiarowej może dojść do sytuacji, w której:

• punkt kontaktu pada znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie krawędzi otworu,

• lub przekracza tę krawędź, tracąc kontakt z powierzchnią cylindryczną.

Zjawisko to ma istotne konsekwencje metrologiczne:

• utrata stabilnego odniesienia dla pomiaru powoduje lokalną zmianę warunków pracy układu igła–pad,

• dochodzi do zmiany sposobu odwzorowania profilu chropowatości,

• możliwe jest generowanie artefaktów pomiarowych, w tym sztucznych składowych o określonej częstotliwości,

• w skrajnych przypadkach uzyskiwane wyniki mogą być formalnie poprawne (zgodne z parametrami ustawień), lecz nieodzwierciedlające rzeczywistej struktury powierzchni.

Należy podkreślić, że zjawisko to nie jest wprost opisane w dokumentacji producenta, a jego identyfikacja wynika z analizy geometrycznej układu oraz obserwacji przebiegu pomiarów.

W praktyce oznacza to konieczność traktowania całego toru ruchu głowicy – obejmującego zarówno odcinek wstępny, właściwą drogę pomiarową, jak i położenie pada ślizgowego – jako elementu krytycznego przy planowaniu pomiaru. Nieuwzględnienie tych zależności może prowadzić do sytuacji, w której pomiar realizowany jest częściowo poza właściwym obszarem geometrycznym, co bezpośrednio przekłada się na obniżenie wiarygodności uzyskiwanych wyników.

2.5 Przykładowe ustawienie głowicy pomiarowej

W celu zapewnienia poprawnego przebiegu pomiaru chropowatości wewnątrz otworu cylindrycznego konieczne jest precyzyjne określenie początkowej pozycji głowicy pomiarowej. Pozycja ta powinna być dobrana w taki sposób, aby zarówno igła pomiarowa, jak i pad ślizgowy pozostawały w stabilnym kontakcie z powierzchnią przez cały rzeczywisty tor ruchu, obejmujący odcinek wstępny oraz właściwą drogę pomiarową.

Ustalenie odpowiedniej głębokości wprowadzenia głowicy można zrealizować poprzez odniesienie jej położenia do powierzchni bazowej przyrządu oraz uwzględnienie pełnej długości toru ruchu wynikającej z przyjętych parametrów pomiarowych.

W praktyce warsztatowej ustalenie głębokości początkowej głowicy pomiarowej może być zrealizowane w sposób prosty i powtarzalny, bez konieczności stosowania specjalistycznych przyrządów pomiarowych. Jedną z najskuteczniejszych metod jest wykorzystanie standardowej suwmiarki jako narzędzia referencyjnego do wyznaczenia położenia głowicy względem powierzchni bazowej statywu.

W przedstawionym rozwiązaniu końcówka głębokościomierza suwmiarki opiera się o powierzchnię odniesienia (dolną powierzchnię statywu). Pozwala to na bezpośrednie odwzorowanie wcześniej wyliczonej głębokości ustawienia wynikającej z analizy drogi pomiarowej.

Metoda ta umożliwia:

• szybkie i powtarzalne ustawienie pozycji początkowej głowicy,

• ograniczenie błędów wynikających z subiektywnej oceny położenia,

• bezpośrednie powiązanie ustawienia geometrycznego z przyjętymi parametrami pomiarowymi (λc, n, L, „Przed/Po”).

Należy jednak podkreślić, że dokładność tej metody zależy od:

• precyzji samej suwmiarki,

• stabilności oparcia o powierzchnię odniesienia,

• zachowania prostopadłości osi pomiaru względem powierzchni bazowej.

W kontekście przedstawionej wcześniej analizy geometrycznej metoda ta stanowi praktyczne narzędzie pozwalające na świadome i kontrolowane ustawienie głowicy pomiarowej, minimalizujące ryzyko błędów wynikających z niewłaściwego doboru położenia początkowego.

W poniższych czterech punktach przedstawiono przykładowe konfiguracje ustawienia głowicy dla różnych parametrów pomiarowych, przy założeniu:

• długości odcięcia λc = 2,5 mm,

• droga pomiarowa zakończy się w odległości 2 mm od krawędzi otworu,

• zastosowana jest głowica o geometrii zgodnej z aktualną dokumentacją Mitutoyo, z igłą oddaloną o 1,5 mm,

• punkt kontaktu pada z materiałem znajduje się o 1,5 mm od igły pomiarowej

2.5.1 Przypadek 1: n = 5, opcja „Przed/Po” włączona

• całkowita droga ruchu głowicy wynosi:
  λc (droga wstępna) + n·λc + λc (dodatkowy odcinek dla „Przed/Po”) = 7·λc = 17,5 mm,

• droga oceny rozpoczyna się w połowie pierwszego odcinka λc i kończy w połowie ostatniego,

• efektywna długość oceny wynosi 5·λc = 12,5 mm.

Przy ustawieniu głowicy na głębokości początkowej odpowiadającej 21 mm względem powierzchni odniesienia, zakres drogi oceny mieści się w przedziale od –15,75 mm do –3,25 mm.

2.5.2 Przypadek 2: n = 5, opcja „Przed/Po” wyłączona

• całkowita droga ruchu głowicy wynosi:
  λc + n·λc = 6·λc = 15 mm,

• droga oceny pokrywa się z pełnym zakresem n·λc = 12,5 mm.

W porównaniu do przypadku z włączoną opcją „Przed/Po”, zmniejszeniu ulega całkowita długość ruchu głowicy, należy uwzględnić w wstępnym ustawieniu głowicy pomiarowej. W tym przypadku wymagane jest ustawienie głowicy pomiarowej 18,5 mm względem powierzchni odniesienia, natomiast zakres drogi oceny mieści się w przedziale od –14,5 mm do –2 mm.

2.5.3 Przypadek 3: L = 10 mm, opcja „Przed/Po” wyłączona

• całkowita droga pomiarowa wynosi L = 10 mm,

• droga oceny pokrywa się z całą długością L.

Należy zwrócić uwagę, że długość L nie jest podzielna przez λc, co oznacza, że filtracja sygnału realizowana jest na odcinkach niebędących wielokrotnością długości odcięcia. Może to wpływać na sposób odwzorowania profilu chropowatości oraz porównywalność wyników z pomiarami realizowanymi w standardowym układzie n·λc.

Taki dobór warunków pomiaru wymaga aby głowica pomiarowa była ustawiona 16 mm względem powierzchni odniesienia, natomiast zakres drogi oceny mieści się w przedziale od –12 mm do –2 mm.

2.5.4 Przypadek 4: L = 10 mm, opcja „Przed/Po” włączona

• całkowita droga ruchu głowicy pozostaje równa L = 10 mm,

• droga oceny zostaje skrócona o ½λc na początku oraz ½λc na końcu,

• efektywna długość oceny wynosi:
  L – λc = 7,5 mm.

W tym przypadku zmiana ustawienia „Przed/Po” nie wpływa na całkowitą długość ruchu głowicy, lecz powoduje przesunięcie i skrócenie zakresu oceny. W praktyce może to prowadzić do istotnych różnic w wynikach pomiaru, szczególnie w warunkach ograniczonej geometrii, gdzie długość dostępnego odcinka pomiarowego jest porównywalna z wartościami λc.

Dla tego przypadku wymagania dotyczące ustawienia głowicy są takie same jak poprzednio natomiast zakres drogi oceny mieści się w przedziale od –10,75 mm do –3,25 mm.

3 Dobór długości odcięcia λc

3.1 Wymagania normatywne

W ujęciu normatywnym dobór λc opiera się na przewidywanym zakresie wartości Ra, co można interpretować jako pewną formę „wartości oczekiwanej” w sensie technologicznym – wynikającej z założeń procesu.

Jednak w ujęciu statystycznej kontroli procesu (SPC), wartość oczekiwana ma ścisłe znaczenie matematyczne:

• jest to średnia wartość parametru (np. Ra) w długim okresie,

• a jej interpretacja jest nierozerwalnie związana z odchyleniem standardowym σ oraz wskaźnikami zdolności procesu (np. Cpk).

W tym kontekście pojawia się istotna zależność:

• dla wyższych wartości Ra (np. powyżej 2–3 µm),

• przy jednoczesnym wymaganiu utrzymania wysokiej zdolności procesu (np. Cpk ≥ 1,3),

• konieczne jest ograniczenie zmienności procesu (σ) do stosunkowo niskiego poziomu.

Oznacza to, że:

• wartości Ra znacznie przekraczające zakres typowy dla danego λc mogą występować jedynie incydentalnie,

• a rzeczywisty rozkład wartości Ra powinien mieścić się w węższym przedziale niż wynikałoby to z samej normy.

W praktyce prowadzi to do wniosku, że dobór λc wyłącznie na podstawie tabel normatywnych może być niewystarczający z punktu widzenia analizy statystycznej procesu.

3.2 Ograniczenia technologiczne i geometryczne

W przypadku elementów takich jak przegrody lub ściany sitowe wymienników ciepła, dostępna długość pomiarowa może być silnie ograniczona przez geometrię detalu oraz warunki poprawnego kontaktu głowicy pomiarowej.

Dla przykładowej przegrody o grubości 14 mm, rzeczywista długość dostępna do analizy ulega redukcji ze względu na konieczność zapewnienia poprawnych warunków pomiaru:

• minimalna odległość od krawędzi otworu do punktu rozpoczęcia pomiaru: ~1 mm,

• minimalna odległość od drugiej krawędzi do końca pomiaru (z uwagi na podparcie pada): ~2 mm.

W efekcie:

• z nominalnych 14 mm pozostaje około 11 mm efektywnej długości pomiarowej,

• od której należy dodatkowo odjąć odcinek wstępny (λc).

Dla dwóch rozważanych wariantów:

3.2.0.1 Wariant 1: λc = 2,5 mm

• dostępna długość po odjęciu odcinka wstępnego:
  11 mm – 2,5 mm = 8,5 mm,

• maksymalna liczba odcinków:
  n = 3 (7,5 mm),

• oznacza to odstępstwo od normy (n < 5).

3.2.0.2 Wariant 2: λc = 0,8 mm

• dostępna długość po odjęciu odcinka wstępnego:
  11 mm – 0,8 mm = 10,2 mm,

• możliwa liczba odcinków:
  n = 8 (6,4 mm),

• możliwe zastosowanie opcji „Przed/Po”.

3.3 Wybór wariantu pomiarowego

Z punktu widzenia formalnego:

• wariant z λc = 2,5 mm jest zgodny z doborem λc według normy ISO dla wyższych wartości Ra,

• jednak nie spełnia wymagań dotyczących liczby odcinków (n = 5).

Z punktu widzenia metrologicznego i statystycznego:

• wariant z λc = 0,8 mm zapewnia większą liczbę odcinków pomiarowych,

• lepszą reprezentatywność wyniku,

• większą stabilność estymacji wartości średniej oraz parametrów rozkładu.

Dodatkowo:

• krótsza długość λc zmniejsza ryzyko wystąpienia niepożądanych efektów dynamicznych (np. wzbudzenia rezonansowego igły),

• umożliwia pełniejsze pokrycie obszaru pomiarowego w warunkach ograniczonej geometrii,

• pozwala na lepsze dopasowanie toru pomiarowego do rzeczywistej struktury powierzchni (np. obecności plateru).

3.4 Wniosek

W analizowanym przypadku bardziej uzasadniony jest wybór:

λc = 0,8 mm oraz n = 8

pomimo formalnego odstępstwa od zaleceń normy w zakresie doboru λc.

Decyzja ta wynika z faktu, że:

• spełnione zostają kluczowe wymagania dotyczące liczby odcinków pomiarowych,

• zapewniona jest większa wiarygodność statystyczna wyniku,

• możliwe jest zachowanie poprawnych warunków geometrycznych pomiaru,

• ograniczone zostaje ryzyko błędów systemowych wynikających z interakcji układu pomiarowego z powierzchnią.

W konsekwencji przyjęcie krótszej długości odcięcia λc stanowi świadome i uzasadnione odstępstwo od normy, podyktowane rzeczywistymi warunkami pomiaru oraz wymaganiami analizy statystycznej procesu.

4 Analiza danych pomiarowych

4.1 Wpływ parametrów pomiaru na postać zarejestrowanego profilu

W dniu 23.03.2026 r. przeprowadzono obróbkę próbną sita platerowanego tytanem, w ramach której wykonano obróbkę wykańczającą ponad 550 otworów, zmieniając zarówno parametry technologiczne procesu, jak i stosowane narzędzia skrawające.

W dniu następnym, w godzinach 13:00–15:00, wykonano pomiary chropowatości uzyskanych otworów przy użyciu chropowatościomierza stykowego.

Pierwsze 59 otworów zostało zmierzone przy następujących ustawieniach:

• długość odcięcia: λc = 0,8 mm,
• liczba odcinków elementarnych: n = 5,
• pomiar bez drogi wejścia i wyjścia (Przed/Po wyłączone),
• ustawienie głowicy pomiarowej zapewniające przejście przez obszar

obejmujący około 2 mm stali czarnej oraz 2 mm plateru tytanowego.

Następnie, w wyniku wątpliwości dotyczących poprawności doboru długości odcięcia λc (w kontekście spodziewanych wartości Ra), zmieniono parametry pomiaru na:

• λc = 2,5 mm,
• n = 3,
• pomiar bez drogi wejścia i wyjścia,
• ustawienie głowicy pomiarowej zapewniające, aby końcowy odcinek około 2 mm profilu obejmował plater tytanowy.

Pomimo formalnej zgodności drugiego zestawu parametrów z zaleceniami normowymi dla wyższych wartości Ra, uzyskane wyniki okazały się istotnie gorsze niż dla λc = 0,8 mm. Różnice te były na tyle znaczące, że nie mogły być w sposób przekonujący wyjaśnione:

• większą długością odcinka pomiarowego,
• ani zmianą charakterystyki filtracji Gaussa wynikającą z innej wartości λc.

Powyższe obserwacje stały się podstawą do przeprowadzenia szczegółowej analizy mającej na celu identyfikację przyczyny uzyskanych wyników.

Dalsza analiza została przeprowadzona na podstawie profili dla pierwszych pięciu otworów:

• dla λc = 0,8 mm: pomiary oznaczone „26C24000” – „26C24004”,
• dla λc = 2,5 mm: pomiary oznaczone „26C24059” – „26C24063”.

Oznaczenie pomiarów ma następującą strukturę:

• „26” – rok pomiaru,
• „24” – dzień miesiąca,
• pozostała część – numer kolejnego pomiaru.

Na początek przeanalizowano pierwszy milimetr profilu dla obu zestawów parametrów pomiaru.

Należy podkreślić, że porównywane profile odpowiadają różnym fragmentom powierzchni otworu, co wynika z konieczności zmiany położenia głowicy pomiarowej przy przejściu na λc = 2,5 mm, przy jednoczesnym zachowaniu warunku obecności plateru w końcowej części profilu.

Zakres analizy ograniczono do 1 mm, aby umożliwić szczegółową ocenę lokalnego kształtu profilu. W takim powiększeniu możliwa jest obserwacja detali, które: - nie są widoczne na ekranie urządzenia pomiarowego, - oraz byłyby znacznie trudniejsze do identyfikacji przy analizie pełnej długości profilu.

Analiza wizualna uzyskanych przebiegów prowadzi do następujących wniosków:

• Profile uzyskane dla λc = 0,8 mm wykazują charakter zgodny z oczekiwanym obrazem topografii powierzchni po obróbce mechanicznej, tj. nieregularny przebieg z lokalnymi zmianami wysokości odpowiadającymi rzeczywistej strukturze powierzchni.

• Profile uzyskane dla λc = 2,5 mm wykazują wyraźną składową quasi-okresową o charakterze zbliżonym do przebiegu sinusoidalnego. Charakter tej składowej nie wynika wyłącznie z wizualnego wygładzenia krzywej

– Obserwowany przebieg jest bezpośrednio odzwierciedleniem zarejestrowanych punktów pomiarowych.

Biorąc pod uwagę charakter procesu skrawania, uzyskanie powierzchni o tak regularnym, gładkim przebiegu sinusoidalnym należy uznać za bardzo mało prawdopodobne z punktu widzenia fizyki obróbki mechanicznej, co wskazuje na istotny wpływ parametrów pomiaru na postać zarejestrowanego profilu.

Dodatkowo, na podstawie bezpośredniej obserwacji wykresów, można oszacować amplitudę analizowanych profili.

• Dla profili uzyskanych przy λc = 0,8 mm amplituda zmian wysokości wynosi w przybliżeniu ±4 µm, co jest zgodne z oczekiwanym rzędem wielkości chropowatości powierzchni po obróbce wykańczającej.

• Dla profili uzyskanych przy λc = 2,5 mm amplituda wzrasta do około ±15 µm, czyli jest blisko czterokrotnie większa.

Na obecnym etapie taka ocena wizualna jest wystarczająca, aby stwierdzić, że zmiana parametrów pomiaru prowadzi nie tylko do pojawienia się wyraźnej składowej quasi-okresowej, ale również do istotnego zwiększenia amplitudy zarejestrowanego profilu.

Z punktu widzenia fizyki procesu skrawania, jednoczesne wystąpienie:

• regularnego, quasi-sinusoidalnego przebiegu,
• oraz tak znacznego wzrostu amplitudy,

należy uznać za bardzo mało prawdopodobne, co dodatkowo wskazuje na dominujący wpływ konfiguracji pomiaru na postać uzyskanego sygnału.

4.2 Analiza pochodzenia rys na powierzchni otworów

Na powierzchni obrabianych otworów obserwowano wyraźne koliste rysy.

Jednocześnie zauważalna była wyraźna tendencja do zanikania tych rys w obszarze plateru tytanowego, gdzie wizualna ocena powierzchni wskazywała również na istotnie większą gładkość.

Z uwagi na charakter tych śladów można przyjąć, że ich powstanie było bezpośrednio związane z procesem obróbki. W szczególności rozważono trzy możliwe mechanizmy ich powstawania:

• ślad pozostawiony przez pracujące narzędzie skrawające,
• ślad powstały podczas wycofywania narzędzia,
• ślad pozostawiony przez wióry przemieszczające się wzdłuż narzędzia.

W przypadku pierwszego mechanizmu (śladu narzędzia) należałoby oczekiwać, że odległość pomiędzy kolejnymi rysami będzie związana z posuwem na ostrze, a tym samym z posuwem przypadającym na obrót narzędzia.

Analogicznie, w przypadku śladów powstających podczas wycofywania narzędzia, odległości między rysami powinny odzwierciedlać posuw zastosowany podczas ruchu wycofania.

W celu weryfikacji powyższych hipotez przeprowadzono dodatkową analizę profili, ograniczając się do pierwszych pięciu otworów oraz do pomiarów wykonanych przy λc = 0,8 mm. W przypadku profili uzyskanych dla λc = 2,5 mm obecność silnej składowej quasi-okresowej o dużej amplitudzie skutecznie maskowała analizowane rysy, które są wyraźnie widoczne w pierwszym zestawie danych.

Na powyższych wykresach przedstawiono profile z zaznaczonymi lokalnymi minimami odpowiadającymi analizowanym rysom. Widoczne są:

• wyraźne, lokalne zagłębienia odpowiadające rysom,
• istotnie gładszy przebieg profilu w obszarze plateru tytanowego,
• mniejsza liczba rys w tym obszarze,

przy czym należy zauważyć, że w przypadku pomiaru 26C24003 rysy występują również w obszarze plateru.

Na podstawie wyznaczonych położeń minimów obliczono odległości pomiędzy kolejnymi rysami. Wyniki zestawiono w tabeli:

Statystyki odległości pomiędzy rysami dla wybranych otworów

Pomiar	Grupa	λc [mm]	Liczba minimów	Mediana Δx [µm]	Średnia Δx [µm]	Δ od 300 µm
26C24000	λc = 0.8	0.8	7	353.5	305.7	53.5
26C24001	λc = 0.8	0.8	8	296.0	342.2	-4.0
26C24002	λc = 0.8	0.8	7	248.2	250.2	-51.8
26C24003	λc = 0.8	0.8	14	305.0	294.2	5.0
26C24004	λc = 0.8	0.8	8	210.5	467.9	-89.5

W analizie tej celowo zastosowano medianę jako miarę centralną zamiast średniej arytmetycznej. Wynika to z faktu, że:

• detekcja minimów może sporadycznie pomijać pojedyncze rysy,
• prowadzi to do pojawienia się odstępów będących wielokrotnością rzeczywistej odległości (np. ~2×),
• wartości takie stanowią obserwacje odstające, które w sposób istotny zaburzają średnią.

Mediana, jako miara odporna na obserwacje odstające, lepiej reprezentuje typową odległość pomiędzy rysami.

Dla analizowanych otworów mediana odległości pomiędzy rysami zawiera się w zakresie około 210–350 µm, przy czym dla większości przypadków wynosi około 300 µm.

Dla zastosowanego trzyostrzowego pogłębiacza posuw na ostrze wynosił:

• fz = 0,1 mm/z, co odpowiada posuwowi na obrót:
• fn = 0,3 mm/obrót.

Podczas wycofywania narzędzia zastosowano zwiększony posuw, wynoszący:

• fz = 0,125 mm/z,

co daje:

• fn = 0,375 mm/obrót.

Zauważalna zbieżność mediany odległości między rysami z wartością około 0,3 mm mogłaby sugerować ich związek z ruchem narzędzia.

Jednak w przypadku śladu generowanego bezpośrednio przez narzędzie prowadzone przez układ CNC należałoby oczekiwać znacznie większej regularności, tj. niewielkiego rozrzutu wartości odległości między kolejnymi śladami.

W analizowanych profilach taka regularność nie występuje – odległości pomiędzy rysami wykazują istotny rozrzut, a same rysy pojawiają się nieregularnie.

W związku z powyższym najbardziej prawdopodobnym mechanizmem powstawania analizowanych rys jest oddziaływanie wiórów przemieszczających się wzdłuż narzędzia, które:

• mogą okresowo kontaktować się z powierzchnią otworu,
• pozostawiają ślady o nieregularnym charakterze,
• generują odległości między rysami zbliżone do posuwu, lecz pozbawione jego deterministycznej regularności.

4.3 Analiza widmowa profili powierzchni

W celu dalszej analizy charakteru zarejestrowanych profili zastosowano analizę widmową opartą na szybkiej transformacie Fouriera (FFT – Fast Fourier Transform).

Transformata Fouriera umożliwia przedstawienie sygnału w dziedzinie częstotliwości, tj. określenie, jakie składowe okresowe o określonych długościach fali występują w analizowanym przebiegu. W kontekście profilu chropowatości oznacza to możliwość identyfikacji dominujących długości fal odpowiadających zarówno rzeczywistym cechom powierzchni, jak i potencjalnym artefaktom pomiarowym.

Analizę przeprowadzono dla tych samych pięciu profili, dla dwóch zestawów parametrów pomiarowych:

• λc = 0,8 mm,
• λc = 2,5 mm.

Dla profili uzyskanych przy λc = 0,8 mm widma częstotliwościowe mają charakter szerokopasmowy, bez wyraźnie dominującej pojedynczej składowej. Maksima amplitudy występują w zakresie częstotliwości odpowiadających długościom fal rzędu 200–400 µm, co pozostaje w zgodzie z wcześniej obserwowanymi odległościami pomiędzy rysami na powierzchni.

Charakter widma wskazuje na obecność wielu składowych o różnej częstotliwości, co jest typowe dla rzeczywistej, nieregularnej topografii powierzchni po obróbce mechanicznej.

W przypadku profili uzyskanych przy λc = 2,5 mm obserwuje się diametralnie odmienny charakter widma.

We wszystkich analizowanych profilach występuje wyraźna i dominująca składowa częstotliwościowa o bardzo zbliżonej wartości, wynoszącej około:

• f ≈ 29–31 1/mm, co odpowiada długości fali:
• λ ≈ 32–34 µm.

Co istotne, składowa ta: - występuje konsekwentnie we wszystkich analizowanych profilach, - ma zdecydowanie największą amplitudę, - dominuje nad pozostałymi składowymi widma.

Tak wysoki poziom zgodności pomiędzy niezależnymi profilami oraz wyraźna dominacja jednej częstotliwości wskazują, że obserwowany efekt nie jest związany z rzeczywistą topografią powierzchni.

Z punktu widzenia fizyki procesu skrawania, generowanie tak stabilnej i jednoznacznie dominującej składowej okresowej o długości fali rzędu kilkudziesięciu mikrometrów należy uznać za bardzo mało prawdopodobne.

W związku z powyższym należy przyjąć, że obserwowana składowa widmowa jest wynikiem działania układu pomiarowego, a nie rzeczywistej struktury powierzchni.

4.4 Wnioski z analizy danych pomiarowych

Na podstawie przeprowadzonej analizy profili powierzchni, obejmującej ocenę przebiegu sygnału w dziedzinie przestrzennej, analizę statystyczną odległości pomiędzy rysami oraz analizę widmową (FFT), sformułowano następujące wnioski:

1. Parametry pomiaru mają istotny wpływ na postać zarejestrowanego profilu.

   Profile uzyskane przy λc = 0,8 mm zachowują charakter odpowiadający rzeczywistej topografii powierzchni po obróbce mechanicznej, tj. nieregularny przebieg z lokalnymi zmianami wysokości.

   W przypadku λc = 2,5 mm profil ulega zasadniczej zmianie i przyjmuje postać zdominowaną przez składową quasi-okresową o znacznie większej amplitudzie.

2. Zmiana długości odcięcia λc powoduje istotne zwiększenie amplitudy zarejestrowanego sygnału.

   Dla λc = 0,8 mm amplituda profilu wynosi około ±4 µm, natomiast dla λc = 2,5 mm wzrasta do około ±15 µm, co oznacza wzrost rzędu czterokrotności.

   Tak znacząca zmiana amplitudy nie znajduje uzasadnienia w zmianie rzeczywistej struktury powierzchni.

3. Na powierzchni otworów występują rzeczywiste rysy o charakterze nieregularnym.

   Analiza odległości pomiędzy kolejnymi rysami wykazała wartości zbliżone do 0,3 mm, jednak z wyraźnym rozrzutem.

   Charakter tych odległości wskazuje, że rysy nie są generowane bezpośrednio przez narzędzie, lecz najprawdopodobniej powstają w wyniku oddziaływania wiórów przemieszczających się wzdłuż narzędzia.

4. Profile uzyskane przy λc = 2,5 mm nie odzwierciedlają w sposób wiarygodny rzeczywistej struktury powierzchni w zakresie analizowanych rys.

   Obecność silnej składowej quasi-okresowej o dużej amplitudzie prowadzi do maskowania rzeczywistych cech powierzchni, które są wyraźnie widoczne w profilach uzyskanych przy λc = 0,8 mm.

5. Analiza widmowa ujawniła obecność dominującej składowej częstotliwościowej dla λc = 2,5 mm.

   We wszystkich analizowanych profilach występuje silna i powtarzalna składowa o częstotliwości około 29–31 1/mm, co odpowiada długości fali rzędu 32–34 µm.

   Składowa ta nie występuje w sposób dominujący w profilach uzyskanych przy λc = 0,8 mm.

6. Stabilność i powtarzalność tej składowej wskazuje na jej pozapowierzchniowe pochodzenie.

   Zbieżność wartości częstotliwości pomiędzy niezależnymi profilami oraz jej dominujący charakter sugerują, że obserwowany efekt wynika z właściwości układu pomiarowego, a nie z rzeczywistej topografii powierzchni.

7. Zastosowanie parametrów λc = 2,5 mm w analizowanym przypadku prowadzi do istotnego zniekształcenia obrazu powierzchni.

   W szczególności:

   • wprowadzana jest silna składowa periodyczna,
   • zwiększana jest amplituda sygnału,
   • maskowane są rzeczywiste cechy powierzchni.

   W konsekwencji uzyskane profile nie mogą być traktowane jako reprezentatywne dla analizowanej powierzchni w zakresie lokalnych nierówności.

5 Analiza układu pomiarowego

W celu weryfikacji wpływu układu pomiarowego na uzyskiwane wyniki przeprowadzono dodatkową serię pomiarów kontrolnych.

Badania wykonano w dniu 13.04.2026 r. w godzinach 13:00–16:00, wykorzystując wcześniej obrobioną próbkę. Do analizy wybrano pięć skrajnych otworów pierwszego pola, co pozwalało objąć możliwie szeroki zakres potencjalnych odchyleń geometrycznych oraz warunków obróbki.

5.1 Warunki pomiaru

Dla wszystkich pomiarów przyjęto jednolite parametry:

• długość odcięcia: λc = 2,5 mm,
  
• liczba odcinków elementarnych: n = 5,
  
• pomiar bez drogi wejścia i wyjścia (Przed/Po wyłączone),
  
• ustawienie głowicy pomiarowej zapewniające, aby końcowy fragment profilu obejmował około 2 mm plateru tytanowego.

5.2 Metodyka pomiarów

Każdy z pięciu otworów został zmierzony wielokrotnie przy zmiennych ustawieniach geometrycznych i parametrach pracy:

• pomiar wykonano w czterech orientacjach kątowych głowicy pomiarowej:
  0°, 90°, 180°, 270°,

• dla każdej orientacji zastosowano dwie prędkości pomiarowe:
  0,5 mm/s oraz 0,75 mm/s.

Dla jednego otworu uzyskano zatem:

• 4 orientacje × 2 prędkości = 8 pomiarów,

co dla pięciu otworów dało łącznie:

• 40 pomiarów.

5.3 Zastosowane głowice pomiarowe

Pierwszą serię pomiarów wykonano przy użyciu głowicy pomiarowej (igły) o numerze seryjnym:

• SN: 389022010

Jest to ta sama igła, która była wykorzystywana we wszystkich wcześniejszych pomiarach opisanych w poprzednich rozdziałach.

Następnie całą procedurę pomiarową powtórzono, uzyskując kolejny zestaw 40 pomiarów, przy użyciu innej głowicy pomiarowej:

• SN: 362071806

Łącznie uzyskano zatem:

• 80 pomiarów, obejmujących dwie różne głowice pomiarowe oraz identyczny zestaw warunków pomiarowych.

5.4 Zakres dalszej analizy

W kolejnych podrozdziałach przeprowadzona zostanie szczegółowa analiza uzyskanych wyników, osobno dla każdej z zastosowanych głowic pomiarowych.

Celem analizy będzie określenie:

• wpływu orientacji głowicy pomiarowej na postać zarejestrowanego profilu,
  
• wpływu prędkości pomiaru na charakter sygnału,
  
• powtarzalności wyników dla danego otworu,
  
• oraz ewentualnych różnic pomiędzy zastosowanymi głowicami pomiarowymi.

Szczególną uwagę zwrócono na obecność wcześniej zidentyfikowanej składowej quasi-okresowej oraz jej zależność od konfiguracji pomiaru.

5.5 Analiza wyników – głowica pomiarowa SN: 389022010

5.5.1 Otwór 1

Ponieważ analizowany otwór był otworem skrajnym, położonym przy krawędzi próbki, nie można wykluczyć wpływu lokalnych warunków odprowadzania wióra oraz ograniczonego podparcia materiału na obserwowane pogorszenie jakości powierzchni, szczególnie dla orientacji 180°.

5.5.2 Otwór 2

W analizowanych profilach obserwuje się zmienny zakres zakłóceń quasi-okresowych:

• dla 0° – w całym profilu,
• dla 90° – w końcowej części,
• dla 180° – brak wyraźnych zakłóceń przy większej amplitudzie nierówności,
• dla 270° – w początkowym fragmencie.

Podobnie jak wcześniej, w obszarze plateru widoczny jest bardziej jednorodny przebieg profilu.

5.5.3 Otwór 3

Zakłócenia quasi-okresowe występują w różnych częściach profilu:

• w pierwszej, nieco większej połowie dla 0° i 270°,
• w drugiej, nieco większej połowie dla 90° i 180°.

Obszar plateru ponownie charakteryzuje się niższą amplitudą i bardziej jednorodnym przebiegiem.

5.5.4 Otwór 4

W analizowanych profilach obserwuje się następujące cechy:

• Zakłócenia o charakterze quasi-okresowym występują jedynie w ograniczonym zakresie:

  • w początkowym fragmencie profilu dla orientacji 0° oraz 270°,
    
  • w pozostałej części przebiegu profil ma charakter nieregularny, bez wyraźnych składowych periodycznych.

• Dla orientacji 180° ponownie obserwuje się większą głębokość lokalnych zagłębień, co jest zgodne z wcześniejszymi obserwacjami dla tej konfiguracji.

• W całym zakresie pomiaru widoczne są wyraźne, pojedyncze bruzdy o znacznej głębokości, odpowiadające rzeczywistym uszkodzeniom powierzchni.

Na szczególną uwagę zasługuje przebieg jednej z wyraźnych bruzd, widocznej w środkowej części profilu (okolice X ≈ 7000 µm), której położenie ulega stopniowemu przesunięciu wzdłuż osi pomiarowej pomiędzy kolejnymi profilami.

Obserwowane przesunięcie sugeruje, że bruzda ta nie ma charakteru liniowego wzdłuż osi otworu, lecz może przebiegać po powierzchni w sposób nachylony względem kierunku pomiaru.

Taki charakter przebiegu jest zgodny z hipotezą, że bruzdy powstają w wyniku oddziaływania wiórów przemieszczających się wzdłuż narzędzia, co w naturalny sposób prowadzi do powstawania śladów o charakterze zbliżonym do linii śrubowej.

Na obecnym etapie obserwacja ta ma charakter jakościowy, jednak jej powtarzalność w kolejnych profilach stanowi istotną przesłankę wspierającą hipotezę o wiórowym pochodzeniu analizowanych rys.

5.5.5 Otwór 5

W analizowanych profilach obserwuje się następujące cechy:

• Dla orientacji 0° zakłócenia o charakterze quasi-okresowym występują w niemal całym zakresie profilu.

• Dla orientacji 180° zakłócenia pojawiają się głównie w końcowej części profilu, przy jednoczesnym nieznacznym pogorszeniu jakości powierzchni w obszarze stali.

• Dla orientacji 270° zakłócenia występują w początkowym fragmencie pomiaru, natomiast dalszy przebieg ma charakter nieregularny.

• W obszarze odpowiadającym platerowi tytanowemu ponownie obserwuje się bardziej jednorodny przebieg oraz niższą amplitudę sygnału, co wskazuje na lepszą jakość powierzchni w tym obszarze.

Uzyskane wyniki są spójne z wcześniejszymi obserwacjami dla pozostałych otworów i wskazują, że:

• zakłócenia o charakterze periodycznym mogą obejmować zarówno cały profil, jak i jego wybrane fragmenty,
  

• ich lokalizacja zmienia się pomiędzy pomiarami wykonanymi dla tego samego otworu,

• występowanie zakłóceń ma charakter wysoce stochastyczny, zarówno pod względem ich intensywności, jak i położenia wzdłuż profilu.

Obserwacje te wskazują, że analizowane zakłócenia nie są bezpośrednio związane z rzeczywistą topografią powierzchni, lecz wynikają z oddziaływania czynników związanych z układem pomiarowym.

5.5.6 Wnioski cząstkowe – głowica SN: 389022010

W pięciu analizowanych otworach stwierdzono obecność zakłóceń quasi-okresowych o zmiennym zasięgu i amplitudzie. Zakłócenia te pojawiały się niestabilnie, obejmując całe profile lub ich fragmenty. Ich występowanie miało charakter wysoce stochastyczny.

Jednocześnie we wszystkich otworach utrzymywała się lepsza jakość powierzchni w obszarze plateru tytanowego oraz obecność rzeczywistych bruzd w obszarze stali.

5.6 Analiza wyników – głowica pomiarowa SN: 362071806

5.6.1 Otwór 1

Dla pierwszego otworu wykonano cztery pomiary odpowiadające orientacjom głowicy pomiarowej 0°, 90°, 180° oraz 270° przy prędkości pomiarowej 0,75 mm/s.

W analizowanych profilach obserwuje się następujące cechy:

• Brak zakłóceń o charakterze periodycznym w całym zakresie pomiaru.

• W obszarze odpowiadającym platerowi tytanowemu profil ma bardziej jednorodny przebieg oraz niższą amplitudę, co wskazuje na wyraźnie lepszą jakość powierzchni.

• Dla orientacji 180° obserwuje się większą amplitudę lokalnych nierówności w porównaniu do pozostałych konfiguracji.

5.6.2 Otwór 2

Brak zakłóceń periodycznych w całym zakresie pomiaru. Plater zachowuje bardziej jednorodny i gładszy przebieg. W stali obserwuje się równomierny rozkład lokalnych nierówności oraz widoczne bruzdy o przebiegu nachylonym względem osi pomiarowej.

5.6.3 Otwór 3

Wyniki zgodne z obserwacjami dla otworu 2:

• brak zakłóceń periodycznych,
• wyraźnie gładszy plater,
• równomierny rozkład nierówności w stali.

5.6.4 Otwór 4

Brak zakłóceń periodycznych.

Dla orientacji 180° obserwuje się głębsze lokalne bruzdy.
Pozostałe obserwacje zgodne z wcześniejszymi wynikami.

5.6.5 Otwór 5

Wyniki w pełni powtarzalne względem poprzednich otworów:

• brak zakłóceń periodycznych,
• gładszy plater,
• nieregularne bruzdy w stali.

5.6.6 Wnioski cząstkowe – głowica SN: 362071806

W żadnym z analizowanych otworów nie stwierdzono obecności zakłóceń quasi-okresowych. Uzyskane profile miały charakter zgodny z oczekiwaną topografią powierzchni po obróbce mechanicznej. W każdym przypadku obserwowano wyraźnie gładszy przebieg w obszarze plateru oraz brak sztucznej składowej periodycznej.

5.7 Podsumowanie analizy układu pomiarowego

Przeprowadzona analiza porównawcza wyników uzyskanych dla dwóch głowic pomiarowych prowadzi do jednoznacznego wniosku, że obserwowane wcześniej zakłócenia periodyczne nie były cechą rzeczywistej topografii powierzchni, lecz wynikały z właściwości układu pomiarowego.

Najważniejsze obserwacje są następujące:

1. Zakłócenia o charakterze periodycznym występowały wyłącznie dla głowicy pomiarowej SN: 389022010.

   Dla głowicy SN: 362071806 zakłócenia tego typu nie występowały, mimo zachowania tych samych warunków pomiaru, tej samej próbki, tych samych otworów oraz tej samej konfiguracji stanowiska.

2. Zakłócenia te miały charakter wysoce stochastyczny.
   Ich intensywność, położenie wzdłuż profilu oraz długość odcinka objętego zaburzeniem zmieniały się pomiędzy kolejnymi pomiarami tego samego otworu. Oznacza to, że zjawisko nie miało charakteru deterministycznego śladu powierzchni, lecz stanowiło efekt niestabilnego wzbudzania układu pomiarowego.

3. Charakter obserwowanego zjawiska wskazuje na mechaniczny rezonans układu pomiarowego.
   Wniosek ten wynika z połączenia trzech niezależnych obserwacji:

   • obecności silnej składowej quasi-okresowej w profilu,
   • dominującej i bardzo stabilnej składowej częstotliwościowej w analizie FFT,
   • zaniku zjawiska po wymianie samej głowicy pomiarowej.

4. Analiza częstotliwościowa oraz wcześniejsza analiza odległości pomiędzy bruzdami prowadzą do wniosku, że źródłem wzbudzenia mogły być bruzdy pozostawiane przez wióry.

   Ich typowy rozstaw był zbliżony do około 0,3 mm, przy czym wykazywał znaczny rozrzut. Jednocześnie analiza FFT dla głowicy SN: 389022010 wykazała dominującą długość fali rzędu 32–34 µm. Oznacza to, że obserwowany rozstaw bruzd był zbliżony do dziesięciokrotności długości odpowiadającej dominującej składowej drgań układu. Innymi słowy, 0,1 harmoniczna rozstawu bruzd bardzo dobrze pokrywała się z częstotliwością własną wzbudzanej głowicy pomiarowej. Jednocześnie duży rozrzut rozstawu bruzd dobrze koreluje z losowym charakterem wzbudzania rezonansu.

5. Wzbudzanie układu następowało przede wszystkim przy długiej drodze pomiarowej.

   Dla konfiguracji λc = 0,8 mm, n = 5 oraz ustawienia obejmującego około 2 mm stali i 2 mm plateru rzeczywista droga przebywana przez igłę w obszarze stali wynosiła około 2,8 mm, co najprawdopodobniej było zbyt krótkie, aby doszło do pełnego wzbudzenia drgań rezonansowych.

   Po przejściu na λc = 2,5 mm droga pomiarowa wzrosła wielokrotnie:

   • przy n = 3 do około 4 × 2,5 mm − 2 mm odcinka plateru,
   • przy n = 5 do około 6 × 2,5 mm − 2 mm odcinka plateru.

   Dawało to znacznie dłuższy odcinek pomiarowy w obszarze stali, a więc również znacznie lepsze warunki do wzbudzenia rezonansu.

6. Dodatkowym czynnikiem sprzyjającym wzbudzaniu drgań było pionowe ustawienie głowicy pomiarowej, wymuszone geometrią pomiaru otworu.

   W takim układzie grawitacja nie wspomaga tłumienia drgań igły w taki sposób, jak podczas pomiaru powierzchni płaskiej. Oznacza to, że warunki pracy głowicy w analizowanym przypadku istotnie różniły się od typowych warunków pomiaru wzorców lub powierzchni płaskich.

7. Wady głowicy SN: 389022010 nie można było wykryć podczas standardowej kontroli na wzorcu.

   Wynika to z dwóch przyczyn:

   • wzorzec nie zawiera bruzd o rozstawie stanowiącym harmoniczną częstotliwości własnej układu,
   • wzorzec mierzy się w układzie „na płasko”, a nie przy pionowym ustawieniu głowicy.

   W praktyce oznacza to, że podczas pomiaru wzorca nie występowały warunki zdolne do wzbudzenia obserwowanego rezonansu.

Dodatkową przesłanką potwierdzającą nieprawidłowe zachowanie głowicy SN: 389022010 była obserwacja danych surowych, tj. przed zastosowaniem filtracji. Dla tej głowicy rejestrowano wyraźną składową wolnozmienną o charakterze zbliżonym do liniowego nachylenia, rzędu około 150 µm na 12,5 mm. Składowa ta była następnie usuwana przez filtrację, dlatego nie jest widoczna na analizowanych profilach. Początkowo zjawisko to można było tłumaczyć niewielkim błędem ustawienia głowicy względem powierzchni otworu. Jednak po wymianie głowicy, przy zachowaniu tego samego ustawienia i pomiarze tego samego otworu, składowa ta przestała występować. Stanowi to kolejne potwierdzenie, że głowica SN: 389022010 wykazywała nieprawidłowe właściwości dynamiczne.

Podsumowując, całość zebranych danych wskazuje, że:

• rzeczywista powierzchnia otworów zawierała nieregularne bruzdy pozostawione najprawdopodobniej przez wióry,
• głowica SN: 389022010 mogła ulegać rezonansowemu wzbudzeniu podczas przejścia przez taki profil,
• wzbudzenie to prowadziło do powstawania sztucznej, silnej składowej periodycznej,
• po wymianie głowicy zjawisko zanikło całkowicie.

W konsekwencji należy uznać, że wyniki uzyskane wcześniej przy użyciu głowicy SN: 389022010 i konfiguracji λc = 2,5 mm były obarczone istotnym wpływem układu pomiarowego i nie mogą być traktowane jako wiarygodny obraz rzeczywistej topografii powierzchni.

5.8 Materiał uzupełniający – zapis przebiegu pomiaru

5.8.1 Film 1 – przebieg pomiaru dla głowicy SN: 389022010

▶ Otwórz nagranie przebiegu pomiaru w serwisie YouTube

Jeżeli film się nie wyświetla, można go obejrzeć bezpośrednio: https://youtube.com/shorts/3V0yz7YY_to

5.8.2 Film 2 – przebieg pomiaru dla głowicy SN: 362071806

▶ Otwórz nagranie przebiegu pomiaru w serwisie YouTube

Jeżeli film się nie wyświetla, można go obejrzeć bezpośrednio: https://youtube.com/shorts/ZIqvOafLB_A

6 Wnioski i zalecenia

Na podstawie przeprowadzonej analizy danych pomiarowych oraz szczegółowej analizy układu pomiarowego sformułowano następujące wnioski i zalecenia praktyczne.

6.1 Wnioski

1. Stwierdzono, że zakłócenia o charakterze periodycznym, obserwowane w części wcześniejszych pomiarów, były związane wyłącznie z głowicą pomiarową (igłą) o numerze seryjnym SN: 389022010.

2. Zakłócenia te miały charakter wysoce stochastyczny oraz były wynikiem mechanicznego wzbudzania rezonansu układu pomiarowego, a nie rzeczywistej topografii powierzchni.

3. W wyniku przeprowadzonych analiz wykazano, że potencjalnym źródłem wzbudzenia były bruzdy pozostawione przez wióry, których charakterystyczny rozstaw wykazywał zgodność harmoniczną z częstotliwością drgań własnych analizowanej głowicy.

4. Wzbudzenie rezonansu było możliwe przede wszystkim przy wydłużonej drodze pomiarowej, co tłumaczy brak tego zjawiska dla konfiguracji pomiarowych o krótszym odcinku kontaktu igły z powierzchnią.

5. Istotnym czynnikiem sprzyjającym wzbudzaniu drgań był również pionowy układ pomiaru, w którym nie występuje naturalne tłumienie drgań wynikające z działania siły grawitacji, jak ma to miejsce w przypadku pomiarów powierzchni płaskich.

6. Wady dynamiczne głowicy pomiarowej mogą nie być wykrywalne podczas standardowej kontroli na wzorcu, ze względu na brak warunków sprzyjających wzbudzeniu rezonansu (zarówno geometrycznych, jak i wynikających z konfiguracji pomiaru).

7. Dodatkowo podczas pomiarów dla głowicy SN: 389022010 zaobserwowano obecność składowej wolnozmiennej o charakterze quasi-liniowego nachylenia, rzędu około 150 µm na długości 12,5 mm.

Składowa ta była eliminowana na etapie filtracji, w związku z czym nie jest widoczna na analizowanych profilach. Początkowo interpretowano ją jako efekt niewielkiego błędu ustawienia głowicy względem powierzchni otworu.

Jednakże po zastosowaniu drugiej głowicy (SN: 362071806), przy identycznym ustawieniu i dla tych samych otworów, zjawisko to nie występowało.

Stanowi to dodatkową przesłankę wskazującą na nieprawidłowe właściwości dynamiczne głowicy SN: 389022010.

Przeprowadzona analiza jednoznacznie wykazała, że w określonych warunkach pomiarowych układ pomiarowy może generować artefakty o amplitudzie i charakterze przewyższającym rzeczywiste nierówności powierzchni, co czyni bezkrytyczne traktowanie wyników pomiarów szczególnie niebezpiecznym.

---

6.2 Zalecenia

1. Głowica pomiarowa SN: 389022010 powinna zostać trwale wycofana z eksploatacji.

   Zaleca się jej oznaczenie jako nieprzeznaczonej do dalszego użytkowania oraz – w miarę możliwości – przekazanie producentowi w celu przeprowadzenia szczegółowej analizy jej właściwości mechanicznych.

2. Do dalszych pomiarów należy stosować wyłącznie głowice pomiarowe o potwierdzonej stabilności, w szczególności głowicę SN: 362071806.

   Dodatkowo rekomenduje się rozważenie zastosowania głowic o większej sile nacisku (np. 4 mN), co w warunkach pomiaru otworów (szczególnie przy orientacji pionowej) może istotnie poprawić tłumienie drgań układu.

   Pomimo większego promienia końcówki (np. 5 µm zamiast 2 µm) oraz innego kąta wierzchołkowego, wpływ tych parametrów na wynik pomiaru w analizowanym zakresie chropowatości (Ra > 0,1 µm) należy uznać za drugorzędny.

3. Należy zachować szczególną ostrożność w przypadku pojawienia się składowej wolnozmiennej (nachylenia) w danych pomiarowych.

   Jej obecność, przy prawidłowo ustawionej głowicy pomiarowej, może wskazywać na nieprawidłowe właściwości dynamiczne igły, a nie na błąd ustawienia.

4. Należy unikać niepewnych i powtarzalnie niedokładnych metod mocowania głowicy pomiarowej, takich jak montaż na statywach magnetycznych z ręcznym ustawianiem geometrii pomiaru.

   Tego typu praktyki utrudniają rozróżnienie pomiędzy:

   • błędem ustawienia,
   • a rzeczywistym problemem z głowicą pomiarową,

   co w konsekwencji może prowadzić do błędnej interpretacji wyników.

5. Dobór długości odcięcia λc powinien być realizowany w sposób świadomy i dostosowany do rzeczywistych warunków pomiarowych, a nie wyłącznie w oparciu o zalecenia normowe.

   W szczególności w przypadkach pomiarów realizowanych w otworach należy uwzględnić istotne ograniczenia geometryczne wynikające zarówno z długości dostępnej drogi pomiarowej, jak i geometrii samej głowicy pomiarowej, w tym wymaganych odstępów od krawędzi materiału.

   Oznacza to, że rzeczywisty zakres powierzchni podlegającej analizie może istotnie różnić się od całkowitej długości zarejestrowanego profilu. W konsekwencji bezrefleksyjne stosowanie zaleceń normowych może prowadzić do sytuacji, w której analizie podlega fragment powierzchni niebędący przedmiotem oceny technologicznej.

   W przypadku pomiarów otworów w przegrodach, gdzie dostępna długość pomiaru jest ograniczona, zaleca się stosowanie parametrów umożliwiających maksymalne wykorzystanie dostępnego odcinka pomiarowego.

   W szczególności rekomenduje się:

   • zastosowanie długości odcięcia λc = 0,8 mm,
     
   • zwiększenie liczby odcinków elementarnych do maksymalnej możliwej wartości (np. n = 8),
     
   • włączenie drogi wejścia i wyjścia (Przed/Po), co poprawia stabilność filtracji.

   Takie podejście pozwala na uzyskanie reprezentatywnego profilu pomimo ograniczonej długości geometrycznej otworu.

   W przypadku sit platerowanych kluczowe znaczenie ma zapewnienie, aby analizowany fragment profilu obejmował rzeczywisty obszar plateru tytanowego.

   Ze względu na niewielką grubość tej warstwy, zastosowanie drogi wejścia i wyjścia (Przed/Po) może prowadzić do sytuacji, w której warstwa plateru zostanie w znacznym stopniu wyłączona z oceny. Z tego względu zaleca się wyłączenie parametru Przed/Po.

   Jednocześnie, ze względu na znaczną grubość sit (zazwyczaj powyżej 20 mm), nie występują ograniczenia związane z długością pomiaru, co umożliwia stosowanie:

   • λc = 2,5 mm,
     
   • n = 5.

   Kluczowe znaczenie ma natomiast odpowiednie ustawienie początku pomiaru, tak aby końcowa część profilu obejmowała analizowany obszar plateru.

6. Szczególną uwagę należy zwrócić na precyzyjne ustalenie głębokości początkowej pomiaru.

   W praktyce oznacza to konieczność pełnej kontroli nad:

   • położeniem początku śladu igły,
   • zakresem odcinka wykorzystywanego do obliczeń,
   • oraz relacją pomiędzy odcinkiem pomiarowym a odcinkiem oceny.

   Nieprawidłowe ustawienie początku pomiaru może prowadzić do sytuacji, w której analizowany jest fragment powierzchni niezgodny z zamierzonym obszarem oceny, co w skrajnych przypadkach prowadzi do całkowicie błędnych wniosków dotyczących jakości powierzchni.

   Szczegółowe omówienie wpływu tych ustawień przedstawiono w rozdziale Charakterystyka systemu pomiarowego oraz geometria pomiaru.

7. Zaleca się okresowe archiwizowanie pełnych profili pomiarowych (np. na karcie SD) oraz ich analizę przy użyciu dedykowanych narzędzi (np. przygotowanego arkusza Excel z makrami).

   Szczególnie istotne jest to w przypadkach, gdy:

   • wyniki pomiarowe odbiegają od oceny wizualnej powierzchni,
   • występują nieoczekiwanie wysokie wartości parametrów chropowatości.

   Analiza pełnego profilu pozwala na identyfikację artefaktów pomiarowych, które nie są widoczne w standardowym odczycie parametrów.