Chropowatość powierzchni to specjalny parametr materiału. Nazwa ta jest często skracana do chropowatości i jest składnikiem tekstury powierzchni. Jest on ilościowo określany przez odchylenia kierunku rzeczywistego wektora powierzchniowego od jego idealnego kształtu. Jeśli te odchylenia są duże, powierzchnia jest szorstka; jeśli są małe, powierzchnia jest gładka. W metrologii powierzchni za chropowatość uważa się zwykle składową mierzonej powierzchni o wysokiej częstotliwości i krótkiej długości fali. Jednak w praktyce często konieczne jest poznanie zarówno amplitudy, jak i częstotliwości, aby upewnić się, że powierzchnia jest odpowiednia do określonego celu. Chropowatość powierzchni jest bardzo ważnym parametrem projektowym.
Rola i znaczenie
Szorstkość odgrywa ważną rolę w określaniu, w jaki sposób rzeczywisty obiekt będzie oddziaływał z otoczeniem. W trybologiiSzorstkie powierzchnie generalnie zużywają się szybciej i mają wyższe współczynniki tarcia niż gładkie powierzchnie. Chropowatość jest często dobrym prognostykiem wydajności elementu mechanicznego, ponieważ nierówności powierzchni mogą tworzyć miejsca zarodkowania pęknięć lub korozji. Z drugiej strony chropowatość może sprzyjać adhezji. Ogólnie rzecz biorąc, zamiast deskryptorów skali, deskryptory przekrojowe, takie jak fraktalność powierzchni, zapewniają bardziej sensowne przewidywania interakcji mechanicznych na powierzchniach, w tym sztywności kontaktu i tarcia statycznego. Chropowatość powierzchni to dość złożony parametr, którego szczegóły można znaleźć poniżej.
Wysokie i niskie wartości
Chociaż wysoka wartość chropowatości jest często niepożądana, kontrola podczas produkcji może być trudna i kosztowna. Na przykład kontrolowanie chropowatości powierzchni części FDM jest trudne i kosztowne. Zmniejszenie tych stawek zwykle zwiększa koszty produkcji. Często prowadzi to do kompromisu między kosztem wytworzenia komponentu a jego wydajnością w zastosowaniu.
Metody pomiarowe
Wskaźnik można zmierzyć poprzez ręczne porównanie z „komparatorem chropowatości” (próbka znanej chropowatości powierzchni), ale ogólniej pomiar profilu powierzchni odbywa się za pomocą profilometrów. Mogą być typu stykowego (zwykle rysik diamentowy) lub optycznego (na przykładinterferometr światła białego lub laserowy skaningowy mikroskop konfokalny).
Jednak kontrolowana chropowatość może być często pożądana. Na przykład błyszcząca powierzchnia może być zbyt błyszcząca dla oczu i zbyt śliska dla palca (dobrym przykładem jest touchpad), dlatego wymagana jest kontrolowana wydajność. Chropowatość powierzchni to obszar, w którym amplituda i częstotliwość są bardzo ważne.
Jego wartość można obliczyć na podstawie profilu (linia) lub powierzchni (powierzchni). Bardziej powszechny jest parametr chropowatości profilu (Ra, Rq, …). Parametry chropowatości powierzchni (Sa, Sq, …) dają bardziej sensowne definicje.
Parametry
Każdy z parametrów chropowatości jest obliczany na podstawie wzoru opisu powierzchni. Standardowe odniesienia, które szczegółowo opisują każdy z nich, to powierzchnie i ich wymiary. Chropowatość powierzchni jest cechą charakterystyczną.
Parametry chropowatości profilu są zawarte w brytyjskiej (i światowej) normie BS EN ISO 4287: 2000, która jest identyczna z ISO 4287: 1997. Norma oparta jest na systemie „M” (linia środkowa).
Istnieje wiele różnych parametrów chropowatości, ale powyższe są najbardziej powszechne, chociaż standaryzacja często ma miejsce z powodów historycznych, a nie ze względów merytorycznych. Chropowatość powierzchni to zbiór nierówności.
Niektóre parametry są używane tylko w określonych branżach lub krajach. Na przykład parametry MOTIF są używane głównie we francuskim przemyśle motoryzacyjnym. Metoda MOTYWUzapewnia graficzną ocenę profilu powierzchni bez filtrowania falistości z chropowatości. MOTIF składa się z części profilu pomiędzy dwoma pikami, a końcowe kombinacje eliminują „mniejsze” piki i zachowują te „istotne”. Chropowatość powierzchni na rysunku to obecność wybrzuszeń nadrukowanych i dokładnie zmierzonych.
Ponieważ te parametry redukują wszystkie informacje o profilu do jednej liczby, należy zachować ostrożność podczas ich stosowania i interpretacji. Niewielkie zmiany w sposobie filtrowania surowych danych profilu, obliczaniu linii środkowej i fizyce pomiaru mogą znacznie wpłynąć na obliczany parametr. Na nowoczesnym sprzęcie cyfrowym skany można oceniać, aby upewnić się, że nie ma oczywistych usterek, które zniekształcają wartości.
Cechy parametrów i pomiarów
Ponieważ dla wielu użytkowników może nie być oczywiste, co właściwie oznacza każdy pomiar, narzędzie do modelowania pozwala użytkownikowi dostosować kluczowe parametry, renderując powierzchnie wyraźnie różniące się od ludzkiego oka, różniące się wymiarami. Na przykład niektóre parametry nie rozróżniają dwóch powierzchni, z których jedna składa się z wierzchołków, a druga z dolin o tej samej amplitudzie.
Zgodnie z konwencją każdy parametr chropowatości 2D to wielka litera R, po której następują dodatkowe znaki w indeksie dolnym. Indeks dolny określa użytą formułę orazR oznacza, że wzór został zastosowany do profilu chropowatości 2D.
Inna wielkość liter oznacza, że formuła została zastosowana do innego profilu. Na przykład Ra jest średnią arytmetyczną profilu chropowatości, Pa jest średnią arytmetyczną niefiltrowanego surowego profilu, a Sa jest średnią arytmetyczną chropowatości 3D.
Ustawienia amplitudy
Parametry amplitudy charakteryzują powierzchnię w oparciu o pionowe odchylenia profilu chropowatości od linii środkowej. Na przykład, średnia arytmetyczna filtrowanego profilu chropowatości, określona na podstawie odchyleń od linii środkowej w obrębie długości oceny, może być powiązana z zakresem punktów zebranych dla tej chropowatości. Ta wartość jest często używana jako odniesienie do chropowatości powierzchni.
Średnia arytmetyczna chropowatość jest najczęściej używanym parametrem jednowymiarowym.
Badania i obserwacje
Matematyk Benoit Mandelbrot wskazał na związek między chropowatością powierzchni a wymiarem fraktalnym. Opis reprezentowany przez fraktal na poziomie mikrochropowatości może umożliwić kontrolę właściwości materiału i rodzaju formowania wiórów. Jednak fraktale nie są w stanie przedstawić w pełnej skali typowej powierzchni obrabianej dotkniętej śladami posuwu narzędzia, ignorują geometrię krawędzi skrawającej.
Trochę więcej o pomiarach
Parametry chropowatości powierzchni są zdefiniowane w serii ISO 25178.wartości: Sa, Sq, Sz… Wiele optycznych przyrządów pomiarowych umożliwia pomiar chropowatości powierzchni według obszaru. Pomiary powierzchni są również możliwe za pomocą systemów stykowych. Z obszaru docelowego wykonywanych jest wiele blisko rozmieszczonych skanów 2D. Następnie są one cyfrowo zszywane za pomocą odpowiedniego oprogramowania, w wyniku czego powstaje obraz 3D i odpowiednie parametry chropowatości.
Powierzchnia gleby
Chropowatość powierzchni gleby (SSR) odnosi się do pionowych zmian zachodzących w mikro- i makrotopografii powierzchni gruntu, a także ich stochastycznego rozkładu. Istnieją cztery różne klasy SSR, z których każda reprezentuje charakterystyczną pionową skalę długości:
- pierwsza klasa obejmuje zmiany w mikrorzeźbie z pojedynczych ziaren gleby do agregatów rzędu 0,053–2,0 mm;
- druga klasa obejmuje odmiany grud gleby od 2 do 100 mm;
- trzecia klasa chropowatości powierzchni gleby to systematyczne zmiany wzniesień w wyniku uprawy roli, zwane chropowatością zorientowaną (OS), w zakresie od 100 do 300 mm;
- czwarta klasa obejmuje krzywiznę planarną lub elementy topograficzne w makroskali.
Pierwsze dwie klasy wyjaśniają tak zwaną mikroszorstkość, która, jak wykazano, ma duży wpływ na wydarzenie i skalę sezonową w zależności odpowiednio od opadów i uprawy. Najczęściej określa się mikrochropowatośćokreślane ilościowo przez losową chropowatość, która jest zasadniczo odchyleniem standardowym danych wysokości powierzchni warstwy wokół średniej wysokości po korekcie nachylenia, przy użyciu płaszczyzny najlepiej dopasowanej i usuwaniu efektów uprawy roli w poszczególnych odczytach wysokości. Narażenie na opady może prowadzić do pogorszenia lub zwiększenia mikro-chropowatości, w zależności od warunków początkowych i właściwości gleby.
Na nierównych powierzchniach gruntu odrywające działanie strumienia deszczu ma tendencję do wygładzania krawędzi chropowatości powierzchni gleby, co skutkuje ogólnym zmniejszeniem RR. Jednak ostatnie badania, w których zbadano reakcję gładkich powierzchni gleby na opady deszczu, wykazały, że RR może znacznie wzrosnąć przy małych początkowych skalach mikronierówności rzędu 0-5 mm. Wykazano również, że wzrost lub spadek jest spójny dla różnych wyników SSR.
Mechanika
Struktura powierzchni odgrywa kluczową rolę w kontrolowaniu mechaniki kontaktu, to znaczy mechanicznego zachowania, które występuje na styku dwóch brył, gdy zbliżają się do siebie i przechodzą od bezkontaktowego do pełnego kontaktu. W szczególności normalna sztywność kontaktu jest określana głównie przez struktury chropowatości (nachylenie powierzchni i fraktalność) oraz właściwości materiału.
Z punktu widzenia inżynierii powierzchni, chropowatość jest uważana za szkodliwą dla wydajności części. W rezultacie większość wydruków produkcyjnych ma górną granicęszorstkość, ale nie dno. Wyjątkiem są otwory cylindrów, w których olej jest zatrzymywany w profilu powierzchni i wymagana jest minimalna chropowatość powierzchni (Rz).
Struktura i fraktalność
Struktura powierzchni jest często ściśle związana z jej właściwościami ciernymi i odpornością na zużycie. Powierzchnia o wyższym wymiarze fraktalnym, dużej wartości lub wartości dodatniej będzie zwykle miała nieco większe tarcie i szybko się zużyje. Szczyty w profilu chropowatości nie zawsze są punktami styku. Należy również wziąć pod uwagę kształt i falistość (to znaczy zarówno amplitudę, jak i częstotliwość), zwłaszcza podczas obróbki chropowatości powierzchni.
