Понимание шероховатости поверхности: единицы, таблицы и методы измерения

Что такое шероховатость поверхности?

Шероховатость поверхности, часто сокращаемая до «шероховатость», — компонент текстуры поверхности. Она количественно определяется отклонениями в направлении нормального вектора реальной поверхности от её идеальной формы.

Если эти отклонения велики, поверхность шероховата; если малы — гладка. В метрологии поверхностей шероховатость обычно рассматривается как высокочастотная, коротковолновая компонента измеренной поверхности.

Однако на практике часто нужно знать и амплитуду, и частоту, чтобы обеспечить пригодность поверхности для назначения.

Шероховатость играет важную роль в определении взаимодействия реального объекта с окружением. В трибологии шероховатые поверхности обычно изнашиваются быстрее и имеют более высокие коэффициенты трения, чем гладкие.

Шероховатость часто служит хорошим предсказателем производительности механического компонента, так как неравномерности на поверхности могут стать центрами нуклеации трещин или коррозии.

С другой стороны, шероховатость может способствовать адгезии. В целом, межмасштабные дескрипторы, такие как поверхностная фрактальность, дают более осмысленные прогнозы механических взаимодействий на поверхностях, включая контактную жесткость и статическое трение, чем масштабно-специфические дескрипторы.

Хотя высокое значение шероховатости часто нежелательно, его контроль в производстве может быть сложным и дорогим.

Например, сложно и дорого контролировать шероховатость деталей, изготовленных методом FDM (слоевое наплавление). Снижение шероховатости обычно увеличивает изготовительную стоимость. Это часто приводит к компромиссу между стоимостью изготовления компонента и его производительностью в применении.

Шероховатость можно измерить путем ручного сравнения с «компаратором шероховатости», но чаще делают измерение профиля поверхности профилометром. Они могут быть контактными (обычно алмазная игла) или оптическими.

Однако контролируемая шероховатость часто желательна. Например, глянцевая поверхность может быть слишком блестящей для глаза и слишком скользкой для пальца (сенсорная панель — хороший пример), поэтому требуется контролируемая шероховатость. Это случай, где и амплитуда, и частота очень важны.

Единицы шероховатости поверхности

Шероховатость по арифметическому среднему (Ra) — принятый стандарт, измеряемый в английских (микродиюймы) или метрических (микрометры) единицах. Шероховатость измеряется усредняющими или профилирующими приборами. Усредняющие приборы не могут измерять волнистость и обычно отображают значения шероховатости на индикаторе.

Как измерять шероховатость поверхности?

Шероховатость поверхности — расчет относительной гладкости профиля поверхности. Используется числовой параметр — Ra. Таблица Ra показывает арифметическое среднее высот поверхности, измеренных по поверхности.

Как уже упоминалось, есть три основных компонента поверхности: шероховатость, волнистость и направление (lay). Различные факторы влияют на характеристики геометрии поверхности.

Также существует несколько измерительных систем для шероховатости. Системы включают:

1. Прямые методы измерения
2. Бесконтактные методы
3. Методы сравнения
4. Внутрипроцессные методы

Прямые методы измеряют шероховатость с помощью иглы (стилуса). Включают проведение иглы перпендикулярно поверхности. Наладчик затем использует зарегистрированный профиль для определения параметров шероховатости.

Бесконтактные методы используют свет или звук. Оптические приборы (белый свет, конфокальные микроскопы) заменяют иглу. Эти приборы используют разные принципы измерения. Физические зонды заменяются оптическими датчиками или микроскопами.

Сначала прибор посылает ультразвуковой импульс на поверхность. Затем происходит изменение и отражение звуковых волн обратно к прибору. Оценяя отраженные волны, можно определить параметры шероховатости.

Методы сравнения используют образцы шероховатости. Образцы генерируются оборудованием или процессом. Затем производитель использует тактильные и визуальные ощущения для сравнения результатов. Результаты сравниваются с поверхностью известных параметров шероховатости.

Пример внутрипроцессных методов — индуктивность. Метод оценивает шероховатость с использованием магнитных материалов. Индуктивный датчик использует электромагнитную энергию для измерения расстояния до поверхности. Определенное параметрическое значение помогает найти сравнительные параметры шероховатости.

Таблица шероховатости поверхности

Существует широкий разброс вариаций в отделке и краевых условиях. Ниже приведены некоторые из более распространенных производственных технологий и их соответствующие значения Ra.

Различные методы измерения шероховатости поверхности

Существует разные методы и оборудование для измерения шероховатости. Различные методы делятся на три категории:

• Профилирующие техники. Во-первых, профилирующие техники. Это измерение поверхности высокоразрешающим зондом. Представьте иглу фонографа по чувствительности. Типичный CNC-зонд может быть менее эффективен.
• Площадные техники. Измеряют конечную площадь поверхности. Измерение дает статистическое среднее пиков и впадин на поверхности. Примеры: ультразвуковое рассеяние, оптическое рассеяние, емкостные зонды и др. Легче автоматизировать и выполнять площадными техниками.
• Микроскопические техники. Качественные техники, основанные на измерении контрастов. Результаты дают информацию о пиках и впадинах на поверхностях.