Понимание чистоты поверхности: единицы, символы и практические таблицы

Что такое чистота поверхности (Surface Finish)?

Чистота поверхности, также известная как текстура поверхности или топография поверхности, — природа поверхности, определяемая тремя характеристиками: направлением (lay), шероховатостью и волнистостью. Она включает малые локальные отклонения поверхности от идеально плоской идеальной плоскости.

Текстура поверхности — один из важных факторов, контролирующих трение и формирование переносного слоя при скольжении. Прилагались значительные усилия для изучения влияния текстуры поверхности на трение и износ при скольжении.

Текстуры поверхностей могут быть изотропными или анизотропными. Иногда при скольжении можно наблюдать феномены stick-slip (липание-скольжение), в зависимости от текстуры поверхности.

Каждый производственный процесс создает текстуру поверхности. Процесс обычно оптимизируют, чтобы получившаяся текстура была пригодной. Если необходимо, добавляют дополнительный процесс для модификации исходной текстуры.

Дополнительный процесс может быть шлифованием (абразивное резание), полировкой, лаппировкой, абразивной обработкой, хонингом, электроэрозионной обработкой (ЭЭО), фрезерованием, литографией, промышленным травлением/химическим фрезерованием, лазерной текстуризацией или другими процессами.

Определение чистоты поверхности

Чистота поверхности, также известная как текстура поверхности или топография поверхности, — природа поверхности, определяемая тремя характеристиками: направлением (lay), шероховатостью и волнистостью. Она включает малые локальные отклонения поверхности от идеально плоской идеальной плоскости.

Чистота поверхности — мера общей текстуры поверхности, характеризуемая направлением, шероховатостью и волнистостью. Когда подразумеваются все три характеристики, часто используют термин «Текстура поверхности» (Surface Texture), чтобы избежать путаницы, так как станочники часто называют «Шероховатость» (Surface Roughness) — «Чистотой поверхности» (Surface Finish). Аналогичный термин — «Топология поверхности» (Surface Topology).

Эта диаграмма дает представление о том, как думать о взаимосвязи Волнистости, Направления и Шероховатости:

Направление (Lay)

Направление (Lay) — термин для описания доминирующего узора на поверхности и ориентации этого узора. Направление обычно создается производственным процессом и может быть параллельным, перпендикулярным, круговым, перекрестным, радиальным, многонаправленным или изотропным (ненаправленным). Символы и интерпретация направления обсудим в разделе «Символы» ниже.

Волнистость (Waviness)

Волнистость — термин для наиболее широко расстояненных вариаций чистоты поверхности. Эти периодические несовершенства поверхности больше длины выборки шероховатости, но достаточно малы, коротки и регулярны, чтобы не считаться дефектами планарности.

Частые причины волнистости: деформация от нагрева и охлаждения, дефекты обработки от вибрации или дефлексии.

Волнистость измеряется по оценочной длине, и генерируется профиль волнистости для этой длины. Профиль волнистости не включает неравномерности из-за шероховатости, планарности или формообразования.

Шаг волнистости (Wsm) — пик-ту-пик расстояние волн, а высота волны определяется средней волнистостью (Wa) или общей волнистостью (Wt).

Требования к волнистости встречаются реже, чем к шероховатости, но могут быть важны для определенных деталей, таких как пути подшипников или уплотняющие поверхности.

Шероховатость поверхности (Surface Roughness)

Шероховатость поверхности, часто сокращаемая до «шероховатость», относится к небольшим неравномерностям в геометрии поверхности. Шероховатость — самый часто специфицируемый, измеряемый и вычисляемый аспект чистоты поверхности, и многие используют термин «Чистота поверхности» только для описания шероховатости.

Символы чистоты поверхности

Базовый символ чистоты поверхности — галочка с точкой, покоящейся на специфицируемой поверхности. Вариации этого символа дают дополнительные инструкции, как описано в таблице ниже.

Единицы чистоты поверхности

Ra — Средняя шероховатость

Ra также известна как Арифметическое среднее (AA) или Среднее по центральной линии (CLA). Это средняя шероховатость в области между профилем шероховатости и его средней линией. Графически Ra — площадь между профилем шероховатости и его центральной линией, деленная на оценочную длину. Оценочная длина обычно равна пяти длинам выборки, где каждая длина выборки равна одной длине отсечения.

Ra — самый часто используемый параметр чистоты поверхности. Одна из причин — легкость взятия абсолютного значения сигнала и интегрирования его с помощью аналоговой электроники, поэтому Ra можно было измерять приборами без цифровых схем.

Ra, будучи распространенной, не достаточна для полной характеристики шероховатости поверхности. В зависимости от применения, поверхности с одинаковым Ra могут вести себя совершенно иначе. Вот 4 поверхности с одинаковым Ra и совершенно разными формами.

Для различения этих различий нужны дополнительные параметры.

Rmax — Вертикальное расстояние от высшего пика до нижайшей впадины

Rmax особенно чувствителен к аномалиям, таким как царапины и заусенцы, которые могут быть неочевидны по мерам, полагающимся на средние, как Ra.

Rz — Предпочтительный во многих европейских странах

Rz часто предпочитают Ra в Европе, особенно в Германии. Вместо измерения от центральной линии как Ra, Rz измеряет среднее значение 5 наибольших разностей пик-впадина в пределах пяти длин выборки. Пока Ra относительно нечувствительна к нескольким экстремумам, Rz довольно чувствительна, так как именно их и предназначена измерять.

Таблица чистоты поверхности

Ключевые выводы

• Чистота поверхности состоит из волнистости, направления и шероховатости, но на технических чертежах часто специфицируется только шероховатость.
• Ra — средняя шероховатость, она занижает вариации высот поверхности.
• Rz — средняя глубина шероховатости, аппроксимирует размер самых серьезных вариаций высот поверхности.
• Ra < Rz в большинстве случаев. Примерная конвертация: 7,2 × Ra = Rz (только грубая оценка).
• Важно знать, в каких единицах задана шероховатость: СИ (микрометры) или английские (микродиюймы).
• Более гладкие поверхности дороже, так как требуют больше производственных операций. Следовательно, следует специфицировать максимально допустимую шероховатость для минимизации затрат.