Освоение шероховатости поверхности: полное руководство по измерению и функции

Когда инженер указывает спецификацию шероховатости на чертеже, намерение обычно не просто сделать деталь красивой. Шероховатость влияет на то, как деталь будет входить, изнашиваться, отражать свет, проводить тепло, распределять смазку и принимать покрытия. Шероховатость должна определяться функцией детали: вам нужна поверхность, удовлетворяющая инженерным требованиям применения, без потери времени и усилий на более качественную отделку, чем необходимо. (Фактически, многие применения работают лучше с определенным количеством «текстуры», и слишком гладкая отделка может быть так же плоха, как слишком грубая.)

Тридцать лет назад, когда большинство размерных допусков измерялись в тысячных долях дюйма, разница в нескольких микрометрах в шероховатости часто была неактуальна. Теперь, когда допуски в «десятых» или даже десятках микрометров стали обычным делом, вариации в шероховатости представляют значительный процент от общего бюджета погрешности.

Обратите внимание на следующий пример:

Максимальная высота пик-долина на поверхности обычно в четыре или пять раз больше средней шероховатости, измеренной методом Ra. Деталь со значением Ra 16 мкдюйм, следовательно, вероятно, имеет высоту пик-долину 64 мкдюйм или более. Если вы пытаетесь соблюсти размерную спецификацию 0,0001″, отделка 16 мкдюйм представляет более половину допустимого допуска.

Шероховатость поверхности — также известная как профиль — состоит из двух компонентов: волнистости и шероховатости в узком смысле. Волнистость, или вариация более длинной длины волны, вызвана макро-влияниями, как изношенные подшипники шпинделя или вибрация от другого оборудования на цехе. Шероховатость — коротковолновый узор следов инструмента от шлифования, фрезерования или других процессов механической обработки — влияет состояние и качество оснастки. Оба могут быть влияны выбором оператора скорости подачи и глубины резания.

Хотя наборы для проверки ногтем могут дать пригодное руководство по отделке, они не могут соответствовать современным требованиям документирования и прослеживаемости. Следовательно, возрастающая важность приборов контроля шероховатости. Существует два основных типа: типа с коньком (усредняющие системы) и без конька (профилирующие системы). Приборы с коньком имеют шарнирный зонд, с зондом, едущим рядом с относительно широким коньком, который также контактирует с деталью. Конек имеет тенденцию фильтровать волнистость, поэтому зонд измеряет только коротковолновые вариации. Прибор с коньком имеет циферблат или ЖК-дисплей для отображения измерения как единственного числового значения.

Приборы без конька включают гладкую, плоскую внутреннюю поверхность как опорную, поэтому зонд может реагировать на волнистость так же, как и на шероховатость. Для того чтобы позволить отдельный анализ длинных и коротковолновых вариаций, профилирующие приборы обычно генерируют график (на бумаге или на экране компьютера), а не единственный числовой результат.

Каждое применение по-разному реагирует на разные комбинации шероховатости и волнистости, и отрасль отреагировала созданием более 100 различных формул для расчета параметров шероховатости из одних и тех же измерительных данных. Многие из них очень специфичны для применения, и большинство цехов способны ограничить свои измерения полдюжиной или около того параметров. Почти во всех случаях измерения представлены в микродюймах или микронах. Ra — самый широко используемый параметр, потому что он дает арифметическое среднее неправильностей поверхности, измеренных от средней линии, лежащей где-то между самыми высокими и низкими точками на заданной базовой длине. Чуть более сложный вариант, Rq, использует расчет квадратного корня из среднего квадратического для нахождения геометрического среднего шероховатости — усредненное среднее, если хотите.

Оба эти параметра, однако, имеют тенденцию минимизировать влияние поверхностных аномалий вроде заусенцев или царапин. Если такие факторы критичны для применения, Rmax, Ry, Rt и Rtm все вычисляют шероховатость как функцию максимальной высоты пик-долины. Также полезен Rz — параметр «десятиточечной высоты» — который вычисляет среднее из десяти максимальных разностей пик-долины в пределах выборки.

Если шероховатость указана на чертеже, но не специфицирована иначе, стандартной практикой является предполагать Ra. Но ни один параметр не лучший для всех типов деталей, и многие применения лучше обслуживаются использованием двух или более параметров: например, Ra (средняя шероховатость) в комбинации с Rmax (максимальная шероховатость) может дать хорошее общее представление о производительности детали и предупредить ОТК о наличии потенциально повреждающих поверхностных аномалий.

Шероховатость — это не просто вызов к выполнению: она также представляет возможность. В некоторых случаях, если вы можете поддерживать хороший контроль над шероховатостью, вы можете безопасно снизить точность в других областях.

Ранее публиковалось в Quality Magazine.