Шероховатость поверхности: единицы, графики и методы измерения

Что такое шероховатость поверхности?

Шероховатость поверхности (часто просто «шероховатость») — компонент текстуры поверхности. Квантуется отклонениями нормального вектора реальной поверхности от идеальной формы.

Если отклонения велики — поверхность шероховата; малы — гладка. В метрологии поверхностей шероховатость — высокочастотная, коротковолновая компонента измеренного профиля.

На практике часто нужно знать и амплитуду, и частоту, чтобы гарантировать пригодность поверхности для назначения.

Шероховатость важна для взаимодействия предмета с средой. В трибологии шероховатые поверхности быстрее изнашиваются и имеют большие коэффициенты трения.

Шероховатость часто предсказывает работу механического компонента: неравномерности могут быть центрами возникновения трещин или коррозии.

С другой стороны, шероховатость может способствовать сцеплению. В целом, межмасштабные дескрипторы (фрактальность поверхности) дают более осмысленные предсказания механических взаимодействий (контактная жесткость, статическое трение), чем масштабно-специфические.

Хотя высокая шероховатость часто нежелательна, контролировать ее в производстве сложно и дорого.

Например, управление шероховатостью деталей FDM (продувной моделирования) трудоемко и затратно. Снижение шероховатости обычно повышает изготовительную стоимость. Возникает компромисс между стоимостью и эксплуатационными свойствами.

Шероховатость можно измерить вручную, сравнивая с «компаратором шероховатости», но чаще делают профильный замер профилометром. Это контактные (алмазная игла) или оптические методы.

Однако контролируемая шероховатость часто желательна. Например, глянцевая поверхность может быть слишком скользкой для пальца (сенсорная панель) — нужна контролируемая шероховатость. Здесь важны и амплитуда, и частота.

Единицы шероховатости

Среднеарифметическая шероховатость (Ra) — принятый стандарт, измеряется в английских (микродиюймы) или метрических (микрометры/микроны) единицах. Финиш измеряют усредняющими или профильными приборами. Усредняющие не измеряют волнистость и показывают значения на индикаторе.

Как измерять шероховатость?

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

Как упомянуто, у поверхности три базовые компоненты: шероховатость, волнистость и направленность (lay). Разные факторы влияют на геометрию поверхности.

Существует несколько систем измерения шероховатости:

• Прямые методы измерения
• Бесконтактные методы
• Методы сравнения
• Впроцессные методы

Прямые методы используют иглу (стилус). Игла движется перпендикулярно поверхности. Профилограмма дает параметры шероховатости.

Бесконтактные методы используют свет или звук. Оптические приборы (белый свет, конфокальные микроскопы) заменяют иглу. Физические зонды заменяются оптическими сенсорами или микроскопами.

Прибор посылает ультразвуковой импульс на поверхность, анализирует отраженные волны для определения параметров шероховатости.

Методы сравнения используют эталонные образцы шероховатости, полученные на том же оборудовании/процессе. Оператор тактильно и визуально сравнивает с эталоном известной шероховатости.

Впроцессные методы — например, индуктивность. Для магнитных материалов. Индуктивный датчик использует электромагнитную энергию для измерения расстояния до поверхности, параметрическое значение дает сравнительную шероховатость.

График шероховатости (таблица Ra)

Существует широкий разброс финишных операций и краевых условий. Ниже приведены распространенные методы обработки и соответствующие им значения Ra.

Различные методы измерения шероховатости

Методы и оборудование делятся на три категории:

• Профильные методы (Profiling Techniques). Измерение поверхности высокоточным зондом. Аналог иглы патефона по чувствительности. Обычный ЧПУ-зонд менее эффективен.
• Площадные методы (Area Techniques). Измерение конечной площади. Дают статистическое усреднение пиков и впадин. Примеры: ультразвуковое/оптическое рассеяние, емкостные зонды. Легче автоматизировать.
• Микроскопические методы (Microscopy Techniques). Качественные, основаны на измерении контраста. Дают информацию о пиках и долинах.