Drsnost povrchu - Surface roughness

Základní symbol drsnosti povrchu

Digitální holografický mikroskop měřící drsnost kyčelní protézy

Drsnost povrchu , často zkrácená na drsnost , je součástí textury povrchu . Je kvantifikován odchylkami ve směru normálního vektoru reálného povrchu od jeho ideální formy. Pokud jsou tyto odchylky velké, je povrch drsný; pokud jsou malé, povrch je hladký. V povrchové metrologii je drsnost obvykle považována za vysokofrekvenční složku s krátkou vlnovou délkou měřeného povrchu. V praxi je však často nutné znát jak amplitudu, tak frekvenci, aby se zajistilo, že povrch je vhodný pro daný účel.

Drsnost hraje důležitou roli při určování interakce skutečného objektu s okolím. V tribologii se drsné povrchy obvykle opotřebovávají rychleji a mají vyšší koeficienty tření než hladké povrchy. Drsnost je často dobrým prediktorem výkonu mechanické součásti, protože nerovnosti na povrchu mohou tvořit místa nukleace trhlin nebo koroze. Na druhou stranu může drsnost podporovat přilnavost . Obecně řečeno, spíše než deskriptory specifické pro měřítko, deskriptory napříč měřítky, jako je fraktalita povrchu, poskytují smysluplnější předpovědi mechanických interakcí na povrchu, včetně kontaktní tuhosti a statického tření .

Přestože je vysoká hodnota drsnosti často nežádoucí, může být obtížné a nákladné její řízení ve výrobě . Například je obtížné a nákladné kontrolovat drsnost povrchu dílů vyráběných modelováním taveného nanášení (FDM). Snížení drsnosti povrchu obvykle zvyšuje jeho výrobní náklady. Výsledkem je často kompromis mezi výrobními náklady součásti a jejím výkonem v aplikaci.

Drsnost lze měřit ručním porovnáním s "porovnávačem drsnosti povrchu" (vzorek známé drsnosti povrchu), ale obecněji se měření profilu povrchu provádí profilometrem . Mohou to být kontaktní odrůdy (obvykle diamantový stylus) nebo optické (např .: interferometr s bílým světlem nebo laserový skenovací konfokální mikroskop ).

Řízená drsnost však může být často žádoucí. Například lesklý povrch může být příliš lesklý na oko a příliš kluzký na prst (dobrým příkladem je touchpad), takže je vyžadována kontrolovaná drsnost. To je případ, kdy jsou amplituda i frekvence velmi důležité.

Parametry

Hodnotu drsnosti lze vypočítat buď na profilu (čáře), nebo na povrchu (ploše). Parametr profilu drsnosti ( , , ...) jsou častější. Parametry drsnosti oblast ( , , ...), dávat více významných hodnot. ${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Rq}$${\ displaystyle Sa}$${\ Displaystyle Sq}$

Parametry drsnosti profilu

Parametry drsnosti profilu jsou obsaženy v britské normě BS EN ISO 4287: 2000, shodné s normou ISO 4287: 1997. Standard je založen na systému ″ M ″ (střední čára).

Používá se mnoho různých parametrů drsnosti, ale je zdaleka nejběžnější, i když je to často z historických důvodů a ne z konkrétních důvodů, protože rané měřiče drsnosti mohly pouze měřit . Další běžné parametry patří , a . Některé parametry se používají pouze v určitých průmyslových odvětvích nebo v určitých zemích. Skupina parametrů se například používá hlavně pro obložení vrtání válců a parametry Motif se používají především ve francouzském automobilovém průmyslu. Metoda MOTIF poskytuje grafické vyhodnocení profilu povrchu bez filtrování zvlnění z drsnosti. Motiv se skládá z části profilu mezi dvěma vrcholy a konečné kombinace těchto motivů eliminovat "nepodstatné" vrcholy a zachovává "významné" ty. Vezměte prosím na vědomí, že jde o rozměrovou jednotku, která může být mikrometr nebo mikroinch . ${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Rz}$${\ displaystyle Rq}$${\ displaystyle Rsk}$${\ displaystyle Rk}$${\ displaystyle Ra}$

Protože tyto parametry redukují všechny informace v profilu na jedno číslo, je třeba věnovat velkou pozornost jejich aplikaci a interpretaci. Malé změny ve způsobu filtrování nezpracovaných dat profilu, způsobu výpočtu střední čáry a fyzice měření mohou výrazně ovlivnit vypočtený parametr. S moderním digitálním vybavením lze skenování vyhodnotit, aby se ujistil, že neexistují zjevné závady, které zkreslují hodnoty.

Protože mnohým uživatelům nemusí být zřejmé, co každé z měření skutečně znamená, simulační nástroj umožňuje uživateli upravit klíčové parametry a vizualizovat, jak se měřeními odlišují povrchy, které se očividně liší lidským okem. Například nerozlišuje mezi dvěma povrchy, kde jeden je tvořen vrcholy na jinak hladkém povrchu a druhý je tvořen žlábky se stejnou amplitudou. Takové nástroje lze nalézt ve formátu aplikace. ${\ displaystyle Ra}$

Podle konvencí je každý parametr 2D drsnosti velkým a následovaným dalšími znaky v dolním indexu. Dolní index identifikuje vzorec, který byl použit, a znamená, že vzorec byl aplikován na 2D profil drsnosti. Různá velká písmena znamenají, že vzorec byl použit na jiný profil. Například je aritmetický průměr profilu drsnosti, je aritmetický průměr nefiltrovaného surového profilu a je aritmetickým průměrem 3D drsnosti. ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Pa}$${\ displaystyle Sa}$

Každý ze vzorců uvedených v tabulkách předpokládá, že profil drsnosti byl odfiltrován z dat surového profilu a byla vypočtena střední linie. Profil drsnosti obsahuje uspořádané, rovnoměrně rozmístěné body podél stopy a je svislou vzdáleností od střední čáry k datovému bodu. Předpokládá se, že výška je kladná ve směru nahoru, od sypkého materiálu. ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle y_ {i}}$${\ displaystyle i^{\ text {th}}}$

Parametry amplitudy

Parametry amplitudy charakterizují povrch na základě svislých odchylek profilu drsnosti od střední čáry. Mnoho z nich úzce souvisí s parametry nalezenými ve statistikách pro charakterizaci vzorků populace. Například, je aritmetický průměr hodnota filtrovaného profilu drsnosti stanoví z odchylek o středové linie v délce hodnocení a je rozsah shromážděných drsnosti datových bodů. ${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Rt}$

Aritmetická průměrná drsnost,, je nejrozšířenějším parametrem jednorozměrné drsnosti. ${\ displaystyle Ra}$

Parametr	Popis	Vzorec
Ra, Raa, Ryni	Aritmetický střední odchylku v hodnoceném profilu	${\ Displaystyle Ra = {\ frac {1} {l_ {r}}} \ int _ {0}^{l_ {r}} \ left | z (x) \ right | dx}$
Rq, Rms	Root průměr na druhou	${\ Displaystyle Rq = {\ sqrt {{\ frac {1} {l_ {r}}} \ int _ {0}^{l_ {r}} z (x)^{2} dx}}}$
Rv i; Rv	Maximální hloubka údolí pod střední čárou v rámci jedné délky vzorkování; Průměrná hodnota Rv přes délku posouzení	${\ displaystyle Rv_ {i} = | \ min z (x) |}$; ${\ displaystyle Rv = {\ frac {\ sum _ {i = 1}^{n} Rv_ {i}} {n}}}$
Rp i; Rp	Maximální výška píku nad střední čárou v rámci jedné délky vzorkování; Průměrná hodnota Rp přes délku hodnocení	${\ displaystyle Rp_ {i} = \ max z (x)}$; ${\ displaystyle Rp = {\ frac {\ sum _ {i = 1}^{n} Rp_ {i}} {n}}}$
Rz i ; Rz	Maximální výška profilu od vrcholu k údolí v rámci jedné délky vzorkování; Průměrná hodnota Rz přes délku posouzení	${\ displaystyle Rz_ {i} = Rp_ {i}+Rv_ {i}}$; ${\ Displaystyle Rz = {\ frac {\ sum _ {i = 1}^{n} Rz_ {i}} {n}}}$
Rsk	Šikma	${\ Displaystyle Rsk = {\ frac {1} {Rq^{3}}} \ left [{\ frac {1} {l_ {r}}} \ int _ {0}^{l_ {r}} Z^ {3} (x) dx \ right]}$
Rku	Kurtóza	${\ displaystyle Rku = {\ frac {1} {{R_ {q}}^{4}}} \ left [{\ frac {1} {l_ {r}}} \ int _ {0}^{l_ { r}} Z^{4} (x) dx \ right]}$
RzDIN, Rtm	Průměrná vzdálenost mezi nejvyšším vrcholem a nejnižším údolím v každé délce vzorkování, ASME Y14.36M - 1996 Symboly povrchové textury	${\ Displaystyle RzDIN = {\ frac {1} {s}} \ sum _ {i = 1}^{s} Rt_ {i}}$, kde je počet vzorkovacích délek a je pro vzorkovací délku. ${\ displaystyle s}$${\ displaystyle Rt_ {i}}$${\ displaystyle R {\ text {t}}}$${\ displaystyle i^{\ text {th}}}$
RzJIS	Japonský průmyslový standard na základě pěti nejvyšších vrcholů a nejnižších údolí po celé délce vzorkování. ${\ displaystyle Rz}$	${\ displaystyle R {\ text {zJIS}} = {\ frac {1} {5}} \ sum _ {i = 1}^{5} Rp_ {i} -Rv_ {i}}$, kde a jsou nejvyšší vrchol, respektive nejnižší údolí. ${\ displaystyle Rp_ {i}}$${\ displaystyle Rv_ {i}}$${\ displaystyle i^{\ text {th}}}$

Zde je běžná převodní tabulka s čísly stupňů drsnosti:

Parametry sklonu, rozteče a počítání

Parametry sklonu popisují charakteristiky sklonu profilu drsnosti. Parametry mezer a počítání popisují, jak často profil překračuje určité prahové hodnoty. Tyto parametry se často používají k popisu opakující drsnosti profily, jako jsou ty, které vyrábí soustružení na soustruhu .

Parametr	Popis	Vzorec
${\ Displaystyle Rdq, R \ Delta q}$	RMS profilu v rámci vzorkovací délky	${\ Displaystyle Rdq = {\ sqrt {{\ frac {1} {N}} \ sum _ {i = 1}^{N} \ Delta _ {i}^{2}}}}$
${\ displaystyle Rda, R \ Delta a}$	průměrný absolutní sklon profilu v rámci vzorkovací délky	${\ displaystyle Rda = {\ frac {1} {N}} \ sum _ {i = 1}^{N} | \ Delta _ {i} |}$
${\ displaystyle \ Delta _ {i} \!}$	kde delta i je vypočítána podle ASME B46.1 a je 5. vyhlazovacím filtrem Savitzky – Golay	${\ Displaystyle \ Delta _ {i} = {\ frac {1} {60dx}} (y_ {i+3} -9y_ {i+2}+45y_ {i+1} -45y_ {i-1}+9y_ {i-2} -y_ {i-3})}$

Dalšími parametry „frekvence“ jsou S _m , _a a _q . S _m je střední vzdálenost mezi vrcholy. Stejně jako u skutečných hor je důležité definovat „vrchol“. V případě S _m se povrch musel ponořit pod střední povrch, než se znovu dostal na nový vrchol. Průměrná vlnová délka _a a střední střední kvadratická vlnová délka _q jsou odvozeny od _a . Při pokusu porozumět povrch, který závisí jak na amplitudě a frekvenci, že není jasné, které dvojice metrik optimálně popisuje rovnováhy, takže statistická analýza párů měření se může provést (např: R _Z a nebo R _A a SM) najít nejsilnější korelaci. ${\ Displaystyle \ lambda}$${\ Displaystyle \ lambda}$${\ Displaystyle \ lambda}$${\ Displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle \ Delta}$${\ Displaystyle \ lambda}$

Běžné převody:

Parametry křivky únosnosti

Tyto parametry jsou založeny na křivce únosnosti (také známé jako křivka Abbott-Firestone.) To zahrnuje skupinu parametrů Rk.

Skici zobrazující povrchy s negativním a pozitivním zkosením. Trasa drsnosti je vlevo, křivka rozdělení amplitudy je uprostřed a křivka nosné oblasti (křivka Abbott-Firestone) je vpravo.

Fraktální teorie

Matematik Benoît Mandelbrot poukázal na souvislost mezi drsností povrchu a fraktální dimenzí . Popis poskytovaný fraktálem na úrovni mikrohustoty může umožnit kontrolu vlastností materiálu a typu vznikající tvorby třísek. Fraktály však nemohou poskytnout plnohodnotnou reprezentaci typického obrobeného povrchu ovlivněného značkami podávání nástroje; ignoruje geometrii řezné hrany. (J. Paulo Davim, 2010, cit . Cit .). Fraktální deskriptory povrchů hrají důležitou roli v korelaci fyzikálních vlastností povrchu se strukturou povrchu. Propojení fyzického, elektrického a mechanického chování s konvenčními deskriptory drsnosti nebo sklonu napříč více poli bylo náročné. Použitím opatření povrchové fraktality společně s měřítky drsnosti nebo tvaru povrchu lze určité mezifázové jevy včetně kontaktní mechaniky, tření a elektrického kontaktního odporu lépe interpretovat s ohledem na povrchovou strukturu.

Plošné parametry drsnosti

Parametry plošných drsností jsou definovány v řadě ISO 25178. Výsledné hodnoty jsou Sa, Sq, Sz, ... Mnoho optických měřicích přístrojů je schopno změřit drsnost povrchu na ploše. Měření plochy je možné také pomocí kontaktních měřicích systémů. Z cílové oblasti je provedeno několik 2D skenů v těsné blízkosti. Ty jsou poté digitálně spojeny pomocí příslušného softwaru, což má za následek 3D obraz a doprovodné parametry drsnosti oblasti.

Drsnost povrchu půdy

Drsnost povrchu půdy (SSR) označuje svislé odchylky přítomné v mikro- a makro reliéfu povrchu půdy, jakož i jejich stochastické rozložení. Existují čtyři různé třídy SSR, z nichž každá představuje charakteristickou vertikální délkovou stupnici; první třída zahrnuje mikroreliéfní variace od jednotlivých půdních zrn po agregáty řádově 0,053–2,0 mm; druhá třída se skládá z variací způsobených hrudkami v rozmezí 2 až 100 mm; třetí třídou drsnosti povrchu půdy jsou systematické výškové rozdíly v důsledku zpracování půdy, označované jako orientovaná drsnost (OR), v rozmezí od 100 do 300 mm; čtvrtá třída zahrnuje rovinné zakřivení nebo topografické rysy v makro měřítku.

Tyto dvě první třídy představují takzvanou mikrohustotu, u které se ukázalo, že je do značné míry ovlivněna srážkami a zpracováním půdy v daném období. Mikrohustota se nejčastěji kvantifikuje pomocí náhodné drsnosti, což je v zásadě standardní odchylka údajů o výšce povrchu lože kolem střední výšky, po korekci na sklon pomocí nejlépe přizpůsobené roviny a odstranění efektů zpracování půdy v jednotlivých výškových hodnotách. Vliv srážek může vést buď k úpadku, nebo ke zvýšení mikrohustoty, v závislosti na počátečních podmínkách mikroroughity a vlastnostech půdy. Na drsných půdních plochách má působení odlučování dešťových kapek tendenci vyhlazovat okraje drsnosti povrchu půdy, což vede k celkovému poklesu RR. Nedávná studie, která zkoumala reakci hladkých povrchů půdy na dešťové srážky, však ukázala, že RR se může u malých počátečních délek mikroroughů v řádu 0 - 5 mm značně zvýšit. Ukázalo se také, že zvýšení nebo snížení je mezi různými indexy SSR konzistentní.

Praktické efekty

Struktura povrchu hraje klíčovou roli při řízení kontaktní mechaniky , to znamená, že mechanické chování se projevuje na rozhraní mezi dvěma pevnými objekty, když se k sobě přibližují a přecházejí z podmínek bezkontaktního do plného kontaktu. Zejména normální kontaktní tuhost je ovládána převážně strukturami asperity (drsnost, sklon povrchu a fraktalita) a vlastnostmi materiálu.

Pokud jde o technické povrchy, drsnost je považována za škodlivou pro výkon součásti. V důsledku toho většina výrobních tisků stanoví horní hranici drsnosti, ale nikoli dolní mez. Výjimkou jsou válce, kde je v povrchovém profilu zadržen olej a je požadována minimální drsnost.

Struktura povrchu často úzce souvisí s vlastnostmi tření a opotřebení povrchu. Povrch s vyšším fraktálním rozměrem , velkou hodnotou nebo kladem , bude mít obvykle o něco vyšší tření a rychle se opotřebuje. Píky v profilu drsnosti nejsou vždy body kontaktu. Rovněž je třeba vzít v úvahu formu a zvlnění (tj. Jak amplitudu, tak frekvenci). ${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Rsk}$

Viz také

• Diskontinuita (geotechnické inženýrství)
• Robustnost
• Normální kontaktní tuhost
• Povrchová úprava
• Povrchová metrologie
• Měření drsnosti povrchu ISO 25178
• Vlnitost
• Asperity (věda o materiálech)

Reference

externí odkazy

• Průvodce povrchovou metrologií
• Terminologie drsnosti
• Popis Ra a Rz
• Kontrola drsnosti povrchu (povrchová úprava) a rovnice
• SPE (Surface Profile Explorer)
• Online kalkulačka pro převod parametrů drsnosti Ra a Rz
• Enache, Ştefănuţă, La qualité des povrchy usinées (Přelož .: Kvalita opracovaných povrchů). Dunod, Paris, 1972, 343 s.
• Husu, AP, Vitenberg, Iu., R., Palmov, VA, Sherohovatost poverhnostei (Teoretiko-veroiatnostnii podhod) (Transl .: Drsnost povrchu (teoreticko-pravděpodobnostní přístup)), Izdatelstvo "Nauka", Moskva, 1975, 342 pp.
• Davim, J. Paulo, Surface Integrity in Machining, Springer-Verlag London Limited 2010, ISBN  978-1-84882-873-5
• Whitehouse, D. Handbook of Surface Metrology, Institute of Physics Publishing for Rank Taylor-Hobson Co., Bristol 1996