Шероховатость поверхности - это особый параметр материала. Это название часто сокращается до просто шероховатости и является компонентом текстуры поверхности. Ее количественно определяют по отклонениям направления вектора реальной поверхности от ее идеальной формы. Если эти отклонения велики, поверхность шероховатая; если они маленькие - поверхность гладкая. В метрологии поверхности шероховатость обычно считается высокочастотной коротковолновой составляющей измеряемой поверхности. Однако на практике часто необходимо знать как амплитуду, так и частоту, чтобы гарантировать, что поверхность подходит для определенной цели. Шероховатость поверхности - это очень важный параметр в дизайне.
Роль и значение
Шероховатость играет важную роль в определении того, как реальный объект будет взаимодействовать с окружающей средой. В трибологии шероховатые поверхности обычно изнашиваются быстрее и имеют более высокие коэффициенты трения, чем гладкие. Шероховатость часто является хорошим предиктором характеристик механического компонента, поскольку неровности на поверхности могут образовывать места зарождения для трещин или коррозии. С другой стороны, шероховатость может способствовать адгезии. Вообще говоря, вместо масштабных дескрипторов, кросс-масштабные дескрипторы, такие как поверхностная фрактальность, обеспечивают более значимые предсказания механических взаимодействий на поверхностях, включая жесткость контакта и статическое трение. Шероховатость поверхности - это довольно сложный параметр, подробности о котором можно узнать ниже.
Высокие и низкие значения
Хотя высокое значение шероховатости часто нежелательно, его может быть сложно и дорого контролировать при изготовлении. Например, трудно и дорого контролировать шероховатость поверхности деталей, полученных методом моделирования наплавки (FDM). Уменьшение этих показателей обычно увеличивает стоимость изготовления. Это часто приводит к компромиссу между стоимостью производства компонента и его эффективностью в применении.
Способы измерения
Показатель может быть измерен путем ручного сравнения с «компаратором шероховатости» (образец известной шероховатости поверхности), но в более общем случае измерение профиля поверхности выполняется с помощью профилометров. Они могут быть контактного типа (как правило, алмазный стилус) или оптическими (например, интерферометр белого света или лазерный сканирующий конфокальный микроскоп).
Однако контролируемая шероховатость часто может быть желательной. Например, глянцевая поверхность может быть слишком блестящей для глаз и слишком скользкой для пальца (хороший пример - тачпад), поэтому требуются контролируемые показатели. Шероховатость поверхности - это тот случай, когда амплитуда и частота очень важны.
Ее значение может быть рассчитано либо по профилю (линия), либо по поверхности (площадь). Параметр шероховатости профиля (Ra, Rq, ...) встречается чаще. Параметры шероховатости площади (Sa, Sq, ...) дают более значимые определения.
Параметры
Каждый из параметров шероховатости рассчитывается по формуле описания поверхности. Стандартными ссылками, которые подробно описывают каждую из них, являются поверхности и их измерения. Шероховатость поверхности - это характеристика.
Параметры шероховатости профиля включены в британский (и общемировой) стандарт BS EN ISO 4287: 2000, идентичный стандарту ISO 4287: 1997. Стандарт основан на системе ″M″ (средняя линия).
Существует много различных параметров шероховатости, но вышеупомянутые являются наиболее распространенными, хотя стандартизация часто происходит по историческим причинам, а не по определенным достоинствам. Шероховатость поверхности - это совокупность неровностей.
Некоторые параметры используются только в определенных отраслях или в определенных странах. Например, параметры MOTIF используются главным образом во французской автомобильной промышленности. Метод MOTIF обеспечивает графическую оценку профиля поверхности без фильтрации волнистости от шероховатости. MOTIF состоит из части профиля между двумя пиками, и окончательные комбинации устраняют «незначительные» пики и сохраняют «значительные». Шероховатость поверхности на чертеже - это наличие выпуклостей, запечатленных и тщательно измеренных на нем.
Поскольку эти параметры сводят всю информацию в профиле к одному номеру, необходимо соблюдать осторожность при их применении и интерпретации. Небольшие изменения в том, как фильтруются необработанные данные профиля, как рассчитывается средняя линия и физика измерения, могут сильно повлиять на вычисляемый параметр. На современном цифровом оборудовании сканирование можно оценить, чтобы убедиться в отсутствии явных сбоев, которые искажают значения.
Особенности параметров и измерения
Поскольку для многих пользователей может быть неочевидным, что на самом деле означает каждое из измерений, инструмент моделирования позволяет пользователю настраивать ключевые параметры, визуализируя поверхности, которые явно отличаются от человеческого глаза, различаются измерениями. Например, некоторые параметры не могут различить две поверхности, где одна состоит из пиков, а другая – из впадин с одинаковой амплитудой.
По соглашению каждый параметр 2D-шероховатости представляет собой заглавную букву R, за которой следуют дополнительные символы в нижнем индексе. Нижний индекс определяет формулу, которая использовалась, а R означает, что формула была применена к 2D-профилю шероховатости.
Различные заглавные буквы означают, что формула была применена к другому профилю. Например, Ra - среднее арифметическое для профиля шероховатости, Pa - среднее арифметическое для нефильтрованного необработанного профиля, а Sa - среднее арифметическое для трехмерной шероховатости.
Параметры амплитуды
Параметры амплитуды характеризуют поверхность на основе вертикальных отклонений профиля шероховатости от средней линии. Например, среднее арифметическое значение отфильтрованного профиля шероховатости, определенное из отклонений относительно центральной линии в пределах длины оценки, может быть связано с диапазоном собранных точек данной шероховатости. Это значение часто используется как обозначение шероховатости поверхности.
Средняя арифметическая шероховатость является наиболее широко используемым одномерным параметром.
Исследования и наблюдения
Математик Бенуа Мандельброт указал на связь между шероховатостью поверхности и фрактальной размерностью. Описание, представленное фракталом на уровне микрошероховатости, может позволить контролировать свойства материала и тип образования чипа. Но фракталы не могут обеспечить полномасштабное представление типичной обработанной поверхности, на которую влияют метки подачи инструмента, они игнорируют геометрию режущей кромки.
Еще немного об измерении
Параметры шероховатости поверхности определены в серии ISO 25178. Результирующие значения: Sa, Sq, Sz... Многие оптические измерительные приборы способны измерять шероховатость поверхности по площади. Измерения площади также возможны с помощью контактных систем. Многократные, близко расположенные 2D-сканирования взяты из целевой области. Затем они сшиваются в цифровом виде с использованием соответствующего программного обеспечения, в результате получается трехмерное изображение и соответствующие параметры шероховатости.
Поверхность почвы
Шероховатость поверхности почвы (SSR) относится к вертикальным изменениям, присутствующим в микро- и макрорельефе поверхности грунта, а также к их стохастическому распределению. Существует четыре различных класса SSR, каждый из которых представляет характерную вертикальную шкалу длины:
- первый класс включает изменения микрорельефа от отдельных зерен почвы до агрегатов порядка 0,053–2,0 мм;
- второй класс состоит из вариаций почвенных комков от 2 до 100 мм;
- третий класс шероховатости поверхности почвы - это систематические перепады высот из-за обработки почвы, называемые ориентированной шероховатостью (ОШ), в диапазоне от 100 до 300 мм;
- четвертый класс включает в себя планарную кривизну или макромасштабные топографические особенности.
Два первых класса объясняют так называемую микрошероховатость, которая, как было показано, в значительной степени влияет на событие и сезонную шкалу в зависимости от количества осадков и обработки почвы соответственно. Микрошероховатость чаще всего определяется количественно с помощью случайной шероховатости, которая, по сути, является стандартным отклонением данных о возвышении поверхности слоя вокруг среднего значения высоты после коррекции на уклон с использованием плоскости наилучшего соответствия и устранения эффектов обработки почвы в отдельных показаниях высоты. Воздействие осадков может привести к ухудшению или увеличению микрошероховатости, в зависимости от начальных условий и свойств почвы.
На шероховатых поверхностях грунта действие отрыва дождевых брызг имеет тенденцию сглаживать края шероховатости поверхности почвы, что приводит к общему снижению RR. Однако недавнее исследование, в котором изучалась реакция гладких поверхностей почвы на количество осадков, показало, что RR может значительно увеличиться при малых начальных масштабах микрошероховатости порядка 0-5 мм. Также было показано, что увеличение или уменьшение согласовано между различными показателями SSR.
Механика
Структура поверхности играет ключевую роль в управлении механикой контакта, то есть механическое поведение, проявляющееся на границе раздела между двумя твердыми объектами, когда они приближаются друг к другу и переходят из условий бесконтактности в полный контакт. В частности, нормальная контактная жесткость определяется преимущественно структурами шероховатости (наклон поверхности и фрактальность) и свойствами материала.
С точки зрения инженерных поверхностей, шероховатость считается вредной для характеристик детали. Как следствие, большинство производственных отпечатков устанавливают верхний предел шероховатости, но не нижний. Исключение составляют отверстия цилиндра, в которых масло сохраняется в профиле поверхности и требуется минимальная шероховатость поверхности (Rz).
Структура и фрактальность
Структура поверхности часто тесно связана с ее фрикционными и износостойкими свойствами. Поверхность с более высокой фрактальной размерностью, большим или положительным значением обычно будет иметь несколько более высокое трение и быстро изнашивается. Пики в профиле шероховатости не всегда являются точками контакта. Форма и волнистость (то есть как амплитуда, так и частота) также должны учитываться, особенно при обработке шероховатости поверхности.
