Шероховатость поверхности - Surface roughness

Основной символ шероховатости поверхности

Цифровой голографический микроскоп для измерения шероховатости протеза бедра

Шероховатость поверхности часто сокращается до грубость, является составной частью текстура поверхности. Количественно это определяется отклонениями в направлении нормальный вектор реальной поверхности от ее идеальной формы. Если эти отклонения большие, поверхность шероховатая; если они маленькие, поверхность гладкая. В метрология 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 играет важную роль в определении того, как реальный объект будет взаимодействовать с окружающей средой. В трибология, шероховатые поверхности обычно носить быстрее и выше трение коэффициентов, чем гладкие поверхности. Шероховатость часто является хорошим показателем характеристик механического компонента, поскольку неровности на поверхности могут образовывать места зарождения трещин или коррозии. С другой стороны, шероховатость может способствовать адгезия. Вообще говоря, вместо конкретных дескрипторов масштабирования, дескрипторы перекрестного масштаба, такие как поверхностная фрактальность обеспечивают более значимые прогнозы механических взаимодействий на поверхностях, включая контактная жесткость ^[1] и статическое трение.^[2]

Хотя высокое значение шероховатости часто нежелательно, контролировать его может быть сложно и дорого. производство. Например, трудно и дорого контролировать шероховатость поверхности моделирование наплавленного осаждения (FDM) производимые детали.^[3] Уменьшение шероховатости поверхности обычно увеличивает стоимость ее изготовления. Это часто приводит к компромиссу между стоимостью изготовления компонента и его характеристиками в применении.

Шероховатость может быть измерена путем ручного сравнения с «компаратором шероховатости поверхности» (образец известной шероховатости поверхности), но в более общем смысле измерение профиля поверхности сделано с профилометр. Они могут быть контактными (обычно алмазная игла) или оптическими (например, белый свет интерферометр или же лазерный сканирующий конфокальный микроскоп ).

Однако часто может быть желательна контролируемая шероховатость. Например, глянцевая поверхность может быть слишком блестящей для глаза и слишком скользкой для пальца (тачпад - хороший пример), поэтому требуется контролируемая шероховатость. В этом случае очень важны как амплитуда, так и частота.

Параметры

Значение шероховатости можно рассчитать либо на профиле (линии), либо на поверхности (области). Параметр шероховатости профиля (${\displaystyle Ra}$, ${\displaystyle Rq}$, ...) встречаются чаще. Параметры шероховатости площади (${\displaystyle Sa}$, ${\displaystyle Sq}$, ...) дают более значимые значения.

Параметры шероховатости профиля^[4]

Параметры шероховатости профиля включены в британский стандарт BS EN ISO 4287: 2000, идентичный стандарту ISO 4287: 1997.^[5] Стандарт основан на системе ″ M ″ (средняя линия).

Используется множество различных параметров шероховатости, но ${\displaystyle Ra}$ на сегодняшний день является наиболее распространенным, хотя часто это происходит по историческим причинам, а не из-за особых достоинств, поскольку первые измерители шероховатости могли измерять только ${\displaystyle Ra}$. Другие общие параметры включают ${\displaystyle Rz}$, ${\displaystyle Rq}$, и ${\displaystyle Rsk}$. Некоторые параметры используются только в определенных отраслях или в определенных странах. Например, ${\displaystyle Rk}$ семейство параметров используется в основном для гильз цилиндров, а Параметры мотива используются в основном во французской автомобильной промышленности.^[6] Метод MOTIF обеспечивает графическую оценку профиля поверхности без фильтрации волнистости от шероховатости. А мотив состоит из участка профиля между двумя пиками, и конечные комбинации этих мотивов устраняют «незначительные» пики и сохраняют «значимые». Обратите внимание, что ${\displaystyle Ra}$ размерная единица, которая может быть микрометр или же микродюйм.

Поскольку эти параметры сокращают всю информацию в профиле до одного числа, следует проявлять большую 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. С помощью современного цифрового оборудования сканирование можно оценить, чтобы убедиться в отсутствии очевидных сбоев, искажающих значения.

Поскольку для многих пользователей может быть неочевидно, что на самом деле означает каждое из измерений, инструмент моделирования позволяет пользователю настраивать ключевые параметры, визуализируя, как поверхности, которые явно отличаются от человеческого глаза, различаются в результате измерений. Например, ${\displaystyle Ra}$ не может различить две поверхности, одна из которых состоит из выступов на гладкой поверхности, а другая состоит из впадин той же амплитуды. Такие инструменты можно найти в формате приложения.^[7]

По соглашению каждый параметр шероховатости 2D является заглавным ${\displaystyle R}$ с последующими дополнительными символами в нижнем индексе. Нижний индекс обозначает использованную формулу, а ${\displaystyle R}$ означает, что формула была применена к 2D профилю шероховатости. Различные заглавные буквы означают, что формула была применена к другому профилю. Например, ${\displaystyle Ra}$ - среднее арифметическое профиля шероховатости, ${\displaystyle Pa}$ - среднее арифметическое нефильтрованного исходного профиля, и ${\displaystyle Sa}$ - среднее арифметическое трехмерной шероховатости.

Каждая из формул, перечисленных в таблицах, предполагает, что профиль шероховатости был отфильтрован из необработанных данных профиля и была рассчитана средняя линия. Профиль шероховатости содержит ${\displaystyle n}$ упорядоченные, равноотстоящие точки вдоль трассы, и ${\displaystyle y_{i}}$ вертикальное расстояние от средней линии до ${\displaystyle i^{\text{th}}}$ точка данных. Предполагается, что высота положительна в направлении вверх, от насыпного материала.

Параметры амплитуды

Параметры амплитуды характеризуют поверхность по вертикальным отклонениям профиля шероховатости от средней линии. Многие из них тесно связаны с параметрами, найденными в статистике для характеристики выборок населения. Например, ${\displaystyle Ra}$ это среднее арифметическое значение профильтрованного профиля шероховатости, определяемое по отклонениям относительно центральной линии в пределах оценочной длины и ${\displaystyle Rt}$ это классифицировать собранных точек данных шероховатости.

Средняя арифметическая шероховатость, ${\displaystyle Ra}$, является наиболее широко используемым параметром одномерной шероховатости.

Параметр	Описание	Формула
Ра,[8] Раа, Рыни	Среднее арифметическое отклонение из оцененный профиль	${\displaystyle Ra={\frac {1}{l_{r}}}\int _{0}^{l_{r}}\left|z(x)\right|dx}$[4][5]
Rq, Rms[8]	Среднеквадратичный корень	${\displaystyle Rq={\sqrt {{\frac {1}{l_{r}}}\int _{0}^{l_{r}}z(x)^{2}dx}}}$[4][5]
Rvя; Rv	Максимальная глубина впадины ниже средней линии в пределах одной длины выборки; Среднее значение Rv на протяжении оценки [4]	${\displaystyle Rv_{i}=|\min z(x)|}$; ${\displaystyle Rv={\frac {\sum _{i=1}^{n}Rv_{i}}{n}}}$[4]
Rpя; Rp	Максимальная высота пика над средней линией в пределах одной длины выборки; Среднее значение Rp на протяжении всей оценки[4]	${\displaystyle Rp_{i}=\max z(x)}$; ${\displaystyle Rp={\frac {\sum _{i=1}^{n}Rp_{i}}{n}}}$[4]
Rzя; Rz	Максимальная высота профиля от пика до впадины в пределах одной длины выборки; Среднее значение Rz по длине оценки[4]	${\displaystyle Rz_{i}=Rp_{i}+Rv_{i}}$[4]; ${\displaystyle Rz={\frac {\sum _{i=1}^{n}Rz_{i}}{n}}}$
Риск	Асимметрия	${\displaystyle Rsk={\frac {1}{Rq^{3}}}[{\frac {1}{l_{r}}}\int _{0}^{l_{r}}Z^{3}(x)dx]}$[5]
Rku	Эксцесс	${\displaystyle Rku={\frac {1}{{R_{q}}^{4}}}[{\frac {1}{l_{r}}}\int _{0}^{l_{r}}Z^{4}(x)dx]}$[5]
RzDIN, Rtm	Среднее расстояние между самым высоким пиком и самой низкой впадиной на каждой длине выборки, ASME Y14.36M - 1996 Символы текстуры поверхности	${\displaystyle RzDIN={\frac {1}{s}}\sum _{i=1}^{s}Rt_{i}}$, куда ${\displaystyle s}$ - количество длин выборки, а ${\displaystyle Rt_{i}}$ является ${\displaystyle R{\text{t}}}$ для ${\displaystyle i^{\text{th}}}$ длина выборки.
RzJIS	Японский промышленный стандарт для ${\displaystyle Rz}$на основе пяти самых высоких пиков и самых низких впадин по всей длине выборки.	${\displaystyle R{\text{zJIS}}={\frac {1}{5}}\sum _{i=1}^{5}Rp_{i}-Rv_{i}}$, куда ${\displaystyle Rp_{i}}$ и ${\displaystyle Rv_{i}}$ являются ${\displaystyle i^{\text{th}}}$ самая высокая вершина и самая низкая долина соответственно.

Вот общая таблица преобразования с номерами классов шероховатости:

Шероховатость, Н	Значения шероховатости, Ra		RMS (мкдюймов)	Центральная линия средн., CLA	Шероховатость, Rt
Номера классов ISO	микрометры (мкм)	микродюймы (мкдюймы)		(мкдюймов)	(мкм)
N12	50	2000	2200	2000	200
N11	25	1000	1100	1000	100
N10	12.5	500	550	500	50
N9	6.3	250	275	250	25
N8	3.2	125	137.5	125	13
N7	1.6	63	69.3	63	8
N6	0.8	32	35.2	32	4
N5	0.4	16	17.6	16	2
N4	0.2	8	8.8	8	1.2
N3	0.1	4	4.4	4	0.8
N2	0.05	2	2.2	2	0.5
N1	0.025	1	1.1	1	0.3

==== Наклон, интервал

и параметры подсчета ====

Параметры уклона описывают характеристики наклона профиля шероховатости. Параметры интервалов и подсчета описывают, как часто профиль пересекает определенные пороговые значения. Эти параметры часто используются для описания повторяющихся профилей шероховатости, например, производимых превращение на токарный станок.

Параметр	Описание	Формула
${\displaystyle Rdq,R\Delta q}$	RMS профиля в пределах длины выборки	${\displaystyle Rdq={\sqrt {{\frac {1}{N}}\sum _{i=1}^{N}\Delta _{i}^{2}}}}$
${\displaystyle Rda,R\Delta a}$	средний абсолютный уклон профиля в пределах выборочной длины	${\displaystyle Rda={\frac {1}{N}}\sum _{i=1}^{N}|\Delta _{i}|}$
${\displaystyle \Delta _{i}\!}$	где дельта i рассчитывается в соответствии с ASME B46.1 и является 5-м порядком. Сглаживающий фильтр Савицкого – Голея	${\displaystyle \Delta _{i}={\frac {1}{60dx}}(y_{i+3}-9y_{i+2}+45y_{i+1}-45y_{i-1}+9y_{i-2}-y_{i-3})}$

Остальные «частотные» параметры - S_м, ${\displaystyle \lambda }$_а и ${\displaystyle \lambda }$_q. S_м - средний интервал между пиками. Как и в случае с настоящими горами, важно определить «вершину». Для S_м поверхность должна опуститься ниже средней поверхности, прежде чем снова подняться до нового пика. Средняя длина волны ${\displaystyle \lambda }$_а и среднеквадратичная длина волны ${\displaystyle \lambda }$_q получены из ${\displaystyle \Delta }$_а. При попытке понять поверхность, которая зависит как от амплитуды, так и от частоты, не очевидно, какая пара показателей оптимально описывает баланс, поэтому можно провести статистический анализ пар измерений (например: R_z и ${\displaystyle \lambda }$_а или R_а и Sm), чтобы найти наиболее сильную корреляцию.

Общие преобразования:

Параметры кривой передаточного отношения

Эти параметры основаны на кривая отношения подшипников (также известная как кривая Эбботта-Файерстоуна). Сюда входит семейство параметров Rk.

Эскизы поверхностей с отрицательным и положительным перекосом. Кривая шероховатости находится слева, кривая распределения амплитуд - посередине, а кривая площади подшипника (кривая Эбботта-Файерстоуна) - справа.

Теория фракталов

Математик Бенуа Мандельброт указал на связь между шероховатостью поверхности и фрактальная размерность.^[9] Описание предоставлено фрактал на уровне микрошероховатости может позволить контролировать свойства материала и тип возникающего стружкообразования. Но фракталы не могут обеспечить полномасштабное представление типичной обработанной поверхности, подверженной влиянию следов подачи инструмента, они игнорируют геометрию режущей кромки. (Дж. Пауло Давим, 2010 г., op.cit.). Фрактальные дескрипторы поверхностей играют важную роль в корреляции физических свойств поверхности со структурой поверхности. Во многих областях связь физических, электрических и механических характеристик с обычными дескрипторами шероховатости или уклона поверхности была сложной задачей. Используя меры фрактальности поверхности вместе с измерениями шероховатости или формы поверхности, некоторые межфазные явления, включая механику контакта, трение и электрическое контактное сопротивление, можно лучше интерпретировать в отношении структуры поверхности. ^[10]

Параметры плоской шероховатости

Дальнейшая информация: ISO 25178: Геометрические характеристики изделий (GPS) - Текстура поверхности: площадь

Параметры поверхностной шероховатости определены в серии стандартов ISO 25178. В результате получаются значения Sa, Sq, Sz, ... Многие оптические измерительные приборы могут измерять шероховатость поверхности по площади. Измерение площади также возможно с помощью контактных систем измерения. Целевой области выполняется несколько близко расположенных 2D-сканирований. Затем они сшиваются вместе в цифровом виде с использованием соответствующего программного обеспечения, в результате чего получается трехмерное изображение с соответствующими параметрами поверхностной шероховатости.

Шероховатость поверхности почвы

Шероховатость поверхности почвы (SSR) относится к вертикальным изменениям, присутствующим в микро- и макрорельефе поверхности почвы, а также к их стохастическому распределению. Существует четыре различных класса SSR, каждый из которых представляет характерную вертикальную шкалу длины; К первому классу относятся вариации микрорельефа от отдельных зерен почвы до агрегатов порядка 0,053–2,0 мм; второй класс состоит из вариаций из-за комков почвы размером от 2 до 100 мм; третий класс шероховатости поверхности почвы - систематические перепады высот из-за обработки почвы, называемые ориентированной шероховатостью (OR), в диапазоне от 100 до 300 мм; четвертый класс включает плоскую кривизну или макромасштабные топографические объекты.^[11]

Два первых класса объясняют так называемую микрошероховатость, которая, как было показано, в значительной степени зависит от события и сезонной шкалы времени дождями и обработкой почвы соответственно. Микрошероховатость чаще всего количественно определяется с помощью случайной шероховатости, которая, по сути, представляет собой стандартное отклонение данных о высоте поверхности станины вокруг среднего значения после поправки на уклон с использованием наиболее подходящей плоскости и устранения эффектов обработки почвы в отдельных показаниях высоты.^[12] Воздействие дождя может привести либо к распаду, либо к увеличению микрошероховатости, в зависимости от начальных условий микрошероховатости и свойств почвы.^[13] На неровных поверхностях почвы отрыв дождевых брызг имеет тенденцию сглаживать края неровностей поверхности почвы, что приводит к общему снижению RR. Однако недавнее исследование, в котором изучалась реакция гладких поверхностей почвы на осадки, показало, что RR может значительно увеличиваться при низких начальных масштабах длины микрошероховатости, порядка 0–5 мм. Также было показано, что увеличение или уменьшение соответствует различным индексам SSR. ^[14].

Практические эффекты

Структура поверхности играет ключевую роль в управлении контактная механика,^[1] то есть механическое поведение, проявляющееся на границе раздела двух твердых объектов, когда они приближаются друг к другу и переходят из состояния бесконтактности в состояние полного контакта. Особенно, нормальная контактная жесткость определяется преимущественно структурой неровностей (шероховатость, наклон поверхности и фрактальность) и свойствами материала.

Что касается инженерных поверхностей, считается, что шероховатость ухудшает рабочие характеристики детали. Как следствие, большинство производственных отпечатков устанавливают верхний предел шероховатости, но не нижний предел. Исключение составляют отверстия цилиндров, где масло остается в профиле поверхности и требуется минимальная шероховатость.^[15]

Структура поверхности часто тесно связана со свойствами трения и износа поверхности.^[2] Поверхность с более высоким фрактальная размерность, большой ${\displaystyle Ra}$ значение или положительный ${\displaystyle Rsk}$, обычно имеют более высокое трение и быстро изнашиваются. Пики на профиле шероховатости не всегда являются точками соприкосновения. Также необходимо учитывать форму и волнистость (т.е. как амплитуду, так и частоту).

Смотрите также

• Discontinuity (Геотехническая инженерия)
• Грубость
• Нормальная контактная жесткость
• Чистота поверхности
• Метрология поверхности
• Измерение шероховатости поверхности ISO 25178
• Волнистость
• Asperity (материаловедение)

Рекомендации

1. Чжай, Ц .; Gan, Y .; Hanaor, D .; Пруст, Г .; Retraint, D. (2016). «Роль структуры поверхности в нормальной контактной жесткости». Экспериментальная механика. 56 (3): 359–368. Дои:10.1007 / s11340-015-0107-0.
2. Hanaor, D .; Gan, Y .; Эйнав, И. (2016). «Статическое трение на фрактальных границах раздела». Tribology International. 93: 229–238. Дои:10.1016 / j.triboint.2015.09.016.
3. http://manufacturingscience.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2475087
4. Белый дом, Дэвид (2012). Поверхности и их измерение. Бостон: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  978-0080972015.
5. BS EN ISO 4287: 2000, Геометрическая спецификация изделия (GPS). Текстура поверхности. Профильный метод. Термины, определения и параметры текстуры поверхности
6. Дитцш М., Папенфлюсс К., Хартманн Т. Метод MOTIF (ISO 12085: 1996) - подходящее описание функциональных, производственных и метрологических требований, Международный журнал станков и производства, 1998, 38, № 5-6, стр. 625-632
7. Эбботт, Стивен. «SPE (обозреватель профиля поверхности)». AbbottApps. Стивен Эбботт TCNF Ltd. Получено 13 января, 2014.
8. Дегармо, Э. Пол; Black, J .; Козер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, p. 223, г. ISBN  0-471-65653-4.
9. Den Outer, A .; Kaashoek, J.F .; Хак, H.R.G.K. (1995). «Трудности использования теории непрерывных фракталов для поверхностей разрыва». Международный журнал механики горных пород и горного дела и геомеханики Аннотация. 32 (1): 3–9. Дои:10.1016 / 0148-9062 (94) 00025-X.
10. Зависимое от напряжения сопротивление электрического контакта на фрактальной шероховатой поверхности Журнал инженерной механики 143
11. Ремкенс, M.J.M; Хелминг, К; Прасад, С.Н. (2002). «Эрозия почвы при различной интенсивности осадков, неровности поверхности и водном режиме почвы». CATENA. 46 (2–3): 103–123. Дои:10.1016 / s0341-8162 (01) 00161-8.
12. Аллмарас, Р. Р. (1966). Общая пористость и случайная шероховатость междурядья под влиянием обработки почвы. Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США.
13. К. Н. Поттер; Поттер, К. Н. (1990). «Влияние свойств почвы на разрушение случайной шероховатости из-за дождя». Сделки ASAE. 33 (6): 1889–1892. Дои:10.13031/2013.31554.
14. Abban, B.K.B .; Папаниколау, А. Н. (.; Джаннопулос, К. П .; Дермисис, Д. С.; Вача, К. М .; Уилсон, К. Г.; Эльхаким, М. (2017-09-28). «Количественная оценка изменений микрошероховатости поверхности почвы в результате воздействия дождя на гладкую поверхность». Нелинейные процессы в геофизике. 24 (3): 569–579. Bibcode:2017NPGeo..24..569A. Дои:10.5194 / npg-24-569-2017. ISSN  1607-7946.
15. http://www.enginebuildermag.com/2000/09/cylinder-bore-surface-finishes/

внешняя ссылка

• Руководство по метрологии поверхности
• Терминология шероховатости
• Описание Ra и Rz
• Обзор и уравнения шероховатости поверхности (чистоты)
• SPE (обозреватель профиля поверхности)
• Enache, tefănuţă, La qualité des sizes usinées (Пер .: Качество обработанных поверхностей), Dunod, Paris, 1972, 343 pp.
• Хусу А.П., Витенберг Ю.Р., Пальмов В.А. Шероховатость поверхности (теоретико-вероятностный подход) // Издательство "Наука", Москва, 1975, 342 с.
• Давим, Дж. Пауло, Целостность поверхности при обработке, Springer-Verlag London Limited 2010, ISBN  978-1-84882-873-5
• Уайтхаус, Д. Справочник по метрологии поверхности, Издательство Института физики для Rank Taylor-Hobson Co., Бристоль, 1996 г.