Шорсткість поверхні – це особливий параметр матеріалу. Ця назва часто скорочується до просто шорсткості і є компонентом текстури поверхні. Її кількісно визначають за відхиленням напрямку вектора реальної поверхні від її ідеальної форми. Якщо ці відхилення великі, поверхня шорстка; якщо вони маленькі – поверхня гладка. У метрології поверхні шорсткість зазвичай вважається високочастотної короткохвильової складової вимірюваної поверхні. Однак на практиці часто необхідно знати як амплітуду, так і частоту, щоб гарантувати, що поверхня підходить для певної мети. Шорсткість поверхні – це дуже важливий параметр в дизайні.
Роль і значення
Шорсткість відіграє важливу роль у визначенні того, як реальний об’єкт буде взаємодіяти з навколишнім середовищем. В трибології шорсткі поверхні зазвичай зношуються швидше і мають більш високі коефіцієнти тертя, ніж гладкі. Шорсткість часто є хорошим предиктором характеристик механічного компонента, оскільки нерівності на поверхні можуть утворювати місця зародження для тріщин або корозії. З іншого боку, шорсткість може сприяти адгезії. Взагалі кажучи, замість масштабних дескрипторів, крос-масштабні дескриптори, такі як поверхнева фрактальність, забезпечують більш значимі передбачення механічних взаємодій на поверхнях, включаючи жорсткість контакту і статичне тертя. Шорсткість поверхні – це досить складний параметр, подробиці про який можна дізнатися нижче.
Високі і низькі значення
Хоча високе значення шорсткості часто небажано, його може бути складно і дорого контролювати при виготовленні. Наприклад, важко і дорого контролювати шорсткість поверхні деталей, отриманих методом моделювання наплавлення (FDM). Зменшення цих показників зазвичай збільшує вартість виготовлення. Це часто призводить до компромісу між вартістю виробництва компонента і його ефективністю в застосуванні.
Способи виміру
Показник може бути виміряний шляхом ручного порівняння з «компаратором шорсткості» (зразок відомої шорсткості поверхні), але в більш загальному випадку вимірювання профілю поверхні виконується за допомогою профилометров. Вони можуть бути контактного типу (як правило, алмазний стилус) або оптичними (наприклад, інтерферометр білого світла або лазерний скануючий конфокальный мікроскоп).
Проте контрольована шорсткість часто може бути бажаною. Наприклад, глянсова поверхня може бути занадто блискучою для очей і занадто слизькою для пальця (хороший приклад – тачпад), тому потрібні контрольовані показники. Шорсткість поверхні – це той випадок, коли амплітуда і частота дуже важливі.
Її значення може бути розрахована або за профілем (лінія), або по поверхні (площа). Параметр шорсткості профілю (Ra, Rq, …) зустрічається частіше. Параметри шорсткості площі (Sa, Sq, …) дають більш значущі визначення.
Параметри
Кожен з параметрів шорсткості розраховується за формулою опису поверхні. Стандартними посиланнями, які докладно описують кожну з них, є поверхні та їх вимірювання. Шорсткість поверхні – це характеристика.
Параметри шорсткості профілю включені в британський (і загальносвітовий) стандарт BS EN ISO 4287: 2000, ідентичний стандарту ISO 4287: 1997. Стандарт заснований на системі “M” (середня лінія).
Існує багато різних параметрів шорсткості, але вищезгадані є найбільш поширеними, хоча стандартизація часто відбувається з історичних причин, а не з певних переваг. Шорсткість поверхні – це сукупність нерівностей.
Деякі параметри використовуються тільки у певних галузях або у певних країнах. Наприклад, параметри MOTIF використовуються головним чином у французькій автомобільної промисловості. Метод MOTIF забезпечує графічну оцінку профілю поверхні без фільтрації хвилястості від шорсткості. MOTIF складається з частини профілю між двома піками, і остаточні комбінації усувають «незначні» піки і зберігають «значні». Шорсткість поверхні на кресленні – це наявність опуклостей, відбитих і ретельно виміряних на ньому.
Оскільки ці параметри зводять усю інформацію у профілі до одного номером, необхідно дотримуватися обережності при їх застосуванні та інтерпретації. Невеликі зміни в тому, як фільтруються необроблені дані профілю, як розраховується середня лінія і фізика вимірювання, можуть сильно вплинути на обчислюваний параметр. На сучасному цифровому обладнанні сканування можна оцінити, щоб переконатися у відсутності явних помилок, які спотворюють значення.
Особливості та вимірювання параметрів
Оскільки для багатьох користувачів може бути неочевидним, що насправді означає кожне з вимірювань, інструмент моделювання дозволяє користувачеві налаштовувати ключові параметри, візуалізуючи поверхні, які явно відрізняються від людського ока, розрізняються вимірами. Наприклад, деякі параметри не можуть розрізнити дві поверхні, де одна складається з піків, а інша – з западин з однаковою амплітудою.
За угодою кожен параметр 2D-шорсткості являє собою велику літеру R, за якою слідують додаткові символи в нижньому індексі. Нижній індекс визначає формулу, яка використовувалася, а R означає, що формула була застосована до 2D-профілю шорсткості.
Різні заголовні букви означають, що формула була застосована до іншого профілю. Наприклад, Ra – середнє арифметичне профілю шорсткості, Pa – середнє арифметичне для нефільтрованого необробленого профілю, а Sa – середнє арифметичне для тривимірної шорсткості.
Параметри амплітуди
Параметри амплітуди характеризують поверхню на основі вертикальних відхилень профілю шорсткості від середньої лінії. Наприклад, середнє арифметичне значення відфільтрованого профілю шорсткості, визначене з відхилень відносно центральної лінії в межах довжини оцінки, може бути пов’язано з діапазоном зібраних точок даної шорсткості. Це значення часто використовується як позначення шорсткості поверхні.
Середня арифметична шорсткість є найбільш широко використовуваним одновимірним параметром.
Дослідження і спостереження
Математик Бенуа Мандельброт вказав на зв’язок між шорсткістю поверхні та фрактальною розмірністю. Опис, представлене фракталом на рівні мікрошорсткості, може дозволити контролювати властивості матеріалу і тип освіти чіпа. Але фрактали не можуть забезпечити повномасштабне подання типовою обробленої поверхні, на яку впливають мітки подачі інструмента, вони ігнорують геометрію різальної кромки.
Ще трохи про вимірювання
Параметри шорсткості поверхні визначені в серії ISO 25178. Результуючі значення: Sa, Sq, Sz… Багато оптичні вимірювальні прилади здатні вимірювати шорсткість поверхні по площі. Вимірювання площі також можливі з допомогою контактних систем. Багаторазові, близько розташовані 2D-сканування взяті з цільової області. Потім вони зшиваються в цифровому вигляді з використанням відповідного програмного забезпечення, в результаті виходить тривимірне зображення і відповідні параметри шорсткості.
Поверхня ґрунту
Шорсткість поверхні ґрунту (SSR) відноситься до вертикальних змін, присутніх в мікро – і макрорельефе поверхні ґрунту, а також до їх стохастичного розподілу. Існує чотири різних класу SSR, кожен з яких представляє характерну вертикальну шкалу довжини:
- перший клас включає зміни мікрорельєфу від окремих зерен грунту до агрегатів порядку 0,053–2,0 мм;
- другий клас складається з варіацій грунтових грудок від 2 до 100 мм;
- третій клас шорсткості поверхні грунту – це систематичні перепади висот з-за обробки грунту, звані орієнтованої шорсткістю (ЗШ), в діапазоні від 100 до 300 мм;
- четвертий клас включає в себе планарную кривизну або макромасштабные топографічні особливості.
Два перших класи пояснюють так звану мікрошорсткість, яка, як було показано, в значній мірі впливає на подію і сезонну шкалу в залежності від кількості опадів і обробітку ґрунту відповідно. Мікрошорсткість найчастіше визначається кількісно з допомогою випадкової шорсткості, яка, по суті, є стандартним відхиленням даних про піднесення поверхні шару навколо середнього значення висоти після корекції на ухил з використанням площині найкращої відповідності та усунення ефектів обробки грунту в окремих показаннях висоти. Вплив опадів може призвести до погіршення або збільшення мікрошорсткості, в залежності від початкових умов і властивостей грунту.
На шорсткуватих поверхнях грунту дію відриву дощових бризок має тенденцію згладжувати краї шорсткості поверхні грунту, що призводить до загального зниження RR. Однак недавнє дослідження, в якому вивчалася реакція гладких поверхонь грунту на кількість опадів, показало, що RR може значно збільшитися при малих початкових масштабах мікрошорсткості близько 0-5 мм. Також було показано, що збільшення або зменшення погоджено між різними показниками SSR.
Механіка
Структура поверхні відіграє ключову роль в управлінні механікою контакту, тобто механічне поведінка, що проявляється на межі розділу між двома твердими об’єктами, коли вони наближаються один до одного і переходять з умов безконтактність в повний контакт. Зокрема, нормальна контактна жорсткість визначається переважно структурами шорсткості (нахил поверхні і фрактальність) і властивостями матеріалу.
З точки зору інженерних поверхонь, шорсткість вважається шкідливою для характеристик деталі. Як наслідок, більшість виробничих відбитків встановлюють верхню межу шорсткості, але не нижній. Виняток становлять отвори циліндра, в яких масло зберігається в профілі поверхні і потрібна мінімальна шорсткість поверхні (Rz).
Структура і фрактальність
Структура поверхні часто тісно пов’язана з її фрикційними і зносостійкими властивостями. Поверхня з більш високою фрактальною розмірністю, великим чи позитивним значенням звичайно буде мати кілька більш високе тертя і швидко зношується. Піки в профілі шорсткості не завжди є точками контакту. Форма і хвилястість (тобто як амплітуда, так і частота) також повинні враховуватися, особливо при обробці шорсткості поверхні.
