Paviršiaus šiurkštumas yra ypatingas medžiagos parametras. Šis pavadinimas dažnai sutrumpinamas iki tiesiog šiurkštumo ir yra paviršiaus tekstūros komponentas. Jį kiekybiškai lemia tikrojo paviršiaus vektoriaus krypties nukrypimai nuo idealios formos. Jei šie nukrypimai dideli, paviršius yra grubus; jei jie maži, paviršius lygus. Paviršiaus metrologijoje šiurkštumas paprastai laikomas matuojamo paviršiaus aukšto dažnio, trumpo bangos ilgio komponentu. Tačiau praktikoje dažnai reikia žinoti ir amplitudę, ir dažnį, kad įsitikintumėte, jog paviršius yra tinkamas tam tikram tikslui. Paviršiaus šiurkštumas yra labai svarbus dizaino parametras.
Vaidmuo ir prasmė
Šiurkštumas vaidina svarbų vaidmenį nustatant, kaip tikras objektas sąveikaus su aplinka. TribologijojeŠiurkštūs paviršiai paprastai dėvisi greičiau ir turi didesnį trinties koeficientą nei lygūs paviršiai. Šiurkštumas dažnai gerai nusako mechaninio komponento veikimą, nes paviršiaus nelygumai gali sudaryti įtrūkimų ar korozijos susidarymo vietas. Kita vertus, šiurkštumas gali paskatinti sukibimą. Paprastai tariant, vietoj mastelio deskriptorių, kryžminio masto deskriptoriai, tokie kaip paviršiaus fraktalumas, suteikia prasmingesnių paviršių mechaninių sąveikų, įskaitant kontaktinį standumą ir statinę trintį, prognozes. Paviršiaus šiurkštumas yra gana sudėtingas parametras, kurio informaciją rasite toliau.
Didelės ir mažos vertės
Nors didelė šiurkštumo vertė dažnai yra nepageidautina, ją gali būti sunku ir brangu kontroliuoti gamybos metu. Pavyzdžiui, sunku ir brangu kontroliuoti FDM dalių paviršiaus šiurkštumą. Sumažinus šias normas, paprastai padidėja gamybos sąnaudos. Dėl to dažnai atsiranda kompromisas tarp komponento gamybos sąnaudų ir jo taikymo efektyvumo.
Matavimo metodai
Indeksą galima išmatuoti rankiniu būdu lyginant su „šiurkštumo lyginamuoju prietaisu“(žinomo paviršiaus šiurkštumo pavyzdys), bet apskritai paviršiaus profilis matuojamas profilometrais. Jie gali būti kontaktinio tipo (dažniausiai deimantinis rašiklis) arba optiniai (pavyzdžiui,b altos šviesos interferometras arba lazerinis skenuojantis konfokalinis mikroskopas).
Tačiau dažnai gali būti pageidautinas kontroliuojamas šiurkštumas. Pavyzdžiui, blizgus paviršius gali būti per blizgus akims ir per slidus pirštui (geras pavyzdys yra jutiklinė dalis), todėl reikalingas valdomas veikimas. Paviršiaus šiurkštumas yra ta vieta, kur amplitudė ir dažnis yra labai svarbūs.
Jo reikšmę galima apskaičiuoti pagal profilį (liniją) arba pagal paviršių (plotą). Profilio šiurkštumo parametras (Ra, Rq, …) yra labiau paplitęs. Ploto šiurkštumo parametrai (Sa, Sq, …) suteikia prasmingesnius apibrėžimus.
Parametrai
Kiekvienas šiurkštumo parametras apskaičiuojamas pagal paviršiaus aprašymo formulę. Standartinės nuorodos, kurios išsamiai apibūdina kiekvieną iš jų, yra paviršiai ir jų išmatavimai. Paviršiaus šiurkštumas yra charakteristika.
Profilio šiurkštumo parametrai įtraukti į Didžiosios Britanijos (ir visame pasaulyje) standartą BS EN ISO 4287: 2000, kuris yra identiškas ISO 4287: 1997. Standartas pagrįstas ″M″ (vidurinės linijos) sistema.
Yra daug skirtingų šiurkštumo parametrų, tačiau pirmiau nurodyti yra labiausiai paplitę, nors standartizavimas dažnai vyksta dėl istorinių priežasčių, o ne dėl nuopelnų. Paviršiaus šiurkštumas yra nelygumų rinkinys.
Kai kurie parametrai naudojami tik tam tikrose pramonės šakose arba tam tikrose šalyse. Pavyzdžiui, MOTIF parametrai daugiausia naudojami Prancūzijos automobilių pramonėje. MOTIF metodaspateikia grafinį paviršiaus profilio įvertinimą, neatskiriant banguotumo nuo šiurkštumo. MOTIF susideda iš profilio dalies tarp dviejų smailių, o galutiniai deriniai pašalina „mažąsias“smailes ir išlaiko „reikšmingas“. Paviršiaus šiurkštumas brėžinyje – tai įspausti ir kruopščiai išmatuoti nelygumai.
Kadangi šie parametrai sumažina visą profilio informaciją iki vieno skaičiaus, juos taikant ir interpretuojant reikia būti atsargiems. Nedideli neapdorotų profilio duomenų filtravimo, vidurio linijos apskaičiavimo ir matavimo fizikos pakeitimai gali labai paveikti apskaičiuotą parametrą. Naudojant šiuolaikinę skaitmeninę įrangą, nuskaitymus galima įvertinti, siekiant užtikrinti, kad nėra akivaizdžių trikdžių, iškreipiančių vertes.
Parametrų ir matavimų ypatybės
Kadangi daugeliui vartotojų gali būti neaišku, ką iš tikrųjų reiškia kiekvienas matavimas, modeliavimo įrankis leidžia vartotojui koreguoti pagrindinius parametrus, todėl paviršiai, kurie aiškiai skiriasi nuo žmogaus akies, skiriasi matavimais. Pavyzdžiui, kai kurie parametrai negali atskirti dviejų paviršių, kai vieną sudaro smailės, o kitą sudaro tos pačios amplitudės duburiai.
Pagal susitarimą kiekvienas 2D šiurkštumo parametras yra didžioji R raidė, po kurios seka papildomi simboliai apatiniame indekse. Indeksas nurodo formulę, kuri buvo naudojama, irR reiškia, kad formulė pritaikyta 2D šiurkštumo profiliui.
Skirtingas didžiųjų raidžių rašymas reiškia, kad formulė buvo pritaikyta kitam profiliui. Pavyzdžiui, Ra yra šiurkštumo profilio aritmetinis vidurkis, Pa yra nefiltruoto neapdoroto profilio aritmetinis vidurkis, o Sa yra 3D šiurkštumo aritmetinis vidurkis.
Amplitudės nustatymai
Amplitudės parametrai apibūdina paviršių pagal vertikalius šiurkštumo profilio nuokrypius nuo vidurio linijos. Pavyzdžiui, filtruoto šiurkštumo profilio aritmetinis vidurkis, nustatytas pagal nuokrypius nuo vidurio linijos įvertinimo ilgio ribose, gali būti susietas su taškų, surinktų už tą šiurkštumą, diapazonu. Ši vertė dažnai naudojama kaip paviršiaus šiurkštumo nuoroda.
Aritmetinis vidutinis šiurkštumas yra plačiausiai naudojamas vienmatis parametras.
Tyrimai ir stebėjimai
Matematikas Benoit Mandelbrotas atkreipė dėmesį į ryšį tarp paviršiaus šiurkštumo ir fraktalinio matmens. Fraktalo vaizduojamas aprašymas mikronelygumo lygyje gali leisti kontroliuoti medžiagos savybes ir drožlių susidarymo tipą. Tačiau fraktalai negali pateikti visos skalės tipinio apdirbto paviršiaus, paveikto įrankio pastūmos žymių, atvaizdavimo, jie nepaiso pjovimo briaunos geometrijos.
Šiek tiek daugiau apie matavimą
Paviršiaus šiurkštumo parametrai apibrėžti ISO 25178 serijoje.reikšmės: Sa, Sq, Sz… Daugelis optinių matavimo prietaisų gali išmatuoti paviršiaus šiurkštumą pagal plotą. Ploto matavimai galimi ir su kontaktinėmis sistemomis. Iš tikslinės srities paimami keli glaudžiai išdėstyti 2D skenavimai. Tada jie skaitmeniniu būdu sujungiami naudojant atitinkamą programinę įrangą, todėl gaunamas 3D vaizdas ir atitinkami šiurkštumo parametrai.
Dirvožemio paviršius
Dirvožemio paviršiaus šiurkštumas (SSR) reiškia vertikalius pokyčius, esančius žemės paviršiaus mikro- ir makrotopografijoje, taip pat jų stochastinį pasiskirstymą. Yra keturios skirtingos SSR klasės, kurių kiekviena reiškia būdingą vertikalaus ilgio skalę:
- pirma klasė apima mikroreljefo pokyčius nuo atskirų dirvožemio grūdelių iki 0,053–2,0 mm dydžio agregatų;
- antroji klasė susideda iš dirvožemio grumstų variacijų nuo 2 iki 100 mm;
- trečioji dirvos paviršiaus šiurkštumo klasė – tai sistemingi aukščio pokyčiai dėl žemės dirbimo, vadinami orientuotu šiurkštumu (OS), svyruojantys nuo 100 iki 300 mm;
- ketvirtoji klasė apima plokštuminį kreivumą arba makroskalės topografines ypatybes.
Pirmosios dvi klasės paaiškina vadinamąjį mikronelygumą, kuris, kaip įrodyta, daro didelę įtaką įvykiui ir sezoniniam mastui, atitinkamai priklausomai nuo kritulių ir žemės dirbimo. Dažniausiai nustatomas mikrošiurkštumaskiekybiškai įvertinamas atsitiktiniu šiurkštumu, kuris iš esmės yra standartinis sluoksnio paviršiaus aukščio duomenų nuokrypis apie vidutinį aukštį po nuolydžio korekcijos, naudojant geriausiai tinkančią plokštumą ir pašalinant žemės dirbimo poveikį pagal atskirus aukščio rodmenis. Dėl kritulių poveikio gali pablogėti arba padidėti mikronelygumas, atsižvelgiant į pradines sąlygas ir dirvožemio savybes.
Nelygiame žemės paviršiuje lietaus purslai išlygina dirvos paviršiaus šiurkštumo kraštus, todėl bendras RR sumažėja. Tačiau neseniai atliktas tyrimas, kuriame buvo tiriamas lygaus dirvožemio paviršiaus atsakas į kritulius, parodė, kad RR gali žymiai padidėti esant mažoms pradinėms mikronelygumo skalėms, kurių dydis yra 0–5 mm. Taip pat buvo įrodyta, kad padidėjimas arba sumažėjimas yra nuoseklus įvairiuose SSR baluose.
Mechanika
Paviršiaus struktūra atlieka pagrindinį vaidmenį valdant kontaktų mechaniką, ty mechaninį elgesį, kuris atsiranda dviejų kietų objektų sąsajoje, kai jie artėja vienas prie kito ir pereina nuo nekontaktinio prie visiško kontakto. Visų pirma, normalų kontaktinį standumą daugiausia lemia šiurkštumo struktūros (paviršiaus nuolydis ir fraktalumas) ir medžiagos savybės.
Žvelgiant iš inžinerinio paviršiaus perspektyvos, šiurkštumas laikomas neigiamu dalių veikimu. Todėl dauguma produkcijos spaudinių nustato viršutinę ribąšiurkštumas, bet ne dugnas. Išimtis yra cilindrų kiaurymės, kuriose alyva išlieka paviršiaus profilyje ir reikalaujama minimalaus paviršiaus šiurkštumo (Rz).
Struktūra ir fraktališkumas
Paviršiaus struktūra dažnai yra glaudžiai susijusi su jo trinties ir dilimui atspariomis savybėmis. Paviršius, turintis didesnį fraktalinį matmenį, didelę vertę arba teigiamą vertę, paprastai turės šiek tiek didesnę trintį ir greitai susidėvės. Šiurkštumo profilio smailės ne visada yra sąlyčio taškai. Taip pat reikia atsižvelgti į formą ir banguotumą (ty amplitudę ir dažnį), ypač apdorojant paviršiaus šiurkštumą.
