Шероховатость поверхности, или просто шероховатость, — это характеристика неровности поверхности. В машиностроительной отрасли это считается важнейшим базовым знанием, однако зачастую это один из наиболее упускаемых из виду аспектов. Те из нас, кто в машиностроении склонен больше сосредотачиваться на параметрах, профилях зубьев и структуре, часто уделяют этому слишком мало внимания. Спросите себя: как выглядит обработанная поверхность с шероховатостью Ra 1.6? Есть ли у вас в голове конкретный образ такой поверхности?
Что такое шероховатость поверхности?
Шероховатость поверхности — это характеристика неровностей поверхности. Она количественно определяется отклонением направления вектора нормали к реальной поверхности от его идеальной формы. Если отклонение велико, поверхность шероховатая; если оно мало, поверхность гладкая. Шероховатость обычно считается высокочастотной, коротковолновой составляющей измеряемой поверхности. Однако на практике часто необходимо понимать как амплитуду, так и частоту, чтобы убедиться, что поверхность подходит для конкретной цели. Шероховатость поверхности является показателем текстуры поверхности детали после обработки, представляя собой среднее значение микроскопических отклонений и неровностей на поверхности обработанной детали.
Показатели шероховатости поверхности
Шероховатость поверхности играет важнейшую роль в определении того, как физический объект взаимодействует с окружающей средой. Хотя высокие значения шероховатости обычно нежелательны, контролировать шероховатость в процессе производства может быть сложно и дорого. Конструкторам и инженерам-технологам часто приходится искать компромисс между себестоимостью изготовления детали и ее эксплуатационными характеристиками.
Наиболее распространенными показателями шероховатости поверхности являются следующие:
Ra
Ra — это арифметическое среднее отклонений высоты поверхности от средней линии, измеренных на заданном расстоянии. Средняя линия — это «средняя середина» между пиками и впадинами профиля. Ra — это средняя высота всех пиков, расположенных выше этой линии.
Rz
Rz — это средняя максимальная высота неровностей поверхности. Это среднее значение вертикальных расстояний между самой высокой вершиной и самой низкой впадиной на заданном участке.
Rp
Rp — это высота самого высокого пика относительно средней линии в пределах заданной длины выборки.
Rv
Rv — это глубина самой глубокой долины относительно средней линии в пределах заданной длины выборки.
Лежать
Направление укладки — это основное направление текстуры поверхности, указывающее, в каком направлении расположены большинство неровностей поверхности.
На следующей диаграмме эти показатели проиллюстрированы на участке поверхности детали.
Ra — наиболее часто используемый показатель для определения шероховатости поверхности при обработке на станках с ЧПУ, измеряемый в мкм (микрометрах). Чем ниже значение Ra, тем меньше вариации неровностей поверхности, что приводит к более гладкой поверхности. По мере увеличения значения Ra поверхность становится более шероховатой с более выраженной текстурой.
Почему важна шероховатость поверхности?
Шероховатость поверхности является критически важным фактором в проектах обработки на станках с ЧПУ. Помимо влияния на функциональность и эстетику, она влияет на стоимость обработки, трудозатраты и время. Некоторые последствия шероховатости поверхности на Обработанные детали с ЧПУ следующие:
Контакты
Трение необходимо для поддержания контакта между поверхностями, и величина трения возрастает с увеличением шероховатости поверхности. Для компонентов, требующих неподвижного контакта, таких как сборочные узлы и детали, требующие перемещения, необходима достаточная шероховатость поверхности для обеспечения сцепления и минимизации проскальзывания.
Движение
Хотя трение жизненно важно для статического контакта, оно вредно для движущихся, вибрирующих или несущих нагрузку сопрягаемых деталей, поскольку препятствует движению, увеличивает потребление энергии, выделяет тепло и ускоряет износ. Для минимизации трения и повышения износостойкости необходимо уменьшить шероховатость поверхности. И наоборот, шероховатость создает канавки, которые улучшают удержание смазки, что крайне важно в системах перемещения.
Адгезия покрытия
Шероховатость поверхности влияет на ее способность удерживать покрытие, такое как анодирование или порошковая покраска. Микробороздки на относительно шероховатых поверхностях могут задерживать вещества покрытия, тем самым улучшая абсорбционные и удерживающие свойства покрытия.
Эстетика
Шероховатость поверхности напрямую влияет на эстетические качества детали. Глянцевый, зеркальный, зернистый или матовый вид зависят от того, как шероховатость поверхности взаимодействует со светом. Например, меньшая шероховатость поверхности приводит к лучшему отражению света и более глянцевой поверхности, поскольку меньше неровностей рассеивают свет.
Стоимость
Достижение определенной шероховатости поверхности влияет на стоимость детали. Например, для достижения низкой шероховатости поверхности требуются низкие скорости обработки и многократные проходы, помимо прочих факторов. Такое аккуратное перемещение инструмента минимизирует неровности поверхности, но увеличивает время обработки, трудозатраты и стоимость.
Кроме того, шероховатость поверхности влияет на электропроводность, герметичность, гигиеничность и оптические свойства. Несмотря на микроскопический размер, текстура поверхности играет решающую роль в различных областях применения. Сама по себе шероховатость поверхности не является ни хорошей, ни плохой; идеальная шероховатость зависит от конкретного применения детали.
Основные факторы, влияющие на шероховатость поверхности
Длина выборки
Длина выборки L — это заданная длина опорной линии, используемая при оценке шероховатости поверхности. Она должна быть выбрана на основе фактической формы и текстурных характеристик поверхности детали, чтобы отразить специфические особенности ее шероховатости. При измерении длины выборки она должна совпадать с общим направлением фактического профиля поверхности. Цель определения и выбора длины выборки — ограничить и уменьшить влияние волнистости поверхности и погрешностей формы на результаты измерения шероховатости. Обычно используемые варианты для измерителей шероховатости — 0.25 мм, 0.8 мм и 2.5 мм.
Длина оценки
Длина оценки — это общая длина, необходимая для оценки профиля, и она может состоять из одной или нескольких длин выборки. Поскольку шероховатость поверхности на разных участках компонента может быть не идеально равномерной, одной длины выборки часто недостаточно для адекватного отражения характеристик шероховатости данной поверхности. Поэтому для оценки необходимо выполнить несколько длин выборки по поверхности. Длина оценки обычно содержит от 1 до 5 длин выборки (L). Например, если длина выборки установлена на 0.8 мм, а длина оценки выбрана равной 5L, то общая длина оценки составит 5 * 0.8 = 4 мм.
Контрольная линия
Опорная линия — это линия среднего профиля, используемая для оценки параметров шероховатости поверхности. Существует два типа опорных линий:
- Линия профиля, определяемая методом наименьших квадратов: в пределах длины выборки это линия, где сумма квадратов отклонений профиля от линии минимальна и которая обладает геометрической формой профиля.
- Линия арифметического среднего профиля: в пределах длины выборки площади профиля выше и ниже этой линии равны.
Теоретически, линия среднего значения, полученная методом наименьших квадратов, является идеальной опорной линией, но на практике ее трудно получить. Поэтому в качестве замены обычно используется линия среднего арифметического значения, а при фактических измерениях можно использовать прямую линию, приблизительно соответствующую заданному положению.
Длина хода при измерении (длина перемещения)
Ход измерения — это фактическое расстояние, на которое перемещается стилус датчика по заготовке. Ход измерения обычно рассчитывается как длина оценки плюс две дополнительные длины выборки. Например, если длина оценки выбрана равной 5L, а длина выборки L равна 0.8 мм, то ход измерения составит 5L + 2L = 7L. Таким образом, ход измерения равен 7*0.8 = 5.6 мм. Понимание этого имеет решающее значение для расчета фактического расстояния перемещения по заготовке, что помогает определить минимальный размер контактной поверхности, необходимый для корректного измерения.
Классы шероховатости поверхности при обработке на станках с ЧПУ
Шероховатость обработанной поверхности обычно измеряется средним значением шероховатости (Ra). Значения Ra для изготовленных деталей обычно варьируются от 0.1 мкм до 6.3 мкм (от гладкой до шероховатой). Стоит отметить, что шероховатость поверхности может также выходить за пределы этого диапазона; например, кремниевые пластины, используемые в производстве полупроводников, могут быть изготовлены с шероховатостью поверхности Ra 0.01 мкм.
Сравнение степени шероховатости поверхности
Шероховатость поверхности не случайна; производители используют специальные технологические методы для достижения определенных значений Ra. Для стандартизации большинство производителей предлагают четыре степени шероховатости поверхности:
- 3.2 мкм Ra
- 1.6 мкм Ra
- 0.8 мкм Ra
- 0.4 мкм Ra
Эти степени шероховатости поверхности различаются по текстуре, характеристикам, преимуществам, ограничениям и областям применения.
Ра 3.2
Ra 3.2 мкм — это коммерческий стандарт для деталей, обработанных на станках с ЧПУ. Если заказчик не указал иное, производители используют это значение по умолчанию. Ra 3.2 мкм характеризуется четко видимыми линиями обработки, но при этом поверхность достаточно гладкая для большинства деталей, предназначенных для потребительского рынка. Это рекомендуемая максимальная шероховатость для деталей, подверженных напряжениям, нагрузкам или вибрации. В качестве эталонного значения Ra 3.2 мкм не влечет за собой дополнительных затрат.
Области применения: Конструкционные кронштейны для машин, автомобильные капоты, универсальные инструментальные приспособления и шасси машин.
Ра 1.6
Стойкость Ra 1.6 мкм подходит для деталей с плотной посадкой и подверженных нагрузкам, а также для поверхностей с медленным движением, незначительной вибрацией и малыми нагрузками. Для этой стойкости характерны едва заметные следы резания. Она достигается за счет высоких скоростей обработки, малых подач и неглубокого резания. Эта стойкость увеличивает производственные затраты примерно на 2.5%.
Области применения: Штоки гидравлических поршней, низкоскоростные редукторы, прецизионные крепежные элементы и корпуса для электронных устройств.
Ра 0.8
Классифицируемая как высококачественная поверхность с шероховатостью Ra 0.8 мкм, она требует проведения финишной обработки. Идеально подходит для деталей с высокой концентрацией напряжений и большими нагрузками, а также для вибрирующих и движущихся компонентов. Из-за необходимости строгого контроля и точной обработки, этот показатель увеличивает себестоимость производства на 5%.
Области применения: Прецизионные шестерни, компоненты гидравлических клапанов, корпуса медицинских приборов и ювелирные изделия.
Ра 0.4
Шероховатость Ra 0.4 мкм считается очень высококачественной гладкой текстурой и является наивысшим стандартом шероховатости, предлагаемым большинством производителей для обработки на станках с ЧПУ. Она не имеет видимых следов резания и обычно достигается за счет тонкой, строго контролируемой обработки с последующей обработкой. полировкаЭти дополнительные усилия могут увеличить производственные затраты до 15%. Подходит для быстро движущихся или вибрирующих сопрягаемых деталей и компонентов, находящихся под высоким натяжением и напряжением.
Области применения: Опорные поверхности, штоки цилиндров, оптические компоненты и прецизионные пресс-формы для литья под давлением.
Как измерить шероховатость поверхности?
Измерение шероховатости поверхности делится на два метода: качественный и количественный. Качественная оценка включает сравнение исследуемой поверхности со стандартными образцами известной степени шероховатости, при этом для определения степени шероховатости используется визуальный осмотр или микроскопическое исследование. Количественная оценка, с другой стороны, использует специальные методы измерения и соответствующие приборы для определения числового значения шероховатости поверхности.
Метод сравнения
Этот метод используется для измерений в мастерских на месте и обычно применяется к поверхностям средней или относительно шероховатости. Он определяет значение шероховатости поверхности путем сравнения исследуемой поверхности с образцом шероховатости, на котором отмечено определенное числовое значение.
Метод стилуса
Шероховатость поверхности измеряется с помощью алмазного щупа с радиусом наконечника приблизительно 2 микрометра, который медленно скользит по исследуемой поверхности. Вертикальное перемещение алмазного щупа преобразуется в электрический сигнал с помощью электрического датчика длины. После усиления, фильтрации и вычислений значение шероховатости поверхности отображается на дисплее; для построения профиля измеренного поперечного сечения также может использоваться самописец.
Как правило, прибор, отображающий только значения шероховатости поверхности, называется измерителем шероховатости поверхности, а прибор, способный одновременно регистрировать кривые профиля поверхности, называется профилометром шероховатости поверхности. Оба типа измерительных приборов оснащены электронными вычислительными схемами или компьютерами, которые могут автоматически вычислять среднеарифметическое отклонение профиля (Ra), высоту микроскопических неровностей по десяти точкам (Rz), максимальную высоту профиля (Ry) и различные другие параметры оценки. Этот метод обеспечивает высокую эффективность измерения и подходит для измерения шероховатости поверхности со значениями Ra в диапазоне от 0.025 до 6.3 микрометров.
Световое секционирование
В этом методе полоса света, образованная прохождением света через щель, проецируется на исследуемую поверхность, а шероховатость поверхности измеряется с помощью профильной кривой, образованной линией пересечения полосы света и поверхности. Свет, излучаемый источником, проходит через конденсорную линзу, щель и объектив 1, проецируя щель на поверхность под углом наклона 45° для формирования поперечного профильного изображения. Затем это изображение увеличивается объективом 2 и проецируется на сетку. Значение «h» сначала считывается с помощью микрометрического окуляра и считывающего барабана, на основе которого вычисляется значение «H».
Инструмент, использующий этот метод, известен как микроскоп для светового секционирования. Он подходит для измерения шероховатости поверхности со значениями Rz и Ry от 0.8 до 100 микрометров. Однако он требует ручного выбора точек и имеет низкую эффективность измерения.
интерферометрия
Этот метод использует принцип интерференции световых волн (см. оптические плоскости и технологию измерения длины лазером) для отображения погрешностей формы исследуемой поверхности в виде интерференционных полос. Для увеличения микроскопических участков этих интерференционных полос и определения шероховатости поверхности используется микроскоп с большим увеличением (до 500x).
Инструментом измерения, использующим этот метод, является интерференционный микроскоп. Данная методика подходит для измерения шероховатости поверхности со значениями Rz и Ry в диапазоне от 0.025 до 0.8 микрометров.
Как Getzshape может помочь
Компания Getzshape предоставляет высококачественные услуги по изготовлению деталей на станках с ЧПУ, обработке листового металла, электроэрозионной обработке и многому другому. Используя современное оборудование и строгий контроль качества, мы гарантируем точность и своевременную доставку как прототипов, так и крупных производственных партий. В качестве вашего комплексного партнера по производству, мы оптимизируем процессы закупки материалов, обработки, постобработки и логистики.
