Pinnan karheus - Surface roughness

Pinnan karheuden perussymboli

Digitaalinen holografinen mikroskooppi mittaa lonkan proteesin karheutta

Pinnan karheus , usein lyhennetty karheudeksi , on osa pintarakennetta . Se määritetään todellisen pinnan normaalivektorin suunnan poikkeamilla sen ihanteellisesta muodosta. Jos nämä poikkeamat ovat suuria, pinta on karkea; jos ne ovat pieniä, pinta on sileä. In pinnan metrologian , karheus on tyypillisesti pidetään korkean taajuuden, lyhyen aallonpituuden komponentti on mitattu pinta. Käytännössä on kuitenkin usein tarpeen tietää sekä amplitudi että taajuus, jotta voidaan varmistaa, että pinta sopii tarkoitukseen.

Karheudella on tärkeä rooli määritettäessä, kuinka todellinen esine on vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa. In tribologian , karkeat pinnat yleensä kuluvat nopeammin ja on suurempi kitka kertoimia kuin sileät pinnat. Karheus on usein hyvä ennustaja mekaanisen komponentin suorituskyvylle, koska pinnan epätasaisuudet voivat muodostaa ytimessä olevia kohtia halkeamia tai korroosiota varten. Toisaalta karheus voi edistää tarttuvuutta . Yleisesti ottaen mittakaavakohtaisten kuvailijoiden sijasta ristikkäiset kuvaajat, kuten pintamurtumaisuus, tarjoavat mielekkäämpiä ennusteita mekaanisista vuorovaikutuksista pinnoilla, mukaan lukien kosketusjäykkyys ja staattinen kitka .

Vaikka suuri karheusarvo on usein ei -toivottavaa, sen valvonta voi olla vaikeaa ja kallista valmistuksessa . Esimerkiksi, se on vaikeaa ja kallista valvonta pinnan karheuteen, joka on fuusioitunut laskeuman mallinnus (FDM) valmistettuja osia. Pinnan karheuden pienentäminen yleensä lisää sen valmistuskustannuksia. Tämä johtaa usein kompromissiin komponentin valmistuskustannusten ja sen suorituskyvyn välillä sovelluksessa.

Karheus voidaan mitata käsikirja vertaaminen "pinnan karheus komparaattorin" (näyte tunnetulla pinnan karkeus), mutta yleisemmin pinnan profiilin mittaus on tehty sellainen profilometrillä . Ne voivat olla kosketuslajikkeita (tyypillisesti timanttikynä) tai optisia (esim. Valkoisen valon interferometri tai laserskannauskonfokaalimikroskooppi ).

Hallittu karheus voi kuitenkin usein olla toivottavaa. Esimerkiksi kiiltävä pinta voi olla liian kiiltävä silmälle ja liian liukas sormelle (kosketuslevy on hyvä esimerkki), joten vaaditaan hallittua karheutta. Tämä on tapaus, jossa sekä amplitudi että taajuus ovat erittäin tärkeitä.

Parametrit

Karheusarvo voidaan laskea joko profiilista (viiva) tai pinnasta (alue). Profiilia karheus parametri ( , , ...) ovat yleisempiä. Alue karheus parametrit ( , , ...), jolloin saatiin lisää merkittäviä arvoja. ${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Rq}$${\ displaystyle Sa}$${\ displaystyle Sq}$

Profiilin karheusparametrit

Profiilin karheusparametrit sisältyvät BS EN ISO 4287: 2000 -standardiin, joka on identtinen ISO 4287: 1997 -standardin kanssa. Standardi perustuu ″ M ″ (keskiviiva) -järjestelmään.

Käytössä on monia erilaisia ​​karheusparametreja, mutta se on ylivoimaisesti yleisin, vaikka tämä johtuu usein historiallisista syistä eikä erityisistä ansioista, koska varhaiset karheusmittarit pystyivät vain mittaamaan . Muita yleisiä parametreja ovat , ja . Joitakin parametreja käytetään vain tietyillä aloilla tai tietyissä maissa. Esimerkiksi parametriperhettä käytetään pääasiassa sylinterireikien vuorauksiin, ja Motif -parametreja käytetään pääasiassa Ranskan autoteollisuudessa. MOTIF -menetelmä tarjoaa graafisen arvioinnin pintaprofiilista suodattamatta aaltoilua karheudesta. Motiivi koostuu osan profiilin kahden huipun välinen ja lopullinen yhdistelmät nämä motiivit poistaa "merkityksetön" huiput ja säilyttää "merkittävä" niistä. Huomaa, että tämä on mittayksikkö, joka voi olla mikrometriä tai mikrotuumaa . ${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Rz}$${\ displaystyle Rq}$${\ displaystyle Rsk}$${\ displaystyle Rk}$${\ displaystyle Ra}$

Koska nämä parametrit vähentävät kaikki profiilin tiedot yhdeksi numeroksi, niiden soveltamisessa ja tulkinnassa on oltava erittäin varovainen. Pienet muutokset raakaprofiilitietojen suodatukseen, keskiviivan laskemiseen ja mittauksen fysiikkaan voivat vaikuttaa suuresti laskettuun parametriin. Nykyaikaisilla digitaalisilla laitteilla skannaus voidaan arvioida sen varmistamiseksi, ettei arvoja vääristäviä ilmeisiä häiriöitä ole.

Koska monille käyttäjille ei ehkä ole selvää, mitä kukin mittaus todella tarkoittaa, simulointityökalun avulla käyttäjä voi säätää tärkeimpiä parametreja visualisoimalla, kuinka mittaukset erottavat pinnat, jotka ovat ilmeisesti erilaisia ​​ihmissilmälle. Esimerkiksi ei tehdä eroa kahden pinnan välillä, joista toinen koostuu muuten sileän pinnan huipuista ja toinen saman amplitudin kourista. Tällaiset työkalut löytyvät sovellusmuodosta. ${\ displaystyle Ra}$

Sopimuksen mukaan jokainen 2D -karheusparametri on iso kirjain, jota seuraa lisämerkit alaindeksissä. Alaindeksi tunnistaa käytetyn kaavan ja tarkoittaa sitä, että kaavaa sovellettiin 2D -karheusprofiiliin. Erilaiset isot kirjaimet tarkoittavat, että kaavaa sovellettiin eri profiiliin. Onko esimerkiksi karheusprofiilin aritmeettinen keskiarvo, suodattamattoman raakaprofiilin aritmeettinen keskiarvo ja 3D -karheuden aritmeettinen keskiarvo. ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Pa}$${\ displaystyle Sa}$

Jokainen taulukoissa lueteltu kaava olettaa, että karheusprofiili on suodatettu raakaprofiilin tiedoista ja keskiarvo on laskettu. Karheusprofiili sisältää järjestettyjä, tasavälein pisteitä pitkin jälkeä ja on pystysuora etäisyys keskiviivasta datapisteeseen. Korkeuden oletetaan olevan positiivinen ylöspäin, irtotavarana. ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle y_ {i}}$${\ displaystyle i^{\ text {th}}}$

Amplitudiparametrit

Amplitudiparametrit luonnehtivat pintaa karheusprofiilin pystypoikkeamien perusteella keskiviivasta. Monet niistä liittyvät läheisesti parametreihin, jotka löytyvät väestönäytteiden karakterisoinnista. Esimerkiksi onko suodatetun karheusprofiilin aritmeettinen keskiarvo määritetty poikkeamista keskiviivan suhteen arviointipituuden sisällä ja onko se kerättyjen karheusdatapisteiden alue . ${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Rt}$

Aritmeettinen keskimääräinen karheus,, on yleisimmin käytetty yksiulotteinen karheusparametri. ${\ displaystyle Ra}$

Parametri	Kuvaus	Kaava
Ra, Raa, Ryni	Aritmeettinen keskiarvo poikkeama on arvioitujen profiilin	${\ displaystyle Ra = {\ frac {1} {l_ {r}}} \ int _ {0}^{l_ {r}} \ vasen | z (x) \ oikea | dx}$
Rq, Rms	Juuren keskiarvo neliössä	${\ displaystyle Rq = {\ sqrt {{\ frac {1} {l_ {r}}} \ int _ {0}^{l_ {r}} z (x)^{2} dx}}}$
Rv i; Rv	Laakson suurin syvyys keskiviivan alapuolella yhden näytteenottopituuden sisällä; Keskimääräinen Rv -arvo arvioinnin pituuden yli	${\ displaystyle Rv_ {i} = | \ min z (x) |}$; ${\ displaystyle Rv = {\ frac {\ sum _ {i = 1}^{n} Rv_ {i}} {n}}}$
Rp i; Rp	Suurin piikin korkeus keskiviivan yläpuolella yhden näytteenottopituuden sisällä; Keskimääräinen Rp -arvo arvioinnin pituuden yli	${\ displaystyle Rp_ {i} = \ max z (x)}$; ${\ displaystyle Rp = {\ frac {\ sum _ {i = 1}^{n} Rp_ {i}} {n}}}$
Rz i ; Rz	Profiilin korkein huippu laaksoon yhdellä näytteenottopituudella; Keskimääräinen Rz -arvo arvioinnin pituuden yli	${\ displaystyle Rz_ {i} = Rp_ {i}+Rv_ {i}}$; ${\ displaystyle Rz = {\ frac {\ sum _ {i = 1}^{n} Rz_ {i}} {n}}}$
Rsk	Vinous	${\ displaystyle Rsk = {\ frac {1} {Rq^{3}}} \ vasen [{\ frac {1} {l_ {r}}} \ int _ {0}^{l_ {r}} Z^ {3} (x) dx \ oikea]}$
Rku	Kurtosis	${\ displaystyle Rku = {\ frac {1} {{R_ {q}}^{4}}} \ vasen [{\ frac {1} {l_ {r}}} \ int _ {0}^{l_ { r}} Z^{4} (x) dx \ oikea]}$
RzDIN, Rtm	Keskimääräinen etäisyys korkeimman huippun ja alimman laakson välillä jokaisessa näytteenottopituudessa, ASME Y14.36M - 1996 Pintarakenteen symbolit	${\ displaystyle RzDIN = {\ frac {1} {s}} \ summa _ {i = 1}^{s} Rt_ {i}}$, Jossa on määrä näytteenotto pituudet, ja on , että näytteen pituuden sisällä. ${\ displaystyle s}$${\ displaystyle Rt_ {i}}$${\ displaystyle R {\ text {t}}}$${\ displaystyle i^{\ text {th}}}$
RzJIS	Japanilainen teollisuusstandardi , joka perustuu viiteen korkeimpaan huippuun ja alimpaan laaksoon koko näytteenottopituuden aikana. ${\ displaystyle Rz}$	${\ displaystyle R {\ text {zJIS}} = {\ frac {1} {5}} \ sum _ {i = 1}^{5} Rp_ {i} -Rv_ {i}}$, missä ja ovat korkein huippu ja alin laakso. ${\ displaystyle Rp_ {i}}$${\ displaystyle Rv_ {i}}$${\ displaystyle i^{\ text {th}}}$

Tässä on yleinen muuntotaulukko, jossa on myös karheusluokkien numerot:

Kaltevuus, etäisyys ja laskentaparametrit

Kaltevuusparametrit kuvaavat karheusprofiilin kaltevuuden ominaisuuksia. Väli- ja laskentaparametrit kuvaavat, kuinka usein profiili ylittää tietyt kynnysarvot. Näitä parametreja käytetään usein kuvaamaan toistuvia karheusprofiileja, kuten niitä, jotka saadaan sorvin kääntämisestä .

Parametri	Kuvaus	Kaava
${\ displaystyle Rdq, R \ Delta q}$	profiilin RMS näytteenottopituuden sisällä	${\ displaystyle Rdq = {\ sqrt {{\ frac {1} {N}} \ sum _ {i = 1}^{N} \ Delta _ {i}^{2}}}}$
${\ displaystyle Rda, R \ Delta a}$	profiilin keskimääräinen absoluuttinen kaltevuus näytteenottopituuden sisällä	${\ displaystyle Rda = {\ frac {1} {N}} \ summa _ {i = 1}^{N} | \ Delta _ {i} |}$
${\ displaystyle \ Delta _ {i} \!}$	jossa delta i lasketaan ASME B46.1: n mukaan ja se on viidennen kertaluvun Savitzky -Golay -tasoitussuodatin	${\ displaystyle \ Delta _ {i} = {\ frac {1} {60dx}} (y_ {i+3} -9y_ {i+2}+45y_ {i+1} -45y_ {i-1}+9y_ {i-2} -y_ {i-3})}$

Muita "taajuus" -parametreja ovat S _m , _a ja _q . S _m on piikkien keskimääräinen etäisyys. Aivan kuten todellisten vuorten kohdalla, on tärkeää määritellä "huippu". S _m: n pinnan on oltava pudonnut keskimääräisen pinnan alle, ennen kuin se nousee jälleen uuteen huippuun. Keskimääräinen aallonpituus _a ja neliön keskimääräinen aallonpituus _q on johdettu _{a: sta} . Ymmärtämisessä pinta, joka riippuu sekä amplitudi ja taajuus ei ole selvää, mikä pari muuttujat optimaalisesti kuvataan tasapaino, niin tilastollisen analyysin paria Mittaukset voidaan tehdä (esim: R _z ja tai R ja Sm) löytääkseen vahvimman korrelaation. ${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle \ Delta}$${\ displaystyle \ lambda}$

Yleisiä tuloksia:

Laakerisuhteen käyrän parametrit

Nämä parametrit perustuvat laakerisuhdekäyrään (tunnetaan myös nimellä Abbott-Firestone-käyrä.) Tämä sisältää Rk-parametriperheen.

Luonnokset pinnoista, joissa on negatiivinen ja positiivinen vinous. Karheusjälki on vasemmalla, amplitudijakaumakäyrä on keskellä ja suuntima-alueen käyrä (Abbott-Firestone-käyrä) on oikealla.

Fraktaalin teoria

Matemaatikko Benoît Mandelbrot on huomauttanut pinnan karheuden ja fraktaalin ulottuvuuden välisen yhteyden . Fraktaalin mikrotarkkuustasolla antama kuvaus voi mahdollistaa materiaalin ominaisuuksien ja esiintyvän sirunmuodostuksen hallinnan. Fraktaalit eivät kuitenkaan pysty tarjoamaan täysimittaista kuvaa tyypillisestä koneistetusta pinnasta, johon työkalujen syöttöjäljet ​​vaikuttavat; se sivuuttaa leikkaavan reunan geometrian. (J.Paulo Davim, 2010, op . Vrt .). Pintojen fraktaalikuvaajalla on tärkeä rooli fysikaalisten pinnan ominaisuuksien korreloinnissa pintarakenteen kanssa. Fyysisen, sähköisen ja mekaanisen käyttäytymisen yhdistäminen tavanomaisiin karheuden tai kaltevuuden kuvauksiin useilla aloilla on ollut haastavaa. Käyttämällä pinnan murtumismittauksia yhdessä karheuden tai pinnan muodon kanssa voidaan tiettyjä rajapintailmiöitä, kuten kosketusmekaniikkaa, kitkaa ja sähköistä kosketusvastusta, tulkita paremmin pintarakenteen suhteen.

Alueen karheuden parametrit

Alueen karheusparametrit on määritelty ISO 25178 -sarjassa. Tuloksena olevat arvot ovat Sa, Sq, Sz, ... Monet optiset mittauslaitteet pystyvät mittaamaan pinnan karheuden tietyltä alueelta. Aluemittaukset ovat mahdollisia myös kosketusmittausjärjestelmillä. Kohdealueelta otetaan useita, lähekkäin sijoitettuja 2D -skannauksia. Ne yhdistetään sitten digitaalisesti yhteen käyttämällä asianmukaista ohjelmistoa, jolloin saadaan 3D -kuva ja siihen liittyvät alueelliset karheusparametrit.

Maapinnan karheus

Maapinnan karheus (SSR) viittaa maaperän mikro- ja makroreljeefin pystysuoriin vaihteluihin sekä niiden stokastiseen jakautumiseen. SSR -luokkia on neljä erillistä luokkaa, joista jokainen edustaa ominaista pystysuoraa pituusasteikkoa; ensimmäinen luokka sisältää mikroreljefiset vaihtelut yksittäisistä maaperän jyvistä kiviaineksiin noin 0,053–2,0 mm; toinen luokka koostuu 2–100 mm: n maaperän kohoumien aiheuttamista vaihteluista; kolmas maaperän karheusluokka on maanmuokkauksesta johtuvat järjestelmälliset korkeuserot, joita kutsutaan suunnatuksi karheudeksi (OR) ja jotka vaihtelevat välillä 100–300 mm; neljäs luokka sisältää tasomaisen kaarevuuden tai makrotason mittakaavan topografisia piirteitä.

Kaksi ensimmäistä luokkaa muodostavat niin kutsutun mikrovahvuuden, jonka on osoitettu vaikuttavan suurelta osin tapahtumaan ja kausiluonteiseen aikaan sademäärän ja maanmuokkauksen perusteella. Mikrojyvyys määritetään yleisimmin satunnaisella epätasaisuudella, joka on pohjimmiltaan sängynpinnan korkeusdatan keskihajonta keskimääräisen korkeuden ympärillä sen jälkeen, kun kaltevuus on korjattu parhaiten sopivalla tasolla ja maanmuokkausvaikutukset on poistettu yksittäisistä korkeuslukemista. Sadevaikutus voi johtaa mikrorajojen rappeutumiseen tai lisääntymiseen riippuen alkuperäisistä mikroolosuhteista ja maaperän ominaisuuksista. Karkeilla maapinnoilla sadepisaroiden irtoamisella on taipumus tasoittaa maaperän karheuden reunoja, mikä johtaa RR: n yleiseen laskuun. Kuitenkin äskettäinen tutkimus, jossa tarkasteltiin sileiden maaperien reaktiota sademäärään, osoitti, että RR voi kasvaa merkittävästi pienillä alkupaksuusasteilla, jotka ovat luokkaa 0 - 5 mm. Osoitettiin myös, että nousu tai lasku on johdonmukaista eri SSR -indeksien välillä.

Käytännön vaikutukset

Pintarakenteella on keskeinen rooli kosketusmekaniikan ohjaamisessa , toisin sanoen mekaaninen käyttäytyminen kahden kiinteän esineen rajapinnassa, kun ne lähestyvät toisiaan ja siirtyvät kosketuksettomista olosuhteista täydelliseen kosketukseen. Erityisesti normaalia kosketusjäykkyyttä säätelevät pääasiassa asperiteettirakenteet (karheus, pinnan kaltevuus ja fraktaalisuus) ja materiaalin ominaisuudet.

Teknisten pintojen osalta karheuden katsotaan heikentävän osien suorituskykyä. Tämän seurauksena useimmat valmistustulokset asettavat karheuden ylärajan, mutta eivät alarajaa. Poikkeuksena ovat sylinterin reiät, joissa öljy pysyy pintaprofiilissa ja vaaditaan vähäistä karheutta.

Pintarakenne liittyy usein läheisesti pinnan kitka- ja kulutusominaisuuksiin. Pinnalla, jolla on suurempi fraktaalimitta , suuri arvo tai positiivinen , on yleensä jonkin verran suurempi kitka ja kuluminen nopeasti. Karheusprofiilin huiput eivät aina ole kosketuspisteitä. Myös muoto ja aaltoilu (eli sekä amplitudi että taajuus) on otettava huomioon. ${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Rsk}$

Katso myös

• Epäjatkuvuus (geotekniikka)
• Rugosity
• Normaali kosketusjäykkyys
• Pinnan viimeistely
• Pintametrologia
• Pinnan karheuden mittaus ISO 25178
• Aaltoilu
• Asperiteetti (materiaalitiede)

Viitteet

Ulkoiset linkit

• Pintamittausopas
• Karkeuden terminologia
• Ra ja Rz kuvaus
• Pinnan epätasaisuuden (viimeistely) tarkistus ja yhtälöt
• SPE (Surface Profile Explorer)
• Online -laskin muuntaa karheusparametrit Ra ja Rz
• Enache, Ştefănuţă, La qualité des pinta usinées (käännös: Koneistettujen pintojen laatu). Dunod, Pariisi, 1972, 343 s.
• Husu, AP, Vitenberg, Iu., R., Palmov, VA, Sherohovatost poverhnostei (Teoretiko-veroiatnostnii podhod) (Käännös: Pinnan karheus (teoreettinen-todennäköisyyspohjainen lähestymistapa)), Izdatelstvo "Nauka", Moskova, 1975, 342 s.
• Davim, J.Paulo, Surface Integrity in Machining, Springer-Verlag London Limited 2010, ISBN  978-1-84882-873-5
• Whitehouse, D.Pintametrologian käsikirja, Fysiikan instituutin julkaisutoimisto, Taylor-Hobson Co., Bristol 1996