Overfladeruhed - Surface roughness

Det grundlæggende symbol på overfladeruhed

Digitalt holografisk mikroskop, der måler ruhed af hofteproteser

Overfladeruhed , ofte forkortet til ruhed , er en komponent i overfladestruktur . Det kvantificeres ved afvigelserne i retningen af ​​den normale vektor på en reel overflade fra dens ideelle form. Hvis disse afvigelser er store, er overfladen ru; hvis de er små, er overfladen glat. I overflademetrologi anses ruhed typisk for at være højfrekvent, kortbølgelængdekomponent af en målt overflade. Imidlertid er det i praksis ofte nødvendigt at kende både amplituden og frekvensen for at sikre, at en overflade er egnet til et formål.

Grovhed spiller en vigtig rolle for at bestemme, hvordan et reelt objekt vil interagere med sit miljø. I tribologi slides ru overflader normalt hurtigere og har højere friktionskoefficienter end glatte overflader. Råhed er ofte en god forudsigelse for en mekanisk komponents ydeevne, da uregelmæssigheder på overfladen kan danne kimdannelsessteder for revner eller korrosion. På den anden side kan ruhed fremme vedhæftning . Generelt giver krydsskala -deskriptorer, såsom overfladefraktalitet, i stedet for skalaspecifikke deskriptorer mere meningsfulde forudsigelser af mekaniske interaktioner på overflader, herunder kontaktstivhed og statisk friktion .

Selvom en høj ruhedsværdi ofte er uønsket, kan det være svært og dyrt at kontrollere i fremstillingen . For eksempel er det svært og dyrt at kontrollere overfladeruhed af fused deposition modellering (FDM) fremstillede dele. Faldende ruhed af en overflade øger normalt produktionsomkostningerne. Dette resulterer ofte i en afvejning mellem produktionsomkostningerne for en komponent og dens ydeevne i anvendelsen.

Grovhed kan måles ved manuel sammenligning mod en "overfladerughedskomparator" (en prøve af kendt overfladeruhed), men mere generelt foretages en overfladeprofilmåling med et profilometer . Disse kan være af kontaktsorten (typisk en diamantpind) eller optisk (f.eks .: et interferometer med hvidt lys eller et laserskannende konfokalmikroskop ).

Imidlertid kan kontrolleret ruhed ofte være ønskelig. For eksempel kan en blank overflade være for skinnende for øjet og for glat til fingeren (en touchpad er et godt eksempel), så en kontrolleret ruhed er påkrævet. Dette er et tilfælde, hvor både amplitude og frekvens er meget vigtige.

Parametre

En ruhedsværdi kan enten beregnes på en profil (linje) eller på en overflade (område). Profilen ruhed parameter ( , , ...) er mere almindelige. De areal ruhed parametre ( , , ...) giver mere betydningsfulde værdier. ${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Rq}$${\ displaystyle Sa}$${\ displaystyle Sq}$

Profil ruhed parametre

Profilens ruhedsparametre er inkluderet i BS EN ISO 4287: 2000 britisk standard, identisk med ISO 4287: 1997 standarden. Standarden er baseret på ″ M ″ (middellinje) -systemet.

Der er mange forskellige ruhedsparametre i brug, men er langt den mest almindelige, selvom dette ofte er af historiske årsager og ikke af særlig fortjeneste, da de tidlige ruhedsmålere kun kunne måle . Andre almindelige parametre omfatter , og . Nogle parametre bruges kun i visse brancher eller inden for bestemte lande. For eksempel bruges parameterfamilien hovedsageligt til cylinderboringsforinger, og Motif -parametrene bruges primært i den franske bilindustri. MOTIF -metoden giver en grafisk vurdering af en overfladeprofil uden at filtrere bølger fra ruhed. Et motiv består af delen af ​​en profil mellem to toppe, og de sidste kombinationer af disse motiver eliminerer ″ ubetydelige ″ toppe og bevarer ″ betydelige ″. Bemærk, at det er en dimensionel enhed, der kan være mikrometer eller mikroinch . ${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Rz}$${\ displaystyle Rq}$${\ displaystyle Rsk}$${\ displaystyle Rk}$${\ displaystyle Ra}$

Da disse parametre reducerer alle oplysninger i en profil til et enkelt tal, skal der udvises stor omhu ved anvendelse og fortolkning af dem. Små ændringer i, hvordan råprofildata filtreres, hvordan middellinjen beregnes og målingens fysik kan i høj grad påvirke den beregnede parameter. Med moderne digitalt udstyr kan scanningen evalueres for at sikre, at der ikke er tydelige fejl, der skæver værdierne.

Fordi det måske ikke er indlysende for mange brugere, hvad hver af målingerne virkelig betyder, giver et simuleringsværktøj en bruger mulighed for at justere nøgleparametre og visualisere, hvordan overflader, der tydeligvis er forskellige fra det menneskelige øje, differentieres af målingerne. For eksempel undlader det at skelne mellem to overflader, hvor den ene er sammensat af toppe på en ellers glat overflade, og den anden er sammensat af trug med samme amplitude. Sådanne værktøjer kan findes i appformat. ${\ displaystyle Ra}$

Efter konvention er hver 2D -ruhedsparameter en kapital efterfulgt af yderligere tegn i abonnementet. Abonnementet identificerer den anvendte formel og betyder, at formlen blev anvendt på en 2D -ruhedsprofil. Forskellige store bogstaver indebærer, at formlen blev anvendt på en anden profil. For eksempel er det aritmetiske gennemsnit af ruhedsprofilen, det aritmetiske gennemsnit af den ufiltrerede råprofil og er det aritmetiske gennemsnit af 3D -ruheden. ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Pa}$${\ displaystyle Sa}$

Hver af de formler, der er anført i tabellerne, antager, at ruhedsprofilen er blevet filtreret fra råprofildataene, og middellinjen er blevet beregnet. Råhedsprofilen indeholder ordnede, lige store punkter langs sporet og er den lodrette afstand fra middellinjen til datapunktet. Højden antages at være positiv i opadgående retning, væk fra bulkmaterialet. ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle y_ {i}}$${\ displaystyle i^{\ tekst {th}}}$

Amplitude parametre

Amplitudeparametre karakteriserer overfladen baseret på de lodrette afvigelser af ruhedsprofilens fra middellinjen. Mange af dem er tæt forbundet med de parametre, der findes i statistikker til karakterisering af populationsprøver. For eksempel er den aritmetiske gennemsnitsværdi for filtreret ruhedsprofil bestemt ud fra afvigelser omkring midterlinjen inden for evalueringslængden og er intervallet for de indsamlede ruhedsdatapunkter. ${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Rt}$

Den aritmetiske gennemsnitlige ruhed,, er den mest anvendte endimensionelle ruhedsparameter. ${\ displaystyle Ra}$

Parameter	Beskrivelse	Formel
Ra, Raa, Ryni	Aritmetisk middelafvigelse af den vurderede profil	${\ displaystyle Ra = {\ frac {1} {l_ {r}}} \ int _ {0}^{l_ {r}} \ venstre | z (x) \ højre | dx}$
Rq, Rms	Root mean squared	${\ displaystyle Rq = {\ sqrt {{\ frac {1} {l_ {r}}} \ int _ {0}^{l_ {r}} z (x)^{2} dx}}}$
Rv i; Rv	Maksimal daldybde under middellinjen inden for en enkelt prøvetagningslængde Gennemsnitlig Rv -værdi over vurderingslængde	${\ displaystyle Rv_ {i} = | \ min z (x) |}$; ${\ displaystyle Rv = {\ frac {\ sum _ {i = 1}^{n} Rv_ {i}} {n}}}$
Rp i; Rp	Maksimal spidshøjde over middellinjen inden for en enkelt prøvetagningslængde Gennemsnitlig Rp -værdi over vurderingslængde	${\ displaystyle Rp_ {i} = \ max z (x)}$; ${\ displaystyle Rp = {\ frac {\ sum _ {i = 1}^{n} Rp_ {i}} {n}}}$
Rz i ; Rz	Maksimal top til dalhøjde af profilen inden for en enkelt prøveudtagningslængde Gennemsnitlig Rz -værdi over vurderingslængde	${\ displaystyle Rz_ {i} = Rp_ {i}+Rv_ {i}}$; ${\ displaystyle Rz = {\ frac {\ sum _ {i = 1}^{n} Rz_ {i}} {n}}}$
Rsk	Skævhed	${\ displaystyle Rsk = {\ frac {1} {Rq^{3}}} \ venstre [{\ frac {1} {l_ {r}}} \ int _ {0}^{l_ {r}} Z^ {3} (x) dx \ højre]}$
Rku	Kurtosis	${\ displaystyle Rku = {\ frac {1} {{R_ {q}}^{4}}} \ venstre [{\ frac {1} {l_ {r}}} \ int _ {0}^{l_ { r}} Z^{4} (x) dx \ højre]}$
RzDIN, Rtm	Gennemsnitlig afstand mellem den højeste top og laveste dal i hver prøveudtagningslængde, ASME Y14.36M - 1996 overfladestruktur -symboler	${\ displaystyle RzDIN = {\ frac {1} {s}} \ sum _ {i = 1}^{s} Rt_ {i}}$, hvor er antallet af prøvetagningslængder, og er for prøveudtagningslængden. ${\ displaystyle s}$${\ displaystyle Rt_ {i}}$${\ displaystyle R {\ tekst {t}}}$${\ displaystyle i^{\ tekst {th}}}$
RzJIS	Japanese Industrial Standard for , baseret på de fem højeste toppe og laveste dale over hele prøvetagningslængden. ${\ displaystyle Rz}$	${\ displaystyle R {\ text {zJIS}} = {\ frac {1} {5}} \ sum _ {i = 1}^{5} Rp_ {i} -Rv_ {i}}$, hvor og er henholdsvis den højeste top og laveste dal. ${\ displaystyle Rp_ {i}}$${\ displaystyle Rv_ {i}}$${\ displaystyle i^{\ tekst {th}}}$

Her er en almindelig konverteringstabel med også ruhedsgradstal:

Hældning, afstand og tællingsparametre

Hældningsparametre beskriver egenskaber ved ruhedsprofilens hældning. Afstands- og tællingsparametre beskriver, hvor ofte profilen krydser visse tærskler. Disse parametre bruges ofte til at beskrive gentagne ruhedsprofiler, f.eks. Dem, der produceres ved at tænde en drejebænk .

Parameter	Beskrivelse	Formel
${\ displaystyle Rdq, R \ Delta q}$	profilens RMS inden for prøveudtagningslængden	${\ displaystyle Rdq = {\ sqrt {{\ frac {1} {N}} \ sum _ {i = 1}^{N} \ Delta _ {i}^{2}}}}$
${\ displaystyle Rda, R \ Delta a}$	den gennemsnitlige absolutte hældning af profilen inden for prøveudtagningslængden	${\ displaystyle Rda = {\ frac {1} {N}} \ sum _ {i = 1}^{N} | \ Delta _ {i} |}$
${\ displaystyle \ Delta _ {i} \!}$	hvor delta i er beregnet i henhold til ASME B46.1 og er et 5. orden Savitzky – Golay udjævningsfilter	${\ displaystyle \ Delta _ {i} = {\ frac {1} {60dx}} (y_ {i+3} -9y_ {i+2}+45y_ {i+1} -45y_ {i-1}+9y_ {i-2} -y_ {i-3})}$

Andre "frekvens" -parametre er S _m , _a og _q . S _m er middelafstanden mellem toppe. Ligesom med rigtige bjerge er det vigtigt at definere en "top". For S _m skal overfladen være dyppet under middeloverfladen, før den igen stiger til en ny top. Den gennemsnitlige bølgelængde _a og roden betyder kvadratisk bølgelængde _q er afledt af _a . Når man forsøger at forstå en overflade, der afhænger af både amplitude og frekvens, er det ikke indlysende, hvilket par metrik der optimalt beskriver balancen, så en statistisk analyse af målepar kan udføres (f.eks .: R _z og _a eller R _a og Sm) at finde den stærkeste sammenhæng. ${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle \ Delta}$${\ displaystyle \ lambda}$

Almindelige konverteringer:

Bæreforholdskurveparametre

Disse parametre er baseret på bæreforholdskurven (også kendt som Abbott-Firestone-kurven.) Dette inkluderer Rk-familien af ​​parametre.

Skitser, der viser overflader med negativ og positiv skævhed. Ruhedssporet er til venstre, amplitudefordelingskurven er i midten, og lejearealskurven (Abbott-Firestone-kurven) er til højre.

Fraktal teori

Matematikeren Benoît Mandelbrot har påpeget sammenhængen mellem overfladeruhed og fraktaldimension . Beskrivelsen givet af en fraktal på microroughness -niveau kan muliggøre kontrol af materialegenskaberne og typen af ​​den forekommende spåndannelse. Men fraktaler kan ikke give en fuldskala repræsentation af en typisk bearbejdet overflade påvirket af værktøjsmærker; den ignorerer forkantens geometri. (J. Paulo Davim, 2010, op.cit .). Fraktale deskriptorer af overflader har en vigtig rolle at spille for at korrelere fysiske overfladeegenskaber med overfladestruktur. På tværs af flere felter har det været udfordrende at forbinde fysisk, elektrisk og mekanisk adfærd med konventionelle overfladebeskrivere af ruhed eller hældning. Ved at anvende foranstaltninger til overfladefraktalitet sammen med målinger af ruhed eller overfladeform kan visse grænsefladefænomener, herunder kontaktmekanik, friktion og elektrisk kontaktmodstand, tolkes bedre med hensyn til overfladestruktur.

Areal ruhedsparametre

Areal -ruhedsparametre er defineret i ISO 25178 -serien. De resulterende værdier er Sa, Sq, Sz, ... Mange optiske måleinstrumenter er i stand til at måle overfladens ruhed over et område. Områdemålinger er også mulige med kontaktmålingssystemer. Flere, tæt placerede 2D -scanninger tages af målområdet. Disse bliver derefter digitalt syet sammen ved hjælp af relevant software, hvilket resulterer i et 3D -billede og tilhørende areal -ruhedsparametre.

Ujævnhed i jordoverfladen

Jordoverfladeruhed (SSR) refererer til de vertikale variationer, der er til stede i mikro- og makrorelief på en jordoverflade, samt deres stokastiske fordeling. Der er fire forskellige klasser af SSR, hver af dem repræsenterer en karakteristisk lodret længdeskala; den første klasse inkluderer mikroreliefvariationer fra individuelle jordkorn til aggregater i størrelsesordenen 0,053–2,0 mm; den anden klasse består af variationer på grund af jordklumper, der spænder mellem 2 og 100 mm; den tredje klasse af jordoverfladeruhed er systematiske højdeforskelle på grund af jordbearbejdning, omtalt som orienteret ruhed (OR), der spænder mellem 100 og 300 mm; den fjerde klasse inkluderer plan krumning eller topografiske funktioner i makroskala.

De to første klasser tegner sig for den såkaldte mikroroughness, som har vist sig i høj grad at være påvirket af en begivenhed og sæsonbestemt tid af henholdsvis nedbør og jordbearbejdning. Microroughness kvantificeres oftest ved hjælp af Random Roughness, som i det væsentlige er standardafvigelsen af ​​data fra sengens overfladehøjde omkring middelhøjden, efter korrektion for hældning ved hjælp af det bedst egnede plan og fjernelse af jordbearbejdningseffekter i de enkelte højdeværdier. Nedbørspåvirkning kan føre til enten et henfald eller en stigning i mikroroughness, afhængigt af de første microroughness -forhold og jordens egenskaber. På ru jordoverflader har virkningen af ​​regnpladeafsnit en tendens til at glatte kanterne af jordoverfladens ruhed, hvilket fører til et samlet fald i RR. En nylig undersøgelse, der undersøgte responsen fra glatte jordoverflader ved nedbør, viste imidlertid, at RR kan stige betydeligt for lave indledende mikroroughness -længder i størrelsesordenen 0 - 5 mm. Det blev også vist, at stigningen eller faldet er konsistent blandt forskellige SSR -indekser.

Praktiske effekter

Overfladestruktur spiller en nøglerolle i styrende kontaktmekanik , det vil sige den mekaniske adfærd, der udvises ved en grænseflade mellem to faste objekter, når de nærmer sig hinanden og overgår fra betingelser for ikke-kontakt til fuld kontakt. Især reguleres normal kontaktstivhed overvejende af asperitetsstrukturer (ruhed, overfladehældning og fraktalitet) og materialegenskaber.

Med hensyn til tekniske overflader anses ruhed for at være skadelig for delydelsen. Som en konsekvens fastsætter de fleste fremstillingsprints en øvre grænse for ruhed, men ikke en nedre grænse. En undtagelse er i cylinderboringer, hvor olie tilbageholdes i overfladeprofilen, og der kræves et minimum af ruhed.

Overfladestruktur er ofte tæt forbundet med en overflades friktions- og slidegenskaber. En overflade med en højere fraktaldimension , stor værdi eller positiv , vil normalt have noget højere friktion og slid hurtigt. Toppene i ruhedsprofilen er ikke altid kontaktpunkterne. Formen og bølgen (dvs. både amplitude og frekvens) skal også overvejes. ${\ displaystyle Ra}$${\ displaystyle Rsk}$

Se også

• Diskontinuitet (geoteknisk teknik)
• Rugositet
• Normal kontaktstivhed
• Overfladebehandling
• Overflademetrologi
• Måling af overfladeruhed ISO 25178
• Bølger
• Asperity (materialevidenskab)

Referencer

eksterne links

• Surface Metrology Guide
• Grovhedsterminologi
• Ra og Rz beskrivelse
• Surface Roughness (Finish) Gennemgang og ligninger
• SPE (Surface Profile Explorer)
• Online lommeregner til konvertering af ruhedsparametre Ra og Rz
• Enache, Ştefănuţă, La qualité des surface usinées (Overs .: Kvalitet på bearbejdede overflader). Dunod, Paris, 1972, 343 s.
• Husu, AP, Vitenberg, Iu., R., Palmov, VA, Sherohovatost poverhnostei (Teoretiko-veroiatnostnii podhod) (Overs .: Surface roughness (teoretisk-probabilistisk tilgang)), Izdatelstvo "Nauka", Moskva, 1975, 342 s.
• Davim, J. Paulo, Surface Integrity in Machining, Springer-Verlag London Limited 2010, ISBN  978-1-84882-873-5
• Whitehouse, D. Handbook of Surface Metrology, Institute of Physics Publishing for Rank Taylor-Hobson Co., Bristol 1996