Zaloguj

ZINTEGROWANA BAZA NOWOCZESNYCH TECHNOLOGII WYTWARZANIA

Chropowatość i topografia powierzchni

Topografia powierzchni to konfiguracja powierzchni uwzględniająca jej kształt oraz obecność i wzajemne położenie jej punktów charakterystycznych. Zmiany topografii powierzchni i wymiarów mogą być nośnikiem informacji diagnostycznej o obrabiarce i narzędziu. Zadziwiające jest jak wiele informacji o procesie technologicznym można otrzymać na podstawie analizy topografii powierzchni. Uważa się, ze topografia jest „odciskiem palców” procesu wytwarzania. Na podstawie profilu powierzchni oraz funkcji autokorelacji lub widmowej gęstości mocy można otrzymać informacje o parametrach procesu, kształcie narzędzia, zużyciu narzędzia, diagnostyki obrabiarki, wielkości ziarna itd.

Chropowatość powierzchni
Chropowatością po­wierzchni nazywa się zbiór nierówności tj. wzniesień i wgłębień na powierz­chni rzeczywistej przedmiotu o stosunkowo małych odstępach między wierzchołkami. Wielkość chropowatości powierzchni zależy od rodzaju materiału i przede wszystkim od rodzaju jego obróbki. Polska norma ( PN-87/M-04256/01 ) podaje terminologie ogólną struktury geometrycznej powierzchni dotyczącą nierówności powierzchni rzeczywistej. Przyjmuje się wstępnie, że z chropowatością mamy do czynienia wtedy, gdy stosunek długości S do jej wysokości R spełnia nierówność S/R<40. Jeżeli stosunek R/S ( z pominięciem chropowatości ) jest zawarty w granicach 40 ≤ S/R ≤ 1000, to mamy do czynienia z falistością powierzchni. Gdy S/R > 1000 ( z pominięciem chropowatości i falistości ), wówczas występuje odchyłka kształtu.


Rys.1 Struktura geometryczna powierzchni: a) powierzchnia nominalna, b) powierzchnia rzeczywista, c) chropowatość powierzchni, d) falistość powierzchni, e) odchyłka kształtu.

Pomiar chropowatości powierzchni przeprowadza się, mierząc wzniesienia profilu oraz wgłębienia profilu od linii odniesienia.

Linia odniesienia jest umownie przyjętą linią, w stosunku do której określa się parametry profilu. Linia ta ma kształt profilu nominalnego i jej położenie odpowiada ogólnej orientacji profilu rzeczywistego w przestrzeni.

Linia średnia profilu chropowatości m jest to linia odniesienia dzieląca profil chropowatości tak, że w podziale odcinka elementarnego l suma kwadratów odchyleń profilu y od tej linii jest minimalna. Do graficznego określenia linii średniej profilu stosuje się linię środkową profilu.

Linia środkowa profilu chropowatości jest to linia odniesienia dzieląca profil tak, że w przedziale odcinka elementarnego l sumy pól zawartych między tą linia a profilem po obydwóch jej stronach są jednakowe.

a) b)
Rys 2 Zasada wyznaczania położenia: a) linii średniej m profilu chropowatości, b) linii środkowej profilu.

Pomiar chropowatości powierzchni dokonuje się na długości odcinka pomiarowego ln, który jest równy odcinkowi elementarnemu l lub jest jego wielokrotnością. Odcinek elementarny l jest to znormalizowana długość odcinka linii odniesienia: 0,08; 0,25; 0,8; 2,5; 8 lub 25 mm, dobierana w zależności od sposobu obróbki i wartości sprawdzanego parametru chropowatości powierzchni.

Istnieje wiele metod pomiaru mikrogeometrii powierzchni.

  • Pomiary chropowatości powierzchni metodami optycznymi.
  • Pomiary chropowatości metodami stykowymi.
  • Pomiary porównawcze – wzorce chropowatości.

Podstawowym zadaniem metrologii warstwy wierzchniej jest dokonanie wyboru odpowiednich parametrów struktury geometrycznej powierzchni w celu uzyskania odpowiedzi na pytanie: czy określona struktura geometryczna może zapewnić danej powierzchni niezbędne walory konstrukcyjne i eksploatacyjne? Struktura Geometryczna Powierzchni określa budowę warstwy wierzchniej (powierzchni zewnętrznej). Umiejętna jej analiza daje możliwość diagnozowania procesu obróbki oraz oddziaływań układu OUPN (układ obrabiarka – uchwyt – przedmiot – narzędzie).

Aktualnie można wyróżnić ponad trzydzieści parametrów, rozkładów i funkcji opisujących cechy profilu chropowatości.

Parametry i funkcje profilu chropowatości klasyfikowane są wg własności opisujących:

  • cechy wysokościowe,
  • cechy horyzontalne (wzdłużne),
  • kształt nierówności,
  • rozkłady statystyczne,
  • parametry rozkładów,
  • funkcje częstotliwościowe.

W polskiej normie ( PN-87/M-04256/02 ) wprowadzono podział parametrów chropowatości na:

  • parametry określone w kierunku prostopadłym do linii średniej profilu ( yp – wysokość wzniesień profilu chropowatości, yv – wysokość wgłębień profilu chropowatości, yp+yv – wysokość nierówności profilu chropowatości, Rp – maksymalna wysokość wzniesienia profilu chropowatości, Rv – maksymalna głębokość wgłębienia profilu chropowatości, Rm – maksymalna wysokość chropowatości, Rz – wysokość chropowatości wg 10 punktów, Rc – średnia wysokość chropowatości, Ra – średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości, Rq – średnie kwadratowe odchylenie profilu chropowatości, - średnia wartość parametru chropowatości powierzchni).
  • parametry określona w kierunku równoległym do linii średniej profilu ( średnia długość fali chropowatości, - średnia kwadratowa długości fali profilu chropowatości, - odstęp chropowatości, - średni odstęp chropowatości, - odstęp miejscowych wzniesień profilu, - długość profilu chropowatości, - współczynnik długości profilu chropowatości, D – gęstość wzniesień profilu chropowatości ),
  • parametry związane z kształtem nierówności profilu ( Sk – współczynnik skośności profilu chropowatości, - średnie arytmetyczne pochylenie profilu chropowatości, - średnie kwadratowe pochylenie profilu, - długość nośna profilu chropowatości, tp – współczynnik długości nośnej profilu chropowatości ).

Pojawiły się jednocześnie nowe możliwości analizy powierzchni w układzie trójwymiarowym (3D) z dokładnościami nanometrowymi. Wspomaganie komputerowe ułatwiło analizę wyników pomiarów, w tym określenie charakterystycznych funkcji struktury geometrycznej powierzchni – autokorelacji, nośności, gęstości widmowej mocy i innych. Na tej bazie powstały nowe grupy parametrów, w tym parametry powierzchniowe i objętościowe, przestrzenne, hybrydowe oraz funkcjonalne.

Stosowany jest również podział na parametry opisujące cechy ekstremalne bądź uśrednione profilu. Wybór klasyfikacji zależy od celów, którym ma ona służyć.

Ocenę parametryczną powierzchni przeprowadza się na podstawie określonych parametrów. Wprowadzono podział parametrów chropowatości na:

  • parametry amplitudowe (Rm, Rz, Rq, Ra, Rp, Rv, Ssk, Sku):
    Rm - wysokość nierówności ( w mm ) to odległość między najwyższym i najniższym punktem powierzchni resztkowej w obszarze próbkowania.

    Rys 3 Określenie parametru Rm, m — linia średnia profilu, l — odcinek elementarny

    Rz – Wysokość nierówności wg 10 punktów jest średnią wartością bezwzględnych w wysokości pięciu najwyższych wierzchołków oraz pięciu najniższych wgłębień w obrębie obszaru próbkowania:
    gdzie: hpi oraz hvi ( i=1,2...5 ) oznaczają odpowiednio pięć najwyższych wierzchołków oraz pięć najniższych wgłębień w obszarze próbkowania.

    Rys 4 Określenie wartości potrzebnych do określenia parametru Rz, m — linia średnia profilu, l — odcinek elementarny

    Rq - Średnie kwadratowe odchylenie chropowatości powierzchni w (mm ) stanowi wartość średnią kwadratową odchylenia chropowatości powierzchni w obrębie obszaru próbkowania:
    Ra - Średnie arytmetyczne odchylenie chropowatości w ( mm ) to wartość średnia arytmetyczna odchylenia powierzchni resztkowej w obrębie obszaru próbkowania:

    Rys. 5 Geometryczna interpretacja parametru Ra

    F1, F2, ..., Fn, — pola powierzchni zawarte między linią średnią m i profilem zaobserwowanym
    Rp - Maksymalna wysokość wzniesienia powierzchni w ( mm ) jest odległością najwyższego punktu od płaszczyzny średniej w obszarze próbkowania.
    Rv - Maksymalna głębokość wgłębienia powierzchni w ( mm ) to odległość najniższego punktu od płaszczyzny średniej w obszarze próbkowania.
    Ssk – współczynnik skośności
    Sku – współczynnik skupienia
  • parametry przestrzenne (Sds, Sal, Str, Std, Sfd ),
    Sds - Gęstość wierzchołków nierówności powierzchni ( określona liczbą wierzchołków na mm2 ) jest to liczba wierzchołków jednostkowego obszaru próbkowania:
    Sal - Długość odcinka najszybszego zanikania funkcji autokorelacji ( w mm ) to najmniejsza długość pozioma, w której obrębie znormalizowania funkcja AACF zanika do t w dowolnym możliwym kierunku.
    Parametr Sal określa udział falistości w strukturze geometrycznej powierzchni.
    Str - Wskaźnik tekstury powierzchni jest miarą tekstury powierzchni. Parametr ten obejmuje wartości od 0 do 1. Wartości zbliżone do 1 wskazują na SGP o wysokim poziomie izotropowości.
    Znaczenia Str zbliżone do 0 są charakterystyczne dla powierzchni anizotropowych.
    gdzie: l-odległość, na której R(tp,tq) ma najmniejszy zanik do t w obrębie obszaru próbkowania.
    Std - Kierunek tekstury powierzchni jest miarą kierunku tekstury liniowej względem współrzędnej y. Kierunek tekstury wyznacza się z wartości kąta b, przy którym maksymalna moc powierzchniowej gęstości widmowej mocy (APSD) występuje w odpowiednim kierunku.
    Sfd – wymiar fraktalny
  • parametry powierzchniowe i objętościowe (STp, SHTp, Smmt, Smvr ):
    Stp - Udział nośny na zadanej ( określonej ) wysokości ( w % ) przedstawia powierzchnię nośną w przekroju równoległym na określonej odległości od zadanego punktu odniesienia, np. q mm poniżej najwyższego punktu powierzchni, 0,5 mm powyżej płaszczyzny średniej itp.
    SHTp - Wysokość obszaru nośności w ( mm ) określa się jako odstęp między dwoma przekrojami równoległymi na zadanych poziomach ( w % ) od największego szczytu SGP w obrębie obszaru próbkowania.
    Smmr - Średnia objętość materiału w ( mm3/mm2 )
    Smvr - Średnia objętość pustek w ( mm3/mm2 )
  • parametry hybrydowe ( Sdq, Ssc, Sdr ):
    Sdq - Średnie kwadratowe nachylenie nierówności powierzchni ( w mm/mm ) w obrębie obszaru próbkowania:
    Ssc - Średnia arytmetyczna krzywizn wierzchołków nierówności powierzchni (w 1/mm ) w obrębie obszaru próbkowania:
    Sdr - Rozwinięcie powierzchni (w % ) oblicza się jako stosunek rozwiniętej powierzchni do powierzchni próbkowania. W przypadku płaskiej powierzchni rzeczywistej Sdr =0, natomiast dla chropowatej powierzchni rzeczywistej Sdr > 0 „i” zależy od poziomu złożoności SGP.
    Aij (i=1,2..., M-1; j=1,2,... N-1) – to obszar najmniejszego czworoboku przy wartości (xi;yj)
  • parametry funkcjonalne ( Sbi, Sci, Svi ):
    Sbi - Wskaźnik powierzchni nośnej ( wskaźnik nośności )– jest stosunkiem wartości średniego kwadratowego odchylenia chropowatości powierzchni (RMS) do wysokości nierówności powierzchni przy wartości c1 powierzchni nośnej.
    mc1 , mc1 – oznaczają odpowiednio wysokość nierówności powierzchni oraz znormalizowaną wysokość nierówności powierzchni przy wartości c1 powierzchni nośnej Wartość domyślna c1 wynosi 5% w odniesieniu do najważniejszego punktu powierzchni resztkowej w obrębie obszaru próbkowania ( zwykle 0,3 Sci - Wskaźnik zatrzymania cieczy przez rdzeń – jest stosunkiem objętości pustek jednostkowego obszaru próbkowania, zawartego między c1 i c2 powierzchni nośnej, do średniego kwadratowego odchylenia chropowatości powierzchni (RMS):
    gdzie: hc2 – znormalizowana wysokość nierówności powierzchni przy wartości c2 powierzchni nośnej. Wartość domyślna c2 wynosi 80%. Zwiększenie wartości Sci świadczy o lepszych warunkach zatrzymania środka smarnego.
    Svi - Wskaźnik zatrzymania cieczy przez wgłębienia jest stosunkiem objętości pustek jednostkowego obszaru próbkowania, zawartego poniżej c2 powierzchni nośnej:
    Parametry funkcjonalne są ważnymi parametrami tribologicznymi i mogą być stosowane do analizy powierzchni stykowych wszystkich rodzajów.
  • parametry krzywej nośności ( parametry pomocnicze wg normy ISO13565).