دليل مرجعي للتشطيب الآلي: خشونة السطح وقيم Ra

تعد خشونة السطح إحدى أهم خصائص القطع المُشكلة آليًّا. فهي تؤثر بشكل مباشر على الأداء، والاحتكاك، والتآكل، والسد، والمظهر، وحتى تكلفة التصنيع.

يُعد المتوسط الحسابي للخشونة (Ra) أحد أكثر معايير الخشونة شيوعًا في الرسومات الهندسية. يوفر Ra مؤشرًا قابلًا للتكرار وموحدًا لمتوسط نسيج السطح. ومع ذلك، في بعض الحالات، يجب دمج Ra مع معايير خشونة أخرى، مثل Rz و Rpk. ويكون هذا الدمج مهمًا عند التعامل مع الأسطح الوظيفية مثل الغرسات الطبية، وأعمدة المحامل، وأسطح الختم.

يتناول هذا الدليل بالتفصيل موضوع خشونة السطح وقيم Ra. ويشرح الدليل معنى قيم Ra، وكيفية قياسها، وكيفية تحديد الخشونة بشكل صحيح في الرسومات الهندسية.

ما المقصود بـ«خشونة السطح»؟

يصف خشونة السطح التفاوتات المجهرية التي تترك على السطح بعد المعالجة الآلية. تنشأ هذه التفاوتات عن حركة أداة القطع، وهندسة الأداة، وخصائص المادة، ومعلمات المعالجة الآلية مثل معدل التغذية وسرعة القطع. تشكل خشونة السطح جزءًا من وصف نسيج السطح. ويشمل نسيج السطح الخشونة، وهي علامات تصنيع دقيقة يتراوح عمقها بين 0.1 و100 ميكرومتر. وتشمل المكونات الأخرى لنسيج السطح التموج، واتجاه التموج، وخطأ الشكل، والتي يتم تعريفها وتنظيمها بشكل شامل في إطار عمل القياس المعياري مثل مواصفات نسيج السطح ASME B46.1. ^[1].

تعد خشونة السطح مقياسًا رقميًا لنسيج السطح، على عكس التفاوتات الأخرى مثل «غير اللامع والفضي» أو «الناعم واللامع». ولا يقتصر الخشونة على ما يمكن الشعور به أو رؤيته فحسب، بل يمكن قياسها أيضًا. ويمكن أن تنشأ خشونة السطح عن قصد من خلال أنظمة التصنيع، أو قد تنتج عن عوامل متنوعة. وتشمل هذه العوامل الخصائص الفيزيائية للمادة والاهتزازات الصادرة عن أدوات القطع. وتُدرس خشونة السطح في مجال علم قياس الأسطح.

لماذا تُعد خشونة السطح أمرًا مهمًا؟

من المستحيل الحصول على سطح مثالي. ومع ذلك، هناك مستويات من الكمال يجب تحقيقها لضمان فعالية عمليات التصنيع. ويُعد قياس خشونة السطح أمرًا مهمًا بالنسبة للمنتجات التجارية التي تتطلب رقابة صارمة على التكاليف، والمصممة لفترات دورة إنتاج قصيرة. يحدد الإنتاج الهندسي حدود الانحراف المقبولة لمجموعات المنتجات المختلفة. ويساعد قياس خشونة السطح في مراقبة الجودة. علاوة على ذلك، يمكن للمهندسين استخدام إطار عمل خشونة الإعداد لتلبية المواصفات الجمالية. وهذا يساعد في تصنيف المنتجات إلى درجات مختلفة، لكل منها سعر مختلف.

كيف تُقاس خشونة السطح؟

تعد خشونة السطح قيمة متوسطة. وهي تنطوي على قياس الانحرافات في القمم والوديان والتفاوتات التي تُلاحظ على سطح القطعة، بالرجوع إلى معيار مثالي. والمصطلح الأكثر استخدامًا في قياس خشونة السطح هو المتوسط الحسابي للخشونة (Ra). ومع ذلك، هناك معايير أخرى شائعة مثل Rz وRt وRq وRmax.

R_z هو متوسط أعلى القمم وأدنى الوديان المتتالية. وعادةً ما يتم ذلك بالنسبة لأكبر خمسة انحرافات، ثم يُحسب المتوسط. R_p هي المسافة المحسوبة بين أعلى قمة في المنحنى وخط المتوسط ضمن طول التقييم. R_v هي المسافة المحسوبة بين أدنى نقطة في المنحنى وخط المتوسط ضمن طول التقييم. R_{الحد الأقصى} هو أكبر انحراف متتالي بين أعلى قمة وأدنى وادٍ، محسوبًا ضمن طول التقييم.

حساب قيم Ra

Ra هو متوسط الانحراف الذي تظهره الوديان والقمم الموجودة على السطح عن الخط المرجعي. ويمكن التعبير عنه على النحو التالي:;

Ra = (|y₁| + |y₂| + |y₃| + … + |y_n|) / n

المكان y هو الانحراف الذي تنحرف به كل نقطة مقاسة عن خط المتوسط و n هو عدد النقاط المقاسة. ويُقاس Ra عادةً بالميكرومتر (µm).

لا يصدر المهندسون حكمًا مطلقًا بشأن طبيعة خشونة السطح من خلال تحديد قيم Ra. فقد تتطابق قيم Ra بين الأسطح المختلفة، لكن أنماط القمم والوديان قد تختلف. ويمكن أن تتصرف هذه الأسطح بشكل مختلف في تطبيقات التآكل والاحتكاك والختم.

يمكن تحديد خشونة السطح باستخدام طرق تعتمد على التلامس أو طرق لا تعتمد عليه.

ما هي طريقة القياس التلامسية لتحديد خشونة السطح؟

الطريقة الشائعة لتقدير خشونة السطح هي استخدام جهاز قياس التضاريس بالاتصال.

تحتوي الأداة على قلم ذي رأس ماسي يتلامس فعليًّا مع السطح. يتحرك رأس التلامس عبر السطح لمسافة محددة، ليقوم بقياس ملامح السطح. يتحرك رأس التلامس صعودًا عندما يصل إلى قمة، وينزل هبوطًا عندما يصل إلى منخفض. وتحتوي الأداة على نظام استشعار يكتشف هذه الحركات ويحولها إلى إشارات كهربائية. تُعالج الإشارة الكهربائية لإنشاء مخطط سطحي، والذي يتم تفسيره بعد ذلك في المختبر على شكل منحنيات. يعمل مقياس الملامسة السطحي بواسطة برنامج يفصل الخشونة عن التباينات السطحية ذات الأطوال الموجية الأطول. ويحسب البرنامج معلمات مثل Ra و Rz ويعرض النتائج في شكل قيم رقمية.

السطح → قلم الماس → حركة القلم الرأسية → الإشارة الكهربائية → المخطط الجانبي → التصفية → حساب الخشونة → Ra/Rz

ما هي طرق قياس خشونة السطح بدون تلامس؟

يستخدم هذا الأسلوب القياسي الضوء لقياس النسيج المجهري. وعلى عكس القلم المادي الذي يتتبع ميكانيكيًا القمم والوديان، فإن طريقة القياس غير التلامسية تلتقط تفاعل الضوء مع السطح، مما ينتج عنه ملف تعريف ثنائي الأبعاد. وتُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع عندما يحتاج المهندسون إلى تجنب خدش المكونات أو تشويهها، وعندما تفشل الطرق التقليدية في الوصول إلى الهياكل العميقة، وعندما يتسبب القلم التلامسي في إتلاف طلاء حساس. يمكن للأنظمة البصرية غير التلامسية إنتاج خرائط سطح ثلاثية الأبعاد لتسهيل الفحص من قبل المهندسين. يمكن للمهندسين تحديد مواقع القمم والوديان المحددة وعلامات التصنيع والخدوش. تشمل بعض طرق قياس السطح غير التلامسية قياس التداخل بالضوء الأبيض (WLI)، والمجهر متحد البؤر، والمسح بالليزر، وقياس الملامح البصري.

تستخدم تقنية WLI تداخل الموجات الضوئية لتقدير الفروق الطفيفة للغاية في ارتفاعات السطح، مما يوفر خرائط كمية عالية الدقة لتضاريس السطح وخرائط ارتفاع ثلاثية الأبعاد مفصلة دون أي تلامس مادي، كما هو موضح في تقارير تحليل المواد الصادرة عن شركة Lucideon. ^[2].

في المسح بالليزر، يتم توجيه شعاع ليزر مركّز على سطح القطعة، ويُقاس الضوء المنعكس باستخدام طرق مثل التثليث بالليزر. وبناءً على ارتفاع السطح، يتغير موضع شعاع الليزر المنعكس، وتُحوّل هذه التغيرات في الموضع إلى قياسات للارتفاع. ويتم مسح سطح القطعة بشعاع الليزر، مما ينتج عنه ملف تعريف للسطح.

كيف تختار درجة خشونة السطح المناسبة؟

يبدأ اختيار نوع تشطيب السطح بالوظيفة التي يؤديها الجزء، وليس بأقل قيمة ممكنة لخشونة السطح. فكل سطح تم تشكيله آليًّا يخدم غرضًا مختلفًا، لذا يجب أن يتناسب التشطيب مع الاستخدام المحدد، بدلاً من تطبيق نفس المتطلبات على المكون بأكمله.

مواءمة خشونة السطح مع المتطلبات الوظيفية

يحاول المهندسون مواءمة خاصية خشونة السطح مع وظيفة المنتج قيد الاستخدام. ويحددون كيفية استخدام المكون بعد التصنيع قبل اختيار نوع التشطيب السطحي. وإذا لم يستوفِ التشطيب السطحي المتطلبات الوظيفية للمكون، يتم تطبيق تشطيبات أدق، خاصةً على مقاعد المحامل، والأسطح المنزلقة، والتركيبات الدقيقة، وأسطح الإحكام. وإذا كانت الأسطح لا تؤثر على عملية التجميع، فإن الشركات المصنعة تطبق تشطيبات آلية قياسية لإعادة تحديد خشونة السطح. ولا تُحدد قيم خشونة السطح إلا للأسطح التي تتطلب وظائف معينة.

التوازن بين جودة التشطيب السطحي وتكلفة التصنيع

ولتحقيق قيم خشونة أقل، يلجأ المصنعون إلى عمليات تصنيع أو تشطيب إضافية. وتشمل هذه العمليات التلميع، والطحن، والشحذ، وغيرها من مراحل التشطيب الإضافية. وتؤثر عمليات التصنيع وأساليب التشطيب الإضافية هذه على التكاليف الإجمالية للتصنيع. ولذلك يُنصح المهندسون باستخدام مستويات تشطيب أدق فقط عندما توفر فائدة وظيفية. وفي مثل هذه الحالات، يمكن اللجوء إلى التصنيع القياسي.

تجنب الإفراط في تحديد مواصفات تشطيب الأسطح

تتمثل إحدى الاستراتيجيات الأخرى لاختيار درجة خشونة السطح المناسبة في تجنب تطبيق نفس درجة التشطيب على كل وجه من أوجه القطعة. ففرض متطلبات تشطيب صارمة على المناطق غير الوظيفية يؤدي إلى زيادة وقت التصنيع وأعمال الفحص. ويتعين على المصنعين مراجعة كل سطح على حدة أثناء تصميم القطعة. كما أن قصر التشطيبات الدقيقة على السمات الحاسمة يبسط عملية التصنيع مع الحفاظ على الجودة المطلوبة للقطعة.

الخاتمة

يقيس التشطيب السطحي القمم والوديان الصغيرة المتبقية على القطعة المُشغَّلة. ويُعدّ Ra (متوسط الخشونة) هو المتوسط الحسابي لارتفاعات الملامح — وهو المعيار الأكثر شيوعًا في الرسومات الهندسية. أما Rz فهو متوسط الارتفاع من القمة إلى الوادي على طول عينة معينة، وهو أكثر حساسية تجاه الخدوش العميقة.

تختلف متطلبات تشطيب الأسطح من ميزة إلى أخرى. فنادرًا ما تشترك العلبة، والعمود، وسطح الإحكام، والمكونات البصرية في نفس قيمة Ra، لأن كل سطح يؤدي وظيفة مختلفة. وأثناء التصميم، يحدد المهندسون الخشونة فقط للمناطق التي تؤثر على التجميع، والحركة، والإحكام، والطلاء، والفحص، وجودة المنتج.

المرجع

[1] الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME). (2019). B46.1-2019 نسيج السطح (خشونة السطح، والتموج، والتوجيه). معايير ASME. https://www.asme.org/getmedia/f22128e5-acad-429d-bc75-0ac4bdffdf44/b46-1-2019-11×17-poster.pdf

[2] Lucideon. (بدون تاريخ). التداخل الضوئي بالأشعة البيضاء (WLI) لقياس تضاريس السطح كمياً. اختبار وتوصيف Lucideon. https://www.lucideon.com/testing-characterisation/particulate-analysis/white-light-interferometry-wli