Chropowatość powierzchni i wartości Ra – przewodnik dotyczący obróbki skrawaniem

Chropowatość powierzchni jest jedną z najważniejszych cech elementów obrabianych. Ma ona bezpośredni wpływ na właściwości użytkowe, tarcie, zużycie, szczelność, wygląd, a nawet koszty produkcji.

Jednym z najczęściej podawanych parametrów chropowatości na rysunkach technicznych jest średnia arytmetyczna chropowatości (Ra). Ra zapewnia powtarzalny i znormalizowany wskaźnik średniej tekstury powierzchni. Jednak w niektórych przypadkach wartość Ra należy połączyć z innymi normami dotyczącymi chropowatości, takimi jak Rz i Rpk. Takie połączenie ma szczególne znaczenie w przypadku powierzchni funkcjonalnych, takich jak implanty medyczne, czopy łożyskowe i powierzchnie uszczelniające.

W niniejszym przewodniku szczegółowo omówiono chropowatość powierzchni i wartości Ra. Wyjaśniono w nim, co oznaczają wartości Ra, jak je mierzyć oraz jak prawidłowo określać chropowatość na rysunkach technicznych.

Czym jest chropowatość powierzchni?

Chropowatość powierzchni opisuje mikroskopijne nierówności pozostające na powierzchni po obróbce skrawaniem. Nierówności te wynikają z ruchu narzędzia skrawającego, geometrii narzędzia, właściwości materiału oraz parametrów obróbki, takich jak posuw i prędkość skrawania. Chropowatość powierzchni stanowi część opisu tekstury powierzchni. Tekstura powierzchni obejmuje chropowatość, czyli drobne ślady obróbki o głębokości 0,1–100 µm. Inne składniki tekstury powierzchni to falistość, układ warstw oraz błąd kształtu, które są wyczerpująco zdefiniowane i uregulowane w ramach znormalizowanych systemów metrologicznych, takich jak norma ASME B46.1 „Specyfikacja tekstury powierzchni”. ^[1].

Chropowatość powierzchni to numeryczna skala opisująca jej teksturę, w odróżnieniu od innych rodzajów nierówności, takich jak matowość i połysk czy gładkość i błysk. Chropowatości nie da się jedynie wyczuć dotykowo ani dostrzec wzrokowo; można ją również zmierzyć. Chropowatość powierzchni może być celowo wywołana przez systemy produkcyjne lub wynikać z różnych czynników. Do czynników tych należą właściwości fizyczne materiału oraz drgania narzędzi skrawających. Chropowatość powierzchni jest przedmiotem badań w dziedzinie metrologii powierzchniowej.

Dlaczego chropowatość powierzchni ma znaczenie?

Osiągnięcie idealnej powierzchni jest niemożliwe. Istnieją jednak poziomy doskonałości, do których należy dążyć w celu zapewnienia efektywnych procesów produkcyjnych. Ilościowe określenie chropowatości powierzchni ma znaczenie w przypadku produktów komercyjnych, które wymagają ścisłej kontroli kosztów i są zaprojektowane z myślą o krótkich czasach cyklu produkcyjnego. Inżynieria produkcji określa dopuszczalne granice odchyleń dla różnych grup produktów. Pomiar chropowatości powierzchni pomaga w kontroli jakości. Ponadto inżynierowie mogą wykorzystać ramy dotyczące chropowatości ustawczej, aby spełnić wymagania estetyczne. Pomaga to w klasyfikacji produktów do różnych klas, z których każda ma inną cenę.

Jak mierzy się chropowatość powierzchni?

Chropowatość powierzchni jest wartością średnią. Polega ona na ilościowym określeniu odchyleń w szczytach, dolinach i nieregularnościach obserwowanych na powierzchni elementu w odniesieniu do idealnego punktu odniesienia. Najczęściej stosowanym terminem w pomiarze chropowatości powierzchni jest średnia arytmetyczna chropowatości (Ra). Powszechnie stosowane są jednak również inne parametry, takie jak Rz, Rt, Rq i Rmax.

R_z stanowi średnią z kolejnych najwyższych wartości szczytowych i najniższych wartości dolinowych. Zazwyczaj operację tę przeprowadza się dla pięciu największych odchyleń, a następnie oblicza się średnią. R_p jest to obliczona odległość między najwyższym wierzchołkiem profilu a linią średnią w obrębie długości oceny. R_v jest to obliczona odległość między najniższym punktem profilu a linią średnią w obrębie długości oceny. R_maks jest to największe kolejne odchylenie między najwyższym szczytem a najniższym dołkiem, obliczone w ramach długości oceny.

Obliczanie wartości Ra

Ra stanowi średnią odchylenia dolin i szczytów powierzchni od linii odniesienia. Można ją wyrazić jako:;

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

Gdzie y jest odchyleniem każdego zmierzonego punktu od linii średniej oraz n to liczba punktów pomiarowych. Wielkość Ra mierzy się zazwyczaj w mikrometrach (µm).

Inżynierowie nie wydają ostatecznej opinii na temat charakteru chropowatości powierzchni na podstawie określenia wartości Ra. Powierzchnie mogą mieć takie same wartości Ra, ale różne wzory szczytów i dolin. Takie powierzchnie mogą wykazywać różne zachowanie w zastosowaniach związanych ze zużyciem, tarciem i uszczelnianiem.

Chropowatość powierzchni można określić metodami kontaktowymi lub bezkontaktowymi.

Na czym polega metoda kontaktowa określania chropowatości powierzchni?

Powszechną metodą szacowania chropowatości powierzchni jest zastosowanie profilometru kontaktowego.

Urządzenie wyposażone jest w sondę z końcówką diamentową, która styka się fizycznie z powierzchnią. Sonda przemieszcza się po powierzchni na określonym odcinku, rejestrując profil powierzchni. Porusza się w górę, gdy napotyka wzniesienie, a w dół, gdy napotyka zagłębienie. Urządzenie posiada układ czujnikowy, który wykrywa te ruchy i przekształca je na sygnały elektryczne. Sygnał elektryczny jest przetwarzany w celu utworzenia profilu powierzchni, który następnie jest interpretowany w laboratorium jako krzywe. Profilometr stykowy działa w oparciu o oprogramowanie, które oddziela chropowatość od zmian powierzchniowych o dłuższych długościach fal. Oprogramowanie oblicza parametry, takie jak Ra i Rz, i przedstawia wyniki w postaci wartości liczbowych.

Powierzchnia → Rysik diamentowy → Ruch rysika w pionie → Sygnał elektryczny → Profil → Filtrowanie → Obliczanie chropowatości → Ra/Rz

Jakie są metody bezkontaktowego pomiaru chropowatości powierzchni?

Ta metoda pomiarowa wykorzystuje światło do pomiaru mikroskopijnej tekstury. W przeciwieństwie do fizycznego sondy, która mechanicznie śledzi szczyty i doliny, metoda bezkontaktowa rejestruje interakcję światła z powierzchnią, tworząc profil 2D. Metoda ta jest szeroko stosowana, gdy inżynierowie muszą uniknąć zarysowania lub odkształcenia elementów, gdy tradycyjne metody nie pozwalają na dotarcie do głębokich struktur oraz gdy sonda kontaktowa narusza delikatną powłokę. Optyczne systemy bezkontaktowe mogą generować trójwymiarowe mapy powierzchni, ułatwiające inżynierom analizę. Inżynierowie mogą zobaczyć, gdzie występują konkretne wzniesienia i zagłębienia, ślady obróbki oraz zadrapania. Do bezkontaktowych metod pomiaru powierzchni zaliczają się między innymi interferometria światła białego (WLI), mikroskopia konfokalna, skanowanie laserowe oraz profilometria optyczna.

WLI wykorzystuje interferencję fal świetlnych do szacowania niezwykle niewielkich różnic wysokości powierzchni, zapewniając ilościową topografię powierzchni o wysokiej rozdzielczości oraz szczegółowe trójwymiarowe mapy wysokości bez fizycznego kontaktu, co podkreślono w raportach z analizy materiałów firmy Lucideon. ^[2].

W skanowaniu laserowym skupiona wiązka lasera jest kierowana na powierzchnię elementu, a światło odbite jest mierzone za pomocą metod takich jak triangulacja laserowa. W zależności od wysokości powierzchni zmienia się położenie odbitej wiązki lasera, a te zmiany położenia są przekształcane na pomiary wysokości. Wiązka lasera przesuwa się po powierzchni elementu, tworząc profil powierzchni.

Jak dobrać odpowiednią chropowatość powierzchni?

Wybór wykończenia powierzchni należy rozpocząć od przeznaczenia elementu, a nie od najniższej możliwej wartości chropowatości. Każda powierzchnia poddana obróbce spełnia inną funkcję, dlatego wykończenie powinno być dostosowane do konkretnego zastosowania, a nie opierać się na tym samym wymaganiu dla całego elementu.

Dopasowanie chropowatości powierzchni do wymagań funkcjonalnych

Inżynierowie starają się dostosować chropowatość powierzchni produktu do warunków jego użytkowania. Przed wyborem wykończenia powierzchni określają, w jaki sposób dany element będzie wykorzystywany po obróbce. Jeśli wykończenie powierzchni nie spełnia wymagań funkcjonalnych elementu, stosuje się bardziej precyzyjne wykończenia, zwłaszcza w przypadku gniazd łożyskowych, powierzchni ślizgowych, połączeń precyzyjnych oraz powierzchni uszczelniających. Jeśli powierzchnie nie mają wpływu na montaż, producenci stosują standardowe wykończenia obróbki skrawaniem w celu ponownego zdefiniowania chropowatości powierzchni. Wartości chropowatości powierzchni przypisuje się wyłącznie tym powierzchniom, które mają wymagania funkcjonalne.

Równowaga między jakością wykończenia powierzchni a kosztami produkcji

Aby uzyskać niższe wartości chropowatości, producenci stosują dodatkowe operacje obróbki lub wykańczania. Operacje te obejmują polerowanie, szlifowanie, honowanie oraz inne dodatkowe przejścia wykańczające. Te dodatkowe procesy produkcyjne i metody wykańczania mają wpływ na ogólne koszty produkcji. Dlatego też inżynierom zaleca się stosowanie drobniejszych stopni wykończenia tylko wtedy, gdy zapewniają one korzyści funkcjonalne. W takich przypadkach można zastosować standardową obróbkę.

Unikanie nadmiernego określenia wykończenia powierzchni

Inną strategią wyboru odpowiedniej chropowatości powierzchni jest unikanie stosowania tego samego wykończenia powierzchni na wszystkich powierzchniach elementu. Nakładanie rygorystycznych wymagań dotyczących wykończenia na obszary niefunkcjonalne wydłuża czas obróbki i zwiększa nakład pracy związany z kontrolą jakości. Producenci powinni indywidualnie analizować każdą powierzchnię na etapie projektowania elementu. Ograniczenie precyzyjnego wykończenia do elementów krytycznych upraszcza proces produkcji, przy jednoczesnym zachowaniu wymaganej jakości elementu.

Wnioski

Wykończenie powierzchni określa wielkość niewielkich wzniesień i zagłębień pozostałych na obrabianym elemencie. Ra (średnia chropowatość) to średnia arytmetyczna wysokości profilu — najczęściej stosowana wartość w rysunkach technicznych. Rz to średnia różnica wysokości między wzniesieniem a zagłębieniem na długości próbkowania i jest bardziej wrażliwa na głębokie rysy.

Wymagania dotyczące wykończenia powierzchni różnią się w zależności od poszczególnych elementów. Obudowa, wał, powierzchnia uszczelniająca i element optyczny rzadko mają tę samą wartość Ra, ponieważ każda z tych powierzchni pełni inną funkcję. Podczas projektowania inżynierowie określają chropowatość wyłącznie dla obszarów, które mają wpływ na montaż, ruch, uszczelnienie, powlekanie, kontrolę jakości oraz jakość produktu.

Odniesienie

[1] Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Mechaników (ASME). (2019). B46.1-2019 Tekstura powierzchni (chropowatość, falistość i ułożenie powierzchni). Normy ASME. https://www.asme.org/getmedia/f22128e5-acad-429d-bc75-0ac4bdffdf44/b46-1-2019-11×17-poster.pdf

[2] Lucideon. (b.d.). Interferometria światła białego (WLI) do ilościowego pomiaru topografii powierzchni. Badania i charakterystyka firmy Lucideon. https://www.lucideon.com/testing-characterisation/particulate-analysis/white-light-interferometry-wli