Грапавостта на повърхността е специален параметър на материала. Това име често се съкращава до просто грапавост и е компонент от текстурата на повърхността. Количествено се определя от отклоненията на посоката на реалния повърхностен вектор от идеалната му форма. Ако тези отклонения са големи, повърхността е грапава; ако са малки, повърхността е гладка. В метрологията на повърхността грапавостта обикновено се счита за високочестотен компонент с къса дължина на вълната на измерваната повърхност. Въпреки това, на практика често е необходимо да се знае както амплитудата, така и честотата, за да се гарантира, че повърхността е подходяща за конкретна цел. Грапавостта на повърхността е много важен параметър на дизайна.
Роля и значение
Грапавостта играе важна роля при определянето на това как един реален обект ще взаимодейства с околната среда. В трибологиятаГрапавите повърхности обикновено се износват по-бързо и имат по-висок коефициент на триене от гладките повърхности. Грапавостта често е добър предсказател за производителността на механичния компонент, тъй като неравностите на повърхността могат да образуват нуклеационни места за пукнатини или корозия. От друга страна, грапавостта може да насърчи адхезията. Най-общо казано, вместо дескриптори на мащаба, дескрипторите на кръстосана скала като повърхностна фракталност предоставят по-смислени прогнози за механични взаимодействия върху повърхности, включително контактна твърдост и статично триене. Грапавостта на повърхността е доста сложен параметър, подробности за който можете да намерите по-долу.
Високи и ниски стойности
Въпреки че високата стойност на грапавостта често е нежелателна, контролът по време на производството може да бъде труден и скъп. Например, е трудно и скъпо да се контролира грапавостта на повърхността на FDM частите. Намаляването на тези ставки обикновено увеличава производствените разходи. Това често води до компромис между разходите за производство на компонент и неговата ефективност при прилагане.
Методи на измерване
Индексът може да бъде измерен чрез ръчно сравнение с "комаратор за грапавост" (извадка с известна грапавост на повърхността), но по-общо измерването на профил на повърхността се извършва с профилометри. Те могат да бъдат от контактен тип (обикновено диамантен стилус) или оптични (напр.интерферометър с бяла светлина или лазерен сканиращ конфокален микроскоп).
Въпреки това, контролираната грапавост често може да бъде желана. Например, лъскава повърхност може да бъде твърде лъскава за очите и твърде хлъзгава за пръста (добър пример е тъчпада), така че е необходима контролирана производителност. Грапавостта на повърхността е мястото, където амплитудата и честотата са много важни.
Неговата стойност може да бъде изчислена или от профила (линията), или от повърхността (площта). Параметърът за грапавост на профила (Ra, Rq, …) е по-често срещан. Параметрите за грапавост на площта (Sa, Sq, …) дават по-смислени дефиниции.
Параметри
Всеки от параметрите на грапавостта се изчислява по формулата за описание на повърхността. Стандартните препратки, които описват подробно всеки от тях, са повърхностите и техните измервания. Грапавостта на повърхността е характеристика.
Параметрите за грапавост на профила са включени в британския (и световен) стандарт BS EN ISO 4287: 2000, който е идентичен с ISO 4287: 1997. Стандартът се основава на системата ″M″ (средна линия).
Има много различни параметри за грапавост, но горните са най-често срещаните, въпреки че стандартизацията често се случва по исторически причини, а не поради заслуги. Грапавостта на повърхността е съвкупност от неравности.
Някои параметри се използват само в определени индустрии или в определени държави. Например, параметрите на MOTIF се използват главно във френската автомобилна индустрия. Метод MOTIFосигурява графична оценка на профила на повърхността, без да филтрира вълнообразността от грапавостта. MOTIF се състои от частта от профила между два пика, а крайните комбинации елиминират "незначителните" пикове и запазват "значителните". Грапавостта на повърхността в чертежа е наличието на неравности, отпечатани и внимателно измерени върху нея.
Тъй като тези параметри намаляват цялата информация за профила до едно число, трябва да се внимава при тяхното прилагане и тълкуване. Малките промени в начина, по който се филтрират необработените данни за профила, как се изчислява средната линия и физиката на измерването, могат значително да повлияят на изчисления параметър. На съвременно цифрово оборудване сканиранията могат да бъдат оценени, за да се гарантира, че няма очевидни проблеми, които изкривяват стойностите.
Характеристики на параметрите и измерванията
Тъй като може да не е очевидно за много потребители какво всъщност означава всяко измерване, инструментът за моделиране позволява на потребителя да регулира ключови параметри, като изобразява повърхности, които са ясно различни от човешкото око, се различават по измервания. Например, някои параметри не могат да разграничат две повърхности, където едната се състои от пикове, а другата се състои от вдлъбнатини със същата амплитуда.
По конвенция всеки параметър за 2D грапавост е главни букви R, последвани от допълнителни знаци в индекс. Индексът указва използваната формула иR означава, че формулата е приложена към 2D профил на грапавост.
Различно изписване с главни букви означава, че формулата е приложена към различен профил. Например, Ra е средноаритметичната стойност на профила на грапавостта, Pa е средната аритметична стойност на нефилтрирания необработен профил, а Sa е средната аритметична стойност на 3D грапавостта.
Настройки за амплитуда
Параметрите на амплитудата характеризират повърхността въз основа на вертикалните отклонения на профила на грапавостта от средната линия. Например, средноаритметичната стойност на филтрирания профил на грапавост, определена от отклоненията от централната линия в рамките на дължината на оценка, може да бъде свързана с диапазона от точки, събрани за тази грапавост. Тази стойност често се използва като препратка към грапавостта на повърхността.
Средноаритметичната грапавост е най-широко използвания едномерен параметър.
Изследване и наблюдение
Математикът Беноа Манделброт посочи връзката между грапавостта на повърхността и фракталното измерение. Описанието, представено от фрактал на ниво микрограпавост, може да направи възможно контролирането на свойствата на материала и вида на образуването на чипове. Но фракталите не могат да осигурят пълномащабно представяне на типична обработена повърхност, засегната от знаци за подаване на инструмент, те игнорират геометрията на режещия ръб.
Малко повече за измерването
Параметрите за грапавост на повърхността са определени в серията ISO 25178.стойности: Sa, Sq, Sz… Много оптични измервателни уреди са способни да измерват грапавостта на повърхността по площ. Измерванията на площта са възможни и с контактни системи. От целевата област се вземат множество, близко разположени 2D сканирания. След това те се съединяват дигитално заедно с помощта на подходящия софтуер, което води до 3D изображение и съответните параметри на грапавостта.
Почвена повърхност
Грапавината на повърхността на почвата (SSR) се отнася до вертикалните промени, присъстващи в микро- и макротопографията на земната повърхност, както и тяхното стохастично разпределение. Има четири различни класа SSR, всеки от които представлява характерна вертикална скала на дължината:
- първи клас включва промени в микрорелефа от отделни почвени зърна до агрегати от порядъка на 0,053–2,0 mm;
- втори клас се състои от вариации на почвени буци от 2 до 100 mm;
- третият клас грапавост на повърхността на почвата е систематичните промени във височината, дължащи се на обработка на почвата, наречена ориентирана грапавост (OS), варираща от 100 до 300 mm;
- четвърти клас включва планарна кривина или топографски характеристики в макромащаб.
Първите два класа обясняват така наречената микрограпавост, за която е доказано, че оказва голямо влияние върху събитието и сезонния мащаб в зависимост от валежите и съответно обработката на почвата. Най-често се определя микрограпавосттаколичествено измерена чрез произволна грапавост, която по същество е стандартното отклонение на данните за височината на повърхността на слоя около средната височина след корекция на наклона, като се използва равнината на най-добро прилягане и се премахват ефектите от обработката на почвата в индивидуалните показания на височината. Излагането на валежите може да доведе до влошаване или увеличаване на микрограпавостта, в зависимост от първоначалните условия и свойствата на почвата.
На неравни земни повърхности, отцепващото действие на дъждовния спрей има тенденция да изглажда ръбовете на грапавостта на почвената повърхност, което води до цялостно намаляване на RR. Въпреки това, едно скорошно проучване, което изследва реакцията на гладките повърхности на почвата към валежите, показа, че RR може да се увеличи значително при малки първоначални скали на микрограпавост от порядъка на 0-5 mm. Доказано е също, че увеличението или намаляването е последователно при различните SSR резултати.
Механика
Повърхностната структура играе ключова роля в контролирането на контактната механика, тоест механичното поведение, което възниква на интерфейса между два твърди обекта, когато те се приближават един към друг и преминават от безконтактен към пълен контакт. По-специално, нормалната контактна коравина се определя предимно от структурите на грапавостта (наклон на повърхността и фракталност) и свойствата на материала.
От гледна точка на инженерната повърхност, грапавостта се счита за вредна за производителността на детайла. В резултат на това повечето производствени разпечатки поставят горна границаграпавост, но не и дъно. Изключение правят отворите на цилиндъра, където маслото се задържа в профила на повърхността и се изисква минимална грапавост на повърхността (Rz).
Структура и фракталност
Структурата на повърхността често е тясно свързана с нейните свойства на триене и износване. Повърхност с по-високо фрактално измерение, голяма стойност или положителна стойност обикновено има малко по-високо триене и бързо ще се износва. Пиковете в профила на грапавостта не винаги са допирни точки. Формата и вълнообразността (тоест както амплитудата, така и честотата) също трябва да се вземат предвид, особено при обработка на грапавостта на повърхността.
