В настоящей статье будут рассмотрены следующие вопросы:
- Понятие шероховатости поверхности: обзор основных принципов.
- Роль шероховатости поверхности в процессах формообразования.
- Методы измерения шероховатости поверхности: описание четырех основных методов.
- Инструментарий для измерения шероховатости поверхности.
- Стандартные обозначения и сокращения, используемые в контексте шероховатости поверхности.
- Пример измерения шероховатости поверхности листов металла методом интерференционной профилометрии.
- Ответы на часто задаваемые вопросы по теме шероховатости поверхности.
- Использование нейросетей для измерения шероховатости.
Шероховатость поверхности является важным фактором, который нельзя игнорировать в промышленном производстве. Она оказывает существенное влияние на функциональность, эстетику и эксплуатационные характеристики готового изделия. Понимание принципов шероховатости поверхности имеет решающее значение для проектирования и производства изделий, отвечающих требованиям к качеству и надежности.
При оценке эксплуатационных характеристик изделия мы учитываем не только его долговечность, но и показатели шероховатости поверхности.
Поверхностная текстура оказывает влияние на такие факторы, как трение, износостойкость и способность к образованию связей или покрытий.
Высокий уровень шероховатости может способствовать увеличению трения и ускоренному истиранию, в то время как чрезмерная гладкость может негативно сказаться на адгезии в определенных ситуациях.
Поэтому контроль шероховатости поверхности является необходимым условием для обеспечения соответствия продукции заявленным характеристикам, ее надежной работы и увеличения срока службы. Глубокое понимание и управление параметрами шероховатости играют ключевую роль в обеспечении качества на всех этапах производственного процесса.
Понимание шероховатости поверхности: обзор
Шероховатость поверхности определяется наличием микроскопических неровностей – выступов и впадин, возникающих в процессе производства, будь то механическая обработка, литье или иной метод.
Для количественной оценки шероховатости используются параметры, такие как средняя шероховатость (Ra), среднеквадратичная шероховатость (RMS) или максимальная глубина шероховатости (Rz).
Знание этих параметров позволяет оценить степень гладкости или текстурированности поверхности и прогнозировать её влияние на характеристики, такие как трение, износостойкость и адгезия. Учитывая существенное влияние шероховатости на эксплуатационные качества и эстетический вид изделия, этот параметр является ключевым при проектировании и производстве.
Наука о шероховатости поверхности при формовании:
Параметры шероховатости поверхности
Шероховатость поверхности при формировании не является случайным результатом производственного процесса, а представляет собой сознательный инженерный выбор, оказывающий влияние на функциональность и эстетику конечного продукта.
Тщательно выполненная форма с соответствующей отделкой поверхности может существенно улучшить характеристики изделия за счет снижения трения, предотвращения проблем с адгезией и обеспечения корректного потока материала во время формования.
Например, в контексте литья под давлением шероховатость поверхности определяет, насколько легко детали извлекаются из формы, что напрямую влияет на продолжительность цикла производства и его эффективность. Отделка поверхности может повлиять на механические свойства и долговечность функциональных элементов, таких как шестерни или высокоточные компоненты.
Высокое визуальное качество является обязательным требованием для инженерных компонентов, используемых в бытовой электронике и автомобилестроении, поскольку эти компоненты непосредственно влияют на удовлетворенность и восприятие клиентов.
Для достижения оптимального баланса между визуально привлекательной и функционально приемлемой поверхностью необходимо глубокое понимание свойств материалов и методов формования.
Существует широкий спектр инструментов и технологий, позволяющих обеспечить необходимый уровень шероховатости поверхности. Это крайне важно для гарантии стабильности и качества производимых партий продукции.
Измерение шероховатости поверхности: 4 основных метода
Оценка шероховатости поверхностей является критически важной для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств и качества изделий. Существует четыре главных метода, применяемых для определения шероховатости поверхности.
1. Системы прямого контакта:
Методика прямого контактного измерения шероховатости
Эти системы, также известные как тактильные или профилометрические, используют щуп (стилус), который физически контактирует с измеряемой поверхностью. Обычно стилусы оснащены алмазными наконечниками, обеспечивая высокую прочность и износостойкость.
При движении по поверхности стилус регистрирует ее неровности, преобразуя механические колебания в электрические сигналы. Полученные данные затем обрабатываются, что позволяет получить количественную оценку шероховатости поверхности.
Несмотря на универсальность и возможность адаптации к различным типам поверхностей, у контактных методов измерения есть ограничения. Износ стилуса со временем может приводить к снижению точности. Кроме того, контактный характер измерения не подходит для работы с деформируемыми или хрупкими материалами, так как стилус может повредить их.
2. Бесконтактные системы:
Данный метод, часто опирающийся на оптические принципы, использует свет, например, лазеры или структурированный белый свет, для измерения топографии поверхности без физического контакта. Системы данного типа применяют камеры или иные датчики для регистрации отражения света после проецирования светового узора на поверхность. Анализ изменений в картине отражения позволяет определить шероховатость поверхности.
Этот метод демонстрирует высокую эффективность при измерении хрупких или сильно отражающих поверхностей, где контактные методы могут оказаться неприменимыми. Однако, в зависимости от материала и его оптических свойств, оптические системы могут быть чувствительны к искажениям. Для обеспечения точности измерений может потребоваться калибровка или корректировка данных.
3. Сравнительная таблица:
Данный метод измерения шероховатости поверхности основан на применении эталонных образцов, представляющих собой стандартизированный набор поверхностей с заданными значениями шероховатости. Оценка шероховатости исследуемой поверхности производится путем визуального и тактильного сравнения ее с эталонами.
Несмотря на то, что методы сравнения менее точны по сравнению с прямыми или бесконтактными методами, они предоставляют быстрый и доступный способ оценки качества поверхности без использования сложного оборудования.
4. Мониторинг в процессе производства:
Предлагаемый подход предполагает встраивание измерительных систем непосредственно в производственное оборудование. Данные о шероховатости поверхности, предоставляемые такими системами в режиме реального времени, позволяют оперативно корректировать производственный процесс.
Такой мониторинг играет ключевую роль в высокоточных отраслях, где качество поверхности является определяющим фактором для обеспечения целостности продукции. Для повышения точности и предсказательных возможностей внутрипроизводственные системы всё чаще интегрируют передовые технологии, включая искусственный интеллект, машинное зрение и контактные или бесконтактные датчики.
Каждая из этих систем выполняет важную функцию в обеспечении контроля качества на современном производстве. Выбор конкретной системы обусловлен множеством факторов, среди которых тип измеряемого материала, требуемая точность, характеристики поверхности и экономические аспекты процесса измерения.
Инструменты для измерения шероховатости поверхности:
1. Профилометры со щупом
Щуповые профилометры являются широко используемыми приборами для оценки шероховатости поверхностей. Принцип их работы заключается в перемещении по поверхности объекта чувствительного зонда с алмазным наконечником. Вертикальные колебания зонда, обусловленные неровностями поверхности, регистрируются и затем используются для построения профиля поверхности.
Полученные данные обрабатываются для определения различных параметров шероховатости, таких как средняя шероховатость (Ra), максимальная высота профиля (Rz) и другие статистические показатели. Метод щуповой профилометрии признан за точность и надежность. Тем не менее, будучи контактным методом, он может привести к повреждению мягких или хрупких материалов. Кроме того, геометрические ограничения щупа ограничивают его применение для измерения шероховатости поверхностей с высокой степенью неровностей.
2. Оптические профилометры
Оптические профилометры представляют собой приборы для измерения шероховатости поверхности, которые используют световые волны для анализа её топографии. Данные приборы применяют либо лазерное сканирование, либо интерферометрию белого света. Процесс измерения заключается в проецировании светового луча на поверхность и регистрации рассеянного света датчиком. Анализ фазы и интенсивности отражённого света позволяет создать детальную трёхмерную карту поверхности.
Неконтактный характер этого метода исключает возможность повреждения образца и обеспечивает быстрый анализ больших площадей. Оптические профилометры также применимы для измерения поверхностей, обладающих чрезмерной мягкостью, липкостью или текучестью, что затрудняет их анализ тактильными методами.
Однако следует отметить, что прозрачные или сильно отражающие материалы могут вызывать трудности для оптических систем, приводя к погрешностям в измерениях.
3. Лазерное сканирование
Лазерное сканирование основано на использовании лазерного датчика смещения. Принцип работы заключается в проецировании лазерного луча (точки или линии) на измеряемую поверхность. Датчик регистрирует время, за которое свет возвращается к нему. Это время изменяется в зависимости от рельефа поверхности: выступы и впадины вызывают задержку сигнала.
Преимущества лазерного сканирования заключаются в высокой скорости измерения и возможности определения расстояний на большие дистанции. Это делает его эффективным инструментом для анализа крупных деталей и измерений в труднодоступных местах, таких как внутренние полости машин или сборочных единиц. Неконтактный характер сканирования исключает риск повреждения измеряемого объекта.
Однако, подобно оптической профилометрии, лазерное сканирование может сталкиваться с ограничениями при работе с определёнными материалами и состояниями поверхности.
4. Атомно-силовая микроскопия (АСМ)
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) представляет собой разновидность сканирующей зондовой микроскопии, предназначенную для проведения наномасштабных измерений шероховатости поверхностей. В основе её работы лежит использование кантилевера с высокоточным наконечником, который сканирует исследуемую поверхность. Измерение отклонений кантилевера в процессе сканирования позволяет получить топографическую карту поверхности на атомном или молекулярном уровне.
Высокая чувствительность АСМ позволяет измерять не только топографию, но и различные физические свойства поверхностей, такие как механические, магнитные и химические характеристики.
Выбор оптимального метода микроскопии зависит от специфических требований поставленной задачи. При этом учитываются такие факторы, как разрешающая способность, скорость сканирования, область исследования и физико-химические свойства исследуемой поверхности.
5. Оптический измеритель шероховатости на основе нейросети
Результат обработки микро-изображений с видеокамеры с помощью нейросети с определением шероховатости поверхности
Данная измерительная система позволяет проводить измерение шероховатости поверхности путем ее микро-видесъемки с обработкой полученных изображений обученной нейросетью, которая определяет степень и характер шероховатости. Такой подход позволяет получить высокие результаты обработки за счет комбинирования видеосьемки и нейросети, что дает высокую точность, скорость контроля и позволяет применить систему для автоматизированного контроля шероховатости повехностей непосредственно на производственной линии в производственном потоке. Наша компания готова разработать такую систему для ваших задач.
Символы и сокращения шероховатости поверхности:
Параметры шероховатости поверхности играют важную роль в оценке качества обработки деталей. Здесь применяются следующие обозначения:
- Ra (средняя шероховатость) характеризует средние отклонения высоты по всей поверхности, вычисляемые путем усреднения абсолютных значений отклонений от центральной линии. Этот параметр дает полное представление о текстуре поверхности.
- Rz (максимальная глубина шероховатости) определяет вертикальное расстояние между самой высокой точкой и самой низкой впадиной на поверхности. Rz указывает максимальную глубину неровностей, что важно для понимания общих характеристик поверхности.
- RMS (среднеквадратичное значение) представляет собой квадратный корень из среднего квадрата отклонений от центральной линии. Этот параметр предлагает более точную оценку шероховатости поверхности, учитывая среднеквадратичные отклонения.
- См (среднее расстояние) измеряет среднее расстояние между соседними пиками, что позволяет оценить частоту поверхностных особенностей и пространственное расположение неровностей.
Длина обрезки определяет размер участка поверхности, на котором производятся измерения шероховатости. В контексте профилометра, это участок, который проходит щуп для сбора данных, необходимых для расчета параметров шероховатости.
В американской терминологии CLA (среднее среднее значение) эквивалентно Ra (средняя шероховатость). CLA представляет собой среднюю арифметическую высоту неровностей от средней линии, измеренную в пределах длины выборки. Средняя линия – это линия, делящая профиль пополам так, чтобы сумма площадей, ограниченных профилем над линией, была равна сумме площадей под ней.
Таблица преобразования шероховатости поверхности:
Таблица измерения шероховатости поверхности служит справочным пособием для оценки качества обработки поверхностного слоя деталей. В ней представлены классы текстуры поверхности с соответствующими им числовыми значениями, характеризующими среднюю шероховатость (Ra) или иные параметры, такие как среднеквадратичное отклонение (RMS), максимальная глубина шероховатости (Rz) и среднее расстояние между вершинами профиля (Sm). Указанные параметры измеряются в микродюймах или микрометрах и отражают амплитуду микронеровностей на поверхности.
| Ра(микрометры) | Ра(микродюймы) | среднеквадратичное значение(микродюймы) | CLA(Н) | рт(микрон) | Н | Длина обрезки(дюймы) |
| 0.005 | 0.2 | 0.22 | 0.2 | 0.043 | 1 | 0.003 |
| 0.01 | 0.4 | 0.44 | 0.4 | 0.08 | 2 | 0.003 |
| 0.02 | 0.8 | 1.6 | 0.8 | 0.18 | 3 | 0.003 |
| 0.05 | 2 | 2.2 | 2 | 0.5 | 2 | 0.01 |
| 0.1 | 4 | 4.4 | 4 | 0.8 | 3 | 0.01 |
| 0.2 | 8 | 8.8 | 8 | 1.2 | 4 | 0.01 |
| 0.4 | 16 | 17.6 | 16 | 2 | 5 | 0.01 |
| 0.8 | 32 | 32.5 | 32 | 4 | 6 | 0.03 |
| 1.6 | 63 | 64.3 | 63 | 8 | 7 | 0.03 |
| 3.2 | 125 | 137.5 | 125 | 13 | 8 | 0.1 |
| 6.3 | 250 | 275 | 250 | 25 | 9 | 0.1 |
| 12.5 | 500 | 550 | 500 | 50 | 10 | 0.1 |
Таблица 2: Таблица преобразования шероховатости поверхности согласно DIN/ISO 1302.
Пример измерения шероховатости поверхности листов металла методом интерференционной профилометрии.
Классы чистоты, соответствующие шабрению – это 7 и 8. Параметр Ra для таких поверхностей лежит в диапазоне от 0.32 до 0.63 и от 0.63 до 1.25 мкм, соответственно. Базовая длина для обоих классов составляет 0.8 мм.
При измерениях вдоль линий, ориентированных под различными углами к направлению шабрения, значения Ra могут отличаться. В ISO 25178 вводятся параметры площадной шероховатости, где аналогом Ra является параметр Sa, не зависящий от ориентации измерительного прибора.
Интерференционные профилометры производят бесконтактные измерения рельефа поверхности на площади порядка нескольких квадратных миллиметров с разрешением в несколько мегапикселей. Представленные результаты измерений получены на профилометре МНП-1 с областью измерения 1.7 мм х 1.3 мм и разрешением 1600х1200 пикселей.
Поверхность листа в процессе измерения
Приведем микрофотографии фрагмента (1.7 мм х 1.3 мм) поверхности и 3D модели измеренного рельефа с линиями сечения.
1. Поверхность листа без шабрения с небольшой царапиной
Sa = 0.354 мкм, Ra поперек царапины = 0.336 мкм, глубина царапины ~1.8 мкм
2. Поверхность листа без шабрения с дефектом в виде кольца
Sa без дефекта = 0.27 мкм, глубина дефекта ~9.3 мкм, диаметр ~0.29 мм.
3. Поверхность листа с шабрением
Sa = 0.767 мкм, Ra вдоль борозд = 0.27-0.38 мкм, Ra поперек борозд = 0.6-0.8 мкм
4. Граница области шабрения
Sa без шабрения = 0.26 мкм, Sa области шабрения ~1 мкм, глубина шабрения ~9 мкм.
5. Поверхность с шабрением и дефектом
Sa без дефекта = 1.6 мкм, Sa по всей области = 1.9 мкм, Ra вдоль борозд = 1.3-1.5 мкм, Ra поперек борозд = 0.6 мкм. Глубина дефекта ~20 мкм, диаметр дефекта ~0.37 мм. Глубина «волны» шабрения 5.5 мкм.
Фотография дефекта под шабрением
Заключение:
Шероховатость поверхности является важным параметром, влияющим на функциональность и срок службы компонента. Точные измерения и контроль необходимы в отраслях, где точность имеет первостепенное значение.
Вопросы и ответы о шероховатости поверхности
1. В чём заключается разница между шероховатостью и волнистостью?
Шероховатость характеризуется мелкой, неоднородной текстурой поверхности с незначительными отклонениями от идеальной плоскости. Волноватость представляет собой более крупномасштабные, периодические неровности, обусловленные, как правило, отклонениями в работе оборудования или технологического процесса.
2. Существуют ли устоявшиеся классификации шероховатости поверхности?
Да, международные стандарты, такие как ISO и ANSI, устанавливают классификацию шероховатости поверхности и предоставляют методики её измерения, а также рекомендуемые значения для различных сфер применения.
3. Возможность контроля шероховатости поверхности в процессе производства?
Шероховатость поверхности подлежит контролю на всех этапах производства. Тщательный отбор параметров обработки, таких как скорость резания, подача и тип инструмента, позволяет регулировать шероховатость. Кроме того, системы онлайн-контроля обеспечивают постоянный мониторинг и коррекцию шероховатости в режиме реального времени, гарантируя соответствие готовой продукции установленным стандартам.
4. Связана ли шероховатость поверхности с коррозионной стойкостью?
Да, шероховатость поверхности может оказать влияние на её коррозионную стойкость. Шероховатые поверхности имеют большую площадь контакта с окружающей средой, что повышает риск воздействия коррозионных агентов. Кроме того, неровности могут задерживать влагу и частицы, способствующие коррозии. Гладкие поверхности, наоборот, обладают повышенной коррозионной стойкостью благодаря уменьшенной площади и отсутствию щелей, которые могли бы служить очагами коррозии.
