Шероховатость поверхности

Механика

Структура поверхности играет ключевую роль в управлении механикой контакта, то есть механическое поведение, проявляющееся на границе раздела между двумя твердыми объектами, когда они приближаются друг к другу и переходят из условий бесконтактности в полный контакт. В частности, нормальная контактная жесткость определяется преимущественно структурами шероховатости (наклон поверхности и фрактальность) и свойствами материала.

С точки зрения инженерных поверхностей, шероховатость считается вредной для характеристик детали. Как следствие, большинство производственных отпечатков устанавливают верхний предел шероховатости, но не нижний. Исключение составляют отверстия цилиндра, в которых масло сохраняется в профиле поверхности и требуется минимальная шероховатость поверхности (Rz).

Особенности параметров и измерения

Поскольку для многих пользователей может быть неочевидным, что на самом деле означает каждое из измерений, инструмент моделирования позволяет пользователю настраивать ключевые параметры, визуализируя поверхности, которые явно отличаются от человеческого глаза, различаются измерениями. Например, некоторые параметры не могут различить две поверхности, где одна состоит из пиков, а другая – из впадин с одинаковой амплитудой.

По соглашению каждый параметр 2D-шероховатости представляет собой заглавную букву R, за которой следуют дополнительные символы в нижнем индексе. Нижний индекс определяет формулу, которая использовалась, а R означает, что формула была применена к 2D-профилю шероховатости.

Различные заглавные буквы означают, что формула была применена к другому профилю. Например, Ra — среднее арифметическое для профиля шероховатости, Pa — среднее арифметическое для нефильтрованного необработанного профиля, а Sa — среднее арифметическое для трехмерной шероховатости.

Параметры

Каждый из параметров шероховатости рассчитывается по формуле описания поверхности. Стандартными ссылками, которые подробно описывают каждую из них, являются поверхности и их измерения. Шероховатость поверхности — это характеристика.

Параметры шероховатости профиля включены в британский (и общемировой) стандарт BS EN ISO 4287: 2000, идентичный стандарту ISO 4287: 1997. Стандарт основан на системе ″M″ (средняя линия).

Существует много различных параметров шероховатости, но вышеупомянутые являются наиболее распространенными, хотя стандартизация часто происходит по историческим причинам, а не по определенным достоинствам. Шероховатость поверхности — это совокупность неровностей.

Некоторые параметры используются только в определенных отраслях или в определенных странах. Например, параметры MOTIF используются главным образом во французской автомобильной промышленности. Метод MOTIF обеспечивает графическую оценку профиля поверхности без фильтрации волнистости от шероховатости. MOTIF состоит из части профиля между двумя пиками, и окончательные комбинации устраняют «незначительные» пики и сохраняют «значительные». Шероховатость поверхности на чертеже — это наличие выпуклостей, запечатленных и тщательно измеренных на нем.

Поскольку эти параметры сводят всю информацию в профиле к одному номеру, необходимо соблюдать осторожность при их применении и интерпретации. Небольшие изменения в том, как фильтруются необработанные данные профиля, как рассчитывается средняя линия и физика измерения, могут сильно повлиять на вычисляемый параметр

На современном цифровом оборудовании сканирование можно оценить, чтобы убедиться в отсутствии явных сбоев, которые искажают значения.

Вообще, принято выделять три вида шероховатости объекта:

— Исходная шероховатость — возникающая в результате технологической обработки изделия различными абразивами.

— Эксплуатационная шероховатость — это приобретаемая в процессе эксплуатации шероховатость в результате износа и рабочего трения.

— Равновесная шероховатость — это вид эксплуатационной шероховатости, который можно воспроизвести в стационарных условиях трения.

Параметры шероховатости определены в ГОСТ 2789-73 «Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения». Согласно этому документу, выделяют такие показатели шероховатости, как:

• Ra — это среднее арифметическое значение отклонения профиля.
• Rz — это высота неровностей профиля, снятая в 10 точках.
• S — это средний шаг местных выступов профиля;
• Sm — это среднее арифметическое значение шага неровности;
• Rmax — это максимальная высота профиля;
• tp — это относительная длина профиля (опорная), р — это уровень сечения профиля.

При задании шероховатости, как правило, используется параметр ср. арифм-го. отклонения профиля (Ra).

Стоит отметить, что именно шероховатость, оказывает наиболее сильное влияние на эксплуатационные характеристики двигателей машин, а также деталей и узлов различного оборудования. Возможно, именно поэтому, точное определение значения шероховатости — одна из самых важных задач метрологии.

Какие виды поверхностей существуют

Для обеспечения взаимозаменяемости и унификации производства, параметры шероховатости объединяют в классы. Всего существует 14 их разновидностей. Каждому классу присвоено определенное значение Ra и Rz. Самый точный класс – четырнадцатый, самый грубый – первый. По этой причине поверхности также подверглись классификации. В производстве встречаются следующие их виды:

• Установочные поверхности, неподвижные относительно друг друга, к которым не предъявляются требования по герметичности. Для них значение Ra составляет 2,5-20 мкм.
• Рабочие поверхности, которые перемещаются друг относительно друга. Сюда входят соединения типа поршень-цилиндр, которые часто можно встретить в устройствах разнообразных двигателей и насосов. Ra для них равняется 0,16-2,5 мкм.
• Ограничительные и соединительные поверхности. Под этим подразумеваются элементы, необходимые для крепления и сборки. Это всевозможные корпуса, фиксаторы и прочие механизмы. Ra для них колеблется в пределах 2,5-20 мкм.
• Специальные поверхности. Здесь, главным образом, имеются ввиду органы управления. Обработка таких поверхностей крайне высока с их значением Ra 0,63-0,08 мкм.

Поверхность почвы

Шероховатость поверхности почвы (SSR) относится к вертикальным изменениям, присутствующим в микро- и макрорельефе поверхности грунта, а также к их стохастическому распределению. Существует четыре различных класса SSR, каждый из которых представляет характерную вертикальную шкалу длины:

• первый класс включает изменения микрорельефа от отдельных зерен почвы до агрегатов порядка 0,053–2,0 мм;
• второй класс состоит из вариаций почвенных комков от 2 до 100 мм;
• третий класс шероховатости поверхности почвы — это систематические перепады высот из-за обработки почвы, называемые ориентированной шероховатостью (ОШ), в диапазоне от 100 до 300 мм;
• четвертый класс включает в себя планарную кривизну или макромасштабные топографические особенности.

Два первых класса объясняют так называемую микрошероховатость, которая, как было показано, в значительной степени влияет на событие и сезонную шкалу в зависимости от количества осадков и обработки почвы соответственно. Микрошероховатость чаще всего определяется количественно с помощью случайной шероховатости, которая, по сути, является стандартным отклонением данных о возвышении поверхности слоя вокруг среднего значения высоты после коррекции на уклон с использованием плоскости наилучшего соответствия и устранения эффектов обработки почвы в отдельных показаниях высоты. Воздействие осадков может привести к ухудшению или увеличению микрошероховатости, в зависимости от начальных условий и свойств почвы.

На шероховатых поверхностях грунта действие отрыва дождевых брызг имеет тенденцию сглаживать края шероховатости поверхности почвы, что приводит к общему снижению RR. Однако недавнее исследование, в котором изучалась реакция гладких поверхностей почвы на количество осадков, показало, что RR может значительно увеличиться при малых начальных масштабах микрошероховатости порядка 0-5 мм. Также было показано, что увеличение или уменьшение согласовано между различными показателями SSR.