Pomiar Chropowatości Powierzchni

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego ekran Twojego telefonu jest gładszy niż szorstki kawałek papieru ściernego?

Albo dlaczego niektóre lakiery samochodowe wydają się mieć lustrzane wykończenie, podczas gdy inne wyglądają na matowe i wyboiste?

Odpowiedź leży w chropowatości powierzchni, kluczowym czynniku wpływającym na wydajność, wygląd i trwałość różnych produktów.

Od komponentów lotniczych po implanty medyczne, producenci muszą dokładnie mierzyć i kontrolować chropowatość powierzchni, aby zapewnić jakość, niezawodność i bezpieczeństwo.

W tym artykule przyjrzę się nauce i technikom pomiaru chropowatości powierzchni oraz wyjaśnię, dlaczego ma to większe znaczenie, niż mogłoby się wydawać.

Więc zapnij pasy i przygotuj się na zanurzenie w fascynującym świecie chropowatości powierzchni.

Pomiar chropowatości powierzchni to proces pomiaru niewielkich zmian wysokości powierzchni fizycznej. Różni się od zmian na większą skalę, takich jak forma i falistość, które są zazwyczaj częścią geometrii powierzchni.

Chropowatość powierzchni można uznać za cechę powierzchni, która nie jest gładka i jest związana z ludzkim postrzeganiem tekstury powierzchni.

Jest to właściwość wieloskalowa, która ma różne interpretacje i definicje w zależności od rozważanej dyscypliny.

Chropowatość powierzchni można zmierzyć przez ręczne porównanie z „komparatorem chropowatości powierzchni” lub pomiar profilu powierzchni za pomocą profilometru. Optyczne instrumenty pomiarowe, takie jak interferometry światła białego lub skanujące laserowe mikroskopy konfokalne, mogą również mierzyć chropowatość powierzchni na danym obszarze.

Parametry chropowatości powierzchni są zdefiniowane w serii ISO 25178, a wynikowe wartości to Sa, Sq, Sz, (wraz z innymi).

Średnia chropowatość (Ra) jest powszechnym parametrem używanym do pomiaru chropowatości powierzchni i mierzy odchylenie powierzchni od średniej wysokości.

Zwykle jest mierzony w mikronach lub mikrocalach.

Znaczenie w pomiarach wymiarowych

Pomiar chropowatości powierzchni jest ważny w pomiarach wymiarowych z kilku powodów:

• Interakcja między częściami:Chropowatość powierzchni często określa sposób interakcji jednej części z drugą. Na przykład, jeśli wał obraca się wewnątrz łożyska, chropowata powierzchnia z większym prawdopodobieństwem spowoduje kontakt metalu z metalem, co może prowadzić do zużycia i korozji.
• Korekty zapobiegawcze:Przechwytywanie danych o chropowatości powierzchni pozwala na analizę trendów i pomaga w dostosowaniu zapobiegawczym. Na przykład pomiar średniej chropowatości (Ra) może pokazać, kiedy narzędzie zaczyna się zużywać, co powoduje, że uzyskuje ono inną charakterystykę powierzchni. Informacje te można następnie wykorzystać do podjęcia decyzji, kiedy konieczna jest wymiana narzędzia.
• Tarcie i przyczepność:Chropowatość odgrywa ważną rolę w różnych procesach, takich jak tarcie i adhezja, i jest szeroko mierzona.
• Zwilżalność:Zależność między chropowatością a zwilżalnością jest dobrze zdefiniowana, a dodanie chropowatości powierzchni może zwiększyć zwilżalność spowodowaną składem chemicznym powierzchni.
• Charakterystyka tekstury powierzchni:Chropowatość powierzchni jest miarą tekstury powierzchni i jest definiowana jako pionowe odchylenie rzeczywistej powierzchni od jej idealnie gładkiej formy. Chropowatości powierzchni nie można dokładnie scharakteryzować za pomocą pojedynczego parametru, dlatego definiuje się zestaw parametrów chropowatości powierzchni.
• Metody ilościowe i jakościowe:Pomiar chropowatości powierzchni można scharakteryzować metodami ilościowymi lub jakościowymi. Techniki jakościowe obejmują wygląd optyczny, podczas gdy metody ilościowe obejmują pomiar niewielkich zmian wysokości powierzchni fizycznej.

Metody pomiaru chropowatości powierzchni

Pomiar chropowatości powierzchni można scharakteryzować różnymi metodami:

• Metody pomiaru bezpośredniego:Metody te oceniają wykończenie powierzchni za pomocą urządzeń typu trzpień. Pomiary są wykonywane za pomocą rysika rysowanego wzdłuż mierzonej powierzchni, a ruch rysika prostopadle do powierzchni jest rejestrowany. Ten zarejestrowany profil jest następnie używany do obliczania parametrów chropowatości.
• Metoda optyczna:Metoda ta polega na wykorzystaniu światła do pomiaru chropowatości powierzchni. Na przykład źródło światła służy do oświetlania powierzchni za pomocą systemu cyfrowego do przeglądania powierzchni i danych.
• Metody płynne:Metody płynowe wykorzystują przepływ płynu po powierzchni do pomiaru chropowatości. Na przykład przepływ cieczy po powierzchni może być wykorzystany do określenia chropowatości powierzchni.
• Metoda elektryczna:Metody elektryczne wykorzystują właściwości elektryczne powierzchni do pomiaru chropowatości. Na przykład opór elektryczny powierzchni można wykorzystać do określenia chropowatości powierzchni.
• Metody mikroskopii z sondą skanującą:Metody te wykorzystują mikroskop z sondą skanującą do pomiaru chropowatości powierzchni. Mikroskop skanuje powierzchnię mierzonego obiektu i rejestruje wysokość powierzchni w każdym punkcie. Informacje te są następnie wykorzystywane do obliczania parametrów chropowatości.
• Analiza geometryczna:Analiza geometryczna polega na wykorzystaniu modeli matematycznych do analizy chropowatości powierzchni. Na przykład linie odniesienia, metody obwiedni, filtry cyfrowe, fraktale lub inne techniki mogą być użyte do uzyskania charakterystyki powierzchni.
• Typ bezkontaktowy:Metody bezkontaktowe nie polegają na faktycznym kontakcie z częściami wyposażenia na powierzchni mierzonego obiektu. Na przykład metody optyczne, metody płynowe i metody elektryczne są metodami bezkontaktowymi.
• Metody mikroskopii elektronowej:Metody mikroskopii elektronowej wykorzystują mikroskop elektronowy do pomiaru chropowatości powierzchni. Mikroskop skanuje powierzchnię mierzonego obiektu i rejestruje wysokość powierzchni w każdym punkcie. Informacje te są następnie wykorzystywane do obliczania parametrów chropowatości.

Techniki pomiarowe

W oparciu o zasadę fizyczną stosuje się różne techniki do oceny cech chropowatości powierzchni w nanoskali, skali atomowej i mikroskali. Techniki profilowania, powierzchniowe i mikroskopowe to trzy podstawowe typy metod stosowanych do wykonywania pomiarów chropowatości powierzchni.

Chropowatość powierzchni można mierzyć za pomocą metod kontaktowych, takich jak urządzenia typu trzpień lub repliki bloków. Oto kilka metod i technik stosowanych do pomiaru chropowatości powierzchni:

• Urządzenie typu rysik:Jest to bezpośrednia metoda pomiaru, która oblicza średnią wartość chropowatości poprzez śledzenie powierzchni za pomocą przyrządu przypominającego rysik. Przyrząd wzmacnia sygnał, aby skompensować falistość i wskazać tylko chropowatość.
• Bloki repliki:Są one używane w pomiarach porównawczych i zawierają określony standardowy wzór chropowatości.
• Profilometr:Jest to stykowy system pomiarowy wykorzystujący trzpień diamentowy do pomiaru chropowatości powierzchni.
• Parametry chropowatości powierzchni:Parametry te są zdefiniowane w serii ISO 25178 i obejmują Sa, Sq i Sz.
• Metody optyczne:Metody optyczne obejmują interferometry światła białego i laserowe skaningowe mikroskopy konfokalne. Przyrządy te są w stanie zmierzyć chropowatość powierzchni na danym obszarze.

Chropowatość powierzchni można również scharakteryzować metodami ilościowymi lub jakościowymi. Techniki jakościowe obejmują wygląd optyczny, taki jak test paznokcia. Dzięki zastosowaniu miar fraktalizacji powierzchni wraz z miarami chropowatości lub kształtu powierzchni, pewne zjawiska międzyfazowe, w tym mechanika kontaktu, tarcie i rezystancja styku elektrycznego, mogą być lepiej interpretowane w odniesieniu do struktury powierzchni.

Do pomiaru chropowatości powierzchni stosuje się metody bezkontaktowe. Oto kilka przykładów:

1. Przestrzenny modulator światła:Nowatorska metoda bezkontaktowego pomiaru chropowatości powierzchni, która łączy w sobie zalety różnych typów metod z wykorzystaniem zestawu Michelsona.
2. Profilometria laserowa:Bezkontaktowa metoda pomiaru chropowatości powierzchni. Uzyskanie dokładnych pomiarów parametrów chropowatości powierzchni metodą bezkontaktową dla powierzchni o wysokim połysku może być jednak wyzwaniem.
3. Wygląd optyczny:Techniki jakościowe obejmują wygląd optyczny, taki jak oględziny, które można wykorzystać do określenia chropowatości powierzchni.
4. Efekty depolaryzacji:Bezkontaktowa metoda uwzględniająca efekty depolaryzacji w celu pomiaru chropowatości powierzchni w zakresie submikronowym.
5. Wzajemne przenikanie się szorstkich powierzchni:Metoda pośrednia wykorzystująca efekt przenikania się chropowatych powierzchni, pozwalająca na konstruowanie bardzo prostych przyrządów pomiarowych.

Należy pamiętać, że istnieją również kontaktowe metody pomiaru chropowatości powierzchni.

Dlaczego metrologia ma znaczenie w pomiarach chropowatości powierzchni

Jeśli chodzi o pomiar chropowatości powierzchni przedmiotu, kluczem jest precyzja. I tu wkracza metrologia. Metrologia jest nauką o pomiarach i odgrywa kluczową rolę w zapewnianiu dokładności i spójności pomiarów wymiarowych.

Korzystając ze specjalistycznych narzędzi i technik, metrolodzy mogą mierzyć chropowatość powierzchni do poziomu nanometrów, dostarczając bezcennych danych dla branż takich jak produkcja, przemysł lotniczy i inżynieria biomedyczna.

Bez metrologii pomiary chropowatości powierzchni byłyby niewiarygodne i niespójne, co prowadziłoby do potencjalnych błędów w projektowaniu produktu i kontroli jakości.

Więc następnym razem, gdy zobaczysz pomiar chropowatości powierzchni, pamiętaj, że za tym stoi nauka metrologii, zapewniająca dokładność i precyzję pomiaru wymiarów.

Po więcej informacji:

Odkrywanie metrologii, jednostek, przyrządów i nie tylko

Jednostki i standardy

Jednostki używane do wyrażania pomiarów chropowatości powierzchni to zazwyczaj mikrony (μm) lub mikrocale (μ-in, μ"). Jeden mikron odpowiada w przybliżeniu 40 mikrocali. Terminy "mikron" i "mikrometr" są równoważne i oba są powszechnie używane.

Parametry chropowatości powierzchniowej są również zdefiniowane w serii ISO 25178, z wynikowymi wartościami, takimi jak Sa, Sq i Sz.

Krajowy System Pomiarów wykończenia powierzchni wykorzystuje fizyczne wzorce odniesienia do kalibracji pomiarów chropowatości powierzchni do określonej jednostki długości: długości fali niektórych źródeł światła.

Pomiary chropowatości powierzchni mogą mieć istotny wpływ na funkcjonalność produktu. Oto kilka sposobów, w jakie pomiary chropowatości powierzchni mogą wpływać na funkcjonalność produktu:

• Powierzchnie łożysk:Wiele powierzchni łożysk wymaga jednolitej chropowatości, która pomaga utrzymać warstwę smaru. Jeśli powierzchnia jest zbyt gładka lub zbyt chropowata, łożysko ulegnie uszkodzeniu.
• Parametry jakości:W zastosowaniach inżynierskich obowiązują ścisłe parametry jakości powierzchni i części. Dlatego tak ważne jest dokładne zmierzenie chropowatości powierzchni, aby mogła ona spełniać wymagane standardy jakości. Chropowatość jest często niepożądana, ale trudno ją kontrolować w produkcji. Zmniejszenie chropowatości prowadzi do wzrostu kosztów produkcji komponentów, więc musi istnieć kompromis między tym kosztem a jego wydajnością.
• Ludzka percepcja:Chropowatość powierzchni można uznać za cechę powierzchni, która nie jest gładka, a zatem jest powiązana z ludzkim (dotykowym) postrzeganiem tekstury powierzchni. Z matematycznego punktu widzenia jest to związane z przestrzenną strukturą zmienności powierzchni iz natury jest właściwością wieloskalową. Ma różne interpretacje i definicje w zależności od rozważanych dyscyplin.
• Wydajność:Rozmiar i konfiguracja cech mają istotny wpływ na jakość i funkcjonalność obrabianych powierzchni oraz właściwości użytkowe produktów końcowych. W związku z tym należy zmierzyć chropowatość powierzchni, aby spełnić wysokie standardy wydajności dla końcowych produktów. Poziom chropowatości musi być zarządzany w oparciu o pożądaną jakość i wydajność powierzchni.

Chropowatość powierzchni można zmierzyć przez ręczne porównanie z „komparatorem chropowatości powierzchni” lub przez pomiar profilu powierzchni za pomocą profilometru. Standardem ISO dla pomiarów chropowatości powierzchni jest trzpień stożkowy 60° lub 90° z kulistą końcówką o promieniu 2 µm.

Właściwa analiza cech powierzchni identyfikuje możliwe niedoskonałości materiału, które, jeśli zostaną przeprowadzone zgodnie z wystarczająco wysokimi standardami, mogą zadecydować o różnicy między produktem nadającym się do użytku a produktem, który zostanie wyrzucony i mogą mieć wpływ na krytyczne czynniki projektu, takie jak koszt i zużycie materiału, jak również jako bezpieczeństwo dla operatora gotowego produktu.

Chropowatość powierzchni jest ważnym aspektem pomiaru wymiarów. Oto niektóre normy branżowe i metody pomiaru chropowatości powierzchni:

• Porównywarka chropowatości powierzchni:Do ręcznego porównania można użyć próbki o znanej chropowatości powierzchni.
• Profilometr:Pomiar profilu powierzchni można wykonać za pomocą profilometru, który może być kontaktowy (zwykle diamentowy trzpień) lub optyczny (na przykład: interferometr światła białego lub laserowy skaningowy mikroskop konfokalny).
• Normy ISO:Parametry chropowatości profili zawarte są w normie brytyjskiej BS EN ISO 4287:2000, tożsamej z normą ISO 4287:1997. Parametry chropowatości powierzchni są zdefiniowane w serii ISO 25178.
• Akredytowany przez A2LA pomiar chropowatości powierzchni:Dimensional Measurement, Inc. (DMI) oferuje akredytowany przez A2LA pomiar chropowatości powierzchni, kalibrację (analiza powierzchni 2D) dla części.
• Średnia chropowatość (Ra):Ra mierzy odchylenie powierzchni od średniej wysokości. Zwykle jest mierzony w mikronach (µm) lub mikrocalach (µ-in, µ”).
• Parametry chropowatości powierzchni:Parametry te dają bardziej znaczące wartości niż parametry chropowatości profilu.

Należy pamiętać, że nie ma standardu dostępnego dla mikroskopii sił atomowych (AFM).

Usprawnianie procesów produkcyjnych

Pomiary chropowatości powierzchni są ważne w procesach produkcyjnych, ponieważ mogą pomóc w poprawie jakości części i produktów. Oto kilka sposobów wykorzystania pomiarów chropowatości powierzchni do usprawnienia procesów produkcyjnych:

1. Kontrola jakości:Pomiar chropowatości powierzchni ma kluczowe znaczenie dla kontroli jakości obrabianych przedmiotów. Powierzchnie w zastosowaniach produkcyjnych muszą pozostawać w pożądanych granicach chropowatości, aby zapewnić optymalną jakość części.
2. Prognoza wydajności:Chropowatość powierzchni jest doskonałym wskaźnikiem wydajności części mechanicznych, ponieważ nierówności na powierzchni mogą powodować powstawanie zarodków pęknięć lub korozji. W tribologii powierzchnie szorstkie zużywają się szybciej i mają większe współczynniki tarcia niż powierzchnie gładkie.
3. Promocja przyczepności:W niektórych zastosowaniach może być potrzebna chropowatość, aby ułatwić przyleganie do kosmetycznych powłok wykończeniowych, takich jak galwanizacja, malowanie proszkowe lub malowanie.
4. Zapobieganie zanieczyszczeniom:Produkcja o wysokiej czystości wymaga gładkich powierzchni w sprzęcie przetwarzającym, aby uniknąć zanieczyszczenia lub gromadzenia się w nim.
5. Jednolite procedury:Chropowatość powierzchni musi być przez cały czas utrzymywana przez inżynierów i producentów, aby pomóc w produkcji jednolitych procedur i godnych zaufania towarów.
6. Zgodność ze standardami branżowymi:Pomiary chropowatości powierzchni można wykorzystać do określenia zgodności sprzętu z różnymi normami branżowymi.

Ograniczenia pomiaru chropowatości powierzchni

Techniki pomiaru chropowatości powierzchni mają pewne ograniczenia:

1. Brak standaryzacji:Głównym ograniczeniem niektórych metod pomiaru chropowatości powierzchni jest brak znormalizowanej metody oceny. Może to utrudniać porównywanie wyników uzyskanych przy użyciu różnych technik.
2. Ograniczona dokładność:Rzeczywista geometria powierzchni jest tak skomplikowana, że ​​skończona liczba parametrów nie może zapewnić pełnego opisu. Jeśli liczba używanych parametrów zostanie zwiększona, można uzyskać dokładniejszy opis. Jednak nie zawsze jest to możliwe ze względu na praktyczne ograniczenia.
3. Filtracja:W celu uzyskania charakterystyki powierzchni prawie wszystkie pomiary podlegają filtrowaniu. Jest to jeden z najważniejszych etapów pomiaru chropowatości powierzchni. Jednak filtrowanie może również wprowadzać błędy i zniekształcenia w mierzonych danych.
4. Ograniczony zakres:Niektóre techniki pomiarowe mają ograniczony zakres pomiarowy. Na przykład niektóre metody nadają się tylko do pomiaru chropowatości na małą skalę, podczas gdy inne nadają się tylko do pomiaru chropowatości na dużą skalę.
5. Zależność od długości fali:Zmierzone parametry chropowatości są zależne od ograniczeń krótko- i długofalowych. Rozważania te wynikają nie tylko z techniki pomiaru, ale także z właściwości fizycznych mierzonej powierzchni.
6. Zależność od techniki:Do oceny cech chropowatości powierzchni w nanoskali, skali atomowej i mikroskali stosuje się różne techniki. Każda technika ma swoje ograniczenia i jest odpowiednia do pomiaru określonych rodzajów powierzchni.

Pomimo tych ograniczeń pomiar chropowatości powierzchni pozostaje ważnym narzędziem w różnych gałęziach przemysłu, zapewniającym jakość i wydajność produktów.

Końcowe przemyślenia i rozważania

Kończąc ten post na temat pomiaru chropowatości powierzchni, nie mogę się powstrzymać od poczucia dezorientacji z powodu zawiłości pomiaru wymiarów. Fascynujące jest myślenie o różnych metodach i technologiach stosowanych do pomiaru chropowatości powierzchni oraz o tym, jak niewielkie różnice w fakturze mogą mieć znaczący wpływ na funkcjonalność produktu.

Ale to, co naprawdę mnie wyróżnia, to potencjał pomiaru chropowatości powierzchni w celu usprawnienia procesów produkcyjnych. Dzięki dokładnemu pomiarowi chropowatości powierzchni producenci mogą identyfikować obszary wymagające ulepszeń i wprowadzać poprawki w celu optymalizacji produkcji. Prowadzi to nie tylko do wyższej jakości produktów, ale także zmniejsza ilość odpadów i oszczędza pieniądze w dłuższej perspektywie.

Jednak ważne jest, aby wziąć pod uwagę wpływ pomiarów chropowatości powierzchni poza sam proces produkcyjny. Chropowatość powierzchni może również wpływać na działanie produktów w różnych gałęziach przemysłu, od przemysłu lotniczego po urządzenia medyczne. Rozumiejąc wpływ chropowatości powierzchni na te branże, możemy nadal opracowywać nowe i innowacyjne sposoby pomiaru i ulepszania tekstury powierzchni.

Podsumowując, pomiar chropowatości powierzchni jest fascynującym i złożonym tematem o daleko idących implikacjach. Ponieważ technologia wciąż się rozwija, jestem podekscytowany widząc, jak możemy zastosować te pomiary, aby ulepszyć nasze procesy produkcyjne i poprawić wydajność naszych produktów. Więc następnym razem, gdy weźmiesz do ręki produkt, poświęć chwilę, aby docenić precyzję i dbałość o szczegóły, które są potrzebne do pomiaru chropowatości jego powierzchni.

Zrozumienie jednostek miary metrologii

Wskazówka: włącz przycisk napisów, jeśli go potrzebujesz. Wybierz „automatyczne tłumaczenie” w przycisku ustawień, jeśli nie znasz języka angielskiego. Może być konieczne kliknięcie najpierw języka filmu, zanim Twój ulubiony język będzie dostępny do tłumaczenia.

Linki i referencje

Nagrywanie dla siebie: (Status artykułu: plan)