Hrapavost površine je poseban parametar materijala. Ovaj naziv se često skraćuje na samo hrapavost i sastavni je dio teksture površine. Kvantitativno je određen odstupanjima smjera vektora realne površine od njegova idealnog oblika. Ako su ta odstupanja velika, površina je hrapava; ako su male, površina je glatka. U površinskom mjeriteljstvu, hrapavost se obično smatra visokofrekventnom komponentom kratke valne duljine površine koja se mjeri. Međutim, u praksi je često potrebno znati i amplitudu i frekvenciju kako bi se osiguralo da je površina prikladna za određenu namjenu. Hrapavost površine je vrlo važan parametar dizajna.
Uloga i značenje
Hrapavost igra važnu ulogu u određivanju načina na koji će stvarni objekt komunicirati sa svojim okruženjem. U tribologijiGrube površine općenito se brže troše i imaju veće koeficijente trenja od glatkih površina. Hrapavost je često dobar prediktor performansi mehaničke komponente, budući da površinske nepravilnosti mogu stvoriti mjesta nukleacije za pukotine ili koroziju. S druge strane, hrapavost može potaknuti prianjanje. Općenito govoreći, umjesto deskriptora ljestvice, deskriptori unakrsne skale kao što je površinska fraktalnost daju smislenija predviđanja mehaničkih interakcija na površinama, uključujući krutost kontakta i statičko trenje. Hrapavost površine je prilično složen parametar, čiji se detalji mogu naći u nastavku.
Visoke i niske vrijednosti
Iako je visoka vrijednost hrapavosti često nepoželjna, može biti teško i skupo kontrolirati tijekom proizvodnje. Na primjer, teško je i skupo kontrolirati hrapavost površine FDM dijelova. Smanjenje ovih stopa obično povećava troškove proizvodnje. To često rezultira kompromisom između cijene proizvodnje komponente i njezine učinkovitosti u primjeni.
Metode mjerenja
Indeks se može mjeriti ručnom usporedbom s "komparatorom hrapavosti" (uzorak poznate hrapavosti površine), ali općenito se mjerenje površinskog profila vrši profilometrima. Mogu biti kontaktne vrste (obično dijamantne igle) ili optičke (npr.interferometar bijelog svjetla ili laserski skenirajući konfokalni mikroskop).
Međutim, kontrolirana hrapavost često može biti poželjna. Na primjer, sjajna površina može biti previše sjajna za oči i preskliska za prst (dobar primjer je touchpad), pa je potrebna kontrolirana izvedba. Hrapavost površine je mjesto gdje su amplituda i frekvencija vrlo važne.
Njegova vrijednost se može izračunati ili iz profila (linije) ili iz površine (područja). Parametar hrapavosti profila (Ra, Rq, …) je češći. Parametri hrapavosti područja (Sa, Sq, …) daju smislenije definicije.
Parametri
Svaki od parametara hrapavosti izračunava se prema formuli opisa površine. Standardne reference koje detaljno opisuju svaku od njih su površine i njihove mjere. Hrapavost površine je karakteristika.
Parametri hrapavosti profila uključeni su u britanski (i svjetski) standard BS EN ISO 4287: 2000, koji je identičan ISO 4287: 1997. Standard se temelji na sustavu ″M″ (srednja linija).
Postoji mnogo različitih parametara hrapavosti, ali gornji su najčešći, iako se standardizacija često događa zbog povijesnih razloga, a ne zbog zasluga. Hrapavost površine je skup nepravilnosti.
Neki parametri se koriste samo u određenim industrijama ili u određenim zemljama. Na primjer, MOTIF parametri se uglavnom koriste u francuskoj automobilskoj industriji. MOTIF metodapruža grafičku procjenu profila površine bez filtriranja valovitosti od hrapavosti. MOTIF se sastoji od dijela profila između dva vrha, a konačne kombinacije eliminiraju "manje" vrhove i zadržavaju "značajne". Hrapavost površine na crtežu je prisutnost neravnina utisnutih i pažljivo izmjerenih na njemu.
Budući da ovi parametri svode sve informacije o profilu na jedan broj, potrebno je paziti na njihovu primjenu i tumačenje. Male promjene u načinu filtriranja neobrađenih podataka profila, izračunavanju središnje linije i fizici mjerenja mogu uvelike utjecati na izračunati parametar. Na modernoj digitalnoj opremi, skeniranja se mogu procijeniti kako bi se osiguralo da nema očitih grešaka koje iskrivljuju vrijednosti.
Značajke parametara i mjerenja
Budući da mnogim korisnicima možda nije očito što svako mjerenje zapravo znači, alat za modeliranje omogućuje korisniku podešavanje ključnih parametara, prikazujući površine koje se izrazito razlikuju od ljudskog oka, razlikuju u mjerenjima. Na primjer, neki parametri ne mogu razlikovati dvije površine, gdje se jedna sastoji od vrhova, a druga se sastoji od udubljenja s istom amplitudom.
Uobičajeno, svaki 2D parametar hrapavosti je veliko slovo R iza kojeg slijede dodatni znakovi u indeksu. Subscript specificira formulu koja je korištena, iR znači da je formula primijenjena na 2D profil hrapavosti.
Različita upotreba velikih i malih slova znači da je formula primijenjena na drugi profil. Na primjer, Ra je aritmetička sredina profila hrapavosti, Pa je aritmetička sredina nefiltriranog neobrađenog profila, a Sa aritmetička sredina 3D hrapavosti.
Postavke amplitude
Parametri amplitude karakteriziraju površinu na temelju vertikalnih odstupanja profila hrapavosti od srednje linije. Na primjer, aritmetička sredina filtriranog profila hrapavosti, određena iz odstupanja od središnje crte unutar duljine procjene, može se povezati s rasponom točaka prikupljenih za tu hrapavost. Ova se vrijednost često koristi kao referenca na hrapavost površine.
Aritmetička srednja hrapavost je najčešće korišteni jednodimenzionalni parametar.
Istraživanje i promatranje
Matematičar Benoit Mandelbrot ukazao je na odnos između hrapavosti površine i fraktalne dimenzije. Opis predstavljen fraktalom na razini mikrohrapavosti može omogućiti kontrolu svojstava materijala i vrste formiranja strugotine. Ali fraktali ne mogu pružiti potpuni prikaz tipične obrađene površine na koju utječu oznake uvlačenja alata, zanemaruju geometriju reznog ruba.
Malo više o mjerenju
Parametri hrapavosti površine definirani su u seriji ISO 25178.vrijednosti: Sa, Sq, Sz… Mnogi optički mjerni instrumenti mogu mjeriti hrapavost površine po površini. Mjerenje površine moguće je i kontaktnim sustavima. Iz ciljnog područja uzima se više, blisko raspoređenih 2D skeniranja. Zatim se digitalno spajaju zajedno pomoću odgovarajućeg softvera, što rezultira 3D slikom i odgovarajućim parametrima hrapavosti.
Površina tla
Hrapavost površine tla (SSR) odnosi se na vertikalne promjene prisutne u mikro- i makrotopografiji površine tla, kao i njihovu stohastičku distribuciju. Postoje četiri različite SSR klase, od kojih svaka predstavlja karakterističnu vertikalnu ljestvicu duljine:
- prva klasa uključuje promjene mikroreljefa od pojedinačnih zrna tla do agregata reda veličine 0,053–2,0 mm;
- druga klasa sastoji se od varijacija grudica tla od 2 do 100 mm;
- treća klasa hrapavosti površine tla su sustavne promjene nadmorske visine zbog obrade tla, nazvane orijentirana hrapavost (OS), u rasponu od 100 do 300 mm;
- četvrti razred uključuje planarnu zakrivljenost ili topografske značajke makroskale.
Prve dvije klase objašnjavaju takozvanu mikrohrapavost, za koju se pokazalo da uvelike utječe na događaj i sezonsku ljestvicu ovisno o padalinama, odnosno obradi tla. Najčešće se utvrđuje mikrohrapavostkvantificirana nasumičnom hrapavošću, koja je u biti standardna devijacija podataka o nadmorskoj visini površine sloja oko srednje visine nakon korekcije nagiba, korištenjem ravnine koja najbolje odgovara i uklanjanja učinaka obrade tla u pojedinačnim očitanjima visine. Izloženost oborinama može dovesti do pogoršanja ili povećanja mikrohrapavosti, ovisno o početnim uvjetima i svojstvima tla.
Na grubim površinama, djelovanje kišnog spreja nastoji izgladiti rubove hrapavosti površine tla, što rezultira ukupnim smanjenjem RR. Međutim, nedavna studija koja je ispitivala reakciju glatkih površina tla na oborine pokazala je da se RR može značajno povećati na malim početnim ljestvicama mikrohrapavosti reda veličine 0-5 mm. Također se pokazalo da je povećanje ili smanjenje dosljedno u različitim SSR rezultatima.
Mehanika
Površinska struktura igra ključnu ulogu u kontroli kontaktne mehanike, odnosno mehaničkog ponašanja koje se događa na sučelju između dva čvrsta objekta dok se približavaju jedan drugome i prelaze iz beskontaktnog u puni kontakt. Konkretno, normalna kontaktna krutost određena je pretežno strukturama hrapavosti (nagib površine i fraktalnost) i svojstvima materijala.
Iz perspektive inženjerske površine, hrapavost se smatra štetnom za performanse dijela. Kao posljedica toga, većina proizvodnih ispisa postavlja gornju granicuhrapavost, ali ne i dno. Iznimka su provrti cilindara gdje se ulje zadržava u profilu površine i potrebna je minimalna hrapavost površine (Rz).
Struktura i fraktalnost
Struktura površine često je usko povezana s njezinim svojstvima trenja i otpornosti na habanje. Površina s višom fraktalnom dimenzijom, velikom vrijednošću ili pozitivnom vrijednošću obično će imati nešto veće trenje i brzo će se istrošiti. Vrhovi u profilu hrapavosti nisu uvijek dodirne točke. Oblik i valovitost (tj. i amplituda i frekvencija) također se moraju uzeti u obzir, posebno pri obradi hrapavosti površine.
