Шероховатость поверхности в производстве

Введение

Шероховатость поверхности - это важный производственный параметр, описывающий микроскопические изменения на поверхности. Такие дефекты, обычно измеряемые в микрометрах (мкм) или микродюймах (мкн), могут возникать в результате механической обработки, литья, аддитивного производства, износа или химических реакций. Незначительные отклонения могут оказать существенное влияние на производительность, внешний вид и срок службы отдельного компонента. Поэтому контроль и измерение шероховатости поверхности необходимы в различных отраслях промышленности, таких как автомобильная и аэрокосмическая, производство медицинского оборудования и электроники.

Что такое шероховатость поверхности?

Шероховатость поверхности - это мелкомасштабная текстура поверхности, такая как пики, долины и волнистость. Шероховатость поверхности не следует путать с волнистостью поверхности, состоянием неровностей с большей длиной волны, или ошибками формы, отклонениями от запланированной геометрии.

Причины шероховатости поверхности в основном связаны с процессом производства:

- Обработка: Микронеровности образуются в результате использования режущих инструментов; шероховатость зависит от остроты инструмента и скорости подачи. Например, Ra 0,2 мкм достигается при использовании высококачественного инструмента в алюминиевой аэрокосмической детали, фрезерованной с ЧПУ, при более грубом резании Ra более 1,6 мкм.

- Литье: Текстура поверхности зависит от скорости затвердевания и материала формы; литые алюминиевые детали обычно имеют Ra 1-3 мкм.

- Аддитивное производство: Ступенчатые структуры создаются путем послойной печати; селективное лазерное плавление (SLM) нержавеющей стали без последующей обработки позволяет достичь значений Ra до 10 мкм.

Существуют контактные и бесконтактные методы измерения шероховатости поверхности, информация о которых важна как для контроля качества, так и для подтверждения эффективности.

Почему шероховатость поверхности важна?

Шероховатость поверхности оказывает непосредственное влияние на:

- Функциональные характеристики: Неровная поверхность вызывает трение и износ. Например, в поршневых кольцах автомобилей значение Ra более 0,8 мкм может увеличить трение, что снижает эффективность работы двигателя на 2-3 %. И наоборот, хорошо обработанная поверхность (Ra ~0,2-0,4 мкм) способствует удержанию смазки и увеличивает срок службы деталей.

- Эстетическое качество: Для изделий бытовой электроники премиум-класса требуются поверхности с Ra менее 0,1 мкм, обеспечивающие гладкий внешний вид.

- Прочность: Шероховатость поверхности может служить концентратором напряжений и вызывать появление усталостных трещин. В лопатках турбин для аэрокосмической промышленности установлено, что поддержание шероховатости поверхности на уровне Ra ≤ 0,5 мкм увеличивает усталостный ресурс более чем на 15 % в условиях циклического нагружения.

Методы измерения шероховатости поверхности

Контактные методы

1. Профилометры: Щуп с алмазным наконечником сканирует поверхность и регистрирует отклонения. Очень точные профилометры могут измерять значения Ra от 0,01 мкм и подходят для прецизионных полупроводниковых и металлических деталей.

2. Тактильные датчики: Контактные датчики обеспечивают быстрые показания для рутинного контроля качества, например, для проверки соответствия литой пластиковой детали спецификации Ra < 1 мкм.

Бесконтактные методы

1. Оптическая профилометрия: Использование интерферометрии или конфокальной микроскопии для бесконтактного измерения поверхностей, что оптимально для мягких или деликатных материалов, таких как тонкопленочные покрытия или медицинские имплантаты.

2. Лазерное сканирование: Быстродействующие лазеры сканируют топографию больших поверхностей, что оптимально для аэрокосмических панелей, где равномерность Ra на изогнутых поверхностях имеет большое значение.

Влияние на измерение шероховатости поверхности

Точное измерение зависит от нескольких факторов:

- Материал поверхности: Вязкие металлы деформируются при прикосновении и искажают результаты; алюминий, титан и нержавеющая сталь требуют определенных усилий щупа.

- Среда измерения: Колебания температуры, вибрации и уровня освещенности могут исказить результаты. В прецизионных лабораториях измерения проводятся при температуре 20 ± 1°C, чтобы исключить эффект теплового расширения.

- Калибровка прибора: Профилометры и оптические сканеры должны быть откалиброваны по аккредитованным стандартам шероховатости, чаще всего на основе каждого сеанса измерений, для обеспечения повторяемости.

Области применения измерения шероховатости поверхности

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, обратитесь к Stanford Advanced Materials (SAM).

Часто задаваемые вопросы

Какова стандартная единица измерения шероховатости поверхности?

Микрометры (мкм) или микродюймы (мкн).

Почему шероховатость поверхности имеет решающее значение в производстве?

Она влияет на производительность, долговечность и внешний вид, а также обеспечивает соответствие компонентов проектным и функциональным спецификациям.

Можно ли улучшить шероховатость поверхности после производства?

Да, путем шлифовки, полировки, притирки или нанесения покрытия.

В чем разница между Ra и Rz?

Ra - это среднее измерение шероховатости, а Rz - средняя высота от пика до долины по длине выборки и является дополнительным показателем.

Когда следует калибровать приборы?

Калибровка выполняется перед использованием или по мере необходимости с использованием сертифицированных стандартов шероховатости для обеспечения точности.