koszyk
Start
Baza wiedzy
Chropowatość i kontur Chropowatość nie jest taka straszna...

Ze wszystkich dziedzin metrologii wielkości geometrycznych pomiary nierówności powierzchni, w uproszczeniu popularnie zwane pomiarami chropowatości powierzchni, uważane są przez wielu za najtrudniejsze, najbardziej skomplikowane, a czasem wręcz tajemnicze lub przerażające. Na pytanie, dlaczego, mówią, że pomiar np. średnicy wałka czy otworu jest prosty, a interpretacja wyniku oczywista. A chropowatość? Co to znaczy mierzyć chropowatość? Czym są Ra, odcinek elementarny i filtry? Trudno nie zgodzić się, że głębsze zrozumienie zagadnień związanych z analizą nierówności powierzchni wymaga trochę czasu i wkładu pracy, ale nie taki diabeł straszny jak go malują. Chropowatość jest naturalnym stanem każdej powierzchni, a jej zmniejszenie wymaga włożenia pracy, którą jest obróbka. Podstawowym terminem jest tu struktura geometryczna powierzchni (SGP). Rozumie się przez nią zbiór wszystkich nierówności powierzchni rzeczywistej (odchyłki kształtu, falistość, chropowatość). SGP dzieli się na składowe, zależnie od stosunku wysokości do długości poszczególnych nierówności. Najbardziej długofalowym elementem jest odchyłka kształtu, traktowana, jako odchyłka powierzchni obrabianej od geometrycznej, z wyłączeniem odchyłek położenia, falistości i chropowatości. Zakłada się, że stosunek długości do wysokości odchyłki kształtu przekracza 1000. Jeśli jest on mniejszy (z zakresu między 50: 1 a 1000: 1), odchyłka nazywana jest falistością, a jeśli jeszcze mniejszy (od około 5: 1 do 50: 1) to jest to chropowatość. Wartość 50: 1 jest bardzo ruchoma i przyjęta dość swobodnie, a zakres definicyjny poszczególnych odchyłek może na siebie zachodzić.

 

 

Trudności definicyjne chropowatości

Definicje chropowatości i falistości są w pewien sposób rozmyte i nie do końca precyzują zakres obejmowany przez każdą z tych cech. W pewnych sytuacjach niektóre nierówności mogą być przez to traktowane, jako falistość, a w innych, jako chropowatość. Jeżeli natomiast szerokość nierówności jest mniej niż pięć razy większa od odpowiadającej jej głębokości, to jest to traktowane, jako skaza. Skazy z reguły nie należą do obszaru zainteresowania osób mierzących nierówności powierzchni, a parametry SGP nie są przydatne do ich określania. Takie miejscowe defekty powierzchni nie są nieregularnościami typu chropowatości, mogą one jednak mieć znaczący wpływ na wynik pomiaru chropowatości. W pomiarach należy, zatem omijać miejsca występowania skazy. Klasyfikując nierówności powierzchni pod względem długości fali, odchyłki kształtu i falistość nazywane są nierównościami długofalowymi, a chropowatość jest odchyłką krótkofalową. Przedstawiony na rys. 1 opis pokazuje, że dość powszechne nazywanie pomiarów nierówności powierzchni pomiarami chropowatości jest pewnym nadużyciem, jako że chropowatość jest jedynie jednym ze składników nierówności powierzchni. Prawdą jest jednak, że ten właśnie składnik mierzony jest najczęściej i wyodrębnia się go z sygnału, oddzielając od pozostałych. Jednym z powodów rozdzielnego traktowania składowych SGP są przyczyny ich powstawania. Błąd kształtu powoduje błędy ustawienia obrabiarki oraz jej zużycie eksploatacyjne. Z kolei falistość jest efektem drgań w układzie obrabiarka – uchwyt – przedmiot – narzędzie. Chropowatość jest natomiast wynikiem odwzorowania ostrza narzędzia skrawającego w obrabianym przedmiocie

Rys. 1. Składowe geometrycznej struktury powierzchni

Profil chropowatości

Rys. 2. Profil powierzchni

Od momentu powstania pierwszych przyrządów stykowych narodziła się idea analizy parametrów nierówności wyznaczonych z pewnego przekroju, gdzie końcówka porusza się po dwuwymiarowym przekroju profilu. W praktyce płaszczyzna ta jest prostopadła do powierzchni lub do płaszczyzny stycznej do niej (rys. 2). To, co otrzymujemy po przejściu głowicy pomiarowej, jest profilem odwzorowanym. Z profilu tego, po zastosowaniu filtru o krótkiej długości fali λs, uzyskuje się profil pierwotny oznaczany literą P. W przypadku powierzchni krzywoliniowych profil pierwotny powstaje po usunięciu nominalnej krzywizny. Dalej, na drodze separacji składowych, z profilu pierwotnego powstaje profil falistości i chropowatości (rys. 3).

Rys. 3. Składowe nierówności profilu

Oddzielenie składowych chropowatości i falistości z profilu odbywa się za pomocą filtracji. Obliczenia związane z parametrami przeprowadza się na długości odcinka elementarnego. Jest to odcinek o określonej długości, przyjęty, jako granica do identyfikacji nierówności charakteryzujących oceniany profil. Stąd możemy mówić o odcinku elementarnym profilu pierwotnego lp, odcinku elementarnym profilu falistości lw (liczbowo równemu charakterystycznej długości fali filtru λf) i odcinku elementarnym profilu chropowatości lr (liczbowo równemu charakterystycznej długości fali filtru λc). Odcinek elementarny profilu pierwotnego jest równy odcinkowi pomiarowemu, który jest ograniczeniem poziomym dla wyznaczania parametrów powierzchni i jednocześnie zbiorem kilku odcinków elementarnych, przyjmowanych do wyznaczania nierówności charakteryzujących chropowatość powierzchni. Jako standard traktuje się odcinek pomiarowy ln zawierający pięć kolejnych odcinków elementarnych lr, przy czym odcinek elementarny (zwany też cut-off) odpowiada wartości λc wybranego filtru.

Znaczenie odcinka elementarnego

Najistotniejszy z punktu widzenia analizy nierówności powierzchni jest odcinek elementarny chropowatości. Pozwala on oddzielić tę składową od falistości, przyjęcie jego wartości ma, zatem kolosalny wpływ na wartości uzyskiwanych parametrów. Długość tego odcinka elementarnego jest kompromisem, ponieważ z jednej strony powinien on być wystarczająco długi, aby uzyskać prawidłowy obraz powierzchni, a z drugiej odpowiednio krótki, aby nie uwzględniać długofalowych elementów SGP.

Na podstawie doświadczeń i umowy opracowano znormalizowane wartości długości odcinka elementarnego. i tak PN-EN ISO 3274 i 4288 uzależniają wybraną wartość długości odcinka elementarnego lr od wielkości mierzonej chropowatości – spodziewanych wartości parametrów. Po dokonaniu oceny, czy profil jest okresowy, czy losowy, wybiera się odpowiednią tabelę i, opierając się na niej, określa długość odcinka elementarnego.

Wytyczne dla profili o charakterze losowym zawarte są w tab. 1. Jak widać, wartości długości odcinków elementarnych nie są przyjęte w oparciu o, wydawałoby się, naturalne wartości typu 1, 5 albo 10. Zostały one przeliczone na potrzeby układu metrycznego z systemu calowego, stąd 2,5 mm to zaokrąglony odpowiednik 1/10 cala, a popularny odcinek 0,8 jest przeliczony z 1/3 jego długości (oczywiście również po upraszczających zaokrągleniach). Dla profili periodycznych zaleca się sprawdzenie wartości parametru RSm i dobór odcinka elementarnego lr według tab. 2, choć w praktyce bardzo często wystarcza ograniczenie się do takich samych zasad jak przy profilach losowych.

Im mniejszy odcinek elementarny chropowatości (cut-off, λc) został wybrany, tym bardziej tłumiona jest występująca na powierzchni falistość. Celowe wybranie zbyt małego odcinka prowadzi do interpretacji niektórych składowych chropowatości, jako falistości i wykluczenia ich z procedur obliczania parametrów chropowatości powierzchni. W praktyce przemysłowej zdarzają się sytuacje, w których odbiorcy narzucają dostawcom dłuższy odcinek elementarny niż wynikałoby to z norm, aby uzyskać więcej informacji na temat składowych nierówności przydatnych w pozytywnej weryfikacji funkcjonalnej wytwarzanego przedmiotu. Nietrudno się domyślić, że spełnienie takich wymagań jest trudniejsze, niż gdyby oprzeć się jedynie na założeniachnormy.

Rys. 4. Profil powierzchni przed wypoziomowaniem i po wypoziomowaniu

Filtry opisujące powierzchnię

Wartości odcinków elementarnych przy analizie chropowatości profilu zostały już dawno znormalizowane. Norma podaje również, przy jakiej chropowatości, jaki odcinek należy stosować. Mimo to pojawiają się miejsca, jak chociażby podcięcia obróbkowe, w których, bazując na wiedzy, należy przyjąć odcinek elementarny na przykład 0,8 mm. Jednak w takiej sytuacji wyniki są zupełnie nierealne i dopiero przyjęcie krótszego odcinka (0,25 mm) daje wyniki akceptowalne przez zdrowy rozsądek.

Opisane powyżej filtry stosowane są również do wyznaczania cech związanych z falistością. W tym przypadku należy tłumić krótkofalowe składowe SGP, czyli chropowatość. Bardzo ważne jest natomiast, aby w sytuacjach porównania wyników pomiarów na różnych przyrządach wybrany odcinek elementarny był taki sam; niespełnienie tego warunku powoduje, że jakiekolwiek porównania mijają się z celem.

Ważne są też wybór filtra λs, który stosowany jest do wyeliminowania nierówności bardzo krótkofalowych, jak również dobór odpowiedniego promienia zaokrąglenia wierzchołka ostrza (rtip) i kroku próbkowania. Oba te zagadnienia są ze sobą połączone, a dobór odpowiednich wartości może odbywać się na podstawie tab. 3.

 Filtr λs ma za zadanie wyciąć nierówności o bardzo małej szerokości i bardzo dużej wysokości. Potocznie nazywany jest filtrem drgań, ponieważ zakłada się, że takie nierówności na powierzchni nie istnieją, nie wytworzy ich żaden proces produkcyjny. W szczególnych przypadkach ustawienie odpowiedniego stosunku λc/λs wymaga indywidualnego podejścia. Może się, bowiem zdarzyć, że w niedalekim sąsiedztwie przyrządu znajdować się będzie jakaś maszyna bądź urządzenie powodujące zakłócenia o długości fali większej niż wycinane przez filtr drgań λs. Można wtedy metodą prób i błędów ustalić właściwy stosunek, uważając przy tym, aby nie wyciąć za dużo i nie „poprawić” w ten sposób profilu odwzorowanego. Sama wartość λs jest szerokością największego usuwanego wzniesienia.

Określenie wartości maksymalnej promienia zaokrąglenia końcówki pomiarowej rtip może mieć także dość istotne znaczenie. Wymogiem normy jest, aby do odcinków elementarnych krótszych od 0,8 mm stosować końcówki o promieniu zaokrąglenia wierzchołka wynoszącym 2 μm. Taki sam promień należy przyjmować również dla najczęściej stosowanego w praktyce odcinka elementarnego, czyli 0,8 mm. Dla odcinka elementarnego 2,5 mm przyjmuje się najpopularniejsze końcówki z wierzchołkami 5 μm, a dla odcinka 8 mm – końcówki z promieniami 10 μm. W przypadku pomiarów chropowatości często po pomiarze niezbędne jest poziomowanie profilu pierwotnego, czyli sprowadzenie go do kierunku zgodnego z linią średnią. Rys. 4 przedstawia profil zaobserwowany końcówką bez ślizgacza przed wypoziomowaniem i po wypoziomowaniu.

Tab. 1. Dobór wartości długości odcinka elementarnego dla profili losowych

Ra [μm] Rz [μm] lr [mm]
od do od do
0,006 μm 0,02 μm 0,025 μm 0,1 μm 0,08 mm
0,02 μm 0,1 μm 0,1 μm 0,5 μm 0,25 mm
0,1 μm 2,0 μm 0,5 μm 10 μm 0,8 mm
2,0 μm 10,0 μm 10 μm 50 μm 2,5 mm
10,0 μm 80,0 μm 50 μm 200 μm 8,0 mm

Tab. 2. Dobór wartości długości odcinka elementarnego dla profili periodycznych

RSm [mm] r [mm]
od do
0,013 mm 0,04 mm 0,08 mm
0,04 mm 0,13 mm 0,25 mm
0,13 mm 0,4 mm 0,8 mm
0,4 mm 1,3 mm 2,5 mm
1,3 mm 4,0 mm 8,0 mm

Parametry stanu powierzchni

Aby móc porównywać stan nierówności różnych powierzchni oraz weryfikować osiągnięcie wymagań założonych w stosunku do obrabianego przedmiotu, wprowadzone zostały parametry liczbowo charakteryzujące stan powierzchni. W zależności od typu wyznaczanych parametrów powierzchni są one określane najczęściej albo z niefiltrowanego profilu pierwotnego (P - od ang. primary), z filtrowanego profilu chropowatości (R – od ang. roughness) lub z filtrowanego profilu falistości (W – od ang. waviness).

Zastosowany przy tym sposób obliczania konkretnych parametrów jest taki sam dla wszystkich składowych profilu, a zatem tak samo wyznacza się całą rodzinę parametrów, np. Pt, Wt i Rt, różnicą jest jedynie profil, z którego pochodzą dane. Bardzo ważne jest natomiast zastosowanie właściwej głowicy do odpowiedniego celu: do wyznaczania parametrów typu W i P bezwzględnie należy stosować głowice bez ślizgacza, do wyznaczania parametrów typu R można używać głowicy ze ślizgaczem lub bez. Poza tym trzeba pamiętać, że zwłaszcza przy wyznaczaniu parametrów z profilu P i W, przed przeprowadzeniem obliczeń profil musi zostać wypoziomowany. Niespełnienie tego warunku może spowodować uzyskanie abstrakcyjnie dużych wartości parametrów.

Dziś wyróżnić można łącznie około 300 różnych funkcji i parametrów opisujących profile powierzchni. Zdarza się przy tym, że, przedstawiając konkretny przykład aplikacyjny, tworzy się nowe wyróżniki. Część z nich ma przy tym bardzo ograniczony, a czasem wręcz marginalny zakres stosowania. Z tego powodu wyszczególnienie i opisanie wszystkich występujących parametrów profilu nie wydaje się w tym miejscu celowe. Przedstawię tu tylko kilka najistotniejszych.

Całkowita wysokość profilu

Całkowita wysokość profilu (pierwotnego Pt, falistości Wt, chropowatości Rt) jest sumą wysokości najwyższego wzniesienia i głębokości najniższego wgłębienia w ramach odcinka pomiarowego. Są to jedne z niewielu parametrów liczone na całym odcinku pomiarowym, a nie na odcinku elementarnym.

Parametry te są bardzo wrażliwe na pojedyncze wierzchołki i wgłębienia profilu. Przy wyznaczaniu parametru Pt należy wziąć pod uwagę, że wybrana długość odcinka pomiarowego określa, jaka część długofalowych składników SGP będzie zawarta w wyniku pomiaru. Oznacza to, że im dłuższy jest odcinek pomiarowy, tym Pt może przyjmować większe wartości. Odcinek pomiarowy dla wyznaczenia Pt nie jest bezpośrednio definiowany przez normę i powinien być określony przez konstruktora, który uwzględnia zamierzone przeznaczenie części (preferowane odcinki pomiarowe wynoszą: 0,5 mm, 1,5 mm, 5 mm, 15 mm, 50 mm). Jeśli konstruktor nie poda długości odcinka pomiarowego, przyjmuje się, że wynosi on tyle, ile suma odcinków elementarnych dla chropowatości.

Podobnie przy wyznaczaniu parametru Wt odcinek pomiarowy określa, ile długofalowych nieregularności profilu wchodzi do wyniku pomiaru. Również tutaj, im dłuższy jest odcinek pomiarowy, tym w praktyce większa jest wartość Wt. Zalecane odcinki pomiarowe to: 0,4 mm 1,25 mm, 4 mm, 12,5 mm i 40 mm. Należy się także upewnić, czy odcinek pomiarowy zawiera, co najmniej dwie fale falistości. Parametr Pt jest przydatny na przykład dla powierzchni pasowanych ślizgowych i powierzchni uszczelnienia spoczynkowego. Można go stosować również w przypadkach, gdy powierzchnia mierzona jest tak krótka, że warunki pomiaru zdefiniowane przez normę (odcinek pomiarowy i elementarny), nie mogą być spełnione.

Największa wysokość profilu

Największa wysokość profilu (pierwotnego Pz, falistości Wz, chropowatości Rz) jest to suma wysokości najwyższego wzniesienia profilu Zp i głębokości najniższego wgłębienia profilu Zv wewnątrz odcinka elementarnego. Nazwa tego parametru może być trochę myląca w stosunku do parametrów z indeksem t (np. Rt), nazywanych wysokościami całkowitymi, niemniej oddaje istotę tego, co ten parametr odzwierciedla.

W starszych normach Rz nazywany był wysokością 10-punktową, ponieważ liczony był z pięciu największych wierzchołków i pięciu najgłębszych dolin w ramach odcinka pomiarowego. Obecnie – zakładając 5 odcinków elementarnych – Rz również liczy się z 10 punktów: 5 największych wierzchołków i wgłębień, ale po jednym z każdego odcinka elementarnego. Parametr Rz, jako najczęściej używany z tej rodziny jest traktowany, jako uśredniona miara maksymalnej chropowatości powierzchni, a każde największe pojedyncze wzniesienie czy wgłębienie jest uwzględniane tylko w 20%.

Rz stosowane jest czasami w połączeniu z innymi parametrami nierówności powierzchni, na przykład Wt czy Rp. Stosunek Rp/Rz jest szczególnie interesujący, ponieważ jego wartość daje informację o kształcie profilu. Jeżeli wartość stosunku jest znacznie większa od 0,5, to rozważany profil ma ostre wierzchołki, jeżeli natomiast jest zdecydowanie mniejsza od 0,5, to profil jest zaokrąglony, co wskazuje na powierzchnię o dobrej odporności na ścieranie. Rz jest powszechnie stosowany do powierzchni pod uszczelnienia oraz tam, gdzie występowanie pojedynczych wierzchołków ma znaczenie dla cech funkcjonalnych.

Średnia arytmetyczna rzędnych profilu

Średnia arytmetyczna rzędnych profilu (pierwotnego Pa, falistości Wa, chropowatości Ra) jest to średnia arytmetyczna bezwzględnych wartości rzędnych wewnątrz odcinka elementarnego. Najczęściej stosowany z wymienionych parametrów jest Ra, choć wynika to głównie z przyczyn historycznych (określenie pola powierzchni za pomocą całkowania jest stosunkowo łatwe do realizacji) i naturalnej tendencji człowieka do wiary w wartości średnie. Ra nie zawiera informacji o rodzaju profilu i jego przełożenie na właściwości użytkowe powierzchni jest praktycznie niemożliwe. Poważne zmniejszenie efektu pojedynczych wzniesień profilu jest przyczyną zdarzenia, w którym wartości Ra wyznaczone na różnych przekrojach powierzchni są praktycznie sobie równe, a powierzchnie będą się zachowywać diametralnie inaczej na przykład w kontakcie z innymi powierzchniami. Ra jest natomiast dobrym parametrem dla monitorowania ustabilizowanego procesu technologicznego

Średnia szerokość rowków

Średnia szerokość rowków elementów profilu (pierwotnego PSm, falistości WSm, chropowatości RSm) jest średnią szerokością fal profilu wewnątrz odcinka elementarnego. Fala taka zawsze zawiera zarówno wychylenie w górę, jak i w dół. Jest brana pod uwagę tylko wtedy, gdy pionowa odległość między linią średnią a jej najwyższym wzniesieniem wynosi, co najmniej 10% Rz, a jej długość to, co najmniej 1% długości odcinka elementarnego. RSm jest przydatny do charakteryzowania funkcjonalnego zachowania części.

Podsumowanie

Poza wymienionymi parametrami istnieje jeszcze wiele innych przydatnych przy powierzchniach wykonanych za pomocą konkretnego sposobu obróbki. Są to na przykład parametry z krzywej udziału materiałowego, parametry związane z pochyleniem, z metody motywów albo związane z dominującą długością fali. Warto tutaj przypomnieć i uświadomić sobie znaczenie wielkości mikrometra zwanego popularnie mikronem. To, że jest to jedna milionowa część metra i jedna tysięczna część milimetra, wiedzą wszyscy. Trudniej natomiast uświadomić sobie, co znaczy mikron w porównaniu z bardzo małymi wielkościami z otaczającego nas świata. Na przykład włos ludzki ma średnicę około 50 mikrometrów. A przecież mierząc chropowatość, posługujemy się często dziesiątymi, a nawet setnymi mikrometra.

Treść powyższego artykułu korzysta z ochrony udzielanej przez przepisy ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych (j.t. Dz. U. z 2006 r. Nr 90, poz. 631 ze zm.). Każdy z Klientów zobowiązany jest do poszanowania praw autorskich pod rygorem odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów tej ustawy. Treść artykułu – w całości bądź jakiejkolwiek części – może być wykorzystywana tylko w zakresie dozwolonego użytku osobistego. Wykorzystanie tego artykułu - w całości bądź jakiejkolwiek części - do innych celów a w szczególności - komercyjnych, w tym kopiowanie, publiczne odtwarzanie, lub udostępnianie osobom trzecim w jakikolwiek inny sposób, może następować tylko pod warunkiem uzyskania wyraźnego pisemnego zezwolenia ITA i na warunkach określonych przez ITA. W celu uzyskania zgody na wykorzystanie zawartości Strony, należy skontaktować się z ITA za pośrednictwem formularza kontaktowego dostępnego w zakładce Kontakt. Korzystanie z powyższej treści w celu innym niż do użytku osobistego, a więc do kopiowania, powielania, wykorzystywania w innych publikacjach w całości lub w części bez pisemnej zgody ITA jest zabronione i podlega odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych.

Wydarzenia w ITA

W najbliższym czasie nie planujemy żadnych wydarzeń, ale możesz zapisać się do naszego newslettera, a my poinformujemy Cię o nadchodzących wydarzeniach.

ITA spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Sp. k.
ul. Poznańska 104, Skórzewo,  
60-185 Poznań
fax: +48612225801

Obserwuj nas

created by: montownia.com