Chropowatość nie jest taka straszna... Pomiar nierówności powierzchni

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.

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 (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 (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 (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 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.

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.