Pinnankarheus on materiaalin erityinen parametri. Tämä nimi on usein lyhennetty vain karheudeksi ja se on osa pintarakennetta. Se määräytyy kvantitatiivisesti todellisen pintavektorin suunnan poikkeamien perusteella sen ideaalisesta muodosta. Jos nämä poikkeamat ovat suuria, pinta on karkea; jos ne ovat pieniä, pinta on sileä. Pintametrologiassa karheutta pidetään yleensä mitattavan pinnan korkeataajuisena lyhyen aallonpituuden komponenttina. Käytännössä on kuitenkin usein tarpeen tietää sekä amplitudi että taajuus, jotta voidaan varmistaa, että pinta sopii tiettyyn tarkoitukseen. Pinnan karheus on erittäin tärkeä suunnitteluparametri.
Rooli ja merkitys
Karkeudella on tärkeä rooli määritettäessä, kuinka todellinen esine on vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa. TribologiassaKarkeat pinnat kuluvat yleensä nopeammin ja niiden kitkakertoimet ovat korkeammat kuin sileät pinnat. Karheus on usein hyvä ennustaja mekaanisen komponentin suorituskyvylle, koska pinnan epätasaisuudet voivat muodostaa ytimen muodostumiskohtia halkeamia tai korroosiota varten. Toisa alta karheus voi edistää tarttumista. Yleisesti ottaen mittakaavakuvaajien sijasta poikkimittakaavaiset kuvaajat, kuten pintafraktiteetti, antavat merkityksellisempiä ennusteita pintojen mekaanisista vuorovaikutuksista, mukaan lukien kosketuksen jäykkyys ja staattinen kitka. Pinnan karheus on melko monimutkainen parametri, jonka yksityiskohdat löytyvät alta.
Korkeat ja matalat arvot
Vaikka suuri karheusarvo ei ole usein toivottavaa, sen hallinta voi olla vaikeaa ja kallista valmistuksen aikana. Esimerkiksi FDM-osien pinnan karheuden kontrollointi on vaikeaa ja kallista. Näiden hintojen alentaminen nostaa yleensä valmistuskustannuksia. Tämä johtaa usein kompromissiin komponentin tuotantokustannusten ja sen käyttötehokkuuden välillä.
Mittausmenetelmät
Indeksi voidaan mitata manuaalisella vertailulla "karheusvertailijalla" (näyte tunnetusta pinnan karheudesta), mutta yleisemmin pintaprofiilin mittaus tehdään profilometreillä. Ne voivat olla kontaktityyppisiä (yleensä timanttikynä) tai optisia (esim.valkoisen valon interferometri tai laserpyyhkäisykonfokaalimikroskooppi).
Hallittu karheus voi kuitenkin usein olla toivottavaa. Esimerkiksi kiiltävä pinta voi olla liian kiiltävä silmille ja liian liukas sormelle (hyvä esimerkki on kosketuslevy), joten hallittua suorituskykyä tarvitaan. Pinnan karheus on silloin, kun amplitudi ja taajuus ovat erittäin tärkeitä.
Sen arvo voidaan laskea joko profiilista (viivasta) tai pinnasta (pinta-alasta). Profiilin karheusparametri (Ra, Rq, …) on yleisempi. Alueen karheusparametrit (Sa, Sq, …) antavat merkityksellisempiä määritelmiä.
Parametrit
Jokainen karheusparametri lasketaan pinnan kuvauskaavalla. Vakioviitteet, jotka kuvaavat niitä yksityiskohtaisesti, ovat pinnat ja niiden mitat. Pinnan karheus on ominaisuus.
Profiilin karheusparametrit sisältyvät brittiläiseen (ja maailmanlaajuiseen) standardiin BS EN ISO 4287: 2000, joka on identtinen ISO 4287: 1997:n kanssa. Standardi perustuu ″M″ (Midline) -järjestelmään.
On olemassa monia erilaisia karheusparametreja, mutta edellä mainitut ovat yleisimpiä, vaikka standardointi tapahtuu usein historiallisista syistä eikä ansioista. Pinnan karheus on kokoelma epäsäännöllisyyksiä.
Joitakin parametreja käytetään vain tietyillä toimialoilla tai tietyissä maissa. Esimerkiksi MOTIF-parametreja käytetään pääasiassa Ranskan autoteollisuudessa. MOTIF-menetelmätarjoaa graafisen arvion pintaprofiilista suodattamatta pois a altoilua karheudesta. MOTIF koostuu kahden piikin välisestä profiilin osasta, ja lopulliset yhdistelmät eliminoivat "pienet" piikit ja säilyttävät "merkittävät". Pinnan karheus piirustuksessa on siihen painettua ja huolellisesti mitattua kolhua.
Koska nämä parametrit vähentävät kaikki profiilitiedot yhdeksi numeroksi, on oltava varovainen niitä sovellettaessa ja tulkittaessa. Pienet muutokset raakaprofiilitietojen suodatuksessa, keskiviivan laskennassa ja mittauksen fysiikassa voivat vaikuttaa suuresti laskettuun parametriin. Nykyaikaisissa digitaalisissa laitteissa skannaukset voidaan arvioida sen varmistamiseksi, ettei niissä ole ilmeisiä virheitä, jotka vääristävät arvoja.
Parametrien ja mittausten ominaisuudet
Koska monille käyttäjille ei välttämättä ole selvää, mitä kukin mittaus todellisuudessa tarkoittaa, mallinnustyökalun avulla käyttäjä voi säätää keskeisiä parametreja, jolloin pinnat, jotka eroavat selvästi ihmissilmistä, eroavat toisistaan mittauksissa. Jotkin parametrit eivät esimerkiksi pysty erottamaan kahta pintaa, joista toinen koostuu huipuista ja toinen saman amplitudin kouruista.
Sopimuksen mukaan jokainen 2D-karheusparametri on iso R-kirjain, jota seuraa lisämerkkejä alaindeksissä. Alaindeksi määrittää käytetyn kaavan jaR tarkoittaa, että kaavaa on sovellettu 2D-karheusprofiiliin.
Eri kirjainkoko tarkoittaa, että kaavaa on sovellettu eri profiiliin. Esimerkiksi Ra on karheusprofiilin aritmeettinen keskiarvo, Pa on suodattamattoman raakaprofiilin aritmeettinen keskiarvo ja Sa on 3D-karheuden aritmeettinen keskiarvo.
Amplitudiasetukset
Amplitudiparametrit kuvaavat pintaa karheusprofiilin pystypoikkeamien perusteella keskiviivasta. Esimerkiksi suodatetun karkeusprofiilin aritmeettinen keskiarvo, joka määritetään poikkeamista keskiviivasta arviointipituuden sisällä, voidaan yhdistää tälle karheudelle kerättyjen pisteiden alueeseen. Tätä arvoa käytetään usein viitteenä pinnan karheuteen.
Aritmeettinen keskikarheus on yleisimmin käytetty yksiulotteinen parametri.
Tutkimus ja havainnointi
Matemaatiko Benoit Mandelbrot huomautti pinnan karheuden ja fraktaalimitan välisen suhteen. Fraktaalin esittämä kuvaus mikrokarheuden tasolla voi mahdollistaa materiaalin ominaisuuksien ja lastunmuodostuksen tyypin säätelyn. Mutta fraktaalit eivät voi tarjota täysimittaista esitystä tyypillisestä koneistetusta pinnasta, johon työkalun syöttöjäljet vaikuttavat, vaan ne jättävät huomioimatta leikkuureunan geometrian.
Hieman lisää mittauksesta
Pinnankarheusparametrit on määritelty ISO 25178 -sarjassa.arvot: Sa, Sq, Sz… Monet optiset mittauslaitteet pystyvät mittaamaan pinnan karheutta alueittain. Pinta-alamittaukset ovat mahdollisia myös kosketinjärjestelmillä. Kohdealueelta otetaan useita, lähekkäin olevia 2D-skannauksia. Sitten ne ommellaan digitaalisesti yhteen sopivalla ohjelmistolla, jolloin saadaan 3D-kuva ja vastaavat karheusparametrit.
Maanpinta
Maanpinnan karheus (SSR) viittaa maanpinnan mikro- ja makrotopografiassa esiintyviin pystysuuntaisiin muutoksiin sekä niiden stokastiseen jakautumiseen. On neljä erilaista SSR-luokkaa, joista jokainen edustaa ominaista pystysuuntaista pituusasteikkoa:
- ensimmäinen luokka sisältää muutokset mikroreljeefissä yksittäisistä maaperän rakeista 0,053–2,0 mm:n suuruisiin kiviaineksiin;
- toinen luokka koostuu 2–100 mm:n vaihteluista maaperän paakkuja;
- kolmas maaperän pinnan karheusluokka on maanmuokkauksesta johtuvat systemaattiset korkeuden muutokset, joita kutsutaan suuntautuneeksi karheudeksi (OS) ja jotka vaihtelevat 100-300 mm;
- neljäs luokka sisältää tasomaista kaarevuutta tai makromittakaavaisia topografisia piirteitä.
Kaksi ensimmäistä luokkaa selittävät niin sanotun mikrokarheuden, jonka on osoitettu vaikuttavan suuresti tapahtumaan ja vuodenaikojen mittakaavaan riippuen sateesta ja maanmuoksusta, vastaavasti. Mikrokarheus määritetään useimmitenkvantifioitu satunnaisella karheudella, joka on olennaisesti kerroksen pinnan korkeustietojen standardipoikkeama keskikorkeuden ympärillä k altevuuden korjauksen jälkeen, käyttämällä parhaiten sopivaa tasoa ja poistamalla maanmuokkausvaikutukset yksittäisissä korkeuslukemissa. Altistuminen sateelle voi johtaa mikrokarheuden heikkenemiseen tai lisääntymiseen alkuolosuhteista ja maaperän ominaisuuksista riippuen.
Epätasaisilla maapinnoilla sadesuihkun irtoamisvaikutus pyrkii tasoittamaan maanpinnan epätasaisuuden reunoja, mikä johtaa RR:n yleiseen laskuun. Äskettäinen tutkimus, jossa tarkasteltiin tasaisten maapintojen vastetta sateeseen, osoitti kuitenkin, että RR voi kasvaa merkittävästi pienillä alkuperäisillä mikrokarheusasteikoilla, jotka ovat luokkaa 0-5 mm. On myös osoitettu, että nousu tai lasku on johdonmukaista eri SSR-pisteiden välillä.
Mekaniikka
Pintarakenteella on keskeinen rooli kosketusmekaniikan ohjauksessa, eli mekaanisessa käyttäytymisessä, joka ilmenee kahden kiinteän esineen rajapinnassa, kun ne lähestyvät toisiaan ja siirtyvät kosketuksettomasta kosketukseen. Erityisesti normaalin kosketusjäykkyyden määräävät pääasiassa karheusrakenteet (pinnan k altevuus ja fraktaalisuus) ja materiaalin ominaisuudet.
Teknisen pinnan näkökulmasta karheutta pidetään haitallisena osan suorituskyvylle. Tämän seurauksena useimmat tuotantotulosteet asettavat ylärajankarheus, mutta ei pohja. Poikkeuksena ovat sylinterin reiät, joissa öljy pysyy pintaprofiilissa ja vaaditaan vähimmäispinnan karheutta (Rz).
Rakenne ja fraktaliteetti
Pinnan rakenne liittyy usein läheisesti sen kitkaa ja kulutusta kestäviin ominaisuuksiin. Pinnalla, jolla on suurempi fraktaalimitta, suuri arvo tai positiivinen arvo, on yleensä hieman suurempi kitka ja se kuluu nopeasti. Karheusprofiilin huiput eivät aina ole kosketuspisteitä. Myös muoto ja a altoilu (eli sekä amplitudi että taajuus) on otettava huomioon, varsinkin kun käsitellään pinnan karheutta.
