CNC apdirbimo paviršiaus šiurkštumo standartai: Ra, Rz ir kaip juos pasiekti

Kas yra paviršiaus šiurkštumas?

nuoroda

CNC apdirbimo paviršiaus šiurkštumas – tai nedideli apdirbto paviršiaus defektai, atsirandantys pjovimo proceso metu. Tai labai svarbus matas, galintis turėti įtakos detalės veikimui, tinkamumui ir išvaizdai. Matavimai pateikiami mikrometrais, µm, o paviršiaus šiurkštumas paprastai matuojamas Ra (vidutinis aritmetinis šiurkštumas) arba Rz (vidutinis iškyšų ir įdubų aukštis) matavimo indeksais, kad būtų įvykdyti projektavimo reikalavimai.

Pagrindiniai paviršiaus šiurkštumo parametrai

CNC apdirbimo procese tikslus paviršiaus tekstūros kiekybinis įvertinimas yra svarbus detalės eksploatacinėms savybėms, tarnavimo laikui ir tinkamumui surinkimo metu. Žemiau pateikiami dažniausiai naudojami parametrai paviršiaus šiurkštumui apibūdinti ir kontroliuoti:

Ra (aritmetinis vidutinis šiurkštumas)

Ra arba vidutinis aritmetinis šiurkštumas apskaičiuojamas kaip paviršiaus profilio nuokrypių nuo vidutinės linijos absoliučios vertės vidurkis per tam tikrą atrankos ilgį. Matematiškai Ra galima išreikšti tolydžiąja forma taip:

kur z(x) yra nuokrypis x vietoje, o L yra atrankos ilgis. Ra vertė yra viena skaitinė vertė bendram paviršiaus lygumui ir dažnai pasirenkama kaip bendros kokybės kontrolės ir estetinių paviršių specifikacija daugelyje pramonės šakų, tokių kaip aviacijos ir kosmoso, automobilių ir plataus vartojimo elektronikos pramonė.

Rz (vidutinis maksimalus aukštis)

Rz, arba vidutinis didžiausias profilio aukštis, apima penkias aukščiausias viršūnes ir penkis giliausius slėnius atrankos ilgyje ir apskaičiuojamas kaip šių dešimties kraštutinių verčių aukščių nuo viršūnės iki slėnio vidurkis:

kur P_i yra pasirinkti smailių aukščiai ir V_i yra slėnio gyliai. Rz leidžia tiksliau matuoti lokalizuotus paviršiaus defektus, o tai suteikia aiškų pranašumą tais atvejais, kai yra tolerancijos, o svarbu, kad būtų tvirti sujungimai ir sandarikliai (guolių sąsajos, sandarinimo paviršiai, sukibimo sluoksniai ir kt.), nes vietiniai nukrypimai nuo vidurkio gali pakenkti funkcijai.

Palyginimas: Ra ir Rz

Ra suteikia bendrą paviršiaus šiurkštumo supratimą, apskaičiuojant visų nuokrypių vidurkį. Tai suteikia bendrą paviršiaus kokybės vaizdą pagal bendrą indeksą (0.1–6.3 µm), tuo pačiu galbūt paslepiant svarbius didelius viršūnes ar įdubimus, kurie gali sukelti funkcinių problemų. Rz pašalina galus (10–50 µm), kurių aukštis yra nuo viršūnės iki įdubimo, tačiau vis tiek fiksuoja paviršiaus trikdžių laipsnį, kuris gali turėti įtakos dinamikai ar sandarioms sąsajoms. Ra trūkumas yra tas, kad jis užtikrina bendrą „vidutinį“ lygumą, neužfiksuodamas kartais problemiškų aukštų viršūnių ar gilių įdubimų; Rz gali paryškinti pasirinktus defektus, bet gali neatspindėti bendro lygumo. Praktiškai Ra dažniausiai naudojamas visapusiškai kokybės kontrolei ir estetikai, o Rz dažniausiai naudojamas funkciniams paviršiams, kur viršūnių ir įdubimų skirtumai gali turėti įtakos funkciniam našumui.

Kiti bendri rodikliai

Rt (bendras šiurkštumas)

Rt apskaičiuoja bendrą šiurkštumo profilio aukštį, nustatydamas didžiausią viršūnę ir didžiausią įdubą per vertinimo ilgį:

Šis parametras yra geras matas dideliems nukrypimams nuo lygumo aptikti ir netgi naudingas siekiant užtikrinti, kad nėra nepriimtinų iškyšų ar griovelių. Šiuo atžvilgiu jis padeda kontroliuoti bendrą kokybę.

Rq (vidutinis kvadratinis nelygumas)

Rq, arba vidutinis kvadratinis šiurkštumas, yra kvadratinė šaknis iš nuokrypių nuo vidutinės linijos kvadratų vidurkio:

Kai imamas nuokrypių kvadratų vidurkis (tam imamas nuokrypių kvadratas), gauta reikšmė suteikia daugiau svorio didesnėms viršūnėms ir įduboms. Ši reikšmė tinkamiausia taikyti tiksliems guolių paviršiams, optiniams paviršiams ir situacijose, kai norint pasiekti tikslus, labai svarbu nedaryti nedidelių paviršiaus pakeitimų.

Paguldykite

Išdėstymas apibrėžia vyraujančią rašto kryptį paviršiuje, kuri paprastai priklauso nuo paviršiaus sukūrimo metodo (pvz., tekinimo, frezavimo, šlifavimo). Išdėstymas nematuoja šiurkštumo, bet nustato dominuojančią viršūnių ir įdubimų kryptį; išdėstymas gali paveikti paviršiaus tribologines savybes ir sustiprinti paviršiaus pintą išvaizdą.

Paviršiaus šiurkštumo standartai ir žymėjimas

Svarbiausia CNC apdirbimo srityje, kai reikalinga tiksli apdaila ir funkcionalumas, yra laikytis tarptautinių paviršiaus šiurkštumo standartų. 

Paviršiaus tekstūros reikalavimai techniniuose brėžiniuose apibrėžiami naudojant tarptautinį standartą ISO 1302, kuriame aprašomi grafiniai simboliai ir žymėjimai, turintys aiškią reikšmę. Detalių schemose galite rasti tokių elementų kaip „R“, žymintys radialinį išdėstymą, „⊥“ statmeną išdėstymą arba profilio indikatorius, kurie nurodo tikslinius Ra, Rz ar kitus parametrus.

ISO 4287 apibrėžia 2D profilio parametrus: Ra (aritmetinis vidurkis), Rz (penkių aukščiausių viršūnių vidutinis aukštis atėmus penkių žemiausių slėnių vidutinį gylį) ir Rq (vidutinė kvadratinė šaknis), visi išilgai vienos kreivės; ISO 25178 žengia dar vieną žingsnį ir apima viso lauko 3D charakteristiką, taip pat visą plotinių paviršiaus parametrų ir matavimų klasę, apibrėžiančią visą paviršiaus topografiją. Naudodami ISO 4287 ir ISO 25178, gamintojai gali pasirinkti geriausią metriką įvairioms reikmėms – nuo ​​sandarinimo sąsajų tarpinėse iki itin tikslios optikos.

ISO 16610 aprašo standartizuotas filtravimo procedūras – standartinius Gauso, spline arba FFT filtrus, skirtus atskirti trumpabangius šiurkštumus nuo ilgesnių bangų bangų, siekiant užtikrinti vertinimo nuoseklumą. Naudodami šiuos filtrus, inžinieriai ir kokybės kontrolės laboratorijos gali tiesiogiai palyginti paviršiaus duomenis, gautus iš prietaisų ir matavimo metodų.

Šiurkštumo klasių sistemos

DIN ISO 1302 sistemoje, kurioje naudojama „N“ klasė, yra 12 „N“ klasių (N1–N12), kurių kiekviena turi leistiną maksimalią Ra vertę. „N“ klasių naudojimas užtikrina paviršiaus specifikacijų nuoseklumą techniniuose brėžiniuose ir gamyboje. N klasių ir Ra santykis yra toks:

Statistinis ryšys tarp Ra ir Rz

Nors yra ryšys tarp N klasių ir Ra, nėra tiesinio ryšio tarp N klasių ir Rz, nes kiekviena vertė matuojama visiškai skirtingai. Ra rodo vidutinį šiurkštumą, o Rz – kraštutinių reikšmių nuo piko iki slėnio matą.

Pavyzdžiui:

Paviršiaus, kurio Ra yra 3.2 µm (N8), Rz vertė būtų nuo 11.5 iki 34.7 µm.

Padidėjusios šiurkštumo vertės žymiai padidina šį diapazoną (pavyzdžiui, Ra 50 µm ≈ ,Rz 156.2–272.6 µm).

Konversijos įrankiai ir diagramos

Nors nėra statistinio Ra ir Rz ryšio, kuris leistų tiksliai konvertuoti Ra↔Rz, yra internetinių konvertavimo įrankių (pvz., Rz-Ra skaičiuotuvų), kurie pateikia konvertavimo intervalo duomenis iš empirinių duomenų. Šie įrankiai:

• Jie naudojami Rz konvertavimui į Ra diapazoną ir N klasių priskyrimui.
• Pabrėžkite, kad vertės (pvz., Rz ≈ 7×Ra) yra tik apytikslė taisyklė ir netinka inžinerinėms specifikacijoms.

Norint pasiekti tinkamą tikslumą, matuokite naudodami brėžiniuose pateiktą parametrą, o ne konvertuokite į Ra arba Rz.

Matavimo metodai

Tikslus paviršiaus tekstūros apibūdinimas CNC apdirbimo metu priklauso nuo įvairių matavimo metodų, iš dalies pagrįstų dydžiu ir (arba) konkrečiomis medžiagomis. Pagrindiniai matavimo metodai gali labai skirtis – nuo ​​įprastai naudojamos kontaktinės profilometrijos iki zondų pagrindu veikiančių metodų, taip pat ir optinių matavimo metodų, kurių kiekvienas turi savo unikalių pranašumų, užtikrinančių patikimą duomenų rinkimą kokybės kontrolei ir funkciniam našumui.

Kontaktinė profilometrija (lietikliais)

Kontaktiniuose profilometruose naudojamas deimanto arba safyro antgaliu dengtas liestukas, kuris liečia paviršių ir fiziškai seka paviršiaus profilį. Vertikalūs liestuko poslinkiai paverčiami elektriniais signalais, kad būtų galima apskaičiuoti 2D paviršiaus profilio šiurkštumo įvertinimą. Įprastas liestuko galiuko spindulys yra 2–10 µm, o vertikaliojo poslinkio skiriamoji geba siekia subnanometrų lygį, o tai idealiai tinka Ra ir Rz matavimui ir atitinka atitinkamus standartus.

Bekontakčiai metodai

Bekontakčiai metodai naudoja šviesos arba lazerio trianguliaciją, konfokalinę mikroskopiją ir optinę interferometriją paviršiaus topografijai kartografuoti ir neliečia detalės. Bekontaktis metodas yra naudingas potencialiai pažeistoms minkštoms apdailoms. Aukščio kitimo trianguliacijos skenavimas atliekamas naudojant du kampuotus lazerio spindulius, o konfokalinė ir baltos šviesos interferometrija pasinaudoja atsparumu inerciniams matavimams, taikant erdvinį filtravimą ir interferencijos principus, kad būtų pasiekta nanometrų eilės vertikali skiriamoji geba.

Atominės jėgos mikroskopija (AFM)

AFM naudoja nanoskalės konsolinę antgalį, kad „pajustų“ paviršių ir generuotų kiekybinius duomenis trimis matmenimis, siūlydamas 5–10 nm horizontalią ir subnanometrinę skiriamąją gebą vertikaliuose matavimuose. AFM greičiausiai yra labai vertingas nanometrų skalės šiurkštumo, asimetrijos ir eksceso vertinimui akademiniame darbe, taip pat pramoniniame darbe, kur reikalinga erdvinė skiriamoji geba, kurios tikslumas mažesnis nei 100 nm.

3D skenavimas / topografinis kartografavimas

Pažangūs, naujo amžiaus 3D skeneriai ir trochoidiniai plotiniai profilometrai naudoja įvairius optinius metodus, tokius kaip fokusavimo variacija, struktūrizuotos šviesos skenavimas ir skaitmeninė holografija, kad būtų galima nubraižyti visą paviršiaus struktūrą ir nustatyti paviršiaus tekstūros parametrus itin sudėtingoje geometrijoje. Šie įrankiai leidžia vartotojams rinkti didelio tankio 3D duomenis daug trumpesniais intervalais ir su reikiamu detalumu topografijos vertinimui ir procesų našumo optimizavimui.

Tikslinio paviršiaus šiurkštumo pasiekimas CNC apdirbime

Apdirbimo parametrai

• Pjovimo greitis ir pastūmos greitis

Nuoroda

Didesnis pjovimo greitis sumažina briaunų ir įrankio žymių susidarymą, todėl paviršiai tampa lygesni. Tačiau nenormalus ir per didelis pastūmos rezultatas yra seklesnis, o tai padidina paviršiaus šiurkštumą. Dažnai geras paviršiaus apdaila gaunama apdirbant paviršius didesniu nei 50 m/min. greičiu ir 0.1 mm/aps. pastūmomis, o tai rodo medžiagos šalinimo greičio ir paviršiaus kokybės pusiausvyrą.

• Pjovimo gylis

Pasirinkus mažą pjovimo gylį (paprastai apie 1 mm ar mažiau), sumažės pjovimo jėgos ir vibracija, dėl kurių paviršius tampa nelygus. Įrankio gamintojo nurodytas pjovimo gylis paprastai turi mažesnę įtaką pastūmos greičiui, tačiau 0.5–1.5 mm pjovimo gylis yra priimtinas norint išlaikyti stabilumą ir pasiekti vienodą paviršiaus tekstūrą.

Įrankio geometrija ir būklė

• Briaunos spindulys, nuolydžio kampas ir reljefo kampas

Nuoroda

Mažesnis pjovimo briaunos spindulys leis gauti smulkesnius paviršius, nes bus sumažintas ant paviršiaus paliekamų įrankio žymių plotas. Nuolydžio kampai (+/- 5° iki +15°) ir išlinkimo kampai (5°–15°) išnaudoja optimalų drožlių srautą ir pjovimo jėgą, kad sumažintų paviršiaus apdailos defektus ir įrankio vibracijos riziką.

• Dangos (TiN, DLC) ir dilimas

Įprastos dangos, tokios kaip TiN ir DLC, sumažina trintį, padidina kietumą ir sulėtina briaunų dilimą, todėl įrankio eksploatavimo metu pjovimo briaunos tampa pagaląstos, o paviršiaus apdirbimo kokybė išliks ilgesnį laiką. Tačiau pjovimo jėgos, veikiančios per visą įrankio eksploatavimo laiką, gali sukelti mikro vibraciją, dėl kurios įrankis dilsta ir blogėja paviršiaus apdirbimas, todėl bet kokį įrankį, kuris skatina vibraciją, reikia atidžiai stebėti dėl dilimo ir laiku keisti įrankius.

Postapdorojimas ir apdaila

• Šlifavimas, pritrynimas, galandimas, superapdaila

nuoroda

Abrazyviniai procesai galiausiai gali pašalinti labai mažai medžiagos, kad būtų gauti itin lygūs paviršiai. Šlifuojant (Ra 0.1–1.0 µm) naudojami vis smulkesni šlifavimo diskai, poliruojant – srutos abrazyvai ir abrazyvai lygumui užtikrinti, honinguojant – akmenys, kad būtų sukurtas vienodas paviršius, o superapdailai – itin smulkūs abrazyvai esant žemam slėgiui, kad būtų pasiektos Ra vertės ≤0.1 µm.

• Sraigtinis valymas, elektropoliravimas, anodavimas

Srautiniu valymu naudojami suslėgtu oru paleidžiami stiklo karoliukai, kurie sukuria vientisą matinį paviršių, tinkamą įtempių mažinimui. Elektropoliravimo metu naudojamas elektrocheminis procesas, skirtas mikroįduboms išlyginti ir atsparumui korozijai padidinti. Anodavimas – tai kontroliuojamas oksido sluoksnis, kuris gali iš esmės užpildyti paviršiaus nelygumus, taip ne tik padidindamas patvarumą, bet ir pagerindamas paviršiaus estetiką.

Tinkamo šiurkštumo pasirinkimas jūsų pritaikymui

Tinkamo šiurkštumo pasirinkimas jūsų pritaikymui priklauso nuo paviršiaus apdailos atitikimo detalės funkcijai, norimam vizualiniam įspūdžiui ir gamybos procesų apribojimams:

1. Funkcinės charakteristikos: dilimas, sandarinimas, tepimas

Slystančioms arba riedamoms dalims paprastai geriau, kuo lygesnis profilis (t. y. Ra ≤ 0.8 µm), kad sumažėtų trintis ir dilimas. Be to, mazgo sandarinimo paviršiai turi turėti tinkamą įdubos gylį (Ra 1.6–3.2 µm), kad sugertų tepalus ir užsandarintų be nuotėkio.

1. Vizuali apdaila ir nematomi komponentai

Klientai dažnai daro prielaidą, kad galutiniai komponentai yra pagaminti iki smulkaus arba blizgaus paviršiaus (Ra ≤ 0.4 µm) dėl vizualinio įspūdžio, o nematomų komponentų Ra gali būti nežinomas diapazonas nuo 1.6 µm iki 3.2 µm, todėl sutrumpėja ciklo laikas ir sumažėja apdirbimo išlaidos.

1. Medžiagų charakteristikos ir geometrijos apribojimai

Pavyzdžiui, kietoms arba abrazyvinėms medžiagoms gali prireikti specialių įrankių arba antrinio superapdailinimo, kad būtų pasiektas nurodytas tikslinis šiurkštumas per reikiamą laiką ir kartu sumažintas per didelis įrankių nusidėvėjimas. Be to, mažas tolerancijos dydis, maži spinduliai ir gilios kišenės gali apriboti bet kokią pjaustytuvo prieigą, todėl gali prireikti papildomo darbo po detalės gamybos (pvz., šlifavimo arba elektropoliravimo), kad būtų pasiekta nurodyta Ra vertė.

Patikra ir kokybės kontrolė

Norint tinkamai išmatuoti paviršiaus šiurkštumą, pirmiausia reikia atlikti tinkamą reprezentatyvią atranką, pavyzdžiui, atsitiktinę arba sistemingą, a priori, kad įsitikintumėte, jog reprezentuojate visos partijos matavimus. Tada paviršiaus apdailos duomenis stebite naudodami statistinės procesų kontrolės (SPC) įrankius, tokius kaip X-bar ir R diagrama, kurie nustato tendencijas ir diagnozuoja, kada viršijate numatytą tikslinį šiurkštumą. Proceso pajėgumus vertinsite naudodami Cp ir Cpk indeksus, pagrįstus 1.3,3 verte, kuri turėtų reikšti, kad procesas yra stabilus ir gali pasiekti iš anksto nustatytą Ra arba Rz. Šis metodas siekia sumažinti defektus, išlaikant gerą CNC apdirbimo proceso kokybės lygį.

Praktiniai pavyzdžiai

Žinoti paviršiaus šiurkštumo parametrus, tokius kaip Ra (vidutinis šiurkštumas) ir Rz (vidutinis aukščio skirtumas nuo viršūnės iki įdubos), yra labai svarbu įvairiose pramonės šakose, ir štai kaip jie padeda užtikrinti veikimą ir patikimumą:

Automobiliai: Cilindrų sienelės

nuoroda

Variklio cilindrų paviršiai turi būti itin lygūs (Ra 0.1–0.4 µm), kad būtų išlaikytas tepimas ir apribota trintis. Rz matavimai leidžia inžinieriui užtikrinti, kad nelygumų (slėnių) viršūnės būtų pakankamai negilios, kad būtų išlaikytos alyvos plėvelės ir nesukeltų metalų sąlyčio, dėl kurio paviršiai susidėvėtų.

Aviacija ir kosmosas: nuovargio požiūriu kritiniai komponentai

Paprastai nuovargio požiūriu kritinių dalių, tokių kaip sparnų jungiamosios detalės ar turbinų mentės, Ra vertės yra mažos arba dažnai mažesnės nei 0.8 µm, siekiant apriboti mikroįtrūkimus dėl nuovargio įtempių. Rz taip pat matuoja viršūnes ir įdubimus – didelės viršūnės/įdubimai yra nuovargio gedimo pusbroliai, o mažesnės Ra vertės turėtų pagerinti bendrą patvarumą vibracijoms, t. y. jos turi tam tikrą ryšį.

Medicina: implantai

nuoroda

0.4–1.6 µm Ra vertė tinka titano klubo ar kelio implantams ir užtikrina tinkamą biologinį suderinamumą bei struktūrinę kaulo fiksaciją. Implanto paviršius pasižymės tam tikra tekstūra (kurią kontroliuoja Rz), kuri leis ląstelėms prisitvirtinti, o Ra vertė turėtų užtikrinti mažesnę trintį implanto ir sąnario sąsajose. Padidėjęs paviršiaus šiurkštumas gali sukelti aplinkinių audinių uždegimą; priešingoje spektro pusėje, pernelyg lygūs paviršiai gali apriboti osteointegraciją.

Optika: lęšiai, veidrodžiai

Lęšiams reikalingas Ra <0.1 µm (veidrodinis paviršius), kad būtų išvengta nekontroliuojamo šviesos sklaidos. Rz užtikrina, kad nėra gilių įdubimų, kurie galėtų paveikti galinę refrakciją. Lęšis, kurio Rz vertė didelė, pagaminimo metu sukels aberaciją ir galiausiai gedimus vaizdo gavimo sistemose, tokiose kaip fotoaparatai ir medicinos prietaisai.

Santrauka

CNC apdirbimo paviršiaus šiurkštumas paprastai matuojamas Ra (vidutinis šiurkštumas) ir Rz (aukštis nuo aukščiausio taško iki žemiausio įdubimo). Paviršiaus šiurkštumas taip pat yra labai svarbus detalės eksploatacinėms savybėms, estetikai ir funkcionalumui. Ra vertė rodo bendrą detalės paviršiaus lygumo matą. Rz vertė matuoja paviršiaus išskirtines vertes arba nepageidaujamas savybes, kurios gali turėti įtakos tinkamumui, sandarumui ar nusidėvėjimui. Pavyzdžiui, automobilių cilindrų sienelių paviršiai turi turėti 0.1–0.4 µm Ra, kad būtų išlaikytos alyvos plėvelės ir išvengta metalo sąlyčio su metalu. Aviacijos ir kosmoso komponentams, naudojamiems nuovargio požiūriu kritinėse srityse (pvz., turbinų mentėse), Ra reikalavimas yra <0.8 µm. Medicinos technologijos yra dar vienas sektorius, kuriame naudojamas paviršiaus šiurkštumas, įskaitant titano implantus. Siūloma, kad titano implantų paviršiaus šiurkštumo Ra vertė būtų 0.4–1.6 µm, siekiant subalansuoti ląstelių sukibimą su titanu ir kartu sumažinti uždegimo riziką. Optikos pramonė yra dar viena pramonės šaka, kuriai reikalingi itin lygūs paviršiai, kurių Ra vertės yra <0.1 µm, kad būtų sumažintas šviesos sklaidos lygis.

Apdailai gali turėti įtakos pjovimo greitis, pastūma, įrankio geometrija ir pjovimo gylis. Apdailai taip pat gali turėti įtakos poapdorojimas, pvz., šlifavimas, honingavimas ir elektropoliravimas. Paviršiaus šiurkštumo standartai, tokie kaip ISO 1302, 4287 ir DIN ISO 1302, yra naudojami siekiant nurodyti, kaip suteikti detalei šiurkštumą inžineriniuose brėžiniuose. Paviršiaus šiurkštumas nurodomas naudojant tą pačią metodiką kaip ir „N“ klasės CONTINUUM būdu inžineriniuose brėžiniuose, siekiant nurodyti bendrą paviršiaus kokybę. Matavimo prietaisams yra kontaktiniai ir bekontakčiai profilometrai, optiniai skaitytuvai ir atominės jėgos mikroskopijos (AFM) įrenginiai, kurie išskiria nanometrų tikslumu. Kokybės kontrolei galima naudoti statistinės procesų kontrolės (SPC) diagramas ir indeksus Cp ir Cpk, kad būtų galima stebėti faktinį paviršiaus šiurkštumą ir užtikrinti, kad paviršiai pasiektų tikslines vertes. Šie rodikliai patvirtina, kad produktas atitinka patikimumo ir našumo kriterijus daugelyje pramonės šakų ir įvairiose srityse.