Стандарты шероховатости поверхности при обработке на станках с ЧПУ: Ra, Rz и способы их достижения

Что такое шероховатость поверхности?

ссылка

Шероховатость поверхности при обработке на станках с ЧПУ относится к небольшим дефектам на обработанной поверхности, создаваемым в процессе резки. Это жизненно важный показатель, который может повлиять на производительность детали, ее посадку и внешний вид. Измерения приводятся в микрометрах, мкм, а шероховатость поверхности обычно измеряется либо индексами Ra (средняя арифметическая шероховатость), либо Rz (средняя высота от пика до впадины) для соответствия требованиям проектирования.

Основные параметры шероховатости поверхности

При обработке на станках с ЧПУ точная количественная оценка текстуры поверхности важна для производительности детали, срока службы и подгонки во время сборки. Ниже приведены наиболее часто используемые параметры для описания и контроля шероховатости поверхности:

Ra (средняя арифметическая шероховатость)

Ra или среднеарифметическая шероховатость, рассчитывается как среднее значение абсолютного значения отклонений профиля поверхности от средней линии на определенной длине выборки. Математически Ra может быть выражена в непрерывной форме как:

где z(x) — отклонение в точке x, а L — длина выборки. Значение Ra заключается в том, что оно обеспечивает единое числовое значение для общей гладкости поверхности, и его часто выбирают в качестве спецификации для общего контроля качества и эстетических поверхностей во многих отраслях, таких как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение и бытовая электроника.

Rz (средняя максимальная высота)

Rz, или средняя максимальная высота профиля, включает пять самых высоких пиков и пять самых глубоких впадин в длине выборки и рассчитывается путем усреднения высот от пика до впадины этих десяти экстремальных значений:

где П_i выбранные высоты пиков и V_i являются глубинами впадин. Rz обеспечивает более чувствительную меру локализованных дефектов поверхности, что дает явное преимущество для приложений с допусками, где важны плотная посадка и уплотнения (интерфейсы подшипников, уплотнительные поверхности, адгезионные слои и т. д.), поскольку локальные отклонения от среднего значения могут ухудшить функциональность.

Сравнение: Ra против Rz

Ra обеспечивает общее понимание шероховатости поверхности путем усреднения всех отклонений, что дает общую картину качества поверхности в общем индексе (0.1–6.3 мкм), при этом, возможно, скрывая важные большие пики или впадины, которые могут вызывать функциональные проблемы. Rz удаляет концы (10–50 мкм) с высотой от пика до впадины, при этом все еще фиксируя степень нарушения поверхности, которая может повлиять на динамику или герметичные интерфейсы. Недостатком Ra является то, что он обеспечивает общую «среднюю» гладкость, не фиксируя иногда проблемные высокие пики или глубокие впадины; Rz может подчеркнуть выбранные дефекты, но не может представлять общую гладкость. На практике Ra чаще всего используется для комплексного контроля качества и эстетики, тогда как Rz чаще всего используется для функциональных поверхностей, где различия от пика до впадины могут повлиять на функциональные характеристики.

Другие общие индикаторы

Rt (общая шероховатость)

Rt количественно определяет общую высоту профиля шероховатости путем определения максимального пика и максимальной впадины на длине оценки:

Этот параметр является хорошей мерой для обнаружения экстремальных отклонений от плоскостности и даже полезен для обеспечения отсутствия неприемлемых пиков или канавок. Он служит для общего контроля качества в этом отношении.

Rq (среднеквадратическая шероховатость)

Rq, или среднеквадратическая шероховатость, представляет собой квадратный корень из среднего значения квадратов отклонений от средней линии:

Если взять среднее квадратов отклонений (взяв для этого квадрат отклонений), то полученное значение придает больший вес более крупным пикам и впадинам. Использование этого значения наиболее целесообразно при его применении к поверхностям с прецизионными подшипниками, оптическим поверхностям и в ситуациях, когда для достижения целей критически важно не вносить небольшие изменения в поверхность.

Лежать

Настил определяет преобладающее направление рисунка на поверхности, которое обычно зависит от метода, используемого для создания поверхности (то есть токарная обработка, фрезерование, шлифование). Настил не измеряет шероховатость, но настилает преобладающее направление пиков и впадин; настил может влиять на трибологическое поведение поверхности и придает ей плетеный вид.

Стандарты и обозначения шероховатости поверхности

Соблюдение международных стандартов шероховатости поверхности является наиболее важным фактором при обработке на станках с ЧПУ, когда требуются точные результаты отделки и функциональные характеристики. 

Требования к текстуре поверхности определяются в технических чертежах с использованием международного стандарта ISO 1302, который описывает графические символы и обозначения, имеющие четкое значение. Вы можете найти такие элементы, как «R» для обозначения радиальной укладки, «⊥» — перпендикулярной укладки или индикаторы профиля, которые размещаются на схемах деталей для обозначения целевых Ra, Rz или других параметров.

ISO 4287 определяет параметры 2D-профиля: Ra (среднее арифметическое), Rz (средняя высота пяти самых высоких пиков за вычетом средней глубины пяти самых низких впадин) и Rq (среднеквадратичное), все вдоль одной трассы; ISO 25178 идет на шаг дальше, включая полномасштабную 3D-характеристику, а также целый класс параметров и измерений площади поверхности, определяющих полную топографию поверхности. Используя ISO 4287 и ISO 25178, производители могут выбрать лучшую метрику для различных применений, от герметизации интерфейсов на прокладках до сверхточной оптики.

ISO 16610 описывает стандартизированные процедуры фильтрации — стандартные фильтры Гаусса, сплайна или БПФ для отделения коротковолновой шероховатости от длинноволновой волнистости для обеспечения согласованности оценки. При использовании этих фильтров инженеры и лаборатории контроля качества могут напрямую сравнивать данные о поверхности с помощью приборов и методов измерения.

Системы оценки шероховатости

Система DIN ISO 1302, использующая класс "N", предусматривает 12 классов "N" (N1-N12), каждый из которых имеет допустимое максимальное значение Ra. Использование классов "N" обеспечивает последовательность характеристик поверхности в технических чертежах и производстве. Связь между классами N и Ra следующая:

Статистическая связь между Ra и Rz

Хотя между N-классами и Ra существует связь, между N-классами и Rz нет линейной связи, поскольку каждое значение имеет совершенно другой принцип измерения. Ra обеспечивает среднюю шероховатость, в то время как Rz обеспечивает измерение пика до минимума.

Например:

Поверхность с Ra 3.2 мкм (N8) будет иметь значение Rz от 11.5 до 34.7 мкм.

Повышенные значения шероховатости значительно расширяют этот диапазон (например, Ra 50 мкм ≈ ,Rz 156.2 - 272.6 мкм).

Инструменты и диаграммы преобразования

Хотя нет статистической связи Ra с Rz, которая позволила бы точно преобразовать Ra↔Rz, существуют онлайн-инструменты преобразования (например, калькуляторы Rz-Ra), которые предоставляют данные о диапазоне преобразования из эмпирических данных. Эти инструменты:

• Они используются для преобразования Rz в диапазон Ra и присвоения N-классов.
• Подчеркните, что значения (например, Rz ≈ 7×Ra) являются просто эмпирическим правилом и не подходят для инженерных спецификаций.

Для обеспечения необходимой точности используйте параметры, указанные на чертежах, а не преобразуйте их в Ra или Rz.

Методы измерения

Точная характеристика текстуры поверхности при обработке на станках с ЧПУ зависит от ряда методов измерения, частично основанных на размере и/или конкретных материалах. Ключевые методы измерения могут значительно различаться, начиная от традиционно используемой стилусной (контактной) профилометрии до методов на основе зондов, а также оптических методов измерения, каждый из которых имеет свои уникальные преимущества для обеспечения надежного сбора данных для контроля качества и функциональных характеристик.

Контактная профилометрия (методы стилуса)

Контактные профилометры используют стилус с алмазным или сапфировым наконечником, который касается поверхности и физически следует профилю поверхности. Вертикальные смещения стилуса преобразуются в электрические сигналы для расчета двумерной оценки шероховатости профиля поверхности. Типичный радиус кончика стилуса составляет порядка 2–2 мкм, с разрешением вертикального смещения до субнанометровых уровней, что идеально подходит для измерения Ra и Rz и соответствует соответствующим стандартам.

Бесконтактные методы

Бесконтактные методы используют световую или лазерную триангуляцию, конфокальную микроскопию и оптическую интерферометрию для отображения топографии поверхности и не контактируют с деталью. Бесконтактный метод полезен для потенциально поврежденных мягких покрытий. Триангуляционное сканирование изменения высоты выполняется с использованием двух наклонных лазерных лучей, тогда как конфокальная и интерферометрия белого света используют преимущество сопротивления инерционным измерениям посредством пространственной фильтрации и принципов интерференции для достижения вертикального разрешения порядка нанометров.

Атомно-силовая микроскопия (АСМ)

АСМ использует наноразмерный наконечник кантилевера для «ощупывания» поверхности и получения количественных данных в трех измерениях, предлагая 5–10 нм для латерального и субнанометрового разрешения при вертикальном измерении. АСМ, вероятно, очень ценен для оценки шероховатости, перекоса и эксцесса в нанометровом масштабе в академической работе, а также в промышленной работе, где необходимы пространственные разрешения в диапазоне высокоточных вариаций менее 100 нм.

3D-сканирование/топографическое картирование

Продвинутые, новейшие 3D-сканеры и трохоидальные площадные профилометры используют ряд оптических методов, таких как изменение фокуса, сканирование структурированным светом и цифровая голография, для отображения всего комплекса поверхности, позволяя пользователю определять текстурные параметры поверхности по очень сложной геометрии. Инструменты позволяют пользователям собирать высокоплотные 3D-данные за гораздо более короткие интервалы и с требуемой детализацией для оценки топографии и оптимизации производительности процесса.

Достижение целевой шероховатости поверхности при обработке на станках с ЧПУ

Параметры обработки

• Скорость резания и скорость подачи

Референции

Более высокие скорости резания уменьшают наросты на кромке и следы от инструмента, тем самым создавая более гладкие поверхности. Однако ненормальные и слишком быстрые подачи создают более мелкие гребешки, что приводит к увеличению шероховатости поверхности. Часто хорошая отделка поверхности достигается при скоростях выше 50 м/мин с подачами 0.1 мм/об на обработанных поверхностях и представляет собой баланс между скоростью съема материала и качеством поверхности.

• Глубина резания

Выбор небольшой глубины резания (обычно около 1 мм или меньше) уменьшит силы резания и вибрацию, которые приводят к неравномерной отделке поверхности. Глубина резания, указанная производителем инструмента, обычно имеет меньшее влияние относительно скорости подачи, но глубина резания 0.5–1.5 мм приемлема для поддержания стабильности и достижения однородной текстуры поверхности.

Геометрия и состояние инструмента

• Радиус кромки, передний угол и задний угол

Референции

Меньший радиус режущей кромки позволит получить более тонкие поверхности, ограничивая площадь остаточных следов инструмента на поверхности. Передние углы (+/- 5° до +15°) и углы скоса (5°–15°) используют преимущества оптимального потока стружки и силы резания, чтобы минимизировать дефекты в отделке поверхности и минимизировать риск вибрации инструмента.

• Покрытия (TiN, DLC) и износ

Обычные покрытия, такие как TiN и DLC, снижают трение, повышают твердость и задерживают износ задней поверхности, что позволяет сохранять остроту режущих кромок и качество обработки поверхности в течение более длительного срока службы инструмента. Однако силы резания на протяжении всего срока службы инструмента могут создавать микровибрацию по мере прогрессирования износа инструмента, что приводит к ухудшению качества обработки поверхности, и поэтому любой инструмент, способствующий вибрации, следует тщательно контролировать на предмет износа и своевременно менять инструмент.

Постобработка и финишная обработка

• Шлифовка, притирка, хонингование, суперфиниширование

ссылка

Абразивные процессы в конечном итоге могут удалить очень мало материала для получения сверхгладких поверхностей. Шлифование (Ra 0.1 - 1.0 мкм) использует все более тонкие шлифовальные круги, притирка использует шламовые абразивы и абразив для плоскостности, хонингование использует камни для получения однородной поверхности, а суперфиниширование использует сверхтонкие абразивы при низком давлении для достижения значений Ra ≤0.1 мкм.

• Дробеструйная обработка, Электрополировка, Анодирование

Дробеструйная обработка использует стеклянные шарики, запускаемые сжатым воздухом, и обеспечивает равномерное матовое покрытие, подходящее для снятия напряжений. Электрополировка использует электрохимический процесс для сглаживания микропиков и повышения коррозионной стойкости. Анодирование представляет собой предполагаемый контролируемый оксидный слой, который способен существенно заполнить впадины шероховатости поверхности, чтобы не только увеличить долговечность, но и улучшить эстетику поверхности.

Выбор правильной шероховатости для вашего применения

Выбор правильной шероховатости для вашего применения заключается в согласовании качества поверхности с функцией детали, желаемым визуальным впечатлением и ограничениями, касающимися производственных процессов:

1. Функциональные характеристики: Износ, Уплотнение, Смазка

Для деталей, подвергающихся скользящему или катящемуся контакту, как правило, чем глаже профиль (т. е. Ra ≤ 0.8 мкм), тем лучше, чтобы уменьшить трение и износ. А уплотнительные поверхности узла должны иметь правильную глубину впадины (Ra 1.6–3.2 мкм) для захвата смазочных материалов и уплотнения без утечек.

1. Визуальная отделка против невидимых компонентов

Ожидаемые заказчиками готовые компоненты часто предполагают, что они имеют чистовую или высокоглянцевую отделку (Ra ≤ 0.4 мкм) из-за визуального впечатления, в то время как невидимые компоненты могут иметь неизвестный диапазон Ra от 1.6 мкм до 3.2 мкм, что позволяет сократить время цикла и снизить затраты на обработку.

1. Характеристики материала и ограничения геометрии

Например, твердые или абразивные материалы могут потребовать специального инструмента или вторичной суперфинишной обработки для достижения заданной шероховатости за требуемое время, а также минимизации чрезмерного износа инструмента. Кроме того, узкие допуски, узкие радиусы и глубокие карманы могут ограничить любой доступ фрезы, что может потребовать дополнительной работы по изготовлению детали после обработки (например, хонингование или электрополировка) для достижения заданного значения Ra.

Инспекция и контроль качества

Чтобы правильно измерить шероховатость поверхности, вы должны сначала сделать соответствующую репрезентативную выборку, например случайную или систематическую, априори, чтобы убедиться, что вы представляете измерения всей партии. Затем вы отслеживаете данные о чистоте поверхности с помощью инструментов статистического контроля процесса (SPC), таких как X-bar и R chart, которые определяют тенденции и диагностируют, когда вы нарушаете ожидаемую целевую шероховатость. Вы будете измерять возможности процесса, используя индексы Cp и Cpk, на основе значения 1.3,3, что должно означать, что процесс стабилен и способен на предопределенные Ra или Rz. Этот метод пытается минимизировать дефекты, сохраняя при этом хороший уровень качества в процессе обработки с ЧПУ.

Практические примеры

Знание параметров шероховатости поверхности, таких как Ra (средняя шероховатость) и Rz (средняя высота от пика до впадины), имеет важное значение в различных отраслях промышленности, и вот как они помогают обеспечить функциональность и надежность:

Автомобилестроение: Стенки цилиндров

ссылка

Цилиндры двигателя должны иметь сверхгладкую отделку (Ra 0.1–0.4 мкм) для сохранения смазки и ограничения трения. Измерения Rz позволяют инженеру убедиться, что пики неровностей (впадины) достаточно мелкие, чтобы поддерживать масляные пленки, не вызывая контакта металла с металлом, который может привести к износу поверхностей.

Авиакосмическая промышленность: компоненты, критические по усталости

Обычно детали, критические по усталости, такие как фитинги крыла или лопатки турбины, имеют низкие значения Ra или часто < 0.8 мкм, чтобы ограничить микротрещины из-за усталостных напряжений. Rz также измеряет пики и впадины — большие пики/впадины являются близкими родственниками усталостного разрушения, а более низкие значения Ra должны улучшить общую устойчивость к вибрациям, т. е. между ними есть некоторая связь.

Медицина: Имплантаты

ссылка

Ra 0.4-1.6 мкм подходит для титановых имплантатов бедра или колена и обеспечивает адекватную биосовместимость и структурную фиксацию кости. Поверхность имплантата будет обладать некоторой текстурой (контролируемой Rz), что позволит клеткам прикрепляться, в то время как Ra должен обеспечивать меньшее трение на границах имплантата/сустава. Увеличение шероховатости поверхности может вызвать воспаление в окружающих тканях; на противоположном конце спектра слишком гладкие поверхности могут ограничить остеоинтеграцию.

Оптика: Линзы, Зеркала

Линзы требуют Ra <0.1 мкм (зеркальная полировка), чтобы избежать неконтролируемого рассеивания света. Rz гарантирует отсутствие глубоких впадин, достаточно значительных, чтобы повлиять на конечную рефракцию. Линза, которая демонстрирует высокий Rz, при изготовлении будет создавать аберрацию и в конечном итоге приводить к сбоям в системах формирования изображений, таких как камеры и медицинские приборы.

Резюме

Шероховатость поверхности при обработке на станках с ЧПУ обычно количественно определяется с помощью Ra (средняя шероховатость) и Rz (высота от самого высокого пика до самой низкой впадины). Шероховатость поверхности также имеет решающее значение для производительности, эстетики и функциональности детали. Значение Ra дает общую меру гладкости поверхности детали. Значение Rz измеряет выбросы или нежелательные характеристики поверхности, которые могут повлиять на посадку, уплотнение или износ. Например, поверхности стенок автомобильных цилиндров должны иметь Ra 0.1–0.4 мкм для поддержания масляных пленок и предотвращения контакта металла с металлом. Для аэрокосмических компонентов, используемых в критических по усталости приложениях (например, лопатки турбин), требуется Ra <0.8 мкм. Медицинские технологии — еще один сектор, который использует шероховатость поверхности, включая титановые имплантаты. Предполагается, что шероховатость поверхности титановых имплантатов должна иметь значение Ra 0.4–1.6 мкм для балансировки адгезии клеток к титану при низком риске воспаления. Оптическая промышленность — еще одна отрасль, требующая сверхгладких поверхностей со значениями Ra <0.1 мкм для минимизации рассеивания света.

На качество отделки могут влиять скорость резания, скорость подачи, геометрия инструмента и глубина резания. На качество отделки также могут влиять такие постобработки, как шлифование, хонингование и электрополировка. Стандарты шероховатости поверхности, такие как ISO 1302, 4287 и DIN ISO 1302, используются для сообщения о том, как обеспечить шероховатость детали в инженерных чертежах. Шероховатость поверхности сообщается с использованием той же методологии, что и классы "N" в режиме CONTINUUM в инженерных чертежах, чтобы указать общее качество поверхности. Для измерительных приборов существуют контактные и бесконтактные профилометры, оптические сканеры и устройства атомно-силовой микроскопии (AFM), которые разрешают до нанометров. Для контроля качества можно использовать диаграммы статистического контроля процесса (SPC) и индексы Cp и Cpk для мониторинга фактической шероховатости поверхности и обеспечения достижения поверхностями целевых значений. Эти показатели подтверждают уверенность в том, что продукт соответствует критериям надежности и производительности во многих отраслях и видах применения.