Стандарти шорсткості поверхні при обробці на верстатах з ЧПК: Ra, Rz та як їх досягти

Що таке шорсткість поверхні?

посилання

Шорсткість поверхні при обробці на верстатах з ЧПК стосується невеликих дефектів на обробленій поверхні, що виникають під час процесу різання. Це життєво важливий показник, який може вплинути на продуктивність, посадку та зовнішній вигляд деталі. Вимірювання надаються в мікрометрах, мкм, а шорсткість поверхні зазвичай вимірюється за допомогою індексів вимірювання Ra (середня арифметична шорсткість) або Rz (середня висота від піку до западини) для відповідності вимогам проектування.

Ключові параметри шорсткості поверхні

У обробці на верстатах з ЧПК точне кількісне визначення текстури поверхні важливе для продуктивності, терміну служби та прилягання деталі під час складання. Нижче наведено найпоширеніші параметри для опису та контролю шорсткості поверхні:

Ra (середнє арифметичне шорсткість)

Ra, або середня арифметична шорсткість, розраховується як середнє значення абсолютного значення відхилень профілю поверхні від середньої лінії на певній довжині вибірки. Математично Ra можна виразити в неперервній формі як:

де z(x) – це відхилення в точці x, а L – довжина вибірки. Значення Ra полягає в тому, що воно забезпечує єдине числове значення для загальної гладкості поверхні, і його часто обирають як специфікацію для загального контролю якості та естетики поверхонь у багатьох галузях промисловості, таких як аерокосмічна, автомобільна та побутова електроніка.

Rz (середня максимальна висота)

Rz, або середня максимальна висота профілю, включає п'ять найвищих піків і п'ять найглибших западин на довжині вибірки та розраховується шляхом усереднення висот від піку до западини цих десяти екстремальних значень:

де Р_i – вибрані висоти піків, а V_i – глибини западин. Rz забезпечує більш чутливу міру локалізованих дефектів поверхні, що забезпечує явну перевагу для застосувань з допусками, де важливі щільні прилягання та ущільнення (місця розташування підшипників, поверхні ущільнення, адгезійні шари тощо), оскільки локальні відхилення від середнього значення можуть погіршити функціональність.

Порівняння: Ra проти Rz

Ra забезпечує загальне розуміння шорсткості поверхні шляхом усереднення всіх відхилень, що дає загальну картину якості поверхні в загальному індексі (0.1-6.3 мкм), можливо, приховуючи важливі великі піки або западини, які можуть створювати функціональні проблеми. Rz видаляє кінці (10-50 мкм) з висотою від піку до западини, водночас фіксуючи певний ступінь порушення поверхні, який може вплинути на динаміку або герметичність інтерфейсів. Недоліком Ra є те, що він забезпечує загальну «середню» гладкість, не фіксуючи іноді проблематичних високих піків або глибоких западин; Rz може підкреслити окремі дефекти, але може не відображати загальну гладкість. На практиці Ra найчастіше використовується для загального контролю якості та естетики, тоді як Rz найчастіше використовується для функціональних поверхонь, де відмінності від піку до западини можуть вплинути на функціональні характеристики.

Інші поширені показники

Rt (загальна шорсткість)

Rt кількісно визначає загальну висоту профілю шорсткості, визначаючи розташування максимального піку та максимальної западини на довжині оцінки:

Цей параметр є гарним показником для виявлення екстремальних відхилень від площинності та навіть корисний для забезпечення відсутності неприйнятних піків або канавок. У цьому відношенні він служить для загального контролю якості.

Rq (середньоквадратична шорсткість)

Rq, або середньоквадратична шорсткість, – це квадратний корінь із середнього значення квадратів відхилень від середньої лінії:

Коли береться середнє значення квадратів відхилень (для цього береться квадрат відхилень), отримане значення надає більшої ваги більшим пікам і западинам. Використання цього значення найбільш доречне для застосування до поверхонь з точними підшипниками, оптичних поверхонь та в ситуаціях, коли не внесення незначних змін до поверхні є критично важливим для досягнення цілей.

Lay

Напрямок шарування визначає переважний напрямок візерунка на поверхні, який зазвичай залежить від методу, що використовується для створення поверхні (тобто точіння, фрезерування, шліфування). Напрямок шарування не вимірює шорсткість, а вказує на переважний напрямок вершин і западин; шарування може впливати на трибологічну поведінку поверхні та додавати їй плетеного вигляду.

Стандарти та позначення шорсткості поверхні

Дотримання міжнародних стандартів шорсткості поверхні є найважливішим у обробці на верстатах з ЧПК, коли вам потрібна точна обробка та функціональні характеристики. 

Вимоги до текстури поверхні визначаються в технічних кресленнях з використанням міжнародного стандарту ISO 1302, який описує графічні символи та позначення, що мають чітке значення. Ви можете знайти такі елементи, як "R" для позначення радіального нахилу, "⊥" для перпендикулярного нахилу або індикатори профілю, які розміщуються на схемах деталей для позначення цільових Ra, Rz або інших параметрів.

Стандарт ISO 4287 визначає параметри 2D-профілю: Ra (середнє арифметичне), Rz (середня висота п'яти найвищих піків мінус середня глибина п'яти найнижчих западин) та Rq (середньоквадратичне) вздовж однієї траєкторії; стандарт ISO 25178 йде ще далі, включаючи повнопольову 3D-характеристику, а також цілий клас площинних параметрів поверхні та вимірювань, що визначають повну топографію поверхні. Використовуючи ISO 4287 та ISO 25178, виробники можуть вибирати найкращу метрику для різних застосувань, від герметизуючих інтерфейсів на прокладках до надточної оптики.

Стандарт ISO 16610 описує стандартизовані процедури фільтрації — стандартні гаусівські, сплайнові або FFT-фільтри, які дозволяють відокремити шорсткість короткохвильового діапазону від хвилястості довгохвильового діапазону для забезпечення узгодженості оцінки. Використовуючи ці фільтри, інженери та лабораторії контролю якості можуть безпосередньо порівнювати дані про поверхню з приладів та методів вимірювання.

Системи оцінки шорсткості

Система DIN ISO 1302, яка використовує клас міцності "N", передбачає 12 класів міцності "N" (N1-N12), кожен з яких має допустиме максимальне значення Ra. Використання класів міцності "N" забезпечує узгодженість специфікацій поверхні в технічних кресленнях та виробництві. Зв'язок між класами міцності N та Ra такий:

Статистичний зв'язок між Ra та Rz

Хоча існує зв'язок між N-класами та Ra, лінійного зв'язку між N-класами та Rz немає, оскільки кожне значення має зовсім інший принцип вимірювання. Ra забезпечує середню шорсткість, тоді як Rz забезпечує міру від піку до западини екстремумів.

Наприклад:

Поверхня з Ra 3.2 мкм (N8) матиме значення Rz між 11.5 - 34.7 мкм.

Збільшення значень шорсткості значно збільшує цей діапазон (наприклад, Ra 50 мкм ≈ ,Rz 156.2 - 272.6 мкм).

Інструменти та діаграми перетворення

Хоча статистичного зв'язку між Ra та Rz, який би дозволив точне перетворення Ra↔Rz, не існує, існують онлайн-інструменти для перетворення (такі як калькулятори Rz-Ra), які надають дані про діапазон перетворення на основі емпіричних даних. Ці інструменти:

• Вони використовуються для перетворення Rz у діапазон Ra та призначення N-градусів.
• Підкресліть, що значення (наприклад, Rz ≈ 7×Ra) є просто емпіричним правилом і не підходять для інженерних специфікацій.

Для належної точності вимірюйте за параметром на кресленнях, а не перетворюйте його на Ra або Rz.

Методи вимірювання

Точна характеристика текстури поверхні при обробці на верстатах з ЧПК залежить від низки методів вимірювання, частково залежно від розміру та/або конкретних матеріалів. Основні методи вимірювання можуть значно відрізнятися, починаючи від звичайно використовуваної стилусної (контактної) профілометрії до методів на основі зондів, а також оптичних методів вимірювання, кожен з яких має свої унікальні переваги для забезпечення надійного збору даних для контролю якості та функціональних характеристик.

Контактна профілометрія (методи стилусу)

Контактні профілометри використовують стилус з алмазним або сапфіровим наконечником, який торкається поверхні та фізично повторює її профіль. Вертикальні переміщення стилуса перетворюються на електричні сигнали для обчислення двовимірної оцінки шорсткості профілю поверхні. Типовий радіус наконечника стилуса становить від 2 до 2 мкм, з роздільною здатністю вертикального переміщення до субнанометрового рівня, що ідеально підходить для вимірювання Ra та Rz і відповідає відповідним стандартам.

Безконтактні методи

Безконтактні методи використовують світлову або лазерну тріангуляцію, конфокальну мікроскопію та оптичну інтерферометрію для картографування топографії поверхні та не контактують з деталлю. Безконтактний метод корисний для потенційно пошкоджених м'яких покриттів. Тріангуляційне сканування зміни висоти виконується за допомогою двох кутових лазерних променів, тоді як конфокальна та інтерферометрія з білим світлом використовують стійкість до інерційних вимірювань завдяки просторовій фільтрації та принципам інтерференції, щоб досягти вертикальної роздільної здатності порядку нанометрів.

Атомно-силова мікроскопія (АСМ)

АСМ використовує нанорозмірний консольний наконечник для "відчуття" поверхні та генерації кількісних даних у трьох вимірах, пропонуючи роздільну здатність 5–10 нм для поперечного та субнанометрового рівня при вертикальному вимірюванні. АСМ, ймовірно, дуже цінний для оцінки шорсткості, асиметрії та ексцесу в нанометровому масштабі в академічній роботі, а також у промисловій роботі, де необхідна просторова роздільна здатність у діапазоні високоточних варіацій менше 100 нм.

3D-сканування/топографічне картографування

Удосконалені 3D-сканери нового покоління та трохоїдальні ареальні профілометри використовують різноманітні оптичні методи, такі як варіація фокуса, сканування структурованим світлом та цифрова голографія, для картографування всієї структури поверхні, що дозволяє користувачеві визначати текстурні параметри поверхні в межах дуже складної геометрії. Ці інструменти дозволяють користувачам збирати 3D-дані високої щільності за набагато коротші інтервали та з необхідною деталізацією для оцінки топографії та оптимізації продуктивності процесу.

Досягнення цільової шорсткості поверхні при обробці на верстатах з ЧПК

Параметри обробки

• Швидкість різання та швидкість подачі

Посилання

Вищі швидкості різання зменшують наростання на кромці та сліди від інструменту, тим самим створюючи більш гладкі поверхні. Однак, аномальні та надмірно швидкі подачі призводять до менших виступів, що призводить до збільшення шорсткості поверхні. Часто хороша обробка поверхні досягається на швидкостях понад 50 м/хв з подачею 0.1 мм/об на оброблених поверхнях і представляє собою баланс між швидкістю видалення матеріалу та якістю поверхні.

• Глибина різання

Вибір малої глибини різання (зазвичай близько 1 мм або менше) зменшить сили різання та вібрацію, які спричиняють нерівномірність обробки поверхні. Глибина різання, зазначена виробником інструменту, зазвичай має менший вплив на швидкість подачі, але глибина різання 0.5–1.5 мм є прийнятною для підтримки стабільності та досягнення рівномірної текстури поверхні.

Геометрія та стан інструменту

• Радіус кромки, кут переднього нахилу та кут заглиблення

Посилання

Менший радіус різальної кромки забезпечить кращу поверхню, обмежуючи площу залишкових слідів інструменту на поверхні. Передні кути (+/- 5° до +15°) та задні кути (5°–15°) використовують оптимальний потік стружки та силу різання, щоб мінімізувати недоліки якості поверхні та мінімізувати ризик вібрації інструменту.

• Покриття (TiN, DLC) та знос

Звичайні покриття, такі як TiN та DLC, зменшують тертя, збільшують твердість та уповільнюють знос задньої поверхні, що дозволяє загострювати ріжучі кромки та підтримувати якість обробки поверхні протягом тривалішого терміну служби інструменту. Однак сили різання протягом усього терміну служби інструменту можуть створювати мікровібрації в міру зношування інструменту, що призводить до погіршення якості обробки поверхні, тому будь-який інструмент, який сприяє утворенню вібрацій, слід ретельно контролювати на предмет зносу та своєчасно замінювати інструменти.

Післяобробка та фінішна обробка

• Шліфування, притирка, хонінгування, суперфінішна обробка

посилання

Абразивні процеси можуть зрештою видалити дуже мало матеріалу для створення надгладких поверхонь. Шліфування (Ra 0.1 - 1.0 мкм) використовує дедалі тонші шліфувальні круги, притискання використовує шліфувальні абразиви та абразив для вирівнювання площинності, хонінгування використовує камені для створення однорідної поверхні, а суперфінішування використовує надтонкі абразиви під низьким тиском для досягнення значень Ra ≤0.1 мкм.

• Дробоструминна обробка, електрополірування, анодування

Під час дробоструминної обробки використовуються скляні кульки, що викидаються стисненим повітрям, що забезпечує однорідне матове покриття, придатне для застосування з метою зняття напруги. Електрополірування використовує електрохімічний процес для згладжування мікропіків та підвищення стійкості до корозії. Анодування являє собою, ймовірно, контрольований оксидний шар, який здатний суттєво заповнити западину шорсткості поверхні, не тільки підвищуючи довговічність, але й покращуючи естетику поверхні.

Вибір правильної шорсткості для вашого застосування

Вибір правильної шорсткості для вашого застосування полягає у відповідності обробки поверхні функції деталі, бажаного візуального враження та обмежень, що стосуються виробничих процесів:

1. Функціональні характеристики: Знос, Герметизація, Змащення

Для деталей, що піддаються ковзанню або коченню, як правило, чим гладший профіль (тобто Ra ≤ 0.8 мкм), тим краще, щоб зменшити тертя та знос. Крім того, ущільнювальні поверхні вузла повинні мати правильну глибину западини (Ra 1.6–3.2 мкм), щоб захоплювати мастила та герметизувати без протікання.

1. Візуальне оздоблення проти невидимих ​​компонентів

Готові компоненти, яких очікують замовники, часто передбачають їхню вишукану або високоглянсову обробку (Ra ≤ 0.4 мкм) через візуальне враження, тоді як невидимі компоненти можуть мати невідомий діапазон Ra від 1.6 мкм до Ra 3.2 мкм, що дозволяє скоротити час циклу та знизити вартість обробки.

1. Характеристики матеріалів та обмеження геометрії

Наприклад, тверді або абразивні матеріали можуть вимагати спеціальної обробки інструментами або вторинної суперфінішної обробки, щоб досягти заданої цільової шорсткості у встановлений термін, одночасно мінімізуючи надмірний знос інструменту. Крім того, вузькі допуски, малі радіуси та глибокі кишені можуть обмежувати будь-який доступ різця, що потім може вимагати додаткової роботи під час виготовлення деталі (тобто хонінгування або електрополірування) для досягнення заданого значення Ra.

Перевірка та контроль якості

Щоб правильно виміряти шорсткість поверхні, спочатку необхідно зробити відповідну репрезентативну вибірку, таку як випадкова або систематична, апріорі, щоб переконатися, що ви представляєте вимірювання всієї партії. Потім ви контролюєте дані про якість обробки поверхні за допомогою інструментів статистичного контролю процесів (SPC), таких як X-bar та R-діаграма, які визначають тенденції та діагностують, коли ви порушуєте очікуваний цільовий рівень шорсткості. Ви будете вимірювати можливості процесу, використовуючи індекси Cp та Cpk, на основі значення 1.3,3, що має означати, що процес стабільний та здатний досягти заданого Ra або Rz. Цей метод намагається мінімізувати дефекти, зберігаючи при цьому хороший рівень якості в процесі обробки на верстатах з ЧПК.

Практичні приклади

Знання параметрів шорсткості поверхні, таких як Ra (середня шорсткість) та Rz (середня висота від піку до западини), є важливим у різних галузях промисловості, і ось як вони допомагають забезпечити функціональність та надійність:

Автомобільна промисловість: стінки циліндрів

посилання

Циліндри двигуна повинні мати надгладку поверхню (Ra 0.1–0.4 мкм), щоб підтримувати змащення та обмежувати тертя. Вимірювання Rz дозволяють інженеру переконатися, що піки нерівностей (заглибини) достатньо неглибокі, щоб підтримувати масляну плівку та не спричиняти контакт металу з металом, який міг би зношувати поверхні.

Аерокосмічна промисловість: компоненти, критично важливі для втоми

Зазвичай, деталі, критично важливі для втоми, такі як фітинги крил або лопатки турбін, мають низькі значення Ra або часто < 0.8 мкм, щоб обмежити мікротріщини, спричинені втомними напруженнями. Rz також вимірює піки та западини — великі піки/западини є близькими родичами втомного руйнування, а нижчі значення Ra повинні покращити загальну довговічність до вібрацій, тобто вони мають певний зв'язок.

Медицина: Імплантати

посилання

Значення Ra 0.4-1.6 мкм підходить для титанових імплантатів кульшового або колінного суглоба та забезпечує належну біосумісність і структурну фіксацію кістки. Поверхня імплантату матиме певну текстуру (контрольовану Rz), що дозволить прикріплення клітин, тоді як Ra має забезпечити менше тертя на межі між імплантатом і суглобом. Збільшення шорсткості поверхні може призвести до запалення навколишніх тканин; з іншого боку, занадто гладкі поверхні можуть обмежувати остеоінтеграцію.

Оптика: лінзи, дзеркала

Для лінз потрібен Ra <0.1 мкм (дзеркальна поверхня), щоб уникнути неконтрольованого розсіювання світла. Rz гарантує відсутність глибоких западин, достатньо значних для впливу на кінцеву рефракцію. Лінза з високим Rz під час виробництва створюватиме аберацію та зрештою призведе до збоїв у системах візуалізації, таких як камери та медичні пристрої.

Резюме

Шорсткість поверхні при обробці на верстатах з ЧПК зазвичай вимірюється за допомогою Ra (середня шорсткість) та Rz (висота від найвищої вершини до найнижчої западини). Шорсткість поверхні також має вирішальне значення для продуктивності, естетики та функціональності деталі. Значення Ra дає загальну міру гладкості поверхні деталі. Значення Rz вимірює викиди або небажані характеристики поверхні, які можуть вплинути на посадку, герметизацію або знос. Наприклад, поверхні стінок автомобільних циліндрів повинні мати Ra 0.1–0.4 мкм, щоб підтримувати масляні плівки та запобігати контакту металу з металом. Аерокосмічні компоненти, що використовуються в критичних до втоми пристроях (наприклад, лопатки турбін), мають вимогу Ra <0.8 мкм. Медичні технології – це ще один сектор, який використовує шорсткість поверхні, включаючи титанові імплантати. Пропонується, що шорсткість поверхні титанових імплантатів має значення Ra 0.4–1.6 мкм, щоб збалансувати адгезію клітин до титану, забезпечуючи при цьому низький ризик запалення. Оптична промисловість — це ще одна галузь, яка потребує надгладких поверхонь зі значеннями Ra <0.1 мкм для мінімізації розсіювання світла.

На якість обробки можуть впливати швидкість різання, швидкість подачі, геометрія інструменту та глибина різання. На якість обробки також можуть впливати постобробки, такі як шліфування, хонінгування та електрополірування. Стандарти шорсткості поверхні, такі як ISO 1302, 4287 та DIN ISO 1302, використовуються для визначення того, як забезпечити шорсткість деталі на інженерних кресленнях. Шорсткість поверхні повідомляється за тією ж методологією, що й класи "N" у вигляді КОНТИНІУМУ на інженерних кресленнях, щоб визначити загальну якість поверхні. Щодо вимірювальних приладів, існують контактні та безконтактні профілометри, оптичні сканери та пристрої атомно-силової мікроскопії (АСМ), які роздільною здатністю до нанометрів. Для контролю якості можна використовувати діаграми статистичного контролю процесів (SPC) та індекси Cp та Cpk, щоб контролювати фактичну шорсткість поверхні та гарантувати, що поверхні досягнуть цільових значень. Ці показники підтверджують впевненість у тому, що продукт відповідає критеріям надійності та продуктивності в багатьох галузях промисловості та типах застосувань.