Oppervlakteruwheid is een speciale materiaalparameter. Deze naam wordt vaak afgekort tot ruwheid en is een onderdeel van de oppervlaktetextuur. Het wordt kwantitatief bepaald door de afwijkingen van de richting van de reële oppervlaktevector van zijn ideale vorm. Als deze afwijkingen groot zijn, is het oppervlak ruw; als ze klein zijn, is het oppervlak glad. In oppervlaktemetrologie wordt ruwheid gewoonlijk beschouwd als de component met hoge frequentie en korte golflengte van het te meten oppervlak. In de praktijk is het echter vaak nodig om zowel amplitude als frequentie te kennen om er zeker van te zijn dat een oppervlak geschikt is voor een bepaald doel. Oppervlakteruwheid is een zeer belangrijke ontwerpparameter.
Rol en betekenis
Ruwheid speelt een belangrijke rol bij het bepalen hoe een echt object zal interageren met zijn omgeving. in tribologieRuwe oppervlakken slijten over het algemeen sneller en hebben hogere wrijvingscoëfficiënten dan gladde oppervlakken. Ruwheid is vaak een goede voorspeller van de prestatie van een mechanisch onderdeel, omdat onregelmatigheden in het oppervlak kiemplaatsen kunnen vormen voor scheuren of corrosie. Aan de andere kant kan ruwheid de hechting bevorderen. Over het algemeen bieden schaaloverschrijdende descriptoren zoals oppervlaktefractaliteit, in plaats van schaaldescriptoren, meer betekenisvolle voorspellingen van mechanische interacties op oppervlakken, waaronder contactstijfheid en statische wrijving. Oppervlakteruwheid is een vrij complexe parameter, waarvan de details hieronder te vinden zijn.
Hoge en lage waarden
Hoewel een hoge ruwheidswaarde vaak ongewenst is, kan het moeilijk en kostbaar zijn om deze tijdens de fabricage te controleren. Het is bijvoorbeeld moeilijk en duur om de oppervlakteruwheid van FDM-onderdelen te beheersen. Het verlagen van deze tarieven verhoogt meestal de productiekosten. Dit resulteert vaak in een afweging tussen de productiekosten van een onderdeel en de efficiëntie in de toepassing.
Meetmethoden
De index kan worden gemeten door handmatige vergelijking met een "ruwheidsvergelijker" (een monster van bekende oppervlakteruwheid), maar meer in het algemeen wordt de meting van een oppervlakteprofiel gedaan met profilometers. Ze kunnen van het contacttype zijn (meestal een diamanten stylus) of optisch (bijvoorbeeldwit licht interferometer of laser scanning confocale microscoop).
Gecontroleerde ruwheid kan echter vaak wenselijk zijn. Een glanzend oppervlak kan bijvoorbeeld te glanzend zijn voor de ogen en te glad voor de vinger (een goed voorbeeld is het touchpad), dus gecontroleerde prestaties zijn vereist. Oppervlakteruwheid is waar amplitude en frequentie erg belangrijk zijn.
De waarde ervan kan worden berekend aan de hand van het profiel (lijn) of van het oppervlak (gebied). De profielruwheidsparameter (Ra, Rq, …) komt vaker voor. Oppervlakteruwheidsparameters (Sa, Sq, …) geven meer betekenisvolle definities.
Parameters
Elk van de ruwheidsparameters wordt berekend door de oppervlaktebeschrijvingsformule. De standaardreferenties die elk van hen in detail beschrijven, zijn de oppervlakken en hun afmetingen. Oppervlakteruwheid is een kenmerk.
Profielruwheidsparameters zijn opgenomen in de Britse (en wereldwijde) norm BS EN ISO 4287: 2000, die identiek is aan ISO 4287: 1997. De norm is gebaseerd op het ″M″ (Midline) systeem.
Er zijn veel verschillende ruwheidsparameters, maar de bovenstaande zijn de meest voorkomende, hoewel standaardisatie vaak plaatsvindt om historische redenen in plaats van verdienste. Oppervlakteruwheid is een verzameling van onregelmatigheden.
Sommige parameters worden alleen in bepaalde industrieën of in bepaalde landen gebruikt. Zo worden MOTIF-parameters vooral gebruikt in de Franse auto-industrie. MOTIF-methode:biedt een grafische evaluatie van het oppervlakteprofiel zonder golving en ruwheid uit te filteren. MOTIF bestaat uit het gedeelte van het profiel tussen twee pieken, en de uiteindelijke combinaties elimineren de "kleine" pieken en behouden de "significante" pieken. Oppervlakteruwheid in een tekening is de aanwezigheid van hobbels die erop zijn gedrukt en zorgvuldig worden gemeten.
Omdat deze parameters alle profielinformatie terugbrengen tot één getal, moet voorzichtigheid worden betracht bij het toepassen en interpreteren ervan. Kleine veranderingen in hoe de onbewerkte profielgegevens worden gefilterd, hoe de middellijn wordt berekend en de fysica van de meting kunnen grote invloed hebben op de berekende parameter. Op moderne digitale apparatuur kunnen scans worden geëvalueerd om er zeker van te zijn dat er geen duidelijke fouten zijn die de waarden scheeftrekken.
Kenmerken van parameters en metingen
Omdat het voor veel gebruikers niet duidelijk is wat elke meting eigenlijk betekent, stelt de modelleertool de gebruiker in staat om belangrijke parameters aan te passen, waardoor oppervlakken die duidelijk verschillen van het menselijk oog, verschillen in metingen. Sommige parameters kunnen bijvoorbeeld geen onderscheid maken tussen twee oppervlakken, waarvan de ene uit pieken bestaat en de andere uit dalen met dezelfde amplitude.
Volgens conventie is elke 2D-ruwheidsparameter een hoofdletter R gevolgd door extra tekens in een subscript. Het subscript specificeert de formule die werd gebruikt, enR betekent dat de formule is toegepast op een 2D-ruwheidsprofiel.
Ander hoofdlettergebruik betekent dat de formule is toegepast op een ander profiel. Ra is bijvoorbeeld het rekenkundige gemiddelde van het ruwheidsprofiel, Pa is het rekenkundige gemiddelde van het ongefilterde ruwe profiel en Sa is het rekenkundige gemiddelde van de 3D-ruwheid.
Amplitude-instellingen
De amplitudeparameters karakteriseren het oppervlak op basis van verticale afwijkingen van het ruwheidsprofiel vanaf de middellijn. Het rekenkundig gemiddelde van het gefilterde ruwheidsprofiel, bepaald uit de afwijkingen van de middellijn binnen de evaluatielengte, kan bijvoorbeeld worden gerelateerd aan het bereik van punten dat voor die ruwheid is verzameld. Deze waarde wordt vaak gebruikt als een verwijzing naar oppervlakteruwheid.
Rekenkundig gemiddelde ruwheid is de meest gebruikte eendimensionale parameter.
Onderzoek en observatie
Wiskundige Benoit Mandelbrot wees op de relatie tussen oppervlakteruwheid en fractale dimensie. De beschrijving weergegeven door een fractal op het niveau van microruwheid kan het mogelijk maken om de eigenschappen van het materiaal en het type spaanvorming te beheersen. Maar fractals kunnen geen volledige weergave bieden van een typisch machinaal bewerkt oppervlak dat wordt beïnvloed door gereedschapsaanvoermarkeringen, ze negeren de snijkantgeometrie.
Een beetje meer over meten
De parameters van de oppervlakteruwheid zijn gedefinieerd in de ISO 25178-serie.waarden: Sa, Sq, Sz… Veel optische meetinstrumenten zijn in staat om oppervlakteruwheid per gebied te meten. Met contactsystemen zijn ook oppervlaktemetingen mogelijk. Meerdere, dicht bij elkaar gelegen 2D-scans worden genomen van het doelgebied. Ze worden vervolgens digitaal aan elkaar genaaid met behulp van de juiste software, wat resulteert in een 3D-beeld en bijbehorende ruwheidsparameters.
Bodemoppervlak
Ruwheid van het bodemoppervlak (SSR) verwijst naar de verticale veranderingen die aanwezig zijn in de micro- en macrotopografie van het grondoppervlak, evenals hun stochastische verdeling. Er zijn vier verschillende SSR-klassen, die elk een karakteristieke verticale lengteschaal vertegenwoordigen:
- eerste klasse omvat veranderingen in microreliëf van individuele grondkorrels tot aggregaten in de orde van 0,053-2,0 mm;
- tweede klasse bestaat uit variaties van bodemkluiten van 2 tot 100 mm;
- de derde klasse van bodemruwheid zijn systematische hoogteverschillen als gevolg van grondbewerking, georiënteerde ruwheid (OS) genoemd, variërend van 100 tot 300 mm;
- vierde klasse omvat vlakke kromming of topografische kenmerken op macroschaal.
De eerste twee klassen verklaren de zogenaamde microruwheid, waarvan is aangetoond dat deze een grote invloed heeft op het evenement en de seizoensschaal, afhankelijk van respectievelijk regenval en grondbewerking. Microruwheid wordt meestal bepaaldgekwantificeerd door willekeurige ruwheid, wat in wezen de standaarddeviatie is van gegevens over de hoogte van het laagoppervlak rond de gemiddelde hoogte na hellingcorrectie, met behulp van een vlak dat het beste past en het verwijderen van grondbewerkingseffecten in individuele hoogtemetingen. Blootstelling aan neerslag kan leiden tot verslechtering of toename van micro-ruwheid, afhankelijk van de initiële omstandigheden en bodemeigenschappen.
Op ruwe grondoppervlakken heeft de afbreekbare werking van regenspray de neiging om de randen van de ruwheid van het grondoppervlak glad te strijken, wat resulteert in een algehele vermindering van RR. Een recente studie die de reactie van gladde bodemoppervlakken op regen onderzocht, toonde echter aan dat RR aanzienlijk kan toenemen bij kleine initiële microruwheidsschalen in de orde van 0-5 mm. Er is ook aangetoond dat de toename of afname consistent is over verschillende SSR-scores.
Mechanica
Oppervlaktestructuur speelt een sleutelrol bij het beheersen van contactmechanica, dat wil zeggen, het mechanische gedrag dat optreedt op het grensvlak tussen twee vaste objecten wanneer ze elkaar naderen en van contactloos naar volledig contact gaan. In het bijzonder wordt normale contactstijfheid voornamelijk bepaald door ruwheidsstructuren (oppervlakhelling en fractaliteit) en materiaaleigenschappen.
Vanuit het perspectief van een technisch oppervlak wordt ruwheid als nadelig beschouwd voor de prestaties van het onderdeel. Als gevolg hiervan stellen de meeste productieprints een bovengrens inruwheid, maar niet bodem. De uitzondering zijn cilinderboringen waar olie wordt vastgehouden in het oppervlakteprofiel en een minimale oppervlakteruwheid (Rz) vereist is.
Structuur en fractaliteit
De structuur van een oppervlak hangt vaak nauw samen met de wrijvings- en slijtvaste eigenschappen. Een oppervlak met een hogere fractale dimensie, een grote waarde of een positieve waarde heeft meestal een iets hogere wrijving en zal snel slijten. De pieken in het ruwheidsprofiel zijn niet altijd raakpunten. Vorm en golving (dat wil zeggen, zowel amplitude als frequentie) moeten ook worden overwogen, vooral bij het verwerken van oppervlakteruwheid.
