Rugozitatea suprafeţelor

Calitate & Control

de Catalin Apostol

Rugozitatea suprafeţelor

Ansamblul neregularităţilor ce formează relieful suprafeţei reale şi care sunt definite convenţional în limitele unei secţiuni fără abateri de formă, reprezintă rugozitatea suprafeţei. Aceste neregularităţi apar în urma mişcării oscilatorii a vârfului sculei, frecării tăişului sculei pe suprafaţa piesei, vibraţiilor de înaltă frecvenţă ale sculei sau ale maşinii-unelte.

 Foto deschidere: Diagrama lungimii de eșantionare

Introducere

Existenţa neregularităţilor pe suprafaţa piesei prezintă, în condiţii de funcţionare mai severe, o serie de dezavantaje: micşorarea suprafeţelor efective de contact, agravarea condiţiilor de frecare şi de funcţionare ale piesei, reducerea rezistenţei la eforturi alternante ale materialului prin concentrarea de tensiuni, reducerea etanşeităţii, modificarea dimensiunilor efective ale piesei. Pe de altă parte, absenţa acestora face imposibilă menţinerea peliculei de ulei pe suprafaţa de contact la o ungere normală. Rugozitatea se stabileşte corespunzător condiţiilor de întrebuinţare, în funcţie de: viteza de prelucrare, mărimea suprafeţei de contact, mărimea şi caracterul solicitărilor, precizia dimensiunilor şi a formei geometrice.

Metode de măsurare

Caracteristicile rugozităţii sunt, de obicei, măsurate fie de-a lungul axei piesei, fie în jurul axei acesteia. Acest lucru depinde de modul în care piesa a fost prelucrată şi de modul în care a fost proiectată pentru a fi utilizată. Măsurarea de-a lungul axei liniare este folosită pentru a determina calităţile de retenţie a uleiului pe suprafeţele de aşezare. Pe unele componente, cum ar fi scaunele injectoarelor sau ghidul supapei, este necesar să se măsoare de-a lungul circumferinţei pentru a detecta zgârieturi longitudinale, care pot împiedica o etanşare corespunzătoare.

Filtre

Rugozitateaeste o proprietate a stării suprafeţelor, alături de ondulaţieşi formă. Profilul rugozităţii intră în contact cu suprafaţa de interacţiune, spre deosebire de ondulaţie. Aşadar, pentru a examina interacţiunea dintre suprafeţe, rugozitatea se separă de celelalte forme prin intermediul filtrelor.

Instrumentele informatizate folosesc metoda descrisă pentru a procesa datele obţinute în urma efectuării unei măsurări, astfel:

a) Metoda celor mai mici pătrate (forma cea mai potrivită). O linie sau un arc de cerc sunt aplicate rezultatelor pentru a îndepărta forma;

b) Suprafaţa căreia i s-a îndepărtat forma este apoi trecută printr-un filtru cu o valoare a cut-off-ului specificată, îndepărtând astfel ondulaţiile.

 

Rugozitatea rezultată a profilului este apoi eşantionată pentru a-i calcula parametrii.

Instrumentele utilizate pentru determinarea formelor folosesc trei filtre convenţionale, acestea constând în filtre analogice sau digitale ce simulează filtrarea analogică.

În mod ideal, caracateristicile tipului de filtru ar trebui să se modifice considerabil la alegerea lungimii cut-off-ului. Orice lungimi de undă mai mici decât lungimea cut-off-ului trebuie să treacă prin filtru nemodificate, în timp ce lungimile de undă mai mari sunt reduse (reprezentând termenul de cut-off).

Tipuri de filtre

Filtrele se clasifică după cum urmează

  • ISO 2CR – filtru electronic compus din doi condensatori şi două rezistenţe (de aici denumirea 2CR), fiind unul din primele filtre utilizate, are posibilitatea de a transmite 75% din lungimile de undă la cut-off-ul utilizat, însemnând că amplitudinile ondulatorii pe lungimea cut-off-ului vor fi reduse cu 75% din valoarea lor.
  • 2CR Phase Corrected – Corecţia defazajului cauzat de utilizarea unui filtru ISO 2CR va fi parţial depăşit utilizând 2CR PC. Diferenţa dintre cele două filtre constă în dubla încercare de a corecta defazajul.
  • Gaussian – acest filtru digital are capacitatea de a transmite 50% din lungimea de undă de la valoarea limită (cut-off) selectată, însemnând că adăugarea profilului filtrat al rugozităţii la cel al ondulaţiei va avea ca rezultat profilul orginal nefiltrat. De asemenea, cantitatea de date eliminate de filtrul Gaussian este mai mică decât cea a filtrelor descrise mai sus, făcându-l mai puţin susceptibil de a denatura profilul iniţial. Filtrul Gaussian devine astfel favorit.

 

Capetele intervalelor de colectare a datelor sunt distorsionate datorită timpului în care traversa accelerează pentru a ajunge la viteza de măsurare optimă. Fiecare tip de filtru supune profilul la un anumit nivel de distorsiune, făcând necesară îndepărtarea unor porţiuni din datele cumulate în urma măsurării, după cum urmează:

  • ISO 2CR îndepărtează primele două cut-off-uri;
  • 2CR PC îndepărtează primul şi ultimul cut-off;
  • Gaussian îndepărtează jumătate din primul şi ultimul cut-off.

 

Valoarea cea mai utilizată este 0,8 mm, fiind obţinută empiric dintr-un număr considerabil de testări şi evaluări. S-a constatat că pentru majoritatea pieselor prelucrate, o lungime eşation de 0,8 mm ar avea în jur de 20 - 30 de abateri de la linia medie. Aceste abateri sunt create de aşchiere, iar datorită numărului lor, măsurarea pe un eşantion de 0,8 mm poate fi considerată adecvată pentru analiza statistică.

Parametri

Parametrii de profil sunt împărţiţi în trei mari categorii, în funcţie de caracteristicile profilului cuantificat:

  • Parametri Amplitudine - sunt măsurări ale caracteristicilor verticale ale deviaţiei suprafeţei (Z);
  • Parametri de Spatiu - sunt măsurări ale caracteristicilor orizontale ale deviaţiei suprafeţei (X);
  • Parametri Hibrizi - sunt definiţi din asocierea celor doi parametri descrişi (Z şi X).

Tipuri de parametri

Parametrii principali ai rugozităţii sunt aleşi utilizând punctele de maxim, minim sau o asociere a celor două, după cum urmează:

  • Ra este universal recunoscut şi cel mai utilizat parametru de rugozitate. Reprezintă media aritmetică a abaterilor absolute ale profilului rugozităţii de la linia medie;
  • Rq reprezintă valoarea rădăcinii pătrate medii a parametrului Ra. Parametrul Rq este mult mai sensibil la punctele de maxim şi minim de pe suprafaţa măsurată, făcându-l des utilizat în industria optică, tinzând să ofere o valoare mai mare decât Ra. Pentru calculul statistic, valorile parametrului Rq sunt mai semnificative decât cele ale Ra;
  • Rt este înălţimea maximă dintre punctul maxim şi cel minim al profilului în cadrul lungimii de evaluare. Acest parametru este utilizat în cazul în care componentele sunt supuse la eforturi mari, făcând ca orice diferenţă considerabilă între punctele de maxim, repectiv minim, să fie susceptibilă de a genera propagarea fisurilor;
  • Rp este înălţimea maximă a profilului peste linia medie în cadrul unei lungimi eşantionate. Punctele de maxim sunt importante atunci când se iau în considerare elementele de frecare şi uzură, deoarece interacţiunea dintre suprafeţe se accentuează în prezenţa lor;
  • Rv este adâncimea maximă a profilului de sub linia medie în cadrul unei lungimi eşantionate, împărţită, la rândul ei, la n lungimi intermediare;
  • Rz reprezintă media tuturor valorilor Rt ce reies din fiecare eşantion. Acest parametru are utilizări similare cu Rt, dar nu este supus variaţiilor mari cauzate de caracteristici false precum praful, bavurile sau zgârieturile.

Măsurarea rugozităţii CCI

Instrumentele moderne oferă un mod avansat de măsurare a structurilor nanometrice utilizând interferometria. Folosesc un algoritm inovator, ce găseşte legătura dintre coerenţa punctelor maxime şi poziţia fazei unui model de interferenţă, algoritm generat de o unitate de scanare optică.

Scanarea cu interferometrul utilizează ca sursă lumina albă. Un sistem de acţionare piezo este folosit pentru a examina lentila obiectivului în vecinătatea unui punct focal. Componenta măsurată este, în mod obişnuit, poziţionată pe o platformă x/y de mare precizie. Pe măsură ce sistemul optic este ,,deplasat" de către sistemul de acţionare piezo, punctul focal este observat pentru fiecare pixel din matricea sistemului CCD. Beneficiul unui astfel de sistem este faptul că un număr considerabil de puncte pot fi măsurate cu rezoluţii înalte, laterale (aproximativ 0,3 micrometri) şi verticale (mai mici de 0,1 nanometri) în doar câteva secunde. Prin schimbarea amplificării lentilelor obiectivului se pot evalua zone mai mari efectuând o singură măsurare. În acest caz, rezoluţia laterală este redusă proporţional.

Figura 2: Interferometru cu lumină albă

 

Un instrument ce însumează caracteristicile precizate este Talysurf CCI, produs de compania Taylor Hobson. Poate atinge rezoluţii pe Z de 0,1 Å (1 Angstrom = 10-10 m) şi o eroare a repetabilităţii parametrului Ra mai bună de 3 picometri (1 picometru = 10-12 m).

 

CCI HD reprezintă o industrie în continuă schimbare ce înglobează ştiinţa, experienţa şi imaginaţia. Caracteristicile de bază ale acestui procedeu sunt:

  • Rezoluţii înalte

Senzorii de imagine CCI HD, având o matrice cu un număr de 2048 x 2048 de pixeli, permit măsurarea unor suprafeţe mari, fără a întâmpina dificultăţi sau potenţiale distorsiuni cauzate de multiplicarea câmpurilor de vizua­lizare.

  • Măsurări mai rapide

Un câmp de vizualizare mai mare presupune o iniţializare rapidă, o viteză de evaluare mai mare a mai multor componente, în concluzie, o eficienţă sporită datorată utilizării facile a instrumentelor.

  • Rezultate bune

Cu peste 4 milioane de puncte de-a lungul suprafeţei de măsurare, aceasta devine mult mai bine definită faţă de metodele precendente. Se pot identifica deviaţiile suprafeţei sau potenţialele zone de interes oriunde în vastul câmp de vizualizare. De asemenea, se poate mări imaginea pentru o analiză detaliată, fără a remăsura componenta.

  • Noua tehnologie a camerelor

Inspecţia vizuală de înaltă rezoluţie oferă o caracterisitică esenţială monitorizării şi îmbunătăţirii procesului de fabricaţie. Imaginile 3D sunt capabile să evidenţieze detalii nanometrice ale structurilor, făcând posibilă identificarea automată a suprafeţei de lucru.

  • Setarea automată a lungimii eşantionate

Datorită tehnologiei ce permite setarea automată, gama de scanare va fi aleasă automat, optimizată pentru suprafaţa de lucru, oferind reduceri semnificative ale timpului de măsurare.

  • Tehnica de măsurare universală

Optimizarea programului de inspecţie se realizează eliminând numeroase elemente de rutină şi rezultate incompatibile ale raportului de măsurare. Datorită algoritmului informatizat, se pot măsura toate suprafeţele, în oricare etapă a producţiei, utilizând aceeaşi tehnică şi instrument.

 

Aplicaţii ale metodei CCI

  • Performaţele Hard Disk-urilor

Planitatea discurilor de memorie reprezintă un parametru critic pentru performanţă. Cu un câmp larg de vizualizare şi peste 4 milioane de pixeli, metoda CCI evaluează planitatea, ondulaţia şi textura suprafeţei.

 

  • Creşterea randamentului dispozitivelor semiconductoare

Tehnologia CCI HD este utilizată pentru a identifica defecte mici ale suprafeţei, ce reduc randametul plăcilor epitaxiale din siliciu.

  • Extinderea duratei de viaţă a implanturilor ortopedice

Studiul tribologic al implanturilor ortopedice este esenţial pentru maximizarea duratei de viaţă. CCI HD combină forma, structura şi textura într-o singură evaluare.

 

  • Reducerea scurgerilor de combustibil din injectoare

CCI HD îmbunătăţeşte performanţa prin detectarea căilor de scurgere ale suprafeţelor injectoarelor.

  • Analiza suprafeţelor corodate

Înglobarea dispozitivului de captare a imaginilor cu o rezoluţie mai mare de 4 MP şi a obiectivului 100x, permite înţelegerea detaliilor fine ale mecanismelor de coroziune.


Bibliografie

„Exploring Surface Texture – A fundamental guide to the measurement of surface finish”, Taylor Hobson Ltd

„Basic Surface Finish Filters”, „Basic Surface Finish Parameters”, Taylor Hobson Ltd

„Curs Metrologie Aplicată” – Micro – Top Consulting Engineering & Service S.R.L.


Cătălin Apostol este inginer metrolog Micro-Top Consulting Engineering & Service



Accept cookie

Acest site web utilizează module cookie în scopuri funcţionale, de confort şi statistică.

Dacă sunteţi de acord cu această utilizare a modulelor cookie, faceţi clic pe "Da, sunt de acord". Termeni si conditii

Nu sunt de acord Accept doar cookie functional Da, sunt de acord