Oberflächenrauheit ist ein spezieller Materialparameter. Dieser Name wird oft mit Rauheit abgekürzt und ist ein Bestandteil der Oberflächenstruktur. Sie wird quantitativ durch die Abweichungen der Richtung des realen Oberflächenvektors von seiner idealen Form bestimmt. Sind diese Abweichungen groß, ist die Oberfläche rau; sind sie klein, ist die Oberfläche glatt. In der Oberflächenmesstechnik wird die Rauheit üblicherweise als die hochfrequente, kurzwellige Komponente der zu messenden Oberfläche betrachtet. In der Praxis ist es jedoch oft notwendig, sowohl Amplitude als auch Frequenz zu kennen, um sicherzustellen, dass eine Oberfläche für einen bestimmten Zweck geeignet ist. Die Oberflächenrauheit ist ein sehr wichtiger Designparameter.
Rolle und Bedeutung
Rauheit spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung, wie ein reales Objekt mit seiner Umgebung interagiert. In der TribologieRaue Oberflächen verschleißen im Allgemeinen schneller und haben höhere Reibungskoeffizienten als glatte Oberflächen. Rauheit ist oft ein guter Indikator für die Leistung einer mechanischen Komponente, da Oberflächenunregelmäßigkeiten Keimbildungsstellen für Risse oder Korrosion bilden können. Andererseits kann Rauheit die Haftung fördern. Im Allgemeinen liefern skalenübergreifende Deskriptoren wie die Oberflächenfraktalität anstelle von Skalendeskriptoren aussagekräftigere Vorhersagen mechanischer Wechselwirkungen auf Oberflächen, einschließlich Kontaktsteifigkeit und Haftreibung. Die Oberflächenrauheit ist ein ziemlich komplexer Parameter, Details dazu finden Sie weiter unten.
Hohe und niedrige Werte
Obwohl ein hoher Rauheitswert oft unerwünscht ist, kann es schwierig und kostspielig sein, ihn während der Herstellung zu kontrollieren. Beispielsweise ist es schwierig und teuer, die Oberflächenrauhigkeit von FDM-Teilen zu kontrollieren. Eine Verringerung dieser Raten erhöht gewöhnlich die Herstellungskosten. Dies führt häufig zu einem Kompromiss zwischen den Herstellungskosten eines Bauteils und seiner Effizienz in der Anwendung.
Messverfahren
Der Index kann durch manuellen Vergleich mit einem "Rauheitskomparator" (einer Probe mit bekannter Oberflächenrauheit) gemessen werden, aber allgemeiner erfolgt die Messung eines Oberflächenprofils mit Profilometern. Sie können vom Kontakttyp (normalerweise ein Diamantstift) oder optisch (z. Weißlicht-Interferometer oder konfokales Laser-Scanning-Mikroskop).
Allerdings kann eine kontrollierte Rauheit oft wünschenswert sein. Beispielsweise kann eine glänzende Oberfläche zu glänzend für die Augen und zu rutschig für die Finger sein (ein gutes Beispiel ist das Touchpad), sodass eine kontrollierte Leistung erforderlich ist. Bei der Oberflächenrauheit sind Amplitude und Frequenz sehr wichtig.
Ihr Wert kann entweder aus dem Profil (Linie) oder aus der Fläche (Fläche) berechnet werden. Der Profilrauheitsparameter (Ra, Rq, …) ist gebräuchlicher. Bereichsrauheitsparameter (Sa, Sq, …) geben aussagekräftigere Definitionen.
Parameter
Jeder der Rauheitsparameter wird durch die Oberflächenbeschreibungsformel berechnet. Die Standardreferenzen, die jede von ihnen im Detail beschreiben, sind die Oberflächen und ihre Abmessungen. Oberflächenrauheit ist ein Merkmal.
Profilrauheitsparameter sind in der britischen (und weltweiten) Norm BS EN ISO 4287: 2000 enth alten, die mit ISO 4287: 1997 identisch ist. Die Norm basiert auf dem ″M″ (Midline)-System.
Es gibt viele verschiedene Rauheitsparameter, aber die oben genannten sind die gebräuchlichsten, obwohl die Standardisierung oft eher aus historischen Gründen als aus Verdienst erfolgt. Die Oberflächenrauheit ist eine Ansammlung von Unregelmäßigkeiten.
Einige Parameter werden nur in bestimmten Branchen oder in bestimmten Ländern verwendet. Beispielsweise werden MOTIF-Parameter hauptsächlich in der französischen Automobilindustrie verwendet. MOTIF-Methodeliefert eine grafische Auswertung des Oberflächenprofils, ohne Welligkeit aus Rauheit herauszufiltern. MOTIF besteht aus dem Abschnitt des Profils zwischen zwei Spitzen, und die endgültigen Kombinationen eliminieren die "kleineren" Spitzen und beh alten die "signifikanten" bei. Die Oberflächenrauheit in einer Zeichnung ist das Vorhandensein von Unebenheiten, die darauf eingeprägt und sorgfältig gemessen wurden.
Da diese Parameter alle Profilinformationen auf eine einzige Zahl reduzieren, ist bei der Anwendung und Interpretation Vorsicht geboten. Kleine Änderungen in der Art und Weise, wie die Rohprofildaten gefiltert werden, wie die Mittellinie berechnet wird, und die Physik der Messung können den berechneten Parameter stark beeinflussen. Auf modernen digitalen Geräten können Scans ausgewertet werden, um sicherzustellen, dass es keine offensichtlichen Störungen gibt, die die Werte verzerren.
Eigenschaften von Parametern und Messungen
Da es für viele Benutzer möglicherweise nicht offensichtlich ist, was jede Messung tatsächlich bedeutet, ermöglicht das Modellierungstool dem Benutzer, Schlüsselparameter anzupassen, wodurch Oberflächen, die sich deutlich vom menschlichen Auge unterscheiden, unterschiedliche Messungen aufweisen. Beispielsweise können einige Parameter nicht zwischen zwei Oberflächen unterscheiden, von denen die eine aus Spitzen und die andere aus Tälern mit der gleichen Amplitude besteht.
Konventionell ist jeder 2D-Rauheitsparameter ein großes R gefolgt von zusätzlichen Zeichen in einem tiefgestellten Index. Der Index gibt die verwendete Formel und anR bedeutet, dass die Formel auf ein 2D-Rauheitsprofil angewendet wurde.
Unterschiedliche Großschreibung bedeutet, dass die Formel auf ein anderes Profil angewendet wurde. Beispielsweise ist Ra das arithmetische Mittel des Rauheitsprofils, Pa das arithmetische Mittel des ungefilterten Rohprofils und Sa das arithmetische Mittel der 3D-Rauheit.
Amplitudeneinstellungen
Die Amplitudenparameter charakterisieren die Oberfläche anhand vertikaler Abweichungen des Rauheitsprofils von der Mittellinie. Beispielsweise kann das arithmetische Mittel des gefilterten Rauhigkeitsprofils, das aus den Abweichungen von der Mittellinie innerhalb der Bewertungslänge bestimmt wird, mit dem für diese Rauheit gesammelten Punktebereich in Beziehung gesetzt werden. Dieser Wert wird oft als Referenz für die Oberflächenrauheit verwendet.
Arithmetische mittlere Rauheit ist der am häufigsten verwendete eindimensionale Parameter.
Forschung und Beobachtung
Mathematiker Benoit Mandelbrot wies auf die Beziehung zwischen Oberflächenrauheit und fraktaler Dimension hin. Die durch ein Fraktal dargestellte Beschreibung auf der Ebene der Mikrorauhigkeit kann es ermöglichen, die Eigenschaften des Materials und die Art der Spanbildung zu steuern. Fraktale können jedoch keine maßstabsgetreue Darstellung einer typischen bearbeiteten Oberfläche liefern, die von Werkzeugvorschubspuren betroffen ist, sie ignorieren die Schneidkantengeometrie.
Ein bisschen mehr über Messungen
Die Parameter der Oberflächenrauheit sind in der Reihe ISO 25178 definiert. Werte: Sa, Sq, Sz… Viele optische Messgeräte sind in der Lage, die Oberflächenrauheit flächenweise zu messen. Flächenmessungen sind auch mit Kontaktsystemen möglich. Vom Zielbereich werden mehrere, eng beieinander liegende 2D-Scans aufgenommen. Sie werden dann mit der entsprechenden Software digital zusammengefügt, was zu einem 3D-Bild und entsprechenden Rauheitsparametern führt.
Bodenoberfläche
Soil Surface Rauhigkeit (SSR) bezieht sich auf die vertikalen Änderungen, die in der Mikro- und Makrotopographie der Bodenoberfläche vorhanden sind, sowie auf deren stochastische Verteilung. Es gibt vier verschiedene SSR-Klassen, die jeweils eine charakteristische vertikale Längenskala darstellen:
- erste Klasse umfasst Änderungen im Mikrorelief von einzelnen Bodenkörnern zu Aggregaten in der Größenordnung von 0,053–2,0 mm;
- zweite Klasse besteht aus Variationen von Erdklumpen von 2 bis 100 mm;
- Die dritte Klasse der Bodenoberflächenrauheit sind systematische Höhenänderungen aufgrund der Bodenbearbeitung, die als orientierte Rauheit (OS) bezeichnet werden und von 100 bis 300 mm reichen;
- die vierte Klasse umfasst planare Krümmungen oder makroskopische topografische Merkmale.
Die ersten beiden Klassen erklären die sogenannte Mikrorauhigkeit, die nachweislich das Ereignis und die saisonale Skala in Abhängigkeit von Niederschlag bzw. Bodenbearbeitung stark beeinflusst. Am häufigsten wird die Mikrorauheit bestimmtquantifiziert durch zufällige Rauhigkeit, die im Wesentlichen die Standardabweichung der Schichtoberflächen-Höhendaten um die mittlere Höhe nach der Neigungskorrektur ist, wobei eine Ebene der besten Anpassung verwendet wird und Bodenbearbeitungseffekte in einzelnen Höhenablesungen entfernt werden. Niederschlagsexposition kann je nach Ausgangsbedingungen und Bodenbeschaffenheit zu einer Verschlechterung oder Zunahme der Mikrorauhigkeit führen.
Auf rauen Bodenoberflächen neigt die Abreißwirkung von Regenspray dazu, die Kanten der Unebenheit der Bodenoberfläche zu glätten, was zu einer Gesamtreduzierung von RR führt. Eine kürzlich durchgeführte Studie, die die Reaktion glatter Bodenoberflächen auf Niederschlag untersuchte, zeigte jedoch, dass RR bei kleinen anfänglichen Mikrorauigkeitsskalen in der Größenordnung von 0-5 mm signifikant zunehmen kann. Es hat sich auch gezeigt, dass die Zunahme oder Abnahme über verschiedene SSR-Scores hinweg konsistent ist.
Mechanik
Die Oberflächenstruktur spielt eine Schlüsselrolle bei der Steuerung der Kontaktmechanik, d. h. des mechanischen Verh altens, das an der Grenzfläche zwischen zwei festen Objekten auftritt, wenn sie sich einander nähern und von Nichtkontakt zu Vollkontakt übergehen. Insbesondere die normale Kontaktsteifigkeit wird überwiegend durch Rauheitsstrukturen (Oberflächenneigung und Fraktalität) und Materialeigenschaften bestimmt.
Aus der Perspektive technischer Oberflächen wird die Rauheit als nachteilig für die Teileleistung angesehen. Folglich setzen die meisten Produktionsdrucke eine ObergrenzeRauheit, aber nicht unten. Die Ausnahme bilden Zylinderbohrungen, bei denen Öl im Oberflächenprofil zurückgeh alten wird und eine minimale Oberflächenrauheit (Rz) erforderlich ist.
Struktur und Fraktalität
Die Struktur einer Oberfläche hängt oft eng mit ihren Reibungs- und Verschleißeigenschaften zusammen. Eine Oberfläche mit einer höheren fraktalen Dimension, einem großen Wert oder einem positiven Wert hat normalerweise eine etwas höhere Reibung und nutzt sich schnell ab. Die Spitzen im Rauheitsprofil sind nicht immer Berührungspunkte. Form und Welligkeit (d. h. sowohl Amplitude als auch Frequenz) müssen ebenfalls berücksichtigt werden, insbesondere bei der Bearbeitung von Oberflächenrauheiten.
