Измерение шероховатости поверхности отливок: Ra, Rz и ошибка оператора

Почему числа шероховатости на отливках вводят в заблуждение

Поверхностная шероховатость выглядит как простое число. Вы касаетесь стилусом детали, машина выводит Ra = 1.6, и все довольны. На литых формах это число часто ошибочно на величину, которая имеет значение, и никто не знает об этом, потому что ошибка скрыта в методе измерения, а не в детали. Поверхности отливок грубые, неравномерные, и иногда достаточно мягкие, чтобы сам инструмент изменял их во время теста. Значение, которое колеблется от 1.2 до 3.4 микрометров Ra в зависимости от того, куда вы поставили стилус, какой порог выбрали и насколько сильно нажали, — это не измерение. Это подбрасывание монеты в лабораторном халате.

В этой статье объясняется, что на самом деле описывают Ra, Rz и Rt, почему пороговая длина волны определяет, является ли ваше число реальным, как стилус смазывает мягкий алюминий, как сравнить отливку с полировкой, и как написать спецификацию по шероховатости, которую может реально выполнить роботизированная обработочная ячейка. Цель — получить измерение, которое можно защитить, когда клиент оспаривает отгрузку.

Ra, Rz и Rt: что каждый параметр говорит о финишной обработке

Эти три параметра отвечают на разные вопросы, и финишер, который смотрит только на Ra, пропускает большинство из них.

• Ra, арифметическая средняя шероховатость. Это среднее абсолютное отклонение профиля от средней линии по длине оценки. Ra терпим. Он усредняет глубокие царапины и высокие пики, поэтому две поверхности с очень разной структурой выступов могут иметь одинаковый Ra. Для финишера Ra говорит о общем текстуре, но скрывает худшие дефекты.
• Rz, средняя максимальная высота профиля. Определяется в соответствии с общим стандартом ISO 4287 как среднее значение пяти самых больших высот «пик-до-ущелье» в пределах длины оценки (некоторые стандарты используют высоту по десятибалльной шкале Rz; уточняйте, что показывает ваш измеритель). Rz чувствителен к случайным глубоким бороздам. Если ваш клиент герметизирует поверхность и одна глубокая царапина прорвала уплотнительную линию, Rz зафиксирует это, а Ra останется спокойным.
• Rt, общая высота профиля. Самое большое расстояние «пик-до-ущелье» в пройденной длине. Rt — число худшего сценария и то, что предсказывает утечки и тонкие места покрытия.

Практическая последовательность для финишера отливки: Ra для входной косметической текстуры, Rz для герметичных и соединительных поверхностей, Rt для предела жесткого отказа. Поверхность может иметь Ra 0.8 после полировки, но при этом иметь Rt 12 микрометров из-за одной скрытой царапины внутри. Если вы указали только Ra, эта часть пройдет ваш измеритель, но не выдержит в полевых условиях.

Компактное сравнение:

Длина волны отсечки: настройка, которая определяет или разрушает число

Длина волны отсечки (выборка) lambda c фильтрует профиль на шероховатость и волнистость. Выберите неправильно — и вы либо считаете деформацию как шероховатость, либо усредняете реальную текстуру до ничего.

Стандартное значение по умолчанию для большинства металлов — 0,8 мм, но это скорее привычка, чем правило. Отсечка должна соответствовать доминирующему расстоянию между поверхностными особенностями:

• Слишком короткая отсечка, например 0,25 мм на грубой отливке, разрезает профиль на фрагменты и недооценивает Ra, потому что фильтр никогда не захватывает полный цикл выступа.
• Слишком длинная отсечка, например 2,5 мм на тонко отполированной поверхности, пропускает волнистость и форму в диапазон шероховатости, увеличивая Ra за счет ошибок низкой частоты, которые вовсе не являются текстурой.
• ISO 4288 дает правило: отсечка должна быть как минимум в пять раз, а лучше больше, чем среднее расстояние между выступами Sm поверхности. Сначала измерьте Sm, затем установите lambda c.

На поверхности отливки алюминиевого штампа расстояние между выступами часто составляет 0,2–0,5 мм, поэтому подходящими являются отсечки 0,8 мм или даже 2,5 мм. На поверхности, отполированной роботом, с Sm около 0,05 мм, правильна отсечка 0,25 мм. Мы указываем отсечку в плане инспекции рядом с целью Ra, потому что два лабораторных отчета с “Ra 1,6” при разных отсечках не измеряют одно и то же.

Длина оценки обычно в пять раз больше отсечки (например, пять трасс по 0,8 мм для оценки длиной 4 мм при отсечке 0,8 мм). Укорачивание оценки для экономии времени на неравномерной отливке значительно увеличивает разброс, потому что текстура отливки варьируется точка за точкой.

Радиус наконечника стилуса и проблема размазывания мягкого алюминия

Алюминий мягкий, и поверхность после отливки имеет другую микроструктуру по сравнению с основным материалом. Стилус, идеально подходящий для закаленной стали, может прорезать борозду через отливку из алюминия, сдвигая материал в сторону и оставляя размазанную канавку, которая кажется более гладкой, чем настоящая поверхность. В результате Ra получается слишком низким, а профиль — физически измененным тестом.

Контроль, который сохраняет честность стилуса:

• Радиус наконечника. Алмазный наконечник радиусом 2 микрометра обычно используется для тонкой работы; для грубых отливок используют рубиновые или алмазные наконечники радиусом 5–10 микрометров. Острый наконечник на грубой поверхности достигает дна в впадинах и переоценивает пики; тупой — соединяет тонкую текстуру и недооценивает ее. Подбирайте наконечник в соответствии с ожидаемым диапазоном Ra, а не с самым острым вариантом измерителя.
• Измерение силы. Держите силу стилуса низкой, обычно несколько миллиньютонов, и убедитесь, что след повторяется при втором проходе в той же точке. Если второй проход отличается более чем на 10 процентов, наконечник деформирует поверхность.
• Направление следа. Шероховатость на отлитой поверхности является анизотропной из-за течения и следов выброса. Всегда ведите след перпендикулярно к доминирующему направлению текстуры или укажите направление текстуры в плане. Ведение следа по текстуре может уменьшить видимый Ra вдвое.
• Избегайте измерений непосредственно над включениями или пористостью. Зонд, падающий в пору, показывает ложную впадину; сначала визуально осмотрите участок.
• Для очень мягких или деликатных отливных поверхностей рассмотрите использование бесконтактного оптического профайлера. Он избегает размазывания, но требует управления отражательностью, и не может проникнуть в теневые канавки так же хорошо, как стилус.

Стандарты отделки поверхности ссылаются на Стандарты отделки поверхности литых деталей перечень диапазонов Ra, которые мы считаем достижимыми для каждого класса отливки и как они соотносятся с методом отделки.

Измерение поверхности после отливки и после полировки

Отливная и полированная поверхности — это две разные задачи измерения, и план должен рассматривать их отдельно.

Измерение после отливки:

• Ожидайте высокий разброс. Сделайте от пяти до десяти следов по поверхности и укажите среднее значение и диапазон, а не один замер.
• Обратите внимание на кожу формы. Охлажденный поверхностный слой тоньше, чем подповерхностный; если шлифовка только чуть прорезала его, локальный Ra резко возрастает.
• Наклон и кривизна означают, что стилус встречается с поверхностью под разным углом; закрепите деталь так, чтобы измеряемая область была примерно перпендикулярна оси стилуса.
• Пористость возле поверхности отображается как острый Rt. Разграничьте “шероховатость” и “дефект” в отчете.

Измерение после полировки:

• После роботизированной полировки поверхность анизотропна и тонкая; используйте короткий порог и острый наконечник, ведите след по текстуре полировки.
• Отполированная поверхность может показывать неправдоподобно низкий Ra, скрывая микротрещины под поверхностью из-за чрезмерного давления. Совмещайте Ra с ограничением Rt.
• Проверьте, не уменьшила ли полировка толщину стенки или не открыла ли пору; только шероховатость этого не выявит.

Обзор вариантов отделки на вариантов отделки алюминиевых литых деталей описывает, какие процессы переводят поверхность из текстуры после отливки в полированную и какой Ra они обычно обеспечивают на ячейке DZ.

Ошибка оператора: основная причина плохих данных о шероховатости

В наших проверках линий литья редко проблема в ошибках инструментов. Ошибка оператора — вот в чем дело. Один и тот же образец, измеренный двумя техниками на одном и том же измерителе, дает результаты, которые отличаются больше, чем вариация процесса. Обычно причины:

• Отсутствие фиксированного места измерения. Оператор касается там, где удобно, поэтому он усредняет разные участки текстуры. Зафиксируйте место с помощью приспособления или маркированной сетки.
• Неправильный или неустановленный порог. Измеритель запоминает порог последней работы; никто его не менял.
• Загрязненная поверхность. Остатки режущей жидкости, полировальной пасты или оксида на детали добавляют или скрывают текстуру. Очистите один и тот же растворителем каждый раз.
• Некалиброванный измеритель. Стандарты шероховатости со временем смещаются; эталонный блок должен проверяться с калиброванным образцом по графику.
• Игнорирование скольжения. Измерители без скольжения (рукоятка зонда) и с скольжением измеряют относительно разных эталонов; их смешивание по цепочке поставок вызывает споры.
• Один след вместо среднего нескольких. Вариации текстуры отливки требуют нескольких следов.

Решение — письменная стандартная операционная процедура с фотографией места измерения, порога, наконечника, силы, количества следов и растворителей. Мы передаем эту процедуру как линии литья, так и входящему контролю заказчика, чтобы обе стороны получали сопоставимые результаты. Когда поступает претензия о том, что партия “слишком шероховатая”, первый вопрос — использовали ли обе стороны один и тот же порог и место, а не изменились ли детали.

Установка стандарта шероховатости, который может удерживать роботизированная ячейка

Спецификация полезна только если процесс может ее поддерживать и измеритель может ее проверить. Для роботизированной шлифовки и полировки диапазон достижимых значений зависит от последовательности абразивов, контроля силы и геометрии детали.

Руководство по написанию обозначения:

• Указывайте Ra и Rz вместе, никогда Ra отдельно для уплотнительного или соединительного торца. Добавьте ограничение Rt для критичных путей утечки.
• Укажите порог, направление следа относительно направления текстуры, количество следов и место. Простое “Ra 1.6” на чертеже неполное.
• Разделите спецификацию по функциям: косметические неметаллические поверхности без контакта могут иметь Ra 3.2, обрабатываемые или скользящие поверхности — средний (Ra 1.6), уплотнительные поверхности — плотные (Ra 0.8 с ограничением Rz), а декоративные поверхности — по образцу заказчика (Ra 0.2–0.4).
• Подтвердите начальный диапазон после литья, чтобы ячейка знала, сколько материала нужно убрать. Если входящий Ra колеблется от 3.2 до 8.0, ячейка должна быть настроена на худший случай, что увеличивает время цикла. Ужесточение процесса литья на входе дешевле, чем чрезмерная полировка на выходе.
• Настройте силу и подачу ячейки так, чтобы достигнутый Ra находился посередине диапазона, а не на его краю, оставляя место для погрешности измерителя.

Как достижимые диапазоны соответствуют процессу:

Факторы пропускной способности и времени работы, определяющие, сможет ли ячейка удерживать заданную смену за сменой, рассматриваются в повышение эффективности работы роботизированной ячейки, потому что ячейка, которая теряет свою абразивную консистенцию или калибровку силы в середине смены, выйдет за пределы диапазона Ra раньше, чем кто-либо заметит.

Замыкание цикла от шероховатости к контролю процесса

Данные о шероховатости должны управлять финальной ячейкой, а не просто заполнять отчет. Когда тенденция Rz на поверхностях уплотнений повышается, абразивный ремень нагружен или запекается, и требует обработки или замены. Когда разброс Ra увеличивается, отклонение контроля силы или фиксация заготовки смещаются. Когда Rt резко возрастает на отдельных деталях, подозревается внутреннее включение или локальный пористый прорыв, который обнаружил шлифовка. Каждый из этих сигналов — это сигнал процесса, а не любопытство измерения.

DZ Machinery создает роботизированные ячейки шлифовки и полировки с автоматической сменой абразива, подачей воска и контролем силы по каждой детали, которые поддерживают диапазоны Ra и Rz, необходимые для ваших сборок, и мы документируем процедуру отсечки, заострения и трассировки, чтобы ваша входящая инспекция и наша говорили на одном языке. Обратитесь к нашей инженерной команде с вашими требованиями к поверхности и чертежами деталей, и мы вместе разработаем план измерений и настройку ячейки.