dnes je 18.7.2024

Input:

Jakost povrchu a její význam pro funkci ploch součástí

11.4.2008, , Zdroj: Verlag Dashöfer

7.4.6 Jakost povrchu a její význam pro funkci ploch součástí

Doc. Ing. Leoš Bumbálek

S rozvojem vědy a techniky a s uplatňováním jejich výsledků má stále větší význam problematika jakosti strojních součástí. Její důležitost vychází z požadavků snižování hmotnosti dynamicky namáhaných součástí jak za normálních, tak i za extrémních podmínek zatěžování. Růst mezinárodní kooperace nutí proto všechny, kteří jsou zodpovědni za dodržování jakosti výrobků, brát v úvahu normy, které významně přispívají k dodržování jakosti povrchu strojních součástí.

Jakost z hlediska technologie výroby

Pod pojmem jakosti z hlediska technologie výroby je třeba chápat přesnost rozměrů, přesnost geometrického tvaru, polohy a drsnosti povrchu. K těmto hodnotám přistupuje ještě sledování chemických a fyzikálních změn vlastností materiálu v povrchové vrstvě obrobené součásti, vzniklých v důsledku vlastního procesu řezání. Jakost povrchu a vlastnosti povrchové vrstvy ovlivňují velmi výrazně životnost a spolehlivost provozu součástí. Na drsnosti povrchu závisí přesnost chodu strojních součástí, jejich hlučnost, doba záběhu, ztráty třením, elektrická vodivost, přestup tepla, únavová pevnost, odolnost proti opotřebení, odolnost proti korozi apod.

Problematika týkající se vlivu drsnosti povrchu na funkční spolehlivost a životnost součástí není nová. Stále ale chybí jakákoliv kvantitativní předpověď o chování povrchu při funkci. Tato předpověď však není dost dobře možná, protože současné hodnocení jakosti povrchu necharakterizuje funkční povrch v celém komplexu.

Sledování, hodnocení a využívání znalostí o jakosti povrchu, a tedy i efektivnosti strojních součástí je jedním ze základních úkolů vyplývajících ze zabezpečování spolehlivosti.

Význam vhodného povrchu

Význam vhodného povrchu se projevuje tam, kde systém funkčních ploch významně ovlivňuje chování nějakého fyzikálního procesu. Při definování a optimalizování takového systému je nutné vzít v úvahu povrchy funkčních ploch a jejich odpovídající charakteristiky. Je nutné ale připomenout, že základní problémy konstrukce, jako je opotřebení, tuhost spojení, pevnost součástí, únava, přesnost, nebo kinematické vazby i dynamika strojů, nemohou být uspokojivě vyřešeny bez úplných informací o vzájemném vztahu ploch a mechanismu jejich vzniku.

Podrobné znalosti problematiky jakosti povrchu a jejího hodnocení mají význam v tom, že vedou ke zpřesnění požadavků na funkční plochy při jejich navrhování (konstruování), přispějí ke stanovení technologických parametrů při výrobě, stejně jako k dalšímu hodnocení textury povrchu při výzkumu, laboratorních zkouškách a provozu.

Rychlý pokrok a schopnost technologie výroby a měření jakosti ploch vedou k tomu, že je nutné znát a definovat provozní požadavky na tyto plochy. Přesná a jasná specifikace textury povrchu má dnes význam především z hlediska náročných požadavků spolehlivosti.

Hodnocení textury povrchu

Řešení otázek vlivu jakosti povrchu na funkci součásti je v popředí zájmu konstruktérů i technologů. Znalost podmínek funkce plochy umožňuje totiž předem stanovit, jaké musí být vlastnosti hodnocené plochy, aby byla zabezpečena jejich funkce.

Jednou z cest je dokonalé zvládnutí a optimalizace těch technologických operací, které se využívají pro dokončování funkčních ploch součástí.

To vede k tomu, že bude možné a nutné na základě provozních podmínek funkční plochy přesně a jasně specifikovat úchylky rozměru, tvaru, texturu povrchu, tj. její drsnost a vlnitost, zbytková napětí v povrchové vrstvě, a tak přispět ke splnění požadavků na zajištění spolehlivosti a životnosti vyráběných součástí.

Textura povrchu

Textura povrchu, tj. jeho uspořádání z hlediska makro- a mikrogeometrie, představuje důležitý prvek, který určuje významné vlastnosti součásti. Textura povrchu zahrnuje drsnost, vlnitost i tvarovou úchylku sledovaného povrchu.

Rozdíly mezi těmito charakteristikami textury jsou dány poměrem rozteče nerovností k jejich výšce. U drsnosti je to poměr 1 - 50, u vlnitosti je to poměr 50 - 1 000, u tvarové úchylky povrchu je to hodnota nad 1 000.

Z geometrického hlediska jsou velikost, tvar a vzájemné rozložení nerovnosti povrchu určeny tvarem ostří řezného nástroje a podmínkami, které určují trajektorie pohybu ostří nástroje vzhledem k obrobenému povrchu.

2D parametry

Běžné parametry drsnosti, které jsou nejvíce využívány, jsou uváděny jako 2D parametry, protože jsou počítány na základě jednoho profilu povrchu, který obsahuje informace ve dvou směrech (horizontálním a vertikálním). Textura povrchu byla úplně zrevidována a výsledky jsou uvedeny v normách ISO. Podle této nové ISO-terminologie obsahuje koncepce textury povrchu drsnost, vlnitost a nefiltrovaný profil nerovnosti.

ISO 4287-1997 definuje tři série 14 parametrů, tj. P-parametry pro nefiltrovaný profil povrchu, R-parametry pro drsnost profilu a W-parametry pro vlnitost profilu.

Parametry definované v normě ISO 4287-97

Parametry definované v normě ISO 4287-97 
Pp  Rp  Wp  Maximální výška vrcholu profilu 
Pv  Rv  Wv  Maximální hloubka prohlubně profilu 
Pz  Rz  Wz  Maximální výška profilu 
Pc  Rc  Wc  Střední výška elementů profilu 
Pt  Rt  Wt  Celková výška profilu 
Pa  Ra  Wa  Střední aritmetická úchylka hodnoceného profilu 
Pq  Rq  Wq  Střední geometrická úchylka hodnoceného profilu 
Psk  Rsk  Wsk  Šikmost křivky hustoty pravděpodobnosti 
Pkn  Rkn  Wkn  Špičatost křivky hustoty pravděpodobnosti 
PSm  RSm  WSm  Střední šířka roztečí profilu 
Pdq  Rdq  Wdq  Střední geometrický sklon hodnoceného profilu 
Pmr(c)  Rmr(c)  Wmr(c)  Materiálový poměr profilu 
Pdc  Rdc  Wdc  Svislá vzdálenost mezi úrovněmi dvou úseků daného materiálového poměru 
Pmr  Rmr  Wmr  Relativní materiálový poměr 

Hodnoty rozsahu veličin pro měření textury povrchu jsou v tabulce 2.

Rozsahy pro měření textury povrchu

Rozsahy pro měření textury povrchu podle ISO 4288-1996 
0,006 m Ra 80 m 
0,025 m Rz 200 m 
13 m RSm 4000 m 

Norma ISO 4288-1996 doporučuje 5 základních délek jako výchozí pro parametry drsnosti a ukazuje, jak přepočítat jejich horní a dolní mez vycházející z jiného počtu základních délek. Podobná terminologie je uvedena i v normě ISO 4287-1997.

ISO 12085-1996 se zabývá parametry profilu, vypočtenými pomocí metody motif. Tato metoda je založena na rozdělení nefiltrovaného profilu na geometrické prvky charakterizované vrcholy, které mohou splynout nebo zůstat nezměněné - podle jejich relativních velikostí, a tak se počítají parametry drsnosti a vlnitosti.

Parametry nosné křivky

Norma ISO 13565 popisuje dvě sady parametrů, odvozené od nosné křivky. Tyto parametry byly vyvinuty, aby charakterizovaly povrchy mající různé funkční vlastnosti při různých hloubkách profilu.

První sada uvádí parametry vyvinuté německým průmyslem (ISO 13565-2:1996) a druhá sada parametry vyvinuté americkým výrobcem motorů.

Nosná křivka definovaná podle ISO 13565-2

Parametry podle ISO 13565-2

  Parametry podle ISO 13565-2 
Rk  Hloubka nosné části 
Mr1  Materiálová část 
Mr2  Materiálová část 
Rpk  Redukovaná výška vrcholů 
Rvk  Redukovaná hloubka prohlubní 

Nosná křivka definovaná podle ISO 13565-3

Parametry definované v normě ISO 13565-3

parametry podle ISO 13565-3 
Rpq  Ppq  Sklon lineární regrese proložené v plateau oblasti (vrcholů) 
Rvq  Rvq  Sklon lineární regrese proložené v oblasti prohlubní 
Rmq  Pmq  Relativní materiálový poměr v oblasti plateau a oblasti prohlubní 

Parametry 3D

V posledním desetiletí je snahou najít a definovat parametry, aby bylo možné lépe kvantifikovat mikrogeometrii povrchu. Možnosti získávat 3D-data představují novou generaci měřicích zařízení.

Parametry 2D jsou určovány z jednoho profilu, zatímco parametry 3D jsou počítány z celé plochy. Tyto parametry jsou odvozeny od parametrů 2D.

V současné době neexistuje mezinárodní norma, ale problém je řešen jak v Evropě, tak i v jiných zemích. Evropský program navrhl soubor 14 3D-parametrů (tab. 5). Tyto parametry jsou označeny symbolem „S“ namísto „R“, aby se ukázalo, že se jedná o měření na ploše. Definice těchto parametrů jsou založeny na hodnocené normalizované plošné autokorelační funkci (AACF) a na plošné hustotě výkonového spektra (APSD).

Návrh základních parametrů pro hodnocení 3D

Výškové (amplitudové) parametry 
Sq  Střední geometrická úchylka 
Sz  Výška deseti bodů 
Ssk  Šikmost hustoty rozložení souřadnic 
Skn  Špičatost hustoty rozložení souřadnic 
  Parametry v podélném směru (frekvenční) 
Sds  Hustota vrcholů 
Str  Poměr vzhledu textury 
Sal  Nejrychlejší pokles autokorelační délky 
Std  Směr textury 
  Hybridní parametry 
Sdq  Střední geometrický sklon 
Ssc  Střední aritmetické zakřivení vrcholů 
Sdr  Poměr rozvinuté plochy povrchu 
  Funkční parametry 
Sbi  Index nosné plochy 
Sci  Index jádra vyjadřující zadržování kapaliny 
Sui  Index prohlubně vyjadřující zadržování kapaliny 

Hodnocení textury povrchu po obrábění

Celosvětový trend zvyšování jakostních parametrů technických výrobků dnes směřuje k aplikaci moderních návrhů a využívání nových materiálů, které nabízejí řadu unikátních fyzikálně-mechanických vlastností. Takovéto aplikace mohou snížit hmotnost výrobků při zachování jejich pevnostních vlastností, snížit energetickou náročnost při jejich zpracování, mohou dlouhodobě zaručovat vynikající funkční vlastnosti, a tak často předstihnout známé používané materiály.

Řešení tohoto problému je složitější v tom, že u všech součástí vyráběných vysoce přesnými technologiemi existuje „technologická dědičnost“, která znamená, že je nutné komplexní zohlednění vlivů všech technologických procesů, které se na výrobě dané součásti podílejí. Proto pokrokové technologie musí respektovat tyto skutečnosti a řešit je tak, aby postihovaly v celém rozsahu všechny vlivy, které mohou ovlivnit vysoce přesné výrobky.

Nová pokroková strategie vychází z energetického působení na obrobek při interakci materiálu nástroje a obrobku a využívá poznatků o fyzikálních veličinách, které budou o 2 až 3 řády menší než při běžném obrábění. Významným prvkem této nové strategie technologie obrábění je povrch obrobené plochy a jeho vlastnosti. Povrch je potom hodnocen jako rozhraní mezi základním materiálem a okolím. U velkých objektů s malým poměrem povrchu k jeho objemu jsou rozhodující jeho fyzikální a chemické vlastnosti. U malých objektů s velkým poměrem povrchu k jeho objemu jsou jeho vlastnosti výrazně ovlivněny povrchem.

Významnou skutečností pro hodnocení vysoce přesných technologických operací jsou hodnoty povrchového poškození dokončované plochy. Tato poškození mohou být v rozsahu nanometrů až mikrometrů.

Převod dat do digitální formy

Aby bylo možné získat maximální množství dat obrobené plochy a dále je zpracovávat, je nutné je převádět do digitální formy. Základní filozofie tohoto postupu řešení spočívá ve využívání poznatků o textuře povrchu a jejím úplnějším hodnocení novými charakteristikami. Tím se textura povrchu stává spojovacím článkem mezi výrobou a provozem součásti i celých zařízení.

Následující tabulky představují údaje po jedné operaci obrábění s naměřenými hodnotami.

Charakteristiky textury povrchu

Mat.: ocel 12050.1, broušeno, kot. AG, vc = 30 m.sec-1, h = 0,010 mm

Parameters calculated on the profile 0,010

Parameters calculated on the profile 0,010 
Ra = 0.64 µm  Rq = 0.761 µm 
Rsk = –0.147  Rku = 2.59 
Rz = 4.18 µm  RSm = 0.0422 mm 

Charakteristiky textury povrchu

Mat.: ocel 12050.1, frézováno, n = 2240 min-1, d = 20 mm, z = 3, smin = 315 mm

Parameters calculated on the profile 315 
Ra = 0.183 µm  Rq = 0.239 µm 
Rsk = –0.982  Rku = 8.48 
Rz = 1.99 µm  RSm = 0.0962 mm 

Během zkoušek únavy se ukázalo, že textura povrchu vzorků se během cyklování mění. Tyto změny byly potvrzeny měřením na řadě vzorků. Podrobnější hodnocení těchto změn bylo možné tehdy, kdy povrchy byly hodnoceny metodou 3D, tj. v ploše, a ne jen v jednom povrchovém řezu.

Jako příklad změn povrchu je v následujících tabulkách uveden povrch frézovaný a broušený, sejmutý metodou 2D a 3D.

*** Open:\ C: Kružík\ Únava\ vzorek F 2.5 - před zkouškou ***

Statistics of roughness data (Lc = 0.800 mm)

x = [0.800 mm, 3.202 mm] 
Ra 0.506 µm 
Rq 0.626 µm 
Rz(ISO) 3.354 µm 
Rz(DIN) 3.249 µm 
Nahrávám...
Nahrávám...