Методы измерения шероховатости

Определенно, все существующие в промышленности изделия характеризуются таким показателем, как шероховатость поверхности. Это микронеровности, образованные на покрытиях твердых тел, микрогеометрические характеристики, влияющие на эксплуатационные свойства. Они считаются критичным для тех изделий, которые в процессе работы трутся друг об друга или находятся во взаимодействии с остальными. Показатель шероховатости оказывает влияние на значение устойчивости к износу, герметичности соединений, отношение к проявлениям коррозийных процессов и внешний вид объекта в целом.
Повышенные значения шероховатости будут способствовать повышению температуры целых узлов при их трении, а это, в свою очередь, влечет повышение риска проявления искажения или полного уничтожения. С целью улучшения параметров шероховатой поверхности, ее подвергают специальным обработкам – шлифовкам.
Любая верхняя часть каждого объекта не может быть полностью гладкой и ровной. Эти показатели однозначно будут отличными от тех, что заданы чертежом. Отклонения в таких случаях бывают макро или микрогеометрическими. В первом случае это значение будет определять волнистость детали, а во втором – шероховатость.

Чем измеряют шероховатость

Шероховатость поверхностей или ее микронеровности измеряют приборами с высокоточными показателями, например, профилометрами или профилографами. За единицу измерений в данном случае берут микрометр (мкм). Принцип измерения заключается в проведении острой иглы (алмазной или твердосплавной) по поверхности, передавая при этом полученные данные. Данные подвергаются обработке с последующим выводом на экран.
Разница между двумя приборами заключается в способе вывода полученных данных:

• Профилометр выводит числа на экран способом ощупывания специальным приспособлением. Исследуемая поверхность подвергается ощупыванию специальной иглой, которая переносит данные о выявленных несоответствиях, преобразуя при этом механическую энергию в электрическую. Таким способом поверхность должна быт проверена не один раз. В конце проведения исследования с ощупыванием берут усредненные данные, определяя в конечном итоге нужные характеристики. Наиболее точная и стойкая к истиранию деталь профилометра – щуп из карбида вольфрама, а надежный корпус прибора защищает его от воздействия негативных факторов.
• Профилограф показывает изображение на вмонтированном экране, мониторе, расположенном с внешней стороны, или электрометрической бумаге.

Профилометрами, в основном, пользуются для определения значений шероховатости в условиях выполнения работ вне специально оборудованных помещений, а профилографы очень востребованы при выполнении рабочих процессов в условиях оборудованной лаборатории.

Какие виды существуют

Шероховатость – объединенные микронеровности, проявляющиеся на деталях с внешних сторон. Различают несколько видов такого показателя:

• Исходная. Она возникает после того, как изделие подверглось технологическим обработкам абразивными методами.
• Эксплуатационная. Такая шероховатость появляется при воздействии трения деталей во время их эксплуатации.
• Равновесная, приобретенная в результате проявления постоянных трущихся моментов.

Показатели шероховатости определены нормативным документом, среди которых:

• Ra – среднее арифметическое от профильного отклонения.
• Rz – показатели высоты несоответствий, измеренная в десяти местах.
• S – средний шаг выступов профиля в определенных местах.
• Sm – среднее арифметическое от шага неровностей.
• Rmax – показатель высоты профиля на максимальном уровне.
• Tp –длина профильной части для опоры.

В связи с тем, что шероховатость – параметр, сказывающийся на характеристиках объектов во время их эксплуатации, правильное ее определение - важная задача в метрологии.
Шероховатость, как один из параметров объекта, действует на работу объектов, а именно:

• Нарушается способ соприкосновения деталей в результате износа в значительной степени выступов профиля.
• Жесткость в соединениях понижается на порядок.
• Разрушаются контактирующие с поверхностями валов уплотнения.
• Снижается усталостная прочность деталей, так как неровности являются концентраторами напряжений.
• Нарушается герметичность соединений, снижается качество гальванических и лакокрасочных покрытий.
• Снижается правильность измерения деталей.
• Металл подвергнут коррозии, которая распространяется на грубо обработанных поверхностях быстрыми темпами. 

Какие методы существуют

Измеряются показания несколькими способами:

• Поэлементно, когда под сравнение попадают отдельно взятые параметры.
• Комплексно, когда образец сравнивают с эталонным. 

Первый считается наиболее точным и для определения шероховатости в данном случае применяются методы:

• Растровый, при котором укладывают пластину с изображенной на ней растровой сеткой с небольшим шаговым размером. На нее направляют свет под определенным углом, где имеются неровности линии отраженной сетки размещаются на линиях реальной. По возникшим муаровым полосам определяют наличие несоответствий. Значения выявленных несоответствий определяют при помощи микроскопа. Данный способ часто применяют по отношению тех поверхностей, у которых несоответствия находятся примерно в одном направлении.
• Светового свечения, применяется чаще всего. Принцип его заключается в том, что свет пропускается через небольшое отверстие, преобразовываясь в тонкую линию. При помощи объектива пучок направляется на поверхность детали под наклоном, после отражения снова проходит через объектив, проявляя рисунок в окуляре. Если поверхность ровная, пучок будет представлен в виде ровной линии, а если шероховатая – кривой.
• Теневого свечения, более усовершенствованный при котором вблизи с рабочим объектом располагается линейка со скошенным ребром. Световой луч проходит путь, срезаясь ребром линейки, отбрасывая на поверхность тень, верхняя часть которой повторяет профиль в точном соответствии. Полученное изображение рассматривают при помощи микроскопа, проводят анализ и приходят к определенным умозаключениям.
• Микроинтерференционный, при котором используют микроскоп с интерферометром. В результате применения метода получают реальную картинку с искривленными линиями в местах несоответствий. Параметры шероховатости определяют при помощи микроскопа.
• Метод слепков. Его применяют, определяя несоответствий в местах, куда трудно добраться. Для этого снимаются негативные копии при помощи воска или гипса, после чего их исследуют щупом или приборами оптического типа. Применять самостоятельно такой метод не рекомендуется, только в сочетании с одним из существующих.
• Щуповой, контактный метод измерения шероховатости, в процессе применения которого используют профилометр. При перемещении и прижимании иглы к поверхности возникают механические колебания, которые датчик передает на экран. Записанные параметры в точности повторяют неровности исследуемой поверхности.
• Оптический, проводимый без явного контакта. Применение его подразумевает использование метода светового свечения, теневого, микроинтерференционного и растрового в комплексе. 

С целью определения уровня шероховатости применяют еще и такие методы:

• Качественный, посредством которого можно установить показатели визуальным способом (изучаемая поверхность подвергается сравнению с эталонным показателем путем зрительного контакта или посредством прямых прикосновений) для объектов с невысоким классом чистоты и способом без прямого контакта для деталей с повышенным классом чистоты (с использованием микроскопа или увеличительного стекла).
• Количественный, который может быть проведен несколькими вариантами: без прямого контакта (свечение светом или тенью, с использованием микроскопа или растровой сетки со светящимся лучом) и с контактом при использовании профилометра или профилографа.