La rugosità superficiale è un parametro speciale del materiale. Questo nome è spesso abbreviato in rugosità ed è un componente della struttura della superficie. È determinato quantitativamente dalle deviazioni della direzione del vettore di superficie reale dalla sua forma ideale. Se queste deviazioni sono grandi, la superficie è ruvida; se sono piccoli, la superficie è liscia. Nella metrologia delle superfici, la rugosità è generalmente considerata la componente ad alta frequenza e lunghezza d'onda corta della superficie da misurare. Tuttavia, in pratica è spesso necessario conoscere sia l'ampiezza che la frequenza per garantire che una superficie sia adatta per uno scopo particolare. La rugosità superficiale è un parametro di progettazione molto importante.
Ruolo e significato
La ruvidità gioca un ruolo importante nel determinare come un oggetto reale interagirà con il suo ambiente. In tribologiaLe superfici ruvide generalmente si usurano più velocemente e hanno coefficienti di attrito più elevati rispetto alle superfici lisce. La rugosità è spesso un buon predittore delle prestazioni di un componente meccanico, poiché le irregolarità della superficie possono formare siti di nucleazione per cricche o corrosione. D' altra parte, la rugosità può favorire l'adesione. In generale, invece dei descrittori di scala, i descrittori di scala incrociata come la frattalità superficiale forniscono previsioni più significative delle interazioni meccaniche sulle superfici, inclusa la rigidità di contatto e l'attrito statico. La rugosità superficiale è un parametro piuttosto complesso, i cui dettagli sono riportati di seguito.
Valori alti e bassi
Sebbene un valore di rugosità elevato sia spesso indesiderabile, può essere difficile e costoso da controllare durante la produzione. Ad esempio, è difficile e costoso controllare la rugosità superficiale delle parti FDM. La riduzione di questi tassi di solito aumenta il costo di produzione. Ciò si traduce spesso in un compromesso tra il costo di produzione di un componente e la sua efficienza nell'applicazione.
Metodi di misurazione
L'indice può essere misurato mediante confronto manuale con un "comparatore di rugosità" (un campione di rugosità superficiale nota), ma più in generale la misura di un profilo superficiale viene effettuata con profilometri. Possono essere del tipo a contatto (solitamente uno stilo diamantato) o ottici (ad esempio,interferometro a luce bianca o microscopio confocale a scansione laser).
Tuttavia, spesso può essere desiderabile una rugosità controllata. Ad esempio, una superficie lucida può essere troppo lucida per gli occhi e troppo scivolosa per il dito (un buon esempio è il touchpad), quindi sono necessarie prestazioni controllate. La rugosità superficiale è dove l'ampiezza e la frequenza sono molto importanti.
Il suo valore può essere calcolato sia dal profilo (linea) che dalla superficie (area). Il parametro di rugosità del profilo (Ra, Rq, …) è più comune. I parametri di rugosità dell'area (Sa, Sq, …) forniscono definizioni più significative.
Parametri
Ciascuno dei parametri di rugosità viene calcolato dalla formula di descrizione della superficie. I riferimenti standard che descrivono ciascuno di essi nel dettaglio sono le superfici e le loro misure. La rugosità superficiale è una caratteristica.
I parametri di rugosità del profilo sono inclusi nello standard britannico (e mondiale) BS EN ISO 4287: 2000, identico a ISO 4287: 1997. Lo standard si basa sul sistema ″M″ (Linea mediana).
Ci sono molti parametri di rugosità differenti, ma i precedenti sono i più comuni, sebbene la standardizzazione avvenga spesso per ragioni storiche piuttosto che per merito. La rugosità superficiale è un insieme di irregolarità.
Alcuni parametri vengono utilizzati solo in determinati settori o in determinati paesi. Ad esempio, i parametri MOTIF sono utilizzati principalmente nell'industria automobilistica francese. Metodo MOTIFfornisce una valutazione grafica del profilo della superficie senza filtrare l'ondulazione dalla rugosità. MOTIF è costituito dalla porzione di profilo compresa tra due picchi, e le combinazioni finali eliminano i picchi "minori" e conservano quelli "significativi". La rugosità superficiale in un disegno è la presenza di protuberanze impresse e accuratamente misurate su di essa.
Poiché questi parametri riducono tutte le informazioni del profilo a un unico numero, è necessario prestare attenzione durante l'applicazione e l'interpretazione. Piccoli cambiamenti nel modo in cui i dati del profilo grezzo vengono filtrati, come viene calcolata la linea mediana e la fisica della misurazione possono influenzare notevolmente il parametro calcolato. Sulle moderne apparecchiature digitali, le scansioni possono essere valutate per assicurarsi che non vi siano problemi evidenti che alterano i valori.
Caratteristiche dei parametri e delle misurazioni
Poiché potrebbe non essere ovvio per molti utenti cosa significhi effettivamente ciascuna misurazione, lo strumento di modellazione consente all'utente di regolare i parametri chiave, rendendo le superfici che sono nettamente diverse dall'occhio umano, differiscono nelle misurazioni. Ad esempio, alcuni parametri non sono in grado di distinguere tra due superfici, dove una è costituita da picchi e l' altra da depressioni con la stessa ampiezza.
Per convenzione, ogni parametro di rugosità 2D è una R maiuscola seguita da caratteri aggiuntivi in un pedice. Il pedice specifica la formula che è stata utilizzata, eR significa che la formula è stata applicata a un profilo di rugosità 2D.
Maiuscole diverse significa che la formula è stata applicata a un profilo diverso. Ad esempio, Ra è la media aritmetica del profilo di rugosità, Pa è la media aritmetica del profilo grezzo non filtrato e Sa è la media aritmetica della rugosità 3D.
Impostazioni ampiezza
I parametri di ampiezza caratterizzano la superficie in base alle deviazioni verticali del profilo di rugosità dalla linea mediana. Ad esempio, la media aritmetica del profilo di rugosità filtrato, determinata dalle deviazioni dalla linea centrale all'interno della lunghezza di valutazione, può essere correlata all'intervallo di punti raccolti per quella rugosità. Questo valore viene spesso utilizzato come riferimento alla rugosità della superficie.
La rugosità media aritmetica è il parametro unidimensionale più utilizzato.
Ricerca e osservazione
Il matematico Benoit Mandelbrot ha evidenziato la relazione tra rugosità superficiale e dimensione frattale. La descrizione rappresentata da un frattale a livello di microrugosità può consentire di controllare le proprietà del materiale e il tipo di formazione del truciolo. Ma i frattali non possono fornire una rappresentazione in scala reale di una tipica superficie lavorata influenzata dai segni di avanzamento utensile, ignorano la geometria del tagliente.
Un po' di più sulla misurazione
I parametri di rugosità superficiale sono definiti nella serie ISO 25178.valori: Sa, Sq, Sz… Molti strumenti di misura ottici sono in grado di misurare la rugosità superficiale per area. Le misurazioni dell'area sono possibili anche con i sistemi di contatto. Dall'area di destinazione vengono acquisite più scansioni 2D ravvicinate. Vengono quindi cuciti insieme digitalmente utilizzando il software appropriato, ottenendo un'immagine 3D e i parametri di rugosità corrispondenti.
Superficie del suolo
La rugosità superficiale del suolo (SSR) si riferisce ai cambiamenti verticali presenti nella micro e macrotopografia della superficie del suolo, nonché alla loro distribuzione stocastica. Ci sono quattro diverse classi SSR, ognuna delle quali rappresenta una caratteristica scala di lunghezza verticale:
- la prima classe include modifiche nel microrilievo dai singoli granelli del terreno agli aggregati dell'ordine di 0,053–2,0 mm;
- la seconda classe consiste in variazioni di zolle di terreno da 2 a 100 mm;
- la terza classe di rugosità superficiale del suolo è costituita dai cambiamenti sistematici di elevazione dovuti alla lavorazione del terreno, chiamati rugosità orientata (OS), che vanno da 100 a 300 mm;
- la quarta classe include curvature planari o caratteristiche topografiche in macroscala.
Le prime due classi spiegano la cosiddetta microrugosità, che ha dimostrato di influenzare notevolmente l'evento e la scala stagionale a seconda rispettivamente delle precipitazioni e della lavorazione del terreno. La microrugosità è più spesso determinataquantificato dalla rugosità casuale, che è essenzialmente la deviazione standard dei dati di elevazione della superficie dello strato intorno all' altezza media dopo la correzione della pendenza, utilizzando un piano di migliore adattamento e rimuovendo gli effetti della lavorazione del terreno nelle letture dell' altezza individuale. L'esposizione alle precipitazioni può portare al deterioramento o all'aumento della microrugosità, a seconda delle condizioni iniziali e delle proprietà del suolo.
Su superfici irregolari, l'azione di distacco degli spruzzi di pioggia tende a levigare i bordi delle asperità della superficie del terreno, determinando una riduzione complessiva di RR. Tuttavia, uno studio recente che ha esaminato la risposta delle superfici lisce del suolo alle precipitazioni ha mostrato che RR può aumentare significativamente a piccole scale iniziali di microrugosità dell'ordine di 0-5 mm. È stato anche dimostrato che l'aumento o la diminuzione sono coerenti tra i diversi punteggi SSR.
Meccanica
La struttura della superficie gioca un ruolo chiave nel controllo della meccanica del contatto, ovvero il comportamento meccanico che si verifica all'interfaccia tra due oggetti solidi quando si avvicinano l'uno all' altro e passano dal non contatto al pieno contatto. In particolare, la normale rigidità di contatto è determinata principalmente dalle strutture di rugosità (pendenza superficiale e frattalità) e dalle proprietà dei materiali.
Dal punto di vista tecnico della superficie, la rugosità è considerata dannosa per le prestazioni del pezzo. Di conseguenza, la maggior parte delle stampe di produzione fissa un limite superioreruvidità, ma non fondo. L'eccezione sono gli alesaggi dei cilindri in cui l'olio è trattenuto nel profilo della superficie ed è richiesta una rugosità superficiale minima (Rz).
Struttura e frattalità
La struttura di una superficie è spesso strettamente correlata alle sue proprietà di attrito e di resistenza all'usura. Una superficie con una dimensione frattale maggiore, un valore elevato o un valore positivo di solito avrà un attrito leggermente maggiore e si consumerà rapidamente. I picchi nel profilo di rugosità non sono sempre punti di contatto. È necessario considerare anche la forma e l'ondulazione (ovvero sia l'ampiezza che la frequenza), soprattutto quando si elabora la rugosità superficiale.
