— LJ Star LJ Star

Обработка поверхности:

Механическая полировка и электрополировка

Механическая обработка и механическая полировка
Механическая полировка или механическая обработка оставляет многочисленные поверхностные царапины, которые создают области с различным электрическим потенциалом из-за поверхностных напряжений. Электрополированная поверхность по существу сбалансирована.

Локальные коррозионные ячейки не могут быть установлены, потому что локальные гальванические различия, вызванные полирующими напряжениями в поверхности нержавеющей стали, были устранены.

Наиболее эффективным методом устранения заусенцев, складок, включений и других аномалий является электрополировка. Этот электролитический процесс, противоположный процессу гальванического покрытия, предназначен для удаления металла без смазывания или складывания. Пики растворяются быстрее, чем долины, в результате большей концентрации тока над выступами. Это действие производит сглаживание и закругление профиля поверхности. Благодаря закругленному профилю электрополированные поверхности намного легче чистить, чем поверхности, отполированные только механически.

Чистота поверхности
До недавнего времени измерение и спецификация чистоты поверхности оставались предметом различных предположений. Количество различных стандартов, используемых разными производителями оборудования, привело к путанице и непониманию в отрасли.

В настоящее время предъявляются все более строгие требования к обработке поверхности всех элементов технологического оборудования в фармацевтической и биотехнологической промышленности, и многие поставщики клапанов и трубопроводов в настоящее время определяют шероховатость поверхности своей продукции.

Спецификация зернистости не может быть приравнена к стабильной поверхности. Переменными факторами, влияющими на конечный результат, являются размер зерна, нагрузка на инструмент, состояние инструмента, скорость подачи, скорость перемещения, состояние полируемого металла и используемая смазка, если таковая имеется.

Для получения точных и последовательных результатов качество обработки поверхности должно быть указано в диапазоне или максимальном уровне среднего значения шероховатости (Ra). Обычно это выражается в микрометрах (микронах) или микродюймах.

Значения в микронах или микродюймах, выражающие чистоту поверхности как среднюю шероховатость (Ra), взаимозаменяемы со значениями, определенными как (CLA) среднее по осевой линии или среднее арифметическое.Измеренные значения, выраженные в виде среднеквадратичного значения (RMS), будут примерно на одиннадцать процентов выше, чем значения, выраженные в Ra. (Микродюймы x 1,11 = среднеквадратичное значение). Для измерения шероховатости поверхности компания BBS-Systems использует прибор для измерения поверхности. Чистота поверхности затем может быть описана с использованием параметра средней шероховатости (Ra). Значение Ra определяется как среднее значение отклонений от центральной линии на заданной длине выборки.

Растущие требования к чистоте в фармацевтической и биотехнологической промышленности требуют, чтобы поверхности, контактирующие с продуктом, имели отделку, соответствующую стандартам BPE.С появлением ASME/BPE в фармацевтической и биотехнологической промышленности наконец-то появился стандарт, который можно было бы применять повсеместно.

Некоторые значения отделки поверхности

• Зернистость: Измеряет количество царапин на линейный дюйм абразивной подушки. Более высокие числа указывают на более гладкую поверхность

Стандартная зернистость (только для справки)	Ра мкдюйм	Ra мкм	Среднеквадратичное значение мкдюйм	Среднеквадратичное значение мкм
150	27 – 32	0.68 – 0,80	30 – 35	0,76 – 0,89
180	16 – 23	0,46 – 0,58	20 – 25	0,51 – 0,64
240	14 – 18	0,34 – 0,46	15 – 20	0,38 – 0,51
320	8 – 10	0,21 – 0,25	9 – 11	0,23 – 0,28

• RMS: определяется как среднеквадратическая шероховатость, этот метод измеряет выборку пиков и впадин.Меньшие цифры указывают на более гладкую поверхность
• Ra: Это измерение, известное как среднее арифметическое, представляет собой среднее значение всех пиков и впадин. Меньшие цифры указывают на гладкую поверхность

Электрополировка
Электрополировка — это процесс, сочетающий электрический ток и химические вещества для удаления поверхностного материала; это наиболее эффективный метод устранения заусенцев, складок, включений и других аномалий. Пики удаляются быстрее, чем впадины, из-за концентрации тока на пиках.Этот процесс оставляет поверхность чрезвычайно гладкой, и ее намного легче чистить за счет уменьшения общей площади, необходимой для стерилизации. Этот электролитический процесс часто выбирают из-за широкого спектра присущих ему преимуществ по сравнению с механической полировкой.

Неотъемлемые преимущества электрополировки после механической полировки заключаются в следующем:

• Превосходные поверхности для очистки и стерилизации.
• Пассивированные поверхности повышают коррозионную стойкость.
• Блестящий отражающий внешний вид.
• Устранение смазанных или порванных поверхностей, вызванных абразивной обработкой
• Удаление включений и захваченных загрязнений, таких как смазочные материалы и частицы песка.
• Повышенная коррозионная стойкость
• Более чистая поверхность зон «влажного контакта»
• Удаление поверхностных окклюзий
• Уменьшить поверхностное трение

Электрополировка также значительно уменьшает общую площадь очищаемой и стерилизуемой поверхности.

Шероховатость поверхности, обеспечиваемая различными производственными процессами

Знание того, какой производственный процесс может обеспечить требуемую отделку поверхности на поверхности, может быть дополнительным преимуществом при разработке дизайна. Вот таблица, показывающая максимальные и минимальные значения Ra, которые могут быть получены при каждом способе производства.

Процесс

Шероховатость Средняя, ​​Ra – микрометров мкм

Высокие и низкие значения типичны для каждой производственной методики. Но значения, отличные от высокого и низкого Ra, могут быть получены в особых условиях для каждого процесса.

Этикетки: База инженерных знаний, характеристика, Отделка поверхности

Методы постобработки, используемые для улучшения отделки поверхности продуктов, изготовленных с помощью технологий аддитивного производства: обзор

Аддитивное производство зародилось как технология быстрого прототипирования с процессом соединения материалы в последовательный слой за слоем, чтобы сделать объекты.Это позволяет дизайнерам создавать точные физические прототипы непосредственно из модели 3D-CAD за несколько часов.

Эти процессы лучше всего подходят для деталей, которые обычно имеют сложную конструкцию, кривые и элементы произвольной формы, имеющие лишь ограниченный процент плоских поверхностей. Однако серьезной проблемой для коммерческого использования является плохое качество поверхности, вызванное «эффектом обшивки лестницы », который показан на рис. 1d [1].

Иллюстрация процессов многослойного аддитивного производства и связанного с ним ступенчатого эффекта. a Модель САПР, b Нарезка c Фактическая производительность AM d Эффект настила лестницы

Рисунок 1 дает представление об этапах производства в AM. Шаги перечислены ниже,

1. 1.

   Создание 3D-модели САПР любым коммерческим программным обеспечением САПР (рис. 1а).

2. 2.

   Разбиение 3D-модели CAD на 2D-слои (рис.1б).

3. 3.

   Генерация физического вывода путем наложения этих двухмерных слоев один за другим (рис. 1c).

Из-за наложения 2D-слоев сгенерированная модель имеет плохую чистоту поверхности из-за «эффекта лестницы », показанного на рис. 1d.

Чтобы свести к минимуму эффект корпуса лестницы, несколько исследователей работали над различными параметрами процесса, связанными с аддитивным производством, такими как ориентация детали, толщина слоя и ориентация нанесения материала, а также для получения наилучших результатов многие исследователи работали над различными методами постобработки.

Существуют различные типы методов постобработки, которые используются для улучшения качества поверхности в зависимости от области применения и материала модели.

Методы аддитивного производства

Существует множество различных процессов аддитивного производства, каждый со своими преимуществами, недостатками и областями применения. Доступные процессы аддитивного производства классифицируются на основе различных характеристик, таких как тип используемого сырья, форма сырья и используемый принцип [1].

Классификация на основе используемого сырья приведена в таблицах 1 и 2.

Классификация на основе используемого принципа

В 2010 году группа Американского общества испытаний и материалов (ASTM) «ASTM F42 — Аддитивное производство» сформулировала набор стандартов, которые классифицируют ряд процессов аддитивного производства по семи категориям (Стандартная терминология для аддитивного производства). Технологии производства, 2012) [2]

1. 1.

   НДС Фотополимеризация

2. 2.

   Струйная обработка материала

3. 3.

   Струйная обработка связующего

4. 4.

   Экструзионный материал

5. 5.

   Порошковая кровать Fusion

6. 6.

   Листовое ламинирование

7. 7.

   Направленное выделение энергии.

В таблице 3 показаны различные принципы, используемые для различных типов процессов аддитивного производства.

Эти методы имеют некоторые возможности, такие как

• Неограниченная геометрическая свобода,

• Для контроля локальной геометрии (микроструктуры)

• Избегайте использования инструментов

• Снижение требований к запасам

• Безотходное производство

• Автоматическая работа (допускается полностью автоматизированная работа)

• Дизайн, ориентированный на клиента.

Так как у AM есть много преимуществ, однако есть и некоторые недостатки, такие как,

• Спрос на лучшие материалы.

• Существующие CAD-системы.

• Управление данными (размер файла STL)

• Мелкосерийное производство

• Финансовые накладные расходы

• Качество поверхности продуктов

По сравнению с другим традиционным аддитивным методом, имеющим низкое качество поверхности из-за послойного производства и эффекта ступенчатого настила на поверхности.В результате чистота поверхности деталей неудовлетворительна, и, следовательно, шероховатость поверхности является ключевой проблемой в аддитивном производстве. Различные процессы AM дали разные результаты шероховатости поверхности в зависимости от толщины их слоя. Исследователи [3] исследовали значения шероховатости поверхности деталей, полученных в результате различных процессов АП. В таблице 4 ниже показаны значения шероховатости для различных процессов аддитивной обработки. По сравнению с другими процессами FDM дает полосу плохой чистоты поверхности (9–40 мкм).

Для получения требуемой чистоты поверхности было предпринято несколько попыток путем оптимизации параметров процесса, таких как ориентация детали, построенная ориентация, толщина слоя, и использования операций постобработки, таких как операции механической обработки (токарная обработка, фрезерование, обработка с ЧПУ), абразивная обработка, химическая обработка, лазерная отделка поверхности и абразивно-струйная обработка.Поскольку гораздо больше работы проводится по оптимизации параметров процесса, таких как управление ориентацией детали на начальном этапе с помощью различных комбинаций по отношению к файлу STL для получения требуемого результата. Контроль встроенной ориентации деталей в станке и контроль толщины слоя.

Как обсуждалось ранее, « Эффект обшивки лестницы », который нельзя удалить путем оптимизации параметров. Это должно быть сведено к минимуму с помощью операции постобработки.

Методы постобработки

Технология аддитивного производства помогает разрабатывать продукт на основе базовой конструкции компонента и оптимизировать время итеративной разработки продукта.Хотя AM обеспечивает много преимуществ по сравнению с другими производственными технологиями, у него все же есть некоторые серьезные недостатки, такие как эффект лестницы, качество поверхности и точность размеров. Большинство исследователей работали над различными методами постобработки, чтобы преодолеть недостатки.

Некоторые исследователи [4] исследовали два автоматизированных метода финишной обработки: абразивную отделку с помощью вибрационного барабана и ультразвуковую абразивную отделку. Используя эти методы, эксперименты проводятся на компонентах, изготовленных из смол Ciba-Geigy XB5081-1 (долговечная смола) и XB 5143 (смола общего назначения), с целью получения приемлемой шероховатости поверхности.После результатов экспериментов с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и анализа топографии поверхности было высказано предположение, что оба метода способны улучшать поверхности моделей. По сравнению с ультразвуковой абразивной обработкой, процесс абразивной отделки с вибрационным барабаном обеспечивает хорошее качество поверхности за разумное время с улучшением примерно на 74 % (Исходный R ). _{значение} составляет 5,71 мкм — после обработки 1,68 мкм).

Исследователи [5] работали над вибрационным шлифованием, которое используется для очистки деталей SLS от поверхностей.В этом методе были исследованы подходящие керамические тела и определено время процесса. С помощью оптического дисперсионного анализа исследователям было продемонстрировано, что детали без сложной структуры легко поддаются вибрационному шлифованию (удаление <0,1 мм) и R . _{значение поверхности} изменено с 11 до 2 мкм.

Некоторые исследователи [6] провели эксперименты на деталях, изготовленных методом FDM, с использованием процессов HCM (горячая резка), что является успешной попыткой улучшить чистоту поверхности.Этот процесс обработки обеспечивает послойную обработку, и наблюдается, что шероховатость поверхности составляет порядка 0,3 мкм с уровнем достоверности 87%. Но этот метод ограничен плоскими поверхностями.

Исследователи [7, 8] изучали влияние химической обработки на модели FDM, изготовленные из акрилонитрил-бутадиен-стирольного (АБС) пластика. Опыт проводят в химической ванне с диметилкетоном (ацетоном), сложноэфирными и хлоридными растворителями.Диметилкетон был выбран из-за его низкой стоимости, очень низкой токсичности и очень высокой скорости диффузии. В момент эксперимента модель погружают в объем 90 % диметилкетона и 10 % воды на 300 с. Модель была проанализирована и дает значительное улучшение R . _{значение} . Химическая постобработка не требует вмешательства человека и привела к значительному улучшению чистоты поверхности за счет незначительного изменения размера прототипа.После постобработки R _{значение} варьируется в пределах 2–4 мкм.

Исследователи [9] обсудили различные методы, которые используются для улучшения шероховатости поверхности деталей, созданных с помощью DMLS. DMLS дает необработанную поверхность модели по сравнению со средней обточенной поверхностью с шероховатостью поверхности примерно R _и как 8,75 мкм. Эта шероховатость поверхности может быть улучшена до R . _и 0.025 мкм, квалифицируемое как суперзеркальное покрытие. Существует несколько доступных процессов, которые можно использовать для достижения желаемой шероховатости поверхности или отделки моделей, созданных с помощью DMLS, а именно: абразивно-струйная обработка (песок и керамика), дробеструйная обработка, полировка, электрохимическая полировка, оптическая полировка (ручная обработка), чистовая обработка с ЧПУ. , Абразивно-струйная обработка (Extrude Hone) Полировка, гальваника, процесс микрообработки (MMP).

Исследователи [10] работали над простым методом постобработки для улучшения качества поверхности деталей, созданных с помощью аддитивного моделирования.В этом примере эпоксидная смола, наполненная алюминием, используется в качестве наполнителя для улучшения качества поверхности модели, изготовленной методом плавления FDM. Средняя шероховатость поверхности воскового рисунка может быть значительно снижена с 17,10 до 2,76 мкм. Может быть достигнуто улучшение шероховатости поверхности до 83,85 %.

Некоторые исследователи [11] провели эксперименты с деталями, изготовленными из SLS, для улучшения чистоты поверхности с использованием лазеров CO ₂ и Nd:YAG. На основании экспериментов исследователи заметили, что частичное плавление поверхности с увеличением R _и значений и уменьшение переплавления.Полученные результаты свидетельствуют о том, что снижение R _и шероховатость была достигнута в деталях SLS из нержавеющей стали 420 с инфильтрацией бронзы с помощью CO ₂ и лазерной полировки Nd: YAG. Наилучшие результаты: (1) R _a уменьшение с 2,1 до 1,6 мкм при 220 Вт и 2,2 мм/с (2) R _a уменьшение с 2,38 до 1,65 мкм при 320 Вт и 1,19 мм/с и (3) R _на меньше 2.от 38 до 0,8 мкм при 420 Вт и 4,5 мм/с. С помощью лазерной полировки Nd:YAG наилучший результат R . _и уменьшение с 9,0 до 2,40 мкм при 220 Вт и 1,7 мм/с.

Исследователи [12] провели эксперименты по лазерной полировке линий, плоских поверхностей и наклонных плоскостей. Экспериментальные испытания проводились на деталях, полученных в результате процесса SLS, с исходной шероховатостью Ra 7,5–7,8 мкм. После проведения эксперимента результаты представляют окончательную шероховатость поверхности ниже 1.49 мкм Ra, что соответствует уменьшению средней шероховатости на 80,1 %.

Было обнаружено, что отделка поверхности также может быть улучшена с помощью методов постобработки. Различные методы постобработки перечислены ниже в таблице 5 на основе традиционных и нетрадиционных подходов.

Кроме того, те же методы классифицируются на основе сырья, используемого в аддитивном производстве, в Таблице 6.

В Таблице 6 лазерная микрообработка является распространенным методом, используемым в качестве операции постобработки полимера, металла и керамики.Поэтому данная работа сосредоточена на лазерной обработке поверхности.

Лазерная обработка поверхности

Качественные характеристики LASER в сочетании с высокой степенью гибкости, бесконтактной обработкой и возможностью высокой автоматизации, а также простой интеграцией позволяют нам использовать этот инструмент в широком диапазоне процессов макрообработки на многие материалы, включая кремний, керамику, металл и полимер.

Исследователи [13, 14] использовали лазерную микрообработку, которая включает в себя ряд различных процессов, различающихся по геометрии элемента и способу удаления материала с поверхности.При лазерной микрообработке луч используется для разрезания материала подложки, оставляя после себя разрез, который полностью проходит на противоположную сторону подложки. Как это обычно бывает при лазерной резке листового металла, материал, удаленный из пропила, преимущественно выбрасывается с противоположной стороны. На рис. 2 показана операция лазерной резки.

Когда удаление материала выполняется только с одной стороны, т.е. это называется процессом абляции, и удаляемый материал обязательно должен быть выброшен с той же стороны, на которую падает лазер.На рис. 3 показан процесс лазерной абляции.

В обоих случаях удаленный материал выбрасывается в первую очередь через пропил, который был прорезан лазерным лучом и который следует за лазерным лучом по мере его перемещения по траектории инструмента. Процесс удаления материала включает как термические, так и химические процессы, в зависимости от того, как лазерное излучение взаимодействует с подложкой. На более длинных волнах энергии фотонов недостаточно, чтобы обеспечить что-то большее, чем простой нагрев подложки.Однако при достаточно высокой интенсивности нагрев может быть достаточно концентрированным, чтобы сначала расплавить материал подложки в локализованной зоне, а затем испарить его в тех областях, где интенсивность лазерного излучения и последующий нагрев выше. Затем материал подложки переходит в газовую фазу, хотя испаренный материал часто впоследствии ионизируется лазерным излучением, что приводит к образованию плазмы и шлейфа, которые могут препятствовать падающему лучу.

Обычно вокруг падающего луча выделяют три зоны:

1. 1.

   Зона термического влияния или ЗТВ

2. 2.

   Зона плавления

3. 3.

   Зона испарения.

Некоторые материалы могут переходить непосредственно из твердой фазы в паровую путем сублимации, поэтому зона расплава отсутствует.Оба плавления с последующим испарением или прямой сублимацией, то есть чисто термическими процессами абляции. При более коротких длинах волн энергия фотонов может достигать уровня прочности химической связи подложки. Затем лазерное излучение может разорвать эти химические связи за счет прямого поглощения фотонов, что приведет к улетучиванию субстрата в более простые соединения.

Исследователи [15] работали над коротким лазером, который используется для механической обработки. В этом процессе энергия фотона теряется из-за разрыва химической связи, тепловые эффекты луча значительно уменьшаются, и эту область иногда называют «холодной лазерной обработкой» или фотохимической абляцией.Это значительно снижает переходные термические напряжения, возникающие при термической абляции, и, таким образом, результат демонстрирует меньшее изгибание, деформацию и расслоение подложки, а также меньшее количество эффектов оплавления краев, которые ухудшают точность элементов. Поскольку пиковое повышение температуры значительно снижается, кондуктивный поток тепла от зоны облучения также уменьшается, и достигается лучший контроль размеров микрообработанной структуры. За последние два десятилетия развития наблюдается общая тенденция к использованию лазеров с более короткой длиной волны для микрообработки.В настоящее время УФ-лазеры в диапазоне от 350 до 250 нм используются на промышленном рынке из-за холодной лазерной обработки.

Лазеры для постобработки (лазерная микрообработка)

На рынке доступны различные типы лазеров для обработки материалов. Исследователи [16–18] работали над лазерами и обсудили, что на сегодняшний день наиболее распространенным лазером, используемым для промышленной обработки, является газовый лазер на углекислом газе (CO ₂ ). Эта популярность обусловлена ​​уникальным сочетанием высокой средней мощности, высокой эффективности и прочной конструкции.Лазеры CO ₂ широко используются для маркировки, гравировки, сверления, резки, сварки, отжига и термической обработки огромного разнообразия промышленных материалов. Для приложений микрообработки большая длина волны приводит к довольно большому диаметру пятна ~ 50–150 мкм с соответствующей шириной пропила.

Наиболее распространенным твердотельным лазером, используемым в промышленности, является иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом, или Nd:YAG [19, 20]. Для целей микрообработки используются четыре типа лазеров Nd:YAG, которые дают разную длину волны: 1064 нм, 532 нм (зеленый выход), 355 нм (ближний ультрафиолет-УФ-диапазон) и 266 нм (глубокий ультрафиолет-УФ-диапазон). .

Лазеры на парах меди также зарекомендовали себя в высокоточной микрообработке [21, 22]. Лазеры на парах меди также имеют превосходное качество луча и обычно могут создавать дифракционно-ограниченное пятно на подложке с помощью только простой внешней оптики управления лучом. Недостаток лазеров на парах меди заключается в том, что они, как правило, имеют более короткий срок службы и требуют большего обслуживания, чем лазеры Nd: YAG

Эксимерные лазеры также нашли широкое применение в приложениях для обработки материалов [23].Обычно используются эксимерные лазеры XeF с длиной волны 351 нм, KrF с длиной волны 249 нм, ArF с длиной волны 193 нм и двухатомный F2 с длиной волны 157 нм. Как и другие лазерные системы, эти типы лазеров используются в обработке материалов в соответствии с применением.

Исследователи [24] сообщили нам, что лазер с более высокой интенсивностью луча можно использовать для поверхностной абляции материалов, а благодаря короткой длине волны и короткой ширине импульса лазер обычно дает чистые, четкие детали в металлах, керамике, стекле, полимерах, и композиты, делающие их пригодными для многочисленных применений микрообработки.

(PDF) Оценка шероховатости поверхности древесины в зависимости от породных характеристик

Maderas-Cienc Tecnol 17(3):2015

До печати: Принятая авторская версия



10

JFURA 900; ФУДЗИИ, Ю.; ОКУМУРА, Ш. 2005. Взаимосвязь между параметрами шероховатости 198

на основе кривой соотношения материалов и тактильной шероховатостью для отшлифованных поверхностей двух твердых пород 199

. Журнал науки о древесине 51: 274–277. 200

ФУНК, Дж.В.; ФОРРЕР, Дж. Б.; БАТЛЕР, Д.А.; БРУННЕР, CC; MARISTANY, AG 201

1992. Измерение шероховатости поверхности дерева: сравнение методов рассеяния лазера и щупа 202–

. ШПИОН 1821: 173–184. 203

GOLI, G. 2003. Superficie del legno ottenuta mediante fresatura: studio delle meccaniche di 204

formazione e dei relativi difetti. Поверхности bois obtenues par de’ foncage: e’ tude de la me’ 205

canique deformation et des de’ fauts induits.Кандидат наук. Тезис. Universita´ degli studi di Firenze. 206

Высшая национальная школа искусств и ремесел – Клюни. 207

ГОЛИ, Г.; ФИОРАВАНТИ, М .; СОДИНИ, Н.; УЗИЭЛИ, Л.; TAGLIA, AD 2005. Обработка древесины 208-

: вклад в интерпретацию происхождения поверхности в соответствии с ориентацией волокон 209-

. Доклад представлен на семинаре COST E35 в Розенхайме. ред. Stanzl-Tschegg, 210

SE, Sinn, G. BOKU – Университет природных ресурсов и прикладных наук о жизни, Вена.211

ГОЛИ, Г.; МАРШАЛ Р.; UZIELLI, L. 2004. Классификация дефектов поверхности древесины 212

в зависимости от их механического образования при механической обработке. Доклад представлен на 2

nd

213

Международном симпозиуме по деревообработке. ред. Stanzl-Tschegg, S.E., Gindl, M., Sinn, 214-

G. BOKU – Университет природных ресурсов и прикладных наук о жизни, Вена, стр. 315-324. 215

ГОЛИ, Г.; МАРШАЛ Р.; УЗИЭЛИ, Л. 2004.Classificazione qualitativa dei difetti con 216

визуального метода. Ксилон 2:44-48. 217

ХЕККЕР, М.; BECKER, G. 1995. Шероховатость поверхности шпона пихты Дугласа в результате управления лесоводством. Доклад представлен на XX Всемирном конгрессе IUFRO. Тампере, 219

Финляндия. 6–12 августа, стр. 352. 220

Шероховатость поверхности (чистовая обработка) Обзор и формулы

Обзор шероховатости поверхности (чистовая обработка) и формулы — Engineers Edge

Меню производственных знаний
Таблица преобразования шероховатости поверхности

Шероховатость поверхности и текстура является мерой более мелких неровностей текстуры поверхности и состоит из трех компонентов: шероховатости, волнистости и формы.Это результат производственного процесса, используемого для создания поверхности.

Средняя шероховатость поверхности (Ra), также известная как среднее арифметическое (AA), оценивается как среднее арифметическое отклонение впадин и пиков поверхности, выраженное в микродюймах или микрометрах. В стандартах ISO используется термин CLA (среднее значение центральной линии). Оба интерпретируются одинаково.

Где Ra — среднее арифметическое значение или отклонение от передней eh центральной линии профиля, уравнение для четырех измеренных значений:

Где:
Mx = значение измерения

Среднеквадратичное значение (RMS / Rq / Rs) можно рассчитать по формуле:

Способность производственной операции обеспечить заданную шероховатость поверхности зависит от многих факторов.Например, при резке концевой фрезой конечная поверхность зависит от скорости вращения фрезы концевой фрезы, скорости перемещения, скорости подачи, количества и типа смазки в точке резания и механических свойств. обрабатываемая деталь. Небольшое изменение любого из вышеперечисленных факторов может оказать существенное влияние на получаемую поверхность.

S ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ СРЕДНИЙ ДОСТИГАЕМЫЙ
ОБЫЧНЫМИ МЕТОДАМИ ПРОИЗВОДСТВА

Каталожные номера:

АСМЭ Б46.1

• ASME Y14.36M – 1996 Символы текстуры поверхности
• ISO 468:1982 «Шероховатость поверхности — параметры. Их значения и общие правила для уточнения требований».
• ISO 4287:1997 «Текстура поверхности: метод профиля. Термины, определения и параметры текстуры.”
• ISO 4288:1996 «Текстура поверхности: метод профиля. Правила и процедуры для оценка текстуры поверхности». Включает спецификации для точности эталонные образцы и образцы для сравнения шероховатости, и устанавливает требования к инструментам щупового типа.
• ISO 8785:1998 «Дефекты поверхности. Термины, определения и параметры.
• ISO 10135-1:CD «Представление деталей, изготовленных формовочными процессами. Часть 1: Формованные детали».

Выбор правильной шероховатости поверхности для обработки с ЧПУ

CNC-обработка — это высокоточный производственный процесс, позволяющий создавать детали с допусками до 0,025 мм. Однако, будучи субтрактивным методом производства, обработка с ЧПУ оставляет следы порезов, которые создают некоторую шероховатость на поверхности готового изделия.

Шероховатость поверхности — это мера средней текстуры поверхности детали, в данном случае после обработки на станке с ЧПУ. Существуют различные параметры, используемые для определения шероховатости поверхности. Одним из наиболее распространенных из них является Ra (среднее значение шероховатости), которое выводится из разницы между высотой и глубиной на поверхности. Шероховатость поверхности Ra измеряется микроскопически и обычно измеряется в микрометрах (x 10~⁶ м). Обратите внимание, что шероховатость поверхности в этом контексте отличается от чистоты поверхности.Чистота поверхности обработанной детали может быть улучшена с помощью различных методов отделки, таких как анодирование, дробеструйная обработка и гальваническое покрытие. Шероховатость поверхности здесь относится к текстуре поверхности детали после механической обработки.

Шероховатость поверхности детали после механической обработки обычно не случайна. Вместо этого предпринимаются шаги для обеспечения достижения определенной шероховатости. Это означает, что значения шероховатости поверхности планируются заранее.Однако обычно указывается не любое значение. В производстве существуют определенные значения Ra, которые считаются отраслевыми стандартами, как указано в ISO 4287. Это значения, которые могут быть указаны во время обработки с ЧПУ. Они варьируются от 25 мкм до 0,025 мкм и применимы ко всем видам производственных и постобрабатывающих операций.

В Xometry Europe мы предлагаем четыре уровня шероховатости поверхности, которые также являются значениями, обычно указанными для приложений обработки с ЧПУ:

• 3.2 мкм Ra
• 1,6 мкм Ra
• 0,8 мкм Ra
• 0,4 мкм Ra

Для разных применений требуются разные значения шероховатости. Меньшие шероховатости поверхности следует указывать только в случае необходимости. Это связано с тем, что чем ниже значение Ra, тем больше усилий/операций по обработке и контролю качества потребуется. Они могут значительно увеличить стоимость и время обработки. Операции постобработки обычно не применяются, когда требуются определенные значения шероховатости поверхности.Это связано с тем, что эти операции нельзя точно контролировать, и они могут повлиять на допуск размеров деталей.

Шероховатость поверхности значительно влияет на функциональность, производительность и долговечность деталей в определенных областях применения. Он влияет на коэффициент трения, уровень шума, износ, нагрев и клейкость используемой детали. Важность этих факторов зависит от области применения, поэтому, хотя шероховатость поверхности детали не имеет значения в одних областях применения, во многих других она имеет решающее значение.Эти приложения включают сценарии высокого напряжения, стресса и вибрации, сопрягаемые и движущиеся узлы, быстро вращающиеся детали и медицинские имплантаты. Как указывалось ранее, для различных применений требуются разные уровни шероховатости поверхности.

Далее рассматриваются уровни шероховатости, которые мы предлагаем в Xometry Europe, и все, что вам нужно знать, чтобы выбрать правильное значение Ra для вашего применения.

Это стандартная отделка коммерческих машин.Он подходит для большинства потребительских деталей и достаточно гладкий, но имеет видимые порезы. Это применяемая по умолчанию шероховатость поверхности, если не указано иное.

Ra 3,2 мкм — рекомендуемая максимальная шероховатость поверхности для деталей, подверженных нагрузкам, нагрузкам и вибрации. Его также можно использовать для сопряжения движущихся поверхностей, когда нагрузка невелика, а движение медленное. Он обрабатывается с использованием высоких скоростей, точной подачи и легкой обработки.

Обычно при использовании этого параметра остаются лишь слегка заметные метки. Этот рейтинг Ra рекомендуется для плотных посадок и деталей, находящихся под нагрузкой, и достаточен для медленно движущихся и легких несущих поверхностей. Однако он не подходит для быстровращающихся деталей и деталей, подверженных интенсивной вибрации. Такая шероховатость поверхности достигается за счет высоких скоростей, мелкой подачи и легкой обработки в контролируемых условиях.

Цена: за стандартный алюминиевый сплав (т.г. 3.1645) этот вариант увеличивает стоимость производства примерно на 2,5%. Это может увеличиваться по мере усложнения детали.

Эта отделка поверхности, считающаяся высококачественной, требует очень тщательного контроля при производстве и стоит дороже. Это требуется для деталей, которые подвергаются концентрации напряжений. Когда движение случайное и нагрузки легкие, его можно использовать для подшипников.

Цена: за стандартный алюминиевый сплав (т.г. 3.1645) этот вариант увеличивает стоимость производства примерно на 5%. Это может увеличиваться по мере усложнения детали.

Это самая мелкая («наименее шероховатая» с технической точки зрения) и самая качественная шероховатость поверхности из предлагаемых. Он подходит для деталей, которые находятся под высоким напряжением или напряжением. Это также требуется для быстро вращающихся компонентов, таких как подшипники и валы. Эта шероховатость поверхности требует наибольших усилий для производства и должна указываться только тогда, когда гладкость имеет первостепенное значение.

Цена: для стандартного алюминиевого сплава (например, 3.1645) этот вариант добавляет примерно 11-15% к стоимости производства. Это может увеличиваться по мере усложнения детали.

Компания Xometry имеет возможность изготовить детали, обработанные на станках с ЧПУ, с любым из этих вариантов шероховатости поверхности. Просто загрузите свою модель на нашу платформу мгновенного расчета стоимости и выберите предпочтительную шероховатость поверхности, чтобы получить предложение за секунду.

Новый метод оценки параметров шероховатости поверхности, полученных с помощью лазерного сканирования

В целях валидации предложенного метода анализа и оценки шероховатости поверхности были рассчитаны коэффициенты шероховатости и получены аналитические данные для образцов красных керамических блоков.Цель этих испытаний состоит в том, чтобы проверить, являются ли предлагаемые методы удовлетворительными для оценки шероховатости поверхности блоков, позволяя установить связь между этим свойством и сопротивлением адгезии растворов для покрытия блоков. С этой целью из одной и той же глины были изготовлены керамические блоки, подвергнутые циклам обжига при 800 °С и 1000°С, в результате чего были получены блоки со значительными различиями в физико-механических свойствах.

Блоки были подготовлены, прочитаны и проанализированы в соответствии с процессами, описанными в разделах 3 и 5.Наконец, была получена визуальная информация для анализа и оценки результатов.

Для расчета сигнатур шероховатости используется 3-й уровень подразделения иерархии дерева квадрантов, поскольку это хорошее разрешение для расчета шероховатости, поскольку оно приближается к уровню точности считывания лазера, и именно первый уровень подразделения позволил нам убедиться в значительной разнице между поверхностями (см. рис. 11). Для просмотра подписи задается минифицированная версия рисунка (без значений коэффициентов R _a ), так как это облегчает визуальную интерпретацию и сравнение результатов.

Сигнатуры шероховатости поверхностей с четырьмя уровнями детализации. В первом столбце под каждой цифрой показаны общие R _и . В других столбцах показаны среднее ( R _A AVG ), минимум ( R _{A млн. мин ), Максимальный ( R A MAX ) и стандартное отклонение ( R a sdv ) для каждого набора R a .}

Оценка полученных результатов

Для оценки результатов сравниваются визуальные признаки всех поверхностей. Другая информация (гистограмма и график шероховатости) также используется для помощи в анализе поведения коэффициента. Таким образом, в дополнение к значениям R _a , рассчитанным для каждого местоположения каждого уровня точности дерева квадрантов (представляющим данные для количественной оценки), а также вычисленным в справочных работах ^6,11 , в настоящей работе представлены новые инструменты, позволяющие более точно оценивать поведение коэффициентов на поверхности, а также сравнивать коэффициенты (сигнатуры) между разными поверхностями.

В отношении локальной оценки, т. е. визуализации информации о шероховатости на поверхности, с пространственным разделением областей (квадрант), сигнатура шероховатости метода позволяет лучше интерпретировать локально рассчитанные коэффициенты, чем эталонные методы, описан в ^6,11 . Можно лучше понять, что происходит с внутренними коэффициентами и их распределением по поверхности.

На основе анализа сигнатуры можно визуализировать участки поверхности с большим разнообразием коэффициентов и определить, какие участки имеют больший (или меньший) уровень шероховатости.По сравнению с методами, представленными в ^6,11 , в этом отношении имеется значительный выигрыш, поскольку методы представляют только глобальные коэффициенты шероховатости поверхностей без локального или детального анализа.

По сравнению с методами реконструкции поверхности ^{15,16,17,18,21,22} предлагаемый метод имеет преимущество как в том, что информация в этих справочниках сглажена по отношению к исходной поверхности, так и в том, что что он не фокусируется на анализе коэффициентов шероховатости именно потому, что он направлен на воспроизведение поверхностей, а не на анализ шероховатости.Эти методы позволяют только качественно оценить коэффициенты шероховатости.

Характеристика шероховатости также позволяет оценить общую поверхность, сравнивая одну поверхность с другими поверхностями того же блока и со всеми поверхностями, отобранными при одинаковой температуре обжига. Это позволяет оценить поведение деталей (поверхностей) внутри самого блока, найти закономерности поведения, указывающие на более высокий коэффициент межфазной адгезии в определенных местах, и общее поведение коэффициентов по отношению к блокам той же температуры.Например, в блоке есть области с большей шероховатостью, а есть области с меньшей шероховатостью; можно определить области, где блоки могут способствовать прилипанию.

Для оценки коэффициентов шероховатости поверхности предлагается анализ как уровня детализации делений дерева квадрантов, так и сравнение поверхностей путем анализа разработанных оценочных метрик (сигнатуры, гистограммы, графика шероховатости).

Оценка по уровню детализации

Первой предлагаемой формой оценки является иерархический и локальный анализ коэффициентов шероховатости.В этом методе оценки можно анализировать и сравнивать сигнатуры поверхности на разных уровнях детализации. Чем выше уровень разделения оцениваемого дерева квадрантов, тем выше уровень точности этой оценки именно потому, что предыдущие уровни имеют глобальные или средние значения по отношению к региону. Также следует учитывать, что на начальном уровне дерева квадрантов (корневом уровне) вычисляемый коэффициент является глобальным значением поверхности, то есть того же типа результата, что и работы, представленные в работах ^6,11 .На рисунке 11 представлено сравнение на начальных уровнях деревьев квадрантов двух поверхностей, отобранных для проведенных тестов. В примере коэффициенты на более низком уровне детализации кода (уровни 0, 1 и 2) дают очень похожие результаты благодаря средним значениям R _a . Это заметно, потому что R _A в первом столбце и значения R _A мин и R _A Max во второй и третьей колоннах таблицы очень похожи (даже изображения очень похожи).Однако на третьем уровне деления (уровень 3) разница между поверхностями воспринимается лучше. Изображения имеют большую разницу, и R _a min и R _a max имеют большую разницу по сравнению с результатами предыдущих уровней.

Инженер-профессионал, однако, может использовать тот уровень подразделения, который лучше всего подходит для его целей, потому что он позволяет искать закономерности сходства между блоками или более подробно анализировать их различия.

6.1.2 Сравнительная оценка шероховатости

Сравнение результатов, полученных при различных температурах, указывает инженеру-профессионалу показатель, позволяющий определить, какой процесс выбрать в соответствии с желаемым уровнем шероховатости. Таблица 1 представляет результаты ( R _A AVG , R _{R мин , R A MAX E R A}

Другой формой анализа, используемой в этой работе, является сравнение данных с помощью недавно предложенных инструментов анализа. Комбинируя использование трех инструментов, можно вывести несколько вариантов поведения, шаблонов и анализов поверхностей, взятых в качестве образцов.На рисунке 12 представлены результаты, полученные в ходе тестов, проведенных для проверки модели.

Для вычисления подписей, минимум ( R _A

Характеристика шероховатости помогает в оценке шероховатости и межфазной адгезии в образцах с разной температурой, поскольку, в частности (см. рис. 12), существует дифференцированное поведение между блоками с разной температурой обжига. Как показано на рис. 12, некоторые поверхности имеют больший разброс шероховатости, чем другие.Это воспринимается по цветовой вариации подписи. Однако можно выделить и другие виды поведения. Например, в проведенных тестах удалось проверить стандартизированное поведение (подобие) между поверхностями аналогичных областей всех блоков, см. столбец «Поверхность А» на рис. 12. Проверено, что в этой области блоки, коэффициенты имеют в целом низкую вариацию; они имеют значения близкие или ниже средней шероховатости ( R _a avg ).Это поведение показано на графике коэффициентов.

Другой инструмент, используемый для оценки результатов, гистограмма, позволяет нам сравнивать изменение значений шероховатости между блоками с разной температурой обжига. Обычно отмечается, что поверхности блоков с температурой обжига 800 °С сконцентрировали коэффициенты ближе всего к центру гистограммы (или ближе к значению R _a ср ). На поверхностях блоков 1000 °С наблюдается больший разброс или разброс значений по отношению к средней шероховатости ( R _a ср ).

Благодаря результатам, представленным с помощью инструментов, использованных для анализа, можно было количественно и визуально убедиться, что блоки с температурой обжига 1000 °C имеют больший разброс шероховатости по сравнению с блоками с температурой обжига 800 °C, что предполагает эффект благоприятствования межфазной адгезии с бетоном.

Наконец, предлагаемые средства позволяют в большей степени варьировать критерии оценки шероховатости поверхности по отношению к количественному виду, представленному в справочниках ^6,11 и субъективным методам ^{15,16,17,18,21, 22} .Как видно из представленных результатов, можно проводить анализ на нескольких уровнях детализации, допуская сравнения и предположения, которые нелегко определить с помощью простого анализа глобальных коэффициентов.