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.
NahoruJakost 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.
NahoruVýznam 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.
NahoruHodnocení 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.
NahoruTextura 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.
Nahoru2D 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
Hodnoty rozsahu veličin pro měření textury povrchu jsou v tabulce
2.
Rozsahy pro měření textury povrchu
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.
NahoruParametry 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
Nosná křivka definovaná podle ISO 13565-3
Parametry definované v normě ISO 13565-3
NahoruParametry 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
NahoruHodnocení 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.
NahoruPřevod 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
Charakteristiky textury povrchu
Mat.: ocel 12050.1, frézováno, n = 2240 min-1, d = 20
mm, z = 3, smin = 315 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)
… 