Přednosti prostorového hodnocení textury povrchu v praxi

I když je zřejmé, že prostorové (3D) hodnocení povrchu je z hlediska posuzování jeho funkčních vlastností podstatně přínosnější, stále se udržují a modernizují způsoby hodnocení jakosti povrchu pouze s využitím hodnoty Ra (průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu). Tuto tendenci podporují následující důvody: průměrné hodnoty drsnosti jsou snadno měřitelné; uvedené parametry jsou mezinárodně normalizovány, srozumitelné a celá metrologie povrchu je na nich od začátku postavena. Přestože parametr Ra zůstává užitečný jako obecná směrnice pro hodnocení textury povrchu, bylo již ověřeno, že je prakticky nevyužitelný pro posuzování jeho funkčních vlastností.

Povrchy s ostrými výstupky, příp. hřebeny, hlubokými prohlubněmi (póry, dolíky apod.) nebo obecně izotropní profil povrchu – tyto všechny mohou mít stejnou průměrnou hodnotu drsnosti povrchu. Hodnota Ra nerozlišuje mezi výstupky a prohlubněmi, nedává informace o prostorovém charakteru textury povrchu. Např. měření textury broušených a soustružených povrchů ukázala prakticky stejné velikosti Ra (v rozmezí 680–750 nm).

Tímto parametrem nelze rozlišit funkční vlastnosti těchto velmi rozdílných textur povrchu. Který z těchto povrchů se bude opotřebovávat rychleji? Který z nich lépe udrží mazivo a zajistí tak lepší třecí podmínky? Který je lépe připraven na větší zatížení nebo je citlivější na vznik trhlin iniciovaných stopami po obrábění? K odpovědím na uvedené a další pro funkci důležité otázky parametr Ra neposkytuje informace.

Parametry hodnocení 2D versus 3D

Současnou běžnou praxí je odhadovat hodnoty prostorových parametrů (3D) z odpovídajících hodnot stanovených pro profil (2D) povrchu. Parametry, jako např. hustota výstupků, jsou takto již dlouho odhadovány. Taková praxe je nejen zavádějící, ale je i hlavní příčinou odkladu vytváření důležitého vlastního systému získávání a posuzování prostorových dat.

Hustota výstupků na ploše není obecně rovna čtverci hustoty výstupků profilu, poněvadž některé tzv. výstupky (hřebeny) profilu představují v prostoru jen sedlové body (výše položené spojovací povrchy mezi výstupky). Vypočtená hodnota čtverce počtu výstupků na jednotku délky je asi o 20 % vyšší, než je skutečný počet výstupků na jednotku plochy. Materiálový poměr stanovený pro profil umocněný na druhou nemůže představovat prostorovou informaci. Jen u povrchů s nejvyšší mírou anizotropie a izotropie může být materiálový poměr z profilu stejný jako materiálový poměr prostorový.

Nelze předpokládat převzetí terminologie z profilu pro prostorový popis. Čtverce hodnot parametrů z profilu lze využít pouze k získání představy o velikostech prostorových parametrů. Nelze připustit převzetí parametrů z grafů profilů, aniž by byl zvažován jejich počet a specifikována orientace.

Pro plnohodnotné uplatnění potřebují některé parametry mimo jejich číselnou hodnotu, příp. číselný soubor, ještě další informace. Příkladem je orientace (směr) stop po nástroji na dokončeném povrchu. Při funkčním párování stykových povrchů sehrává směr stop na dokončeném povrchu důležitou úlohu. Parametr, kterým je popisován směr stop na povrchu, se více podobá vektoru než skalární veličině. Představme si dva povrchy s výraznými stejně orientovanými a vysokými hřebínky, které budou na jednom povrchu skloněné vpravo a na druhém vlevo. U obou povrchů budou všechny číselné hodnoty parametrů Ra, Rq apod. stejné, ale směr relativního pohybu vzhledem k zatěžovaným hranám bude různý. Budou-li takové povrchy smontovány ve špatném směru, např. v kluzném ložisku, může nastat vážná funkční porucha. Je zřejmé, že problém se vyskytne jen při příčném vzájemném pohybu a ne při pohybu ve směru kolmém k povrchu.

V této souvislosti lze hovořit o účelnosti simulace funkce pro jednotlivé konkrétní aplikace. V klasickém pojetí montáže dvou povrchů jsou zpravidla oba proměřeny a zařazeny do funkčního uzlu. Znalost chování povrchů při funkci může vytvářet zpětnou vazbu k metrologii, spočívající v úpravě nebo přizpůsobení geometrického parametru, který lépe postihne připravenost povrchu pro danou funkci. V případě využití simulace funkce, např. u složitějších celků, by tato byla zařazena mezi metrologické operace a vlastní provozní funkci. Potom by zdrojem informací pro zpětnou vazbu a příp. přizpůsobení geometrických parametrů byla funkční simulace, což by zajistilo lepší podmínky pro praktickou aplikaci. Bylo by potom otázkou nejen technické, ale i ekonomické rozvahy, kterou z uvedených cest bude nejvhodnější použít pro modifikaci kritérií hodnocení povrchu.

Uvedený význam směrování stop na povrchu pro jeho funkci ukazuje i na nedostatek současné metrologie povrchu. Příliš velká pozornost je věnována jednomu povrchu a nedostatečná celému systému, který zpravidla tvoří dva i více povrchů. Předpis pro směřování stop na povrchu užívaný např. na dílenských výkresech (ISO Handbook, 1999) může být užitečný u jednoho povrchu, např. z hlediska vzhledu, ale nedostatečný u dvou povrchů, kde je nezbytné doplnění přesnější dynamickou informací. Posuzování povrchu z hlediska funkce nemůže být odděleno od systému, tedy bez souvislostí s jeho funkcí v montážním celku.

Praktické přednosti prostorového hodnocení textury povrchu jsou dále představeny na výsledcích konkrétních měření a aplikaci získaných charakteristik povrchu.

Hodnocení textury povrchu dříku ventilu

Měření profilu povrchu dříku ventilu bylo prováděno indukčním snímačem na přístroji Taylor Hobson – Talysurf CLI 1000. Měřicí zařízení je vybaveno křížovým stolkem s přesně řízeným souřadnicovým systémem , který umožňuje jak klasické měření jednoho profilu (2D), tak i prostorové měření povrchu (3D).

Pro klasické a prostorové hodnocení textury povrchu dříku bylo provedeno měření indukční metodou s rozsahem 0,1mm v ose  a rozlišením 2 nm. S roztečí snímání 1 μm v osách byl měřen jak profil jednoho řezu, tak i údaje z plochy 2 x 0,5 mm, což představovalo celkem 2 000 profilů. Vyhodnocení získaných dat profilu i plochy bylo provedeno standardní metodikou firemního programu Talymap Platinum.

Vyhodnocením změřených dat povrchu ventilového dříku byly zjištěny následující velikosti průměrných aritmetických úchylek profilu:

2D měření 0,270 ± 0,005 μm

3D měření 0,530 ± 0,34 μm

Z porovnání s předpisem výkresu pro drsnost kontrolovaného povrchu (Ra = 0,2 μm) je zřejmé, že požadavky na jakost povrchu dříku nebyly splněny. Přitom hodnota získaná 3D hodnocením je podstatně vyšší než z klasického hodnocení, což vyplývá z podstatně dokonalejšího a tedy reálnějšího mapování profilu povrchu plochy.

Grafický záznam drsnosti povrchu z 2D měření často ukazuje místa s výraznějšími výškovými (hloubkovými) úchylkami povrchu. Jejich velikost se neprojeví při hodnocení parametrem Ra, což vyplývá z jeho definice. Stejně tak nelze z jednoho profilu posuzovat charakter a rozsah větších úchylek, které často představují defekty nebo poškození povrchu. Naopak axonometrické zobrazení drsnosti nebo vlnitosti kontrolovaného povrchu při 3D hodnocení umožní přesně specifikovat rozsah výraznějších úchylek profilu povrchu.

Z uvedeného je zřejmé, že využitelnost výsledků 2D měření je omezená a závislá na poloze kontrolovaného řezu. 3D měření textury povrchu zajistí podstatně více údajů pro objektivní hodnocení stavu povrchu. Předností prostorového snímání povrchu jsou i rozsáhlejší možnosti hodnocení, příp. kontroly, které metodami 2D nelze vůbec provádět. Např. při měření profilu plochy lze vyhodnocovat podélnou i příčnou drsnost a vlnitost povrchu. Takto získané informace umožní posuzovat, zda dokončování povrchu neovlivnilo např. chvění nebo jiné technologické aspekty.

Pro analýzu rozměrnějšího defektu povrchu, který by mohl ovlivnit jeho funkci, je často výhodné kombinovat hodnocení 2D a 3D. Například na axonometrickém 3D zobrazení povrchu se objeví hluboká trhlina, jejíž hloubku zde nelze přesně stanovit. Proto je výhodné v tomto místě zaznamenat jeden profil řezu, který umožní vyhodnotit rozměry rýhy (hloubku, šířku, polohu) a detailně zaznamenat její tvar. Takto se získají přesné informace pro rozhodování o vlivu tohoto defektu na funkci povrchu, např. z hlediska pevnosti, únavy apod.

Uvedené měření textury povrchu dříku ventilu jednoznačně dokumentuje přednosti prostorového hodnocení, které je výsledkem zpracování výrazně většího množství změřených dat. V porovnání s klasickým hodnocením profilu jednoho náhodně vybraného řezu, 3D hodnocení podstatně lépe popisuje stav reálného povrchu. Technické přednosti prostorového hodnocení textury jsou ovšem spojeny s větší časovou náročností. Pro představu: v uvedeném příkladu měření 2 000 profilů plochy dříku ventilu o rozměrech 2 x 0,5 mm trvalo 90 minut.

Zavádění kvalitnější kontroly textury povrchu, kterou 3D hodnocení jednoznačně představuje, si vyžádá mimo již uvedené aspekty i nový přístup k výběru a předepisování vhodných parametrů hodnocení. Jedině tak bude možné plnohodnotně využít všechny přednosti prostorového hodnocení textury povrchu.

Příspěvek byl zpracován s podporou výzkumného záměru UO FVT 0000404 „Výzkum a vývoj moderních materiálů a technologií pro aplikace u vojenské techniky“.

Ing. Zdeněk Novák

doc. Ing. Emil Svoboda, CSc.

katedra strojírenství, Univerzita obrany v Brně