Zvýšení kvality hodnocení textury povrchu

I když jsou postupy měření a hodnocení textury povrchu dlouhodobě normovány, stále se vyvíjejí, zpřesňují a doplňují. Cílem těchto prací je zajistit v maximální míře objektivní hodnocení profilu povrchu ve vztahu k jeho funkci. Přitom jde nejen o zjištění stavu připraveného povrchu, ale i o predikci případných změn funkční způsobilostí v průběhu provozu. Základem hodnocení povrchu jsou měřené parametry, které však vesměs nabízejí jen dílčí pohled na některé vlastnosti povrchu. Ukazuje se, že právě praktické využitelnosti stávajících a připravovaných parametrů pro posuzování funkčních vlastností povrchů by měla být věnována větší pozornost. Přispělo by to nejen ke kvalifikovanějšímu chápání vztahu povrchu k jeho funkci v širších souvislostech (příprava povrchu určitých vlastností, změna funkčních vlastností v průběhu provozu apod.), ale i k potvrzení významu hodnocení textury povrchu. Příspěvek představuje příklady možností praktického využití vybraných parametrů profilu povrchu získaných měřením a hodnocením přístroji Taylor Hobson.

Analýzy jakosti povrchu zahrnují tři základní typy charakteristiky textury povrchu: drsnost (R – parametr), vlnitost (W – parametr) a základní profil (P – parametr). Standardně jsou parametry profilu povrchu rozděleny do tří skupin podle kvantifikované charakteristiky hodnocení nerovností povrchu: výškové parametry – definovány v ose Z, délkové parametry – definovány v ose X, hybridní parametry – definovány v osách X a Z.

Výškové parametry jsou určeny pouze výškami výstupků a prohlubní nebo jejich kombinacemi, bez ohledu na jejich rozměry v horizontálním směru.

Ra – průměrná aritmetická úchylka profilu od střední čáry v rozsahu základní délky
Parametr je nejčastěji využíván při měření dokončeného povrchu a dříve byl také označován jako průměrná střední čára (CLA) nebo v USA jako aritmetický průměr (AA). Parametr Ra je často využíván nesprávně. Je třeba zdůraznit, že Ra je vhodným parametrem pro řízení nebo regulaci výrobního procesu. Změní-li se hodnota Ra, je to zpravidla výsledkem změny podmínek procesu, např. břitové destičky, rychlostí nebo posuvů obrábění, řezné kapaliny (maziva) apod.
Podstatné je, že samotná hodnota Ra neříká nic o charakteristice kontrolovaného povrchu součásti. Poněvadž parametr nerozlišuje mezi výstupky a prohlubněmi ukáže stejnou hodnotu Ra u povrchů, které mají i zcela rozdílné tvary a rozměry výstupek-prohlubeň a tedy různou funkční charakteristiku. Z diagnostického hlediska lze Ra označit jako nevhodný parametr.
Nabízí se srovnání: hodnoty Ra jsou podobné údajům o pacientově teplotě; vysoká teplota naznačuje, že něco není v pořádku, ale neříká nic o příčině. Přitom vysoká teplota může být symptomem lehké chřipky, ale také malárie.
Pro praxi zajímavé je i využití výškového parametru Pa, který lze ve spojení s vyhodnocovanou délkou (ln) využít pro výpočet velikosti (obsahu) prohlubně. Takto lze stanovit objem opotřebovaného nebo naneseného materiálu v daném místě povrchu.
Rq (RMS) – průměrná kvadratická úchylka profilu v rozsahu základní délky (průměrná kvadratická hodnota Ra)
Hodnota Rq je citlivější na nežádoucí výstupky a prohlubně kontrolovaného povrchu, a proto zpravidla ukazuje vyšší hodnoty než Ra.
Parametr Rq (RMS) v porovnání s Ra zvýrazňuje větší váhu vyšších hodnot hodnocených údajů. To lze ukázat na třech skupinách čísel: 3, 4, 5; 2, 4, 6; 1, 4, 7. U všech skupin je aritmetický průměr 4, zvýší-li se v každé skupině nejvyšší číslo a o stejnou hodnotu se zmenší nejmenší člen, dostaneme hodnoty RMS

: (4,07), (4,31), (4,69). Je zřejmé, že vliv nárůstu nejvyššího čísla převažuje zmenšení nejnižšího.
Ze statistického hlediska jsou hodnoty Rq (RMS) významnější než aritmetické průměry (Ra). Parametr Rq není bohužel příliš využíván ve všeobecném strojírenství. Naopak je více využíván např. v optickém průmyslu díky své schopnosti zjišťovat nežádoucí (rušivé) výstupky a prohlubně.

Rt – celková výška profilu, tzn. součet nejvyššího výstupku a nejnižší prohlubně profilu v rozsahu vyhodnocované délky (ln)
Parametr je především významný u vysoce namáhaných součástí, kde velké hodnoty vzdáleností mezi výstupky a prohlubněmi představují oblasti se sklonem k poškození povrchu trhlinami. Tento výškový parametr může mít velmi proměnlivou a nestálou hodnotu. Hodnotu Rt ovlivňují i jednotlivé rýhy a výstupky profilu povrchu. Tento parametr podobně jako všechny parametry typu výstupek – prohlubeň, je divergentní.
Ve starší technické dokumentaci, která obvykle pochází z Německa, jsou někdy uváděny trojúhelníkové značky popisující Rt. Tato norma byla v roce 1978 zrušena a již neplatí.

Rp – největší výška výstupku nad střední čárou v rozsahu základní délky
Výstupky, tvořící stykové plochy povrchů, jsou důležité pro hodnocení procesů tření a opotřebení. Výstupky povrchu, které se v provozu opotřebovávají, mohou způsobit problémy při měření rozměrů. Rozměr původně zahrnující výstupky se jejich opotřebením jistě změní. Je třeba připomenout, že měření nemusí zahrnout všechny skutečné extrémy povrchu. Proto hodnoty parametru Rp získané opakovaným měřením stejného povrchu budou pravděpodobně rozdílné.

Rv – největší hloubka prohlubně pod střední čárou v rozsahu základní délky
Prohlubně jsou důležité pro udržení maziva na povrchu. Jsou tedy v řadě případů žádoucí, i když naopak jsou prohlubně nejčastěji místem vzniku trhlin a koroze. I zde platí, že měření nemusí postihnout všechny extrémní úchylky povrchu. Proto hodnoty parametru Rv získané opakovaným měřením stejného povrchu budou pravděpodobně rozdílné.

Rz vyjadřuje průměrnou hodnotu ze všech Rt změřených na jednotlivých základních délkách. Parametr Rz je využitelný obdobně jako Rt, jeho hodnota je však stálejší, poněvadž není tak citlivá na rušivé vlivy na povrchu, jako jsou prach, otřepy nebo rýhy. Definice tohoto parametru se může lišit podle roku výroby měřicího přístroje. Pro hodnověrnou analýzu měření je důležité použití Rz v souladu s jeho přesnou definicí. Význam parametru Rz se během let měnil. Uvedená definice je rovnocenná starším parametrům Rz (DIN) a Rtm (ISO). Parametr Rz (DIN) byl stanoven s použitím 2CR filtru.

Rz1max, Rp1max, Rv1max
Rz1max je definován jako vzdálenost mezi největším výstupkem a nejnižší prohlubní v rozsahu každé základní délky. Název parametru se v průběhu let měnil, u starších přístrojů byl označován Rymax, Ry nebo Rmax. Rp1max je definován jako největší jednotlivý výstupek od střední čáry v rozsahu každé základní délky. Název parametru se v průběhu let měnil, u starších přístrojů byl označován Rpmax nebo Rp. Rv1max je definován jako nejnižší jednotlivá prohlubeň od střední čáry v rozsahu každé základní délky. Název parametru se v průběhu let měnil, u starších přístrojů byl označován Rv.

Je třeba uvést, že v určitých případech součet Rv1max + Rp1max nemusí být roven Rz1max, poněvadž se mohou vyskytovat v různých základních délkách.

RHSC – počet přesahujících nerovností profilu
Parametr RHSC (High Spot Count) kvantifikuje celkový počet výstupků profilu (v rozsahu vyhodnocované délky), které přesahují nad předem definovanou referenční čáru nebo rovinu řezu, nastavenou rovnoběžně se střední čárou. Referenční čára může být nastavena na vybranou vzdálenost od nejvyššího výstupku, na zvolenou vzdálenost nad nebo pod střední čáru nebo na % výšky materiálového poměru profilu [Rmr(c)].
Tento parametr je často využíván v automobilovém průmyslu při ověřování připravenosti povrchu vložek válců z hlediska mazání. Doporučena je aplikace parametru pro predikci opotřebování nebo kontrolu lapovaného povrchu i v případech, kdy je požadován určitý počet výstupků, např. k zajištění třecích vlastností povrchu brzdových elementů apod.
Využití parametru RHSC lze doporučit tam, kde je zřejmé, že výstupky mají rozhodující vliv na funkci. Ideální stav nosného povrchu je takový, že obsahuje dostatečné množství prohlubní pro udržení mazacího média a dostatečnou plochu materiálu odpovídající jeho zatížení. Často je ovšem mnoho výstupků nežádoucích, zejména pokud se ulamují a mísí s přítomným mazivem, což může vést k nadměrnému opotřebení povrchu.
Měřením RHSC mohou výrobci regulovat podmínky výroby umožňující získání požadovaného počtu výstupků.

RPc – počet výstupků
Parametr RPc (Peak Count) je obdobný jako parametr RHSC, s tím, že při kontrole navíc využívá výšku a frekvenci výstupků a je vyhodnocován ze základního profilu. RPc představuje počet místních výstupků procházejících zvolenou šířkou pásma umístěného kolem střední čáry. Počet je stanoven na vyhodnocované délce a výsledky jsou udávány v počtu výstupků na cm (nebo na palec). Parametr je proto doporučováno měřit na co největší vyhodnocované délce. Referenční čára je rovnoběžná se střední čárou, ale může být nastavena i do určité hloubky vzhledem k nejvyššímu výstupku nebo ke zvolené vzdálenosti na obě strany střední čáry.
Parametr je často využíván při kontrole předepsané přilnavosti povlaku na povrchu, dále je doporučován pro hodnocení charakteristik ohybu, tváření, připravenosti povrchu pro nátěry nebo laminování při výrobě ocelových plechů. Účinně se RPc uplatňuje při posuzování efektu „pomerančové kůry“ na povrchu nátěrů, který způsobují výstupky podkladového povrchu. Povrchové pnutí nátěru vede ke kopírování nerovností, i když s redukcí jejich profilu na výsledném povrchu.

RSm – průměrná vzdálenost výstupků
Parametr RSm představuje střední vzdálenost mezi výstupky profilu na střední čáře v rozsahu základní délky. Vrchol profilu je nejvyšším bodem profilu mezi jeho průsečíky nahoru-dolů se střední čárou. Obecný tvar definice parametru: Sm je průměrná hodnota vzdálenosti (rozteče) mezi prvky (elementy) profilu v rozsahu základní délky. Využití parametru ve spojení s parametrem S* může přispět k rozlišování mezi jemným a hrubým povrchem. Pro jemné tvarové vlny profilu budou hodnoty parametru velmi podobné. Sm je užitečný i při rozhodování o použití vhodného filtru.
Pozn.: S* je průměrná vzdálenost přiléhajících (sousedních) výstupků profilu měřená v rozsahu vyhodnocované délky.

Rda, Rdq (Wda, Wdq, Pda, Pdq)
Rda, průměrný aritmetický sklon, je méně citlivý ke všem mimořádným hodnotám lokálních sklonů v porovnání s Rdq (RMS sklonu) a je tak méně vhodný k analýzám extrémně jemných povrchů, u kterých jsou i malé změny důležité a je třeba je zvýraznit. Rda je vhodnější pro všeobecné strojírenství a automobilní součástky.

Rdq, RMS sklonu, je velmi citlivý na všechny mimořádné hodnoty lokálních sklonů, a je proto maximálně vhodný pro analýzy extrémně jemných povrchů, u kterých jsou i malé změny důležité a je nutné je zvýraznit. Typické je použití pro optické a elektronické součástky.

Sklon profilu – parametry sklonu – jsou velmi užitečné s přímým vlivem na vlastnosti povrchu:
a) tření: větší sklon ukazuje na větší tření;
b) odrazivost: větší sklon představuje méně odrazivý povrch. Menší úhel ukazuje na lepší jakost dokončení, ale drsnost může být ještě vyšší než u mnohem méně lesklého povrchu;
c) pružnost povrchu: větší sklon naznačuje větší pravděpodobnost deformace při zatížení;
d) opotřebení: větší sklon ukazuje na vyšší rychlost opotřebovávání;
e) hlučnost: kuličková a válečková ložiska s malým sklonem profilu vykazují tišší provoz s menším chvěním, než je tomu u větších sklonů. Je to tím, že se méně energie přenáší z kuliček a válečků do povrchu kroužků. I když existují další faktory ovlivňující úroveň hluku nebo chvění, které jsou závislé na sklonu profilu, lze je hodnotit parametrem Rdq;
f) adheze: dobré adhezní vlastnosti se pojí s vyššími hodnotami sklonu profilu. Větší sklony zajišťují lepší spojení nanesené vrstvy s povrchem, které lépe odolává smykovému namáhání způsobované obrusem nebo mazáním.

Vlevo: Vysoké úzké výstupky mají sklon ke zpevňování

Vpravo: Zpevněné výstupky se mohou ulomit a způsobit poruchu povrchu

Délkový parametr RHSC (High Spot Count) – počet přesahujících nerovností. Doporučen k hodnocení povrchu, u kterého jsou výstupky důležité pro funkci.

Zleva doprava

Bez chvění Nízká frekvence Vysoká frekvence

> Nehlučné < > Hlučné < > Výrazně hlučné <

Účinky sklonu profilu povrchu na chvění a hlučnost. Hybridní parametry – Rda, Rdq, (Wda, Wdq, Pda, Pdq)

Parametry sklonu profilu lze úspěšně využít i při hodnocení vzhledových vlastností povrchu. Povrch s malým sklonem profilu odráží více světla, a proto má lepší vzhled. Naopak u velkých sklonů profilu se odráží méně světla a povrch má horší vzhled. Tento obecně přijímaný názor nemusí být vždy správný, což dokumentuje porovnání např. přesně broušeného povrchu palivové trysky s chromovaným povrchem ocelové tyče. I když chromovaný povrch vypadá na pohled i dotyk jemnější, měření ukazuje poloviční hodnotu Ra u broušeného povrchu trysky.

Rdq (RDq) – průměrný kvadratický sklon
- velmi citlivý ke všem mimořádným hodnotám lokálního sklonu
- vhodný pro extrémně jemné povrchy
- doporučován pro optické nebo elektronické součástky, u kterých jsou i malé změny
důležité

Sklon profilu nerovností ovlivňuje i smykové vlastnosti povrchu. Takže např. velký sklon profilu povrchu keramických dlaždic ukazuje na větší tření, tzn. větší odolnost proti uklouznutí a tedy zvýšenou bezpečnost podlahy. Proto je parametr Rda vhodný pro posuzování funkčních vlastností dlaždic. Zejména provádí-li se úprava jejich povrchu, potom zvýšení smykové odolnosti se projeví výraznou změnou hodnot Rda. Při hodnocení vlastností povrchu keramických dlaždic se mimo uvedený sklon profilu uplatní i další typické parametry: Rz, Rp a Rsk. Především šikmost profilu Rsk přispívá k detailnější charakteristice kontrolovaného povrchu tím, že umožní posuzovat, zda je povrch tvořen většinou výstupky, prohlubněmi nebo vyrovnaným obsahem obou složek. U povrchu s převahou výstupků lze potom předpokládat větší odolnost proti smyku.

Účinky sklonu profilu povrchu na vzhled Hybridní parametry – Rda, Rdq, (Wda, Wdq, Pda, Pdq). Povrch s malým sklonem profilu Povrch s velkým sklonem profilu odráží více světla, a proto má odráží méně světla, a proto má lepší vzhled horší vzhled

Poslední uvedený příklad hodnocení textury upozorňuje na důležitý problém posuzování funkčních vlastností povrchu. Využití jen jednoho parametru pro hodnocení nabízí vesměs jen omezený dílčí pohled na chování povrchu a mohlo by vést k zavádějícím nespolehlivým závěrům. Poněvadž jsou funkční povrchy v provozu vystaveny složitým dynamickým procesům, ovlivňovaným řadou často proměnných faktorů, je doporučováno při hodnocení využívat současně více parametrů. Víceparametrové posuzování zajistí komplexnější pohled na požadované vlastnosti konkrétního povrchu. Výběr parametrů by měl být zaměřen na kontrolu základních provozních aspektů povrchu. Tento trend se postupně prosazuje v praxi, takže řada parametrů je přednostně využívána ve specifických průmyslových odvětvích, jako jsou optika, automobilní technika, montážní procesy apod.

Ing. Zdeněk Novák

novakzdene@seznam.cz