Chropowatość powierzchni: parametry Ra i Rz, klasy, pomiar i oznaczenia na rysunku

Chropowatość powierzchni to cecha, której nie widać gołym okiem, a która decyduje o tarciu, szczelności, zmęczeniu materiału i trwałości części, a przy okazji o cenie wykonania. W tym przewodniku wyjaśniamy, jak wygląda określenie chropowatości powierzchni w dokumentacji, co mówią podstawowe parametry chropowatości Ra i Rz, jak przebiega pomiar chropowatości i jaka gładkość realnie wychodzi z toczenia, frezowania czy szlifowania.

Czym jest chropowatość powierzchni i tekstura powierzchni

Żadna powierzchnia po obróbce nie jest idealnie gładka. Pod mikroskopem nawet lustrzane wykończenie powierzchni okazuje się krajobrazem drobnych wzniesień i dolin. Te mikronierówności, pozostawione przez ostrze lub ściernicę, to właśnie chropowatość. Chropowatość powierzchni określa się jako najdrobniejsze, blisko rozmieszczone nierówności powierzchni, które razem z falistością i błędami kształtu tworzą to, co norma nazywa tekstura powierzchni (spotkasz też określenie struktura powierzchni). Chropowatość powierzchni to wynik samego procesu: swoje mikronierówności daje chropowatość powierzchni po toczeniu, inne po frezowaniu, jeszcze inne po szlifowaniu.

Dlaczego temat chropowatości powierzchni jest tak ważny? Bo chropowatość powierzchni wpływa na niemal każdą funkcję: na tarcie i zużycie, na szczelność połączeń, na wytrzymałość zmęczeniową (dna mikrodolin działają jak karby), na przyczepność powłok i wygląd. Wysoka chropowatość powierzchni bywa zresztą pożądana, na przykład pod klejenie lub malowanie. Z drugiej strony gładkość kosztuje: im niższy wymagany parametr chropowatości, tym więcej operacji i czasu. Dlatego chropowatość powierzchni traktujemy jak każdy inny wymiar: świadomie, tam gdzie jest potrzebna.

Chropowatość, falistość i błędy kształtu

Zmierzony profil powierzchni to nałożenie trzech składników o różnej skali, rozdzielanych filtrami podczas analizy.

Falistość

Falistość to nierówności powierzchni o większym rozstawie niż chropowatość, zwykle skutek drgań układu obrabiarka, narzędzie, przedmiot. Falistość powierzchni potrafi przepuścić medium przez połączenie, które według samego Ra wyglądało na szczelne, dlatego przy uszczelnieniach kontroluje się oba składniki. Wielkość chropowatości powierzchni i wielkość falistości opisują więc dwa różne zjawiska.

Błędy kształtu

Błędy kształtu to odchyłki w największej skali: owalność, stożkowość, wypukłość płaszczyzny. Formalnie nie należą do chropowatości, ale w pomiarze łatwo je z nią pomylić, o czym więcej przy błędach pomiarowych.

Typowe parametry chropowatości

Parametry chropowatości powierzchni definiuje norma EN ISO 4287 (obecnie zastępowana serią EN ISO 21920, która porządkuje definicje, ale nie zmienia istoty). Wszystkie wartości parametru chropowatości wyznacza się z profilu na odcinku elementarnym, czyli znormalizowanej długości pomiaru. Odcinek elementarny chropowatości dobiera się do spodziewanej wielkości nierówności i bez niego wyniki są nieporównywalne. To podstawa pomiaru chropowatości, od której zaczyna każda norma.

Parametr Ra, czyli średnia chropowatość

Ra to średnia arytmetyczna rzędnych profilu, potocznie średnia chropowatość. Co oznacza Ra w praktyce? Ra 1,6 mówi, że przeciętne odchylenie profilu od linii średniej wynosi 1,6 mikrometra. Parametr Ra jest najpopularniejszy, bo jest stabilny i powtarzalny, ale uśrednia: pojedyncza głęboka rysa może w nim niemal zniknąć.

Parametr Rz i wysokość profilu chropowatości

Rz to wysokość chropowatości liczona z najwyższego wzniesienia i najgłębszej doliny na odcinku elementarnym, w praktyce uśredniana z kilku odcinków. Parametr Rz reaguje na pojedyncze wzniesienia profilu chropowatości, dlatego stosuje się go tam, gdzie jeden wierzchołek lub rysa ma znaczenie. Orientacyjnie wysokość profilu chropowatości Rz bywa 4 do 7 razy większa niż Ra dla tej samej powierzchni, choć relacja zależy od obróbki.

Materiałowy profil chropowatości i pozostałe parametry

Norma definiuje więcej wielkości: Rt, Rp, Rv, RSm oraz Rmr, czyli materiałowy profil chropowatości opisujący udział nośny na danej głębokości. Materiałowy profil chropowatości (krzywa Abbotta) jest bezcenny przy powierzchniach ślizgowych, bo mówi, ile materiału realnie niesie obciążenie. Na co dzień jednak 90% rysunków używa Ra i Rz, a wartości parametrów powierzchni przestrzennych (Sa, Sz) pojawiają się głównie przy pomiarach optycznych.

Klasy chropowatości

Klasy chropowatości to umowne stopnie gładkości. Historycznie w Polsce stosowano klasy trójkątowe (∇1 do ∇14), obecne w starszej dokumentacji i klasycznych tablicach normowania z lat 70. Współczesne klasy chropowatości powierzchni według ISO to N1 do N12, gdzie każda klasa odpowiada wartości Ra: N6 to Ra 0,8, N7 to Ra 1,6, N8 to Ra 3,2. W praktyce najczęściej podaje się po prostu wymaganą wartość, np. Ra 1,6, a prawidłowa wartość chropowatości wynika z funkcji danej powierzchni, nie z przyzwyczajenia. Wielkość chropowatości powierzchni i wymagany parametr chropowatości powinny być więc decyzją konstruktora, a chropowatość powierzchni określa się osobno dla powierzchni funkcyjnych i osobno, luźniej, dla całej reszty.

Oznaczanie chropowatości powierzchni na rysunku technicznym

Rysunek techniczny chropowatości nie zostawia domysłom: wymagania dotyczące chropowatości powierzchni zapisuje się znormalizowanym symbolem.

Symbol chropowatości i znak chropowatości

Oznaczenie chropowatości powierzchni to charakterystyczny znak w kształcie ptaszka na krawędzi lub linii odniesienia. Znak chropowatości z wartością (np. Ra 3,2) określa wymaganie dla wskazanej powierzchni, a symbol chropowatości powierzchni umieszczony w rogu rysunku ustala wymaganie ogólne. Zamknięty trójkąt nakazuje obróbkę ubytkową, kółko jej zabrania. Zapis chropowatości powierzchni może też precyzować kierunek chropowatości powierzchni, czyli kierunkowość śladów (symbole =, ⊥, X, M, C, R), istotną dla uszczelnień i prowadnic. Kierunek profilu chropowatości względem kierunku ruchu współpracującej części potrafi zdecydować o szczelności całego węzła. Tak wygląda kompletne oznaczenie chropowatości powierzchni: wartość, parametr, ewentualnie proces i kierunek.

Jednostki chropowatości powierzchni

Jednostki chropowatości powierzchni to zawsze mikrometry. Warto o tym pamiętać przy dokumentacji z rynku amerykańskiego, gdzie spotyka się mikrocale (µin): Ra 32 µin to około Ra 0,8 µm.

Jak mierzyć chropowatość powierzchni

Pomiar chropowatości wykonuje się najczęściej metodą stykową, coraz częściej też optycznie. Badanie chropowatości powierzchni w warunkach warsztatowych trwa dziś dosłownie sekundy.

Profilometry stykowe

Profilometr stykowy przeciąga po powierzchni diamentową igłę i rejestruje jej pionowe wychylenia, a z profilu wylicza parametry po odfiltrowaniu falistości. Fachowo to urządzenie profilografometr, potocznie tester chropowatości. Ograniczenia: igła musi mieć dostęp do mierzonego miejsca, a na bardzo miękkich materiałach może zostawić ślad.

Tester chropowatości powierzchni w praktyce

Przenośny tester chropowatości powierzchni to standard izby pomiarowej: pomiar chropowatości powierzchni pojedynczego detalu zajmuje chwilę, a wynik od razu pokazuje Ra, Rz i wykres chropowatości powierzchni wzdłuż odcinka. Dzięki temu określenie chropowatości powierzchni części, na przykład czopa czy przylgni, sprowadza się do przyłożenia głowicy i odczytu. Dobry tester chropowatości powierzchni zmierzy też profil powierzchni na potrzeby analizy falistości, a pomiar chropowatości powierzchni większego detalu wystarczy powtórzyć w kilku miejscach. Metody optyczne (interferometria, mikroskopia konfokalna) mierzą bez dotyku i odwzorowują całe pole, co pozwala na wyznaczanie parametrów powierzchni przestrzennych. Są droższe, ale niezastąpione przy powierzchniach delikatnych i bardzo gładkich.

Designed by Magnific

Jak uniknąć błędów przy pomiarze chropowatości

Mierzenie chropowatości jest proste, ale o wiarygodny wynik łatwo się potknąć:

• Dobierz odcinek elementarny do spodziewanej gładkości (normy dotyczące chropowatości podają tabele doboru). Zbyt krótki zaniża wynik, zbyt długi wciąga falistość.
• Mierz prostopadle do śladów obróbki. Pomiar wzdłuż kierunku struktury pokazuje wartości kilkukrotnie niższe od rzeczywistych.
• Odfiltruj falistość i błędy kształtu. Na powierzchni wypukłej bez filtracji zmierzysz kształt, nie mikronierówności.
• Zadbaj o czystość. Pył, chłodziwo i odcisk palca fałszują profil.
• Mierz kilka razy w różnych miejscach. Chropowatość danej powierzchni nie jest jednorodna; norma zaleca uśrednianie. Dotyczy to zwłaszcza dużych powierzchni pokrywanych pomiarami chropowatości wyrywkowo.
• Sprawdzaj kalibrację wzorcem. Rozjustowany tester dyskwalifikuje pomiary przy wymaganiach poniżej Ra 0,8.

Chropowatość powierzchni obrabianych mechanicznie: toczenie, frezowanie, szlifowanie

Skąd wiadomo, jaka będzie chropowatość powierzchni części po obróbce? Każda metoda ma charakterystyczny zakres, więc już przy planowaniu procesu da się przewidzieć, co osiągnie powierzchnia docelowa. Obróbka skrawaniem rządzi się tu prostą zasadą: zgrubna obróbka skrawaniem zdejmuje materiał szybko kosztem gładkości, a dokładna obróbka skrawaniem odwrotnie. Poniższe zakresy dla powierzchni obrabianych mechanicznie pochodzą z podręcznika doboru procesów Swifta i Bookera:

Toczenie

Toczenie zostawia równoległe rowki obwodowe, a jego tekstura powierzchni jest wyraźnie kierunkowa. Obróbka zgrubna daje Ra 6,3 do 25, a staranne wykończenie ze zmniejszonym posuwem sprawia, że powierzchnia docelowa schodzi do Ra 0,4. To posuw i promień naroża płytki decydują, jaki profil powierzchni zostawi przejście wykańczające.

Frezowanie

Frezowanie zostawia łukowe ślady po ostrzach i typowo daje Ra 1,6 do 3,2 przy obróbce dokładnej. Kierunek śladów zależy od strategii, co ma znaczenie, gdy powierzchnia docelowa ma wymaganą kierunkowość struktury.

Szlifowanie i obróbka wykończeniowa

Szlifowanie daje drobną, gęstą fakturę i Ra 0,2 do 0,8 w typowych warunkach. Gdy wymagana jest gładkość poniżej Ra 0,1, wchodzi obróbka wykończeniowa w rodzaju honowania i docierania. Każdy taki próg to dodatkowa operacja, często na osobnej maszynie.

Designed by Magnific

Chropowatość powierzchni a wykończenie, funkcja i koszt

Wymagania dotyczące wykończenia powinny wynikać z funkcji. Powierzchnie funkcjonalne, czopy pod łożyska, prowadnice czy chropowatość powierzchni uszczelnienia w hydraulice, muszą być gładkie, bo od tego zależy ich działanie. Powierzchnie funkcjonalne to jednak zwykle mniejszość detalu; pozostałe wymagania dotyczące powierzchni swobodnych mogą zostać przy Ra 3,2 lub zgrubniejszym. Chropowatość powierzchni wymaganej "na zapas" na całym rysunku to jeden z najczęstszych cichych podrażaczy wycen, o czym pisaliśmy w artykule o wpływie tolerancji na cenę obróbki. Maksymalna chropowatość powierzchni powinna być wpisana tam, gdzie czemuś służy, bo każdy próg w dół, z Ra 3,2 na 1,6 i niżej, to wolniejsze parametry, dodatkowe przejścia albo osobna operacja, podobnie jak przy czasach przezbrojeń. Wysokie wymagania oznaczają też więcej kontroli: chropowatość powierzchni przedmiotu trzeba wtedy potwierdzać pomiarem, czasem na każdej sztuce.

Dobra wiadomość: ten koszt da się policzyć od ręki. W wycenie MetronQ wymagana gładkość działa jak mnożnik czasu obróbki, więc od razu widać, ile kosztuje zejście o klasę niżej, zanim rysunek trafi do warsztatu. Ile kosztuje samo narzędzie, sprawdzisz w cenniku.

Najczęstsze pytania o chropowatość powierzchni

Jak mierzy się chropowatość powierzchni? Najprościej testerem stykowym: igła przejeżdża prostopadle do śladów obróbki po znormalizowanym odcinku, a urządzenie wylicza Ra i Rz. Przy detalach delikatnych stosuje się profilometry optyczne.

Co oznacza Ra 3,2? Że średnie odchylenie profilu od linii średniej nie przekracza 3,2 mikrometra. To typowe wymaganie dla zwykłych powierzchni obrabianych i standardowy wynik prawidłowego frezowania czy toczenia.

Czym różni się chropowatość od falistości i błędów kształtu? Skalą i przyczyną. Mikronierówności to ślady narzędzia, falistość pochodzi zwykle od drgań, a błędy kształtu (owalność, stożkowość) to odchyłki całej geometrii. W analizie rozdziela się je filtrami.

Jaka jest typowa chropowatość powierzchni obrabianych mechanicznie? Po toczeniu i frezowaniu dokładnym Ra 1,6 do 3,2, po starannym wykończeniu do Ra 0,4, po szlifowaniu Ra 0,2 do 0,8, po honowaniu i docieraniu poniżej Ra 0,1.

Kiedy podawać Rz zamiast Ra? Gdy znaczenie ma pojedyncze wzniesienie lub rysa, a nie średnia: na powierzchniach stykowych i uszczelniających. Nic nie stoi na przeszkodzie, by podać oba.

Jakie są wymagania dotyczące chropowatości, gdy powierzchnia uszczelnia? Dla typowych uszczelnień spoczynkowych wystarcza Ra 1,6 do 3,2, dla uszczelnień dynamicznych i przylgni metalicznych schodzi się do Ra 0,2 do 0,8, zawsze z kontrolą falistości i kierunku śladów. Ostateczne wartości podaje producent uszczelnienia.

Jak uniknąć błędów przy pomiarze? Mierzyć prostopadle do śladów, na właściwym odcinku, czystą i skalibrowaną aparaturą, kilka razy w różnych miejscach, z poprawną filtracją. Szczegóły w sekcji o błędach pomiaru.