Pomiar chropowatości: przyrządy, odcinek i wyniki

Ta sama powierzchnia zmierzona dwa razy potrafi dać dwa różne wyniki - i oba mogą być "poprawne", jeśli różnią się odcinkiem pomiarowym, filtrem albo kierunkiem przesuwu końcówki. W tym przewodniku przechodzimy przez pomiar od strony metrologii: jakie przyrządy są do wyboru, jak ustawić odcinek i filtr, co dokładnie liczy profilometr, czym różnią się $R_z$, $R_{\max}$ i $R_{z\text{JIS}}$ i jak ocenić wynik względem wymagania z rysunku.

Pomiar chropowatości i profilu: od czego zacząć

Każdy pomiar chropowatości zaczyna się od pytania, co właściwie chcemy zmierzyć. Powierzchnia po obróbce nie jest gładka: tworzą ją nierówności powierzchni o różnej skali - drobne ślady ostrza, szersze fale od drgań i odchyłki kształtu całego detalu. Normy opisują to jako strukturę geometryczną powierzchni i rozdzielają ją na trzy składowe: chropowatość, falistość i kształt.

Pomiar profilu powierzchni jest więc zawsze pomiarem wszystkich trzech składowych naraz. Profil nierówności powierzchni rejestrowany przez przyrząd jest więc surowym zapisem; dopiero filtry wydzielają z niego profil chropowatości, z którego liczy się parametry.

Dlatego ocena chropowatości powierzchni zawsze składa się z czterech kroków: pomiar profilu powierzchni, filtracja, wyznaczanie parametrów powierzchni według normy i porównanie z wymaganiem. Dopiero komplet tych kroków daje charakterystykę powierzchni, którą da się porównać między działami i dostawcami. Pominięcie któregokolwiek z nich - na przykład pomiar z niewłaściwym filtrem - daje liczbę, która wygląda wiarygodnie, ale nie odpowiada temu, co zapisał konstruktor.

Chropowatość powierzchni a struktura geometryczna powierzchni

Chropowatość powierzchni wynika przede wszystkim z procesu obróbki: kształtu ostrza, posuwu, drgań i materiału. Przy toczeniu teoretyczna wysokość nierówności rośnie z kwadratem posuwu i maleje z promieniem naroża, co opisujemy szerzej w przewodniku o tym, jak dobrać posuw narzędzia. Czym są same parametry, jak je interpretować i jakie wartości są typowe dla toczenia, frezowania i szlifowania - wyjaśniamy w osobnym artykule o tym, czym jest chropowatość powierzchni. Tutaj skupiamy się na tym, jak te liczby powstają.

Rodzaje chropowatości powierzchni i parametry profilu

Parametry chropowatości powierzchni dzielą się na kilka rodzin. Normy definiują kilkadziesiąt parametrów chropowatości powierzchni, ale na rysunkach pojawia się kilka. ISO 4287 i jej następczyni ISO 21920-2 grupują je na parametry wysokościowe (amplitudowe), odstępowe, hybrydowe i parametry krzywej udziału materiałowego.

W praktyce warsztatowej rodzaje chropowatości powierzchni rozróżnia się też według pochodzenia: chropowatość kinematyczna (ślady posuwu, regularne), chropowatość od drgań i narostu (nieregularna) oraz chropowatość wynikająca z samego materiału, na przykład wyrwania przy żeliwie. Rodzaj ma znaczenie, bo decyduje o tym, który parametr najlepiej opisze powierzchnię: przy śladach regularnych wysokość chropowatości zależy od posuwu i daje się przewidzieć, przy nieregularnych - trzeba ją zmierzyć.

Chropowatość Ra i chropowatość Rz

Podstawowy parametr to chropowatość $R_a$ - średnia arytmetyczna bezwzględnych wartości rzędnych profilu na odcinku elementarnym:

$$R_a = \frac{1}{l_r} \int_0^{l_r} \lvert z(x) \rvert \, dx$$

gdzie:

• $z(x)$ - odchylenie profilu chropowatości od linii średniej [µm],
• $l_r$ - długość odcinka elementarnego [mm].

Chropowatość $R_a$ jest stabilna i powtarzalna, ale "uśrednia" pojedyncze rysy: dwa profile o zupełnie różnym kształcie mogą mieć identyczne $R_a$. Dlatego obok niego podaje się chropowatość $R_q$ (dawniej nazywaną RMS) - średnią kwadratową rzędnych, bardziej czułą na pojedyncze wzniesienia profilu chropowatości - oraz parametry wysokościowe.

Chropowatość $R_z$ to największa wysokość profilu na odcinku elementarnym, czyli suma najwyższego wzniesienia i najgłębszego wgłębienia: $R_{zi} = R_{pi} + R_{vi}$. Przyrząd wyznacza ją na każdym z pięciu odcinków elementarnych osobno, a wynik to średnia: $R_z = \frac{1}{5}\sum_{i=1}^{5} R_{zi}$. Wysokość profilu chropowatości opisują też osobno jego dwie połówki. Chropowatość $R_p$ opisuje same wzniesienia profilu chropowatości (najwyższy wierzchołek nad linią średnią), a $R_v$ - wgłębienia profilu chropowatości (najgłębszą dolinę). Chropowatość $R_t$ to całkowita wysokość profilu, liczona już nie na odcinku elementarnym, lecz na całym odcinku pomiarowym - dlatego $R_t \ge R_z$ zawsze.

Rmax, Rz1max, RzJIS i Rpm: parametry z innych norm

Na rysunkach i w protokołach pojawiają się też parametry spoza podstawowej dwójki - i to one najczęściej powodują nieporozumienia. Chropowatość $R_{zi}$ to pojedyncza wysokość profilu na i-tym odcinku, z której powstaje $R_z$. Chropowatość $R_{z1\max}$ to największa z pięciu wartości $R_{zi}$, czyli największa wysokość profilu w całym pomiarze; stosuje się ją tam, gdzie pojedyncza głęboka rysa jest groźniejsza niż średnia. Chropowatość $R_{\max}$ to jej odpowiednik ze starszych norm DIN i ASME - w praktyce ta sama idea: najwyższa wysokość profilu spośród odcinków elementarnych. Kiedy na starym rysunku widnieje chropowatość $R_{\max}$, najbezpieczniej mierzyć $R_{z1\max}$ i zaznaczyć to w protokole.

Chropowatość $R_{z\text{JIS}}$ to tak zwana wysokość dziesięciu punktów według japońskiej normy JIS B 0601: średnia z pięciu najwyższych wierzchołków i pięciu najgłębszych dolin. Do 1997 roku tak właśnie definiowała $R_z$ norma ISO, więc stare rysunki i część starszych przyrządów podają "Rz", które jest w rzeczywistości $R_{z\text{JIS}}$. Dla tej samej powierzchni chropowatość $R_{z\text{JIS}}$ wychodzi zwykle nieco niższa niż $R_z$ według ISO, bo uśrednia dziesięć punktów zamiast skrajnych par. Chropowatość $R_{pm}$ (średnia wysokość wzniesień z pięciu odcinków) spotyka się w normach amerykańskich (ASME B46.1) i w starszych normach DIN; chropowatość $R_{pm}$ w połączeniu z $R_z$ mówi, czy wysokość profilu tworzą wystające wierzchołki, czy głębokie doliny.

Parametry funkcjonalne: Rk, Rpk, Rvk i Rmr

Dla powierzchni pracujących ślizgowo same wysokości nie wystarczą. Chropowatość $R_{mr}$ to udział materiałowy na zadanej głębokości - procent długości profilu, na którym przekrój przechodzi przez materiał. Z krzywej udziału materiałowego (krzywej Abbotta-Firestone'a) norma ISO 13565-2 wyprowadza trzy parametry: chropowatość $R_k$ (głębokość rdzenia), $R_{pk}$ (zredukowana wysokość wzniesień, które szybko się wycierają) i chropowatość $R_{vk}$ (zredukowana głębokość dolin, które magazynują olej). Chropowatość $R_k$ i jej dwa towarzyszące parametry wymagają osobnego filtru (ISO 13565-1), który nie zniekształca głębokich dolin. Klasyczny przykład, w którym wysokość profilu chropowatości rozkłada się bardzo niesymetrycznie, to gładź cylindra po honowaniu plateau: małe $R_{pk}$, duże $R_{vk}$ - i chropowatość $R_{k}$, której nie da się odczytać z samego $R_a$.

Mierzenie chropowatości powierzchni: odcinek pomiarowy i filtry

Najważniejsze ustawienie w całym pomiarze to długość odcinka. Norma rozróżnia trzy długości: odcinek elementarny $l_r$ (równy granicznej długości fali filtru $\lambda_c$), odcinek pomiarowy $l_n$, na którym liczy się parametry, oraz drogę przesuwu $l_t$, która dodatkowo obejmuje dobieg i wybieg końcówki. Standardowo $l_n$ składa się z pięciu odcinków elementarnych: $l_n = 5 \cdot l_r$.

Długość odcinka elementarnego decyduje o tym, co przyrząd uzna za chropowatość, a co za falistość. Filtr Gaussa (ISO 16610-21) przepuszcza 50% amplitudy fali o długości $\lambda_c$: krótsze fale trafiają do profilu chropowatości, dłuższe - do falistości. Za krótki odcinek elementarny "obcina" część chropowatości i zaniża wynik; za długi wciąga falistość do chropowatości i go zawyża. Drugi filtr, $\lambda_s$, odcina najkrótsze fale, których końcówka i tak nie odwzorowuje; dla $\lambda_c = 0{,}8$ mm wynosi zwykle 2,5 µm.

Tabela chropowatości: dobór odcinka pomiarowego

Dobór długości odcinka według ISO 4288 (zasady przeniesione do ISO 21920-3) dla profili nieokresowych, takich jak po szlifowaniu:

Dla profili okresowych (toczenie, frezowanie) długość odcinka dobiera się według odstępu śladów, który opisuje chropowatość $R_{Sm}$ (średnia szerokość elementów profilu): dla $R_{Sm}$ od 0,13 do 0,4 mm odcinek elementarny wynosi 0,8 mm, od 0,4 do 1,3 mm - 2,5 mm. Procedura jest iteracyjna: pierwszy pomiar na odcinku szacunkowym, odczyt wyniku, korekta długości odcinka i pomiar ostateczny. Ta tabela chropowatości to najczęściej pomijany krok w warsztacie - a przecież większość sporów o wynik zaczyna się właśnie od źle dobranego filtru.

Klasy chropowatości a wynik pomiaru

Klasy chropowatości od N1 do N12 (dawne oznaczenia z ISO 1302) to w gruncie rzeczy zakresy wartości $R_a$, od 0,025 do 50 µm. Pomiar ich nie zmienia: przyrząd zawsze podaje liczbę, a klasa to tylko sposób jej zapisu na rysunku. Jak czytać klasy i tabele klas oraz pełne oznaczenia chropowatości na rysunku, opisujemy w poradniku o tym, jak czytać oznaczenia chropowatości. Z punktu widzenia pomiaru ważne jest jedno: klasa N6 ($R_a$ 0,8 µm) wymaga odcinka elementarnego 0,8 mm, a klasa N3 ($R_a$ 0,1 µm) - już 0,25 mm. Sama klasa wpływa też na cenę detalu: każdy krok w dół to wolniejsze parametry obróbki i dłuższa kontrola, co widać od razu w natychmiastowej wycenie CNC.

Photo from Unsplash

Profilometry optyczne i stykowe

Do wyboru są dwie rodziny przyrządów. Profilometr stykowy przesuwa po powierzchni diamentową końcówkę i rejestruje jej ruch pionowy - to metoda odniesienia dla większości norm profilowych. Profilometry optyczne mierzą bez dotyku: światło odbite od powierzchni zamienia się w mapę wysokości, zwykle od razu w 3D.

Wybór zależy od materiału, wymaganej rozdzielczości, kształtu detalu i tego, czy wynik ma być porównywalny z wymaganiem rysunkowym zapisanym w parametrach profilowych.

Pomiary chropowatości profilu przyrządem stykowym

Przyrząd stykowy według ISO 3274 ma końcówkę o promieniu zaokrąglenia 2 µm (także 5 lub 10 µm) i kącie wierzchołkowym 60° lub 90°; siła nacisku jest bardzo mała - dla końcówki 2 µm nominalnie 0,75 mN. Pomiary chropowatości profilu wykonuje się w kierunku prostopadłym do śladów obróbki, bo tam nierówności są największe: dla wałka toczonego wzdłuż tworzącej, dla płaszczyzny frezowanej czołowo - w poprzek śladów. Przy ocenie chropowatości pomiary powierzchni zawsze powtarza się w kilku miejscach detalu, bo jedna ścieżka to tylko wycinek.

Do rzetelnej oceny chropowatości pomiary powierzchni planuje się jak badanie: liczba ścieżek, ich położenie i kierunek zapisuje się w instrukcji kontroli. Ważny wybór to prowadzenie końcówki: głowica ze ślizgaczem opiera się o powierzchnię i sama filtruje falistość (szybko i tanio, ale z ryzykiem zniekształceń), głowica bez ślizgacza porusza się względem wzorcowej prowadnicy i rejestruje pełny profil - wtedy dopiero analiza chropowatości profilu, falistości i kształtu z jednego pomiaru jest możliwa. Przyrządy stykowe mają też ograniczenia: końcówka nie wejdzie w szczeliny węższe niż jej promień, a miękkie materiały, na przykład aluminium polerowane czy tworzywa, może zarysować - wtedy pomiar profilu powierzchni lepiej wykonać optycznie.

Mikroskopy sił atomowych

Na drugim końcu skali są mikroskopy sił atomowych (AFM). Ostrze o promieniu rzędu 10 nm skanuje obszar zwykle nie większy niż 100 × 100 µm, a rozdzielczość pionowa sięga ułamków nanometra. To narzędzie do optyki, półprzewodników i cienkich warstw, gdzie $R_a$ wyraża się w nanometrach - w obróbce skrawaniem przydaje się rzadko, głównie przy badaniach naukowych lub przy ocenie powierzchni docieranych i polerowanych.

Jak mierzyć chropowatość w warsztacie i w laboratorium

W praktyce mierzymy chropowatość powierzchni na trzech poziomach dokładności: wzorcami porównawczymi przy maszynie, przenośnym testerem oraz stacjonarnym profilometrem lub przyrządem optycznym w pomieszczeniu pomiarowym. Najprostszy to porównanie z wzorcami: komplet płytek o znanym $R_a$ dla toczenia, frezowania i szlifowania pozwala ocenić powierzchnię wzrokowo i paznokciem.

Takie wzorce chropowatości dają ocenę orientacyjną, najpewniejszą w zakresie od kilku dziesiątych do kilkunastu mikrometrów, i sprawdzają się przy maszynie, ale nie zastąpią pomiaru przy tolerancjach funkcjonalnych. Drugi poziom to przenośny tester chropowatości: pomiar trwa kilkanaście sekund, a wyniki pomiaru chropowatości (zwykle $R_a$, $R_z$, $R_q$, $R_t$) pojawiają się na ekranie od razu. Przy maszynie mierzymy chropowatość powierzchni głównie po to, by wyłapać zużyte ostrze, zanim seria wyjdzie poza tolerancję. Trzeci poziom to stacjonarny profilometr lub przyrząd optyczny w pomieszczeniu pomiarowym, z pełną analizą profilu i protokołem.

W kontroli seryjnej chropowatości pomiary powierzchni wykonuje się zwykle na pierwszej i ostatniej sztuce zmiany oraz po każdej wymianie ostrza. Niezależnie od poziomu, podczas pomiaru chropowatości należy pamiętać o kilku zasadach. Powierzchnia musi być czysta - film chłodziwa czy odcisk palca zmienia wynik. Podczas pomiaru chropowatości należy ustawić detal tak, by kierunek przesuwu był prostopadły do śladów obróbki, a przed serią sprawdzić przyrząd na wzorcu kalibracyjnym (ISO 5436-1 opisuje m.in. wzorce głębokości i wzorce chropowatości o znanym $R_a$). Wreszcie przy pomiaru chropowatości należy zapisać ustawienia: $\lambda_c$, $l_n$ i rodzaj filtru - bez nich wyniku nie da się powtórzyć ani porównać.

Jak mierzymy chropowatość powierzchni, gdy wynik jest blisko granicy? Wtedy ocena chropowatości powierzchni przestaje być pojedynczym odczytem i staje się procedurą. Normy przyjmują domyślnie regułę 16%: wymaganie jest spełnione, jeśli nie więcej niż 16% zmierzonych wartości przekracza granicę. Procedura z ISO 4288 jest prosta - jeśli pierwszy wynik nie przekracza 70% wartości granicznej, powierzchnia jest zgodna; w przeciwnym razie wykonuje się kolejne pomiary, łącznie do dwunastu, z których najwyżej dwa mogą przekroczyć granicę. Jeśli na rysunku jest dopisek "max", obowiązuje reguła maksimum: żaden pomiar nie może przekroczyć wymagania, a maksymalna chropowatość powierzchni staje się twardym limitem.

Wyniki pomiaru chropowatości: jak czytać protokół

Protokół czyta się, porównując każdy parametr z wymaganiem z rysunku i z regułą odbioru: $R_a$ ocenia się regułą 16%, wymaganie $R_{\max}$ porównuje się z $R_{z1\max}$, a proporcje $R_z$ do $R_a$, $R_q$ do $R_a$ oraz $R_v$ do $R_p$ pokazują, jaki proces i jaki kształt profilu stoją za liczbami.

Protokół z profilometru to wykres profilu i lista liczb. Weźmy przykład: czop wałka po szlifowaniu z wymaganiem $R_a$ 0,8 µm, zmierzony z $\lambda_c = 0{,}8$ mm na odcinku 4 mm. Obliczane parametry chropowatości mogą wyglądać tak (wartości przykładowe):

Jak to czytać? Chropowatość $R_a$ = 0,42 µm spełnia wymaganie z dużym zapasem - poniżej 70% granicy, więc według reguły 16% wystarczy jeden pomiar. Gdyby rysunek wymagał chropowatości $R_{\max}$, z wymaganiem porównalibyśmy wartość 3,6 µm, czyli $R_{z1\max}$. W protokole zgodnym z ASME wartość z wiersza $R_p$ nosiłaby nazwę chropowatość $R_{pm}$ - to średnia z najwyższych wzniesień na pięciu odcinkach. Stosunek $R_z$ do $R_a$ wynosi tu około 7, co jest typowe dla szlifowania. Chropowatość $R_q$ jest o jedną czwartą większa niż $R_a$, czyli rozkład rzędnych jest zbliżony do normalnego. $R_v$ większe niż chropowatość $R_p$ oznacza, że wysokość profilu chropowatości tworzą raczej doliny niż wierzchołki - dla czopu pod uszczelniacz to dobra wiadomość. Wyznaczanie parametrów powierzchni zawsze kończy się takim zestawieniem, a nie pojedynczą liczbą.

Photo from Unsplash

Badania chropowatości powierzchni i analiza powierzchni 3D

Badania chropowatości powierzchni w laboratorium coraz częściej obejmują, obok klasycznych parametrów chropowatości powierzchni profilowej, pomiar całego obszaru i parametry powierzchniowe według ISO 25178 ($S_a$, $S_q$, $S_z$ i inne). Mapa 3D to w istocie wiele równoległych ścieżek: profil nierówności powierzchni zapisany gęsto w obu kierunkach.

Profil to tylko jedna linia. Charakterystyka powierzchni w 3D pokazuje rzeczy niewidoczne w profilu: kierunkowość śladów, izolowane wżery, rozkład wzniesień. Do takiej oceny służą trzy techniki optyczne: mikroskopia konfokalna, interferometria światła białego (koherencyjna) i zmienna ogniskowa. Interferometria daje rozdzielczość pionową poniżej nanometra na gładkich powierzchniach, więc mierzy wysokość chropowatości nawet na powierzchniach docieranych; zmienna ogniskowa lepiej radzi sobie ze stromymi zboczami i powierzchniami matowymi.

Analiza powierzchni 3D ma jednak swoją cenę. Obliczane parametry chropowatości powierzchniowej ($S_a$) nie są tożsame z profilowymi ($R_a$) i nie wolno ich wprost porównywać z wymaganiem z rysunku, jeśli ten podaje parametr profilowy. Pomiary optyczne są też wrażliwe na odbicie światła: powierzchnie lustrzane i bardzo ciemne potrafią dać braki danych lub fałszywe szpilki, które trzeba odfiltrować przed wyznaczeniem parametrów.

Rozwiązania firmy ZEISS do pomiaru chropowatości

Dobrym przykładem, jak producenci łączą obie rodziny przyrządów, są rozwiązania firmy ZEISS. Stykowy czujnik ZEISS ROTOS montuje się na współrzędnościowej maszynie pomiarowej: dzięki obrotowym osiom dociera do powierzchni pod różnymi kątami, a wynik chropowatości trafia do tego samego programu (ZEISS CALYPSO) i protokołu co wymiary, bez przekładania detalu na osobny przyrząd. Po stronie optycznej ZEISS oferuje mikroskopy konfokalne, takie jak LSM 900 Mat czy Smartproof 5, z oprogramowaniem ZEISS ConfoMap do analizy topografii według norm profilowych i powierzchniowych. To przykład ogólnego trendu: pomiar chropowatości przestaje być osobną operacją w laboratorium i wchodzi w pomiar całego detalu.

Najczęstsze pytania o pomiar chropowatości

Jak mierzyć chropowatość na gotowym detalu bez laboratorium?

Przenośnym testerem stykowym: przykładasz go do powierzchni, ustawiasz odcinek elementarny (najczęściej 0,8 mm) i odczytujesz $R_a$ oraz $R_z$. Mierz w poprzek śladów obróbki, w kilku miejscach, na czystej powierzchni, i zapisz ustawienia: $\lambda_c$, $l_n$ i rodzaj filtru. Wzorce porównawcze wystarczą tylko do orientacyjnej oceny chropowatości powierzchni.

Od czego zależy chropowatość powierzchni po obróbce?

Chropowatość powierzchni wynika głównie z posuwu i promienia naroża ostrza, a dalej z drgań, zużycia narzędzia, narostu i materiału. Przy toczeniu teoretyczna wysokość nierówności rośnie z kwadratem posuwu i maleje z promieniem naroża. Pomiar pokazuje efekt tych czynników, ale nie mówi, który z nich przeważa - do tego potrzebna jest analiza profilu.

Jakich błędów unikać podczas pomiaru chropowatości?

Najczęstsze to zły odcinek elementarny (wynik zaniżony lub zawyżony przez falistość), pomiar wzdłuż śladów obróbki zamiast w poprzek, brudna powierzchnia, brak sprawdzenia na wzorcu i porównywanie $R_z$ ze starego rysunku z $R_z$ z nowego przyrządu, choć to, co stary rysunek nazywa Rz, bywa w rzeczywistości chropowatością $R_{z\text{JIS}}$.

Czy do analizy powierzchni wystarczy parametr Ra?

Do kontroli seryjnej zwykle tak. Do analizy powierzchni funkcjonalnych - uszczelnień, łożysk, gładzi cylindrów - nie: tam potrzebne są parametry wysokościowe ($R_z$, $R_{z1\max}$) i funkcjonalne (chropowatość $R_k$, $R_{pk}$ i chropowatość $R_{vk}$ oraz chropowatość $R_{mr}$), bo $R_a$ nie odróżnia wzniesień od dolin.

Co wybrać spośród rozwiązań firmy ZEISS: czujnik stykowy czy mikroskop optyczny?

Czujnik stykowy ROTOS mierzy profil na maszynie współrzędnościowej razem z wymiarami, więc wynik jest bezpośrednio porównywalny z wymaganiem profilowym z rysunku. Mikroskopy konfokalne mierzą bez dotyku i w 3D, co daje pełniejszą analizę powierzchni, ale wymaga świadomego przeliczenia na parametry profilowe.