Основные выводы
- Ra усредняет отклонения высоты по одной линии, в то время как Sa усредняет их по всей площади, поэтому для одной и той же детали значения могут отличаться.
- Большинство распространенных 2D-параметров имеют 3D-эквивалент с практически идентичным названием: Ra и Sa, Rq и Sq, Rz и Sz, Rsk и Ssk, Rku и Sku.
- Совпадающие названия не означают совпадающие значения. Различия в выборке, фильтрации и определениях приводят к тому, что результаты 2D и 3D нельзя пересчитать с помощью простого коэффициента.
- Ra может выглядеть одинаково на поверхностях с совершенно разным поведением. Сочетание Ra с параметрами распределения, такими как асимметрия и эксцесс, позволяет увидеть то, что скрывает среднее значение.
- Перенос чертежа с Ra на Sa требует новых пределов допуска, проверенных на реальной детали, а не простой замены один к одному.
Ra является наиболее широко используемым числом в производстве для описания шероховатости поверхности. Оно встречается на чертежах, в договорах с поставщиками и в отчетах о проверке, и для многих деталей этого вполне достаточно. Но Ra — лишь один из многих параметров шероховатости, и он рассчитывается по профилю, представляющему собой единичную линию, проведенную по детали.
Поскольку измерения по площади становятся все более распространенными, каждый знакомый параметр профиля теперь имеет трехмерный эквивалент, в названии которого обычно изменена всего одна буква. В этой статье сравниваются основные 2D-параметры с их 3D-эквивалентами (Ra против Sa, Rq против Sq, Rz против Sz и Rsk/Rku против Ssk/Sku) и объясняется, почему похожие названия не гарантируют одинаковых значений.
Что говорит шероховатость поверхности Ra
Ra, среднее арифметическое шероховатости, представляет собой среднее значение абсолютных отклонений высоты профиля от его средней линии по всей длине оценки:
Ra = (1/L) ∫ |z(x)| dx
Проще говоря, каждое отклонение от средней линии учитывается как положительное число, будь то выступ или впадина, после чего находится их среднее значение. Результаты обычно выражаются в микрометрах или микродюймах.
Ra сохраняет доминирующие позиции по веским причинам. Этот параметр прост, приборы с щупом недороги, а десятилетия чертежей, соглашений с поставщиками и исторических данных построены вокруг него. Для однородных, стабильно обрабатываемых поверхностей его часто оказывается достаточно.
Его слабость заключается в самом усреднении. Глубокая царапина едва меняет среднее значение, а поверхность с преобладанием острых пиков может давать такой же Ra, как и поверхность с плоскими плато и узкими впадинами, несмотря на то, что их характеристики уплотнения, износа и удержания смазки будут существенно различаться. Поскольку Ra получается по одной линии, результат также зависит от того, где и в каком направлении проводился замер относительно текстуры поверхности.
Параметры шероховатости поверхности: 2D- и 3D-эквиваленты с первого взгляда
Параметры 2D-профиля определены в серии стандартов ISO 21920, которая заменяет ISO 4287 и ISO 4288. 3D-параметры площади определены в ISO 25178. В таблице ниже наиболее распространенные 2D-параметры сопоставлены с их пространственными эквивалентами.
Среднее отклонение высоты
2D-профиль
3D-площадь
Наиболее чувствителен к
Общий уровень текстуры
Среднеквадратичная высота
2D-профиль
3D-площадь
Наиболее чувствителен к
Выбросы пиков и впадин
Максимальная высота (от пика до впадины)
2D-профиль
3D-площадь
Наиболее чувствителен к
Отдельные экстремальные пики или ямки
Асимметрия распределения высот
2D-профиль
Rsk
3D-площадь
Ssk
Наиболее чувствителен к
Текстуре с преобладанием пиков или впадин
Широта распределения высот
2D-профиль
Rku
3D-площадь
Sku
Наиболее чувствителен к
Шиповидной или однородной текстуре
2D-версии рассчитываются по одной линии на длине оценки. 3D-версии рассчитываются по каждой точке в измеренной области. Эти пять пар не исчерпывают весь набор параметров измерения шероховатости поверхности: ISO 25178 также определяет пространственные функциональные, пространственные и гибридные параметры без эквивалента в профиле. Они рассматриваются в нашем руководстве по анализу трехмерной текстуры поверхности.
Шероховатость поверхности Ra против Sa
Шероховатость поверхности Sa представляет собой ту же концепцию, что и Ra, примененную ко всей площади: среднее арифметическое абсолютных отклонений высоты по всей измеренной области.
Sa = (1/A) ∬ |z(x,y)| dx dy
Поскольку Sa использует каждую точку на площади, параметр менее чувствителен к месту проведения измерения. Один замер Ra может заметно измениться в зависимости от своего положения или направления, в то время как Sa усредняет значения по всей области. На однородных поверхностях оба значения часто оказываются близки друг к другу. На текстурированных, узорчатых или локально поврежденных поверхностях они могут расходиться в любую сторону, в зависимости от того, пересекла ли линия элемент или прошла мимо него.
Предостережение: Sa по-прежнему остается средним значением. Один изолированный дефект может практически не изменить его. Реальное преимущество данных по площади заключается в карте топографии и дополнительных параметрах, которые с ней связаны, а не в самом по себе Sa.
Rq против Sq
Rq и Sq — это среднеквадратичные эквиваленты Ra и Sa. Поскольку отклонения возводятся в квадрат перед усреднением, крупные пики и впадины имеют больший вес. Rq всегда больше или равен Ra, а Sq всегда больше или равен Sa.
Для поверхности с приблизительно гауссовым распределением высот отношение Rq/Ra составляет около 1,25. Значение соотношения, существенно превышающее это число, указывает на выходящие за пределы нормы пики или ямки, которые сглаживаются параметром Ra, поэтому сравнение этих двух показателей является быстрой проверкой для скрининга. Шероховатость поверхности Rq обычно задается для гладких, оптических и прецизионных поверхностей, где отдельные элементы имеют большее значение.
Rz против Sz
Rz описывает высоту от пика до впадины: расстояние между самым высоким пиком и самой глубокой впадиной в оцениваемом профиле. Sz применяет ту же идею ко всей измеренной области. Предостережение относительно определений: Rz оценивается по базовой длине и иногда усредняется по нескольким из них, а традиционные условности различаются, поэтому перед сравнением чисел уточните, какое именно определение прописано в вашем чертеже или стандарте.
Sz представляет собой экстремальное значение по всей площади и не усредняется, поэтому один всплеск или ямка в любой точке области определяют результат. В результате Sz обычно больше, чем Rz, измеренный на той же поверхности, и он более чувствителен к пыли, царапинам и шумам измерения. Если вы используете Sz или любое другое сравнение шероховатости поверхности по Rz, проверьте, как обрабатываются выбросы и фильтрация.
Асимметрия и эксцесс: Rsk/Ssk и Rku/Sku
Эти параметры описывают форму распределения высот, которую Ra и Sa не отражают.
- Асимметрия (Rsk, Ssk) показывает, преобладают ли на поверхности пики или впадины. Отрицательное значение указывает на текстуру с преобладанием впадин, такую как хонингованная поверхность с плато, которая удерживает смазку. Положительное значение указывает на острые пики, которые быстро изнашиваются или концентрируют контакт.
- Эксцесс (Rku, Sku) показывает остроту распределения. Значение около 3 указывает на случайное распределение в виде колокола. Более высокие значения указывают на острые пики или глубокие узкие ямки, а более низкие — на более однородную бугристую текстуру.
Две поверхности с одинаковым Ra или Sa могут иметь противоположную асимметрию, что часто объясняет, почему детали, соответствующие одной и той же спецификации шероховатости, ведут себя по-разному. Пространственные версии используют всю площадь, поэтому они не зависят от положения линии сканирования.
Почему совпадающие названия не означают совпадающие значения
Возкушение рассматривать Sa как «то же самое, что Ra, но в 3D» весьма велико. Четыре различия делают такой подход небезопасным:
- Выборка: линия против площади. Они могут захватывать разные элементы, поэтому значения могут различаться даже на одной и той же детали.
- Фильтрация: шероховатость профиля отделяется от волнистости с помощью длин волн отсечки, в то время как для данных по площади используются S- и L-фильтры, определенные в стандарте ISO 25178. Изменение настроек фильтра приводит к изменению результата, поэтому настройки всегда должны указываться вместе со значением.
- Направление: результат для профиля зависит от направления сканирования относительно следов обработки. Параметры площади учитывают все направления.
- Определения: как и в случае с Rz и Sz, параметры, которые выглядят эквивалентными, не всегда рассчитываются одинаково.
Не существует универсального коэффициента пересчета между 2D- и 3D-значениями. Sa не равен Ra, умноженному на константу, а допуски, прописанные для одного метода, нельзя просто перенести на другой.
Выбор между параметрами 2D- и 3D-шероховатости
Измерение 2D-шероховатости поверхности остается хорошим выбором, когда поверхность однородна и обработана стабильно, когда вы работаете по существующим чертежам и требованиям поставщиков, а целью является быстрая и воспроизводимая проверка чистоты обработки.
Параметры площади приносят наибольшую пользу, когда:
- Поверхность имеет текстуру с определенным направлением, локальные дефекты или структурные особенности
- Детали имеют покрытие, пористые или не имеют четкого рисунка механической обработки
- Измеренные значения меняются в зависимости от того, где была проведена линия сканирования
- Детали соответствуют спецификации Ra, но все равно демонстрируют проблемы с износом, герметичностью или адгезией
Более подробно о том, когда имеет смысл переходить на новый метод, см. в нашем обзоре измерения 3D-шероховатости поверхности.
Если вас беспокоят ограничения ваших текущих приборов, узнайте, почему ваши текущие инструменты для измерения поверхности могут не давать полной картины.
Переход спецификации от Ra к Sa
Поскольку значения не подлежат прямому пересчету, переход лучше всего осуществлять поэтапно:
- 1. Измеряйте обоими способами. Сохраняйте требования по Ra, одновременно собирая данные по Sa для тех же деталей. Многие оптические профилометры могут извлекать профиль линии из 3D-данных, что делает такое параллельное сравнение практичным.
Измеряйте обоими способами. Сохраняйте требования по Ra, одновременно собирая данные по Sa для тех же деталей. Многие оптические профилометры могут извлекать профиль линии из 3D-данных, что делает такое параллельное сравнение практичным.
- 2. Установите новые пределы. Задавайте допуски Sa на основе деталей, которые, как известно, работают хорошо, и деталей, которые, как известно, выходят из строя, а не на основе пределов Ra.
Установите новые пределы. Задавайте допуски Sa на основе деталей, которые, как известно, работают хорошо, и деталей, которые, как известно, выходят из строя, а не на основе пределов Ra.
- 3. Проверьте настройки фильтров. Убедитесь, что фильтры работают должным образом на реальной поверхности, особенно если она имеет направленную или периодическую структуру.
Проверьте настройки фильтров. Убедитесь, что фильтры работают должным образом на реальной поверхности, особенно если она имеет направленную или периодическую структуру.
- 4. Обновите документацию. Пересмотрите чертежи и требования поставщиков, так как многие из них до сих пор ссылаются на старые стандарты профилей.
Обновите документацию. Пересмотрите чертежи и требования поставщиков, так как многие из них до сих пор ссылаются на старые стандарты профилей.
Ra против Sa: основные различия между параметрами 2D- и 3D-шероховатости
Ra по-прежнему остается полезным и понятным числом, но это информация лишь об одной линии. Sa, Sq, Sz, Ssk и Sku распространяют те же знакомые параметры на всю площадь, добавляя информацию о форме и экстремальных значениях, которую усредненные показатели профиля упускают. Главное — относиться к ним как к связанным, но отдельным параметрам, каждый из которых имеет собственную спецификацию, а не как к прямой замене друг друга.
3D-оптические профилирующие микроскопы и 3D-оптические профилометры KEYENCE захватывают данные по всей площади и выводят параметры площади по стандарту ISO 25178, помогая командам сравнивать результаты 2D и 3D для одной и той же детали.
Часто задаваемые вопросы
Это среднеарифметическое абсолютных отклонений высоты профиля от его средней линии. Оно характеризует шероховатость поверхности вдоль одной измеренной линии и является наиболее распространенным значением шероховатости на чертежах.
Ra рассчитывается по одной линии профиля, в то время как Sa рассчитывается по всей измеренной площади. Оба показателя являются среднеарифметическими отклонениями высоты, но Sa в меньшей степени зависит от того, где и в каком направлении проводилось измерение.
Эквивалентами по площади являются: Sa для Ra, Sq для Rq и Sz для Rz. Они определены в стандарте ISO 25178 и рассчитываются по всей площади, а не вдоль линии.
Нет. В этих параметрах используются разные методы выборки, фильтрации, а в некоторых случаях и разные определения, поэтому ни один коэффициент не позволяет пересчитать один параметр в другой. Новые допуски Sa должны быть установлены и проверены на реальной поверхности.
Наиболее распространенными являются Ra, Rq и Rz для 2D-профилей, а также асимметрия (Rsk) и эксцесс (Rku). Их 3D-эквивалентами являются Sa, Sq, Sz, Ssk и Sku.
Не всегда. Ra достаточно для однородных поверхностей с постоянной механической обработкой. Sa и другие параметры площади более полезны для поверхностей с определенным направлением, узором, покрытием или сложной структурой, где одна линия не может охарактеризовать деталь целиком.
- Широкоформатный оптический профилометр серии VR-6000
Широкоформатный оптический профилометр
Серия VR-6000
