خشونة السطح في التصنيع

مقدمة

خشونة السطح هي اعتبار تصنيعي مهم يصف التباين المجهري على السطح. يمكن أن تنشأ هذه العيوب، التي تقاس عادةً بالميكرومتر (ميكرومتر) أو الميكرو بوصة (ميكرو بوصة)، من التصنيع الآلي أو الصب أو التصنيع المضاف أو التآكل أو التفاعلات الكيميائية. يمكن أن يكون للتباين البسيط تأثير كبير على أداء ومظهر وعمر المكوّن الفردي. لذلك، يعد التحكم في خشونة السطح وقياسها أمرًا ضروريًا في مجموعة من الصناعات مثل السيارات والفضاء والأجهزة الطبية والإلكترونيات.

ما هي خشونة السطح؟

خشونة السطح هي نسيج السطح الدقيق، مثل القمم والوديان والتموجات. يجب عدم الخلط بين خشونة السطح وتموج السطح، أو حالة عدم انتظام الطول الموجي الأطول، أو أخطاء الشكل، أو الانحرافات عن الهندسة المخطط لها.

ترجع أسباب خشونة السطح بشكل أساسي إلى عملية التصنيع:

- التصنيع: يتم إنشاء الأخاديد الدقيقة من خلال استخدام أدوات القطع؛ وتعتمد الخشونة على حدة الأداة ومعدل التغذية. يمكن تحقيق Ra 0.2 ميكرومتر مع أدوات ذات نوعية جيدة في قطع الألومنيوم المطحون باستخدام الحاسب الآلي في الفضاء الجوي، على سبيل المثال، مع وجود قطع أكثر من 1.6 ميكرومتر Ra أكثر خشونة.

- الصب: إن نسيج السطح هو دالة لمعدلات التصلب ومواد القالب؛ وعادةً ما يكون لأجزاء الألومنيوم المصبوبة بالقالب Ra من 1-3 ميكرومتر.

- التصنيع الإضافي: يتم إنشاء الهياكل ذات الخطوات المتدرجة من خلال الطباعة الطبقية؛ ويتميز الفولاذ المقاوم للصدأ بالذوبان الانتقائي بالليزر (SLM) الخالي من المعالجة اللاحقة بالقدرة على تحقيق قيم Ra تصل إلى 10 ميكرومتر.

تتوفر طرق التلامس وعدم التلامس لقياس خشونة السطح، مع وجود معلومات مهمة لكل من مراقبة الجودة والتحقق من صحة الأداء.

ما أهمية خشونة السطح؟

خشونة السطح لها تأثير مباشر على:

- الأداء الوظيفي: يولد السطح غير المستوي الاحتكاك والتآكل. على سبيل المثال، في حلقات مكابس السيارات، يمكن أن تؤدي قيمة Ra التي تزيد عن 0.8 ميكرومتر إلى زيادة الاحتكاك، مما يقلل من كفاءة المحرك بنسبة تصل إلى 2-3%. وعلى العكس من ذلك، فإن السطح النهائي الجيد (Ra ~ 0.2-0.4 ميكرومتر) يعزز الاحتفاظ بالتشحيم ويعزز عمر المكونات.

- الجودة الجمالية: تتطلب منتجات الإلكترونيات الاستهلاكية ذات الأسعار الممتازة أسطحًا نهائية ذات سطح نهائي أقل من 0.1 ميكرومتر Ra للحصول على مظهر سلس ومتميز.

- القوة: يمكن أن تعمل خشونة السطح كمركزات للإجهاد وتتسبب في بدء تشققات الإجهاد. في شفرات التوربينات لتطبيقات الطيران، وجد أن الحفاظ على خشونة السطح عند Ra ≤ 0.5 ميكرومتر يعزز عمر التعب بأكثر من 15% في ظل ظروف التحميل الدوري.

طرق قياس خشونة السطح

طرق التلامس

1. مقاييس الملامسة: يقوم قلم ذو طرف ماسي بمسح السطح وتسجيل الانحرافات. يمكن لمقاييس الملامسة الدقيقة للغاية قياس قيم Ra من 0.01 ميكرومتر، وهي مناسبة لأشباه الموصلات الدقيقة والأجزاء المعدنية.

2. مقاييس اللمس: توفر مقاييس التلامس قراءات سريعة لاختبارات مراقبة الجودة الروتينية، مثل التحقق من أن الجزء البلاستيكي المقولب يفي بمواصفات Ra < 1 ميكرومتر.

طرق عدم التلامس

1. قياس الملامح البصرية: استخدام قياس التداخل أو الفحص المجهري متحد البؤر لقياس الأسطح بدون تلامس، وهو الأمثل للمواد اللينة أو الحساسة مثل الطلاءات ذات الأغشية الرقيقة أو الغرسات الطبية.

2. المسح بالليزر: تقوم أشعة الليزر السريع بمسح طبوغرافية الأسطح الكبيرة بالليزر، وهي مثالية للألواح الفضائية حيث يكون توحيد Ra مهمًا على الأسطح المنحنية.

التأثيرات على قياس خشونة السطح

يعتمد القياس الدقيق على عدة مؤثرات:

- مادة السطح: سوف تتشوه المعادن القابلة للسحب عند لمسها وتنحرف النتائج؛ يتطلب الألومنيوم والتيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ قوى قلم مميزة.

- بيئة القياس: يمكن للتغيرات في درجات الحرارة والاهتزازات ومستويات الإضاءة أن تحرف القراءات. في المعامل الدقيقة، تُجرى القياسات عند درجة حرارة 20 ± 1 درجة مئوية لاستبعاد تأثيرات التمدد الحراري.

- معايرة الجهاز: يجب معايرة مقاييس الملامح والماسحات الضوئية مقابل معايير خشونة معتمدة، وغالبًا ما يتم ذلك على أساس كل جلسة قياس لضمان إمكانية التكرار.

تطبيقات قياس خشونة السطح

لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

ما هي وحدة القياس القياسية لخشونة السطح؟

ميكرومتر (ميكرومتر) أو ميكرو بوصة (ميكرو بوصة).

ما أهمية خشونة السطح في التصنيع؟

تؤثر على الأداء والمتانة والمظهر، وتضمن أن تكون المكونات ضمن مواصفات التصميم والمواصفات الوظيفية.

هل يمكن تحسين خشونة السطح بعد الإنتاج؟

نعم - عن طريق الطحن أو التلميع أو الصقل أو الصقل أو الطلاء حتى النهاية حسب الحاجة.

ما الفرق بين Ra وRz؟

Ra هو قياس متوسط الخشونة، في حين أن Rz هو متوسط الارتفاع من القمة إلى الوادي على طول طول العينة وهو عبارة عن بيانات تكميلية.

متى يجب معايرة الأدوات؟

يتم إجراء المعايرة قبل الاستخدام أو عند الضرورة باستخدام معايير خشونة معتمدة لضمان الدقة.