Τραχύτητα

Τραχύτητα

Ως «ποιότητα» επιφανείας, εννοείται η κατάσταση στην οποία βρίσκεται το επιφανειακό στρώμα του υλικού σύμφωνα με τα αποδεκτά για την παραγωγή, γεωμετρικά χαρακτηριστικά καθώς και τις φυσικοχημικές και μηχανικές του ιδιότητες. Όσων αφορά τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά μιας επιφάνειας, το βασικότερο κριτήριο είναι η τραχύτητά της.

Συνήθως οπτικά, οι επιφάνειες των στερεών σωμάτων χαρακτηρίζονται ως λείες ή τραχιές. Αυτός ο διαχωρισμός δεν αντιπροσωπεύει πλήρως την πραγματική μορφή ή ποιότητα μιας επιφάνειας. Στην πραγματικότητα καμία επιφάνεια δεν είναι απολύτως λεία, αυτό όμως δεν γίνεται αντιληπτό με γυμνό οφθαλμό. Παρατηρώντας μεταλλογραφικά μια επιφάνεια, παρατηρούμε ότι η μορφή της (επιφανειακή τοπογραφία) παρουσιάζει αυξομειώσεις σχετικά με την επιπεδότητα, που θα μπορούσαν να παρομοιαστούν με τις «κορυφές και κοιλάδες» του φυσικού περιβάλλοντος ή και με την εικόνα ενός καρδιογραφήματος.

Το είδος, το ύψος και η περιοδικότητα αυτών των αυξομειώσεων οφείλονται σε:

  • Στο είδος της μηχανουργικής διεργασίας στην οποία υποβλήθηκε η επιφάνεια. Συνήθως οι επιφάνειες εξαρτημάτων, έχουν υποστεί μία ή περισσότερες μηχανουργικές κατεργασίες έτσι ώστε η τελική τους μορφή να ‘ναι η επιθυμητή. Ανάλογα με τη γεωμετρία του κοπτικού άκρου του εργαλείου ή του μέσου απόξεσης που χρησιμοποιήθηκε για την αφαίρεση υλικού από το στέρεο σώμα κατά τη διάρκεια της κατεργασίας του (τόρνευση, φρεζάρισμα, πλάνισμα), η υφή της επιφάνειας μεταβάλλεται. Χαρακτηρίζεται τότε από τα αποτυπώματα της ακμής του κοπτικού εργαλείου σύμφωνα πάντοτε με την εκάστοτε πρόωση.
  • Στις συνθήκες που επιλέχθηκαν κατά τη λειτουργία της επιφάνειας. Όταν μια επιφάνεια βρίσκεται σε σχετική κίνηση κατά τη λειτουργία της, τα αρχικά χαρακτηριστικά της μορφής της αλλοιώνονται (εκτράχυνσή ή λείανση). Επίσης όταν η λειτουργία γίνεται σε περιβάλλον επιβαρυμένο με χημικούς παράγοντες, στην επιφάνεια είναι πιθανόν να δημιουργηθεί εντονότερο ανάγλυφο ή και διάβρωση.

Η σημασία της τραχύτητας.

Η πλειοψηφία των κατασκευών, είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε δύο ή και περισσότερες κινούμενες επιφάνειες να βρίσκονται σε επαφή μεταξύ τους (τριβοσύστημα). Η αλληλεπίδραση των τριβόμενων επιφανειών, εξαιτίας της λανθασμένης τραχύτητας, έχει συνήθως τα εξής αποτελέσματα:

  • Φθορά
  • Κόπωση
  • Ρωγμές
  • Αστοχία
  • Διάβρωση
  • Κακή λειτουργία
  • Μικρό χρόνο ζωής

Οι επιφάνειες, εξαιτίας της αυξημένης τραχύτητας συνήθως φθείρονται γρήγορα και οι διαστάσεις τους μεταβάλλονται. Μεγάλη τραχύτητα, δηλαδή μυτερές κορυφές και βαθιές κοιλάδες ελαττώνουν τη φέρουσα επιφάνεια (την επιφάνεια τριβής) και οδηγούν σε ταχύτερη κόπωση του υλικού. Ο αποκλίσεις απ’ την πραγματική επιφάνεια είναι δυνατόν να δημιουργήσουν κρατήρες, με μεγάλη πιθανότητα να εξελιχθούν σε ρωγμές (σε περίπτωση εναλλασσόμενων μηχανικών φορτίσεων–κόπωση υλικού) και τέλος αστοχία (το 80% των αστοχιών, συμβαίνουν εξαιτίας της φθοράς που αναπτύσσεται ανάμεσα σε δύο συνεργαζόμενες επιφάνειες). Επίσης, όπως προαναφέρθηκε, σε περίπτωση λειτουργίας της επιφάνειας του σώματος σε περιβάλλον χημικά επιβαρυμένο, τότε το υλικό πιθανόν να οδηγηθεί σε διάβρωση.

Γενικά, μικρή τραχύτητα επιφάνειας και μικρή κυμάτωση συνδέεται με ακριβέστερη διεργασία.

Η μέτρηση της τραχύτητας είναι απαραίτητη κατά την διαδικασία της παραγωγής, καθώς στα αρχικά στάδια γίνεται εφικτή η αναγνώριση σφαλμάτων, ενώ στα μετέπειτα, η τραχυμέτρηση λειτουργεί ως χρήσιμο εργαλείο ελέγχου για τη βελτιστοποίηση των διαφόρων κατεργασιών που πραγματοποιούνται. Στα σύγχρονα συστήματα κατεργασιών άλλωστε, η τραχύτητα λειτουργεί ως ελεγκτικό μέγεθος σε προβλήματα αυτόματου ελέγχου και διαγνωστικής δυσλειτουργιών ή βλαβών. Με τη γνώση της τραχύτητας γίνεται εφικτή η πρόβλεψη της διάρκειας ζωής μιας κατασκευής.

Εφαρμογές της Τραχύτητας

  • Σε τριβοσυστήματα
    -Τροχός οχήματος – Δρόμος (δάπεδο): Μείωση ολισθηρότητας δαπέδου, ομοιομορφία.
    -Οδοντοτροχοί – Σφήνες – Συμπλέκτες: Καλή συνεργασία.
    -Άξονες και άτρακτοι – Σύνδεσμοι
    -Σωληνώσεις: Ένα υδραυλικό δίκτυο θα πρέπει να εξασφαλίζει ελάχιστες απώλειες ροής λόγω τριβών.
    Μικρότερη τραχύτητα οδηγεί σε μικρότερη αντίσταση ροής.
  • Σε τριβοσυστήματα όπου παρεμβάλλεται λιπαντικό:
    Πολύ λεία επιφάνεια δεν συγκρατεί λιπαντικό, ενώ πολύ τραχιά προκαλεί συχνές ασυνέχειες του στρώματος λίπανσης με αποτέλεσμα την κακή λειτουργία του μηχανισμού.

– Δακτύλιος Ρουλεμάν: Η επιφάνεια του δακτυλίου πρέπει να είναι αρκετά λεία έτσι ώστε να συνεργάζεται με την επιφάνεια του άξονα, ωστόσο χρειάζεται την τραχύτητα για να συγκρατεί το στρώμα του λιπαντικού.
-Έδρανα ολίσθησης (Άτρακτος-Τριβέας-Λιπαντικό)
-Δισκόφρενο (Δίσκος-Πέδιλο-Ρύπος)
-Πολύσφηνα (Πολυσφηνωτός άξονας – Πολυσφ, Τρύμα – Γράσσο)
-Έμβολο-Κύλινδρος Μ.Ε.Κ. (Ελατήρια-Κύλινδρος-Λιπαντικό):
Η υπερβολική λείανση των επιφανειών των κυλίνδρων σε μια μηχανή εσωτερικής καύσης μαζί με μια μείωση του διακένου εμβόλου – κυλίνδρου, είναι δυνατόν να δημιουργήσει προβλήματα στη λίπανση, καθώς το λιπαντικό δεν θα κολλάει πάνω στις επιφάνειες στον ικανό βαθμό για την λειτουργία του κινητήρα.

  • Σε ηλιακές κυψέλες απόδοσης:
    Ηλιακά υλικά που είναι ελαφρώς τραχιά παγιδεύουν περισσότερο φως από τις εντελώς λείες επιφάνειες, συνεπώς επιτυγχάνεται μεγαλύτερη απόδοση.
  • Σε εφαρμογές τεχνολογίας λεπτής μεμβράνης
  • Σε εφαρμογές για μικροηλεκτρονικές και οπτικοηλεκτρικές διατάξεις
  • Στις ναυτιλιακές επιστήμες:
    Οι υπολογισμοί τραχύτητας χρησιμοποιούνται στις ναυτιλιακές επιστήμες για να χαρακτηρίσουν τους βιότοπους του θαλάσσιου πυθμένα (ωκεανογραφία).

Μέτρηση Τραχύτητας

Ιστορική Αναδρομή:
Αρχικά, ο προσδιορισμός της τραχύτητας γινόταν με δοκίμια πρότυπων επιφανειών καθορισμένης τραχύτητας, όπου συγκρίνονταν δι’ αφής με την εξεταζόμενη επιφάνεια.
Αργότερα, ο έλεγχος της τραχύτητας βελτιώθηκε με την εισαγωγή των αντεστραμμένων τριγώνων, σύμφωνα με την προδιαγραφή DIN 140.
Το 1938 ο Abbot κατασκεύασε το κατανομόμετρο ή προφιλόμετρο, βασισμένο σε προηγούμενες προτάσεις (Schmaltz, 1929). Το προφιλόμετρο, με τη βοήθεια ειδικού μετρητικού δρομέα, ήταν το πρώτο όργανο μέτρησης του μεγέθους και σχήματος των ανωμαλιών μιας επιφανείας.
Αργότερα επινοήθηκαν τα ηλεκτρικά όργανα μέτρησης τραχύτητας, (τραχύμετρα στυλίσκου) όπου έδωσαν την ικανοποιητική απεικόνιση της πραγματικής κατανομής της επιφανείας.
Στις μέρες μας, η μέτρηση της τραχύτητας γίνεται με ηλεκτρομηχανικά τραχύμετρα.

Μεγέθη μέτρησης Τραχύτητας

Όπως προαναφέρθηκε, η κατανομή (προφίλ) μιας επιφάνειας, προσδιορίζεται με την ιχνηλάτηση των ανωμαλιών της. Τα μεγέθη που μας δίνουν τον ακριβή προσδιορισμό της τραχύτητας είναι τα εξής:

Ra: Μέση τραχύτητα ή τραχύτητα μέσης γραμμής.
Παριστάνει τη μέση τιμή των αποκλίσεων όλων των σημείων της πραγματικής κατανομής από την κεντρική γραμμή (CL – central line, η ευθεία γραμμή που διαγράφει την κατανομή με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε τα εμβαδά κορυφών να ισούται με εμβαδά κοιλάδων), σε δεδομένο μήκος δειγματοληψίας.
Η τραχύτητα Ra είναι το πιο αναγνωρίσιμο μέγεθος για τη μέτρηση της τραχύτητας, εξαιτίας του ταχύτατου υπολογισμού της καθώς τα ηλεκτρικά όργανα μέτρησης (τραχύμετρα), υπολογίζουν αυτόματα τη κεντρική γραμμή.

Rt (ή Rmax): Μέγιστο βάθος ή μέγιστη τραχύτητα.

Παριστάνει τη διαφορά ύψους της ψηλότερης κορυφής των επιφανειακών ανωμαλιών από τη βαθύτερη κοιλάδα, στο μήκος δειγματοληψίας.

 

Rz: Το ύψος δέκα σημείων, ή η μέση διαφορά ύψους μεταξύ των πέντε υψηλότερων κορυφών και των πέντε χαμηλότερων κοιλάδων.

Rq (ή RMS): Τραχύτητα μέσης τιμής ή ενδεικνυόμενη τιμή τραχύτητας.
Εδώ είναι χρήσιμο να αναφερθεί το ΜΗΚΟΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ ‘Η ΑΠΟΚΟΠΗΣ.

Όπως ήδη αναφέρθηκε, η τραχύτητα μιας επιφάνειας έχει τη μορφή κορυφών και κοιλάδων. Ωστόσο, οι αποστάσεις μεταξύ ανώτατου και κατώτατου σημείου (κορυφής-εδάφους) αλλά και οι αποστάσεις τους κατά το μήκος της επιφάνειας του στερεού, διαφέρουν και ποικίλουν μεταξύ τους. Η διαφορά αυτή μεταξύ των ανωμαλιών δημιούργησε την ανάγκη για αποσαφήνιση της πραγματικής μέτρησης τραχύτητας. Η πραγματική μέτρηση πρέπει να περιλαμβάνει ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα της επιφάνειας (με μεγάλες και μικρές αυξομειώσεις) έτσι ώστε το αποτέλεσμα να ‘ναι ακριβές. Για μηχανουργικά κατεργασμένες επιφάνειες, το μήκος αποκοπής σχετίζεται με τη μηχανουργική κατεργασία που προηγήθηκε στη μετρούμενη επιφάνεια.

Πίνακας της Τραχύτητα Ra που προκύπτει ύστερα` από διαφορετικές μηχανουργικές κατεργασίες σε μεταλλικά υλικά, για την επιλογή του κατάλληλου μήκους ολοκλήρωσης.


 

Τρόπος λειτουργίας Τραχυμέτρου

Περιγραφικά, το τραχύμετρο είναι εφοδιασμένο με έναν αδαμάντινο στυλίσκο (ακίδα), στερεωμένο σε μετακινούμενο στέλεχος (βραχίονα) μορφοτροπέα. Με την κατακόρυφη κίνηση του στελέχους, ο στυλίσκος διαγράφει την προς εξέταση επιφάνεια με αποτέλεσμα την ιχνηλάτηση των ανωμαλιών της επιφανείας. Η πληροφορία, με τη μορφή σήματος, μεταφέρεται απ’ το βραχίονα στον αναλογικό ενισχυτή/μετατροπέα όπου και καταγράφεται. Το σήμα γίνεται ψηφιακό και καταχωρείται στη μνήμη του τραχυμέτρου. Η αδαμάντινη ακίδα, παρότι χαράσσει την επιφάνεια, χρησιμοποιεί τόσο μικρή δύναμη (σε mN) έτσι ώστε η επίδρασή της δεν σημαδεύει την επιφάνεια, ούτε αλλοιώνει τα μετρούμενα μεγέθη.

Χαρακτηριστικά Τραχυμέτρων TESA (Ελβετίας)

 

Χαρακτηριστικά Τραχυμέτρων INNOVATEST