Основные понятия и определения в технике измерения шероховатости, простое объяснение

Границами между различными агрегатными состояниями вещества являются реальные поверхности. Общие математические уравнения таких поверхностей дают представление о геометрической форме тел. В физике, в технике и других областях знаний часто недостаточно рассмотреть лишь одну общую форму тел. Приходится считаться с тем, что они образованы в результате действия различных сил и после формирования часто продолжают оставаться под действием этих же или других сил, возникающих на границе между двумя телами или веществами (между твердым телом и жидкостью, между двумя телами разной плотности).

Эти взаимодействия связаны со структурой поверхностей. Рассмотрение таких взаимодействий будет зависеть как от абсолютной величины области исследования, так и от совершенства средств, с помощью которых изучают свойства поверхностей. Проиллюстрируем сказанное простым примером. Поверхность воды, налитой в сосуд, представляется ровной, гладкой и плоской. Поверхность воды при более обширном пространстве озера или моря в каких-то определенных пределах может быть названа плоской.

Хотя неизбежно возникающие волны придают ей особое свойство, которым зачастую пренебречь нельзя. С точки же зрения геофизики та же поверхность уже имеет более сложную форму. А если применить весьма точные оптические методы исследования и к первому случаю, то удается обнаружить, что поверхность жидкости в сосуде имеет искривленную, выпуклую форму с радиусом кривизны, равным радиусу Земли.

Кроме того, как силы ветра и течения на обширном водном пространстве делают поверхность воды не гладкой, а шероховатой, так и поверхности твердых тел, соответствующие границам между этими телами и окружающей средой, под воздействием механических сил приобретают геометрически сложную конфигурацию.

Водная поверхность реки

Это подобие хорошо отражено на примере, на котором приведены фотографии водной поверхности реки и участка матового стекла.

Водная поверхность реки снята с моста при освещении ее импульсной лампой (снимок заимствован из работы Шулея, исследовавшего рассеяние света водной поверхностью при различном ее возмущении ветром). Фотография участка матового стекла получена автором при освещении поверхности стекла отдаленным точечным источником света. Матовое стекло располагали вблизи объектива фотокамеры с фокусным расстоянием 225 мм. Картина рассеяния света поверхностью матового стекла на снимке приведена в увеличенном масштабе (приблизительно 5х).

Оба снимка сделаны в совершенно разных масштабах, но производят в целом одинаковое впечатление. Подобные аналогии иногда позволяют пользоваться общими принципами для решения различных задач, связанных с изучением геометрии поверхности. Рассматривая неровности на существующих поверхностях или получающиеся в результате изготовления деталей (или изделий), можно заметить, что в различных случаях играют роль не только высоты неровностей, но и расстояния между ними.

Соответствие одних деталей другим, их взаимозаменяемость, имеющая важное значение в современном массовом производстве, в большей степени определяется степенью отклонения этих деталей от заданной геометрической формы. Такое отклонение от формы, как, например, непрямолинейность направляющих станков, измерительных устройств и пр., приводит к систематическим или периодическим погрешностям изготовления; эллиптичность валов или отверстий ведет к появлению вредных зазоров или местному увеличению трения, вызывающему, в свою очередь, вибрацию деталей и механизмов, а следовательно, сокращение срока их службы.

Совокупность отклонений

Из схематического примера ясно, что взаимодействие двух деталей (вала А и отверстия В) будет различным в зависимости от характера отклонения геометрической формы от заданной при одинаковых допусках на общие размеры. В этом случае мы рассматривали всю поверхность, на которую распространяется взаимодействие этих деталей. При рассмотрении все меньших ее участков приходится учитывать отклонения от заданной формы, имеющие иной, специфический, характер. Особенностью этих отклонений является периодический характер их появления.

Совокупность отклонений такого рода называется волнистостью и шероховатостью. Разделение отклонений на три вида: отклонения от правильной геометрической формы, волнистость и шероховатость – несколько неопределенно; все же его можно представить численно диаграммой. По оси ординат отложены значения высот Н неровностей, по оси абсцисс – расстояния Л между неровностями. Области неровностей на поверхностях, характеризующихся определенным соотношением между высотами неровностей и расстоянием между ними, ограничены сплошными линиями.

Области отклонений от правильной геометрической формы, волнистости и шероховатости поверхности обозначены цифрами. Пунктиром и цифрой обозначена область неровностей, меньших принятых нормами для шероховатости. Неровности области доходят до значений, определяемых молекулярной структурой поверхности. Эта область, для которой пока нет специального названия, почти совершенно не изучена, так как лежит за пределами чувствительности современных приборов. Ее можно было бы именовать шероховатостью второго порядка.

Схематически изображена деталь, имеющая три вида неровностей: отклонение от правильной геометрической формы на расстоянии, волнистость при высоте и расстоянии и шероховатость при высоте неровностей и расстоянии между неровностями.

Методы исследования поверхностей

Соотношения между тремя видами неровностей могут принимать различные значения, как и их абсолютные величины. Если, например, размеры детали станут меньше и близкими к значению, тогда и величину для данного случая будут уже именовать отклонением от правильной геометрической формы.

Новые методы исследования поверхностей с помощью электронного микроскопа и многолучевой интерференции света позволяют обнаружить наличие неровностей там, где до того их не обнаруживали. Приведен пример полированной поверхности стекла, полученная с помощью так называемых полос равного хроматического порядка, – при этом обнаруживается весьма тонкая структура поверхности, на которой неровности не превышают 0,005 мкм (мк). Вопрос о неровностях, отнесенных к области, ниже будет рассмотрен подробнее.

Наоборот, с увеличением размеров детали неровности, находящиеся на расстоянии Друг от друга, если они регулярно чередуются, рационально именовать волнистостью. Кроме того, в настоящее время при нормировании высот неровностей, относящихся к области шероховатости поверхности, в стандартах (например, в ГОСТ 2789) введены так называемые значения базовых длин, которые служат для исключения из рассмотрения высот неровностей, встречающихся на длине, превышающей базовую.

Так как шкала базовых длин является переменной и зависимой от степени шероховатости поверхности, то и сама область шероховатости становится несколько неопределенной и переменной. Таким образом, те неровности, которые в одном случае могут быть отнесены к области шероховатости, при рассмотрении более высоких по классу чистоты поверхностей попадут в область волнистости. Последнее обстоятельство и приводит к тому, что различные области неровностей частично перекрываются.