مفهوم زبری سطح فولاد یا رافنس (Roughness)
زبری سطح از جمله مفاهیمی ست که درک آن به صورت کلی چندان دشوار نیست. اگر با دست خود بر روی یک سطح بکشیم می توانیم به راحتی برجستگی هایی سطح آن را حس میکنیم مگر آنکه سطح بسیار صاف و صیقلی باشد. زبری سطح یا Surface Roughness از جمله مولفه هایی ست که نحوه واکنش یک جسم با محیط اطراف را مشخص می کند. این پارامتر در ساخت قطعات بسیار مهم است چرا که وجود ناهمواری ها باعث افزایش اصطکاک سطحی و ایجاد کانون هایی می شود که احتمال خوردگی و شکست را افزایش می دهد. از طرف دیگر سطح اگر بسیار هم صاف و صیقلی باشد میزان اصطکاک و قابلیت چسبندگی آن کم می شود. این حالت نیز برای بسیاری از کاربردها مطلوب نیست. بنابراین مهم است که قطعه ی ساخته شده از نظر زبری سطح در محدوده ی قابل قبولی باشد. در ادامه این مقاله در خصوص زبری سطح بیشتر توضیح داده خواهد شد.
مقدمه
زبری سطح یا رافنس (Roughness) یکی از مهم‌ترین پارامترهای کیفیت سطح فولاد است که تأثیر زیادی بر خواص فیزیکی و مکانیکی آن دارد. میزان زبری یک سطح مشخص‌کننده‌ی میزان انحراف و ناصافی‌های موجود بر سطح فلز است که مستقیماً بر عملکرد، دوام، و قابلیت استفاده از آن تأثیر می‌گذارد. در این مقاله، به بررسی مفهوم زبری سطح فولاد، روش‌های اندازه‌گیری آن و اهمیت آن در صنایع مختلف پرداخته خواهد شد.
قطعاتی که در صنعت به کار می روند لازم است تا از نظر ناهمواری یا زبری (Roughness) سطح در محدوده ای مطلوب قرار داشته باشند تا بتوانند عملکرد رضایت بخشی از خود نشان دهند. پرداخت سطح تاثیر مهمی بر دوام و عملکرد قعطات دارد. بنابراین لازم است تا با زبری سطح و اهمیت آن آشنایی کافی داشته باشید.
سطوح ناهموار اغلب با سرعت بیشتری ساییده یا پاره می شوند. از طرفی در این سطوح میزان اصطکاک بالاتر است و بی نظمی هایی که در سطح وجود دارد باعث ایجاد مکان های هسته زایی (Nucleation) می شود. شکستگی و خوردگی هایی که در این محل ها به وجود می آید باعث سایش راحتر قطعات می شود.
اما از طرف دیگر وجود درجه ای از ناهمواری برای ایجاد چسبندگی سطحی لازم است. زمانی که سطح شما بیش از حد صیقلی و صاف باشد چسبندگی آن نیز کم می شود.
احتمالا تا الان با اهمیت پرداخت سطح برای محصولات مختلف آشنا شدید. در ادامه توضیحات بیشتری در این خصوص ارائه خواهیم داد.
زبری سطح فولاد چیست؟
زبری سطح معیاری برای سنجش میزان انحراف میکروسکوپی بر روی سطح فولاد است. این پارامتر تأثیر مستقیمی بر رفتار فولاد در شرایط کاری مختلف دارد و می‌تواند در کاهش اصطکاک، افزایش مقاومت به خوردگی، بهبود چسبندگی پوشش‌ها و حتی افزایش جذابیت ظاهری آن مؤثر باشد.
زبری سطح معمولاً با واحد میکرومتر (µm) بیان می‌شود و در استانداردهای مختلف به‌صورت عددی مشخص می‌گردد. سطحی با زبری کمتر معمولاً صیقلی‌تر بوده و کیفیت بالاتری دارد، درحالی‌که زبری زیاد می‌تواند منجر به افزایش اصطکاک و کاهش عمر مفید قطعات شود
پارامترهای زبری سطح
برای اندازه‌گیری زبری سطح، چندین پارامتر تعریف شده است که از جمله مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. Ra (متوسط زبری سطح)
این پارامتر یکی از رایج‌ترین معیارهای سنجش زبری است که مقدار میانگین انحراف از خط مرکزی سطح را نشان میدهد. معمولاً مقدار Ra برای سطوح فولادی در صنایع حساس مانند صنایع غذایی و دارویی باید کمتر از 0.4 µm باشد.
2. Rz (میانگین حداکثر ارتفاع سطح)
این مقدار میانگین اختلاف بین پنج بلندترین قله و پنج عمیق‌ترین دره در سطح نمونه‌گیری را نشان میدهد و معمولاً در مقایسه با Ra دقت بالاتری در ارزیابی ویژگی‌های سطح دارد.
3. Rq (انحراف معیار زبری سطح)
این پارامتر به‌عنوان ریشه‌ی میانگین مربع انحرافات سطح از خط میانگین تعریف شده و در برخی موارد به‌جای Ra استفاده می‌شود.
4. Rmax (بیشترین فاصله عمودی ناهمواری‌ها)
این مقدار حداکثر فاصله‌ی عمودی بین بلندترین قله و عمیق‌ترین دره را در طول نمونه‌گیری نشان میدهد و برای تشخیص نقاط بحرانی سطح استفاده می‌شود.
پرداخت سطح چیست؟
پیش از آنکه به بررسی جدول پرداخت سطح بپردازیم ابتدا ببینیم پرداخت سطح چیست و شامل چه مواردی می شود؟ پرداخت سطح به فرایند تغییر سطح فلز اشاره دارد که شامل مواردی مانند حذف کردن، افزودن یا تغییر شکل سطح می شود. پرداخت سطح با سه معیار زبری سطح (Surface Roughness)، موجدار بودن (Waviness) و خواب (Lay) آن مشخص می شود.
زبری سطح اندازه گیری کل بی نظمی های فاصله دار در سطح است. هنگامی که ماشین کارها از پرداخت سطح (Surface Finish) صحبت می کنند معمولا منظور آن ها همان زبری سطح است.
موج دار بودن نیز به تاب خوردگی هایی اشاره می کند که فاصله آن ها از هم از طول زبری سطح بیشتر است. Lay یا خواب سطح نیز به جهت غالب الگوی سطح اشاره دارد.
در تصویر زیر می توانید هر کدام از مفاهیم فوق را در قالب یک عکس مشاهده کنید.
چرا پرداخت سطح در فرایندهای مهندسی اهمیت دارد؟
زبری سطح نقش بسیاری مهمی در نحوه ی واکنش یک محصول با محیط پیرامونش دارد. پرداخت یک سطح مشخص کننده عملکرد قطعه است.
البته میزان سطحی با توجه به کاربرد قطعه مشخص می شود. پرداخت های مختلف اثرات متفاوتی دارند. ساده‌ترین راه به دست آوردن زبری سطح مورد نظر مقایسه ی آن با استانداردهایی ست که در همین رابطه وجود دارد. پرداخت سطح می تواند در موارد زیر بسیار کمک کننده باشد.
- بر مقاومت به خوردگی و همچنین مقاومت در برابر مواد شیمیایی بسیار تاثیر گذار است.
- باعث جذابیت و زیبایی سطح می شود.
- در میزان چسبندگی پوشش ها و رنگ ها به سطح مؤثر است.
- عیوب سطحی را از بین می برد.
- باعث بهبود رسانایی می شود.
- استحکام محصول در برابر سایش را افزایش می دهد و اثر اصطکاک را به حداقل می رساند.
چگونه زبری سطح را اندازه گیری کنیم؟
زبری سطح از طریق محاسبه ی صافی نسبی سطح به دست می آید که میزان آن با پارامتر عددی Ra نشان داده می شود. نموار Ra مقدار متوسط برجستگی هایی که در روی سطح وجود دارند را مشخص می دهد.
همانطور که قبلا نیز اشاره شد سه جز اساسی برای سطح وجود دارد. زبری، موج دار بودن و خواب سطح. به همین دلیل عوامل مختلفی بر ویژگی های هندسه سطح تاثیر گذار هستند.
به همین ترتیب چندین سیستم مختلف برای اندازه گیری زبری سطح وجود دارد که عبارتند از:
- اندازه گیری مستقیم
- روش های غیر تماسی
- روش مقایسه ای
- روش های درجریان یا In-process
در روش مستقیم اندازه گیری سطح به وسیله ی یک قلم انجام می شود. این قلم به صورت عمودی بر روی سطح کشیده می شود و یک دستگاه با توجه به حرکت قلم و ارتفاع آن مقدار پارامترهای زبری سطح را ثبت می کند.
روش های غیر تماسی از نور یا صدا برای مشخص کردن زبری سطح استفاده می کنند. در این حالت نور سفید و هم کانون به جای یک قلم میزان ناهمواری سطح را اندازه گیری می کند. در استفاده از صوت نیز یک پالس اولتراسونیک به سمت سطح ارسال می شود. بر اساس تغییراتی که در انعکاس موج صوتی بر گشته از سطح ایجاد می شود می توان زبری سطح را اندازه گیری کرد.
از تکنیک های دیگری که برای اندازه گیری زبری سطح به کار برده می شود روش مقایسه ایست. در این روش نمونه هایی با زبری تعیین شده از قبل آماده می شوند. سپس سازنده به کمک حس لامسه یا بینایی زبری قطعه را با نمونه های استاندارد مقایسه می کند.
و اما اخرین روش نیز به نام In-process معروف است و یکی از تکنیک های کمک گرفتن از مواد مگنتیک یا با خاصیت مغناطیسی ست. یک پیکاپ اندوکتانس به کمک انرژی الکترومغناطیسی اقدام به اندازه گیری زبری سطح می نماید.
تأثیر زبری سطح بر عملکرد فولاد
زبری سطح فولاد نقش مهمی در کیفیت نهایی و کارایی محصول دارد. برخی از تأثیرات آن شامل موارد زیر است:
افزایش مقاومت به خوردگی: سطح صاف‌تر منجر به کاهش تجمع مواد خورنده و افزایش عمر مفید فولاد می‌شود.
کاهش اصطکاک و سایش: سطوح با زبری کمتر اصطکاک پایین‌تری دارند و در قطعات متحرک باعث کاهش مصرف انرژی و افزایش کارایی می‌شوند.
بهبود چسبندگی پوشش‌ها و رنگ‌ها: سطوح با زبری مناسب باعث چسبندگی بهتر رنگ، لعاب و سایر پوشش‌های محافظتی می‌شوند.
زیبایی و کیفیت ظاهری بالاتر: پرداخت مناسب سطح، باعث بهبود ظاهر و افزایش ارزش تجاری محصولات فولادی می‌شود.
نمادها و علائم اختصاری در اندازه گیری زبری سطح
برای نشان دادن میزان زبری سطح از یک سری علائم اختصاری مانند Rz، RKu، Rq، Rsk، Ra و ... استفاده می شود. در ادامه در خصوص این علائم بیشتر توضیح داده خواهد شد.
Ra- متوسط زبری سطح
این پارامتر بیشترین استفاده را در نشان دادن زبری سطح دارد و به معنای زبری متوسط سطح است.
Rmax- فاصله ی عمودی بین بیشترین و کمترین ناهمواری سطح
این پارامتری ناهمواری شاخصی ست که به کمک آن می توان فهمید حداکثر فاصله ی یک بلندترین برجستگی سطح با عمیق ترین فرورفتگی آن چقدر است.
Rz- میانگین حداکثر ارتفاع
این شاخص میانگین 5 تا از بزرگترین برجستگی ها و فرورفتگی های سطح را نشان میدهد.
روش‌های اندازه‌گیری زبری سطح
زبری سطح را می‌توان به روش‌های مختلفی اندازه‌گیری کرد که از جمله مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:
1. اندازه‌گیری مستقیم (تماسی)
در این روش، از دستگاه‌های پروفیلومتر استفاده می‌شود که یک قلم حساس را روی سطح حرکت داده و میزان زبری را ثبت می‌کنند. این روش دقیق اما زمان‌بر است.
2. روش‌های غیرتماسی
این روش‌ها شامل استفاده از نور، لیزر یا امواج صوتی برای اندازه‌گیری زبری سطح هستند. روش‌های غیرتماسی دقت بالایی دارند و سرعت اندازه‌گیری در آن‌ها بیشتر از روش‌های تماسی است.
3. روش مقایسه‌ای
در این روش، سطح فولاد با نمونه‌های استاندارد مقایسه شده و زبری آن بر اساس حس لامسه یا مشاهده‌ی بصری تعیین می‌شود. این روش دقت کمتری دارد و بیشتر در بازرسی‌های چشمی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
4. روش در حین فرآیند (In-process Measurement)
این روش از فناوری‌های الکترومغناطیسی یا نوری برای اندازه‌گیری زبری در حین تولید استفاده می‌کند و برای کنترل کیفیت در فرآیندهای تولیدی مفید است
جدول زبری سطح
نمودارهای پرداخت سطح استاندارد شاخص بسیار مهمی برای بررسی پرداخت یک سطح هستند و سازندگان همیشه از آن به عنوان یک مرجع برای اطمینان از کیفیت فرایند تولید استفاده می کنند.
از آن جا که رسیدن به زبری سطح دقیق می تواند بسیار پرهزینه و چالش بر انگیز باشد بنابراین باید در هر کاربرد مشخص کرد که چه محدوده ای زبری سطح قطعه کار می تواند برای ما مطلوب باشد.
جدول استاندارد زبری سطح در فرآیندهای مختلف ماشین‌کاری
| فرآیند ماشین‌کاری | مقدار Ra (µm) |
|---|---|
| سنگ‌زنی (Grinding) | 0.1 - 0.8 |
| تراشکاری (Turning) | 0.4 - 3.2 |
| فرزکاری (Milling) | 0.8 - 6.3 |
| پولیش (Polishing) | 0.025 - 0.1 |
نتیجه‌گیری
زبری سطح فولاد یکی از عوامل تعیین‌کننده در کیفیت و کارایی آن است. انتخاب میزان زبری مناسب برای هر کاربرد اهمیت بالایی دارد و می‌تواند تأثیرات قابل‌توجهی بر روی خواص مکانیکی، زیبایی، و دوام قطعات فولادی بگذارد. استفاده از روش‌های دقیق اندازه‌گیری و کنترل زبری سطح، نقش کلیدی در بهبود کیفیت و عملکرد نهایی محصول ایفا می‌کند. بنابراین، آشنایی با مفهوم زبری سطح و استانداردهای آن، برای مهندسان و تولیدکنندگان فولاد امری ضروری محسوب می‌شود.
