Hrapavost površine i njezino označavanje

Hrapavost: mikrogeometrija plohe

Na crtežu je ploha idealna crta, a u stvarnosti svaki postupak ostavlja trag: tokarski nož spiralne brazde, glodalo lukove, brusna ploča mnoštvo sitnih ogrebotina. Odstupanja stvarne plohe od idealne dijele se po valnoj duljini. Najduža su odstupanja oblika (plohe nisu ravne ili okrugle; njih propisuju tolerancije oblika iz jedinice 4.4), srednja je valovitost (posljedica vibracija i savijanja alata), a najkraća je hrapavost — tragovi samog reznog brida i zrnca brusa.

Hrapavost izravno određuje funkciju. Vodilica Ø12 osi PS-1 po kojoj putuju kuglični ležajevi mora biti glatka, inače se kuglice i staza brzo troše; zato je propisano Ra 0,4 i brušenje. Provrt Ø28 H7 za ležaj 6001 u nosaču vretena treba glatku stijenku da vanjski prsten ležaja dobro naliježe, ali ne toliko glatku koliko staza kuglica. Donja ploha postolja koja samo naliježe na podlogu stroja dovoljna je s hrapavošću kakvu daje uobičajeno glodanje. Previsoka zahtjevnost skupa je jednako kao preniska: svaki korak prema glađoj plohi znači sporiju obradu ili dodatni postupak.

Pojmovi i veličine hrapavosti propisani su normama za profilnu metodu (dugo godina ISO 4287 i ISO 4288, danas sustav ISO 21920), a označavanje na crtežu normom ISO 1302, koju zamjenjuje ISO 21920-1. Primjenjuje se važeće izdanje; na crtežu ili u dokumentaciji tvrtke treba biti jasno po kojem se sustavu oznake tumače, jer novi sustav mijenja dio zadanih uvjeta vrednovanja.

Profil, srednja crta i duljine mjerenja

Hrapavost se mjeri profilometrom: ticalo s dijamantnim vrhom prelazi preko plohe okomito na tragove obrade i bilježi visinu. Iz zapisa se filtrima odvajaju valovitost i oblik, pa ostaje profil hrapavosti. Kroz njega se provlači srednja crta, postavljena tako da su površine materijala iznad nje i praznine ispod nje jednake. Sve se visine mjere od te crte.

Mjerenje se ne vrednuje na jednom komadu profila nego na duljini vrednovanja ln, koja je uobičajeno pet referentnih duljina lr. Referentna duljina jednaka je graničnoj valnoj duljini filtra λc i bira se prema očekivanoj hrapavosti: za tipične strojno obrađene plohe s Ra od približno 0,1 do 2 µm to je 0,8 mm, pa je duljina vrednovanja 4 mm. Za grublje plohe uzima se 2,5 mm, a za vrlo glatke 0,25 mm. Ako mjeritelj uzme prekratku duljinu, izgubit će dio stvarne hrapavosti; ako uzme predugu, u rezultat će ući valovitost.

Veličine Ra i Rz

Ra (srednje aritmetičko odstupanje profila) je srednja vrijednost apsolutnih udaljenosti točaka profila od srednje crte. Grafički, to je ukupna ispunjena površina između profila i srednje crte (i iznad i ispod) podijeljena duljinom. Ra je najraširenija veličina jer je stabilna: jedan slučajni dubok ožiljak malo je mijenja. Upravo zato Ra ne razlikuje plohu s mnogo niskih vrhova od plohe s rijetkim dubokim brazdama.

Ra = (1 / lr) · ∫ |z(x)| dx

Rz (najveća visina profila) je zbroj visine najvišeg vrha Zp i dubine najdublje doline Zv unutar jedne referentne duljine; iskazuje se kao srednja vrijednost za svih pet referentnih duljina. Rz je osjetljiviji na pojedinačne vrhove i doline, pa se propisuje kad je važno da nema dubokih brazda (brtvene plohe, plohe pod izmjeničnim opterećenjem) ili kad se ploha pokriva prevlakom određene debljine.

Rz = Zp + Zv (u svakoj lr, pa srednja vrijednost pet vrijednosti)

Između Ra i Rz nema stalnog odnosa jer ovisi o obliku profila. Za orijentaciju na strojno obrađenim plohama Rz je obično četiri do sedam puta veći od Ra, ali to je iskustveno pravilo, a ne preračunavanje: ako crtež traži Rz, mjeri se Rz. Vrijednosti Ra biraju se iz preporučenog niza 0,025 – 0,05 – 0,1 – 0,2 – 0,4 – 0,8 – 1,6 – 3,2 – 6,3 – 12,5 – 25 – 50 µm, u kojem je svaki član približno dvostruk od prethodnog. Na starijim crtežima mogu se naći razredi hrapavosti N1 do N12 (npr. N6 = Ra 0,8, N7 = Ra 1,6); oni se u novim crtežima ne upisuju.

Hrapavost i postupak obrade

Svaki postupak ima raspon hrapavosti koji daje uz uobičajene uvjete. Tablica daje orijentacijske vrijednosti; stvarni rezultat ovisi o stroju, alatu, materijalu, hlađenju i režimu obrade, pa je za zahtjevne plohe mjerodavno probno mjerenje u pogonu.

Za PS-1 to znači: vodilica Ra 0,4 traži brušenje; provrt Ø28 H7 u nosaču izrađuje se finim tokarenjem ili razvrtavanjem na Ra 1,6 ili 0,8; plohe klizača i postolja koje naliježu na druge dijelove dovoljne su s Ra 3,2 nakon glodanja; neobrađene plohe poluproizvoda (bočne plohe ploče 400 × 120 × 10 izrezane iz trake) mogu ostati bez zahtjeva. Hrapavost i tolerancija dimenzije moraju biti usklađene: uska tolerancija IT6 na plohi Ra 6,3 nema smisla, jer su vrhovi hrapavosti gotovo koliko i tolerancijsko polje.

Grafički znak i upis zahtjeva

Znak hrapavosti crta se tankom crtom i stoji na obrisu plohe, na njezinoj pomoćnoj crti ili na pokaznoj crti koja završava strelicom na plohi. Vrh znaka dodiruje plohu izvana, sa strane na kojoj nema materijala. Postoje tri osnovna oblika:

• Osnovni znak — dva kraka nejednake duljine pod približno 60° prema plohi. Sam za sebe nema značenja; služi kao temelj ili za pojednostavljenu oznaku uz objašnjenje na crtežu.
• Znak obvezne obrade skidanjem materijala — osnovni znak zatvoren vodoravnom crtom u trokut. Ploha se mora obraditi tokarenjem, glodanjem, brušenjem ili sličnim postupkom.
• Znak zabrane skidanja materijala — osnovni znak s upisanom kružnicom. Ploha ostaje u stanju iz prethodne faze (lijevano, kovano, valjano, izrezano), što je važno kad bi obrada oslabila prevlaku ili promijenila mjeru poluproizvoda.

Na potpuni znak dodaje se vodoravna crta na dužem kraku, uz koju se upisuju zahtjevi na propisanim mjestima: ispod crte veličina i vrijednost (a, po potrebi i drugi zahtjev b, npr. Ra 0,4 i Rz 2,5), iznad crte postupak obrade (c, npr. brušeno), desno smjer tragova obrade (d) i lijevo dodatak za obradu u mm (e). Smjer tragova označava se znakovima: = usporedno s ravninom projekcije, ⊥ okomito, X ukriženo, M bez usmjerenja, C kružno, R radijalno, P točkasto. Za vodilicu je smjer tragova važan, jer tragovi usporedni sa smjerom gibanja drukčije utječu na trošenje od onih okomitih na njega.

Znak se čita odozdo ili zdesna, kao i kotni brojevi. Kad se ne može smjestiti na obris, postavlja se na pokaznu crtu ili na kotnu crtu uz kotu, npr. uz Ø28 H7, jer se hrapavost dosjedne plohe logično čita zajedno s mjerom.

Pojedinačna i zajednička oznaka na crtežu

Kad bi se svaka ploha označila zasebno, crtež bi bio pretrpan. Zato se primjenjuje zajednička oznaka: zahtjev koji vrijedi za većinu ploha upisuje se jednom, uz zaglavlje, a iza njega se u zagradi crta osnovni znak (ili se ponove odstupajuće vrijednosti). Značenje je: sve plohe bez oznake imaju zahtjev ispred zagrade, a plohe koje odstupaju označene su na crtežu pojedinačno.

Na radioničkom crtežu vodilice PS1-01-005 to izgleda ovako: uz zaglavlje stoji znak obvezne obrade s Ra 3,2 i zagradom u kojoj je znak s Ra 0,4. Na plaštu vodilice upisan je potpuni znak Ra 0,4 s postupkom brušeno, a čela i skošenja nisu posebno označena i imaju Ra 3,2. Kontrolor tako na prvi pogled vidi da je samo jedna ploha zahtjevna.

Kad se ista složena oznaka ponavlja na više mjesta, može se uvesti pojednostavljena oznaka: na plohe se crta samo znak sa slovom (npr. y ili z), a uz zaglavlje se objasni da y znači potpuni znak s upisanim zahtjevima. Oznake se crtaju samo jednom za istu plohu, u projekciji u kojoj je ploha vidljiva kao crta i najbolje kotirana.

Teorijska hrapavost pri tokarenju

Kod tokarenja vrh noža polumjera r pri svakom okretaju napreduje za posmak f i ostavlja brazdu u obliku kružnog luka. Između susjednih brazda ostaje neobrađeni vrh čija je visina teorijska visina profila Rt. Iz geometrije kružnice slijedi Rt = r − √(r² − f²/4), što se za male posmake svodi na:

Rt ≈ f² / (8 · r) Ra ≈ Rt / 4

Omjer Ra ≈ Rt / 4 pojednostavljenje je za profil sastavljen od kružnih lukova (točniji koeficijent je približno 1 / 3,9). Iz izraza se vidi glavno pravilo finog tokarenja: hrapavost raste s kvadratom posmaka, a pada s polumjerom vrha. Dvostruko manji posmak daje četiri puta manju teorijsku visinu profila. Stvarna hrapavost uvijek je veća od teorijske, jer joj se pridružuju vibracije, naljepak na reznom bridu, trošenje alata i elastični povrat materijala.

Za posmak f = 0,15 mm/okr i polumjer vrha r = 0,8 mm teorijska visina profila je približno 3,5 µm, a Ra približno 0,9 µm. Za traženi Ra 1,6 najveći teorijski posmak s istim alatom iznosi približno 0,2 mm/okr, pa je stijenka provrta Ø28 H7 u nosaču vretena ostvariva finim tokarenjem uz posmak oko 0,1 do 0,15 mm/okr. Za vodilicu s Ra 0,4 teorijski bi bio potreban posmak oko 0,1 mm/okr, ali pri tom zahtjevu, uz toleranciju h6, tokarenje nije pouzdano: zato je propisano brušenje.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.

Vježbe uz jedinicu

Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:

• V8 Tolerancije oblika i položaja, hrapavost · 2 sata