חספוס פני השטח הוא פרמטר חומר מיוחד. שם זה מקוצר לעתים קרובות לחספוס בלבד והוא מרכיב במרקם פני השטח. זה נקבע כמותית על ידי סטיות הכיוון של וקטור פני השטח האמיתי מצורתו האידיאלית. אם הסטיות הללו גדולות, פני השטח מחוספסים; אם הם קטנים, פני השטח חלקים. במטרולוגיה של פני השטח, החספוס נחשב בדרך כלל למרכיב בתדירות גבוהה ואורך גל קצר של פני השטח הנמדדים. עם זאת, בפועל יש צורך לדעת גם משרעת וגם תדירות כדי להבטיח שמשטח מתאים למטרה מסוימת. חספוס פני השטח הוא פרמטר עיצובי חשוב מאוד.
תפקיד ומשמעות
חספוס משחק תפקיד חשוב בקביעה כיצד אובייקט אמיתי יקיים אינטראקציה עם הסביבה שלו. בטריבולוגיהמשטחים מחוספסים בדרך כלל נשחקים מהר יותר ויש להם מקדמי חיכוך גבוהים יותר מאשר משטחים חלקים. חספוס הוא לעתים קרובות מנבא טוב של ביצועים של רכיב מכני, שכן אי סדרים פני השטח יכולים ליצור אתרי גרעין לסדקים או קורוזיה. מצד שני, חספוס יכול לקדם הידבקות. באופן כללי, במקום מתארי קנה מידה, מתארים בקנה מידה צולב כגון שבריריות פני השטח מספקים תחזיות משמעותיות יותר של אינטראקציות מכניות על משטחים, כולל קשיחות מגע וחיכוך סטטי. חספוס פני השטח הוא פרמטר מורכב למדי, פרטים עליו ניתן למצוא למטה.
ערכים גבוהים ונמוכים
למרות שערך חספוס גבוה לרוב אינו רצוי, הוא עשוי להיות קשה ויקר לשלוט במהלך הייצור. לדוגמה, קשה ויקר לשלוט בחספוס פני השטח של חלקי FDM. הפחתת תעריפים אלו מגדילה בדרך כלל את עלות הייצור. זה גורם לעתים קרובות לשינוי בין עלות ייצור הרכיב לבין היעילות שלו ביישום.
שיטות מדידה
ניתן למדוד את האינדקס על ידי השוואה ידנית עם "השוואת חספוס" (דוגמה של חספוס משטח ידוע), אך באופן כללי יותר מדידת פרופיל משטח נעשית עם מדי פרופיל. הם יכולים להיות מסוג מגע (בדרך כלל חרט יהלום) או אופטיים (לדוגמה,אינטרפרומטר אור לבן או מיקרוסקופ קונפוקאלי סריקת לייזר).
עם זאת, חספוס מבוקר יכול להיות רצוי לעתים קרובות. לדוגמה, משטח מבריק יכול להיות מבריק מדי לעיניים וחלקלק מדי עבור האצבע (דוגמה טובה היא משטח המגע), ולכן נדרשים ביצועים מבוקרים. חספוס פני השטח הוא המקום שבו משרעת ותדירות חשובים מאוד.
ניתן לחשב את הערך שלו מהפרופיל (קו) או מהמשטח (השטח). פרמטר חספוס הפרופיל (Ra, Rq, …) נפוץ יותר. פרמטרים של חספוס שטח (Sa, Sq, …) נותנים הגדרות משמעותיות יותר.
פרמטרים
כל אחד מפרמטרי החספוס מחושב לפי נוסחת תיאור המשטח. ההפניות הסטנדרטיות המתארות כל אחד מהם בפירוט הם המשטחים והמידות שלהם. חספוס פני השטח הוא מאפיין.
פרמטרים של חספוס פרופיל כלולים בתקן הבריטי (והעולמי) BS EN ISO 4287: 2000, זהה ל-ISO 4287: 1997. התקן מבוסס על מערכת ″M″ (Midline).
ישנם פרמטרים רבים ושונים של חספוס, אך האמור לעיל הם הנפוצים ביותר, אם כי סטנדרטיזציה מתרחשת לעתים קרובות מסיבות היסטוריות ולא מיתרונות. חספוס פני השטח הוא אוסף של אי סדרים.
פרמטרים מסוימים משמשים רק בתעשיות מסוימות או במדינות מסוימות. לדוגמה, פרמטרי MOTIF משמשים בעיקר בתעשיית הרכב הצרפתית. שיטת MOTIFמספק הערכה גרפית של פרופיל פני השטח מבלי לסנן גליות מחספוס. MOTIF מורכב מהחלק של הפרופיל בין שתי פסגות, והשילובים הסופיים מבטלים את הפסגות ה"קטנות" ושומרות על ה"משמעותיות". חספוס פני השטח בשרטוט הוא נוכחות של בליטות מוטבעות ונמדדות עליו בקפידה.
מכיוון שהפרמטרים האלה מצמצמים את כל פרטי הפרופיל למספר בודד, יש לנקוט זהירות בעת יישום ופירושם. שינויים קטנים באופן סינון נתוני הפרופיל הגולמי, אופן חישוב קו האמצע והפיזיקה של המדידה יכולים להשפיע רבות על הפרמטר המחושב. בציוד דיגיטלי מודרני, ניתן להעריך סריקות כדי לוודא שאין תקלות ברורות שמטות ערכים.
תכונות של פרמטרים ומדידות
מכיוון שאולי לא ברור למשתמשים רבים מה בעצם המשמעות של כל מדידה, כלי הדוגמנות מאפשר למשתמש להתאים פרמטרים מרכזיים, תוך עיבוד משטחים ששונים באופן מובהק מהעין האנושית, שונים במידותיהם. לדוגמה, פרמטרים מסוימים אינם יכולים להבחין בין שני משטחים, כאשר האחד מורכב מפסגות והשני מורכב משפלות עם אותה משרעת.
לפי המוסכמה, כל פרמטר חספוס דו-ממדי הוא אותיות גדולות R ואחריו תווים נוספים בכתב משנה. כתב המשנה מציין את הנוסחה שבה נעשה שימוש, וR פירושו שהנוסחה הוחלה על פרופיל חספוס דו-ממדי.
שימוש באותיות רישיות שונות פירושו שהנוסחה הוחלה על פרופיל אחר. לדוגמה, Ra הוא הממוצע האריתמטי של פרופיל החספוס, Pa הוא הממוצע האריתמטי של הפרופיל הגולמי הבלתי מסונן, ו-Sa הוא הממוצע האריתמטי של החספוס התלת-ממדי.
הגדרות משרעת
פרמטרי המשרעת מאפיינים את פני השטח על סמך סטיות אנכיות של פרופיל החספוס מקו האמצע. לדוגמה, הממוצע האריתמטי של פרופיל החספוס המסונן, שנקבע מהסטיות מקו המרכז בתוך אורך ההערכה, יכול להיות קשור לטווח הנקודות שנאספו עבור החספוס הזה. ערך זה משמש לעתים קרובות כהתייחסות לחספוס פני השטח.
החספוס הממוצע האריתמטי הוא הפרמטר החד-ממדי הנפוץ ביותר.
מחקר ותצפית
המתמטיקאי בנואה מנדלברוט הצביע על הקשר בין חספוס פני השטח לממד הפרקטלי. התיאור המיוצג על ידי פרקטל ברמת המיקרו-חספוס יכול לאפשר לשלוט בתכונות החומר ובסוג היווצרות השבב. אבל פרקטלים אינם יכולים לספק ייצוג בקנה מידה מלא של משטח מעובד אופייני המושפע מסימני הזנת כלים, הם מתעלמים מגיאומטריית קצה חיתוך.
קצת יותר על מדידה
פרמטרי חספוס פני השטח מוגדרים בסדרת ISO 25178.ערכים: Sa, Sq, Sz… מכשירי מדידה אופטיים רבים מסוגלים למדוד חספוס פני השטח לפי אזור. מדידות שטח אפשריות גם עם מערכות מגע. סריקות דו-ממדיות מרובות ומרווחות נלקחות מאזור היעד. לאחר מכן הם נתפרים דיגיטלית באמצעות התוכנה המתאימה, וכתוצאה מכך נוצרת תמונה תלת-ממדית ופרמטרי חספוס מתאימים.
שטח הקרקע
חספוס פני הקרקע (SSR) מתייחס לשינויים האנכיים הקיימים במיקרו- ומקרוטופוגרפיה של פני הקרקע, כמו גם לפיזור הסטוכסטי שלהם. ישנן ארבע מחלקות SSR שונות, כל אחת מייצגת סולם אורך אנכי אופייני:
- מחלקה ראשונה כוללת שינויים במיקרו-תבליט מגרגרי אדמה בודדים לאגרגטים בסדר גודל של 0.053–2.0 מ"מ;
- מחלקה שנייה מורכבת מוריאציות של קרישי אדמה מ-2 עד 100 מ"מ;
- המחלקה השלישית של חספוס פני הקרקע היא שינויי גובה שיטתיים עקב עיבוד אדמה, הנקרא חספוס מכוון (OS), הנעים בין 100 ל-300 מ"מ;
- מחלקה רביעית כוללת עקמומיות מישורית או מאפיינים טופוגרפיים בקנה מידה מאקרו.
שתי השיעורים הראשונים מסבירים את מה שנקרא מיקרו-חספוס, שהוכח כמשפיע מאוד על האירוע ועל קנה המידה העונתי בהתאם לגשמים ועיבוד האדמה, בהתאמה. לרוב נקבע מיקרו-חספוסמכמת על ידי חספוס אקראי, שהוא בעצם סטיית התקן של נתוני גובה פני השכבה סביב הגובה הממוצע לאחר תיקון השיפוע, תוך שימוש במישור של התאמה מיטבית והסרת השפעות עיבוד האדמה בקריאות גובה בודדות. חשיפת משקעים עלולה להוביל להידרדרות או לעלייה בחספוס המיקרו, בהתאם לתנאי ההתחלה ותכונות הקרקע.
על משטחי קרקע מחוספסים, פעולת הפריצה של תרסיס גשם נוטה להחליק את קצוות החספוס של פני הקרקע, וכתוצאה מכך הפחתה כוללת ב-RR. עם זאת, מחקר עדכני שבדק את התגובה של משטחי אדמה חלקים לגשמים הראה ש-RR יכול לעלות באופן משמעותי בסקאלות מיקרו-חספוס ראשוניות קטנות בסדר גודל של 0-5 מ מ. כמו כן, הוכח שהעלייה או הירידה עקבית בין ציוני SSR שונים.
מכניקה
מבנה פני השטח ממלא תפקיד מפתח בשליטה במכניקת המגע, כלומר ההתנהגות המכנית המתרחשת בממשק בין שני עצמים מוצקים כשהם מתקרבים זה לזה ועוברים מחוסר מגע למגע מלא. בפרט, קשיחות מגע נורמלית נקבעת בעיקר על ידי מבני חספוס (שיפוע פני השטח ושבריריות) ותכונות החומר.
מנקודת מבט של משטח הנדסי, חספוס נחשב לפוגע בביצועי חלקים. כתוצאה מכך, רוב הדפסי הייצור מציבים גבול עליוןחספוס, אבל לא תחתית. היוצא מן הכלל הוא קידוחי צילינדר שבהם השמן נשמר בפרופיל פני השטח ונדרש חספוס משטח מינימלי (Rz).
מבנה ושבריות
המבנה של משטח קשור לעיתים קרובות לתכונות החיכוך והעמידות בפני שחיקה שלו. משטח בעל ממד פרקטלי גבוה יותר, ערך גדול או ערך חיובי יהיה בדרך כלל בעל חיכוך מעט גבוה יותר ויתבלה במהירות. הפסגות בפרופיל החספוס הן לא תמיד נקודות מגע. יש לקחת בחשבון גם את הצורה והגלים (כלומר, גם משרעת וגם תדירות), במיוחד בעת עיבוד חספוס פני השטח.
