Determination of reliable area sizes for 3D roughness measurement

Abstract

Surface roughness characterization plays an important role in the qualification of machined surfaces. As a result of the development of high resolution 3D scanning techniques, researchers and technologists have more possibilities to analyze surface topography in a more detailed way. The purpose of this study is determining the minimal measurement area size of surfaces hard machined by single-point and abrasive tools. Some important height parameters were analyzed: Sa, Sq, Sp, Sv, Ssk and Sku. It was found that the minimum area sizes vary for the different roughness parameters, however, in several cases minimization is possible, depending on the purpose of the surface analytics.

Характеристика шорсткості поверхні відіграє важливу роль у кваліфікації оброблених поверхонь. У результаті розробки методів 3D-сканування з високою роздільною здатністю дослідники та технологи мають більше можливостей для більш детального аналізу топографії поверхні. Метою даного дослідження є визначення мінімального розміру площі вимірювання поверхонь, оброблених одноточковим та абразивним інструментом. Було проаналізовано деякі важливі параметри висоти: Sa, Sq, Sp, Sv, Ssk та Sku. Було виявлено, що мінімальні розміри площі різняться для різних параметрів шорсткості, однак у деяких випадках можлива мінімізація, залежно від мети аналізу поверхні. Вибір розміру зони вимірювання є нерозв’язною проблемою в 3D-аналізі топографії поверхні. Немає точного методу, який би гарантував, що відсканована область дасть надійні значення параметрів або аналітику. У той же час 3D-сканування поверхні є трудомістким і тому відносно дорогим процесом. Це означає, що визначення мінімальної поверхні, яка дає надійні результати, є важливим. Для вимірювання шорсткості використовувався тривимірний тестер шорсткості типу AltiSurf 520. Виміряна площа становила 1,75 × 1,75 мм, довжина сторони оцінюваної області становила 1,5 мм. Границя становила 0,25 мм. Роздільна здатність оптичного датчика (типу CL2) становила 1 мкм у напрямках x та y та 0,012 мкм у напрямку z. Швидкість сканування становила 1000 мкм/с. Для аналізу різних розмірів області була відсканована найвища область, а потім з неї вилучено менші області. Різниця в довжині сторін двох послідовних ділянок становила 0,1 мм. Проаналізовано 14 ділянок (довжина сторін від 0,2 до 1,5 мм). У цьому дослідженні площа оцінки була прийнята як мінімальна, якщо її значення шорсткості не перевищує ±5% від попередньо визначеного контрольного значення. Було проаналізовано три поверхні, оброблені різними процедурами механічної обробки (жорсте точіння, шліфування та полірування). Для параметрів Sa і Sq мінімальна площа оцінки змінюється в залежності від застосовуваної процедури обробки. При аналізі Sq довжина сторони цієї області становить 0,2 мм, та 1 мм при аналізі Sa для точених поверхонь. Мінімальна довжина сторін становить 0,5 і 0,7 мм для шліфованих і полірованих поверхонь відповідно. У випадку параметрів Sp і Sv рекомендована довжина сторони 0,3 мм для мінімальної площі в усіх трьох аналізованих процедурах. У випадку параметрів Ssk і Sku мінімальні розміри області сильно відрізняються в трьох процедурах. Через чисто випадкову особливість поверхні ґрунту її мінімальна площа відносно мала: 0,8 × 0,8 мм. випадкову особливість поверхні ґрунту її мінімальна площа відносно мала: 0,8 × 0,8 мм. Ці твердження дійсні для трьох процедур і в межах застосовуваних даних різання та параметрів технології.