خشونة السطح

خشونة السطح ، أو ببساطة الخشونة، هي خاصية عدم نعومة السطح، وهي بالتالي مرتبطة بالإدراك الحسي البشري لملمس السطح. من منظور رياضي، ترتبط خشونة السطح ببنية التباين المكاني للأسطح، وهي بطبيعتها خاصية متعددة المقاييس. ولها تفسيرات وتعريفات مختلفة تبعًا للتخصصات المعنية.

في علم قياس الأسطح ، تُعدّ خشونة السطح أحد مكونات تشطيب السطح (نسيج السطح) . ويتم قياسها من خلال الانحرافات في اتجاه المتجه العمودي لسطح حقيقي عن شكله المثالي. فإذا كانت هذه الانحرافات كبيرة، يكون السطح خشنًا؛ وإذا كانت صغيرة، يكون السطح أملسًا. يُفترض عادةً أن الخشونة هي المكون عالي التردد وقصير الطول الموجي للسطح المقاس. ومع ذلك، عمليًا، غالبًا ما يكون من الضروري معرفة كل من السعة والتردد لضمان ملاءمة السطح للغرض المطلوب.

تلعب الخشونة دورًا هامًا في تحديد كيفية تفاعل جسم حقيقي مع بيئته. في علم الاحتكاك ، عادةً ما تتآكل الأسطح الخشنة بسرعة أكبر ولها معاملات احتكاك أعلى من الأسطح الملساء. غالبًا ما تكون الخشونة مؤشرًا جيدًا لأداء المكون الميكانيكي، حيث قد تُشكل التعرجات على السطح مواقع لتكوّن الشقوق أو التآكل. من ناحية أخرى، قد تُعزز الخشونة الالتصاق . بشكل عام، بدلًا من المؤشرات الخاصة بكل مقياس، تُقدم المؤشرات الشاملة للمقاييس، مثل فركتالية السطح، تنبؤات أكثر دلالة للتفاعلات الميكانيكية على الأسطح، بما في ذلك صلابة التلامس ^{[ 1 ]} والاحتكاك الساكن ^{[ 2 ]} .

على الرغم من أن ارتفاع قيمة الخشونة غالبًا ما يكون غير مرغوب فيه، إلا أنه قد يكون من الصعب والمكلف التحكم بها في عمليات التصنيع . على سبيل المثال، من الصعب والمكلف التحكم في خشونة سطح الأجزاء المصنعة بتقنية الترسيب المنصهر (FDM). ^{[ 3 ]} عادةً ما يؤدي تقليل خشونة السطح إلى زيادة تكلفة تصنيعه. وهذا غالبًا ما ينتج عنه مفاضلة بين تكلفة تصنيع المكون وأدائه في التطبيق.

يمكن قياس خشونة السطح عن طريق المقارنة اليدوية مع " مقارن خشونة السطح " (عينة ذات خشونة سطح معروفة)، ولكن بشكل عام، يتم قياس مظهر السطح باستخدام جهاز قياس المظهر . يمكن أن تكون هذه الأجهزة من النوع التلامسي (عادةً ما يكون قلمًا ماسيًا) أو بصريًا (مثل: مقياس التداخل الضوئي الأبيض أو المجهر الليزري الماسح متحد البؤر ).

مع ذلك، قد يكون التحكم في خشونة السطح مرغوبًا في كثير من الأحيان. على سبيل المثال، قد يكون السطح اللامع شديد اللمعان للعين وزلقًا جدًا للإصبع (لوحة اللمس مثال جيد على ذلك)، لذا يلزم التحكم في خشونة السطح. في هذه الحالة، يُعد كل من السعة والتردد عنصرين بالغَي الأهمية.

يلعب تركيب السطح دورًا محوريًا في تحديد ميكانيكا التلامس ، ^{[ 1 ]} أي السلوك الميكانيكي الذي يظهر عند السطح الفاصل بين جسمين صلبين أثناء اقترابهما من بعضهما البعض وانتقالهما من حالة عدم التلامس إلى حالة التلامس الكامل. وعلى وجه الخصوص، تتأثر صلابة التلامس العمودي بشكل أساسي ببنية النتوءات (الخشونة، وميل السطح، والكسرية) وخصائص المادة.

في مجال هندسة الأسطح، تُعتبر الخشونة عاملاً ضاراً بأداء القطعة. ونتيجةً لذلك، تحدد معظم الرسومات التصنيعية حداً أقصى للخشونة، دون تحديد حد أدنى. ويُستثنى من ذلك تجاويف الأسطوانات حيث يُحتفظ بالزيت في سطحها، مما يستلزم حداً أدنى من الخشونة. ^{[ 4 ]}

غالبًا ما ترتبط بنية السطح ارتباطًا وثيقًا بخصائص الاحتكاك والتآكل للسطح. ^{[ 2 ]} السطح ذو البعد الفركتلي الأعلى ، كبير${\displaystyle Ra}$قيمة، أو إيجابية${\displaystyle Rsk}$عادةً ما يكون الاحتكاك أعلى قليلاً، مما يؤدي إلى تآكل سريع. ولا تمثل قمم سطح المادة الخشنة بالضرورة نقاط التلامس، بل يجب مراعاة شكل التموجات ودرجة تموجها (أي سعتها وترددها).

يمكن حساب قيمة الخشونة إما على شكل مقطع عرضي (خط) أو على سطح (مساحة). معامل خشونة المقطع العرضي (${\displaystyle Ra}$،${\displaystyle Rq}$...) أكثر شيوعًا. معلمات خشونة المنطقة (${\displaystyle Sa}$،${\displaystyle Sq}$...) تعطي قيمًا أكثر أهمية.

معلمات خشونة المظهر الجانبي

تُدرج معايير خشونة المظهر الجانبي ^{[ 5 ]} في المعيار البريطاني BS EN ISO 4287:2000، وهو مطابق لمعيار ISO 4287:1997. ^{[ 6 ]} يعتمد هذا المعيار على نظام "M" (الخط المتوسط). توجد العديد من معايير الخشونة المختلفة المستخدمة، ولكن${\displaystyle Ra}$وهو الأكثر شيوعًا بلا منازع، على الرغم من أن هذا غالبًا ما يكون لأسباب تاريخية وليس لجدارة خاصة، حيث أن أجهزة قياس الخشونة المبكرة كانت قادرة فقط على قياس${\displaystyle Ra}$وتشمل المعايير الشائعة الأخرى ما يلي:${\displaystyle Rz}$،${\displaystyle Rq}$، و${\displaystyle Rsk}$تُستخدم بعض المعايير فقط في صناعات معينة أو داخل دول معينة. على سبيل المثال،${\displaystyle Rk}$تُستخدم مجموعة المعاملات بشكل أساسي في بطانات تجاويف الأسطوانات، بينما تُستخدم معاملات Motif بشكل رئيسي في صناعة السيارات الفرنسية. ^{[ 7 ]} توفر طريقة MOTIF تقييمًا بيانيًا لملف تعريف السطح دون فصل التموجات عن الخشونة. يتكون النمط من جزء من ملف التعريف بين قمتين، وتعمل التركيبات النهائية لهذه الأنماط على إزالة القمم "غير المهمة" والإبقاء على القمم "المهمة". يرجى ملاحظة أن${\displaystyle Ra}$هي وحدة قياس أبعاد يمكن أن تكون ميكرومتر أو ميكروبوصة .

بما أن هذه المعايير تُختزل جميع المعلومات في الملف التعريفي إلى رقم واحد، يجب توخي الحذر الشديد عند تطبيقها وتفسيرها. فالتغييرات الطفيفة في كيفية تصفية بيانات الملف التعريفي الخام، وكيفية حساب الخط المتوسط، وفيزياء القياس، قد تؤثر بشكل كبير على المعيار المحسوب. وباستخدام الأجهزة الرقمية الحديثة، يمكن تقييم المسح للتأكد من عدم وجود أي خلل واضح يُشوّه القيم.

لأن معنى كل قياس قد لا يكون واضحًا للعديد من المستخدمين، فإن أداة المحاكاة تسمح للمستخدم بضبط المعلمات الرئيسية، وتصور كيفية تمييز الأسطح المختلفة بشكل واضح للعين البشرية من خلال هذه القياسات. على سبيل المثال،${\displaystyle Ra}$يعجز عن التمييز بين سطحين، أحدهما يتكون من قمم على سطح أملس، والآخر يتكون من قيعان بنفس السعة. يمكن إيجاد هذه الأدوات في شكل تطبيقات. ^{[ 8 ]}

بحسب الاصطلاح، كل معلمة خشونة ثنائية الأبعاد هي حرف كبير${\displaystyle R}$متبوعة بأحرف إضافية في الرمز السفلي. يحدد الرمز السفلي الصيغة المستخدمة، و${\displaystyle R}$يعني ذلك أن الصيغة طُبقت على شكل خشونة ثنائي الأبعاد. تشير الأحرف الكبيرة المختلفة إلى أن الصيغة طُبقت على شكل مختلف. على سبيل المثال،${\displaystyle Ra}$هو المتوسط ​​الحسابي لملف تعريف الخشونة،${\displaystyle Pa}$هو المتوسط ​​الحسابي للملف الخام غير المُصفّى، و${\displaystyle Sa}$هو المتوسط ​​الحسابي للخشونة ثلاثية الأبعاد.

تفترض كل صيغة من الصيغ المدرجة في الجداول أنه قد تم ترشيح ملف تعريف الخشونة من بيانات الملف الخام، وتم حساب الخط المتوسط. يحتوي ملف تعريف الخشونة على${\displaystyle n}$نقاط مرتبة ومتساوية التباعد على طول المسار، و${\displaystyle y_{i}}$هي المسافة الرأسية من الخط المتوسط ​​إلى${\displaystyle i^{\text{th}}}$نقطة بيانات. يُفترض أن يكون الارتفاع موجباً في الاتجاه العلوي، بعيداً عن المادة الأساسية.

معلمات السعة

تُحدد معلمات السعة خصائص السطح بناءً على الانحرافات الرأسية لملف تعريف الخشونة عن الخط المتوسط. ويرتبط العديد منها ارتباطًا وثيقًا بالمعلمات الموجودة في الإحصاءات لوصف عينات السكان. على سبيل المثال،${\displaystyle Ra}$هي القيمة المتوسطة الحسابية لملف تعريف الخشونة المُصفّى، والمحددة من الانحرافات حول الخط المركزي ضمن طول التقييم و${\displaystyle Rt}$يمثل نطاق نقاط بيانات الخشونة التي تم جمعها.

متوسط ​​الخشونة الحسابي،${\displaystyle Ra}$، هو أكثر معلمات الخشونة أحادية البعد استخدامًا.

المعلمة	وصف	صيغة
${\displaystyle Ra}$9​​​${\displaystyle Raa}$ريني	المتوسط، أو المتوسط ​​الحسابي لانحرافات ارتفاع المقطع العرضي عن الخط المتوسط. [ 10 ]	${\displaystyle Ra={\frac {1}{l_{r}}}\int _{0}^{l_{r}}\left|z(x)\right|dx}$[ 5 ] [ 6 ]
${\displaystyle Rq}$،${\displaystyle Rms}$[ 9 ]	المتوسط ​​التربيعي، أو متوسط ​​الجذر التربيعي لانحرافات ارتفاع المقطع العرضي عن الخط المتوسط. [ 10 ]	${\displaystyle Rq={\sqrt {{\frac {1}{l_{r}}}\int _{0}^{l_{r}}z(x)^{2}dx}}}$[ 5 ] [ 6 ]
${\displaystyle Rv_{i}}$،${\displaystyle Rv}$	أقصى عمق للوادي أسفل الخط المتوسط، ضمن طول عينة واحد؛ متوسط ​​قيمة Rv على طول التقييم [ 5 ]	${\displaystyle Rv_{i}=|\min z(x)|}$؛${\displaystyle Rv={\frac {\sum _{i=1}^{n}Rv_{i}}{n}}}$[ 5 ]
${\displaystyle Rp_{i}}$،${\displaystyle Rp}$	أقصى ارتفاع للذروة فوق خط المتوسط، ضمن طول عينة واحد؛ متوسط ​​قيمة Rp على طول التقييم [ 5 ]	${\displaystyle Rp_{i}=\max z(x)}$؛${\displaystyle Rp={\frac {\sum _{i=1}^{n}Rp_{i}}{n}}}$[ 5 ]
${\displaystyle Rz_{i}}$،${\displaystyle Rz}$	أقصى ارتفاع من القمة إلى القاع للملف الشخصي، ضمن طول أخذ عينة واحد؛ متوسط ​​قيمة Rz على طول التقييم [ 5 ]	${\displaystyle Rz_{i}=Rp_{i}+Rv_{i}}$; [ 5 ]${\displaystyle Rz={\frac {\sum _{i=1}^{n}Rz_{i}}{n}}}$
${\displaystyle Rsk}$	الانحراف ، أو مقياس عدم تناظر المظهر الجانبي حول الخط المتوسط. [ 10 ]	${\displaystyle Rsk={\frac {1}{Rq^{3}}}\left[{\frac {1}{l_{r}}}\int _{0}^{l_{r}}z^{3}(x)dx\right]}$[ 6 ]
${\displaystyle Rku}$	التفرطح ، أو مقياس لمدى تقوس (أو تفرطح) المنحنى حول خط المتوسط. [ 10 ]	${\displaystyle Rku={\frac {1}{{Rq}^{4}}}\left[{\frac {1}{l_{r}}}\int _{0}^{l_{r}}z^{4}(x)dx\right]}$[ 6 ]
${\displaystyle RzDIN}$،${\displaystyle Rtm}$	متوسط ​​المسافة بين أعلى قمة وأدنى وادٍ في كل طول عينة، رموز نسيج السطح وفقًا لمعيار ASME Y14.36M - 1996	${\displaystyle RzDIN={\frac {1}{s}}\sum _{i=1}^{s}Rt_{i}}$، أين${\displaystyle s}$يمثل عدد أطوال العينات، و${\displaystyle Rt_{i}}$يكون${\displaystyle R{\text{t}}}$لـ${\displaystyle i^{\text{th}}}$طول العينة.
${\displaystyle RzJIS}$	المعيار الصناعي الياباني لـ${\displaystyle Rz}$، بناءً على أعلى خمس قمم وأدنى خمس وديان على طول فترة أخذ العينات بأكملها.	${\displaystyle R{\text{zJIS}}={\frac {1}{5}}\sum _{i=1}^{5}Rp_{i}-Rv_{i}}$، أين${\displaystyle Rp_{i}}$و${\displaystyle Rv_{i}}$هي${\displaystyle i^{\text{th}}}$أعلى قمة، وأدنى وادٍ على التوالي.

فيما يلي جدول تحويل شائع يتضمن أرقام درجات الخشونة:

الخشونة، شمال	قيم الخشونة، Ra		RMS (ميكروبوصة)	متوسط ​​خط المنتصف ، CLA	الخشونة، يمين
أرقام درجات ISO	الميكرومترات (ميكرومتر)	ميكروبوصة (ميكروبوصة)		(ميكرون)	(ميكرومتر)
N12	50	2000	2200	2000	200
N11	25	1000	1100	1000	100
N10	12.5	500	550	500	50
N9	6.3	250	275	250	25
N8	3.2	125	137.5	125	13
N7	1.6	63	69.3	63	8
N6	0.8	32	35.2	32	4
N5	0.4	16	17.6	16	2
N4	0.2	8	8.8	8	1.2
N3	0.1	4	4.4	4	0.8
N2	0.05	2	2.2	2	0.5
N1	0.025	1	1.1	1	0.3

معايير الميل والتباعد والعد

تصف معلمات الميل خصائص ميل منحنى خشونة السطح. أما معلمات التباعد والعد فتصف عدد مرات تجاوز المنحنى لعتبات معينة. تُستخدم هذه المعلمات عادةً لوصف منحنيات خشونة السطح المتكررة، مثل تلك الناتجة عن عملية الخراطة .

المعلمة	وصف	صيغة
${\displaystyle Rdq,R\Delta q}$	الجذر التربيعي المتوسط ​​لميل المقطع الجانبي ضمن طول العينة	${\displaystyle Rdq={\sqrt {{\frac {1}{N}}\sum _{i=1}^{N}\Delta _{i}^{2}}}}$
${\displaystyle Rda,R\Delta a}$	متوسط ​​الميل المطلق للملف الشخصي ضمن طول العينة	${\displaystyle Rda={\frac {1}{N}}\sum _{i=1}^{N}|\Delta _{i}|}$
${\displaystyle \Delta _{i}\!}$	أين${\displaystyle \Delta _{i}\!}$يتم حسابها وفقًا لمعيار ASME B46.1 وهي عبارة عن مرشح تنعيم من الدرجة الخامسة من نوع سافيتزكي - جولاي	${\displaystyle \Delta _{i}={\frac {1}{60dx}}(y_{i+3}-9y_{i+2}+45y_{i+1}-45y_{i-1}+9y_{i-2}-y_{i-3})}$

ومن بين معايير "التردد" الأخرى S _m ،${\displaystyle \lambda }$_و​${\displaystyle \lambda }$_{يمثل q.S m} متوسط ​​المسافة بين القمم. وكما هو الحال مع الجبال الحقيقية ، من المهم تحديد "القمة". بالنسبة لـ S _m ، يجب أن يكون السطح قد انخفض عن متوسط ​​السطح قبل أن يرتفع مرة أخرى إلى قمة جديدة. متوسط ​​الطول الموجي${\displaystyle \lambda }$_أ ومتوسط ​​الجذر التربيعي للطول الموجي${\displaystyle \lambda }$يتم اشتقاق _{q من}${\displaystyle \Delta }$_أ . عند محاولة فهم سطح يعتمد على كل من السعة والتردد، ليس من الواضح أي زوج من المقاييس يصف التوازن على النحو الأمثل، لذلك يمكن إجراء تحليل إحصائي لأزواج القياسات (مثل: R _z و${\displaystyle \lambda }$_a أو R _a و Sm) لإيجاد أقوى ارتباط.

معلمات منحنى نسبة التحميل

تستند هذه المعلمات إلى منحنى نسبة التحميل (المعروف أيضًا باسم منحنى أبوت-فايرستون). وهذا يشمل عائلة معلمات Rk.

نظرية الفراكتلات

أشار عالم الرياضيات بينوا ماندلبروت إلى العلاقة بين خشونة السطح والبعد الفركتلي . ^{[ 11 ]} قد يسمح الوصف الذي يوفره الفركتل على مستوى الخشونة الميكروية بالتحكم في خصائص المادة ونوع تكوّن الرقائق. لكن الفركتلات لا تستطيع تقديم تمثيل كامل لسطح نموذجي مُشَكَّل يتأثر بعلامات تغذية الأداة؛ إذ تتجاهل هندسة حافة القطع. (ج. باولو دافيم، 2010، المرجع السابق ). تلعب الواصفات الفركتلية للأسطح دورًا هامًا في ربط الخصائص الفيزيائية للسطح ببنيته. في مجالات متعددة، كان ربط السلوك الفيزيائي والكهربائي والميكانيكي بواصفات السطح التقليدية للخشونة أو الميل أمرًا صعبًا. باستخدام مقاييس الفركتلية السطحية جنبًا إلى جنب مع مقاييس الخشونة أو شكل السطح، يمكن تفسير بعض الظواهر البينية، بما في ذلك ميكانيكا التلامس والاحتكاك ومقاومة التلامس الكهربائي ، بشكل أفضل فيما يتعلق ببنية السطح. ^{[ 12 ]}

• عدم الاستمرارية (الهندسة الجيوتقنية)
• خشونة
• صلابة التلامس الطبيعية
• تشطيب السطح
• قياسات السطح
• قياس خشونة السطح وفقًا للمعيار الدولي ISO 25178
• تموج
• الخشونة (علم المواد)
• خشونة سطح التربة

• دليل قياسات الأسطح
• مصطلحات الخشونة ( مؤرشفة بتاريخ 3 مارس 2016 في أرشيف الإنترنت )
• وصف Ra و Rz
• مراجعة معادلات خشونة السطح (التشطيب)
• SPE (مستكشف ملامح السطح)
• حاسبة إلكترونية لتحويل معلمات الخشونة Ra و Rz
• Enache، Ştefănuţă، La qualité des الأسطح المستخدمة (ترجمة: جودة الأسطح المُشكَّلة). دونود، باريس، 1972، 343 ص.
• Husu, AP, Vitenberg, Iu., R., Palmov, VA, Sherohovatost poverhnostei (Teoretiko-veroiatnostnii podhod) (ترجمة: خشونة السطح (النهج الاحتمالي النظري)))، Izdatelstvo "Nauka"، Moskva، 1975، 342 ص.
• دافيم، ج. باولو، سلامة السطح في عمليات التشغيل الآلي، سبرينغر-فيرلاغ لندن المحدودة 2010، رقم ISBN 978-1-84882-873-5
• وايت هاوس، د. دليل قياس الأسطح، معهد الفيزياء، منشورات رانك تايلور-هوبسون، بريستول 1996