ความหยาบของพื้นผิวเป็นพารามิเตอร์วัสดุพิเศษ ชื่อนี้มักจะย่อให้เหลือแค่ความหยาบและเป็นส่วนประกอบของพื้นผิว ถูกกำหนดในเชิงปริมาณโดยการเบี่ยงเบนของทิศทางของเวกเตอร์พื้นผิวจริงจากรูปร่างในอุดมคติของมัน หากความเบี่ยงเบนเหล่านี้มีขนาดใหญ่ แสดงว่าพื้นผิวขรุขระ หากมีขนาดเล็กพื้นผิวจะเรียบ ในมาตรวิทยาพื้นผิว ความหยาบมักถือเป็นส่วนประกอบความถี่สูงที่มีความยาวคลื่นสั้นของพื้นผิวที่กำลังวัด อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ บ่อยครั้งจำเป็นต้องรู้ทั้งแอมพลิจูดและความถี่เพื่อให้แน่ใจว่าพื้นผิวนั้นเหมาะสมกับวัตถุประสงค์เฉพาะ ความหยาบของพื้นผิวเป็นพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญมาก
บทบาทและความหมาย
ความหยาบมีบทบาทสำคัญในการพิจารณาว่าวัตถุจริงจะโต้ตอบกับสิ่งแวดล้อมอย่างไร ในไตรโบโลยีพื้นผิวขรุขระโดยทั่วไปสึกหรอเร็วกว่าและมีค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีสูงกว่าพื้นผิวเรียบ ความหยาบมักเป็นตัวทำนายที่ดีของประสิทธิภาพของส่วนประกอบทางกล เนื่องจากความไม่สม่ำเสมอของพื้นผิวสามารถก่อให้เกิดจุดที่เกิดนิวคลีเอชันสำหรับรอยแตกหรือการกัดกร่อน ในทางกลับกัน ความหยาบสามารถส่งเสริมการยึดเกาะ โดยทั่วไป แทนที่จะใช้ตัวบอกมาตราส่วน ตัวบอกแบบข้ามสเกล เช่น การหักเหของพื้นผิว ให้การคาดการณ์ที่มีความหมายมากขึ้นของปฏิกิริยาทางกลบนพื้นผิว ซึ่งรวมถึงความฝืดในการสัมผัสและแรงเสียดทานสถิต ความหยาบของพื้นผิวเป็นพารามิเตอร์ที่ค่อนข้างซับซ้อน โดยสามารถดูรายละเอียดได้ที่ด้านล่าง
ค่าสูงต่ำ
แม้ว่าค่าความหยาบสูงมักจะไม่เป็นที่ต้องการ แต่การควบคุมระหว่างการผลิตอาจทำได้ยากและมีค่าใช้จ่ายสูง ตัวอย่างเช่น การควบคุมความหยาบผิวของชิ้นส่วน FDM เป็นเรื่องยากและมีราคาแพง การลดอัตราเหล่านี้มักจะเพิ่มต้นทุนการผลิต ซึ่งมักส่งผลให้เกิดการแลกเปลี่ยนระหว่างต้นทุนในการผลิตส่วนประกอบกับประสิทธิภาพในการใช้งาน
วิธีวัด
ดัชนีสามารถวัดได้โดยการเปรียบเทียบแบบแมนนวลกับ "ตัวเปรียบเทียบความหยาบ" (ตัวอย่างความขรุขระของพื้นผิวที่ทราบ) แต่โดยทั่วไปแล้ว การวัดโปรไฟล์ของพื้นผิวจะทำด้วยโพรฟิโลมิเตอร์ อาจเป็นประเภทการติดต่อ (โดยปกติคือสไตลัสเพชร) หรือแบบออปติคัล (เช่นอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แสงสีขาวหรือกล้องจุลทรรศน์แบบคอนโฟคอลการสแกนด้วยเลเซอร์)
อย่างไรก็ตาม ความหยาบที่ควบคุมได้มักจะเป็นที่ต้องการ ตัวอย่างเช่น พื้นผิวมันวาวอาจเงาเกินไปสำหรับดวงตาและลื่นเกินไปสำหรับนิ้ว (ตัวอย่างที่ดีคือทัชแพด) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการควบคุมประสิทธิภาพ ความขรุขระของพื้นผิวคือจุดที่แอมพลิจูดและความถี่มีความสำคัญมาก
สามารถคำนวณค่าได้จากโปรไฟล์ (เส้น) หรือจากพื้นผิว (พื้นที่) พารามิเตอร์ความหยาบของโปรไฟล์ (Ra, Rq, …) เป็นเรื่องปกติมากกว่า พารามิเตอร์ความหยาบของพื้นที่ (Sa, Sq, …) ให้คำจำกัดความที่มีความหมายมากขึ้น
พารามิเตอร์
พารามิเตอร์ความหยาบแต่ละตัวคำนวณโดยสูตรคำอธิบายพื้นผิว ข้อมูลอ้างอิงมาตรฐานที่อธิบายรายละเอียดแต่ละรายการโดยละเอียดคือพื้นผิวและการวัด ความหยาบผิวเป็นลักษณะเฉพาะ
พารามิเตอร์ความหยาบของโปรไฟล์รวมอยู่ในมาตรฐานอังกฤษ (และทั่วโลก) BS EN ISO 4287: 2000 ซึ่งเหมือนกับ ISO 4287: 1997 มาตรฐานนี้ใช้ระบบ″M″ (เส้นกึ่งกลาง)
มีพารามิเตอร์ความหยาบที่แตกต่างกันมากมาย แต่ข้างต้นเป็นค่าที่พบบ่อยที่สุด แม้ว่ามาตรฐานมักจะเกิดขึ้นด้วยเหตุผลทางประวัติศาสตร์มากกว่าข้อดี ความขรุขระของพื้นผิวคือชุดของสิ่งผิดปกติ
บางพารามิเตอร์ใช้เฉพาะในบางอุตสาหกรรมหรือในบางประเทศ ตัวอย่างเช่น พารามิเตอร์ MOTIF ส่วนใหญ่จะใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ของฝรั่งเศส วิธี MOTIFให้การประเมินแบบกราฟิกของโปรไฟล์พื้นผิวโดยไม่ต้องกรองคลื่นออกจากความหยาบ MOTIF ประกอบด้วยส่วนของโปรไฟล์ระหว่างสองยอด และชุดค่าผสมสุดท้ายจะขจัดยอด "รอง" และคงไว้ซึ่ง "สำคัญ" ความหยาบของพื้นผิวในภาพวาดคือการมีรอยกระแทกและวัดอย่างระมัดระวัง
เนื่องจากพารามิเตอร์เหล่านี้ลดข้อมูลโปรไฟล์ทั้งหมดเป็นตัวเลขเดียว จึงต้องใช้ความระมัดระวังในการสมัครและตีความ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในการกรองข้อมูลโปรไฟล์ดิบ วิธีคำนวณเส้นกึ่งกลาง และฟิสิกส์ของการวัดสามารถส่งผลต่อพารามิเตอร์ที่คำนวณได้อย่างมาก ในอุปกรณ์ดิจิทัลสมัยใหม่ การสแกนสามารถประเมินได้เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีข้อบกพร่องที่เห็นได้ชัดที่บิดเบือนค่า
คุณสมบัติของพารามิเตอร์และการวัด
เนื่องจากผู้ใช้จำนวนมากอาจไม่ชัดเจนว่าการวัดแต่ละครั้งหมายถึงอะไร เครื่องมือสร้างแบบจำลองจึงอนุญาตให้ผู้ใช้ปรับพารามิเตอร์หลัก การแสดงผลพื้นผิวที่แตกต่างจากสายตามนุษย์อย่างชัดเจน แตกต่างกันในการวัด ตัวอย่างเช่น พารามิเตอร์บางตัวไม่สามารถแยกแยะระหว่างสองพื้นผิว โดยที่หนึ่งประกอบด้วยยอดและอีกอันประกอบด้วยรางที่มีแอมพลิจูดเท่ากัน
ตามแบบแผน พารามิเตอร์ความหยาบ 2D แต่ละตัวเป็นตัวพิมพ์ใหญ่ R ตามด้วยอักขระเพิ่มเติมในตัวห้อย ตัวห้อยระบุสูตรที่ใช้และR หมายถึงสูตรถูกนำไปใช้กับโปรไฟล์ความหยาบ 2 มิติ
การใช้อักษรตัวพิมพ์ใหญ่ต่างกันหมายความว่ามีการใช้สูตรกับโปรไฟล์อื่นแล้ว ตัวอย่างเช่น Ra คือค่าเฉลี่ยเลขคณิตของโปรไฟล์ความหยาบ Pa คือค่าเฉลี่ยเลขคณิตของโปรไฟล์ดิบที่ไม่มีการกรอง และ Sa คือค่าเฉลี่ยเลขคณิตของความหยาบ 3 มิติ
การตั้งค่าแอมพลิจูด
พารามิเตอร์แอมพลิจูดแสดงลักษณะพื้นผิวตามความเบี่ยงเบนในแนวตั้งของโปรไฟล์ความหยาบจากเส้นกึ่งกลาง ตัวอย่างเช่น ค่าเฉลี่ยเลขคณิตของโปรไฟล์ความหยาบที่กรองแล้ว ซึ่งพิจารณาจากการเบี่ยงเบนจากเส้นกึ่งกลางภายในความยาวการประเมิน อาจสัมพันธ์กับช่วงของจุดที่รวบรวมสำหรับความหยาบนั้น ค่านี้มักใช้อ้างอิงถึงความหยาบผิว
ความหยาบเฉลี่ยทางคณิตศาสตร์เป็นพารามิเตอร์แบบมิติเดียวที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย
การวิจัยและสังเกต
นักคณิตศาสตร์เบอนัวต์ มานเดลบรอต ชี้ให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างความขรุขระของพื้นผิวกับมิติเศษส่วน คำอธิบายที่แสดงโดยแฟร็กทัลที่ระดับความหยาบละเอียดทำให้สามารถควบคุมคุณสมบัติของวัสดุและประเภทของการเกิดเศษได้ แต่เศษส่วนไม่สามารถแสดงขนาดเต็มของพื้นผิวกลึงทั่วไปที่ได้รับผลกระทบจากเครื่องหมายป้อนเครื่องมือ พวกมันละเลยรูปทรงของคมตัด
อีกหน่อยเกี่ยวกับการวัด
พารามิเตอร์ความหยาบผิวถูกกำหนดไว้ใน ISO 25178 seriesค่า: Sa, Sq, Sz… เครื่องมือวัดทางแสงจำนวนมากสามารถวัดความหยาบของพื้นผิวตามพื้นที่ได้ การวัดพื้นที่สามารถทำได้ด้วยระบบสัมผัส การสแกน 2D ที่มีระยะห่างอย่างใกล้ชิดหลายครั้งจะถูกนำมาจากพื้นที่เป้าหมาย จากนั้นพวกเขาจะเย็บเข้าด้วยกันแบบดิจิทัลโดยใช้ซอฟต์แวร์ที่เหมาะสม ส่งผลให้ได้ภาพ 3 มิติและพารามิเตอร์ความหยาบที่สอดคล้องกัน
ผิวดิน
ความขรุขระของผิวดิน (SSR) หมายถึงการเปลี่ยนแปลงในแนวตั้งที่มีอยู่ใน micro- และ macrotopography ของพื้นผิวพื้นดิน เช่นเดียวกับการกระจายสุ่มของพวกมัน มีคลาส SSR ที่แตกต่างกันสี่คลาส แต่ละคลาสแสดงถึงมาตราส่วนความยาวแนวตั้ง:
- ชั้นหนึ่งรวมถึงการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยจากเมล็ดในดินแต่ละเมล็ดเป็นมวลรวมของลำดับ 0.053–2.0 มม.
- ชั้นที่สองประกอบด้วยรูปแบบของดินโคลนตั้งแต่ 2 ถึง 100 มม.
- ความหยาบผิวดินชั้นที่สามคือการเปลี่ยนแปลงระดับความสูงอย่างเป็นระบบเนื่องจากการไถพรวน เรียกว่าความหยาบเชิง (OS) ตั้งแต่ 100 ถึง 300 มม.
- ชั้นที่สี่มีความโค้งระนาบหรือลักษณะภูมิประเทศในระดับมหภาค
สองชั้นเรียนแรกจะอธิบายสิ่งที่เรียกว่าความหยาบระดับจุลภาค ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีอิทธิพลอย่างมากต่อเหตุการณ์และระดับฤดูกาลโดยขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำฝนและการไถพรวนตามลำดับ ส่วนใหญ่มักจะกำหนดความหยาบหาปริมาณโดยความหยาบแบบสุ่ม ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของข้อมูลระดับความสูงของพื้นผิวของชั้นรอบๆ ความสูงเฉลี่ยหลังการแก้ไขความชัน โดยใช้ระนาบที่พอดีที่สุดและขจัดเอฟเฟกต์การไถพรวนในการอ่านค่าความสูงแต่ละส่วน การได้รับน้ำฝนอาจทำให้ความหยาบกร้านเสื่อมสภาพหรือเพิ่มขึ้นได้ ขึ้นอยู่กับสภาวะเริ่มต้นและคุณสมบัติของดิน
บนพื้นผิวที่ขรุขระ การกระจัดกระจายของละอองฝนมักจะทำให้ขอบของความขรุขระของผิวดินเรียบ ส่งผลให้ RR โดยรวมลดลง อย่างไรก็ตาม การศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ที่ตรวจสอบการตอบสนองของพื้นผิวดินเรียบต่อปริมาณน้ำฝนแสดงให้เห็นว่า RR สามารถเพิ่มได้อย่างมีนัยสำคัญที่ระดับความหยาบระดับไมโครเริ่มต้นขนาดเล็กที่ระดับ 0-5 มม. นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มขึ้นหรือลดลงนั้นสอดคล้องกันในคะแนน SSR ที่แตกต่างกัน
กลศาสตร์
โครงสร้างพื้นผิวมีบทบาทสำคัญในการควบคุมกลไกการสัมผัส นั่นคือพฤติกรรมทางกลที่เกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างวัตถุสองชิ้นที่เข้าใกล้กันและเปลี่ยนจากการไม่สัมผัสเป็นการสัมผัสแบบเต็ม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความแข็งในการสัมผัสปกติถูกกำหนดโดยโครงสร้างความหยาบ (ความชันของพื้นผิวและเศษส่วน) และคุณสมบัติของวัสดุเป็นหลัก
จากมุมมองทางวิศวกรรม ความหยาบถือเป็นผลเสียต่อประสิทธิภาพของชิ้นงาน ด้วยเหตุนี้ งานพิมพ์ส่วนใหญ่จึงกำหนดขีดจำกัดสูงสุดความหยาบ แต่ไม่ใช่ด้านล่าง ข้อยกเว้นคือรูกระบอกสูบที่น้ำมันยังคงอยู่ในโปรไฟล์พื้นผิวและต้องใช้ความหยาบผิวขั้นต่ำ (Rz)
โครงสร้างและเศษส่วน
โครงสร้างของพื้นผิวมักจะสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับคุณสมบัติการเสียดสีและทนต่อการสึกหรอ พื้นผิวที่มีมิติเศษส่วนสูงกว่า ค่ามาก หรือค่าบวกมักจะมีแรงเสียดทานสูงกว่าเล็กน้อยและจะเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว จุดสูงสุดในโปรไฟล์ความหยาบไม่ใช่จุดสัมผัสเสมอไป ต้องคำนึงถึงรูปร่างและความโค้งมน (นั่นคือทั้งแอมพลิจูดและความถี่) โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อประมวลผลความขรุขระของพื้นผิว