Kształtowanie pożądanego stanu warstwy wierzchniej (WW) już w procesie wytwarzania jest ważnym problemem ze względu na zdolności elementów par kinematycznych do spełniania w jak najdłuższym okresie funkcji przewidzianych w obiekcie technicznym. Przyczyną utraty funkcjonalności elementów tworzących węzły cierne jest ograniczona odporność ich warstwy wierzchniej na niszczące działanie wymuszeń eksploatacyjnych. Pod wpływem tych czynników (mechanicznych, cieplnych, chemicznych, elektrycznych) w czasie pracy pary ciernej następują zmiany w warstwie wierzchniej, na ogół powodujące utratę zdolności do spełniania założonych konstrukcyjnie funkcji.

Kluczowe parametry

O cechach warstwy wierzchniej w znacznym stopniu decydują parametry stereometryczne, które opisują strukturę geometryczną powierzchni (SGP). Charakteryzują się one ciągłymi zmianami w trakcie procesu wytwarzania i eksploatowania, a więc dobrze opisują bieżący stan WW. Podczas współpracy elementów w parze ciernej następuje interakcja ich powierzchni, a więc SGP ma istotny wpływ na cechy użytkowe i charakterystyki tribologiczne.

Jednym z podstawowych celów metrologii SGP oprócz kontroli jest przewidywanie i optymalizacja cech użytkowych powierzchni, które są powiązane z jej ukształtowaniem. Ważnym krokiem w analizie powierzchni jest wybór odpowiednich parametrów, które umożliwią stwierdzenie, czy określona struktura geometryczna może zapewnić danej powierzchni niezbędne cechy użytkowe. Czynnikiem ułatwiającym wybór parametrów do analizy SGP jest analiza uwarunkowań jej pracy, tj. odpowiedź na kilka kluczowych pytań, np. czy powierzchnia ma utrzymywać środek smarujący, czy będą występować naprężenia powierzchniowe, czy będzie usuwany materiał z powierzchni itp.

Trzeba mieć świadomość, że wykorzystanie wszystkich parametrów do oceny SGP w aspekcie jej cech użytkowych nie jest możliwe. Z drugiej strony dużym uproszczeniem jest próba oceny SGP za pomocą tylko jednego parametru, co niestety często jeszcze zdarza się w praktyce przemysłowej. Obserwowany rozwój wspomaganej komputerowo precyzyjnej aparatury pomiarowej oraz cyfrowej analizy powierzchni sprzyja tworzeniu wielu parametrów wykorzystywanych w opisie SGP. Jednocześnie zauważalna jest tendencja do ujednolicania i zmniejszania liczby uprzywilejowanych parametrów w normach krajowych.

Tymczasem utworzenie uniwersalnego zestawu parametrów, jednakowo przydatnego do powierzchni o zróżnicowanym przeznaczeniu funkcjonalnym, nie jest w praktyce możliwe. Nawet bowiem przy podobnych wartościach podstawowych parametrów amplitudowych pozostałe mogą znacząco różnić się między sobą. Ocena powierzchni może być wówczas niejednoznaczna, gdyż przy zbliżonej lub tej samej wartości parametru chropowatości mogą one mieć różne własności użytkowe.

Na rys. 1 przedstawiono przykładowe porównanie parametru chropowatości Ra dla różnych rodzajów profili. Przedstawione profile pomimo tej samej wartości parametru chropowatości Ra będą charakteryzować się różnymi cechami eksploatacyjnymi.

Porównanie chropowatości powierzchni

Dla każdej analizowanej powierzchni należy oddzielnie zdecydować, które cechy SGP są ważne pod względem własności użytkowych i które parametry chropowatości dają najwłaściwszą informację. Nie istnieją normy Przykładowe porównanie wartości parametrów chropowatości dla różnych powierzchni determinujących odmienne cechy eksploatacyjne przedstawiono na rys. 2.

Z przedstawionego porównania wynika, że parametry amplitudowe, które są powszechnie stosowane do opisu charakterystyk tribologicznych i które były pierwszymi parametrami branymi pod uwagę przy ocenie powierzchni, nie do końca precyzyjnie informują o możliwym zachowaniu powierzchni w parze kinematycznej. Dopiero analiza parametrów krzywej nośności różnicuje zachowania w skojarzeniu ciernym. Powierzchnia o znacznie większej wartości Rvk będzie powierzchnią wykazującą większe zdolności do utrzymywania oleju i jednocześnie z racji mniejszej wartości Rpk, choć już nie tak wyraźnie, będzie bardziej odporna na ścieranie w początkowym okresie współpracy.

Dobór różnych parametrów chropowatości do oceny cech użytkowych i wyznaczania charakterystyk tribologicznych przeprowadzany jest m.in. na podstawie badań naukowych, statystycznych powiązań między nimi, dostępności aparatury. Jak już wykazano, dobrane parametry opisujące strukturę powierzchni w aspekcie jej cech użytkowych mogą nie zawsze jednoznacznie ją sklasyfikować.

Charakterystyka powierzchni oparta na parametrach chropowatości jest dodatkowo utrudniona przez zmienność wartości parametrów w różnych miejscach powierzchni, wynikającą z samego procesu obróbki. Dla każdego parametru zakres rozrzutu jego wartości jest inny, z reguły większy dla parametrów wzdłużnych niż dla wysokościowych – w praktyce może sięgać nawet kilkudziesięciu procent. Z tych powodów dobór ten będzie zawsze obarczony mniejszym lub większym subiektywizmem. Przy ocenie własności użytkowych zalecane jest posługiwanie się zbiorem odpowiednio dobranych parametrów, co często jest trudne. W niektórych opracowaniach dotyczących oceny cech użytkowych oprócz dobranych do oceny parametrów można znaleźć informacje o sposobie obróbki.

Analiza częstotliwościowa

Dlatego pewnym rozwiązaniem jest zastosowanie do opisu SGP funkcji matematycznych opisujących powierzchnię w sposób częstotliwościowy. Wydaje się, że takie postępowanie jest nieobarczone błędem subiektywnego modelowego doboru parametrów, a przy dynamicznym rozwoju technik komputerowych wspomagających działalność inżynierską wyznaczenie tych funkcji nie jest skomplikowanym działaniem. Dodatkowo analiza częstotliwościowa umożliwia ocenę struktury geometrycznej powierzchni niezależnie od charakteru typu obróbki.

Najbardziej uzasadniony i precyzyjny pod względem matematycznego opisu wydaje się sposób polegający na analizie powierzchniowej funkcji autokorelacji lub widmowej gęstości mocy. W praktyce do analizy można wykorzystać jedną z tych funkcji, ponieważ funkcja gęstości widmowej mocy jest przekształceniem Furiera powierzchniowej funkcji autokorelacji. Ogólnie funkcja ta jest miarą zależności wartości danych w jednym położeniu od ich wartości w drugim położeniu. Zastosowanie funkcji przestrzenno-częstotliwościowych jest coraz powszechniejsze nie tylko do oceny zmian] WW w aspekcie ich cech użytkowych – coraz częściej jest też źródłem informacji o procesie wytwarzania, np. stanie ostrza narzędzia skrawającego, bądź też służy do monitorowania procesu technologicznego, np. na podstawie wartości sił skrawania i ich składowych.

Graficzna postać funkcji autokorelacji może być przedstawiona np. w postaci tzw. róży morfologicznej – róży kierunków. Wyznacza ona główne kierunki ukształtowania powierzchni. Z samego wykresu (rys. 3) można wnioskować tylko jakościowo o charakterze powierzchni, która została przedstawiona na rys. 4. Jednak z funkcji a pośrednio z wykresu można wyznaczyć ilościowy parametr – stopień izotropowości powierzchni, czyli stopień ukierunkowania (uporządkowania) śladów obróbki lub zużywania.

Na rys. 5 przedstawiono przykładowy wykres z uzyskanych wyników badań tribologicznych. W trakcie współpracy powierzchni następuje ciągła zmiana ukształtowania ich struktury geometrycznej, więc badania takie są dobrym narzędziem do weryfikacji przydatności zastosowania stopnia izotropowości powierzchni do opisu ukształtowania struktury, które z kolei determinuje cechy użytkowe powierzchni. Ubytek masy i zmiany stopnia izotropowości w czasie transformacji warstwy wierzchniej dobrze odzwierciedlają bieżący stan warstwy wierzchniej, a więc i aktualne cechy użytkowe. Ubytek masy następuje na całej powierzchni, dotyczy więc zmian w całym obszarze współpracujących powierzchni. Izotropowość struktury dotyczy również całego obszaru, nie ma charakteru lokalnego.

Na podstawie wyników przedstawionych na wykresie można stwierdzić, że analizowane czynniki i poszczególne relacje potwierdziły wpływ stopnia izotropowości na transformację warstwy wierzchniej. Zmiana stopnia izotropowości to zmiany w ukształtowaniu struktury geometrycznej powierzchni. Im większy stopień izotropowości, tym rozkład charakterystycznych elementów struktury jest bardziej losowy. Ulegają one „spłaszczeniu” i zwiększa się symetryczność tego ukształtowania (zwiększa się stopień izotropowości). Pojedyncze wierzchołki oraz grzbiety mikronierówności ulegają częściowemu bądź całkowitemu starciu. Struktura ze względu na ukształtowanie staje się bardziej symetryczna, co może wpływać pozytywnie na rozprowadzanie środka smarującego, a w konsekwencji na opory ruchu.

Wyniki badań tribologicznych potwierdziły przydatność przyjęcia stopnia izotropowości powierzchni przy wyznaczaniu relacji między rozkładem ukształtowania struktury geometrycznej powierzchni a cechami użytkowych i charakterystykami tribologicznymi.

Przyjęcie stopnia izotropowości do oceny ukształtowania stereometrycznego powierzchni stanowi alternatywę lub uzupełnienie w stosunku do klasycznego przyjęcia odpowiednio dobranego zbioru parametrów chropowatości względnie pojedynczych parametrów do oceny potencjalnych cech użytkowych powierzchni elementów węzła kinematycznego.

_____

Dr hab. inż. Maciej Matuszewski, prof. UTP, jest pracownikiem Instytutu Automatyzacji i Transportu na Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym w Bydgoszczy