制造过程通常会在产品表面留下不规则的纹理。随着对高质量饰面的需求不断增长,表面饰面的重要性变得越来越重要。表面处理不仅仅是为了美观或实现更光滑的外观;它显着影响产品的功能、耐用性和整体性能。
浏览我们的指南,了解有关表面精加工的所有信息,并获取有关实现所需光洁度和选择合适的表面粗糙度的提示 数控加工。
表面光洁度,也称为表面纹理或表面形貌,是指零件表面的整体光滑度、纹理和质量。它是制造和工程中的一个重要因素,因为它不仅影响产品的外观,还影响产品的性能和功能。
表面光洁度的关键特征主要包括以下三个方面:
表面粗糙度
表面粗糙度是指表面上微小的、精细间隔的不规则性,肉眼可能看不到,但用手指抚过表面时可以感觉到。
粗糙度通常使用 Ra(平均粗糙度)等参数来测量。 Ra 值越低,表示不规则现象越少越小,从而形成更光滑的表面,从而减少摩擦和磨损。当专业人士提到表面光洁度时,他们通常特指表面粗糙度。
波纹度
波纹度与表面粗糙度不同,因为它包含表面上更大、间隔更宽的不规则性。这些可能是由制造过程中的机器振动、变形或翘曲等因素引起的。表面波纹度会显着影响零件的装配方式及其密封能力。
Lay(表面图案方向)
捻向是表面图案的主要方向,通常由所使用的制造工艺产生,并且可以是平行的、垂直的、圆形的、交叉阴影的、径向的、多方向的或各向同性的(非方向的)。
捻向影响摩擦、润滑和美观。在光学元件中,特定的铺设方向可以减少光散射并提高清晰度。
如前所述,表面光洁度显着影响产品的外观、性能、耐用性和整体质量。这正是表面光洁度在制造过程中发挥重要作用的原因。下面我们来分析一下表面光洁度如此重要的原因。
美观:产品的第一印象通常基于其外观和触觉。高质量的表面光洁度可增强视觉吸引力,并可显着影响您的感知和满意度,尤其是消费品。
摩擦和磨损:特别是在机械应用中,更光滑的表面光洁度可减少运动部件之间的摩擦和磨损,从而最大限度地减少热量产生并提高部件的效率和使用寿命。
密封和装配:适当的表面光洁度可确保零件更好的密封和装配,防止泄漏并确保精确装配。
疲劳强度:更光滑的表面可以通过减少应力集中和裂纹萌生的可能性来提高疲劳强度。
耐腐蚀性:更好的表面光洁度可以最大限度地减少腐蚀剂积聚的缝隙,从而增强耐腐蚀性。
涂层的附着力:表面纹理会影响涂层或油漆对产品的附着力。
提高导电性和散热性:在电子和热应用中,高质量的表面光洁度可增强导电性并有助于散热。
控制光反射和散射:在光学应用中,表面光洁度会影响光的反射和散射方式。
鉴于表面光洁度对制造的关键影响,测量表面粗糙度在生产过程中至关重要。这使我们能够准确了解产品的实际表面特性,确保它们满足设计和功能要求。
测量表面粗糙度涉及使用各种测量技术和数据分析来评估产品表面轮廓的相对平滑度。量化粗糙度最常用的数值参数是 Ra。
有多种方法可用于测量表面粗糙度。测量技术的主要类型包括:
接触方法涉及使用工具(例如触针式探针仪器)物理接触表面。该装置相对于表面铺设方向垂直移动以追踪表面轮廓。探头的移动生成详细的表面轮廓图,提供表面粗糙度的精确数据。
这些方法主要用于直接接触表面不会造成损坏的制造环境。然而,它们可能不适合精致或柔软的表面,这些表面可能会因探测动作而变形。
光学轮廓仪/白光干涉仪:该技术涉及将光束投射到表面上并测量反射光的图案,以准确确定表面高度变化,从而创建详细的 3D 表面轮廓。它适用于精密工程、半导体和光学行业的精致或柔软表面。然而,它需要具有良好反射性能的表面,并且设备可能很昂贵。
激光扫描共焦显微镜: 此方法使用聚焦激光光束扫描表面,生成高分辨率的地形 3D 图像。它非常适合分析生物医学研究、材料科学和精密工程中的复杂 3D 表面。然而,其成本昂贵且操作复杂。
3D 激光扫描:该技术使用激光捕获表面的形貌并创建 3D 模型。它通常用于较大的表面,可以快速生成全面的表面轮廓。它适用于汽车、航空航天和建筑应用中的大型或复杂表面。虽然它可以有效地处理大面积,但与其他方法相比,它的分辨率较低,并且不适合高精度测量或非常小的表面特征。
比较方法涉及将所讨论的表面与具有已知粗糙度的一组标准样品进行比较。
这些方法快速且经济高效,适合生产环境中的例行检查。然而,它们更加主观,不太适合需要高精度的应用。
过程中方法将表面粗糙度测量直接集成到制造过程中。使用在线轮廓仪或数控机床中的集成传感器等工具。这些工具提供表面光洁度的实时数据,以便立即进行调整。
这种方法对于连续生产线和自动化制造系统中的实时监控和质量控制特别有用。然而,在由于空间、成本或复杂性限制而无法将测量系统集成到过程中的情况下,它可能会受到限制。
对于上述所有测量方法,请在记录时注明测量单位。在美国,粗糙度测量使用微英寸,通常写作 µin,而国际上使用千分尺 (SI),写作 µm 或 um。这是一个简短的转换:
如果不理解上面表面粗糙度表中的符号和参数,我们就会在复杂的制造领域无所适从。这些指标就像地图上的标记,指导我们确保表面的质量、功能和适用性满足预期。
Ra:平均粗糙度
Ra 定义为粗糙度轮廓相对于平均线的平均变化。用数学术语来说,它是在评估长度上从平均线测量的表面高度偏差绝对值的算术平均值。
Ra 是最常用的表面粗糙度参数,因为它提供了表面纹理的简单、一般指示,给出了整体粗糙度的平衡视图,而不会受到极端峰值或谷值的过度影响。
其中:L是测量长度。y(x) 是表面轮廓上给定点到中线的垂直距离。
由于这种平均化,Ra 值低于粗糙度变化的实际高度。
Rz:平均最大高度
为了计算 Rz,将评估长度分为五个相等的长度。 Rz 是这五个相等采样长度中每个采样长度内最大峰谷高度的平均值。
与 Ra 相比,Rz 提供了更详细的表面粗糙度表示,并且对表面轮廓的峰和谷更敏感。它通常用于极端表面纹理至关重要的行业,例如密封表面,其中最高的峰和最深的谷会影响密封件和垫圈的性能。
实际上,为了方便起见,有时使用近似公式“7.2×Ra=Rz”。然而,这是一个粗略的估计,并不总是准确的。
Rp:最大轮廓峰高
Rp 是从评估长度内的平均线测量的表面轮廓中最高单峰的高度。
Rv:最大剖面谷深
Rv 是在评估长度内从平均线测量的表面轮廓中最深的单个谷的深度。
Rt:总粗糙度
Rt是整个评估长度内最高峰和最低谷之间的总垂直距离。
它对于整体质量控制和确保表面没有极端偏差很有用。
Rmax:最大粗糙度深度
Rmax是评估长度内的最大峰谷高度。它着眼于各个段内的最大峰谷差,然后选择这些段中的最大值。
Rmax 专注于最重要的局部粗糙度,适用于需要更严格控制表面特定区域的应用,例如关键密封或接触表面。
RMS:均方根粗糙度
RMS,也称为 Rq,是评估长度上表面高度与平均线偏差的均方根平均值。与 Ra 相比,它对较大偏差给予更多权重,对于对较大表面变化敏感的应用特别有用,例如精密工程和光学应用。
其中:Rq 是 RMS 粗糙度值。L 是测量长度。y(x) 是垂直方向表面轮廓上的一点到中线的距离。
粗糙度符号可以作为复选标记,其点为标记停留在要指定的表面上。请参阅下表了解更多说明。
在实践中,从原材料到具体加工工艺的选择,甚至刀具条件、加工参数等加工条件,都会极大地影响零件的表面质量。在加工材料确定的情况下,为了获得理想的表面光洁度,可以从以下几个方面考虑:
值得一提的是,由于额外的加工和更光滑的表面会产生额外的成本,因此工程师或设计师不要强加不必要的严格粗糙度要求,这一点至关重要。只要有可能,粗糙度规格应在主要制造工艺的限制范围内设定。
如前面提到的表面粗糙度比较图所示,CNC 加工可以产生非常广泛的表面粗糙度。那么,什么样的表面粗糙度最适合您的项目呢?让我们来看看吧。
近似表面粗糙度换算表 | ||||
粗糙度等级数字 | 美国系统 - Ra (μin) | 美国系统 - RMS(微英寸) | 公制 - Ra (μm) | 公制 - RMS (µm) |
N12 | 2000年 | 2200 | 50 | 55 |
N11 | 1000 | 1100 | 25 | 27.5 |
N10 | 500 | 550 | 12.5 | 13.75 |
N9 | 250 | 275 | 8.3 | 9.13 |
N8 | 125 | 137.5 | 3.2 | 3.52 |
N7 | 63 | 69.3 | 1.6 | 1.76 |
N6 | 32 | 35.2 | 0.8 | 0.88 |
N5 | 16 | 17.6 | 0.4 | 0.44 |
N4 | 8 | 8.8 | 0.2 | 0.22 |
N3 | 4 | 4.4 | 0.1 | 0.11 |
氮气 | 2 | 2.2 | 0.05 | 0.055 |
N1 | 1 | 1.1 | 0.025 | 0.035 |
上图中,ISO 1302 指示不同级别的表面粗糙度。以下是 CNC 加工的一些典型粗糙度等级:
Ra 3.2 µm (N8)
Ra 3.2 µm 表面光洁度呈现出适度光滑的表面,通常用作商用机械的标准。这种表面光洁度虽然留下可见但不会过多的切割痕迹,但对于大多数消费部件来说是可以接受的,并且为许多应用提供了足够光滑的表面。
Ra 1.6 µm (N7)
Ra 1.6 µm 表面光洁度代表相对光滑的表面,具有几乎不易察觉的最小切割痕迹。这种表面处理适用于缓慢移动和轻度承载的表面,是泵部件和液压部件的理想选择。
Ra 0.8 µm (N6)
Ra 0.8 µm 表面光洁度意味着表面极其光滑和精确。它是许多精密工程应用的标准,例如航空航天和汽车零部件。
Ra 0.4 µm (N5)
Ra 0.4 µm 表面光洁度提供几乎镜面般的光洁度。这种级别的平滑度需要付出巨大的努力才能实现,并且只有当它是首要任务时才应提出要求。它用于光学元件、科学仪器和其他高精度应用。
表面光洁度是制造的一个组成部分,直接受到所使用的工艺的影响。它显着影响最终产品的功能、美观和耐用性。然而,需要注意的是,表面粗糙度并不总是越低越好,必须考虑实际使用和预算。
作为一站式加工制造商,志高不仅采用一系列制造工艺和表面处理服务来达到严格的表面光洁度标准,而且提供适合您特定项目需求的经济高效的解决方案。
要点:
想一想金属汤匙。如果您在手柄上轻轻按下,它会弯曲一点,但放手后立即弹回。不过,更努力地推动,勺子会永久弯曲。那时,您已经超越了汤匙的屈服强度。在本文中,我们将探讨屈服强度的含义,与相关思想(如拉伸强度和弹性限制)进行比较,以及为什么在现实世界中它很重要。我们还将研究影响强度和常见材料的典型值的因素。 什么是屈服强度? 屈服强度是材料开始永久变形的应力水平。简而言之,这是材料停止反弹(弹性行为)并以无法完全逆转的方式弯曲或伸展的点。在屈服强度以下,当您卸下力时,材料恢复为原始形状(就像弹簧可以追溯到其长度)。超过屈服强度,材料永远改变了:它已经屈服了,这意味着它已经经历了塑性变形。 为了更好地理解这一点,让我们分解两个关键术语:压力和压力。应力是将力施加到材料除以其横截面区域的材料,或仅仅是材料内部力的强度。您可以将其视为压力,但压力描述了内部反应而不是外部推动。应变是材料在响应中的变化多少,计算为长度的变化除以原始长度。当我们策划压力抵抗压力时,我们会得到一个应力 - 应变曲线这显示了材料随着负载的增加的表现。 在应力 - 应变曲线的早期,材料的行为表现:压力和应变是成比例的(根据Hooke定律的直线),一旦去除负载,材料就会恢复其原始形状。该区域的末端是弹性限制 - 占地,某些变形仍然是永久性的。屈服强度标志着从弹性行为到塑性行为的转变,并定义了可逆变形和不可逆变形之间的边界。 对于许多延性金属,例如低碳钢,这种过渡是逐渐而不是锋利的。为了始终定义屈服强度,工程师经常使用0.2%的偏移方法:他们绘制一条平行于曲线弹性部分的线,但变为0.2%应变。该线相交曲线的点被视为屈服强度。这提供了一种实用,标准化的方法,即使不存在明显的产量点,也可以测量屈服强度。 屈服强度与拉伸强度 正如我们所定义的那样,屈服强度是材料开始永久变形的压力。拉伸强度(通常称为终极拉伸强度(UTS))是材料破裂之前可以承受的最大压力。一旦达到该点,材料将不再承担额外的负载,并且很快就会裂缝。 两者都描述了材料对压力的反应,但它们代表不同的限制:屈服强度标志着永久变形的开始,而拉伸强度则标志着断裂点。例如,在拉动钢棒时,它首先会弹性伸展。超越屈服强度,并实现永久伸长率。继续前进,直到达到拉伸强度为止,杆最终将抢购。 在实践设计中,工程师更多地专注于产量强度,因为组件必须保持功能,而不会造成持久损坏。拉伸强度仍然很重要,但通常标志着失败条件永远不会在服务中发生。 除拉伸强度外,屈服强度还经常与其他两个概念相混淆: 弹性极限:弹性极限是材料可以承受的最大应力,一旦去除负载,仍将完全返回其原始形状。低于此极限,所有变形都是弹性和可逆的。在许多情况下,弹性极限非常接近屈服强度,因此两者通常被视为相同。尽管弹性极限标志着精确的物理边界,但屈服强度提供了标准化的工程值,可以始终如一地测量并用于安全设计。 比例极限:该术语来自应力 - 应变曲线的线性部分。比例限制是遵循胡克定律的压力和压力直接比例增加的点。它通常发生在弹性极限和屈服强度之前。在这一点之外,曲线开始弯曲 - 尽管材料仍然具有弹性,但这种关系不再是完美的线性。 影响力强度的因素 屈服强度无法保持固定 - 它可以根据几种物质和环境因素而改变。这是一些最常见的: 材料组成(合金元素) 金属的构成对其产量强度产生了重大影响。在金属中,添加合金元素可以使它们变得更坚固。例如,当添加碳,锰或铬等元素时,钢的强度也会增强 - 尽管碳也更脆。铝合金从铜,镁或锌等元素中获得强度。这些添加物在金属内部产生了微小的障碍,从而阻止了位错运动(塑性变形的原子级载体),从而提高了强度。简而言之,金属的“食谱”可以使弯曲更难或更容易。这就是为什么苏打中的铝易于柔软而柔软的,而飞机机翼中的铝(与其他金属混合在一起)具有更高的屈服强度。 晶粒尺寸(微观结构) 通常,较小的晶粒意味着更高的强度,这是霍尔 - 格什关系描述的趋势。原因是晶界充当脱位运动的障碍,因此更细的谷物会产生更多的障碍,并使金属更强壮 - 到达一点点。冶金学家通过控制的固化或热机械处理来完善晶粒尺寸。例如,许多高强度的钢和超合金用非常细的晶粒设计以最大化屈服强度,而晶粒非常大的金属往往更容易产生。 热处理 金属加热和冷却的方式可以改变其结构,从而改变其屈服强度。退火(缓慢加热和冷却)软金属,降低其屈服强度,并通过缓解内部应力来使其更具延展性。淬火(在水或油中快速冷却)将结构锁定到坚硬的,压力的状态,大大提高了屈服强度,但也使金属变脆。为了恢复平衡,淬灭通常是回火,一个适度的加热步骤,可改善韧性。 通过选择正确的热处理,制造商可以根据应用使金属更难或更柔软。例如,对弹簧钢进行处理以达到高屈服强度,因此它可以弯曲而不会变形,而钢丝首先要退火以易于塑形,然后再加强。 制造过程(冷工作) 如何机械处理材料也可以改变其屈服强度。冷工作(在室温下变形金属,例如冷滚动或冷图)通过称为工作硬化的机制提高了强度。当您将金属变形时,您会在其晶体结构中引入错位和纠缠,这使得进一步变形更加困难 - 实际上,金属随着变形而变得更强壮。这就是为什么在热卷(不工作)条件下,冷滚动钢通常比同一钢具有更高的屈服强度。 温度和环境 根据经验,大多数金属在高温下会失去屈服强度。热使金属变软,因此可以用较小的力变形。在非常低的温度下,有些材料变得更加脆弱。它们塑性变形的能力降低了,因此尽管屈服应力在技术意义上可能会增加,但它们比产量更有可能破裂。 诸如腐蚀或辐射等环境因素也会降解材料。腐蚀会产生凹坑或减少横截面区域,从而有效减少结构在屈服之前可以承受的负载。例如,生锈的钢梁在载荷下可能会产生的厚度比未腐蚀的束较低,因为其有效厚度会降低,并且来自锈蚀的微裂缝会浓缩压力。 产量不同材料的强度 应力 - 应变曲线提供了一种简单的方法来比较不同材料对负载的反应方式。在上图中,我们可以看到四个典型的行为。随着压力的增加,每个反应都不同,其屈服强度反映了这些差异。 脆性材料:脆性材料,例如玻璃或陶瓷,几乎没有塑性变形。他们沿着几乎直线直线直至突然断裂。他们的屈服强度非常接近他们的最终力量,因为他们并没有真正“屈服” - 它们中断。 强但不是延性材料:某些材料(例如高强度钢)可以承受高应力,但显示有限的延展性。它们具有很高的屈服强度,这意味着它们可以很好地抵抗永久性变形,但是在破裂之前并没有伸展太多。 […]
精密加工是一个关键的制造过程,可通过使用最先进的CNC机器产生具有极高尺寸公差和优越表面饰面的组件。这些零件不仅是为了形状而设计的,而且还用于可靠的功能,精确的拟合和可重复性。
不同的阳极氧化类型对阳极氧化铝的成本有直接影响。通常,阳极氧化的最低费用从 65 美元到 125 美元不等,适用于 II 型阳极氧化,并且仅适用于您的阳极氧化机已经运行的颜色,例如透明或黑色。
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