Роль качества поверхности (Ra и Rz) в долговечности гильзы цилиндра

Ресурс гильзы цилиндра зависит от полной спецификации текстуры поверхности, согласованной с поршневым уплотнением, материалом гильзы, режимом смазки и методом измерения. Ra описывает среднее значение. Rz показывает большую часть высоты профиля, но ни один из этих параметров сам по себе не доказывает отсутствие острых пиков, осевых царапин, волнистости, конусности или недостаточной опорной площади материала в расточке.

Каталог пневматических уплотнений Parker наглядно показывает эту зависимость. В его примерах динамической поверхности указаны Ra 0.2 µm / Rz 1.0 µm для резиновых и PTFE-изделий и Ra 0.4 µm / Rz 1.6 µm для полиуретановых изделий (Пневматические уплотнения Parker, дата обращения: 2026 г.). Это примеры поставщика для определённых изделий, а не универсальные пределы для пневматических цилиндров.

Это различие важно при закупке и анализе отказов. Сертификат с одним результатом Ra у открытого конца трубы не описывает весь путь уплотнения. Он также не показывает, соответствовали ли чертежу прибор, фильтр, длина оценки, направление трассы и места измерения.

Основные выводы

ISO 21920-2:2021 определяет термины и параметры профиля поверхности, а ISO 21920-3:2021 - полный оператор спецификации.

Parker публикует разные примеры Ra/Rz для разных семейств пневматических уплотнений, поэтому универсального пересчёта Ra в Rz или единственного лучшего качества поверхности не существует.

Принимайте гильзу по отчёту контроля с привязкой к местам измерения, а не по одному числу шероховатости или визуальному заявлению, что расточка «зеркально гладкая».

Если сначала нужен обзор производственного процесса, используйте руководство по хонингованию гильзы цилиндра. Эта статья посвящена более узкому вопросу: что показывают Ra и Rz, чего они не показывают и как превратить их в проверяемое требование к гильзе цилиндра.

Ra и Rz: что измеряет каждый параметр

ISO 21920-2:2021 содержит действующие опубликованные термины, определения и параметры ISO для измерения текстуры поверхности профиля и заменяет ISO 4287:1997. В этой системе Ra рассчитывается по длине оценки, а Rz усредняется по максимальным высотам профиля, определённым на заданных длинах участков (ISO 21920-2, 2021).

Ra сжимает положительные и отрицательные отклонения профиля шероховатости в одно среднее арифметическое. В исходном виде зависимость записывается так:

R_a = \frac{1}{l_e}\int_0^{l_e} \left| Z(x) \right|\,dx

Здесь $R_a$ - средняя арифметическая высота, $l_e$ - длина оценки, а $Z(x)$ - высота профиля относительно средней линии в точке $x$ . Уравнение объясняет, почему отдельные пики и впадины могут потерять свою особенность внутри среднего значения. Оно не предсказывает ресурс уплотнения.

Rz добавляет информацию о вертикальном диапазоне профиля на заданных длинах участков. ISO 21920 переименовал прежнее понятие «длина базовой оценки» в длину участка и изменил расчёт большинства параметров, включая Ra, на основе длины оценки; параметры пиков, такие как Rz, сохраняют усреднение по участкам (руководство Digital Surf по ISO 21920, дата обращения: 2026 г.). Taylor Hobson также различает современный Rz, Rz (JIS) и прежние соглашения по десяти точкам (параметры амплитуды качества поверхности Taylor Hobson, 2022).

Параметр	Что он обобщает	Чего он сам по себе не доказывает
Ra	Среднее абсолютное отклонение высоты профиля	Остроту пиков, одну глубокую впадину, направление следов, царапины или волнистость
Rz	Усреднённое поведение высот от пика до впадины по правилам заданной длины участка	Повторяется ли дефект, где он расположен и совместим ли он с материалом уплотнения
Rp	Максимальную высоту пика профиля над средней линией	Структуру впадин или опорную площадь материала
Rmr	Долю материала на заданном уровне участка	Диаметр расточки, круглость, конусность, чистоту или целостность покрытия

Что должен помнить инженер? Ra - это статистика для предварительной оценки. Rz - ещё один вид представления того же измеренного профиля, а не замена самому профилю, месту измерения или спецификации измерения.

Почему две расточки цилиндров с одинаковым Ra могут работать по-разному?

Parker показывает несколько динамических поверхностей с почти одинаковыми значениями Ra, но заметно разными профилями, и рекомендует оценивать несколько параметров для возвратно-поступательных уплотнений. В актуальном инженерном руководстве используются Ra, Rp, Rz и Rmr, поскольку одно среднее значение не отличает плато от повреждающих пиков (уплотнительные изделия Parker для рабочих условий, дата обращения: 2026 г.).

Представьте три расточки, которые проходят один и тот же предел Ra. В первой много небольших равномерно распределённых особенностей. Во второй широкие плато прерываются отдельными пиками. В третьей есть направленная канавка, совпадающая с ходом поршня. Их средние значения могут быть близкими, но уплотнение видит три разных условия контакта.

Основа: рекомендации Parker для возвратно-поступательных уплотнений показывают, что близкие значения Ra могут соответствовать разным профилям. Профили выше поясняют принцип и не являются пределами приёмки.

Именно здесь рушится правило «чем глаже, тем лучше». Низкий Ra не подтверждает удержание смазки и не исключает длинную царапину. Более высокий Ra также не означает автоматический отказ. Требование к ответной поверхности задаётся выбранным профилем и составом уплотнения.

У гильзы есть и геометрия, не относящаяся к шероховатости. Конусность меняет обжатие уплотнения по ходу. Овальность меняет его по окружности. Волнистость может изменять контакт на расстоянии, большем, чем сохраняет фильтр шероховатости. Показание профилометра и результаты нутромера отвечают на разные вопросы.

Полезный комплект приёмки разделяет три уровня: размер и форма расточки, отфильтрованные параметры текстуры поверхности и свидетельства дефектов без фильтрации. Успешное прохождение одного уровня не компенсирует провал другого. Это важнее, чем добавлять десятичные знаки к Ra.

Можно ли напрямую пересчитать Ra в Rz?

Универсальный пересчёт нельзя обосновать. В пневматических примерах Parker значение Ra 0.2 µm для резины/PTFE сопоставлено с Rz 1.0 µm, а Ra 0.4 µm для полиуретана - с Rz 1.6 µm, то есть даже в одном каталоге получаются разные соотношения (Пневматические уплотнения Parker, дата обращения: 2026 г.).

Соотношение является лишь корреляцией для известного семейства поверхностей, изготовленных и измеренных известным способом. Измените хонинговальный камень, подачу, давление, материал гильзы, покрытие, фильтрацию или набор дефектов - и связь может измениться. Поэтому превращение результата Ra поставщика в выдуманное значение Rz создаёт ложную точность.

Старые документы ещё больше запутывают ситуацию. В справочнике Parker по уплотнительным кольцам описано определение Rz, основанное на пяти последовательных длинах трассы по старой практике DIN, тогда как Taylor Hobson различает современный Rz, Rz1max и Rz (JIS). Поэтому один и тот же символ можно понять неправильно, если на чертеже не указаны стандарт и редакция.

Используйте такое правило принятия решения:

Если поставщик уплотнения задаёт и Ra, и Rz, измеряйте и указывайте оба значения.
Если на чертеже указан только Ra, не рассчитывайте Rz по общему множителю. Уточните, нужен ли предел по опорным пикам, доле материала или максимальной высоте.
Если на старом чертеже указаны ISO 4287, DIN 4768 или соглашение JIS, сохраняйте прежнее требование, пока инженерная служба официально не переведёт его в действующую систему спецификации.
Если стандарты поставщика и заказчика расходятся, согласуйте правила измерения до производства, а не после неудачной проверки.

Решит ли проблему наличие двух значений в сертификате? Пока нет. Они должны быть получены в правильном месте расточки и с использованием того же оператора спецификации, который определяет допуск.

Требования к чертежу для проверяемой поверхности расточки

ISO 21920-1:2021 определяет, как текстура поверхности профиля указывается в технической документации изделия, а ISO 21920-3:2021 - полный оператор спецификации, по которому принимается решение о соответствии. Поэтому на чертеже нужно больше одного числа рядом со знаком шероховатости (ISO 21920-1; ISO 21920-3, 2021).

Начните с функционального сопряжения. Укажите редакцию чертежа гильзы, материал или покрытие расточки, профиль и состав поршневого уплотнения, принятую политику смазки, диапазоны давления, скорости и температуры, а также рабочий цикл. Общей отметки вроде «уплотнение PU» недостаточно, если поставщик предлагает несколько профилей или составов.

Затем определите требование к текстуре поверхности:

Применяемый стандарт и редакция. Укажите ISO 21920 или утверждённую систему ASME/legacy. Не смешивайте знаки и правила по умолчанию из разных систем без инженерного примечания.
Требуемые параметры и пределы. Используйте точные значения производителя уплотнения. В расширенных рекомендациях Parker для возвратно-поступательных уплотнений Ra, Rp, Rz и Rmr рассматриваются как функциональная группа, но для другого изделия может потребоваться иной набор.
Настройки фильтра и индекса вложения. Они отделяют шероховатость с малым шагом от волнистости с большим шагом. Выбранные настройки влияют на сообщаемый результат.
Правила оценки и выборки. Укажите длину или применимые значения по умолчанию стандарта, а также правила для нескольких трасс и максимальных результатов.
Направление трассы. Измеряйте в направлении, заданном чертежом. Для хонингованной расточки укажите, как трасса соотносится с направлением следов обработки и ходом поршня.
Места измерения. Определите осевые станции, положения по окружности, исключённые кромки и способ доступа к дальнему концу глухой или собранной расточки.
Отдельные критерии дефектов. Задайте правила приёмки осевых царапин, вмятин, раковин, потери покрытия, внедрённого абразива, коррозии и повреждённых заходных кромок.
Геометрия расточки. Независимо от шероховатости задайте диаметр, конусность, круглость, прямолинейность, цилиндричность и другие параметры формы.

ASME B46.1-2019 (R2026) остаётся альтернативной системой описания текстуры поверхности. ASME указывает, что она охватывает шероховатость, волнистость, направление следов и параметры для задания геометрических неровностей поверхности (ASME B46.1, подтверждён в 2026 г.). Используйте систему, требуемую договором, и держите чертёж, настройки прибора и отчёт в рамках этой системы.

Подробности закупки труб, не связанные только с текстурой, описаны в руководстве по хонингованной трубе цилиндра: материал, допуск расточки, прямолинейность, очистка и данные для RFQ.

Как измерять качество поверхности внутри гильзы цилиндра?

ISO 25178-601:2025 теперь определяет конструктивные и метрологические характеристики контактных приборов со щупом, используемых для площадной топографии, и применяется также при извлечении профилей из площадных данных. ISO указывает его как опубликованную замену ISO 3274:1996 (ISO 25178-601, 2025).

Доступ прибора - первое практическое ограничение. Переносной измеритель шероховатости может достичь открытого конца, но не середины хода или дальнего конца. Может потребоваться угловой или расточный щуп. Если щуп не может пройти заданную трассу без проскальзывания, наклона или столкновения со стенкой, результат не становится автоматически сопоставимым с доступным плоским калибровочным образцом.

Используйте контролируемую последовательность:

Очистите гильзу, не заполировывая следы. Зафиксируйте остатки абразива, защиту от коррозии и состояние при обращении.
Проверьте состояние прибора по прослеживаемому эталону, подходящему к ожидаемому диапазону шероховатости. Taylor Hobson рекомендует калибровочный эталон, близкий к измеряемому значению, а не намного более грубый образец (методы калибровки качества поверхности Taylor Hobson, дата обращения: 2026 г.).
Введите применяемый стандарт, набор параметров, фильтры, длину оценки, данные щупа и все настройки, отличающиеся от стандартных.
Составьте карту мест измерения. Измерьте участки у обоих концов и одну или несколько станций в середине хода, добавив трассы по окружности там, где этого требует чертёж или характер отказа.
Сохраните информацию о направлении. Запишите, где относительно каждой трассы находятся порт, направляющая нагрузка, сторона штока или нагрузка каретки.
Отдельно осмотрите дефекты при подходящем освещении, увеличении или с помощью бороскопа. Не усредняйте царапину с обычным результатом шероховатости.
Сопоставьте показания текстуры с измерениями диаметра и формы расточки в соответствующих местах.
После сборки выполните заданные проверки очистки, утечек и движения.

Основа: практика спецификации ISO 21920, характеристики приборов ISO 25178-601, область применения текстуры поверхности ASME B46.1 и рекомендации Parker по сопряжению с уплотнением.

По нашему опыту, карта мест измерения выявляет больше причин повторных отказов, чем одна «лучшая» трасса. Если одна сторона уплотнения и направляющей показывает одинаковый износ, сравните шероховатость и форму расточки в этом положении по часам, прежде чем менять состав. Руководство по направляющей штока и отказам уплотнения объясняет, почему ошибки направляющей могут имитировать проблему качества поверхности.

Как качество поверхности влияет на ресурс цилиндра?

ISO 19973-3:2015 сообщает ресурс пневматического цилиндра в циклах или километрах по заданным испытаниям надёжности. Он не устанавливает универсальный множитель ресурса для Ra или Rz. Поэтому любое утверждение вроде «ресурс в три раза больше» требует сопоставимых цилиндров, условий работы, выборки и критериев отказа (ISO 19973-3, подтверждено в 2021 г.).

Качество поверхности влияет на ресурс через контакт, смазку и пути утечки. Высокие или острые пики могут истирать динамическое уплотнение. Канавка, совпадающая с направлением хода, может соединять области давления. Недостаточная опорная площадь способна концентрировать контакт, а неподходящая текстура для выбранного режима смазки - вызывать прерывистое движение или нестабильный срыв с места.

Эти механизмы не работают изолированно. На результат влияют профиль и состав уплотнения, направляющая поршня, боковая нагрузка, геометрия расточки, чистота воздуха, давление, скорость, температура, ход, реверсы, выдержка, повреждения при сборке и политика смазки. Руководство по динамическим и статическим уплотнениям цилиндра разделяет подвижные уплотнительные сопряжения и неподвижные соединения, а руководство по выбору материала уплотнения описывает ограничения, зависящие от состава.

Обнаруженное свидетельство	Вероятный механизм, связанный с поверхностью	Что проверить до обвинения шероховатости
Быстрый равномерный износ кромки	Абразивный профиль или загрязнённая поверхность	Идентификацию уплотнения, качество воздуха, смазку, скорость и температуру
Один глубокий порез в уплотнении	Отдельный пик, заусенец или осевая царапина	Освещение расточки, бороскоп и трассу профиля в месте дефекта
Внутренний обходной поток после восстановления	Канавка, задиры, повреждение уплотнения или ошибка формы расточки	Связанный клапанный путь, ориентацию уплотнения, внутренний диаметр, конусность и круглость
Рывок при старте с последующим более плавным ходом	Трение при срыве с места или проблема направляющей/нагрузки	Давление у цилиндра, регулятор расхода, соосность, боковую нагрузку и смазку
Износ, сосредоточенный на одной стороне	Неравномерная направляющая или локальное состояние расточки	Направляющую поршня, опору штока, монтаж и измерения по положениям на окружности

Если воздух проходит между камерами, сначала выполните контролируемую диагностику внутренней утечки цилиндра, а затем заказывайте другой комплект уплотнений. Данные о поверхности должны сузить дерево поиска неисправности, а не заменить его.

ISO 19973-1:2015 также требует проводить оценку надёжности по заявленным условиям испытаний и статистическую обработку (ISO 19973-1, 2015). Обоснованное сравнение фиксирует серию цилиндра, диаметр расточки, ход, уплотнение, давление, скорость, нагрузку, качество воздуха, температуру, смазку, объём выборки, длительность испытания, разрешённое обслуживание и порог первого отказа.

Самое убедительное подтверждение влияния качества поверхности - это прослеживаемая цепочка, а не низкое число: требование чертежа, конфигурация прибора, результаты с привязкой к местам, запись дефектов и геометрии, затем показатели утечки и движения. Разрыв любого звена ослабляет доказательную силу сертификата поверхности для оценки ресурса.

Что должен содержать отчёт по контролю гильзы цилиндра?

В рекомендациях Parker для возвратно-поступательных уплотнений используются четыре взаимодополняющих параметра текстуры - Ra, Rp, Rz и Rmr, а ASME B46.1 разделяет шероховатость, волнистость и направление следов. Полезный отчёт по гильзе должен сохранять эти различия и связывать каждый результат с местом, настройкой прибора, редакцией чертежа и решением о приёмке (Parker; ASME, дата обращения: 2026 г.).

Как минимум запросите:

номера деталей заказчика и поставщика, серийный номер или обозначение партии гильзы и редакцию чертежа;
материал гильзы, состояние покрытия или анодирования, размер расточки и идентификацию уплотнения;
применяемый стандарт текстуры поверхности, редакцию, параметры, пределы допуска и правило приёмки;
модель прибора, сведения о щупе, при необходимости версию программного обеспечения, статус калибровки или проверки;
фильтр, индекс вложения или отсечку, длину оценки, направление трассы и все настройки, отличающиеся от стандартных;
карту мест осевых и окружных измерений с отдельными результатами, а не только средним значением;
диаметр расточки и заданные результаты контроля формы на соответствующих станциях;
результаты визуального осмотра или бороскопии для царапин, раковин, повреждения покрытия, мусора и заходных кромок;
метод очистки, состояние консервации, окружающие условия при необходимости и прослеживаемость оператора и даты;
итоговые результаты проверки утечки, срыва с места и движения собранного цилиндра, если это предусмотрено планом контроля.

Средние значения полезны для управления процессом, но не позволяйте им скрывать худшее принятое место. Если на чертеже задано правило максимума, укажите отдельный результат, определяющий приёмку. Если используется правило для совокупности, укажите выборку и метод принятия решения.

Для RFQ на замену отправляйте неисправное уплотнение и данные о расточке вместе. Фотографии должны сохранять ориентацию. Отметьте положение по часам, направление хода и место проявления симптома. Такой комплект помогает поставщику отличить повреждение поверхности от проблем пути нагрузки и загрязнения, описанных в связанных руководствах по обслуживанию.

FAQ о качестве поверхности гильзы цилиндра

Parker публикует в одном каталоге пневматических уплотнений как минимум 2 разных примера динамических Ra/Rz, а ISO 21920 разделяет определения параметров и оператор соответствия. Эти 5 ответов связывают Ra, Rz, настройки измерения, идентификацию уплотнения и сервисные данные, не назначая универсальное качество расточки цилиндра (Parker; ISO 21920-3).

Всегда ли меньший Ra лучше для гильзы пневматического цилиндра?

Нет. Меньший Ra не показывает остроту пиков, глубокие впадины, направленные царапины, волнистость, долю материала или геометрию расточки. Он также может конфликтовать с требованиями к смазке выбранного уплотнения. Начните с точного требования производителя уплотнения к ответной поверхности, затем укажите применяемый стандарт, дополнительные параметры и настройки измерения.

Каков правильный коэффициент пересчёта Ra в Rz?

Универсального коэффициента нет. Соотношение зависит от профиля поверхности, производственного процесса, материала, фильтрации и определений параметров. Собственные пневматические примеры Parker не используют один постоянный коэффициент для разных семейств уплотнений. Измеряйте оба параметра, когда требуются оба; не рассчитывайте результат приёмки по общему множителю.

Может ли переносной профилометр проверить всю расточку цилиндра?

Только если щуп может достичь каждого требуемого места и пройти заданную трассу без столкновения, наклона или искажения из-за проскальзывания. Простое измерение у входа трубы не представляет середину хода или дальний конец. До начала измерений задайте в плане контроля доступ, места, конфигурацию щупа и проверки калибровки.

Входят ли царапины в приёмку по Ra и Rz?

Не полагайтесь на Ra или Rz при приёмке царапин. Длинная осевая царапина может быть функционально опасной, даже если окружающий профиль соответствует пределам шероховатости. Включите царапины, раковины, заусенцы, потерю покрытия и внедрённый мусор в отдельные визуальные критерии или критерии дефектов, а затем зафиксируйте их положение относительно хода уплотнения.

Как поставщик может доказать, что качество поверхности увеличило ресурс цилиндра?

Проведите контролируемое сравнение надёжности с заявленными цилиндрами, уплотнениями, давлением, скоростью, ходом, нагрузкой, качеством воздуха, смазкой, температурой, выборкой и порогами отказа. ISO 19973-3 сообщает ресурс цилиндра в циклах или километрах по заданным испытаниям. Один отзыв заказчика, сертификат Ra или заявление о сроке службы в месяцах не позволяет выделить качество поверхности как причину.

Источники и технические справочные материалы

ISO 21920-1:2021, Геометрические спецификации изделий (GPS) - Текстура поверхности: профиль - Часть 1: Обозначение текстуры поверхности, правила обозначения текстуры профиля на чертеже; дата обращения: 22 июля 2026 г.
ISO 21920-2:2021, Геометрические спецификации изделий (GPS) - Текстура поверхности: профиль - Часть 2: Термины, определения и параметры текстуры поверхности, действующая терминология параметров профиля ISO; дата обращения: 22 июля 2026 г.
ISO 21920-3:2021, Геометрические спецификации изделий (GPS) - Текстура поверхности: профиль - Часть 3: Операторы спецификации, полный оператор спецификации для подтверждения соответствия; дата обращения: 22 июля 2026 г.
ISO 25178-601:2025, Геометрические спецификации изделий (GPS) - Текстура поверхности: площадная - Часть 601, характеристики контактных приборов со щупом, применимые к площадным и извлечённым измерениям профиля; дата обращения: 22 июля 2026 г.
ASME B46.1-2019 (R2026), Текстура поверхности (шероховатость, волнистость и направление следов), американская терминология и система спецификации текстуры поверхности; дата обращения: 22 июля 2026 г.
Пневматические уплотнения Parker, PTD3351, примеры для семейств динамических поверхностей уплотнения и пределов по доле материала; дата обращения: 22 июля 2026 г.
Уплотнительные изделия Parker для рабочих условий, 5371, рекомендации по Ra, Rp, Rz и Rmr для возвратно-поступательных уплотнительных поверхностей; дата обращения: 22 июля 2026 г.
Справочник Parker по уплотнительным кольцам, PTD5705, устаревшая терминология шероховатости и необходимость указать применяемое соглашение; дата обращения: 22 июля 2026 г.
Taylor Hobson, параметры амплитуды качества поверхности, различия Ra, Rz, Rz1max и Rz (JIS); дата обращения: 22 июля 2026 г.
Taylor Hobson, методы калибровки качества поверхности, выбор калибровочного эталона рядом с измеряемым диапазоном шероховатости; дата обращения: 22 июля 2026 г.
Digital Surf, руководство по метрологии поверхности ISO 21920, изменения длины оценки и длины участка по сравнению с практикой ISO 4287; дата обращения: 22 июля 2026 г.
ISO 19973-1:2015, Пневматическая передача - Оценка надёжности компонентов испытаниями - Часть 1, общие процедуры, условия испытаний, статистическая оценка и отчётность; дата обращения: 22 июля 2026 г.
ISO 19973-3:2015, Пневматическая передача - Оценка надёжности компонентов испытаниями - Часть 3, испытания надёжности и отчётность по ресурсу пневматических цилиндров со штоком; дата обращения: 22 июля 2026 г.