表面粗糙度參數在工程和製造中都非常重要，因為它們會影響產品的性能和使用壽命。這篇文章將討論什麼是表面粗糙度及其參數，例如 Ra 和 Rz。因此您可以學習如何為您的零件獲得正確的表面光潔度。
什麼是製造和加工中的表面粗糙度？
表面粗糙度是製造或加工過程中材料表面產生的微小不規則現象。 這些微小的不規則性通常可以在放大鏡下看到，是切割、研磨或其他材料去除程序的結果。
這些不規則性會影響耐磨性、摩擦係數和機械性能。更光滑的表面具有更好的耐磨性和更少的摩擦。除了機械性能之外，表面粗糙度對於零件的外觀和功能也起著重要作用。
表面紋理與表面粗糙度
表面紋理是製造表面的總形貌特徵。它包括粗糙度、波紋度和平直度三個主要部分。簡單來說，表面粗糙度測量微觀的峰和谷，而表面紋理是不同尺度下所有表面不規則性的綜合測量。
表面粗糙度是表面紋理的組成部分之一，但表面紋理是一個更廣泛的術語，還包括可能影響零件功能的其他方面，例如其避免磨損、減少摩擦或保持潤滑的能力。
表面紋理的組成部分：
粗糙度： 指因機械加工而在表面上產生的小而細的凹凸不平。
波紋度： 由於工具機振動或偏轉，這些是表面上較大的週期性變化。
放置： 主要表面圖案的方向，主要是由切割或研磨引起的。
表面粗糙度參數
這些參數是表示表面凹凸的數值。現在我們將一一討論它們。
Ra 或算術平均粗糙度
簡單來說，Ra 是測量長度的平均粗糙度，即峰和谷的平均值。
要使用連續形式計算 Ra，您需要沿著整個取樣長度測量表面輪廓與平均線的偏差。偏差 z(x) 在取樣長度 L 上進行積分，然後將所得數字除以 L 以獲得平均絕對偏差。
Ra 也用於評估航空航太、製造和汽車行業的鑄件、支架和外殼部件等不同部件的表面光潔度。
Rz（平均峰谷高度）
與 Ra 不同，Rz 是給定採樣長度內 5 個「最高」峰和 5 個「最深」谷的平均值。
為了測量 Rz，請在表面輪廓中找到 5 個最高的峰值和類似的 5 個最低的谷。然後計算從每個峰值到最近的谷的垂直距離，並對這 10 個值進行平均以獲得 Rz。其公式可寫為：
其中 Pi = 峰高和 Vi = 山谷深度。
Rz主要用於機器中必須緊密配合才能正常工作的零件，例如軸承界面、密封表面和塗層的粘附表面，其中極其粗糙的表面可能會影響這些零件的功能。此外，Rz 比 Ra 對錶面缺陷更敏感。
Rq（均方根粗糙度）
Rq 是輪廓高度與平均線的偏差的均方根。
要計算 Rq，請計算與平均線的每個偏差的平方，對這些平方值進行平均，然後取結果的平方根。它的公式是這樣的
( Z(x) ) 是沿著取樣長度任意點的表面偏差
( L ) 是總採樣長度
由於是平方值，與 Ra 相比，Rq 對峰值和谷值更敏感。此參數用於光學表面和精密軸承，其中小的變化很重要。超精加工表面的典型 Rq 值為 0.05 μm，粗加工表面的典型 Rq 值為 50 μm。
Rt
Rt 是粗糙度輪廓的總高度。我們可以透過採樣長度上最高峰和最深谷之間的差異來輕鬆找到它。
Rt = 最高峰 – 最深谷
Rsk（偏度）
Rsk 測量輪廓關於平均線的不對稱性。正 Rsk 意味著表面有更多的峰，負 Rsk 意味著表面有更多的谷。
Rsk 由高度分佈的三階矩確定，並通過標準差的立方進行歸一化。
峰度或 Rku
Rku 測量平均線輪廓的峰值度。 Rku > 3 表示尖峰，而 Rku < 3 表示圓形輪廓。Rku 的計算方法是取高度分佈的四次矩，然後除以標準差的四次方。其數學公式為：
Ra 與 Rz
Ra 主要測量平均表面粗糙度，因此有利於一般品質控制和美觀表面。另一方面，Rz 測量峰谷變化，這對於密封表面和動態應用非常重要。對於整個表面評估（0.1-6.3 μm），Ra 更好，而 Rz 僅適用於峰值高度會影響性能的重要功能表面（10-50 μm）。
如何測量表面粗糙度？
測量表面粗糙度的方法有很多，例如接觸式和非接觸式。每種方法還包括多種用於測量表面粗糙度的技術。
聯繫方式
觸針輪廓儀 是工業領域廣泛使用的測量表面粗糙度的方法。半徑為 2 至 10 μm 的鑽石尖頭觸針以恆定力 (0.7-15 mN) 在表面上移動，顯示表面輪廓。
此方法的特點是精度非常高（±0.1 μm）並且能夠呈現清晰的表面輪廓。但它會損壞精緻的表面，掃描速度比非接觸式方法慢。
非接觸式方法
光學輪廓儀 此過程使用白光干涉測量法或基於雷射的系統來測量表面形貌。 它將光束在參考鏡和樣品表面之間分開。反射光束產生的干涉圖案可提供高解析度的 3D 表面圖。這些系統的測量速度高達 100,000 點/秒，垂直解析度低至 0.1 nm。
原子力顯微鏡 (AFM)： 與光學輪廓測定法不同，這是一種非光學成像方法。它掃描樣品表面上的小懸臂並給出原子級分辨率。 （橫向可達 1 奈米，垂直可達 0.1 奈米）。但它需要隔離振動的空間，並且只能掃描小區域。
3D 表面測量技術
共焦顯微鏡： 是一種使用聚焦雷射透過針孔逐點掃描表面並製作 3D 地形圖的方法。該系統透過僅檢測焦點內的光反射來測量表面高度。此方法允許 0.1 nm 垂直分辨率，適用於陡坡和深層特徵。
干涉測量： 干涉儀是一種在兩個光學鏡（一個參考面和一個測試面）之間分配光束的裝置。 這 干涉儀 結合兩束光束以產生干涉圖案，從而有助於確定表面高度是否存在差異。現代干涉儀能夠測量到幾分之一奈米的水平，並且可以在短時間內覆蓋區域（高達 100 mm²），因此，它們非常適合超精密表面。
這兩種流程都提供非接觸式測量、即時 3D 視覺化和自動化資料處理。它們還有助於在不損壞表面的情況下測量整個表面，這對於精密製造中的品質控制非常重要。
用於測量表面粗糙度的標準
SPI標準
塑膠工業協會 (SPI) 制定了一套對塑膠射出成型表面光潔度進行分類的標準。這些標準對於確認汽車、電子產品和消費品中模製塑膠零件的品質非常重要。 SPI 模具光潔度分類定義了不同應用所需的表面紋理、粗糙度或光滑度級別，從高光澤光學光潔度到霧面紋理。
級次等級過程完成類型Ra 範圍 (μin)應用AA - 1鑽石拋光等級#31-2高光澤飾面、光學零件、A 級表面AA - 2鑽石拋光等級#62-3高光澤飾面、光學部件、A 級表面AA - 3鑽石拋光等級#154-5高光澤飾面、光學部件、A 級表面BB-1紙拋光600粒2-3半光澤飾面、消費品BB-2紙拋光400粒4-5半光澤飾面、消費品BB-3紙拋光320粒8-10半光澤飾面、消費品CC-1石材拋光600 Stone10-12霧面飾面、工業零件CC-2石材拋光400 Stone25-28霧面飾面、工業零件CC-3石材拋光320 Stone38-42霧面飾面、工業零件DD - 1爆破#11 玻璃珠10-12紋理飾面、抓握表面DD - 2爆破#240 氧化鋁25-28紋理飾面、抓握表面DD - 3爆破#24 氧化鋁38-42紋理飾面、抓握表面
國際標準
國際表面粗糙度標準有三個 ISO 測量和規範框架：
ISO 1302：
ISO 1302 定義了技術圖的圖形符號和表示方法，並概述如何使用 R 輪廓（粗糙度）、W 輪廓（波紋度）和 P 輪廓（主要）參數來指示表面紋理要求。這些符號是垂直線 (|)、平行線 (//) 和垂直線 (⊥)。
ISO 4287
ISO 4287 定義基本輪廓參數及其計算。本標準定義了Ra、Rz、Rq等常用參數及其測量條件與評估方法。
ISO 25178
ISO 25178 推出第一個標準化 3D 表面紋理分析系統。它定義了區域參數、測量技術（接觸式和非接觸式）以及校準程序。該標準向前邁出了一大步，超越了 2D 輪廓測量，擴展到 3D 表面表徵。
ISO 16610
ISO 16610 定義了一種過濾表面紋理資料的標準化方法，以將表面的粗糙度（短波長特徵）與波紋度（長波長特徵）分開。這種分離允許根據表面紋理的功能需求進行分析和解釋。
其他表面粗糙度標準
除了上述表面粗糙度標準外，其他幾個全球標準也為表面粗糙度的測量和規範提供了指導：
ASME B46.1 是美國的主要標準，特別是在國防工業領域。本標準定義了表面紋理參數、測量方法和過濾技術。最新版本（ASME B46.1-2019）涵蓋了數十個表面參數。
VDI 3400 （德國）： 該標準概述了 45 個粗糙度等級 (0-45) 以及特定的 Ra 值。每個類別定義了不同工業應用的表面特徵，從超光滑光學元件到紋理握持表面。
JIS B 0601 （日本）： 日本工業標準 JIS B 0601 定義了表面粗糙度的術語和分類系統。它為包括輪廓測量在內的粗糙度測量方法提供了指導，並指定了表面紋理符號。
影響表面粗糙度的因素
表面粗糙度在製造過程中受到多種因素的影響。讓我們研究一下決定最終表面品質的這些關鍵因素。
材料特性
材料硬度及其微觀結構等材料特性會影響可實現的表面光潔度。較硬的材料（>50 HRC）通常在相同的加工條件下產生更精細的表面。除了硬度之外，材料晶粒尺寸和微觀結構也會影響表面品質。細晶粒材料通常比粗晶粒材料具有更光滑的表面，因為較小的晶界允許在加工過程中更穩定地去除材料。
製造過程
表面粗糙度受到製造工藝的影響，每個工藝以不同的方式影響表面紋理。
開啟
In 轉折點, 旋轉工件由切削刀具成形。其中，表面粗糙度受到切削速度、進給速率、刀具幾何形狀和材料特性的影響。較高的切削速度將最大限度地減少刀具痕跡並提高表面光潔度。另一方面，較慢的進給速度將允許更精細的切割，從而產生更光滑的表面。車削可達到的典型粗糙度值介於 1.6 µm 至 12.5 µm 之間，並且具有更精細的光潔度。
磨
磨 使用旋轉刀具從固定工件上去除材料。加工過程中的表面粗糙度受到進給率、速度和刀具幾何形狀的影響。更快的進給速度會增加粗糙度，但較低的速度和更好的刀具設計將產生更精細的光潔度，粗糙度值為 3.2 µm 至 12.5 µm。
鑽孔
鑽孔 由於連續切削，通常會產生較粗糙的表面。其表面粗糙度值在 3.2 µm 至 12.5 µm 之間，但可以透過正確的工具和技術進行改進。
研磨
研磨
是一種研磨工藝，可產生更精細的光潔度，Ra 範圍為 0.1 µm 至 1.0 µm，取決於磨料尺寸和材料。與此相反， 拋光 使用較細的磨料產生 Ra 值低於 0.1 µm 的超光滑表面。
添加劑製造
In 添加劑製造 (3D印刷），粗糙度受層厚和列印速度影響，值為 3 µm 至 25 µm，可透過後處理改善。由於積層製造是逐層沉積，表面紋理將呈現階梯狀或分層狀，除非進行額外的精加工操作。
刀具幾何形狀和狀況
刀具幾何也大大影響表面光潔度品質。它包括切削刃半徑（0.2～2.0mm）、前角（-5°～+15°）和後角（5°～15°），直接影響表面粗糙度。例如，較小的切削刃半徑將產生更精細的表面，更好的前角和後角將降低切削力。
刀具上的TiN（氮化鈦）、TiAlN（氮化鋁）和DLC（類鑽石碳）等先進塗層可以進一步提高表面光潔度品質和刀具性能。這些塗層減少了工具磨損和摩擦。但隨著刀具磨損的加劇，其切削性能會惡化。例如，後刀面磨損會增加切削力，從而產生更粗糙的表面光潔度。
工藝參數
切削速度、進給率和切削深度是影響表面光潔度的參數。較高的切割速度（高於 50 m/min）將透過減少積屑瘤來提高表面光潔度。在所有這些參數中，進給速率的影響最大，因為較低的進給速率（小於 0.1 毫米/轉）將產生更精細、更光滑的表面。切削深度對錶面光潔度的影響較小，但深度低於 1 毫米會產生更好的光潔度，因為切削力會降低。
表面處理在不同產業的重要性
每個行業對其表面特性都有不同的要求，以滿足功能和性能要求。
汽車產業
汽車零件中的引擎汽缸（Ra 0.1-0.4 μm）和傳動齒輪（Ra 0.4-1.6 μm）需要精確的表面光潔度以實現潤滑和平穩運作。這些規格直接影響車輛的性能和耐用性。
航空航天業
機翼、機身部分和引擎部件等部件的表面不規則可能會引發微裂紋，進而影響疲勞壽命。因此，光滑的表面光潔度對於減少裂縫的形成並提高這些高應力零件的耐用性和安全性至關重要。
醫療器械
對於醫療植入物，表面光潔度對於生物相容性和骨與植入物的黏合至關重要。光滑但略有紋理的表面支持更好的細胞附著和生長。具有拋光錶面的手術刀和鑷子等手術工具也可以降低感染風險。
電子和半導體
半導體晶圓需要超光滑的表面（Ra <0.01 μm）用於裝置製造，而 PCB 銅跡線也需要特定的粗糙度（Ra 0.3-0.8 μm）以實現焊料黏附。拋光錶面保證了更好的產量和性能。
光學工業
Ra <0.1 μm 的光學透鏡、鏡子和其他組件的表面光潔度對於光傳輸和影像清晰度非常重要。表面粗糙的鏡子或透鏡會扭曲光路並影響系統精度、對準和性能。
機械零件製造
精密機械部件也需要特殊的表面光潔度。軸承表面需要 Ra 0.1-0.4 μm 的表面粗糙度才能平穩運行，齒輪表面需要 Ra 0.8-1.6 μm 才能達到最佳齒嚙合，滑動表面需要 Ra 0.4-0.8 μm 以減少摩擦和磨損。
表面粗糙度檢驗和測試協議
有效的表面粗糙度檢查需要明確的測量和採樣協議。正確的採樣方法對於確保代表性測量和品質控制至關重要。
抽樣方法
使用隨機或系統取樣方法來確保表面粗糙度測量能夠代表整個生產批次。
這些測量應在光潔度對性能影響最大的區域進行，例如旋轉機械、軸承和關鍵密封件的接觸表面。建議的做法是在這些區域進行至少三到五次測量，以提高統計可靠性。
數據分析
表面粗糙度資料分析用途 統計過程控制 (SPC) 技術，例如 X 長條圖和 R 圖表，用於監控趨勢並檢測表面光潔度的變化。控制限通常設定為平均值的±3σ，以注意到與標準生產的任何偏差。
對於臨界表面，Cp 和 Cpk (能力指數）用於檢查過程穩定性。任何高於 1.33 的值都意味著流程能夠持續滿足規範。此方法可以捕捉傳統分析在大多數情況下會錯過的精細細節，因此您可以對流程進行更精確的調整。
表面粗糙度符號
表面光潔度符號是技術圖面上的圖形表示，用於指定零件的表面紋理或粗糙度需求。 ISO 1302 標準化了表面紋理符號，其意義如下：
∇（基本符號）表示表面紋理要求
=（平行線）表示平行於平面的加工方向
⊥（垂直）表示垂直於平面的加工痕跡
X（交叉）用於交叉加工圖案
M（Multi-orientation）表示多方向模式
C（圓形）用於同心加工標記
R（Radial）用於徑向圖案加工
例：Ra 3.2⊥表示表面粗糙度需要3.2μm，加工痕跡垂直於基準面。
表面粗糙度比較表
如何控制和改善表面粗糙度
流程優化
表面光潔度需要控制多個加工參數以提高粗糙度。進給速率對粗糙度影響最大（0.1-0.2 mm/齒，可實現精細精加工），其次是切削速度（對於大多數材料為 75-95 m/min，不會導致刀具過度磨損）。為了穩定性，切割深度也應控制在 0.5 至 1.5 毫米之間。
現代數控系統具有自適應控制演算法，可以將這些參數保持在最佳範圍內。透過感測器進行即時監控還可以自動調整參數以實現目標表面光潔度。
表面處理技術
先進的精加工技術對於獲得超光滑表面並精確控制粗糙度非常重要。它包括研磨、珩磨和超精加工。
研磨 是一種使用漿料中的磨料顆粒以獲得高度平坦表面的製程。它通過系統地去除薄層並減少不規則性來使表面更加光滑。
珩磨 使用磨石來提高表面光潔度和幾何精度。它通過去除少量材料來控制粗糙度，確保表面均勻並最大限度地減少工具痕跡。
超精加工 在低壓下使用非常細的磨料，使 Ra 低於 0.1 µm。它減少了表面不規則性並降低了粗糙度，以達到接近鏡面的光潔度。
潤滑劑和冷卻劑
潤滑劑和冷卻劑用於減少摩擦、散發熱量並沖走碎屑。油潤滑劑的主要功能是在刀具和工件之間形成一層潤滑油，以減少切削刀具的磨損。
而水溶性冷卻劑有助於控制溫度。在切割過程中，它們可以防止工件和工具過熱並沖走碎屑和切屑。使用潤滑劑和冷卻液肯定會延長刀具壽命並減少毛邊、刀痕和表面不規則現象。
您如何決定正確的完成方式？
您應該在對功能需求和製造能力進行徹底分析後選擇表面光潔度。首先，確定重要參數，例如工作條件（溫度和化學品暴露）、機械性能（耐磨性、摩擦係數）和美觀要求。將這些要求與可實現的 Ra 值相匹配，例如精密軸承 (0.1-0.4 μm)、密封表面 (0.4-1.6 μm) 或裝飾面 (0.8-3.2 μm)。
成本影響和製造限制不容忽視。每種精加工方法都有其能力，研磨可達到 Ra 0.1-1.6 μm，銑削可達到 Ra 0.8-3.2 μm。也要注意材料特性，因為較硬的材料可能需要不同的加工參數。您還可以透過原型測試和行業標準（ISO、ASME 或應用特定要求）的合規性來驗證您的選擇。
總結一下
表面粗糙度參數為製造品質控制提供了重要指引。了解 Ra、Rz 和其他參數將幫助您非常準確地指定和測量表面光潔度要求。如今，測量技術和標準為從航空航太零件到植入物的所有行業提供了統一的表面品質。