揭秘粗糙度Ra：含义、加工方法与测量技巧全解析
文摘
2024-11-10 22:30
河南
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工件表面呈现出繁复的地形特征，布满了连续且高度与间距各异的峰与谷。其中，那些显著的起伏我们称之为“平整度”，而更为细微的波动则被定义为“表面粗糙度”，即Surface Roughness。这个粗糙度Ra，尽管只是一个简单的数值，但它却微妙地揭示出表面微观结构的奥秘与精致。我们可以将工件表面设想为一幅微缩景观画，画中布满了细小的颗粒与崎岖的地形，宛如自然界的缩影。在这片微缩景观中，粗糙度Ra则如同一位微型旅者在其上留下的足迹，它用微米这一精细尺度来刻画表面的平均起伏波动，记录下每一处微小的高低差异。
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Ra即算术平均粗糙度，表示在基准长度上粗糙度的绝对值（图中蓝色部分本来在平均线的下方，但是为了直观表达Ra是采用的绝对值来计算，所以反转到上方了）的平均值，这个绝对值是相对于平均高度来说的。所以更准确地说，Ra 是表面上每个点的高度偏离平均高度的平均值。当然，在粗糙度起伏曲线中，除了Ra，还有峰谷和均方根一说。如下图，Rp表示峰顶（Peak），Rv表示峰谷（Valleys），Rq表示均方根。![]()
Rv：评估长度内，轮廓最低谷与平均线之间的计算距离。Rp：评估长度内，轮廓最高峰与平均线之间的计算距离。Rz：在评估长度内，计算的最高峰和最低谷之间的偏差。Rq：也称为RMS，在评估长度内计算，这是轮廓高度相对于平均线变化的均方根值。Ra这个数值，实则是制造工程师对表面质量极致追求的体现。试想，当你以指尖轻触金属表面，那细微的颗粒感，正是粗糙度Ra所要传达的信息，它精确地描绘了表面的微观质感。![]()
不同表面粗糙度的直观视觉。
在制造高精度零部件的过程中，这些微小的颗粒可能会演变成质量上的瑕疵。正因如此，微小的粗糙度Ra值在制造业中被视为至关重要的技术参数，对产品质量起着决定性的作用。
表面粗糙度不仅关乎加工产品的精确度，还直接影响到其外观的光泽与质感，是塑造产品形象与品牌价值的要素之一。尤其在超精密加工范畴内，除了追求极致的加工精度外，还需具备高超的表面处理能力，这使得表面粗糙度的控制变得尤为关键。![]()
上表从多个使用维度说明了为什么需要测量表面粗糙度。下面，我们选取5个方面来具体看看，表面粗糙度到底如何影响产品性能。产品外壳的光泽度、车辆的仪表板及加工面板的视觉效果，无论是亮丽光滑还是哑光粗犷，皆源于表面粗糙度的不同表现。以汽车车身钢板为例，为确保油漆能均匀且牢固地附着于表面，避免产生“橘皮”现象，钢板必须经过精密的表面处理。同样，当消费者选购手机、笔记本电脑等电子产品时，他们对外观和触感的考量，实质上是在对金属外壳的表面平滑度和粗糙度做出选择。随着表面粗糙度的提升，部件的疲劳寿命会相应缩短，这一现象在高周期疲劳环境中尤为显著。在粗糙度的方向上，相较于轴向，与应力方向相垂直的周向粗糙度对疲劳强度有着更为显著的影响。因此，在预测铝合金产品的疲劳寿命或设计具有高疲劳寿命的铝部件时，必须将表面粗糙度作为一个不可忽视的重要因素来考虑。
较大的粗糙度容易让污垢在金属表面的凹陷处积聚，增加了清洁的难度。相反，光滑的表面由于轮廓平滑，污垢难以停留，因此更容易清洁。这也是表面粗糙度在食品加工和制药等行业中至关重要的原因之一：它能够提升表面的卫生性，有效减少细菌的附着。无论两个相对运动的表面（如轴与轴承）是否得到充分润滑，都会存在一定的磨损现象。粗糙的表面不仅更容易遭受磨损，而且会产生更大的摩擦力，高摩擦系数意味着在滑动时需要施加比光滑表面更大的力才能移动。随着粗糙表面上凸起的磨损，它们会逐渐变得平滑，但这可能导致尺寸配合上的问题。相比之下，较小的粗糙度能够显著提升产品的耐磨性，同时降低摩擦。此外，粗糙度对于耐腐蚀性和耐化学性也极为关键，因为表面的缺陷会成为断裂或腐蚀的起始点。当两个表面紧密贴合并相对移动时，它们的粗糙度将直接关系到密封效果或磨损程度。在需要润滑的场合中，人们发现粗糙表面的低谷有助于留存润滑油。以唇形密封件防止液压油泄漏为例，如果表面过于光滑，轴与密封件之间便难以维持稳定的流体膜，影响密封效果。反之，如果表面处理得过于粗糙，则可能加剧磨损，最终导致故障的发生。物体的体积会随着温度的变化而变化，金属在温度升高时会发生膨胀。因此，部件的表面光洁程度可能会受到切割过程中材料温度的影响。如果切割温度超出了每种材料最适宜的加工范围，就可能导致表面变得不平整，增加表面粗糙度，特别是在采用机械方式进行加工时，这一现象尤为明显。
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传统车铣钻加工方式。在非传统加工领域，我们采用诸如激光加工、等离子体加工、电火花加工、超声波加工、3D打印、高压水射流加工以及电子束加工等多种方法来实现加工目的（关于后几种加工方法，我将在后续内容中逐一介绍）。![]()
非传统加工精度和表面粗糙度。相较于传统的切割技术，激光切割展现出了诸多优势，比如切割精度更高，且能有效降低表面的粗糙度。
水射流切割机同样表现出色，特别是在对小零件进行表面精加工方面，其性能尤为突出。总的来说，这些新技术带来了更为显著的成效，其中之一便是能够生成更加光滑的表面光洁度。材料去除率衡量的是单位时间内从工件上去除的材料量，它反映了去除一定量材料所需的时间长度。进给则是指刀具在单位时间内沿着工件移动的距离。切削深度是刀具切削刃在每次切削操作中深入工件内部的垂直距离。切削速率则代表刀具切削刃在给定时间内穿越工件表面的速率。切削速率过高会导致热量积聚，使刀具变钝；而切削速率过低则会延长加工时间，降低生产效率。切割速度、进给量以及切削深度等因素，都会对最终表面光洁度的质量产生重要影响。如上所说，每种加工方法的最高加工精度和对应粗糙度是由多个因素共同决定的，包括设备的性能、材料的性质、刀具的质量等。以下是一般情况下这些加工方法的大致最高加工精度和相应的粗糙度范围：![]()
T.V.Vorburger,J.Raja, SURFACE FINISH METROLOGY TUTORIAL.![]()
上图没有分类，这里分类整理出来是这样一个表格。![]()
再保存一张图，只因比较清晰。电火花加工：精度0.1-1um，Ra1-10um。精密磨削：精度0.01-0.1um，Ra0.05-0.25um。车削：精度0.1-1um，Ra0.25-0.5um。需注意的是，上述数值仅为一般情形下的估算，实际的加工精度与粗糙度还会受到工艺方法、设备性能、材料特性等多重因素的制约。在实际作业中，为了达成更高的加工精度及更低的粗糙度标准，往往需要使用更为尖端的设备与更精细的工艺技术，并严格调控各类加工参数。![]()
通过抛光获得更好的粗糙度示意图。玻璃：
TDC镜面抛光陶瓷和玻璃https://mirror-polish.com/en/faq/roughness-data/![]()
不同粗糙度的不同应用领域。![]()
接触式和非接触式测量示意图。![]()
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接触式轮廓仪的运作机理在于，利用金刚石触针在被测部件表面滑动时产生的Z轴方向上的位移。触针沿着产品表面滑行时，其测量范围一般可达25毫米，这一位移随后被转换成数字信号，在轮廓仪的显示屏上直观呈现。产品设计者或制造商通过观察这些数字值，能够对测量结果进行深入分析，从而对产品特性有更全面的认知。![]()
粗糙度接触式检测示意图。![]()
在粗糙度接触式测量仪器中，触针的尖端会直接与待测样品的表面相接触。该触针被装配在检测器的尖端，用于追踪样品表面的轮廓。触针在垂直方向上的运动，会通过一个如线性可变差动变压器（LVDT）这样的位移传感器转换成电信号，随后经过放大处理和数字转换，最终被记录下来。![]()
为了确保接触式表面粗糙度测量仪能够实现精准测量，触针的尖端半径需尽可能缩小，同时保持较低的接触压力。触针通常由蓝宝石或金刚石等高硬度材料制成，其尖端半径可精细至10微米、5微米、2微米甚至更小。触针的形状通常设计为带有圆珠笔尖的圆锥形，锥角常见为60度或90度，这样的设计被认为是理想的触控笔形态。接触式粗糙度测量仪能够生成清晰的波形轮廓图，且具备长距离测量的能力。![]()
然而，在测量过程中，由于触笔需要与产品表面直接接触，可能会对产品表面造成一定程度的损伤，进而改变其原有的粗糙度。此外，相较于非接触式技术，接触式技术的测量速度较慢，且测量精度受到触针尖端半径的制约。因此，若在大规模生产环境中应用，接触式技术可能会拖慢整个组装流程。另外，接触式技术在定位和识别微小测量点方面存在困难，通常需要对样品进行切割和预处理，以便进行检测。非接触式轮廓仪运用了多种技术手段，如激光三角测量法、共焦显微镜技术以及数字全息技术等。其中，最为常见的非接触式轮廓仪类型是光学轮廓仪，它利用光线而非实体探针来进行测量。![]()
针孔的直径非常小，仅为数十微米，其主要作用是在未对焦状态下阻断反射光线。当处于“对焦状态”时，无论是普通光学系统还是激光共焦点光学系统的反射光线，都能够顺利进入光接收元件。然而，在“未对焦状态”下，普通光学系统的反射光线（即焦点模糊的光线）会进入光接收元件，但激光共焦点光学系统的反射光线（同样是焦点模糊的光线）则会被针孔阻挡。这意味着，只有在对焦准确的情况下，反射光线才能被光接收元件所接收，从而构成了共焦光学系统的工作原理。在光学测量技术中，光线被引导到产品的表面上。通过从位置良好的参考镜获得反射，相机可以以3D方式检测表面。![]()
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非接触式轮廓仪非常可靠，能够测量微米以内的表面变化，并且可以更快地计算表面粗糙度。此外，非接触式表面测量工具可以测量更大的区域，因为它不受触笔尖端尺寸的限制。当然，也欢迎你持续关注我的公众号，感谢你的关注！！
