粗糙度Ra的含义是什么？不同加工方法可达到的粗糙度是多少？如何测量粗糙度？

栏目：技术知识发布时间：2023-11-20

在这篇文章中，我们来了解如下5个方面的问题。

1.粗糙度Ra的含义是什么？

2.为什么粗糙度很重要？

3.影响粗糙度的5个因素有哪些？

4.不同加工方法，能够实现的粗糙度是多少？

5.如何测量粗糙度？粗糙度检测仪的工作原理是什么？

什么是表面粗糙度Ra？

工件表面具有复杂的起伏，有不同高度和间隔的连续峰谷。

起伏较大的称为“平整度”，起伏较小的称为“表面粗糙度”，即Surface Roughness。

而粗糙度Ra，这个看似简单的数字，实际上是表面微观世界的精妙展现。

我们可以将表面想象成一片小小的风景，在这片风景中，微小的颗粒和凹凸不平的地形在我们眼前展现。

而粗糙度Ra，就像是在这片风景中留下的脚印，用微米来衡量表面的平均高低变化。

那么，具体来看，Ra是什么意思？

用下面这张图来解释。

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这个数字的背后蕴含着制造工程师对于表面质量的苛刻要求。

想象一下，当你的手指滑过金属的表面，能够感受到微小的颗粒，这正是粗糙度Ra所描述的。

不同表面粗糙度的直观视觉。

对于制造高精度零件来说，这些微小的颗粒可能成为质量缺陷的源泉。因此，微观的粗糙度Ra值成为制造业中一项关键的技术指标。

为什么粗糙度很重要？

表面粗糙度不仅影响加工产品的精度，还影响表面的光泽度和质感，因此是影响产品形象和品牌的因素之一。

特别是在超精密加工领域，不仅要求加工精度，而且要求较高的表面处理能力，因此表面粗糙度极为重要。

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。

1.提供一定的视觉外观和触觉感觉

产品的外罩、车辆的仪表板、加工面板外观的差异，特别是光泽光滑还是粗糙哑光，都是由于表面粗糙度的差异造成的。

例如，用于汽车车身的钢板必须经过表面处理，使油漆能够粘合到表面，而不会出现任何“橘皮”效应，并且外观均匀。

再比如，大多数人在购买手机、笔记本电脑等产品时，都会考虑外观和触感，从技术上讲，他们其实是在选择金属外壳的表面光洁度和粗糙度。

2.影响疲劳强度

部件的疲劳寿命随着表面粗糙度的增加而降低，尤其是在高周期疲劳情况下。

就表面粗糙度的方向而言，和轴向方向相比，与应力方向垂直的周向粗糙度对疲劳强度的影响更大。

在评估铝合金产品的疲劳寿命，或设计高疲劳寿命铝部件时，必须考虑表面粗糙度。

3.清洗

较大的粗糙度可能会使污垢粘在金属的凹处，这使得清洁变得更加困难。相反，光滑表面由于其光滑的轮廓而易于清洁。

这也是表面粗糙度在食品加工和制药等行业中发挥巨大作用的原因之一：表面更卫生，减少细菌粘附。

4.磨损

金属板材的摩擦和磨损取决于表面纹理。

无论相对运动的两个表面（例如轴及其轴承）润滑得如何，都会发生一些磨损。

粗糙的表面更容易磨损，并且摩擦力更大，高摩擦系数意味着滑动时需要比光滑表面更大的力。

如果表面粗糙，随着峰的磨损，它们很快就会变得更光滑，但这会影响尺寸配合。较小的粗糙度将增强产品的抗磨损能力，同时减少摩擦，另外粗糙度对于耐腐蚀和耐化学性也至关重要，因为缺陷为断裂或腐蚀提供了成核位置。

5.密封

当两个表面彼此紧密接触移动时，粗糙度将影响其密封或磨损性能。

在涉及润滑的情况下，已经发现需要粗糙度波谷来容纳润滑油。

例如，使用唇形密封件来防止液压油泄漏，如果表面太光滑，则很难在轴和密封件之间保持流体膜。如果表面处理太粗糙，可能会导致磨损，从而导致故障。

影响表面光洁度的3个因素

以下是影响表面光洁度的3个因素：

1.温度

我们知道，物体的体积受温度影响，当温度升高时，金属会膨胀。

因此，部件的表面光洁度可能会受到被切割材料温度的影响。

高于每种材料最适合切割的温度，会导致表面不均匀和表面粗糙度增加，特别是在使用机械方法加工时。

2.切割技术

在传统上加工方法中，使用金属刀具切割零件。

传统车铣钻加工方式。

而在非传统加工工艺中，使用如激光和等离子体加工，电火花加工，超声波加工，3D打印，高压水加工，电子束加工（后面这几种加工方法，后续我会慢慢写来）等方式完成加工。

非传统加工精度和表面粗糙度。

与传统切割技术相比，激光切割具有许多优势，例如更高的切割精度和减少粗糙表面。

水射流切割机具有许多优点，例如小零件的表面精加工性能更高。

总体而言，新技术产生了更显著的成果，包括光滑的表面光洁度。

3.材料加工工艺

材料去除率是每单位时间去除的材料量，它显示了从工件上去除一定量材料需要多长时间。

进给定义为单位时间内刀具沿工件行进的距离。

垂直于加工表面，切削深度是刀具切削刃在每次走刀中深入工件材料的深度。

切削速率是指在给定时间内刀具切削刃穿过工件表面的速度。如果切削速度太高，由于热量积聚过多，刀具可能会变钝。如果切削速度过低，加工时间就会变长，导致生产率下降。

切割速度、进给量和深度等都会影响表面光洁度的质量。

不同加工方法能够实现的粗糙度是多少？

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。

铣削：精度0.1-1um，Ra1um。

金刚石加工：车削精度0.001-0.01mm。

需要注意的是，这些数值是一般情况下的估算值，具体的加工精度和粗糙度还取决于具体的工艺、设备、材料等因素。

在实际生产中，为了达到更高的加工精度和更小的粗糙度，通常需要采用更先进的设备和更精密的工艺，同时严格控制各种加工参数。

通过抛光获得更好的粗糙度示意图。

例如，陶瓷和玻璃精密抛光可以达到纳米级的Ra。

陶瓷：

Material	Ra (nm)	Rz (nm)
GDC	1.176	7.823
Alsima L	1.922	28.927
NEXCERA	2.722	81.173
SiC	0.401	2.1
CVD-SiC	0.488	3.25
Si3N4	0.507	4.32
Barium Titanate	0.549	1.816
AIN	0.733	5.073
ZrO2	0.474	2.773
Transparent Alumina	0.8	6.5
Carbon	4.5	26.4
92％ Al2O3	3.797	25.6
99.5％ Al2O3	1.017	7.987
99.6％ Al2O3	1.053	7.37
99.7％ Al2O3	2.6	–
Al2O3/ZrO2	7	39
Sintered Alumina	0.848	5.633
Ferrite	0.874	6.627
Sialon	7.908	208.59
Glassy Carbon	0.669	4.557
CEPLA	2.325	17.967
Ruby	0.724	5.107
Black Al2O3-ZrO2	7.637	117.343
Shapal®	158.0	1159.0
TiO2	0.884	10.42
SS501	1.984	10.297
Cordierite	44.432	394.537
Apatite	1.289	29.673
LLZT	0.485	3.33
Mg2SiSn	–	–
Si impregnated SiC	2.567	17.71

玻璃：

Material	Ra (nm)	Rz (nm)
Fused quartz	0.295	2.047
BK7	0.725	5.647
TEMPAX Float®	0.426	3.067
Soda-Lime Glass	0.73	5.4
CLEARCERAM™-Z	0.609	3.757
Zerodur	0.541	4.217
borosilicate glass	0.707	7.181

TDC镜面抛光陶瓷和玻璃https://mirror-polish.com/en/faq/roughness-data/

下表是常见粗糙度的不同应用领域。

不同粗糙度的不同应用领域。

如何测量表面粗糙度？

表面粗糙度分为接触式和非接触测量方式。

接触式和非接触式测量示意图。

1. 接触式轮廓仪

粗糙度接触式测量仪系统构成。图片来自基恩士。

便携式表面粗糙度测试仪。

接触式轮廓仪的工作原理是：测量金刚石触针，在制造部件的表面上移动时，产生Z向位移。

当触笔沿着产品表面移动时，测量范围通常可达25mm，该位移被转换成轮廓仪屏幕上显示的数字值。显示后，产品设计者或制造商随后对测量结果进行分析，并且可以获得对产品属性有更深入的了解。

粗糙度接触式检测示意图。

在粗糙度接触式仪器中，触针尖端与样品表面直接接触。检测器尖端配有触针，可追踪样品的表面。触笔的垂直运动是通过如LVDT位移传感器的电信号经过放大和数字转换过程被记录。

粗糙度接触式测量原理。

为了使接触式表面粗糙度仪能够精确测量，触针尖端的半径必须尽可能小，接触压力较低。

触针由蓝宝石或金刚石制成，其尖端半径通常约为10μm，5um，2um或更小。

带有圆珠笔尖的圆锥形，锥体锥角：60度和90度，被认为是触控笔的理想选择。

接触式粗糙度仪能够产生清晰的波形轮廓，能够长距离测量。

接触式测量的缺点。图片来自基恩士。

但是，因为在测量过程中与表面接触时，触笔可能会对产品表面造成损坏，导致表面粗糙变化。

而且，它还比非接触式技术慢，测量受到触针尖端半径的限制，因此，如果在大规模生产过程中采用，可能会减慢组装过程。

除此之外，接触式技术难以定位和识别细微测量点，需要对样品进行切割和加工以供检测。

2.非接触式轮廓仪

非接触式轮廓仪可以通过多种技术，包括激光三角测量、共焦显微镜和数字全息术等。

非接触式轮廓仪最常见是光学轮廓仪，它使用光而不是物理探针。

针孔的直径仅为数10μm，其功能是在不对焦时切断反射光。“对焦时”，通常的光学系统和激光共焦点光学系统的反射光均会进入光接收元件。观察“未对焦时”，通常光学系统的反射光(焦点模糊光线)会进入光接收元件，但激光共焦点光学系统的反射光(焦点模糊光线)则会被针孔切断。即只有在对焦时反射光才会进入光接收元件，以此为依据构成共焦光学系统。

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。

接触式和非接触式测量的优缺点。来自基恩士。

接触式和非接触式测量对比。图片来自基恩士。

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。

来源：罗罗日记

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