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表面品質閱讀時間 13 分鐘

表面粗糙度那個勾勾符號,到底在要求什麼

表面粗糙度是少數「看起來很像,量起來差很多」的規格。而它也是圖面上最常被簡化成一句「Ra 1.6」、然後在驗收時吵起來的那一項。

Ra

01符號的每一格在說什麼

粗糙度符號的本體是一個打勾的形狀。單獨的勾代表「表面狀態不指定加工方法」;勾上加一橫代表必須以去除材料的方式加工(車、銑、磨);勾上加一個圓圈代表不得去除材料(鑄造、鍛造、抽引後直接使用)。

位置內容範例
a(左側)粗糙度參數、上下限與數值Ra 1.6、Rz 6.3
b(橫線上方)加工方法研削、車削、放電加工
c(橫線上方右)取樣長度/截止波長0.8
d(勾內)紋理方向符號=、⊥、X、M、C、R
e(橫線下方)加工裕度0.5
粗糙度符號的欄位配置(依 ISO 21920-1)。多數圖只填 a,其餘採預設。

圖框角落那一個,管的是整張圖

畫在標題欄附近的粗糙度符號代表全域預設:凡是圖上沒有個別標註的表面,都適用這一個。後面若跟著括號與一個勾,代表「其餘表面為此值,例外者已個別標註」。品檢表如果只抓圖面本體上的符號,就會漏掉這一大類,而它往往涵蓋了零件八成以上的面。

02Ra 是平均,Rz 是極端

Ra(算術平均粗糙度)是在一段取樣長度內,把輪廓相對中心線的偏差取絕對值再平均。它穩定、重複性好、對操作誤差不敏感,所以成為全世界最常標的參數。缺點也正是它的優點造成的:一道深刮痕會被平均掉。

Rz(最大高度)取的是取樣長度內最高的峰與最低的谷之和。它對單一缺陷極度敏感,這正是需要防止洩漏的密封面、承受交變應力的軸肩會同時標 Ra 與 Rz 的原因。

參數定義適合用來管
Ra輪廓偏差絕對值的算術平均整體加工穩定性、一般配合面
Rz最大峰高+最大谷深密封面、疲勞敏感面、單一缺陷
Rmax / Rz1max各取樣段中最大的那一個 Rz絕對不容許的極端值
Rsm輪廓元素的平均間距紋理週期、塗裝附著性
Rmr(c)在某高度的材料率承載面、滑動配合
Rsk偏度(分布是否偏峰或偏谷)潤滑油膜保持能力
線粗糙度常見參數。Ra 與 Rz 佔了實務上九成以上的標註。

03從線到面:ISO 25178 的 S 參數

傳統的接觸式量測是拉一條線:探針沿著表面走一段,得到二維輪廓。問題是換一個位置、換一個方向,數字就變了,尤其是銑削這類有明顯紋理方向的表面,順著刀紋量和垂直刀紋量差異很大。

面粗糙度改成量一整塊區域,參數以 S 開頭,由 ISO 25178 規範。Sa 對應 Ra、Sz 對應 Rz,但另外增加了線量測抓不到的資訊:Sdr(展開介面面積比)描述實際表面比投影面積大多少,與塗層附著、接觸熱傳導直接相關;Spk/Svk 則把表面拆成峰、核心、谷三段,在缸孔、軸承這類需要「平滑核心+儲油谷」的應用上特別有用。

顯微鏡下的表面:肉眼看似平整的加工面,放大後的高低起伏才是粗糙度真正在描述的東西。
顯微鏡下的表面:肉眼看似平整的加工面,放大後的高低起伏才是粗糙度真正在描述的東西。Wikimedia Commons・Silicon chip under microscope・CC BY-SA 4.0

04為什麼同一個面量兩次不一樣

粗糙度不是量到什麼就是什麼,而是把表面的起伏依波長切開之後,只取短波的那一段。切開的方式由濾波器決定。

名稱符號作用
λs 濾波器λs濾掉比它更短的成分(雜訊、探針半徑造成的假訊號)
λc 截止波長λc區分粗糙度與波紋度的分界,最關鍵的一個設定
λf 濾波器λf區分波紋度與形狀誤差
三個濾波器把表面訊號切成粗糙度、波紋度與形狀誤差三層。

λc 設得不同,被歸類為波紋度而濾掉的成分就不同,Ra 自然不同。ISO 建議依預估的 Ra 值選擇 λc(例如 Ra 0.1–2 μm 對應 λc 0.8 mm),評估長度通常取五段取樣長度。所以嚴格說,只寫「Ra 1.6」而沒有量測條件的規格是不完整的,雙方各用不同的 λc,就會得到不同的結論。

接觸式與非接觸式

  • 觸針式輪廓儀:技術成熟、可追溯性好、成本低。限制是探針有半徑(通常 2 或 5 μm),量不到比它更窄的谷;而且會刮傷軟質或塗層表面。
  • 共焦/白光干涉/雷射顯微鏡:非接觸、可做面量測、垂直解析度可達次奈米。限制是對高反射或高斜率表面容易失真。
  • 原子力顯微鏡(AFM):解析度最高,但量測範圍極小、速度慢,多用於研究而非產線。