表面粗糙度測量 👨‍🏭

你有沒有想過為什麼你的手機屏幕感覺比粗糙的砂紙更光滑？

或者為什麼有些汽車油漆看起來像鏡面一樣，而另一些看起來暗淡且凹凸不平？

答案在於表面粗糙度，這是影響各種產品性能、外觀和耐用性的關鍵因素。

從航空航天部件到醫療植入物，製造商需要準確測量和控製表面粗糙度以確保質量、可靠性和安全性。

在本文中，我將探討表面粗糙度測量的科學和技術，以及為什麼它比您想像的更重要。

所以，係好安全帶，準備好進入迷人的表面粗糙度世界吧。

表面粗糙度測量是測量物理表面高度的小尺度變化的過程。它不同於形狀和波紋度等較大規模的變化，後者通常是表面幾何形狀的一部分。

表面粗糙度可以被視為不光滑的表面質量，並且與人類對錶面紋理的感知有關。

它是一種多尺度屬性，根據所考慮的學科有不同的解釋和定義。

表面粗糙度可以通過與“表面粗糙度比較器”進行手動比較來測量，或者使用輪廓儀進行表面輪廓測量。白光干涉儀或激光掃描共聚焦顯微鏡等光學測量儀器也可以測量一個區域的表面粗糙度。

區域粗糙度參數在 ISO 25178 系列中定義，結果值為 Sa、Sq、Sz（以及其他）。

平均粗糙度 (Ra) 是用於測量表面粗糙度的常用參數，它測量表面與平均高度的偏差。

它通常以微米或微英寸為單位進行測量。

尺寸測量的重要性

出於以下幾個原因，表面粗糙度測量在尺寸測量中很重要：

部分之間的相互作用：表面粗糙度通常決定一個零件如何與另一個零件相互作用。例如，如果軸在軸承內旋轉，粗糙的表面更容易引起金屬與金屬的接觸，從而導致磨損和腐蝕。
預防性調整：捕獲表面粗糙度數據可以分析趨勢並有助於進行預防性調整。例如，測量平均粗糙度 (Ra) 可以顯示工具何時開始磨損，從而導致其產生不同的表面特性。然後可以使用此信息來決定何時需要更換工具。
摩擦力和附著力：粗糙度在摩擦和粘附等各種過程中起著重要作用，並被廣泛測量。
潤濕性：粗糙度和潤濕性之間的關係是明確的，增加表面粗糙度可以增強由表面化學引起的潤濕性。
表面紋理表徵：表面粗糙度是表面紋理的量度，它被定義為實際表面與其理想光滑形式的垂直偏差。表面粗糙度不能用單一參數準確表徵，因此定義了一組表面粗糙度參數。
定量和定性方法：表面粗糙度測量可以使用定量或定性方法來表徵。定性技術包括光學外觀，而定量方法涉及測量物理表面高度的小尺度變化。

表面粗糙度測量方法

可以使用不同的方法表徵表面粗糙度測量：

直接測量方法：這些方法通過觸筆式設備評估表面光潔度。使用沿著待測表面繪製的手寫筆獲得測量結果，並記錄垂直於表面的手寫筆運動。然後使用此註冊的配置文件來計算粗糙度參數。
光學方法：該方法涉及使用光來測量表面粗糙度。例如，光源用於用數字系統照亮表面以查看表面和數據。
流體方法：流體方法使用流體在表面上的流動來測量粗糙度。例如，液體在表面上的流動可用於確定表面的粗糙度。
電氣方法：電氣方法使用表面的電氣特性來測量粗糙度。例如，表面的電阻可用於確定表面的粗糙度。
掃描探針顯微鏡方法：這些方法使用掃描探針顯微鏡來測量表面粗糙度。顯微鏡掃描被測物體的表面，並記錄表面每一點的高度。然後使用此信息來計算粗糙度參數。
幾何分析：幾何分析涉及使用數學模型來分析表面粗糙度。例如，可以使用參考線、包絡法、數字濾波器、分形或其他技術來獲得表面特徵。
非接觸式：非接觸法不涉及與被測物體表面的設備部件的實際接觸。例如，光學方法、流體方法和電學方法是非接觸方法。
電子顯微鏡方法：電子顯微鏡方法使用電子顯微鏡來測量表面粗糙度。顯微鏡掃描被測物體的表面，並記錄表面每一點的高度。然後使用此信息來計算粗糙度參數。

測量技術

根據物理原理採用不同的技術來評估表面粗糙度的納米級、原子級和微米級特徵。剖面、面積和顯微鏡技術是用於進行表面粗糙度測量的三種主要方法類型。

表面粗糙度可以使用接觸方法測量，例如觸筆式設備或複制塊。以下是一些用於測量表面粗糙度的方法和技術：

手寫筆型設備：這是一種直接測量方法，通過使用觸筆式儀器跟踪表面來計算平均粗糙度值。該儀器放大其信號以補償波紋度並僅指示粗糙度。
副本塊：這些用於比較測量並包含特定的標準粗糙度圖案。
輪廓儀：這是一種接觸式測量系統，使用金剛石觸針測量表面粗糙度。
面粗糙度參數：這些參數在 ISO 25178 系列中定義，包括 Sa、Sq 和 Sz。
光學方法：光學方法包括白光干涉儀和激光掃描共聚焦顯微鏡。這些儀器能夠測量一個區域的表面粗糙度。

表面粗糙度也可以使用定量或定性方法來表徵。定性技術包括光學外觀，例如指甲測試。通過採用表面分形測量以及粗糙度或表面形狀測量，某些界面現象，包括接觸力學、摩擦和電接觸電阻，可以更好地解釋表面結構。

非接觸式方法用於測量表面粗糙度。這裡有些例子：

空間光調製器：一種新穎的非接觸式表面粗糙度測量方法，它使用邁克爾遜裝置結合了不同類型方法的優點。
激光輪廓測量：一種用於測量表面粗糙度的非接觸式方法。然而，對於高光澤表面，使用無接觸方法準確測量表面粗糙度參數可能具有挑戰性。
光學外觀：定性技術包括光學外觀，例如目視檢查，可用於確定表面粗糙度。
去極化效應：一種考慮去極化效應的非接觸式方法，可測量亞微米範圍內的表面粗糙度。
粗糙表面的相互滲透：一種間接方法，利用粗糙表面的相互滲透效應，可以構建非常簡單的測量設備。

請注意，還有基於接觸的方法來測量表面粗糙度。

為什麼計量學在表面粗糙度測量中很重要

在測量物體的表面粗糙度時，精度是關鍵。這就是計量學的用武之地。計量學是測量科學，在確保尺寸測量的準確性和一致性方面起著至關重要的作用。

通過使用專門的工具和技術，計量學家可以測量納米級的表面粗糙度，為製造業、航空航天和生物醫學工程等行業提供寶貴的數據。

如果沒有計量學，表面粗糙度測量將不可靠且不一致，從而導致產品設計和質量控制中的潛在錯誤。

因此，下次您看到表面粗糙度測量時，請記住其背後是計量科學，可確保尺寸測量的準確度和精密度。

了解更多信息：

探索計量學、單位、儀器等

單位和標準

用於表示表面粗糙度測量值的單位通常是微米 (µm) 或微英寸 (µ-in, µ")。1 微米大致相當於 40 微英寸。術語“微米”和“微米”是等效的並且兩者都很常用。

區域粗糙度參數也在 ISO 25178 系列中定義，結果值如 Sa、Sq 和 Sz。

國家表面光潔度測量系統使用物理參考標準將表面粗糙度測量值校準到定義的長度單位：某些光源的波長。

表面粗糙度測量會對產品的功能產生重大影響。以下是表面粗糙度測量可以影響產品功能的一些方式：

承重面：許多軸承表面需要均勻的粗糙度圖案，這有助於保持潤滑膜。如果表面太光滑或太粗糙，軸承就會失效。
質量參數：在工程應用中，表面和零件有嚴格的質量參數。因此，準確測量表面粗糙度至關重要，這樣才能符合所需的質量標準。粗糙度通常是不受歡迎的，但在製造中很難控制。降低粗糙度會導致組件的製造成本增加，因此必須在這種成本與其性能應用之間進行權衡。
人類感知：表面粗糙度可以被視為不光滑的表面質量，因此它與人類（觸覺）對錶面紋理的感知有關。從數學的角度來看，它與表面的空間變異結構有關，本質上是一種多尺度特性。根據所考慮的學科，它有不同的解釋和定義。
表現：特徵的大小和配置對加工表面的質量和功能以及最終產品的性能有重大影響。因此，請測量表面粗糙度以滿足最終產品的高性能標準。必鬚根據所需的表面質量和性能來管理粗糙度水平。

表面粗糙度可以通過與“表面粗糙度比較器”進行手動比較或通過輪廓儀進行表面輪廓測量來測量。表面粗糙度測量的 ISO 標準是 60° 或 90° 圓錐形測針，其球形尖端半徑為 2μm。

適當的表面特徵分析可識別材料中可能存在的缺陷，如果按照足夠高的標準執行這些缺陷，則可以區分可用產品和將被丟棄的產品，並可能影響項目關鍵因素，例如成本和材料使用作為成品操作員的安全。

表面粗糙度是尺寸測量的一個重要方面。以下是測量表面粗糙度的一些行業標準和方法：

表面粗糙度比較器：可以使用已知表面粗糙度的樣本進行手動比較。
輪廓儀：可以使用輪廓儀進行表面輪廓測量，輪廓儀可以是接觸式（通常是金剛石觸針）或光學式（例如：白光干涉儀或激光掃描共聚焦顯微鏡）。
國際標準化組織標準：輪廓粗糙度參數包含在 BS EN ISO 4287:2000 英國標準中，與 ISO 4287:1997 標準相同。區域粗糙度參數在 ISO 25178 系列中定義。
A2LA 認可的表面粗糙度測量：Dimensional Measurement, Inc. (DMI) 為零件提供經 A2LA 認證的表面粗糙度測量、校準（二維表面分析）。
平均粗糙度（Ra）：Ra 測量表面與平均高度的偏差。它通常以微米 (µm) 或微英寸 (µ-in, µ") 為單位進行測量。
面粗糙度參數：這些參數給出比輪廓粗糙度參數更重要的值。

請注意，沒有適用於原子力顯微鏡 (AFM) 的標準。

改進製造工藝

表面粗糙度測量在製造過程中很重要，因為它們可以幫助提高零件和產品的質量。以下是表面粗糙度測量可用於改進製造工藝的一些方法：

質量控制：測量表面粗糙度對於加工工件的質量控制至關重要。製造應用中的表面必須保持在所需的粗糙度範圍內，以確保零件的最佳質量。
性能預測：表面粗糙度是機械零件性能的極好預測指標，因為表面的不規則性會產生斷裂或腐蝕的成核點。在摩擦學中，粗糙表面比光滑表面磨損更快，摩擦係數更大。
附著力提升：在某些應用中可能需要粗糙度以促進對裝飾性飾面塗層的粘附，例如電鍍、粉末塗層或油漆。
污染預防：高純度製造要求加工設備內的表面光滑，以避免污染或在設備內堆積。
統一程序：工程師和製造商必須始終保持表面粗糙度，以幫助生產統一的程序和值得信賴的產品。
符合行業標準：表面粗糙度測量可用於確定設備是否符合各種行業標準。

表面粗糙度測量的局限性

表面粗糙度測量技術有一些局限性：

缺乏標準化：一些表面粗糙度測量方法的主要局限是缺乏標準化的評估方法。這會使比較使用不同技術獲得的結果變得困難。
精度有限：真實的表面幾何結構非常複雜，有限數量的參數無法提供完整的描述。如果增加使用的參數數量，可以獲得更準確的描述。然而，由於實際限制，這並不總是可行的。
過濾：為了獲得表面特徵，幾乎所有的測量都要經過過濾。它是表面粗糙度測量中最重要的步驟之一。但是，過濾也會在測量數據中引入誤差和失真。
限定範圍：一些測量技術的測量範圍有限。例如，有的方法只適用於測量小尺度的粗糙度，有的只適用於測量大尺度的粗糙度。
對波長的依賴：測量的粗糙度參數取決於短波長和長波長的限制。這些考慮不僅是測量技術的結果，也是被測表面物理特性的結果。
對技術的依賴：不同的技術用於評估表面粗糙度的納米級、原子級和微米級特徵。每種技術都有其自身的局限性，適用於測量特定類型的表面。

儘管有這些限制，表面粗糙度測量仍然是各個行業確保產品質量和性能的重要工具。

結論性的想法和考慮

當我結束這篇關於表面粗糙度測量的文章時，我不禁對尺寸測量的複雜性感到困惑。想想用於測量表面粗糙度的各種方法和技術，以及紋理上的微小變化如何對產品的功能產生重大影響，真是令人著迷。

但真正讓我印象深刻的是表面粗糙度測量在改進製造工藝方面的潛力。通過準確測量表面粗糙度，製造商可以確定需要改進的地方並進行調整以優化生產。這不僅會帶來更高質量的產品，而且從長遠來看還可以減少浪費並節省資金。

然而，重要的是要考慮製造過程之外的表面粗糙度測量的影響。表面粗糙度還會影響從航空航天到醫療設備等各個行業的產品性能。通過了解表面粗糙度對這些行業的影響，我們可以繼續開發新的創新方法來測量和改善表面紋理。

總之，表面粗糙度測量是一個引人入勝且複雜的話題，具有深遠的影響。隨著技術的不斷進步，我很高興看到我們如何應用這些測量來改進我們的製造工藝並提高我們產品的性能。因此，下次您拿起產品時，請花點時間欣賞測量其表面粗糙度時的精確度和對細節的關注。

了解計量測量單位

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鏈接和參考

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