粗糙度检测 | 衡量零件表面加工精度的重要指标

在工业加工中，在完成了零件可靠性、使用寿命、运动精度等方面的功能设计以后，还须进行加工和装配过程的制造工艺设计，即确定加工方法、加工设备、工艺参数、生产流程及检测手段。其中，精度检测（表面粗糙度检测）是质量保证的特别重要的环节。

什么是表面精度？即零件实际加工的表面轮廓与零件表面理想形状的相符合程度。在零件的各种加工过程中，由于工具（机床、刀具、卡具）与零件的摩擦、振动和变形（切削、磨削、去毛刺、打磨、抛光）等多种工艺因素的影响必将导致完工零件的表面轮廓产生各种频率成分的波纹（粗糙度峰谷）。表面精度包含尺寸精度、形状精度、位置精度和相互关系等内容。一般情况下零件表面的尺寸精度要求越高，其形状和位置精度也就要求愈高，表面粗糙度值愈小。

1、检测指标：表面粗糙度

表面粗糙度(surface roughness)是表面精度重要的测量指标，也是行业常用的专有词汇，有时也与表面精度、表面光洁度、平整度通用。表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的凹凸度 。

零件表面几何形状误差及其组成成份

表面轮廓

高低不平的峰谷

表面粗糙度属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑，精度越高。表面粗糙度值越大表面精度越差。一般标注采用Ra。表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响，具体如下：

• 影响耐磨性
• 影响配合的稳定性
• 影响疲劳强度
• 影响耐腐蚀性
• 影响密封性
• 影响接触刚度
• 影响测量精度
• 对液、气、电流、电阻、反射、辐射等其他影响

图源：基恩士

表面粗糙度一般是由所采用的加工方法和其他因素所形成的，例如加工过程中刀具与零件表面间的摩擦、切屑分离时表面层金属的塑性变形以及工艺系统中的高频振动等。由于加工方法和零件材料的不同，被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别。

粗糙度轮廓仪轴承滚道测量与Ra曲线 图源：中图仪器 

2、检测仪器：表面粗糙度测量仪

粗糙度检测仪可对多种材质的零件表面的粗糙度进行测量，包括平面、斜面、外圆柱面，内孔表面，深槽表面及滚道等，实现了表面粗糙度的多功能精密测量。

粗糙度检测仪根据表面粗糙度测量方法的不同可分为接触式测量仪和非接触式测量仪两大类。在接触式测量仪器中，主要方法有比较法、印模法、触针法等；在非接触测量仪中，常用光切法、实时全息法、散斑法、像散测定法、光外差法、 AFM、光学传感器法等方法。

各国国家标准及国际标准制定的依据，是触针式表面粗糙度测量仪，这是最常用、最方便、最可靠的表面粗糙度测量仪。根据传感器的不同原理，触针式粗糙度仪可分为电感式、压电式、光电式、 激光式和光栅式等，还可以分为有导头式和无导头式。

随着数字化和智能化设计的提升，使得粗糙度检测仪器在测量参数的数量、测量精度、测量方式的灵活性、测量结果输出的直观性等方面有了极大的提高。除了精确测量表面粗糙度外，还可用于测量表面波纹度、表面几何形状，并且使得粗糙细节面完成3D成像，可以做到对零件100%的质量控制而无存在盲区，极大降低了生产成本。

便携式表面光洁度和粗糙度测量仪  图源：AMETEK(Taylor Hobson)

在线投影图像测量仪光学系统对粗糙度的检测高精确景深精度 图源：基恩士

3、应用：表面精加工检测

表面粗糙度测量仪检测的对象包含金属及合金制品、机械零部件、涂料、油漆、涂层、齿轮、紧固件等样品。可应用到先进制造业、航空航天与汽车行业、考古学与古生物学、消费类电子产品、医疗产品、国防与安全、光学器件和精密加工。

各类工件表面粗糙度参考表 图源：上海本杉仪器设备有限公司

比如在先进制造业领域，可专注于对工件的表面特征测量。包含钻孔、铣削和切削刀具的 GD&T 测量、镶嵌件和其他切削刀具的切削刃半径测量。材料的表面粗糙度测量、多孔材料的体积测量、缩痕和接缝线的高分辨率测量、模具形状和粗糙度测量。还可以自动检测和分析孔、迹线、沟槽、台阶高度和隆起等特征。

图源：SENSOFAR METROLOGY

再比如汽车和航空航天市场，有着严格的行业标准，需要到在线光学轮廓仪，可对制造过程进行快速、无损且准确的控制，并可预测各种车辆样品的功能性能。这类先进的粗糙度检测仪可以轻松地对不同发动机零部件的表面轮廓、表面光洁度（粗糙度）和磨损量进行表征。如刹车片、离合器部件、散热孔、恒压变压器、活塞、漩涡叶片的前缘与后缘、轮胎以及其他发动机零部件。

图源：BRUKER

图源：奥林巴斯