表面粗糙度测量 👨‍🏭

你有没有想过为什么你的手机屏幕感觉比粗糙的砂纸更光滑？

或者为什么有些汽车油漆看起来像镜面一样，而另一些看起来暗淡且凹凸不平？

答案在于表面粗糙度，这是影响各种产品性能、外观和耐用性的关键因素。

从航空航天部件到医疗植入物，制造商需要准确测量和控制表面粗糙度以确保质量、可靠性和安全性。

在本文中，我将探讨表面粗糙度测量的科学和技术，以及为什么它比您想象的更重要。

所以，系好安全带，准备好进入迷人的表面粗糙度世界吧。

表面粗糙度测量是测量物理表面高度的小尺度变化的过程。它不同于形状和波纹度等较大规模的变化，后者通常是表面几何形状的一部分。

表面粗糙度可以被视为不光滑的表面质量，并且与人类对表面纹理的感知有关。

它是一种多尺度属性，根据所考虑的学科有不同的解释和定义。

表面粗糙度可以通过与“表面粗糙度比较器”进行手动比较来测量，或者使用轮廓仪进行表面轮廓测量。白光干涉仪或激光扫描共聚焦显微镜等光学测量仪器也可以测量一个区域的表面粗糙度。

区域粗糙度参数在 ISO 25178 系列中定义，结果值为 Sa、Sq、Sz（以及其他）。

平均粗糙度 (Ra) 是用于测量表面粗糙度的常用参数，它测量表面与平均高度的偏差。

它通常以微米或微英寸为单位进行测量。

尺寸测量的重要性

出于以下几个原因，表面粗糙度测量在尺寸测量中很重要：

部分之间的相互作用：表面粗糙度通常决定一个零件如何与另一个零件相互作用。例如，如果轴在轴承内旋转，粗糙的表面更容易引起金属与金属的接触，从而导致磨损和腐蚀。
预防性调整：捕获表面粗糙度数据可以分析趋势并有助于进行预防性调整。例如，测量平均粗糙度 (Ra) 可以显示工具何时开始磨损，从而导致其产生不同的表面特性。然后可以使用此信息来决定何时需要更换工具。
摩擦力和附着力：粗糙度在摩擦和粘附等各种过程中起着重要作用，并被广泛测量。
润湿性：粗糙度和润湿性之间的关系是明确的，增加表面粗糙度可以增强由表面化学引起的润湿性。
表面纹理表征：表面粗糙度是表面纹理的量度，它被定义为实际表面与其理想光滑形式的垂直偏差。表面粗糙度不能用单一参数准确表征，因此定义了一组表面粗糙度参数。
定量和定性方法：表面粗糙度测量可以使用定量或定性方法来表征。定性技术包括光学外观，而定量方法涉及测量物理表面高度的小尺度变化。

表面粗糙度测量方法

可以使用不同的方法表征表面粗糙度测量：

直接测量方法：这些方法通过触笔式设备评估表面光洁度。使用沿着待测表面绘制的手写笔获得测量结果，并记录垂直于表面的手写笔运动。然后使用此注册的配置文件来计算粗糙度参数。
光学方法：该方法涉及使用光来测量表面粗糙度。例如，光源用于用数字系统照亮表面以查看表面和数据。
流体方法：流体方法使用流体在表面上的流动来测量粗糙度。例如，液体在表面上的流动可用于确定表面的粗糙度。
电气方法：电气方法使用表面的电气特性来测量粗糙度。例如，表面的电阻可用于确定表面的粗糙度。
扫描探针显微镜方法：这些方法使用扫描探针显微镜来测量表面粗糙度。显微镜扫描被测物体的表面，并记录表面每一点的高度。然后使用此信息来计算粗糙度参数。
几何分析：几何分析涉及使用数学模型来分析表面粗糙度。例如，可以使用参考线、包络法、数字滤波器、分形或其他技术来获得表面特征。
非接触式：非接触法不涉及与被测物体表面的设备部件的实际接触。例如，光学方法、流体方法和电学方法是非接触方法。
电子显微镜方法：电子显微镜方法使用电子显微镜来测量表面粗糙度。显微镜扫描被测物体的表面，并记录表面每一点的高度。然后使用此信息来计算粗糙度参数。

测量技术

根据物理原理采用不同的技术来评估表面粗糙度的纳米级、原子级和微米级特征。剖面、面积和显微镜技术是用于进行表面粗糙度测量的三种主要方法类型。

表面粗糙度可以使用接触方法测量，例如触笔式设备或复制块。以下是一些用于测量表面粗糙度的方法和技术：

手写笔型设备：这是一种直接测量方法，通过使用触笔式仪器跟踪表面来计算平均粗糙度值。该仪器放大其信号以补偿波纹度并仅指示粗糙度。
副本块：这些用于比较测量并包含特定的标准粗糙度图案。
轮廓仪：这是一种接触式测量系统，使用金刚石触针测量表面粗糙度。
面粗糙度参数：这些参数在 ISO 25178 系列中定义，包括 Sa、Sq 和 Sz。
光学方法：光学方法包括白光干涉仪和激光扫描共聚焦显微镜。这些仪器能够测量一个区域的表面粗糙度。

表面粗糙度也可以使用定量或定性方法来表征。定性技术包括光学外观，例如指甲测试。通过采用表面分形测量以及粗糙度或表面形状测量，某些界面现象，包括接触力学、摩擦和电接触电阻，可以更好地解释表面结构。

非接触式方法用于测量表面粗糙度。这里有些例子：

空间光调制器：一种新颖的非接触式表面粗糙度测量方法，它使用迈克尔逊装置结合了不同类型方法的优点。
激光轮廓测量：一种用于测量表面粗糙度的非接触式方法。然而，对于高光泽表面，使用无接触方法准确测量表面粗糙度参数可能具有挑战性。
光学外观：定性技术包括光学外观，例如目视检查，可用于确定表面粗糙度。
去极化效应：一种考虑去极化效应的非接触式方法，可测量亚微米范围内的表面粗糙度。
粗糙表面的相互渗透：一种间接方法，利用粗糙表面的相互渗透效应，可以构建非常简单的测量设备。

请注意，还有基于接触的方法来测量表面粗糙度。

为什么计量学在表面粗糙度测量中很重要

在测量物体的表面粗糙度时，精度是关键。这就是计量学的用武之地。计量学是测量科学，在确保尺寸测量的准确性和一致性方面起着至关重要的作用。

通过使用专门的工具和技术，计量学家可以测量纳米级的表面粗糙度，为制造业、航空航天和生物医学工程等行业提供宝贵的数据。

如果没有计量学，表面粗糙度测量将不可靠且不一致，从而导致产品设计和质量控制中的潜在错误。

因此，下次您看到表面粗糙度测量时，请记住其背后是计量科学，可确保尺寸测量的准确度和精密度。

了解更多信息：

探索计量学、单位、仪器等

单位和标准

用于表示表面粗糙度测量值的单位通常是微米 (µm) 或微英寸 (µ-in, µ")。1 微米大致相当于 40 微英寸。术语“微米”和“微米”是等效的并且两者都很常用。

区域粗糙度参数也在 ISO 25178 系列中定义，结果值如 Sa、Sq 和 Sz。

国家表面光洁度测量系统使用物理参考标准将表面粗糙度测量值校准到定义的长度单位：某些光源的波长。

表面粗糙度测量会对产品的功能产生重大影响。以下是表面粗糙度测量可以影响产品功能的一些方式：

承重面：许多轴承表面需要均匀的粗糙度图案，这有助于保持润滑膜。如果表面太光滑或太粗糙，轴承就会失效。
质量参数：在工程应用中，表面和零件有严格的质量参数。因此，准确测量表面粗糙度至关重要，这样才能符合所需的质量标准。粗糙度通常是不受欢迎的，但在制造中很难控制。降低粗糙度会导致组件的制造成本增加，因此必须在这种成本与其性能应用之间进行权衡。
人类感知：表面粗糙度可以被视为不光滑的表面质量，因此它与人类（触觉）对表面纹理的感知有关。从数学的角度来看，它与表面的空间变异结构有关，本质上是一种多尺度特性。根据所考虑的学科，它有不同的解释和定义。
表现：特征的大小和配置对加工表面的质量和功能以及最终产品的性能有重大影响。因此，请测量表面粗糙度以满足最终产品的高性能标准。必须根据所需的表面质量和性能来管理粗糙度水平。

表面粗糙度可以通过与“表面粗糙度比较器”进行手动比较或通过轮廓仪进行表面轮廓测量来测量。表面粗糙度测量的 ISO 标准是 60° 或 90° 圆锥形测针，其球形尖端半径为 2μm。

适当的表面特征分析可识别材料中可能存在的缺陷，如果按照足够高的标准执行这些缺陷，则可以区分可用产品和将被丢弃的产品，并可能影响项目关键因素，例如成本和材料使用作为成品操作员的安全。

表面粗糙度是尺寸测量的一个重要方面。以下是测量表面粗糙度的一些行业标准和方法：

表面粗糙度比较器：可以使用已知表面粗糙度的样本进行手动比较。
轮廓仪：可以使用轮廓仪进行表面轮廓测量，轮廓仪可以是接触式（通常是金刚石触针）或光学式（例如：白光干涉仪或激光扫描共聚焦显微镜）。
国际标准化组织标准：轮廓粗糙度参数包含在 BS EN ISO 4287:2000 英国标准中，与 ISO 4287:1997 标准相同。区域粗糙度参数在 ISO 25178 系列中定义。
A2LA 认可的表面粗糙度测量：Dimensional Measurement, Inc. (DMI) 为零件提供经 A2LA 认证的表面粗糙度测量、校准（二维表面分析）。
平均粗糙度（Ra）：Ra 测量表面与平均高度的偏差。它通常以微米 (µm) 或微英寸 (µ-in, µ") 为单位进行测量。
面粗糙度参数：这些参数给出比轮廓粗糙度参数更重要的值。

请注意，没有适用于原子力显微镜 (AFM) 的标准。

改进制造工艺

表面粗糙度测量在制造过程中很重要，因为它们可以帮助提高零件和产品的质量。以下是表面粗糙度测量可用于改进制造工艺的一些方法：

质量控制：测量表面粗糙度对于加工工件的质量控制至关重要。制造应用中的表面必须保持在所需的粗糙度范围内，以确保零件的最佳质量。
性能预测：表面粗糙度是机械零件性能的极好预测指标，因为表面的不规则性会产生断裂或腐蚀的成核点。在摩擦学中，粗糙表面比光滑表面磨损更快，摩擦系数更大。
附着力提升：在某些应用中可能需要粗糙度以促进对装饰性饰面涂层的粘附，例如电镀、粉末涂层或油漆。
污染预防：高纯度制造要求加工设备内的表面光滑，以避免污染或在设备内堆积。
统一程序：工程师和制造商必须始终保持表面粗糙度，以帮助生产统一的程序和值得信赖的产品。
符合行业标准：表面粗糙度测量可用于确定设备是否符合各种行业标准。

表面粗糙度测量的局限性

表面粗糙度测量技术有一些局限性：

缺乏标准化：一些表面粗糙度测量方法的主要局限是缺乏标准化的评估方法。这会使比较使用不同技术获得的结果变得困难。
精度有限：真实的表面几何结构非常复杂，有限数量的参数无法提供完整的描述。如果增加使用的参数数量，可以获得更准确的描述。然而，由于实际限制，这并不总是可行的。
过滤：为了获得表面特征，几乎所有的测量都要经过过滤。它是表面粗糙度测量中最重要的步骤之一。但是，过滤也会在测量数据中引入误差和失真。
限定范围：一些测量技术的测量范围有限。例如，有的方法只适用于测量小尺度的粗糙度，有的只适用于测量大尺度的粗糙度。
对波长的依赖：测量的粗糙度参数取决于短波长和长波长的限制。这些考虑不仅是测量技术的结果，也是被测表面物理特性的结果。
对技术的依赖：不同的技术用于评估表面粗糙度的纳米级、原子级和微米级特征。每种技术都有其自身的局限性，适用于测量特定类型的表面。

尽管有这些限制，表面粗糙度测量仍然是各个行业确保产品质量和性能的重要工具。

结论性的想法和考虑

当我结束这篇关于表面粗糙度测量的文章时，我不禁对尺寸测量的复杂性感到困惑。想想用于测量表面粗糙度的各种方法和技术，以及纹理上的微小变化如何对产品的功能产生重大影响，真是令人着迷。

但真正让我印象深刻的是表面粗糙度测量在改进制造工艺方面的潜力。通过准确测量表面粗糙度，制造商可以确定需要改进的地方并进行调整以优化生产。这不仅会带来更高质量的产品，而且从长远来看还可以减少浪费并节省资金。

然而，重要的是要考虑制造过程之外的表面粗糙度测量的影响。表面粗糙度还会影响从航空航天到医疗设备等各个行业的产品性能。通过了解表面粗糙度对这些行业的影响，我们可以继续开发新的创新方法来测量和改善表面纹理。

总之，表面粗糙度测量是一个引人入胜且复杂的话题，具有深远的影响。随着技术的不断进步，我很高兴看到我们如何应用这些测量来改进我们的制造工艺并提高我们产品的性能。因此，下次您拿起产品时，请花点时间欣赏测量其表面粗糙度时的精确度和对细节的关注。

了解计量测量单位

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链接和参考

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