表面粗糙度解释：Ra、Rq、Rz 等

表面粗糙度参数在工程和制造中都非常重要，因为它们会影响产品的性能和使用寿命。这篇文章将介绍表面粗糙度及其参数，如 Ra 和 Rz。因此，您可以学习如何为您的零件获得正确的表面光洁度。

制造和加工中的表面粗糙度是什么？

表面粗糙度是在制造或加工过程中造成的材料表面的细小不规则。 这些微小的不规则性通常可以在放大镜下看到，是切割、研磨或其他材料去除程序的结果。

这些不规则性会影响耐磨性、摩擦系数和机械性能。表面越光滑，耐磨性越好，摩擦越小。除了机械性能外，表面粗糙度对零件的外观和功能也有很大影响。

表面纹理与表面粗糙度

表面纹理是制造表面的总体地形特征。它包括三个主要组成部分：粗糙度、波纹度和层纹。简单来说，表面粗糙度测量微观的峰和谷，而表面纹理则是对不同尺度上所有表面不规则性的综合测量。

表面粗糙度是表面纹理的组成部分之一，但表面纹理是一个更广泛的术语，还包括可能影响零件功能的其他方面，例如避免磨损、减少摩擦或保持润滑的能力。

表面纹理的组成部分：

粗糙度： 指因机械加工而造成的表面细小、细微的凹凸。

波纹度： 这些是由于机床振动或偏转而导致的表面较大的周期性变化。

位置： 主要表面图案的方向，大多是由切割或研磨造成的。

表面粗糙度参数

这些参数是用来表达表面不平整度的数值。现在我们将逐一介绍它们。

Ra 或算术平均粗糙度

简单来说，Ra 是测量长度的平均粗糙度，即峰和谷的平均值。

要使用连续形式计算 Ra，您需要测量整个采样长度上表面轮廓与平均线的偏差。偏差 z(x) 在采样长度 L 上积分，然后将结果除以 L 以获得平均绝对偏差。

Ra还用于评估航空航天、制造和汽车行业中铸件、支架和外壳部件等不同部件的表面光洁度。

Rz（平均峰谷高度）

与 Ra 不同，Rz 是给定采样长度内 5 个“最高”峰和 5 个“最深”谷的平均值。

为了测量 Rz，请在表面轮廓中找到 5 个最高的峰和 5 个最低的谷。然后计算从每个峰到其最近谷的垂直距离，并取这 10 个值的平均值以得出 Rz。其公式如下：

哪里Pi = 峰高和 Vi = 山谷深度。

Rz 主要用于机器中必须紧密配合才能正常工作的部件，例如轴承接口、密封面和涂层的附着面，这些部件表面过于粗糙可能会影响其功能。此外，Rz 对表面缺陷的敏感度比 Ra 更高。

Rq（均方根粗糙度）

Rq 是轮廓高度与平均线偏差的均方根。

要计算 Rq，请计算与平均线的偏差的平方，然后取这些平方值的平均值，最后取结果的平方根。其公式如下

（Z（x））是沿采样长度任意一点的表面偏差

（ L ）是总采样长度

由于 Rq 为平方值，因此与 Ra 相比，Rq 对峰值和谷值更敏感。此参数用于光学表面和精密轴承，在这些情况下，微小的变化很重要。典型的 Rq 值为超精加工表面的 0.05 μm 至粗加工表面的 50 μm。

Rt

Rt 是粗糙度轮廓的总高度。我们可以通过取样长度上最高峰与最深谷之间的差值来轻松找到它。

Rt = 最高峰 – 最深谷

Rsk（偏度）

Rsk 测量轮廓相对于平均线的不对称性。正 Rsk 表示表面具有较多峰，负 Rsk 表示表面具有较多谷。

Rsk 由高度分布的三阶矩决定，并通过标准差的立方进行归一化。

峰度或 Rku

Rku 测量轮廓相对于平均线的尖锐度。Rku > 3 表示尖锐的尖峰，而 Rku < 3 表示圆形的轮廓。Rku 是通过取高度分布的四次方矩，然后除以标准差的四次方来计算的。其数学公式为：

Ra 与 Rz

Ra 主要测量平均表面粗糙度，因此适用于一般质量控制和美观表面。另一方面，Rz 测量峰谷变化，这对于密封表面和动态应用很重要。对于整个表面评估（0.1-6.3 μm），Ra 更好，而 Rz 仅适用于峰高会影响性能的重要功能表面（10-50 μm）。

如何测量表面粗糙度？

测量表面粗糙度的方法有很多种，例如接触式和非接触式方法。每种方法又包括多种测量表面粗糙度的技术。

联系方式

触针轮廓仪 是工业领域广泛使用的测量表面粗糙度的方法。半径为 2 至 10 μm 的金刚石尖头触针以恒定的力 (0.7-15 mN) 在表面上移动，显示表面轮廓。

该方法的特点是精度非常高（±0.1μm），表面轮廓清晰。但它会损坏精密的表面，并且扫描速度比非接触式方法慢。

非接触式方法

光学轮廓测量 该程序使用白光干涉法或基于激光的系统来测量表面形貌。 它将光束分割到参考镜和样品表面之间。反射光束产生的干涉图样可产生高分辨率的 3D 表面图。这些系统可以测量高达 100,000 点/秒，垂直分辨率低至 0.1 nm。

原子力显微镜 (AFM)： 与光学轮廓测定法不同，这是一种非光学成像方法。它用一根小悬臂扫描样品表面，并给出原子级分辨率。（横向分辨率高达 1 纳米，纵向分辨率高达 0.1 纳米）。但它需要隔振空间，并且只能扫描小区域。

3D 表面测量技术

共焦显微镜： 是一种使用聚焦激光通过针孔逐点扫描表面并绘制 3D 地形图的方法。该系统通过仅检测聚焦光反射来测量表面高度。该方法允许 0.1 nm 的垂直分辨率，适用于陡坡和深层特征。

干涉测量： 干涉仪是一种将光束分配到两个光学镜（一个参考面和一个测试面）之间的装置。 干涉仪 将两束光组合起来形成干涉图案，进而帮助确定表面高度是否存在差异。现代干涉仪能够测量到纳米级的几分之一，并能在短时间内覆盖面积（高达 100 平方毫米），因此非常适合超精密表面。

两种工艺均提供非接触式测量、实时 3D 可视化和自动化数据处理。它们还有助于测量整个表面而不会损坏表面，这对于精密制造中的质量控制非常重要。

用于测量表面粗糙度的标准

SPI 标准

塑料工业协会 (SPI) 制定了一套标准，用于对塑料注塑成型中的表面光洁度进行分类。这些标准对于确认汽车、电子产品和消费品中模制塑料部件的质量非常重要。SPI 模具光洁度分类定义了不同应用所需的表面纹理、粗糙度或光滑度水平，从高光泽光学光洁度到哑光纹理。

年级次级流程完成类型Ra 范围 (μin)应用AA - 1钻石抛光等级#31-2高光泽表面、光学部件、A 级表面AA - 2钻石抛光等级#62-3高光泽饰面、光学部件、 A 级表面AA - 3钻石抛光等级#154-5高光泽饰面、光学部件、 A 级表面BB-1纸抛光600粒度2-3半光泽饰面，消费品BB-2纸抛光400粒度4-5半光泽饰面，消费品BB-3纸抛光320粒度8-10半光泽饰面，消费品CC - 1石材抛光600 Stone10-12哑光饰面、工业部件CC - 2石材抛光400 Stone25-28哑光饰面、工业部件CC - 3石材抛光320 Stone38-42哑光饰面、工业部件DD - 1爆破#11 玻璃珠10-12纹理饰面、抓握表面DD - 2爆破#240 氧化铝25-28纹理饰面、抓握表面DD - 3爆破#24 氧化铝38-42纹理饰面、抓握表面

国际标准

国际表面粗糙度标准有三个 ISO 测量和规范框架：

ISO 1302：

ISO 1302

定义技术图纸的图形符号和符号表示方法，并概述如何使用 R 轮廓（粗糙度）、W 轮廓（波纹度）和 P 轮廓（主要）参数表示表面纹理要求。这些符号是竖线 (|)、平行线 (//) 和垂直线 (⊥)。

ISO 4287

ISO 4287

定义了基本轮廓参数及其计算。该标准定义了Ra、Rz、Rq等常用参数及其测量条件和评估方法。

ISO 25178

ISO 25178

推出了首个标准化的 3D 表面纹理分析系统。它定义了面积参数、测量技术（接触式和非接触式）以及校准程序。该标准是向前迈出的一大步，它超越了 2D 轮廓测量，转向 3D 表面表征。

ISO 16610

ISO 16610

定义一种标准化方法来过滤表面纹理数据，以将表面的粗糙度（短波长特征）与波纹度（长波长特征）分开。这种分离允许根据其功能需求分析和解释表面纹理。

其他表面粗糙度标准

除了上述表面粗糙度标准外，还有其他几个全球标准为表面粗糙度的测量和规范提供了指导：

ASME B46.1 是美国的主要标准，特别是在国防工业领域。该标准定义了表面纹理参数、测量方法和过滤技术。最新版本（ASME B46.1-2019)涵盖了几十个表面参数。

VDI 3400 （德国）： 该标准概述了 45 个粗糙度等级（0-45），并指定了特定的 Ra 值。每个等级定义了不同工业应用的表面特性，从超光滑光学元件到纹理握持表面。

JIS B 0601 （日本）： 日本工业标准 JIS B 0601 定义了表面粗糙度的术语和分类系统。它为包括轮廓测量法在内的粗糙度测量方法提供指导，并指定了表面纹理符号。

影响表面粗糙度的因素

制造过程中，表面粗糙度受多种因素影响。让我们来看看这些决定最终表面质量的关键因素。

材料特性

材料硬度和微观结构等材料特性会影响可实现的表面光洁度。在相同的加工条件下，较硬的材料（>50 HRC）通常会产生更精细的表面。除了硬度之外，材料晶粒大小和微观结构也会影响表面质量。细晶粒材料的表面通常比粗晶粒材料更光滑，因为较小的晶粒边界允许在加工过程中更稳定地去除材料。

制造过程

表面粗糙度受制造工艺的影响，并且每个工艺都会以不同的方式影响表面纹理。

谈到

In 转折点, 旋转工件由切削刀具成形。切削速度、进给率、刀具几何形状和材料特性都会影响表面粗糙度。切削速度越高，刀具痕迹越少，表面光洁度越高。另一方面，进给率越低，切削越精细，表面越光滑。车削可达到的典型粗糙度值在 1.6 µm 到 12.5 µm 之间，光洁度越高。

磨

磨 使用旋转刀具从固定工件上去除材料。加工过程中的表面粗糙度受进给率、速度和刀具几何形状的影响。进给率越高，粗糙度就越高，但速度越低、刀具设计越好，表面粗糙度就越好，粗糙度值为 3.2 µm 至 12.5 µm。

钻探

钻探 由于连续切削，通常会产生较粗糙的表面。其表面粗糙度值在 3.2 µm 至 12.5 µm 之间，但可以使用正确的工具和技术来改善。

研磨

研磨

是一种研磨工艺，可产生更精细的表面，Ra 值范围为 0.1 µm 至 1.0 µm，具体取决于砂粒大小和材料。与此相反， 抛光 使用更细的磨料来产生 Ra 值低于 0.1 µm 的超光滑表面。

增材制造

In 添加剂制造 (3D印刷)，粗糙度受层厚度和打印速度的影响，其值为 3 µm 至 25 µm，可通过后处理进行改进。由于 AM 是逐层沉积，因此除非进行额外的精加工操作，否则表面纹理将呈现阶梯状或分层状。

刀具几何形状和状况

刀具几何形状也会极大地影响表面光洁度。它包括切削刃半径（0.2-2.0 毫米）、前角（-5° 至 +15°）和后角（5°-15°），这些都会直接影响表面粗糙度。例如，较小的切削刃半径将产生更精细的表面，而较好的前角和后角将降低切削力。

刀具上的先进涂层，如 TiN（氮化钛）、TiAlN（氮化铝）和 DLC（类金刚石碳）涂层，可以进一步改善表面光洁度质量和刀具性能。这些涂层可减少刀具磨损和摩擦。但随着刀具磨损的加剧，其切削性能会下降。例如，后刀面磨损会增加切削力，从而产生更粗糙的表面光洁度。

工艺参数

切削速度、进给率和切削深度是影响表面光洁度的参数。较高的切削速度（高于 50 m/min）将通过减少积屑瘤来改善表面光洁度。在所有这些参数中，进给率的影响最大，因为较低的进给率（低于 0.1 mm/rev）将产生更精细、更光滑的表面。切削深度对表面光洁度的影响较小，但低于 1 mm 的深度将产生更好的光洁度，因为切削力会降低。

表面处理在不同行业中的重要性

每个行业对其表面特性都有不同的要求，以满足功能和性能要求。

汽车行业

汽车零部件中的发动机气缸（Ra 0.1-0.4 μm）和变速箱齿轮（Ra 0.4-1.6 μm）需要精确的表面处理才能润滑和平稳运行。这些规格直接影响车辆的性能和耐用性。

航空航天工业

机翼、机身部分和发动机部件等零件的表面不规则性可能会引发微裂纹，从而缩短疲劳寿命。因此，光滑的表面光洁度对于减少裂纹形成和提高这些高应力部件的耐用性和安全性至关重要。

医疗器械

对于医疗植入物，表面光洁度对于生物相容性和骨与植入物的结合至关重要。光滑但略带纹理的表面有利于细胞更好地附着和生长。带有抛光表面的手术刀和镊子等手术工具也能降低感染风险。

电子和半导体

半导体晶圆需要超光滑表面 (Ra <0.01 μm) 来制造器件，而 PCB 铜线也需要特定的粗糙度 (Ra 0.3-0.8 μm) 来粘附焊料。抛光表面可确保更好的产量和性能。

光学工业

光学透镜、镜子和其他部件的表面光洁度（Ra <0.1 μm）对于光传输和图像清晰度至关重要。表面粗糙的镜子或透镜会扭曲光路并影响系统精度、对准和性能。

机械零件制造

精密机械部件也需要特殊的表面光洁度。轴承表面需要 Ra 0.1-0.4 μm 的表面粗糙度才能平稳运行，齿轮表面需要 Ra 0.8-1.6 μm 的表面粗糙度才能实现最佳齿啮合，滑动表面需要 Ra 0.4-0.8 μm 的表面粗糙度才能减少摩擦和磨损。

表面粗糙度的检查和测试规程

有效检测表面粗糙度需要明确的测量和取样规程。适当的取样方法对于确保测量的代表性和质量控制至关重要。

抽样方法

采用随机或系统抽样方法来确保表面粗糙度测量代表完整的生产批次。

这些测量应在表面处理对性能影响最大的区域进行，例如旋转机械的接触面、轴承和关键密封件。建议在这些区域进行至少三到五次测量，以提高统计可靠性。

数据分析

表面粗糙度数据分析用途 统计过程控制 统计过程控制 (SPC) 技术（如 X-bar 和 R 图）用于监控趋势并检测表面光洁度的变化。控制限值通常设置为平均值的 ±3σ，以注意与标准生产的任何偏差。

对于临界表面，Cp 和 Cpk (能力指数) 用于检查工艺稳定性。高于 1.33 的任何值都意味着工艺能够持续满足规格。此方法可以捕捉传统分析中大多数时候会忽略的细节，因此您可以对工艺进行更精确的调整。

表面粗糙度符号

表面光洁度符号是技术图纸上的图形表示，用于指定零件的表面纹理或粗糙度需求。ISO 1302 标准化了表面纹理符号，其含义如下：

∇（基本符号）表示表面纹理要求

=（平行线）表示加工方向与平面平行

⊥（垂直）表示加工痕迹垂直于平面

X（交叉）用于交叉加工模式

M（Multi-directional）表示多方向图案

C（圆形）表示同心加工标记

R（径向）用于径向图案加工

例如：Ra 3.2 ⊥ 表示表面需要 3.2 μm 粗糙度，且加工痕迹垂直于参考平面。

表面粗糙度对比表

如何控制和改善表面粗糙度

流程优化

表面光洁度需要控制多个加工参数来改善粗糙度。进给率对粗糙度的影响最大（精细光洁度为 0.1-0.2 毫米/齿），其次是切削速度（大多数材料为 75-95 米/分钟，不会导致刀具过度磨损）。切削深度也应控制在 0.5 至 1.5 毫米之间，以保证稳定性。

现代 CNC 系统具有自适应控制算法，可将这些参数保持在最佳范围内。并且通过传感器的实时监控可以进一步自动调整参数，以实现目标表面光洁度。

表面处理技术

先进的精加工技术对于获得超光滑表面和精确控制粗糙度至关重要。它包括研磨、珩磨和超精加工。

精研 是使用浆料中的磨料颗粒以获得高度平坦表面的过程。通过系统性地去除薄层并减少不规则性，使表面更加光滑。

蜂蜜 使用磨石来改善表面光洁度和几何精度。它通过去除少量材料来控制粗糙度，确保表面均匀一致，并尽量减少刀痕。

超精加工 使用非常精细的磨料在低压下使 Ra 低于 0.1 µm。它减少了表面不规则性并降低了粗糙度，以达到近镜面效果。

润滑剂和冷却剂

润滑剂和冷却剂用于减少摩擦、散热和冲走碎屑。油性润滑剂的主要作用是在刀具和工件之间形成一层，以减少切削刀具的磨损。

而水溶性冷却液则有助于控制温度。在切割过程中，它们可防止工件和工具过热，并冲走碎屑和切屑。使用润滑剂和冷却液肯定会延长工具寿命，减少毛刺、刀痕和表面不规则。

如何决定正确的完成方式？

您应该在彻底分析功能需求和制造能力后选择表面光洁度。首先，确定重要参数，例如工作条件（温度和化学暴露）、机械性能（耐磨性、摩擦系数）和美观要求。将这些要求与可实现的 Ra 值相匹配，例如精密轴承（0.1-0.4 μm）、密封表面（0.4-1.6 μm）或装饰性光洁度（0.8-3.2 μm）。

成本影响和制造限制不容忽视。每种精加工方法都有其功能，例如磨削可以达到 Ra 0.1-1.6 μm，而铣削可以达到 Ra 0.8-3.2 μm。还要注意材料特性，因为较硬的材料可能需要不同的加工参数。您还可以通过原型测试和符合行业标准（ISO、ASME 或特定应用要求）来验证您的选择。

总结一下

表面粗糙度参数为制造质量控制提供了重要的指导方针。了解 Ra、Rz 和其他参数将帮助您以高精度指定和测量表面光洁度要求。如今，测量技术和标准为所有行业（从航空航天零件到植入物）提供了统一的表面质量。