零件表面越光滑越好?未必!表面粗糙度是一把双刃剑!

发布时间: 10月27日 浏览次数:200

△ 图源:BLUM-focus on productivity

 

当新工程师第一次听到表面粗糙度增加导体损耗时,他们犯的一个常见错误是,你能看到金属表面有波纹条带问题,或者齿轮、轴承掩人耳目的光滑表面让你看不出什么问题,但我们都知道,最重要的是你看不见的微观表面。

 

粗糙度的确是一把双刃剑,金属与基体的界面越粗糙,附着力越好,但衰减越大。制造中许多零部件必须设计特定的表征,有的相对粗糙,有的接近绝对光滑,这些是为啥子呢?本文为你梳理了有关表面粗糙度及测量工作的重要关键信息,都是干货,拒绝躺平,记得收藏!

 

表面粗糙度,指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。由于肉眼很难看到其两波峰或两波谷之间的距离,因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度的大小,极大程度上影响机械零件的使用性能。

 

△ 骨科植入零件必须保证其表面的光洁度 图源:Alicona

 

当零件被加工时,粒子会被加工分离,在零件上留下一个划痕,这是一个微小的凹槽。当工具穿过零件时,这些凹槽的形成会产生表面光洁度。在每个凹槽内,结构由材料与固体材料分离的方式决定。如果工具被完美地设置和引导,那么粒子将具有相同的大小和深度,该部分将形成一个平面。如果不是这样,那么组件将形成一个起伏的表面。如下图:

 

△ 图源:ISO finishing

 

具体指微小峰谷Z高低程度和间距S状况。一般按S分:

 

S<1mm 为表面粗糙度;

1≤S≤10mm为波纹度;

S>10mm为 f 形状。

 

国家标准规定常用三个指标来评定表面粗糙度(单位为μm):

 

轮廓的平均算术偏差Ra

不平度平均高度Rz

最大高度Ry

 

 

表面在实际生产中多用Ra指标。轮廓的最大微观高度偏差Ry在日本等国常用Rmax符号来表示,欧美常用VDI指标。下面为VDI3400、Ra、Rmax对照表。

 

 

表面粗糙度=表面光洁度?

 

表面光洁度是表面粗糙度的过去称法,但绝不对等,其性质也不同。表面光洁度是按人的视觉观点提出来的,而表面粗糙度是按表面微观几何形状的实际提出来的。粗糙度有测量的计算公式,而光洁度只能用样板规对照。表面粗糙度越小,则表面越光滑,作为零部件表征的光洁度好,所以说粗糙度比光洁度更科学严谨。

 

△ 图源:TAYLOR HOBSON

 

为什么表面粗糙度在制造中如此重要?

 

在外人看来这是个矛盾的问题,在内行看来这是个严肃的问题。表面粗糙度是表面纹理的本质,在决定物体如何与其环境相互作用方面起着重要作用。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,对机械零件的使用寿命、可靠性、稳定性有重要影响。

 

在摩擦学中,粗糙的表面通常磨损得更快,并且可能比光滑的表面具有更高的摩擦系数。如果表面过于光滑,磨损的金属颗粒、润滑油被挤出和分子吸附的分数函数会加速磨损。对于某些应用,可能需要粗糙度以促进装饰面漆涂层的附着力,例如喷漆、粉末涂层或电镀。有些零件可能需要简单地去除毛刺,才能进入下一阶段的生产。其他零件如果是成品,可能需要完全抛光。

 

△ 5G印刷电路板铜箔表面粗糙度

 

△ 有机车辆光栅齿粗糙度的测量

 

是什么因素导致了表面粗糙度?

 

表面粗糙度通常是由于刀具与工件表面的摩擦、金属在表层塑性变形时的切屑分离以及加工系统中的高频振动引起的,如:

 

切削工具的进给痕迹;

由于制造过程中产生的振动而在工件上产生的颤振痕迹;

金属切削过程中由于工件材料断裂而产生的表面不平整现象;

在切削力作用下,工件变形引起的表面变化;

机床本身的不规则之处,如导轨不平直等。

 

另外,由于加工方法和工件材料的不同,加工表面留下的痕迹、密度、形状和结构都有差异。

 

△ 表面粗糙度 图源: 美信检测

 

表面粗糙度测量要遵循什么原则?

 

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着重要的影响。因此,精确控制表面粗糙度对于制造商和工程师为每个产品生产一致且可靠的生产流程至关重要。需要了解一下关键评估规则:

 

加工技术的进步和先进测量仪器的引进使人们能够对表面粗糙度的各个方面进行评估;

在需要精密表面工程的情况下,表面测量可能是维持制造控制的关键要素,通过监控过程以确保其符合特定规格;

表面不规则性是通过对表面特征的高度/深度和间隔进行分类来衡量它们的凹凸性。然后,根据预先确定的方法对结果进行分析,并以工业量化为基础进行计算;

表面粗糙度的好坏取决于不平整度的大小和形状以及产品的使用情况;

粗糙度的高低必须根据表面的质量和性能进行管理;

工作所需的表面处理取决于产品应用、材料和零件所需的表面处理类型。

 

表面粗糙度测量应用于哪些行业?

 

表面粗糙度测量主要应用于航空航天、汽车、材料、金属制品等领域,如:

 

半成品表面、非机加工表面的粗加工,如轴面、倒角、钻床、齿轮和滑轮面、键槽底面、垫片接触面、机加工表面、机柜、机架、覆盖面、套筒表面等;

精密机床主轴锥孔,发动机曲轴,高精度齿轮齿面;

高精度测量仪、量块加工表面、光学仪器金属反射镜等。

 

△ 表面粗糙度校准块。广泛应用于袖珍粗糙度测试仪、便携式粗糙度测试仪、手持式粗糙度测试仪和台式机粗糙度测试仪。根据粗糙度标定块上的值打印,校准其读数精度。图源:凯达 Kairda

 

表面粗糙度测量的两种方法

 

粗糙度及起伏波动的表面不规则性、凹痕、平行沟槽以及其他一些表面特征被统称为“表面结构”。由这些表面特征所转换的测量值被称为表面结构参数。表面结构参数的测量大致分为轮廓法和区域法两种。

 

1、轮廓法(线粗糙度测量):

 

表面轮廓通常使用触针式测量仪器进行测量。ISO和其他一些国际标准均适用于这种测量方法。由于通过机械式触针追踪表面进行直接测量,轮廓法的测量数据具有可靠性。在可预见的将来,轮廓法可能仍是经常使用的测量技术;

 

该方法的缺点在于触针可能会损坏被测表面,因此不适用于软质材料。另外,由于测量表面根据单一截面的纹理信息进行评估,数据未必能够体现出整个表面区域的不规则特征。

 

△ 手持式表面粗糙度测试器由一个手写笔组成,该笔被机械地绘制在表面上,记录一个跨越预定样本长度的表面粗糙度的“图像”  图源:Elcomneter / MarSurf

 

2、区域法:

 

区域法需要使用基于光学观测的非接触式测量仪器。大多数非接触式三维测量仪器均可在不损坏测量表面的情况下对软质材料进行测量;

 

可获得丰富区域信息的三维表面结构数据并可建立表面功能要求(如耐磨性、固体间粘附性和润滑剂保持能力)与表面参数之间的关联。

 

△ 微透镜盘

 

△ 共焦显微镜创建的同一微透镜盘的地形三维分析。这是通过叠加二维图像来实现的,每个图像的聚焦深度都很小,同时以极小的增量降低光学,导致高度分辨率下降到10纳米以下。图源:Kruss

 

触针式测量仪

 

触针式测量仪器又叫表面粗糙度仪、表面光洁度仪、表面粗糙度检测仪、粗糙度测量仪、粗糙度计、粗糙度测试仪等多种名称,它具有测量精度高、测量范围宽、操作简便、便于携带、工作稳定等特点。

 

传感器由仪器内的精密驱动机构驱动,装置沿被测表面滑动直线,传感器用内置的尖锐接触针测量。可以广泛应用于各种金属与非金属的加工表面如平面、表面、内孔、槽等零件的表面粗糙度。适用于检测站、实验室、计量室表面粗糙度的测试。

 

△ 图源:Kairda

 

激光显微镜测量设备

 

随着纳米技术的发展和对电子器件性能的要求越来越高,电子设备的尺寸越来越小,测量元件和工业产品的表面特征以及对结果数据的质量管理也越来越多。传统的手写笔、粗糙度计和其他通过与被测表面的机械接触来获取高度信息的仪器,能够广泛地测量表面的高度/特征以及表面的表面状况。

 

然而,软样品(如薄膜)和表面特征的增加导致了对非接触式测量技术的需求,从线性测量到无损/精确面积测量。为了满足这些要求,用于区域测量法的激光显微镜(CLSM)被开发成能够在一定环境条件下提供精确、非接触的三维测量样品表面特征的仪器。

 

△ 激光测量设备 图源:OLYMPUS

 

激光显微镜结合了传统光学显微镜、激光扫描显微镜(LSM)以及探针扫描显微镜(SPM)功能的一体机。三种模式之间自由切换,轻松实现从毫米到纳米的观察和测量。激光显微镜的数据处理能力是其所拥有的突出优势。激光共聚焦扫描显微镜的宽广测量范围及精密和低噪特性能够确保获得满足表面结构分析基本要求的测量结果,工作职责如下:

 

样品表面放大观察、拍照;

样品表面轮廓、粗糙度、角度等尺寸测量;

输出样品表面3D模型;

用于薄膜表面形貌分析。

 

激光显微镜适用于材料学、半导体材料、石油地质及生物食品等物质的亚微结构观察和分析。可对材料表面进行体积测量,粗糙度测量,3D表面形貌;微米和亚微米级部件的尺寸测量,表面形貌观察;半导体芯片表面形貌观察,非接触型的线宽,台阶深度摩擦学磨痕的体积测量等测量研究。荧光功能测量可以检测材料的缺陷和性能。

 

△ IM-8000 超高精细2000万像素CMOS传感器,实现清晰鲜明的分辨率。以往难以观测的细微边缘也能够切实地捕捉到,从而进行准确的测量。  图源:基恩士 

 

光学轮廓仪

 

光学轮廓仪是一款用于对各种精密器件表面进行亚纳米级测量的检测仪器。它是以白光干涉技术为原理、结合精密Z向扫描模块、3D 建模算法等对器件表面进行非接触式扫描并建立表面3D图像,通过系统软件对器件表面3D图像进行数据处理与分析,并获取反映器件表面质量的2D、3D参数,从而实现器件表面形貌的3D测量的光学检测仪器。

 

光学轮廓仪是测量表面粗糙度的精密测量选择。通过一次扫描,获得一个三维表面轮廓,并提供丰富的参数来指定表面特性。光学轮廓仪常用于:

 

机械加工和工装工业的研磨抛光;

在半导体晶圆加工;

3C行业的盖板;

光学元器件;

超精密加工以及各高等院校实验室。

 

在下组图中,是FILMETRICS公司的Profile3D光学检测仪正在测量金属零件的表面轮廓,它经过4道次抛光。

 

△ 图1表示已应用于每一对应侧的抛光道次的数目,其中最粗糙的表面光洁度只有1道次,最光滑的道次只有4道次。每一边都是在Profile3D®在4倍变焦设置下用10倍的目标来评估表面粗糙度。

 

△ 图2显示了来自每一侧的四个扫描;很明显,随着每一个抛光通道,表面变得更加平滑。采用Sa、Sq等综合粗糙度参数,对粗糙度的变化进行数值分析。绘制表面粗糙度与抛光道次的关系(图)。

 

△ 3)研究了表面粗糙度随抛光量的增加而减小的规律。表面粗糙度随表面处理次数的增加而减小。从这些数据也可以清楚地看出,第四次抛光道次只增加了轻微的改善。

 

上海国际去毛刺&表面精加工技术展览会

2021.12.22-24

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