3步理解表面纹理

2014年5月26日 表面测量中一个常见的问题是“我有表面光洁度规范。我该从哪儿开始呢？”或者“我是表面测量领域的新手。我需要了解什么？”。带着这些问题，本教程将帮助您在表面测量中的“达到高点”（没有双关的意思）。

测量表面

表面由许多“形状”组成。我们把长波长形状称为“波纹度”，把短波长形状称为“粗糙度”。表面的测量包括产生数字来描述这些形状。 一般来说，术语“表面纹理”是指原始轮廓、粗糙度、波纹度和其他表面属性，例如表面特征的方向(也称为表面的“铺设”)。术语“表面光洁度”通常指的是表面的“粗糙度”方面——忽略形状和底层的波纹。当只处理“表面光洁度”时要仔细，因为许多功能性问题也与波纹度有关。

这幅图很漂亮，但是我们怎么做出来呢?

使用3个基本主题来理解表面测量：
  • 拟合
    滤波
    分析
只剩下45秒了，我们最好开始吧……

1. 拟合

处理表面光洁度或表面“纹理”的第一步是去除底层的“形状”。在许多情况下，被测表面相对于测量装置是倾斜的。在其他情况下，表面可能名义上是弯曲的。在任何一种情况下，底层的几何形状都必须被去除。这涉及到几何参考形状，如一条线或一条弧，的“拟合”，然后查看参考几何形状上下的摆动（残差）。 探针获取的原始数据显示在顶部（灰色）轮廓中。叠加在原始数据上的是一条最小二乘线。在这种情况下，最小二乘线用于消除轮廓的倾斜。（线上和线下的）残差组成了蓝色的（原始）轮廓。

注意：有时候会使用一个小型滤波器来去除原始轮廓的噪声。这种滤波器叫做“短波长滤波器”，不过那是另一个话题，改天会讨论。

2. 滤波

一旦几何形状被移除，我们就需要分离波纹度和粗糙度。这是表面测量中非常关键的方面，但它可能是最不被理解的。

对表面轮廓进行滤波，涉及到在原始数据中运行一个“平滑”滤波器。被平滑化的量基于“滤波器截止波长”。“截止波长”是区分粗糙度和波纹度的波长。较短的波长将出现在粗糙度轮廓中，较长的波长将出现在波纹度轮廓中。

ASME和ISO标准推荐使用“高斯”滤波器。高斯滤波器的基础是，对原始轮廓进行高斯加权平均线处理——从而产生波纹度轮廓。粗糙度轮廓是由波纹度轮廓上面和下面的所有峰和谷（残差）组成的。 改变滤波器的截止值（将会改变“平均”和“平滑”的量）会对粗糙度和波纹度的测量产生巨大的影响。选择一个较小的截止值将导致更小的粗糙度值……即使真实的表面可能非常粗糙。滤波器截止值提供了定义“我所称的粗糙度”的方法。

下图展示了具有两个不同的滤波器截断的同一表面。左下角的粗糙度轮廓显示了两倍于右下角轮廓的“平均粗糙度”（Ra）的值。 ASME B46.1-2002和ISO 4288-1996提供了“标准”截止值表（以及选择建议）。OmniSurf的帮助系统也提供了这些信息。

3. 分析

好的，我知道现在已经远超过60秒了。但是还有很多好内容可以讲。

一旦我们把粗糙度轮廓和波纹度轮廓区分出来后，我们就需要用数字来描述它们。毕竟，虽然图片不错，但工程师喜欢数字。最简单的参数是给定轮廓的“总”高度，也就是轮廓的“峰到谷”的高度。对于原始轮廓，总的峰到谷高度被指定为“Pt”。对于波纹度轮廓，总的峰到谷高度为“Wt”，对于粗糙度轮廓，总的峰到谷高度为“Rt”。（第一个字母总是指示轮廓。） 不幸的是，“一分钱一分货”这句老话在这里是正确的。Pt和Rt参数通常非常不稳定，因为它们会受到污垢、振动和表面其他“超出正常统计”的东西的影响。另一方面，波纹度峰到谷最大高度(Wt)要稳定得多，因为它只基于长波和诸如污垢被“消除”后的效果。

关于粗糙度参数，已经提出了数百个参数。这里我们不会全部都讲，因为毕竟我们已经超过60秒了。

最常见的粗糙度参数是平均粗糙度，Ra。许多年前，这个参数被称为“算术平均数”（arithmetic average，AA）或“中心线平均值”（centerline average，CLA）。当今我们把它命名为“Ra”，以便与其他所有参数保持一致。

平均粗糙度（Ra）报告了基于对轮廓上所有点的观察的“表面和中线之间的平均距离”。

例如，如果一个表面有以下高度和深度，它将给出一个Ra值3.33（以高度为单位，如微英寸或微米）： 由于平均粗糙度（Ra）只是到中线的“平均距离”，因此峰和谷被以同样的方式处理。所以若干个轮廓可以有相同的Ra值： 在流行度方面，仅次于Ra的是“平均峰到谷粗糙度”或“十点粗糙度”，用Rz指代。根据您使用的标准，Rz有不同的定义。然而，有两个基本的Rz定义:一个在德国（DIN）标准中使用（在当今的ASME和ISO标准中），另一个在日本（JIS）标准中使用（用于旧的ASME和ISO标准中）。可以说，DIN方法在每个采样长度中使用一个峰和一个谷，而JIS方法在每个采样长度中使用5个峰和5个谷。因此，DIN方法获取的值总是等于或高于JIS方法获取的值。一定要知道你用的是哪一个！ 还有很多要谈的。这就是Digital Metrology提供针对表面纹理规格、测量和分析的现场培训的原因。 联系我们，从现在开始。