表面粗糙度：定义、参数与测量方法

表面粗糙度是指表面高度的小尺度变化。即使是肉眼看来平滑的表面，也含有微观的峰谷。这些不规则性是由加工、研磨、抛光、涂层、积层制造、成形或蚀刻等制造制程所造成。

在表面纹理分析中，粗糙度通常会与波浪度及形状等长波长表面成分区分开来。这种区分至关重要，因为每个成分描述了表面不同的特征：

因此，表面粗糙度不仅仅是一种视觉印象。它是一种可量化的特性，必须通过明确的参数、滤波器及标准来进行评估。若想进一步了解波纹度与形状，您也可以参阅「表面结构」页面。

表面粗糙度会影响零件在使用中的表现。视应用情境而定，表面可能需要非常光滑、刻意呈现纹理，或控制在狭窄的公差范围内。

典型的功能影响包括：

正因如此，表面粗糙度测量被广泛应用于质量控制、研究与开发、制程优化以及失效分析。

表面粗糙度主要有两种评估方式：作为二维轮廓或作为三维表面积。下表提供快速概览：

面积表面粗糙度是针对整个表面区域进行评估。此过程会生成被测表面的三维高度图，并可据此计算出 Sa、Sq 和 Sz 等面积参数。

面积测量能提供关于完整表面结构的更多信息，包括局部缺陷、各向异性、纹理方向、峰值、谷值以及功能性表面特征。

面式表面粗糙度分析仪的一大优势在于，若需要时亦可提供轮廓参数。由于表面区域的原始数据已被撷取并储存，因此无论是在测量过程中或数天之后，皆可随时提取各种轮廓数据。

ISO 25178 定义了面状表面纹理参数，而 ISO 21920 则是用于轮廓粗糙度测量的现代标准系列。ISO 指出，ISO 25178-2 规定了面状表面纹理的术语、定义及参数。PTB 将 ISO 21920 描述为经修订的、针对轮廓粗糙度测量的三部分标准系列，用以取代较旧的标准，例如 ISO 4287、ISO 4288 以及 ISO 13565 的部分内容。

Ra：算术平均粗糙度

Ra 是最广泛使用的粗糙度参数之一。它描述了在评估长度范围内，相对于平均线的绝对高度偏差的算术平均值。

Ra 适用于一般粗糙度的控制，但无法显示表面是否含有孤立峰、深谷或方向性结构。两个表面可能具有相同的 Ra 值，但功能表现却大不相同。

Rz：粗糙度深度

Rz 描述沿轮廓线的峰谷相关粗糙度信息。它常被用于技术图纸和制造规范中。与 Ra 相比，Rz 对明显的峰值和谷值更为敏感。

由于标准随时间演变，务必确认规格中援引的是哪种 Rz 定义及哪项标准。

Sa：表面算术平均高度

Sa 是 Ra 的面积对应指标。Sa 并非评估单一线段，而是根据完整的 3D 表面面积计算得出。这使其在表面无法透过单一轮廓可靠呈现时特别有用。

Sa 特别适用于具有方向性纹理、局部缺陷、结构化特征或不均匀粗糙度的表面。

Sq：面积均方根高度

Sq 是表面的均方根高度。相较于 Sa，Sq 对高峰与深谷赋予更大的权重。因此，当极端的高度偏差在功能上具有相关性时，此指标便显得相当有用。

ISO 21920 之所以变得重要，是因为它将轮廓粗糙度测量现代化，并取代了数项较旧的轮廓相关标准。然而，许多现有的图纸仍引用 ISO 4287 或 ISO 4288。因此，在评估粗糙度时，使用者应查阅图纸或规格书中的确切标准参考。

针对 3D 面积测量，ISO 25178 是关键的标准系列。该标准定义了面积表面纹理的术语与参数，并广泛应用于光学 3D 表面测量。