かなり奥が深い!これだけは知っておきたい表面粗さパラメータの基礎を簡単に紹介

投稿日:2022年05月23日

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品質管理で表面粗さの解析を任されたけど、何をしたらいいか分からない人も多いと思います。

実は表面粗さはとても奥が深く、すべてを理解している人はほとんどいません。

しかし、良いモノを作り、不良品を出さないためには、表面粗さを解析することがとても重要です。すべてを理解する必要はないので、使う部分だけ理解するようにしましょう。

表面粗さは、正式には表面性状といい、「粗さ」と「うねり」に分けられます。どの波長の表面性状が、部品の性能に影響を与えているかを把握し、粗さとうねりを分けることが重要です。

図面でよく使われるRaやRzはパラメータと呼びます。

パラメータごとに評価できる特徴が異なるので、評価したい特徴が何なのか、それに最適なパラメータが何なのか見極めるのが測定者の腕の見せどころです。

本記事では、表面性状パラメータの基礎について解説します。表面性状のパラメータがどのように計算されるのかを理解して、良いモノづくりに役立てましょう。

なお、表面性状の基礎を知りたい場合には、「【設計者必見】表面粗さの基礎。これを知らないと設計できない。」も併せて参考にしてください。

断面曲線とうねり曲線と粗さ曲線の違い

表面性状のパラメータを計算するときには、以下の3つの曲線から計算すると決まっています。

  • 断面曲線
  • うねり曲線
  • 粗さ曲線

それぞれの曲線について説明していきます。

断面曲線

測定断面曲線

測定機で表面を測定すると、表面の形状が上図のように、さまざまな波長が混ざった形状だということがわかります。

測定して得られた曲線のことを「測定断面曲線」といいます。

測定断面曲線からノイズなどの短い波長を取り除いたものを「断面曲線」といいます。どのくらい短い波長を取り除くかは、カットオフ値λsで決定します。

λs = 2.5 μmであれば、2.5 μm以下の短い波長の形状は無視します。

測定断面曲線から断面曲線を抜き出すと下図のようになります。

断面曲線

うねり曲線

うねり曲線は上図のように、測定断面曲線から短い波長の形状を取り除いたものです。どのくらい短い波長を取り除くかは、カットオフ値λcで決定します。

λc = 0.8 mmであれば、0.8 mmより短い波長の形状は無視されます。

また、うねり曲線から長すぎる波長の形状も取り除くことがあります。その場合の長すぎる波長のカットオフ値はλfで決定します。

つまり、うねり曲線は、λcからλfの間の波長に注目した曲線となります。

粗さ曲線

粗さ曲線は上図のように、断面曲線から長い波長の形状(うねり曲線)を取り除いたものです。うねりはλcより短い波長を無視するのに対し、粗さはλcより長い波長を無視します。

λc = 0.8 mmであれば、0.8 mmより長い波長の形状は無視されます。

断面曲線はλs以下を無視した形状なので、粗さ曲線は、λs以下とλc以上を無視した形状になります。つまり、λsからλcの間の波長に注目した曲線となります。

各曲線の波長

各曲線が含んでいる波長成分は、λs, λc, λfを境に上図のように分けられます。

λs, λc, λfをどのような値にするのかは、表面にどのような機能を持たせたいのかによって変わってきます。しかし、基準が分からないという人は、「JIS B 0633:2001」を参考にしてみましょう。

λcの決定方法

下表は、JIS B 0633:2001 中の表を簡単に表したものです。

Ra μm Rz μm λc mm
(0.006) <Ra≦ 0.02 (0.025) <Rz≦ 0.01 0.08
0.02 <Ra≦ 0.1 0.1 <Rz≦ 0.5 0.25
0.1 <Ra≦ 2 0.5 <Rz≦ 10 0.8
2 <Ra≦ 10 10 <Rz≦ 50 0.25
10 <Ra≦ 80 50 <Rz≦ 200 8

例えば、切削面や研削面は、Raが1 μm前後のことが多いため、λcを0.8 mmに設定するのがおすすめです。

ただし、JISに載っている表はあくまで、参考値です。この値を使用しなければいけないというものではありません。

λsの決定方法

λsはλcが決まると、必然的に決まります。λcとλsの関係は下表の通りです。

λc mm λs μm
~0.8 2.5
2.5 8
8 25

λc/λs≒300の関係がありますが、λsが2.5 μm以下になる場合には、2.5 μmを採用します。それは、表面性状測定機の触針先端半径が2 μmであるため、それ以下の波長は測定できないためです。

表面粗さのパラメータ

断面曲線、粗さ曲線、うねり曲線を見ているだけでは、表面を評価することができません。各曲線から得られる高さデータを使って、定量的に評価する方法がRaやRzなどのパラメータです。

パラメータを求めるには、それぞれ固有の計算式があり、パラメータによって評価できる特徴が違います。

表面性状のパラメータは、非常に多く定義されています。表面に特殊な機能を持たせたい場合には、多くのパラメータの中から適切なパラメータを選ぶ必要があります。

摩耗性、潤滑性、密着性、撥水性、傷の有無など、何を評価したいかによってパラメータを使い分けます。

しかし、加工面でよく使うパラメータは少ないため、まずはよく使うRaとRzの2種類を理解しましょう。

算術平均粗さRa

表面粗さパラメータで、最もよく使うのが算術平均粗さRaです。計算式は以下の通りです。

ここで、Z(x)はx位置での高さを表しています。この式を図で表すと下図のようになります。

水色の面積を求めたのがRaということになります。

Raは平均値なので、キズや突起などの影響を受けず、安定した結果が出るのが特徴です。単純に、数値が大きければ表面が粗いと判断できます。

Raは粗さ曲線から計算されるパラメータで、断面曲線から求めたものをPa、うねり曲線から求めたものをWaと表します。また、3次元的に解析した場合にはSaで表します。

最大高さ粗さRz

Raとともに良く使われているパラメータが、最大高さ粗さRzです。

基準長さの中で、一番高いところを最大山高さZp、一番低いところを最大谷深さZvと呼び、その差が最大高さ粗さRz(=Zp-Zv)です。

図で表すと下図のようになります。

Raでは分からない、キズや突起の有無を確認できるので、品質安定に役立ちます。

Rzも粗さ曲線から計算されるパラメータです。断面曲線やうねり曲線から求めたものはPzやWz、3次元的に解析した場合にはSzで表します。

まとめ

表面の細かい凹凸を表面性状といいます。表面性状には、「断面曲線」「粗さ曲線」「うねり曲線」があり、解析したい波長によって使い分ける必要があります。

3つの曲線の中でもっともよく使うのが粗さ曲線です。粗さ曲線を使って求めるパラメータの中で、よく使われるのがRaとRzです。

使用するパラメータを変えることで、さまざまな表面の特徴を評価できます。

どのパラメータを使って評価するかを決定するには、多くの経験が必要なので、最初のうちはメーカーの意見を参考にしましょう。

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