表面粗さおよびRa値 加工リファレンスガイド

表面粗さは、機械加工部品の最も重要な特性の一つです。これは、性能、摩擦、摩耗、シール性、外観、さらには製造コストにも直接影響を及ぼします。.

設計図面で最も頻繁に指定される表面粗さパラメータの一つが、算術平均粗さ（Ra）です。 Raは、平均的な表面粗さを再現性のある標準化された指標として示します。しかし、場合によっては、RaをRzやRpkといった他の粗さ規格と組み合わせて使用する必要があります。この組み合わせは、医療用インプラント、軸受の軸首、シール面などの機能面を扱う際に特に重要です。.

このガイドでは、表面粗さとRa値について詳しく解説します。Ra値の意味、その測定方法、および設計図面において粗さを正しく指定する方法について解説しています。.

表面粗さとは何ですか？

表面粗さは、加工後に表面に残る微細な凹凸を表す。この凹凸は、切削工具の動き、工具の形状、材料特性、および送り速度や切削速度などの加工パラメータによって生じる。表面粗さは、表面質感を記述する要素の一つである。 表面質感には、深さ0.1～100 µmの微細な加工痕である粗さが含まれます。表面質感のその他の構成要素には、うねり、方向、形状誤差などがあり、これらはASME B46.1「表面質感仕様」などの標準化された計量学の枠組みの下で包括的に定義され、規制されています。 ^[1].

表面粗さは、マットとシルバー、あるいは滑らかと光沢といった他の不均一性とは異なり、表面の質感を数値で表した尺度です。 粗さは単に手触りや見た目だけで判断されるものではなく、測定することも可能です。表面粗さは、製造工程で意図的に生み出されることもあれば、さまざまな要因によって生じることもあります。その要因には、材料の物理的特性や切削工具からの振動などが含まれます。表面粗さは、表面計測学の分野で研究されています。.

表面粗さがなぜ重要なのでしょうか？

完璧な表面を実現することは不可能です。しかし、効率的な製造工程を実現するためには、達成すべき「完成度」のレベルが存在します。表面粗さの定量化は、厳格なコスト管理が求められ、かつ短いサイクルタイムで設計された市販製品にとって重要です。 生産工学では、製品群ごとに許容される偏差限界が定められています。表面粗さを測定することは、品質管理に役立ちます。さらに、エンジニアは「セットアップ粗さ」の枠組みを活用して、外観上の仕様を満たすことができます。これにより、製品を異なるグレードに分類し、それぞれに異なる価格を設定することが可能になります。.

表面粗さはどのように測定されるのか？

表面粗さは平均値です。これは、理想的な基準面を基準として、部品の表面に見られる山、谷、および不規則性の偏差を定量化するものです。表面粗さの測定において最もよく用いられる用語は、算術平均粗さ（Ra）です。 しかし、Rz、Rt、Rq、Rmaxなどの他のパラメータも一般的に用いられています。.

R_z 連続する最高値と最低値の平均値です。通常、偏差の大きい上位5つの値についてこの処理を行い、その平均を算出します。R_p 評価長内におけるプロファイルの最高峰と平均線との間の距離として算出された値である。R_v 評価長さ内のプロファイルの最も低い谷と平均線との間の距離として算出された値である。R_マックス 評価区間内で算出される、最高峰と最低谷の間の最大連続偏差である。.

Ra値の算出

Raは、表面の谷部と峰部が基準線から逸脱した量の平均値である。これは次のように表すことができる。;

Ra = (|y₁| + |y₂| + |y₃| + … + |y_n|) / n

どこ y は、各測定点が平均線からどれだけずれているかを表し、 n は測定点の数です。Raは通常、マイクロメートル（µm）で表されます。.

技術者は、Ra値を測定しただけで表面粗さの性質について絶対的な判断を下すことはありません。表面は、Ra値が同じであっても、山と谷のパターンが異なる場合があります。このような表面は、摩耗、摩擦、およびシール用途において、異なる挙動を示すことがあります。.

表面粗さは、接触式または非接触式の方法で測定することができます。.

表面粗さを測定する「接触法」とはどのようなものですか？

表面粗さを推定する一般的な方法は、接触式プロファイル計を使用することです。.

この測定器には、測定面に物理的に接触するダイヤモンドチップ付きのスタイラスが備わっています。スタイラスは測定面上で所定の距離を移動しながら、表面形状を測定します。スタイラスは、山に遭遇すると上方に、谷に遭遇すると下方に移動します。この測定器には、これらの動きを検出して電気信号に変換する検出システムが搭載されています。 この電気信号は処理されて表面プロファイルが生成され、その後、実験室で曲線として解析されます。接触式プロファイル計は、粗さと長波長の表面変動を分離するソフトウェアによって動作します。このソフトウェアは、RaやRzなどのパラメータを計算し、結果を数値で表示します。.

表面 → ダイヤモンドスタイラス → スタイラスの垂直移動 → 電気信号 → プロファイル → フィルタ処理 → 粗さ算出 → Ra/Rz

非接触式表面粗さ測定の手法にはどのようなものがあるか？

この測定手法は、光を用いて微細な表面形状を測定するものです。 物理的なスタイラスが機械的に山や谷をトレースするのとは異なり、非接触方式では表面との光の相互作用を捉え、2次元プロファイルを作成します。この方法は、部品の傷や変形を避けなければならない場合、従来の方法では深い構造に到達できない場合、および接触式スタイラスが繊細なコーティングを損なう場合に、広く利用されています。 光学式非接触システムは、エンジニアが検査しやすいように3D表面マップを生成できます。エンジニアは、特定の山や谷、加工痕、傷がどこにあるかを確認できます。非接触表面測定法には、白色光干渉法（WLI）、共焦点顕微鏡、レーザースキャニング、光学式プロファイル測定法などがあります。.

WLIは光波の干渉を利用して、極めて微小な表面の高さ差を推定し、Lucideonの材料分析レポートでも紹介されているように、物理的な接触を伴わずに高解像度の定量的な表面形状データや詳細な3D高さマップを提供します。 ^[2].

レーザースキャニングでは、集光されたレーザーを部品の表面に照射し、レーザー三角測量などの手法を用いて反射光を測定します。表面の高さによって反射レーザーの位置が変化し、この位置の変化が高さ測定値に変換されます。レーザーを部品の表面全体に走査させることで、表面プロファイルが生成されます。.

適切な表面粗さはどのように選べばよいのでしょうか？

表面仕上げの選定は、可能な限り低い粗さ値を目指すのではなく、部品の機能から始めるべきです。機械加工された表面はそれぞれ異なる目的を果たしているため、部品全体に同じ要件を適用するのではなく、用途に合わせて仕上げを決定する必要があります。.

表面粗さと機能要件の適合

技術者は、使用中の製品の表面粗さ特性に適合させるよう努めます。彼らは、表面仕上げを選択する前に、加工後の部品がどのように使用されるかを判断します。表面仕上げが部品の機能要件を満たさない場合、特に軸受座、摺動面、精密嵌合部、およびシール面などには、より微細な仕上げが施されます。 表面が組立に支障をきたさない場合、製造業者は標準的な機械加工仕上げを施して表面粗さを規定します。表面粗さの値は、機能要件が課されている表面にのみ割り当てられます。.

表面仕上げと製造コストのバランス

より低い表面粗さ値を実現するため、メーカーは追加の機械加工や仕上げ工程を採用しています。これらの工程には、研磨、研削、ホーニング、その他の追加の仕上げ加工が含まれます。こうした追加の製造プロセスや仕上げ方法は、製造コスト全体に影響を及ぼします。したがって、エンジニアは、機能的なメリットがある場合にのみ、より精密な仕上げを施すことが推奨されます。そのような場合、標準的な機械加工を適用すれば十分です。.

表面仕上げの過剰な指定を避ける

適切な表面粗さを選択するためのもう一つの戦略は、部品のすべての面に同じ表面仕上げを指定しないことです。機能しない部分に厳しい仕上げ要件を課すと、加工時間や検査作業が増加します。製造業者は、部品設計の段階で各表面を個別に検討する必要があります。重要な部材にのみ精密な仕上げを限定することで、必要な部品品質を維持しつつ、製造工程を簡素化することができます。.

結論

表面仕上げとは、機械加工された部品に残る微細な山と谷を測定するものです。Ra（平均粗さ）は、プロファイルの高さの算術平均であり、設計図面において最も一般的に指定される項目です。Rzは、サンプリング長にわたる山と谷の高さの平均値であり、深い傷に対してより敏感に反応します。.

表面仕上げの要件は、部品の部位によって異なります。ハウジング、シャフト、シール面、光学部品が、同じRa値となることはほとんどありません。これは、それぞれの表面が異なる役割を果たしているためです。設計段階では、エンジニアは、組み立て、可動、シール、コーティング、検査、および製品品質に影響を与える領域についてのみ、表面粗さを指定します。.

参考

[1] 米国機械学会（ASME）。（2019年）。. B46.1-2019 表面形状（表面粗さ、うねり、および傾斜）. ASME規格。. https://www.asme.org/getmedia/f22128e5-acad-429d-bc75-0ac4bdffdf44/b46-1-2019-11×17-poster.pdf

[2] Lucideon. (発行年不明). 白色光干渉法（WLI）による表面形状の定量測定. ルシデオン社の試験・特性評価。. https://www.lucideon.com/testing-characterisation/particulate-analysis/white-light-interferometry-wli