平整度、平面度、平行度

衡量材料表面平不平的指标有不少,在工程实践中,平整度、平面度、平行度是常见的几何公差指标。
由于名称接近,概念相似,平整度、平面度、平行度,经常出现概念不清、相互混淆的现象。
1.平面度(Flatness)

平面度是指材料表面与理想平面(评定基面)的偏差程度,通常用来描述材料表面的整体平坦性。比如说,一个陶瓷基板的表面是否平,有没有凹凸不平的地方。平面度,可用最大偏差值来表示。

参考GB/T 24630.1-2009,可采用均方根平面度误差(FLTq)来表征平面度指标。FLTq计算步骤如下:

第一步,常用最小二乘法来确定理想平面(评定基面)。

第二步,采集材料表面上所有点与理想平面(评定基面)的垂直距离LFD,如下图所示,a1是某点的正局部平面度偏差值,a2是某点的负局部平面度偏差值。

待测表面与理想平面的垂直距离

第三步,计算均方根平面度误差(FLTq)。FLTq数值越小,说明平面度越好。

上式中,LFD为局部平面度偏差,A为平面度要素的表面积。

在材料测试中,如果表面平面度不佳,可能会影响测试结果的准确性。

2.平整度(Smoothness/Flatness)

平整度是指材料表面的平坦程度,通常用来描述材料表面的最大高度差。该术语在工程中常与“平面度”混用,但更侧重微观粗糙度或局部平整特性,而非整体平面形状。

参考GB/T 6621-2009的平整度的测量方法,采用总指示读数(Total indication reading,TIR)和焦平面偏差(Focal plane deviation,FPD)值表征平整度大小。

第一步,采用最小二乘法确定理想平面(参考面或焦平面);

第二步,采集区域内任一点与理想平面(参考面或焦平面)的厚度差值f(x,y);

第三步,计算TIR和FPD值。TIR和FPD数值越小,平面度越佳。

其实,从上述计算过程可以发现,平整度和平面度的表征指标有一定的程度的相似性。还有时候可能会有不同的行业习惯用法,比如,平面度是国际标准中的术语,而平整度可能是更口语化的说法。

3.平行度(Parallelism)

平行度,是指两个平面之间的平行程度。可用材料上下表面之间的最大间隙距离来表征两个平面之间的平行程度。

平行度可用千分表进行测量。将待测平板固定到平台上,竖直移动待测平板或高度尺规(千分表)进行测量,测量的最高测量值与最低测量值之差就是平行度。

千分表法测量平行度示意图(图源:基恩士)

上图中,a为待测陶瓷基板,b为平台,c (ΔH)是最高测量值与最低测量值之差,即为平板的平行度数值。

4.表面粗糙度(surface roughness)

表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度 [1]。其两波峰或两波谷之间的距离(波距)很小(在1mm以下),它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小,则表面越光滑。通常把波距小于1mm尺寸的形貌特征归结为表面粗糙度,1~10mm尺寸的形貌特征定义为表面波纹度,大于10mm尺寸的形貌特征定义为表面形貌。

我国国家标准有GB/T 131-2006《表面结构的表示法》,规定了表面粗糙度的表示方法,适用于表面粗糙度的标注和图样标注;GB/T 1031-2009《表面结构轮廓法 表面粗糙度参数及其数值》,规定了表面粗糙度的参数及其数值,适用于机械加工表面质量的评定,也可用于制定机械加工工艺规程和设计模具等。

零件被测表面和测量工具测量面的表面粗糙度都会直接影响测量的精度,尤其是在精密测量时。