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製造における表面粗さ
はじめに
表面粗さは、表面上の微視的なばらつきを表す重要な製造上の考慮事項である。このような欠陥は、一般的にマイクロメートル（µm）またはマイクロインチ（µin）で測定され、機械加工、鋳造、積層造形、摩耗、化学反応によって生じます。わずかなばらつきが、個々の部品の性能、外観、寿命に劇的な影響を与えることがあります。そのため、表面粗さの制御と測定は、自動車や航空宇宙、医療機器、電子機器などのさまざまな産業で不可欠です。
表面粗さとは？
表面粗さとは、山、谷、起伏などの微細な表面形状のことです。表面粗さは、波長の長い凹凸の状態である表面うねりや、計画された形状からの逸脱である形状誤差と混同してはならない。
表面粗さの原因は、基本的に製造工程にある：
- 機械加工：切削工具の使用により微細な溝ができる。粗さは工具の切れ味と送り速度に依存する。例えば、CNCフライス加工されたアルミニウムの航空宇宙部品では、良質の工具を使用すれば0.2μmのRaが達成可能であり、1.6μm以上のRaの粗い切削では達成できない。
- 鋳造：表面の質感は凝固速度と金型材料の関数です。アルミダイカスト部品のRaは一般的に1～3 µmです。
- 積層造形：後処理不要の選択的レーザー溶融（SLM）ステンレス鋼は、最大10 µmのRa値を達成する能力がある。
表面粗さの測定には、接触式と非接触式の方法があり、品質管理と性能検証の両方に重要な情報を提供します。
なぜ表面粗さが重要なのか？
表面粗さは以下に直接影響します：
- 機能性能：表面の凹凸は摩擦や摩耗を発生させます。例えば、自動車のピストンリングでは、Ra値が0.8 µmを超えると摩擦が増加し、エンジン効率が最大2～3%低下します。逆に、良好な仕上げ面（Ra～0.2～0.4μm）は潤滑保持力を高め、部品の寿命を延ばす。
- 美的品質：プレミアム価格の家電製品では、滑らかで高級感のある外観のために、Raが0.1μm以下の仕上げ面が要求されます。
- 強度：表面粗さは応力集中の原因となり、疲労亀裂の発生を引き起こす可能性があります。航空宇宙用途のタービンブレードでは、表面粗さをRa≤0.5 µmに維持することで、繰り返し荷重条件下で疲労寿命が15%以上向上することが分かっています。
表面粗さの測定方法
接触法
1.プロフィロメーター：先端がダイヤモンドのスタイラスで表面を走査し、偏差を記録する。非常に精度の高いプロフィロメーターは、0.01μmからRa値を測定することができ、精密な半導体部品や金属部品に適している。
2.接触式ゲージ：接触型ゲージは、成形されたプラスチック部品がRa < 1 µmという仕様に適合しているかどうかを確認するなど、日常的な品質管理テストに迅速な測定値を提供します。
非接触方式
1.光学プロフィロメトリー：干渉計や共焦点顕微鏡を使って非接触で表面を測定する。薄膜コーティングや医療用インプラントのような柔らかい素材やデリケートな素材に最適。
2.レーザースキャン：曲面でのRaの均一性が重要な航空宇宙パネルに最適。
表面粗さ測定への影響
正確な測定は、いくつかの影響に左右されます：
- 表面材質：延性のある金属は触れると変形し、測定結果に歪みが生じます。アルミニウム、チタン、ステンレススチールでは、スタイラスに明確な力が必要です。
- 測定環境：温度、振動、照明レベルの変化により、測定値に誤差が生じることがあります。精密ラボでは、熱膨張の影響を排除するため、20±1℃で測定を行います。
- 機器の校正：プロフィロメーターと光学式スキャナーは、再現性を確保するために、多くの場合、測定セッションごとに、公認の粗さ標準に対して校正する必要があります。
表面粗さ測定の用途
|
産業別 |
アプリケーション |
代表的なRa値 |
測定事例 |
|
自動車 |
エンジン部品、シール、ブレーキパッド |
0.2-1.0 µm |
CNCフライス加工されたアルミニウム製ピストンは、最適な潤滑保持のためにRa～0.3 µmを達成 |
|
航空宇宙 |
タービンブレード、機体パネル |
0.1-0.5 µm |
Ra≤0.5µmに仕上げられたチタン製タービンブレードは、疲労寿命を約15%改善 |
|
医療機器 |
インプラント、手術器具 |
0.05-0.3 µm |
組織の付着を最小限に抑える研磨ステンレス鋼手術用メス |
|
電子機器 |
PCBコンタクト、コネクター |
0.01-0.1 µm |
Ra < 0.05 µmの金メッキ接点は、電気抵抗と磨耗を低減 |
詳しくは、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
よくある質問
表面粗さの標準的な測定単位は何ですか？
マイクロメートル（μm）またはマイクロインチ（μin）です。
なぜ表面粗さが製造において重要なのですか？
性能、耐久性、外観に影響し、部品が設計および機能仕様の範囲内であることを保証します。
製造後に表面粗さを向上させることはできますか？
はい、必要に応じて研削、研磨、ラッピング、またはコーティングで仕上げます。
RaとRzの違いは何ですか？
Raは平均粗さ測定値で、Rzはサンプリング長に沿った平均ピーク・ツー・バレーの高さで、補完的なデータです。
機器はいつ校正する必要がありますか？
校正は、使用前または必要に応じて、精度を保証するために認証された粗さ標準を用いて行います。
Chin Trento
