Ra กับ Rz ต่างกันอย่างไร: ตัวเลขเดียวกัน แต่คนละผิวงาน

Ra กับ Rz ไม่ใช่คำถามว่าตัวไหนแม่นยำกว่าหรือตัวไหนสะดวกกว่า — สองพารามิเตอร์นี้มองคนละสิ่ง ผิวงานหนึ่งจึงผ่านเกณฑ์ตัวหนึ่งได้สบาย ขณะที่ตกอีกตัวแบบเสียหายหนัก ชิ้นงานสองชิ้นอาจมีค่า Ra เท่ากัน ออกมาจากเครื่องคนละเครื่อง แล้วมีเพียงชิ้นเดียวที่ซีลได้จริง ถ้าแบบของคุณเขียนไว้แค่ "Ra 1.6" แล้วจบ เท่ากับคุณยังไม่ได้ระบุผิวงาน คุณระบุแค่ค่าเฉลี่ยหนึ่งค่าเท่านั้น

เรื่องนี้กระทบเชิงการค้า ไม่ใช่แค่เชิงเทคนิค surface roughness คือหนึ่งในสาเหตุอันดับต้น ๆ ที่งานกลึงและงานหล่อโดนตีกลับตอน incoming inspection และข้อถกเถียงเกือบทุกครั้งก็วนอยู่กับคำถามเดิม คือใช้พารามิเตอร์ตัวไหน วัดด้วยวิธีใด และวัดบนความยาวเท่าไร

Ra กับ Rz ต่างกันอย่างไร: แต่ละตัววัดอะไรกันแน่

Ra คือค่าเฉลี่ยเลขคณิตของค่าเบี่ยงเบนสัมบูรณ์ของโปรไฟล์เทียบกับเส้นกึ่งกลาง ตลอดช่วง evaluation length มันคือค่าเฉลี่ย ยอดและร่องทุกจุดมีน้ำหนักตามสัดส่วนพื้นที่ของตัวเอง รอยขีดลึกเพียงรอยเดียวบนผิวที่เรียบดีตลอดทั้งชิ้นจึงแทบไม่ขยับตัวเลขนี้เลย

Rz คือพารามิเตอร์แบบ peak-to-valley: ค่าเฉลี่ยของความสูงจากยอดถึงร่องที่มากที่สุดในแต่ละช่วงของ five sampling lengths ที่ต่อเนื่องกัน มันถูกกำหนดด้วยค่าสุดขั้ว รอยขีดลึกรอยเดียวที่ตกอยู่ใน sampling length ช่วงใดช่วงหนึ่ง เปลี่ยนค่า Rz ทันที

ความต่างของ สิ่งที่แต่ละตัวมองเห็น คือประเด็นทั้งหมดของเรื่องนี้

Ra เท่ากัน แต่เป็นชิ้นงานคนละแบบ

ลองนึกถึงโปรไฟล์สองเส้นที่วัดจากเพลาสองอัน ระบุไว้ที่ Ra 1.3 µm เหมือนกันทั้งคู่

เส้นแรกเป็นผิวเจียรที่สม่ำเสมอ เนื้อผิวค่อนข้างเป็นคาบ ยอดกับร่องมีขนาดใกล้เคียงกัน ค่า Rz ตกอยู่ราว 4 µm อัตราส่วน Rz ต่อ Ra จึงใกล้ 3

เส้นที่สองเรียบกว่าเส้นแรกตลอดความยาวส่วนใหญ่ แต่มีรอยขีดโดดเดี่ยวอยู่ไม่กี่รอย ลึกราว 12 µm เกิดจากเศษกลึงที่ถูกลากไปกับผิวตอนงาน finishing เมื่อเฉลี่ยตลอด evaluation length ร่องไม่กี่ร่องนั้นแทบไม่มีน้ำหนัก Ra จึงยังอ่านได้ราว 1.3 µm ขณะที่ Rz อ่านได้ราว 12 µm คิดเป็นอัตราส่วนเกือบ 10

ชิ้นงานทั้งสองผ่านโน้ตในแบบที่เขียนว่า "Ra 1.3 µm max" ได้เหมือนกัน แต่พอใส่โอริงลงไปทั้งคู่ จะมีแค่ชิ้นแรกที่ซีลอยู่ รอยขีดบนชิ้นที่สองพาดขวางแนวซีลพอดีและเปิดทางให้ของไหลเล็ดลอดออกไป นี่คือเหตุผลที่หน้าซีล ชิ้นส่วนไฮดรอลิก และผิวที่วิกฤตต่อความล้า ถูกระบุด้วย Rz — หรือระบุทั้งสองตัว — แทนที่จะใช้ Ra เพียงลำพัง มันคือปัญหาตระกูลเดียวกับ การสะสมของพิกัดความเผื่อ ที่ชิ้นส่วนแต่ละชิ้นวัดแล้วอยู่ในสเปกทั้งหมด แต่พอประกอบเข้าด้วยกันกลับใช้งานไม่ได้

ทำไมจึงไม่มีตัวคูณแปลงค่า

คุณจะเห็นคนอ้าง Rz ≈ 4 × Ra เป็นกฎคร่าว ๆ บางทีก็ Rz ≈ 7 × Ra ทั้งสองอย่างเป็นข้อสังเกตจากกระบวนการผลิต เฉพาะแบบ ไม่ใช่สูตรแปลงค่า และเป็นสมมติฐานที่เพลาอันที่สองข้างบนหักล้างทิ้งพอดี

อัตราส่วนนี้ขึ้นอยู่กับว่าผิวงานนั้นถูกทำขึ้นมาอย่างไร

ตารางแปลงค่ากู้คืนข้อมูลที่ Ra ทิ้งไปแล้วไม่ได้ ถ้าแบบของผู้ซื้อเรียก Rz ก็ต้องวัด Rz การเอาค่า Ra ที่วัดได้ไปแปลงแล้วรายงานผล คือการกล่าวอ้างที่ test report ของคุณรองรับไม่ได้ และเป็นเรื่องประเภทที่มักโผล่มาตอน supplier audit มากกว่าตอนผลิต

cutoff ที่ไม่มีใครระบุ

นี่คือส่วนที่เปลี่ยนข้อถกเถียงเรื่องสเปกให้กลายเป็นอีเมลตอบกลับไปมาสองสัปดาห์: ผิวงานทางกายภาพชิ้นเดียวกัน ให้ค่า Ra ต่างกันได้ ขึ้นอยู่กับ filter cutoff ที่ใช้วัด

โปรไฟล์ที่วัดได้มีทั้งความขรุขระ (คลื่นสั้น) และความเป็นลอน (คลื่นยาว) ปนอยู่ด้วยกัน ตัวกรองที่เรียกว่า profile cutoff λc ทำหน้าที่แยกสองอย่างนี้ออกจากกัน ถ้าเลือก cutoff ยาวขึ้น ความเป็นลอนจะถูกนับเป็นความขรุขระมากขึ้น ค่า Ra ก็สูงขึ้นตาม กฎเรื่อง sampling length มาตรฐานผูก λc ไว้กับช่วงความขรุขระที่คาดไว้ — λc 0.8 mm คือค่าเริ่มต้นที่ใช้กันทั่วไปสำหรับช่วงกลาง — แต่คำว่า "ใช้กันทั่วไป" ในประโยคนี้แบกน้ำหนักไว้เยอะมาก

ดังนั้น callout ที่ครบถ้วนต้องมีอย่างน้อย

1. พารามิเตอร์ — Ra, Rz หรือทั้งคู่ พร้อมค่าจำกัดของแต่ละตัว
2. ค่าจำกัดและทิศทางของมัน — ค่าสูงสุด หรือคู่ค่าสูงสุด/ต่ำสุด
3. ค่า cutoff λc และ evaluation length หากไม่ใช่ค่าเริ่มต้นของช่วงนั้น
4. ทิศทางลาย (lay) — ทิศของลวดลายผิวหลัก เพราะความขรุขระต้องวัดตั้งฉากกับลาย ถ้าลากหัววัดไปตามลายจะได้ตัวเลขต่ำกว่ามาก
5. ผิวที่ข้อกำหนดนี้ใช้บังคับ — หน้าเฉพาะจุด ไม่ใช่ทั้งชิ้น

ขาดข้อใดข้อหนึ่งไป แล็บสองแห่งที่ซื่อสัตย์ทั้งคู่ก็วัดชิ้นเดียวกันแล้วได้ผลต่างกันสองเท่าได้

อะไรเปลี่ยนไปในปี 2021

ในเดือน December 2021 ชุดมาตรฐาน ISO 21920 เข้ามาแทนที่ ISO 4287, ISO 4288, ISO 1302 และบางส่วนของ ISO 13565 อย่างเป็นทางการ สำหรับ surface texture แบบโปรไฟล์ ถ้าเทมเพลตแบบของคุณยังอ้าง ISO 1302 สำหรับสัญลักษณ์ finish อยู่ แปลว่ากำลังอ้างเอกสารที่ถูกยกเลิกไปแล้ว

ผลกระทบในทางปฏิบัติมีสองข้อ

• ตอนนี้ Ra ถูกคำนวณครั้งเดียวตลอดทั้ง evaluation length ขณะที่ Rz ยังคงเป็นค่าเฉลี่ยจากห้าช่วง sampling เหมือนเดิม ภายใต้นิยามเก่า ลำดับการคำนวณต่างออกไป ชิ้นงานเก่าที่เอามาวัดใหม่จึงรายงานค่า Ra ต่างจากเดิมเล็กน้อยได้ ทั้งที่ตัวชิ้นงานไม่ได้เปลี่ยนอะไรเลย และบนโปรไฟล์ที่มีความคลาดเคลื่อนของรูปทรงปนอยู่ ส่วนต่างนั้นก็ไม่ได้เล็กเสมอไป
• การแสดงผลบนแบบเปลี่ยนไป สัญลักษณ์เดิมยังปรากฏบนแบบเก่าและยังอ่านรู้เรื่อง แต่แบบใหม่ควรทำตาม ISO 21920-1

ยังมีอีกระบบหนึ่งที่ต้องแยกให้ออก แบบจากอเมริกาเหนือมักอ้าง ASME B46.1 ซึ่งนิยามชุดพารามิเตอร์ของตัวเอง และในอดีตก็ต่างจาก ISO ตรงวิธีหาค่า Rz ส่วนแบบเยอรมันรุ่นเก่าอาจเขียนว่า "Rz DIN" ซึ่งก็ไม่เหมือน Rz ของ ISO เช่นกัน เมื่อแบบเขียนว่า Rz แต่ไม่บอกว่าอยู่ใต้มาตรฐานไหน ให้ถามก่อนเสนอราคา — เป็นกฎเดียวกับที่ใช้กับ พิกัดความเผื่อของขนาดสินค้า โดยรวม

เขียน callout อย่างไรให้ผ่านการตรวจรับ

สเปก finish ที่รอดจาก incoming inspection หน้าตาประมาณนี้

หน้าซีล A: Rz 6.3 µm max, Ra 1.6 µm max, λc 0.8 mm, ลายตั้งฉากกับแกน, ตาม ISO 21920-1

ลองเทียบกับคำว่า "Ra 1.6" ที่ลอยอยู่ในโน้ตรวม แล้วจะเห็นชัดว่าอันไหนที่ฝ่ายคุณภาพของผู้ซื้อรับได้โดยไม่ต้องโทรถาม

เช็กลิสต์การระบุ surface finish

• ระบุชื่อพารามิเตอร์ชัดเจน (Ra, Rz หรือทั้งคู่) ไม่ใช่แค่ตัวเลขลอย ๆ
• อ้างมาตรฐานและฉบับปี (ISO 21920-1 หรือ ASME B46.1)
• ระบุ cutoff λc เมื่อไม่ได้ใช้ค่าเริ่มต้นของช่วงนั้น
• แสดงทิศทางลายด้วยสัญลักษณ์ที่ถูกต้อง
• callout ผูกกับหน้าเฉพาะจุด ไม่ใช่บังคับทั้งชิ้นโดยปริยาย
• ข้อกำหนดที่ต่างกันของแต่ละหน้า แสดงแยกจากกัน
• ตกลงทิศทางการวัดกันไว้ ถ้ารูปทรงชิ้นงานทำให้ตีความได้หลายทาง
• แปลงค่าเทียบเกรด N (N1–N12) เป็น µm ถ้าแบบเก่ายังใช้ระบบนั้นอยู่

บรรทัด "ผูกกับหน้าเฉพาะจุด" คือจุดที่ spec sheet ส่วนใหญ่พัง โน้ตรวมที่บังคับทั้งชิ้น ถ้าไม่ over-specify ทุกผิวจนต้นทุนบานปลาย ก็ปล่อยให้หน้าที่วิกฤตคลุมเครือจนความเสี่ยงสูงขึ้น ทางแก้เป็นเรื่องเรขาคณิต: callout ของ finish ควรอยู่บนเส้นชี้ที่ชี้ไปยังหน้าจริงบนแบบ พร้อมกับเส้นบอกขนาดที่กำหนดตำแหน่งของหน้านั้น ซึ่งแปลว่าแบบต้องมีเรขาคณิตที่วัดได้จริง ไม่ใช่ภาพประกอบสวย ๆ ซอฟต์แวร์ที่สแนปเส้นบอกขนาดเข้ากับขอบจริงของชิ้นงาน และให้วาง callout ลงบนฟีเจอร์ที่มันกำกับอยู่ จะให้ผลลัพธ์ที่วิศวกรคุณภาพเอาไปใช้ต่อได้ ส่วนภาพที่วาดใหม่หรือให้ระบบสร้างขึ้น ก็ได้แค่รูปชิ้นงานที่มีตัวเลขลอยอยู่ข้าง ๆ หลักการเดียวกันนี้ใช้ตอนคุณระบุ ข้อกำหนดการเคลือบผงและการกันการกัดกร่อน และมันคือสิ่งที่แยก spec sheet ที่ใช้งานได้จริง ออกจากโบรชัวร์

คำถามที่พบบ่อย

Ra กับ Rz ต่างกันอย่างไร

Ra คือค่าเฉลี่ยเลขคณิตของค่าเบี่ยงเบนของโปรไฟล์จากเส้นกึ่งกลาง จึงอธิบายเนื้อผิวโดยรวมและแทบไม่ถูกกระทบจากตำหนิโดดเดี่ยว ส่วน Rz คือค่าเฉลี่ยของความสูงยอด-ร่องที่มากที่สุดห้าค่าตลอด evaluation length จึงถูกกำหนดด้วยร่องที่ลึกที่สุดและยอดที่สูงที่สุด ผิวสองชิ้นที่มี Ra เท่ากันอาจมี Rz ต่างกันมาก และชิ้นที่ Rz สูงกว่าคือชิ้นที่รั่ว

แปลงค่า Rz เป็น Ra อย่างไร

ไม่ต้องแปลง อัตราส่วนระหว่างสองค่านี้ขึ้นอยู่กับลักษณะของผิวงาน ตั้งแต่ราว 3 บนผิวเจียรที่สม่ำเสมอ ไปจนถึงเกิน 10 บนผิวที่มีรอยขีดโดดเดี่ยว กฎคร่าว ๆ อย่าง Rz ≈ 4 × Ra อธิบายกระบวนการเฉพาะแบบ และมันพังพอดีตรงจุดที่ความต่างสำคัญที่สุด ถ้าแบบเรียก Rz ก็วัด Rz

Ra กับ Rz ตัวไหนดีกว่ากัน

ไม่มีตัวไหนดีกว่า มันตอบคนละคำถาม ใช้ Ra เพื่อควบคุมเนื้อผิวโดยรวมและความสม่ำเสมอของการกัดกลึง ใช้ Rz เมื่อร่องลึกเพียงร่องเดียวทำให้งานเสีย เช่น หน้าซีล ผิวที่รับภาระความล้า การยึดเกาะของสารเคลือบ และผิวแบริ่ง ชิ้นงานวิกฤตมักถูกระบุด้วยทั้งสองตัว

ISO 1302 ยังใช้กับสัญลักษณ์ surface finish ได้อยู่ไหม

ไม่ได้แล้ว ชุดมาตรฐาน ISO 21920 เข้ามาแทนที่ ISO 4287, ISO 4288 และ ISO 1302 ตั้งแต่ December 2021 และการแสดงผลบนแบบตอนนี้ใช้ ISO 21920-1 แบบเก่าที่ใช้สัญลักษณ์ตาม ISO 1302 ยังอ่านรู้เรื่องและยังหมุนเวียนอยู่ แต่แบบใหม่ที่อ้าง ISO 1302 คือการอ้างมาตรฐานที่ถูกยกเลิกไปแล้ว

ทำไมแล็บสองแห่งวัดชิ้นเดียวกันแล้วได้ค่า Ra ไม่เท่ากัน

ส่วนใหญ่มาจาก filter cutoff, evaluation length หรือทิศทางการวัด ความขรุขระต้องวัดตั้งฉากกับลาย ถ้าลากหัววัดไปตามลายจะได้ค่าต่ำกว่ามาก และ cutoff λc ที่ยาวขึ้นจะปล่อยให้ความเป็นลอนถูกนับเป็นความขรุขระมากขึ้น ทำให้ Ra สูงขึ้น การระบุพารามิเตอร์ cutoff และทิศทางลายลงบนแบบ ตัดข้อขัดแย้งพวกนี้ออกไปได้เกือบหมด

แหล่งอ้างอิง

• ความต่างระหว่าง ISO 4287 กับ ISO 21920 — นิยามพารามิเตอร์และการเปลี่ยนวิธีคำนวณ
• ISO 21920 roughness — การแทนที่ ISO 4287, 4288, 1302 และบางส่วนของ 13565 ในปี 2021
• Surface roughness — Ra, Rz และพารามิเตอร์โปรไฟล์ที่เกี่ยวข้อง
• ASME B46.1 — Surface Texture (Surface Roughness, Waviness, and Lay)
• ASME B46.1 คืออะไร — ขอบเขตและความสัมพันธ์กับชุดพารามิเตอร์ของ ISO