長度計量第七章 表面粗糙度的測量

第七章

表面粗糙度的測量

一．表面形貌誤差的概念與形成1．表面形貌誤差分類：

實際加工表面通常包含如下三種表面形貌誤差：表面粗糙度：波距λ小于1mm，大體呈周期性變化，屬于微觀幾何形狀誤差；表面波度：波距λp在1~10mm，呈周期性變化，屬于中間幾何形狀誤差；形狀誤差：波距大于10mm，無明顯周期性變化，屬于宏觀幾何狀誤差。2．表面粗糙度：是一種微觀幾何形狀誤差又稱微觀不平度。3．表面粗糙度的產(chǎn)生原因：在加工過程中，刀具和零件表面間產(chǎn)生磨擦、高頻振動及切削時在工作表面上留下的微觀痕跡。二．表面粗糙度的影響表面粗糙度對機器零件的使用性能有著重要的影響，主要表現(xiàn)在：

1．對摩擦和磨損的影響

2．對配合性的影響

3．對接觸剛度的影響

4．對疲勞強度的影響

5．對抗腐蝕性的影響

6．對結合密封性的影響此外表面粗糙度還影響檢驗零件時的測量不確定度、零件外形的美觀等等。三．表面形貌測量的特點與范圍特點：通常為量程小、測量分辨率高（nm）、表面粗糙度測量的范圍

現(xiàn)在表面分析技術已遠走出機器零件，如:微電子工業(yè)：硅片、磁盤表面、光盤、光學元件、窗片材料科學：表面形貌分析、材料微裂紋生物工程：細胞生物、芯片、遺傳學科學研究：納米技術、物理、化學、生物等基礎科學等

§7－1

表面粗糙度的評定參數(shù)

主要內(nèi)容：

1、主要術語及定義取樣長度L

評定長度L

輪廓中線m2、6個評定參數(shù)

3個基本、3個附加

3、一般規(guī)定重點：

3個基本評定參數(shù)一．主要術語及定義1．實際輪廓：平面與實際表面相交所得的輪廓線。按照相截方向的不同，它又可分為橫向實際輪廓和縱向實際輪廓。在評定或測量表面粗糙度時，除非特別指明，通常均指橫向實際輪廓，即與加工紋理方向垂直的截面上的輪廓。橫向實際輪廓圖實際輪廓圖2．取樣長度l：用于判別和測量表面粗糙度時所規(guī)定的一段基準線長度。量取方向：它在輪廓總的走向上。目的：限制和削弱表面波度對表面粗糙度測量結果的影響。

(幾何濾波)選擇原則：

5個以上的微觀峰谷常用的取樣長度見表7-1。3．評定長度L：

評定輪廓所必須的一段長度，它包括一個或數(shù)個取樣長度。目的：為充分合理地反映某一表面的粗糙度特征。（加工表面有著不同程度的不均勻性）。選擇原則：一般按五個取樣長度來確定。4．輪廓中線m：是評定表面粗糙度數(shù)值的基準線。具有幾何輪廓形狀與被測表面幾何形狀一致，并將被測輪廓加以劃分的線。類型有：（1）最小二乘中線：使輪廓上各點的輪廓偏轉距y（在測量方向上輪廓上的點至基準線的距離）的平方和為最小的基準線。（２）算術平均中線：

在取樣長度范圍內(nèi)，劃分實際輪廓為上、下兩部分，且使上下兩部分面積相等的線。輪廓的算術平均中線

二、評定參數(shù)及數(shù)值：對評定參數(shù)的基本要求：（1）正確、充分反映表面微觀幾何形狀特征；（2）具有定量的結果；（3）測量方便。國標從水平和高度兩方向各規(guī)定了三個評定參數(shù)：三個基本參數(shù)（水平），三個附加的評定參數(shù)（高度）

表面粗糙度的高度參數(shù)1、輪廓算術平均偏差Ra

在取樣長度L內(nèi)，輪廓偏轉距絕對值的算術平均值。用公式表示為：

2．微觀不平度十點高度

在取樣長度內(nèi)五個最大的輪廓峰高的平均值與五個最大的輪廓谷深的平均值之和。用公式表示為：3．輪廓最大高度

在取樣長度內(nèi)，輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離表面粗糙度的水平參數(shù)表面粗糙度的三個水平參數(shù)：輪廓微觀不平度的平均間距Sm

輪廓單峰平均間距S

輪廓支承長度率tp4．輪廓微觀不平度的平均間距Sm含有一個輪廓峰和相鄰輪廓谷的一段中線長度Sm，稱為輪廓微觀不平度間距。5．輪廓單峰平均間距S兩相鄰輪廓單峰的最高點在中線上的投影長度S，稱為輪廓單峰的間距。

S=

6．輪廓支承長度率tp一根平行于中線且與輪廓峰頂線相距為C的線與輪廓峰相截所得到的各段截線bi之和，稱為輪廓支承長度p

p＝輪廓支承長度率

輪廓支承長度p與取樣長度之比，就是輪廓支承長度率。

tp=(p/L)×100℅

三、一般規(guī)定1．為保證零件的表面質(zhì)量，可按功能需要規(guī)定表面粗糙度。2．在規(guī)定表面粗糙度要求時，必須給出粗糙度參數(shù)值和測定時的取樣長度值兩項基本要求，必須時也可規(guī)定表面紋理、加工方法順序和不同區(qū)域的粗糙度等附加要求。3．測量方向：表面粗糙度各參數(shù)的值是指在垂直于基準表面（具有幾何表面的形狀，它的方位和實際表面走向一致）的各截面上測得。對給定的表面，如截面方向與高度參數(shù)最大值的方向一致，則可不規(guī)定測量方向，否則應在圖樣上表示截面方向。4．表面缺陷：評定過程中，不應把表面缺陷（如溝槽、氣孔、劃傷等）包含進去。必要時，應單獨規(guī)定表面缺陷要求。5．測量部位：為了完整地反映零件表面的實際狀況，需要在其若干具有代表性的位置上進行測量，一般可采取在均勻分布的三個以上的位置上取其平均值作為最終結果。四、表而粗糙度測量方法綜述對加工表面質(zhì)量的評定，除了用視覺和觸覺進行定性地比較檢驗的方法以外，并逐步實現(xiàn)了用數(shù)值確定表面粗糙度參數(shù)值的定量測量。從本世紀30年代陸續(xù)提出了測量粗糙度的方法原理和儀器以來，已發(fā)展了一系列利用光學、機械、電氣原理的表面粗糙度專用測量儀器，其基本結構模式如下圖所示。粗糙度測量方法主要是以不同類型的傳感器所反映的測量原理來分類的。下表列出了各類轉換形式的傳感器。運算裝置包括信號放大器、濾波器和各種型式的計算處理(如信號變換、模數(shù)轉換、時控、數(shù)字計算等)裝置。輸出設備包括指針式電量表、記錄器、光電輸出器、電傳打字機、磁帶輸出器、Tv顯示屏、繪圖儀等。其中，傳感器是基本組成部分，在取得表面測量信號以后，亦可用人工進行計算處理給出結果?！?—2

表面粗糙度的測量方法

主要內(nèi)容：

1、光切法量表面粗糙度

2、干涉顯微鏡測量表面粗糙度

3、觸針法測量表面粗糙度

電感輪廓儀激光干涉式輪廓儀壓電式輪廓儀重點：光切顯微鏡的原理和定度任務：表面粗糙度的測量測量對象和被測量問題1：工件特點？（大小、輕重、材料）問題2：測哪里的粗糙度？（內(nèi)、外表面；平面、柱面、球面、齒面、牙型面）問題3：測量有什么特點？問題4：與長度、角度測量有何不同？測量單位和標準量長度單位-um表面粗糙度樣板光波波長電壓、電流標準測量方法測量方案設計測量方法測量儀器接觸形式、定位測量精度方法精度儀器精度影響因素改善精度的措施—、表面粗糙度的測量方法概述

表面粗糙度反映的是機械零件表面的微觀幾何形狀誤差，對表面粗糙度的測量方法很多，主要方法見下表。

對表面粗糙度的評價主要分為定性和定量兩種評定方法。

定性評定是將待測表面和已知表面光潔度級別的標準樣板相比較，通過目估或借助于顯微鏡以判別其級別。

定量評定則是通過一定的測量方法和相應的儀器，測出待測表面的不平度數(shù)值。實際工作中，對加工表面粗糙度的評定可歸納為如下四種方式。

１．與表面粗糙度標準樣板比較的方法表面粗糙度樣板：按各種加工方法做成的不同幾何形狀的一套標準表面樣塊，用來與被測的表面相比較。表面粗糙度樣板測量方法：目測法：Ra值2.5-80m的表面；用5～10倍放大鏡比較：Ra值0.32-2.5m的表面；用比較顯微鏡：Ra值0.08-10m的表面。觸覺比較法：被加工表面Ra值0.63-10m。注意點：樣板與被測件的加工方法、材料、形狀都相同。適用范圍：工廠比較常用，尤其是車間檢驗中常用。一般只用于粗糙度評定參數(shù)值較大的情況下，其判斷的準確性很大程度上取決于檢驗人員的經(jīng)驗，當有爭議時可用儀器進行測量。２．在選定截面上直接測量表面微觀不平度數(shù)值的方法

普遍采用、定量測量、嚴格按照定義測、本節(jié)重點。常用的有光切法、干涉法、觸針法等各種測量原理的光學或電學儀器。3．印模法測量表面粗糙度對于大型零件或零件內(nèi)表面等不易直接測量的情況下可用此法。(深孔盲孔凹槽內(nèi)螺紋)印模表面的峰谷值總要比被測表面的峰谷值要小些，因而對此結果需加以修正。其修正系數(shù)值與所用材料等有關，應由實驗來確定。4．間接測量方法

這類方法是利用被測表面的某種特性來間接評定表面粗糙度的數(shù)值。例如：氣動法：是利用流經(jīng)測量頭與被測表面間氣體流量的大小或其所引起的壓力變化來評定表面粗糙度。電容法：是利用測量頭與被測表面間形成的電容量大小來評定表面粗糙度。不能直接測出表面參數(shù)Ra或Rz，而需進行比對定標，且要配備一些和被測表面幾何形狀相適應的測量頭。其他方法：激光散射法、激光散班法、激光全息法等。二、光切法測量表面粗糙度

所謂光切法就是用一狹窄的扁平光束以一定的傾斜角照射到被測表面上，光束在被測表面上發(fā)生反射，將表面微觀不平度用顯微鏡放大成象進行觀測的方法。圖4-5是光切法的測量原理圖。若傾斜角取45°，則得：

h=h’cos45°光切法原理

1．光切法原理：光切顯微鏡光路

2．測量儀器原理及定度（1）原理光切顯微鏡的光路原理下圖所示。用測微目鏡量出a、a’的距離Ｎ，即可求出峰谷間的高度。由于物鏡分辨率及景深的限制，光切法測量范圍一般為：Rz=(80～0.8)m。式h=h’cos45°中有無理數(shù)，計算、使用不便，在儀器設計時采用機械方法加以有理化，其方法如圖所示。光切顯微鏡讀數(shù)h’通過間接方法測得，測微目鏡的千分尺的軸線與可動分劃板上的十字線相交稱45°角。測量時，十字線分別與亮帶的波谷和波峰對準，獲得兩次千分尺讀數(shù)的差值N此時：

h’=NCcos45°

所以有：

h=NC/2V

式中:N—用儀器測微目鏡瞄準峰谷象高度（圖中十字線位置I與II）時兩次讀數(shù)差值；

h—表面粗糙度的某一峰谷高度；

V—所選用物鏡的放大倍數(shù)。雙管顯微鏡

C—儀器的定度值(目鏡千分尺轉動一刻度十字線分劃板移動的距離)雙管顯微鏡（2）定度：在光切顯微鏡上，把確定測微目鏡的鼓輪上每小格所對應的被測峰谷高度值的過程叫作“定度”。(h=NC/2V)

3．測量方法

測量前，選擇相應的物鏡（表4-2）并已知定度值C。然后調(diào)節(jié)顯微鏡使視場呈現(xiàn)清晰的狹縫象及表面象，且至狹縫象的一個邊緣最清晰為止。（1）測量Rz值其測量方法應符合定義。Rz值可按下式計算：

Rz=C

（2）測量Ry值：

Ry=C（4）測量平均間距Sm

Sm=2C

（3）測量單峰平均間距S值

S=C

（5）用光切法測量Ra值因測量與計算都很麻煩，故很少應用。4．儀器的測量誤差和示值相對誤差的檢定（1）測量誤差的主要因素有：瞄準誤差、測微目鏡制造誤差、估讀誤差、定度用標準尺誤差、被測工件定位誤差、儀器使用調(diào)整誤差等。（2）儀器示值誤差的檢定：根據(jù)國家計量檢定規(guī)程，僅檢定其示值相對誤差是否在要求的范圍內(nèi)，測量范圍不同（既物鏡不同），要求不同。（3）儀器示值相對誤差的檢定是用受檢定的光切顯微鏡去實測已知其刻線深度的單刻線樣板（也可用階梯量塊代替），則該儀器示值的相對誤差為:

三、干涉顯微鏡測量表面粗糙度干涉顯微鏡測量原理：聯(lián)合運用干涉原理和顯微放大原理。對測量面垂直高度方向的微觀不平度通過光波干涉法進行放大測量，對表面粗糙度的水平參數(shù)通過顯微放大系統(tǒng)測量。干涉顯微鏡測量范圍：Rz=0.8m～0.025m。干涉顯微鏡

干涉顯微鏡光路

6JA干涉顯微鏡測量光路四、觸針法測量表面粗糙度1．觸針法的測量原理觸針法又稱針描法，它是一種接觸式測量方法，是利用儀器的測針與被測表面相接觸，并使測針沿其表面輕輕劃過以測量表面粗糙度的一種測量法。將一個很尖的觸針（半徑可以做到微米量級的金鋼石針尖）垂直安置在被測表面上作橫向移動，由于工作表面粗糙不平，因而觸針將隨著被測表面輪廓形狀作垂直起伏運動。將這種微小位移通過電路轉換成電信號并加以放大和運算處理，即可得到工件表面粗糙度參數(shù)值；也可通過記錄器描繪出表面輪廓圖形，再進行數(shù)據(jù)處理，進而得出表面粗糙度參數(shù)值。這類儀器垂直方向的分辨率最高可達到幾納米。適宜測量值為5—0.02m范圍內(nèi)的表面粗糙度。電感傳感器原理框圖2．電感輪廓儀電感傳感器的原理框圖。3．激光干涉式輪廓儀激光干涉式輪廓儀中，干涉系統(tǒng)的測量鏡與觸針分別位于杠桿的兩端，其位移量之間為確定的比例關系，因此由測得的測量鏡的位移量可算得觸針的位移量。與電感式輪廓儀相比，激光式輪廓儀具有寬量程和高分辨力的特點。4．壓電式輪廓儀壓電式輪廓儀用具有壓電特性的晶體作為傳感器的換能元件。硅脂是一種粘滯性很強的液體，當觸針隨工件表面快速上下運動時，液體摩擦很大，可認為觸針桿被夾緊在槽片中，壓電晶片因觸針的位移而產(chǎn)生變形，并在晶片表面產(chǎn)生與變形成比例的電荷。當觸針以很慢的速度移動時，硅脂的液體的摩擦很小，允許觸針桿相對槽片打滑，位移不傳給壓電晶片，有濾除低頻信號的功能。壓電式輪廓儀結構緊湊，便于攜帶。便攜式表面粗糙度儀哈量形狀測量儀MarSurfLD120

KonturundRautiefeineinemZug.10mmHub,4nmAufl?sung§7-3

表面粗糙度測量新技術

主要內(nèi)容：1、光學觸針法2、激光法：

激光全息法激光光斑法激光散斑法3．外差干涉式輪廓測量一．光學探針法有許多被測件的表面，如光盤、半導體工藝、化學樣品等是不允許觸針劃傷的；另外有一些質(zhì)地較軟的表面，也不可用觸針式電動輪廓儀測量。因此，非接觸式表面輪廓探測技術受到重視，并得到發(fā)展。所謂光學探針就是采用透鏡聚焦的微小光點取代金鋼石針尖，表面輪廓高度的變化通過檢測焦點誤差來實現(xiàn)。目前采用的有：激光三角法探針、光學臨界角法探針光學觸針法等（a）三角法探針原理圖1．激光三角法探針探測器Ｄ是位置敏感探測器（PSD）或電荷耦合器件（CCD），他的輸出電壓與光斑在探測器上的位置成比例。2．臨界角法探針：是根據(jù)光的全反射原理做成的探針。探頭垂直方向的分辨率1nm，該類型的傳感器可用于工藝過程監(jiān)測、機床上的在線測量。臨界角法探針實際系統(tǒng)圖３．像散法探針4、共焦掃描探法：5、基于光纖的光學針掃描法二、激光全息法激光全息法的基本原理是以激光照射被測表面，利用相干輻射，拍攝被測表面的全息照片—一組表面輪廓的干涉圖形，然后用硅光電池測量黑白條紋的強度分布，測出黑白條紋的反差比，從而評定被測表面的粗糙程度。當激光波長=632.8nm時，其測量范圍是0.05～0.8m。只要測出全息照片上干涉條紋的反差比R便可知道被測表面的粗糙程度。三、激光光斑法：