长度计量第七章 表面粗糙度的测量

第七章

表面粗糙度的测量

一．表面形貌误差的概念与形成1．表面形貌误差分类：

实际加工表面通常包含如下三种表面形貌误差：表面粗糙度：波距λ小于1mm，大体呈周期性变化，属于微观几何形状误差；表面波度：波距λp在1~10mm，呈周期性变化，属于中间几何形状误差；形状误差：波距大于10mm，无明显周期性变化，属于宏观几何状误差。2．表面粗糙度：是一种微观几何形状误差又称微观不平度。3．表面粗糙度的产生原因：在加工过程中，刀具和零件表面间产生磨擦、高频振动及切削时在工作表面上留下的微观痕迹。二．表面粗糙度的影响表面粗糙度对机器零件的使用性能有着重要的影响，主要表现在：

1．对摩擦和磨损的影响

2．对配合性的影响

3．对接触刚度的影响

4．对疲劳强度的影响

5．对抗腐蚀性的影响

6．对结合密封性的影响此外表面粗糙度还影响检验零件时的测量不确定度、零件外形的美观等等。三．表面形貌测量的特点与范围特点：通常为量程小、测量分辨率高（nm）、表面粗糙度测量的范围

现在表面分析技术已远走出机器零件，如:微电子工业：硅片、磁盘表面、光盘、光学元件、窗片材料科学：表面形貌分析、材料微裂纹生物工程：细胞生物、芯片、遗传学科学研究：纳米技术、物理、化学、生物等基础科学等

§7－1

表面粗糙度的评定参数

主要内容：

1、主要术语及定义取样长度L

评定长度L

轮廓中线m2、6个评定参数

3个基本、3个附加

3、一般规定重点：

3个基本评定参数一．主要术语及定义1．实际轮廓：平面与实际表面相交所得的轮廓线。按照相截方向的不同，它又可分为横向实际轮廓和纵向实际轮廓。在评定或测量表面粗糙度时，除非特别指明，通常均指横向实际轮廓，即与加工纹理方向垂直的截面上的轮廓。横向实际轮廓图实际轮廓图2．取样长度l：用于判别和测量表面粗糙度时所规定的一段基准线长度。量取方向：它在轮廓总的走向上。目的：限制和削弱表面波度对表面粗糙度测量结果的影响。

(几何滤波)选择原则：

5个以上的微观峰谷常用的取样长度见表7-1。3．评定长度L：

评定轮廓所必须的一段长度，它包括一个或数个取样长度。目的：为充分合理地反映某一表面的粗糙度特征。（加工表面有着不同程度的不均匀性）。选择原则：一般按五个取样长度来确定。4．轮廓中线m：是评定表面粗糙度数值的基准线。具有几何轮廓形状与被测表面几何形状一致，并将被测轮廓加以划分的线。类型有：（1）最小二乘中线：使轮廓上各点的轮廓偏转距y（在测量方向上轮廓上的点至基准线的距离）的平方和为最小的基准线。（２）算术平均中线：

在取样长度范围内，划分实际轮廓为上、下两部分，且使上下两部分面积相等的线。轮廓的算术平均中线

二、评定参数及数值：对评定参数的基本要求：（1）正确、充分反映表面微观几何形状特征；（2）具有定量的结果；（3）测量方便。国标从水平和高度两方向各规定了三个评定参数：三个基本参数（水平），三个附加的评定参数（高度）

表面粗糙度的高度参数1、轮廓算术平均偏差Ra

在取样长度L内，轮廓偏转距绝对值的算术平均值。用公式表示为：

2．微观不平度十点高度

在取样长度内五个最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和。用公式表示为：3．轮廓最大高度

在取样长度内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离表面粗糙度的水平参数表面粗糙度的三个水平参数：轮廓微观不平度的平均间距Sm

轮廓单峰平均间距S

轮廓支承长度率tp4．轮廓微观不平度的平均间距Sm含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中线长度Sm，称为轮廓微观不平度间距。5．轮廓单峰平均间距S两相邻轮廓单峰的最高点在中线上的投影长度S，称为轮廓单峰的间距。

S=

6．轮廓支承长度率tp一根平行于中线且与轮廓峰顶线相距为C的线与轮廓峰相截所得到的各段截线bi之和，称为轮廓支承长度p

p＝轮廓支承长度率

轮廓支承长度p与取样长度之比，就是轮廓支承长度率。

tp=(p/L)×100℅

三、一般规定1．为保证零件的表面质量，可按功能需要规定表面粗糙度。2．在规定表面粗糙度要求时，必须给出粗糙度参数值和测定时的取样长度值两项基本要求，必须时也可规定表面纹理、加工方法顺序和不同区域的粗糙度等附加要求。3．测量方向：表面粗糙度各参数的值是指在垂直于基准表面（具有几何表面的形状，它的方位和实际表面走向一致）的各截面上测得。对给定的表面，如截面方向与高度参数最大值的方向一致，则可不规定测量方向，否则应在图样上表示截面方向。4．表面缺陷：评定过程中，不应把表面缺陷（如沟槽、气孔、划伤等）包含进去。必要时，应单独规定表面缺陷要求。5．测量部位：为了完整地反映零件表面的实际状况，需要在其若干具有代表性的位置上进行测量，一般可采取在均匀分布的三个以上的位置上取其平均值作为最终结果。四、表而粗糙度测量方法综述对加工表面质量的评定，除了用视觉和触觉进行定性地比较检验的方法以外，并逐步实现了用数值确定表面粗糙度参数值的定量测量。从本世纪30年代陆续提出了测量粗糙度的方法原理和仪器以来，已发展了一系列利用光学、机械、电气原理的表面粗糙度专用测量仪器，其基本结构模式如下图所示。粗糙度测量方法主要是以不同类型的传感器所反映的测量原理来分类的。下表列出了各类转换形式的传感器。运算装置包括信号放大器、滤波器和各种型式的计算处理(如信号变换、模数转换、时控、数字计算等)装置。输出设备包括指针式电量表、记录器、光电输出器、电传打字机、磁带输出器、Tv显示屏、绘图仪等。其中，传感器是基本组成部分，在取得表面测量信号以后，亦可用人工进行计算处理给出结果。§7—2

表面粗糙度的测量方法

主要内容：

1、光切法量表面粗糙度

2、干涉显微镜测量表面粗糙度

3、触针法测量表面粗糙度

电感轮廓仪激光干涉式轮廓仪压电式轮廓仪重点：光切显微镜的原理和定度任务：表面粗糙度的测量测量对象和被测量问题1：工件特点？（大小、轻重、材料）问题2：测哪里的粗糙度？（内、外表面；平面、柱面、球面、齿面、牙型面）问题3：测量有什么特点？问题4：与长度、角度测量有何不同？测量单位和标准量长度单位-um表面粗糙度样板光波波长电压、电流标准测量方法测量方案设计测量方法测量仪器接触形式、定位测量精度方法精度仪器精度影响因素改善精度的措施—、表面粗糙度的测量方法概述

表面粗糙度反映的是机械零件表面的微观几何形状误差，对表面粗糙度的测量方法很多，主要方法见下表。

对表面粗糙度的评价主要分为定性和定量两种评定方法。

定性评定是将待测表面和已知表面光洁度级别的标准样板相比较，通过目估或借助于显微镜以判别其级别。

定量评定则是通过一定的测量方法和相应的仪器，测出待测表面的不平度数值。实际工作中，对加工表面粗糙度的评定可归纳为如下四种方式。

１．与表面粗糙度标准样板比较的方法表面粗糙度样板：按各种加工方法做成的不同几何形状的一套标准表面样块，用来与被测的表面相比较。表面粗糙度样板测量方法：目测法：Ra值2.5-80m的表面；用5～10倍放大镜比较：Ra值0.32-2.5m的表面；用比较显微镜：Ra值0.08-10m的表面。触觉比较法：被加工表面Ra值0.63-10m。注意点：样板与被测件的加工方法、材料、形状都相同。适用范围：工厂比较常用，尤其是车间检验中常用。一般只用于粗糙度评定参数值较大的情况下，其判断的准确性很大程度上取决于检验人员的经验，当有争议时可用仪器进行测量。２．在选定截面上直接测量表面微观不平度数值的方法

普遍采用、定量测量、严格按照定义测、本节重点。常用的有光切法、干涉法、触针法等各种测量原理的光学或电学仪器。3．印模法测量表面粗糙度对于大型零件或零件内表面等不易直接测量的情况下可用此法。(深孔盲孔凹槽内螺纹)印模表面的峰谷值总要比被测表面的峰谷值要小些，因而对此结果需加以修正。其修正系数值与所用材料等有关，应由实验来确定。4．间接测量方法

这类方法是利用被测表面的某种特性来间接评定表面粗糙度的数值。例如：气动法：是利用流经测量头与被测表面间气体流量的大小或其所引起的压力变化来评定表面粗糙度。电容法：是利用测量头与被测表面间形成的电容量大小来评定表面粗糙度。不能直接测出表面参数Ra或Rz，而需进行比对定标，且要配备一些和被测表面几何形状相适应的测量头。其他方法：激光散射法、激光散班法、激光全息法等。二、光切法测量表面粗糙度

所谓光切法就是用一狭窄的扁平光束以一定的倾斜角照射到被测表面上，光束在被测表面上发生反射，将表面微观不平度用显微镜放大成象进行观测的方法。图4-5是光切法的测量原理图。若倾斜角取45°，则得：

h=h’cos45°光切法原理

1．光切法原理：光切显微镜光路

2．测量仪器原理及定度（1）原理光切显微镜的光路原理下图所示。用测微目镜量出a、a’的距离Ｎ，即可求出峰谷间的高度。由于物镜分辨率及景深的限制，光切法测量范围一般为：Rz=(80～0.8)m。式h=h’cos45°中有无理数，计算、使用不便，在仪器设计时采用机械方法加以有理化，其方法如图所示。光切显微镜读数h’通过间接方法测得，测微目镜的千分尺的轴线与可动分划板上的十字线相交称45°角。测量时，十字线分别与亮带的波谷和波峰对准，获得两次千分尺读数的差值N此时：

h’=NCcos45°

所以有：

h=NC/2V

式中:N—用仪器测微目镜瞄准峰谷象高度（图中十字线位置I与II）时两次读数差值；

h—表面粗糙度的某一峰谷高度；

V—所选用物镜的放大倍数。双管显微镜

C—仪器的定度值(目镜千分尺转动一刻度十字线分划板移动的距离)双管显微镜（2）定度：在光切显微镜上，把确定测微目镜的鼓轮上每小格所对应的被测峰谷高度值的过程叫作“定度”。(h=NC/2V)

3．测量方法

测量前，选择相应的物镜（表4-2）并已知定度值C。然后调节显微镜使视场呈现清晰的狭缝象及表面象，且至狭缝象的一个边缘最清晰为止。（1）测量Rz值其测量方法应符合定义。Rz值可按下式计算：

Rz=C

（2）测量Ry值：

Ry=C（4）测量平均间距Sm

Sm=2C

（3）测量单峰平均间距S值

S=C

（5）用光切法测量Ra值因测量与计算都很麻烦，故很少应用。4．仪器的测量误差和示值相对误差的检定（1）测量误差的主要因素有：瞄准误差、测微目镜制造误差、估读误差、定度用标准尺误差、被测工件定位误差、仪器使用调整误差等。（2）仪器示值误差的检定：根据国家计量检定规程，仅检定其示值相对误差是否在要求的范围内，测量范围不同（既物镜不同），要求不同。（3）仪器示值相对误差的检定是用受检定的光切显微镜去实测已知其刻线深度的单刻线样板（也可用阶梯量块代替），则该仪器示值的相对误差为:

三、干涉显微镜测量表面粗糙度干涉显微镜测量原理：联合运用干涉原理和显微放大原理。对测量面垂直高度方向的微观不平度通过光波干涉法进行放大测量，对表面粗糙度的水平参数通过显微放大系统测量。干涉显微镜测量范围：Rz=0.8m～0.025m。干涉显微镜

干涉显微镜光路

6JA干涉显微镜测量光路四、触针法测量表面粗糙度1．触针法的测量原理触针法又称针描法，它是一种接触式测量方法，是利用仪器的测针与被测表面相接触，并使测针沿其表面轻轻划过以测量表面粗糙度的一种测量法。将一个很尖的触针（半径可以做到微米量级的金钢石针尖）垂直安置在被测表面上作横向移动，由于工作表面粗糙不平，因而触针将随着被测表面轮廓形状作垂直起伏运动。将这种微小位移通过电路转换成电信号并加以放大和运算处理，即可得到工件表面粗糙度参数值；也可通过记录器描绘出表面轮廓图形，再进行数据处理，进而得出表面粗糙度参数值。这类仪器垂直方向的分辨率最高可达到几纳米。适宜测量值为5—0.02m范围内的表面粗糙度。电感传感器原理框图2．电感轮廓仪电感传感器的原理框图。3．激光干涉式轮廓仪激光干涉式轮廓仪中，干涉系统的测量镜与触针分别位于杠杆的两端，其位移量之间为确定的比例关系，因此由测得的测量镜的位移量可算得触针的位移量。与电感式轮廓仪相比，激光式轮廓仪具有宽量程和高分辨力的特点。4．压电式轮廓仪压电式轮廓仪用具有压电特性的晶体作为传感器的换能元件。硅脂是一种粘滞性很强的液体，当触针随工件表面快速上下运动时，液体摩擦很大，可认为触针杆被夹紧在槽片中，压电晶片因触针的位移而产生变形，并在晶片表面产生与变形成比例的电荷。当触针以很慢的速度移动时，硅脂的液体的摩擦很小，允许触针杆相对槽片打滑，位移不传给压电晶片，有滤除低频信号的功能。压电式轮廓仪结构紧凑，便于携带。便携式表面粗糙度仪哈量形状测量仪MarSurfLD120

KonturundRautiefeineinemZug.10mmHub,4nmAuflösung§7-3

表面粗糙度测量新技术

主要内容：1、光学触针法2、激光法：

激光全息法激光光斑法激光散斑法3．外差干涉式轮廓测量一．光学探针法有许多被测件的表面，如光盘、半导体工艺、化学样品等是不允许触针划伤的；另外有一些质地较软的表面，也不可用触针式电动轮廓仪测量。因此，非接触式表面轮廓探测技术受到重视，并得到发展。所谓光学探针就是采用透镜聚焦的微小光点取代金钢石针尖，表面轮廓高度的变化通过检测焦点误差来实现。目前采用的有：激光三角法探针、光学临界角法探针光学触针法等（a）三角法探针原理图1．激光三角法探针探测器Ｄ是位置敏感探测器（PSD）或电荷耦合器件（CCD），他的输出电压与光斑在探测器上的位置成比例。2．临界角法探针：是根据光的全反射原理做成的探针。探头垂直方向的分辨率1nm，该类型的传感器可用于工艺过程监测、机床上的在线测量。临界角法探针实际系统图３．像散法探针4、共焦扫描探法：5、基于光纤的光学针扫描法二、激光全息法激光全息法的基本原理是以激光照射被测表面，利用相干辐射，拍摄被测表面的全息照片—一组表面轮廓的干涉图形，然后用硅光电池测量黑白条纹的强度分布，测出黑白条纹的反差比，从而评定被测表面的粗糙程度。当激光波长=632.8nm时，其测量范围是0.05～0.8m。只要测出全息照片上干涉条纹的反差比R便可知道被测表面的粗糙程度。三、激光光斑法：