第二节表面粗糙度的测量方法

第二节表面粗糙度的测量方法第1页，共41页，2023年，2月20日，星期一任务：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第2页，共41页，2023年，2月20日，星期一—、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。

第3页，共41页，2023年，2月20日，星期一第4页，共41页，2023年，2月20日，星期一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。

第5页，共41页，2023年，2月20日，星期一１．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。表面粗糙度样板第6页，共41页，2023年，2月20日，星期一测量方法：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。第7页，共41页，2023年，2月20日，星期一２．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。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。第8页，共41页，2023年，2月20日，星期一4．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。第9页，共41页，2023年，2月20日，星期一二、光切法测量表面粗糙度第10页，共41页，2023年，2月20日，星期一

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°若观测显微物镜的倍数V，则：N＝Ｖh’用显微镜测出象的大小N，即可求出h值：

h=N/(Vcos45°)

测量表面粗糙度峰谷距离的原理与上述相同。图4-5光切原理

1．光切法原理：第11页，共41页，2023年，2月20日，星期一图4-6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如图4-6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。第12页，共41页，2023年，2月20日，星期一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（旧国标3～9）。式h=N/(Vcos45°)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4-7所示。此时：

h=a/2V

式中:a—用仪器测微目镜瞄准峰谷象高度N（图4-7

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。双管显微镜第13页，共41页，2023年，2月20日，星期一双管显微镜视场图第14页，共41页，2023年，2月20日，星期一双管显微镜第15页，共41页，2023年，2月20日，星期一光切显微镜读数第16页，共41页，2023年，2月20日，星期一（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=a/2V)定度首先是求物镜的放大倍率。求物镜放大倍率的方法是用一个标准刻线尺（通常为专用附件，刻度间隔为0.01mm，共101条刻线）来测定各个物镜的实际放大率。如图4-8所示，物镜放大率为：

V=

令C=5/V，则：h=cn(um)式中，n为测量峰谷高度时两次读数的差值（格数）。显然，上式使用简便。C值的物理意义就是测微鼓轮一小格所对应的峰谷方向的高度值。

第17页，共41页，2023年，2月20日，星期一3．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第18页，共41页，2023年，2月20日，星期一

（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。为什么C前乘为什么C前乘2第19页，共41页，2023年，2月20日，星期一4．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:

第20页，共41页，2023年，2月20日，星期一三、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。6JA干涉显微镜测量光路见图4-12。第21页，共41页，2023年，2月20日，星期一干涉显微镜

第22页，共41页，2023年，2月20日，星期一第23页，共41页，2023年，2月20日，星期一1986年WYKO公司研制成功的TOPO非接触微表面测量系统。测量精度达自动完成测量。Mirau干涉仪的改进：R被固定在PZT上。第24页，共41页，2023年，2月20日，星期一带有旋转检偏器测相的改进的微分干涉显微镜（清华）垂直分辨率优于1nm，水平分辨力0.4μmNomarski干涉显微镜及改进第25页，共41页，2023年，2月20日，星期一图4-12干涉显微镜光路

6JA干涉显微镜测量光路见图4-12。第26页，共41页，2023年，2月20日，星期一第27页，共41页，2023年，2月20日，星期一第28页，共41页，2023年，2月20日，星期一四、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。第29页，共41页，2023年，2月20日，星期一第30页，共41页，2023年，2月20日，星期一第31页，共41页，2023年，2月20日，星期一第32页，共41页，2023年，2月20日，星期一图4-15轮廓仪的原理框图2．电感轮廓仪电感轮廓仪的传感器原理如图4-14所示。图4-15为仪器的原理框图。第33页，共41页，2023年，2月20日，星期一3．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。第34页，共41页，2023年，2月20日，星期一第35页，共41页，2023年，2月20日，星期一第36页，共41页，2023年，2月20日