表面粗糙度測量

1、表面粗糙度測量v第一節(jié)：表面粗糙度的評定參數(shù)及國家新標準介紹第一節(jié)：表面粗糙度的評定參數(shù)及國家新標準介紹1、現(xiàn)行表面粗糙度國家標準、現(xiàn)行表面粗糙度國家標準 現(xiàn)行表面粗糙度國家標準為現(xiàn)行表面粗糙度國家標準為GB/T3505-2000 產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范表面結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)-輪廓法表面結(jié)構(gòu)的術(shù)語、定義及參數(shù)，取代了輪廓法表面結(jié)構(gòu)的術(shù)語、定義及參數(shù)，取代了GB/T3505-1983，在舊標準中只將表面粗糙度輪廓及其參數(shù)定義為表面結(jié)構(gòu)特性的，在舊標準中只將表面粗糙度輪廓及其參數(shù)定義為表面結(jié)構(gòu)特性的唯一組成部分唯一組成部分 ,給出的術(shù)語和定義給出的術(shù)語和定義.而在新標準中而在新標準中,對粗糙度

2、其技術(shù)內(nèi)容與對粗糙度其技術(shù)內(nèi)容與ISO4287:1997等效等效 本標準中把表面結(jié)構(gòu)用輪廓法描述：本標準中把表面結(jié)構(gòu)用輪廓法描述： 表面結(jié)構(gòu)包括表面結(jié)構(gòu)包括 1）.原始輪廓原始輪廓(10mm); 2）.波紋度輪廓（波紋度輪廓（ 1mm10mm) ； 3）.粗糙度輪廓（粗糙度輪廓（ 1mm）；）； 粗糙度的參數(shù)分為高度特征參數(shù)（主參數(shù)）；間距特征參數(shù)與形狀特粗糙度的參數(shù)分為高度特征參數(shù)（主參數(shù)）；間距特征參數(shù)與形狀特征參數(shù)（附加參數(shù)）共征參數(shù)（附加參數(shù)）共14項。實際中最常測量評定的參數(shù)為高度參數(shù)項。實際中最常測量評定的參數(shù)為高度參數(shù)Ra,Rz,Ry，優(yōu)先選用，優(yōu)先選用Ra第四章第四章 表面粗糙

3、度及表面微觀形貌測量表面粗糙度及表面微觀形貌測量 圖圖表表 面面 輪輪 廓廓 的的 組組 成成第四章第四章 表面粗糙度及表面微觀形貌測量表面粗糙度及表面微觀形貌測量第四章第四章 表面粗糙度及表面微觀形貌測量表面粗糙度及表面微觀形貌測量1）.輪廓算術(shù)平均偏差輪廓算術(shù)平均偏差Ra2)微觀不平度十點高度微觀不平度十點高度Rz3).輪廓最大高度輪廓最大高度Ry 11( )01nlRaY x dxYilni55115511RzYpiYviiimaxminRy YpiYvi圖圖2.主參數(shù)定義主參數(shù)定義第二節(jié)：表面粗糙度的常規(guī)測量方法第二節(jié)：表面粗糙度的常規(guī)測量方法v 一一.比較法比較法: 將被測表面對照粗

4、糙度將被測表面對照粗糙度樣板用肉眼或借助放大鏡樣板用肉眼或借助放大鏡,也也可以用手比較可以用手比較. 此方法只適用于低精度等此方法只適用于低精度等級的工件級的工件,判斷的準確程度取判斷的準確程度取決于檢驗人員的經(jīng)驗決于檢驗人員的經(jīng)驗.該方法該方法現(xiàn)在幾乎不用現(xiàn)在幾乎不用.圖第四章第四章 表面粗糙度及表面微觀形貌測量表面粗糙度及表面微觀形貌測量 二二.光切法與光切顯微鏡光切法與光切顯微鏡1.光切法測量原理光切法測量原理: 測量原理如圖測量原理如圖4-2-2所示，所示，由光源發(fā)出的光線經(jīng)狹縫及物由光源發(fā)出的光線經(jīng)狹縫及物鏡鏡1以以45的方向投射到被測工的方向投射到被測工件表面。該光束如同一平面與件

5、表面。該光束如同一平面與被測表面成被測表面成45相截，由于被相截，由于被測表面粗糙不平，故兩者交線測表面粗糙不平，故兩者交線為一凹凸不平的輪廓線，如圖為一凹凸不平的輪廓線，如圖2。 該光線又由被測表面反射，該光線又由被測表面反射，經(jīng)過物鏡經(jīng)過物鏡2成像在分劃板上，在成像在分劃板上，在經(jīng)過目鏡就可以觀察到一條放經(jīng)過目鏡就可以觀察到一條放大了的凹凸不平的輪廓線，如大了的凹凸不平的輪廓線，如圖圖4-2-3光光束束投投射射方方向向光光帶帶影影像像觀觀察察方方向向 圖圖 測量原理圖測量原理圖圖圖 光束與光束與 表面截圖表面截圖第四章第四章 表面粗糙度及表面微觀形貌測量表面粗糙度及表面微觀形貌測量2.光切

6、發(fā)的特點光切發(fā)的特點: 所用儀器所用儀器 為光切顯微鏡為光切顯微鏡(雙管顯微雙管顯微鏡鏡),適用與規(guī)則表面適用與規(guī)則表面(如如:車、銑、刨等車、銑、刨等去除材料的加工表面）去除材料的加工表面）,且表面有一定且表面有一定的反射能力。可以測量的反射能力。可以測量Rz、Ry、S參數(shù)，測量范圍參數(shù)，測量范圍:(.80m)測量測量方法屬于非接觸測量方法屬于非接觸測量圖雙管顯微鏡第四章第四章 表面粗糙度及表面微觀形貌測量表面粗糙度及表面微觀形貌測量三三.干涉法及干涉顯微鏡干涉法及干涉顯微鏡1.1.干涉法的測量原理干涉法的測量原理: : 干涉顯微鏡是根據(jù)光學干涉原理制成的。干涉顯微鏡是根據(jù)光學干涉原理制成的

7、。圖圖4-2-64-2-6) )為其光學系統(tǒng)示意圖。由光源為其光學系統(tǒng)示意圖。由光源1 1發(fā)發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡出的光線經(jīng)聚光鏡2 2濾色片濾色片3 3、光闌、光闌4 4、及透、及透鏡鏡5 5后成平行光線，射向半透半反的分光鏡后成平行光線，射向半透半反的分光鏡7 7 后 分 成 兩 束 ： 一 束 光 線 通 過 補 償 鏡后 分 成 兩 束 ： 一 束 光 線 通 過 補 償 鏡 8 8 、 物、 物鏡鏡9 9到平面反射鏡到平面反射鏡1010，被，被1010反射又回到分光反射又回到分光鏡鏡7 7，再由，再由7 7經(jīng)聚經(jīng)聚1111到反射鏡到反射鏡1616，由，由1616進入進入目鏡目鏡1212；

8、另一束光線向上通過物鏡；另一束光線向上通過物鏡6 6，投射，投射到 被 測 零 件 表 面 ， 由 被 測 表 面 反 射 回 來 通到 被 測 零 件 表 面 ， 由 被 測 表 面 反 射 回 來 通過分光鏡過分光鏡7 7、聚光鏡、聚光鏡1 11 1到反射鏡到反射鏡1616，由，由1 61 6反射也進入目反射也進入目1212。在目鏡。在目鏡1212的視場內(nèi)可觀的視場內(nèi)可觀察 到 這 兩 束 光 線 因 光 程 差 而 形 成 的 干 涉 帶察 到 這 兩 束 光 線 因 光 程 差 而 形 成 的 干 涉 帶圖 形 ， 若 被 測 表 面 粗 糙 不 平 ， 干 涉 帶 即 成圖 形 ，

9、若 被 測 表 面 粗 糙 不 平 ， 干 涉 帶 即 成彎 曲 形 狀 如 圖 。 由 測 微 目 鏡 可 讀 出 相 鄰 兩彎 曲 形 狀 如 圖 。 由 測 微 目 鏡 可 讀 出 相 鄰 兩二 干 涉 帶 距 離二 干 涉 帶 距 離 a a 以 及 干 涉 帶 彎 曲 高 度以 及 干 涉 帶 彎 曲 高 度 b b 。 由。 由于 光 程 差 每 增 加 半 個 波 長 ， 即 形 成 一 條 干于 光 程 差 每 增 加 半 個 波 長 ， 即 形 成 一 條 干涉帶，故被測表面微觀不平度的實際高度為涉帶，故被測表面微觀不平度的實際高度為 式中：式中：為光波波長。為光波波長。 圖

10、干涉顯微鏡測量原理圖干涉顯微鏡測量原理1 1一光源；一光源；2 2，1111，1515一聚光鏡；一聚光鏡；3 3一濾色片；一濾色片；4 4一光闌；一光闌；5 5一透鏡；一透鏡；6 6，9-9-物鏡；物鏡； 7 7一分光鏡；一分光鏡；8 8一補償鏡；一補償鏡；1010，1414，1616一反射鏡；一反射鏡；1212一目鏡；一目鏡；1313一透光窗一透光窗第四章第四章 表面粗糙度及表面微觀形表面粗糙度及表面微觀形貌測量貌測量干涉法的特點：干涉法的特點：所用儀器為干涉顯微鏡，可測所用儀器為干涉顯微鏡，可測參數(shù)參數(shù)Rz、Ry，具有較大的放大倍數(shù)，具有較大的放大倍數(shù)測量范圍：（測量范圍：（m）適用于測量

11、不規(guī)則表面（如磨削等適用于測量不規(guī)則表面（如磨削等加工表面），被測件不應太大且具有加工表面），被測件不應太大且具有反射能力，最適用于量塊表面粗糙度反射能力，最適用于量塊表面粗糙度的測量屬于非接觸測量的測量屬于非接觸測量圖圖J型干涉顯微鏡型干涉顯微鏡第四章第四章 表面粗糙度及表面微觀形貌測量表面粗糙度及表面微觀形貌測量四觸針法與電動輪廓儀四觸針法與電動輪廓儀觸針法的測量原理：觸針法的測量原理：如圖所示：傳感器一端一個很尖的觸針（半徑可做到微米級的金剛石針尖）垂直安置在被測表如圖所示：傳感器一端一個很尖的觸針（半徑可做到微米級的金剛石針尖）垂直安置在被測表面上作橫向移動，將縱向微小的位移通過傳感器

12、轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)測量電路放大、調(diào)理處理、面上作橫向移動，將縱向微小的位移通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)測量電路放大、調(diào)理處理、計算、即可以在顯示器上讀出工件的表面粗糙度值，也可通過記錄器描繪出表面輪廓圖形計算、即可以在顯示器上讀出工件的表面粗糙度值，也可通過記錄器描繪出表面輪廓圖形 圖觸針法測量原理圖圖觸針法測量原理圖第四章第四章 表面粗糙度及表面微觀形貌測量表面粗糙度及表面微觀形貌測量觸針法測量的特點：觸針法測量的特點：所用儀器為電動輪廓儀或粗糙度儀，與前兩種儀器相比該測量方法顯示更所用儀器為電動輪廓儀或粗糙度儀，與前兩種儀器相比該測量方法顯示更直觀、操作更方便、效率更高、測量范圍更大（直觀

13、、操作更方便、效率更高、測量范圍更大（ m）更廣）更廣,即適用適用于規(guī)則表面又適用于不規(guī)則表面；不要求被測表面具有反射能力；即適用適用于規(guī)則表面又適用于不規(guī)則表面；不要求被測表面具有反射能力；更重要的是可以測量參數(shù)更重要的是可以測量參數(shù)Ra值所以現(xiàn)今使用最多的就是這種方法但它屬值所以現(xiàn)今使用最多的就是這種方法但它屬于接觸測量，不適用于強度硬度較低的表面于接觸測量，不適用于強度硬度較低的表面圖圖10型電動輪廓儀型電動輪廓儀圖圖 TR200型手持式粗糙度儀型手持式粗糙度儀第四章第四章 表面粗糙度及表面微觀形貌測量表面粗糙度及表面微觀形貌測量五五.印模法印模法1.原理原理: 利用某些塑性材料將被測表

14、面印模下來利用某些塑性材料將被測表面印模下來,然后對印摸表面然后對印摸表面進行測量進行測量.常用的印模材料有川蠟、石蠟和低熔點合金等，常用的印模材料有川蠟、石蠟和低熔點合金等，2.特點特點: 印模材料的強度和硬度都不高印模材料的強度和硬度都不高,固一般不用針描法測量它固一般不用針描法測量它.由于印模材料不可能填滿谷底由于印模材料不可能填滿谷底,且取下印模材料時往往使且取下印模材料時往往使印模波峰削平印模波峰削平,所以測得印模的所以測得印模的Rz值比實際略有縮小，一值比實際略有縮小，一般可以根據(jù)實驗進行修整印模法適用于大尺寸的內(nèi)表般可以根據(jù)實驗進行修整印模法適用于大尺寸的內(nèi)表面測量范圍為面測量范

15、圍為Rz m 第四章第四章 表面粗糙度及表面微觀形貌測量表面粗糙度及表面微觀形貌測量第三節(jié)第三節(jié) 擴展與總結(jié)擴展與總結(jié)1.粗糙度測量發(fā)展的趨勢粗糙度測量發(fā)展的趨勢 電動輪廓儀是應用最廣的表面粗糙度測量儀器之一電動輪廓儀是應用最廣的表面粗糙度測量儀器之一,然而然而有許多被測件的表面有許多被測件的表面,如光盤、半導體工藝化學樣品是不允許如光盤、半導體工藝化學樣品是不允許觸針劃傷的；另外有一些質(zhì)地較軟的表面也不能用觸針式電觸針劃傷的；另外有一些質(zhì)地較軟的表面也不能用觸針式電動輪廓儀測量；特別是為了提高表面粗糙度的測量效率，發(fā)動輪廓儀測量；特別是為了提高表面粗糙度的測量效率，發(fā)展方向是實現(xiàn)表面粗糙度的

16、在線測量，因此非接觸式表面輪展方向是實現(xiàn)表面粗糙度的在線測量，因此非接觸式表面輪廓探測技術(shù)受到重視并得到發(fā)展。它綜合應用激光、傳感器、廓探測技術(shù)受到重視并得到發(fā)展。它綜合應用激光、傳感器、計算機和圖象識別等技術(shù)的新成果解決或正在解決機械加工計算機和圖象識別等技術(shù)的新成果解決或正在解決機械加工和其他領(lǐng)域里新出現(xiàn)的表面粗糙度及表面微觀形貌的測量問和其他領(lǐng)域里新出現(xiàn)的表面粗糙度及表面微觀形貌的測量問題。下面以簡單介紹題。下面以簡單介紹CSPM5000掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡第四章第四章 表面粗糙度及表面微觀形貌測量表面粗糙度及表面微觀形貌測量v CSPM5000掃描探針顯微鏡的結(jié)構(gòu)掃描探針顯微鏡

17、的結(jié)構(gòu)第四章第四章 表面粗糙度及表面微觀形貌測量表面粗糙度及表面微觀形貌測量CSPM5000掃描探針顯微鏡工作模式掃描探針顯微鏡工作模式1、掃描隧道顯微鏡、掃描隧道顯微鏡 掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM）的水平分辨率小于）的水平分辨率小于0.1 納納米，垂直分辨率小于米，垂直分辨率小于0.01 納米。一般來講，物體在固納米。一般來講，物體在固態(tài)下原子之間的距離在零點一到零點幾個納米之間，態(tài)下原子之間的距離在零點一到零點幾個納米之間，因此在掃描隧道顯微鏡下導電物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的原子、因此在掃描隧道顯微鏡下導電物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的原子、分子狀態(tài)清晰可見。掃描隧道顯微鏡（分子狀態(tài)清晰可見。掃描隧道顯微

18、鏡（STM）的原理）的原理是根據(jù)探針和樣品之間的隧道效應產(chǎn)生的隧道電流進是根據(jù)探針和樣品之間的隧道效應產(chǎn)生的隧道電流進行成像的，因此它要求樣品具有良好的導電性。行成像的，因此它要求樣品具有良好的導電性。第四章第四章 表面粗糙度及表面微觀形貌測量表面粗糙度及表面微觀形貌測量 掃描隧道顯微鏡工作原理示意圖掃描隧道顯微鏡工作原理示意圖 隧道電流強度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當距離減小隧道電流強度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個數(shù)量級。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們利用，隧道電流即增加約一個數(shù)量級。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們利用電子反饋系統(tǒng)可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對電子反饋系統(tǒng)可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對x-y 方方向進行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的向進行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。工作原理。第四章第四章 表面粗糙度及表面微觀形貌測量表面粗糙度及表面微觀形貌測量激光檢測原子力顯微鏡工作原理示意圖激光檢測原子力顯微鏡工作原理示意圖樣品表面的原子與微懸臂探針尖端的原子間的相互