表面粗糙度的測量 (精品)

1、第四章 表面粗糙度的測量4.1 概述一、表面形貌誤差的概念與形成n1. 表面形貌誤差分類：表面形貌誤差分類： 實(shí)際加工表面通常包括如下三種表面形貌誤差：q表面粗糙度：表面粗糙度：波距小于1mm，大體呈周期性變化，屬于微觀幾何形狀誤差；q表面波度：表面波度：波距在110mm，呈周期性變化，屬于中間幾何形狀誤差；q形狀誤差：形狀誤差： 波距大于10mm，無明顯周期性變化，屬于宏觀幾何形狀誤差。q紋理方向、傷痕n2. 表面粗糙度：表面粗糙度：是一種微觀幾何形狀誤差又稱微觀不平度。/h 1000n3. 表面粗糙度的產(chǎn)生原表面粗糙度的產(chǎn)生原因：因：在加工過程中，刀具和零件表面間產(chǎn)生摩擦、高頻振動(dòng)及切削時(shí)

2、在工件表面上留下的微觀痕跡。高斯濾波器（高斯濾波器（ISO11562）：）：評(píng)定基準(zhǔn)線：評(píng)定基準(zhǔn)線：二、表面粗糙度的影響n表面粗糙度對(duì)零件的使用性能有著重要的影響，主要表現(xiàn)在：q對(duì)摩擦和磨損摩擦和磨損的影響：表面粗糙度大磨損大壽 命低q對(duì)配合性配合性的影響：表面粗糙度影響配合性質(zhì)的穩(wěn)定性q對(duì)接觸剛度接觸剛度的影響：表面越粗糙，接觸剛度越低q對(duì)疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度的影響：表面越粗糙，疲勞強(qiáng)度越低q對(duì)抗腐蝕性抗腐蝕性的影響：粗糙的表面易造成表面銹蝕q對(duì)結(jié)合密封性密封性的影響q對(duì)檢驗(yàn)零件時(shí)的測量不確定度、零件的外形美觀外形美觀等的影響三、表面形貌測量的特點(diǎn)與范圍n特點(diǎn)：特點(diǎn)：通常為量程小、測量分辨率高（

3、nm）、無目標(biāo)靶。n表面粗糙度測量的范圍表面粗糙度測量的范圍現(xiàn)在表面分析技術(shù)已遠(yuǎn)走出機(jī)械零件，如： 1. 微電子工業(yè)：硅片、磁盤表面、光盤、光學(xué)元件 2. 材料科學(xué)：表面形貌分析、材料微裂紋 3. 生物科學(xué)：細(xì)胞生物、芯片、遺傳學(xué) 4. 科學(xué)研究：納米技術(shù)、物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)科學(xué)等4.2 表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)n 我國參照國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO），對(duì)原表面粗糙度國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1031-1983、GB 131-1983作了修訂和增訂，新國標(biāo)有：GB/T 3505-2000 表面結(jié)構(gòu)的術(shù)語、定義及參數(shù) GB/T 1031-1995表面粗糙度 參數(shù)及其數(shù)值GB/T 131-1993機(jī)械制圖 表面

4、粗糙度符號(hào)、代號(hào)及其注法。一、主要術(shù)語及定義n1. 實(shí)際輪廓：實(shí)際輪廓：平面與實(shí)際表面相交所得的輪廓線。 按照相截方向的不同，可分為橫向?qū)嶋H輪廓和縱向?qū)嶋H輪廓。除非特別指明，通常均指橫向?qū)嶋H輪廓橫向?qū)嶋H輪廓，即與加工紋理方向垂直加工紋理方向垂直的截面上的輪廓。n2. 取樣長度取樣長度L：用于判別和測量表面粗糙度時(shí)所規(guī)定的一段基準(zhǔn)線長度。q量取方向：量取方向：在輪廓總的走向上。q目的：目的：限制和削弱表面波度對(duì)表面粗糙度測量結(jié)果的影響。q選擇原則：選擇原則：下一頁n3. 評(píng)定長度評(píng)定長度L： 評(píng)定輪廓所必須的一段長度，它包括一個(gè)或數(shù)個(gè)取樣長度。q目的：目的：為充分合理地反映某一表面的粗糙度特性（

5、加工表面有不同程度的不均勻性）。q選擇原則：選擇原則：一般按五個(gè)取樣長度來確定。n4.輪廓中線輪廓中線m 是評(píng)定表面粗糙度數(shù)值的基準(zhǔn)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：）最小二乘中線：使輪廓上各點(diǎn)的輪廓偏轉(zhuǎn)距y（在測量方向上輪廓上的點(diǎn)至基準(zhǔn)線的距離）的平方和為最小的基準(zhǔn)線。（2）算術(shù)平均中線：）算術(shù)平均中線：在取樣長度范圍內(nèi)，劃分實(shí)際輪廓為上、下兩部分，且使上下兩部分的面積相等的線。(a)輪廓最小二乘中；輪廓最小二乘中；(b)輪廓算術(shù)平均中線輪廓算術(shù)平均中線二、評(píng)定參數(shù)及數(shù)值對(duì)評(píng)定參數(shù)的基本要求：（1）正確、充分反映表面微觀幾何形狀

6、特征；（2）具有定量的結(jié)果；（3）測量方便。 國標(biāo)從水平和高度兩方向各規(guī)定了三個(gè)評(píng)定參數(shù)，三個(gè)基本參數(shù)，三個(gè)附加的評(píng)定參數(shù)n1、輪廓算術(shù)平均偏差、輪廓算術(shù)平均偏差Ra 在取樣長度L內(nèi)，輪廓偏轉(zhuǎn)距絕對(duì)值的算術(shù)平均值。niiaynR11n2. 微觀不平度十點(diǎn)高度微觀不平度十點(diǎn)高度Rz (新的國家標(biāo)準(zhǔn)中已新的國家標(biāo)準(zhǔn)中已取消）取消）在取樣長度內(nèi)五個(gè)最大的輪廓峰高的平均值與五個(gè)最大的輪廓谷深的平均值之和。在取樣長度內(nèi)，也可從平行于輪廓中線m的任意一個(gè)線算起，計(jì)算被測輪廓的五個(gè)最高點(diǎn)（峰）到五個(gè)最低點(diǎn)（谷）間的平均距離：n3、輪廓最大高度、輪廓最大高度Ry （新的國家標(biāo)準(zhǔn)中用（新的國家標(biāo)準(zhǔn)中用）在取樣長

7、度內(nèi)，輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離。lrcXs1XsjXsnRyRa、Rz 哪個(gè)能充分反映粗糙度的特性哪個(gè)能充分反映粗糙度的特性?n Rz 用于控制用于控制不允許出現(xiàn)較深加工痕跡不允許出現(xiàn)較深加工痕跡的表面，的表面，此外，當(dāng)被測表面段很短此外，當(dāng)被測表面段很短(不足一個(gè)取樣長度不足一個(gè)取樣長度)，不適宜采用不適宜采用Ra評(píng)定時(shí)，也常采用評(píng)定時(shí)，也常采用Rz參數(shù)。參數(shù)。n當(dāng)粗糙度值在當(dāng)粗糙度值在0.0256.3 時(shí)，輪廓好測量，標(biāo)時(shí)，輪廓好測量，標(biāo)Ra （一般用電動(dòng)輪廓儀進(jìn)行測量）；（一般用電動(dòng)輪廓儀進(jìn)行測量）；mn4、輪廓微觀不平度的平均間距、輪廓微觀不平度的平均間距Sm含有一個(gè)輪廓峰和相

8、鄰輪廓谷的一段中線長度Sm，稱為輪廓微觀不平度間距。 n5、輪廓單峰平均間距、輪廓單峰平均間距S兩相鄰輪廓單峰的最高點(diǎn)在中線上的投影長度S，稱為輪廓單峰的間距。n6.輪廓支承長度率輪廓支承長度率tp （反映耐磨性）（反映耐磨性）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輪廓支承長度與取樣長度之比，就是輪廓輪廓支承長度率支承長度率。三、一般規(guī)定n1.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。n2.在規(guī)定表面粗糙度要求時(shí)，必須給出粗糙度參數(shù)粗糙度參數(shù)值值和測定時(shí)的取樣長度值取樣長度值兩項(xiàng)基本要求，也可規(guī)定表面紋理、不同區(qū)域的粗糙度等附加

9、要求。n3.評(píng)定過程中，不應(yīng)把表面缺陷（如溝槽、氣孔、劃傷等）包含進(jìn)去，必要時(shí)，應(yīng)單獨(dú)規(guī)定表面缺陷要求。4.3 表面粗糙度的測量方法一、表面粗糙度的測量方法分類n定性評(píng)定：待測表面和已知表面光潔度級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)樣板相比較，通過目估或借助顯微鏡以判別其級(jí)別。n定量評(píng)定：通過一定的測量方法和相應(yīng)的儀器，測出待測表面的不平度數(shù)值。n1、與表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣板比較、與表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣板比較表面粗糙度樣板：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(biāo)準(zhǔn)表面樣板，用來與被測的表面相比較。n測量方法測量方法：目測法6以下表面（即Ra值大于2.5m）；用510倍放大鏡比較 6 8的表面；用比較顯微鏡 8

10、以上的表面；也可用手摸靠感覺來判斷被加工表面的粗糙度。n注意點(diǎn)：注意點(diǎn)：樣板與被測件的加工方法、材料、形狀加工方法、材料、形狀都相同。n適用范圍：適用范圍：工廠比較常用，尤其是車間檢驗(yàn)中常用。一般只用于粗糙度評(píng)定參數(shù)值較大的情況下，其判斷的準(zhǔn)確性很大程度上取決于檢驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)有爭議時(shí)可用儀器進(jìn)行測量。2、在選定截面上直接測量表面微觀不平度數(shù)值、在選定截面上直接測量表面微觀不平度數(shù)值的方法的方法n普遍采用、定量測量、嚴(yán)格按照定義測。n常用的有光切法、干涉法、觸針法等。3、印模法測量表面粗糙度、印模法測量表面粗糙度n對(duì)大型零件或內(nèi)表面等不易直接測量的情況。n印模表面的峰谷值總要比被測表面的峰谷

11、值小，對(duì)結(jié)果需加以修正。修正系數(shù)值與所用材料等有關(guān)，應(yīng)由實(shí)驗(yàn)確定。4、間接測量方法、間接測量方法n氣動(dòng)法：利用流經(jīng)測量頭與被測表面間氣流量的大小或其所引起的壓力變化來評(píng)定表面粗糙度。n電容法：利用測量頭與被測表面間形成的電容量大小來評(píng)定表面粗糙度。不能直接測出表面不能直接測出表面參數(shù)參數(shù)，而需進(jìn)行比對(duì)定標(biāo)，且要配備和被測表面幾何形狀相適應(yīng)的測量頭。n其他方法：激光散射法、激光散斑法、激光全息法等。二、光切法測量表面粗糙度n1、光切法原理用一狹窄的扁平光以一定傾斜角照射到被測面，發(fā)生反射，將表面微觀不平度用顯微鏡放大成像進(jìn)行觀測。2、測量儀器原理及定度、測量儀器原理及定度（1）原理(a)測量裝置

12、結(jié)構(gòu)簡圖；測量裝置結(jié)構(gòu)簡圖；(b)目鏡視場的影像；目鏡視場的影像；(c)測量原理簡圖測量原理簡圖1光源；光源； 2聚光鏡；聚光鏡；3狹縫；狹縫； 4、5物鏡；物鏡； 6分劃板；分劃板；7目鏡；目鏡； 8被測表面被測表面n由于物鏡分辨率及景深的限制，光切法測量范圍由于物鏡分辨率及景深的限制，光切法測量范圍一般為：一般為： Rz=(800.8) m(舊國際舊國際39)。雙管顯微鏡雙管顯微鏡1底座；底座；2立柱；立柱；3橫梁；橫梁；4手輪；手輪；5固定螺絲；固定螺絲；6微調(diào)手輪；微調(diào)手輪；7殼體殼體8鎖緊手柄；鎖緊手柄；9工作臺(tái)；工作臺(tái)；10物鏡組；物鏡組；11測微目鏡；測微目鏡；12燕尾導(dǎo)軌；燕尾

13、導(dǎo)軌；13千分尺千分尺雙管顯微鏡視場圖雙管顯微鏡視場圖n（2）定度：）定度：q在光切顯微鏡上，把確定測微目鏡的鼓輪上每小格所對(duì)應(yīng)的被測峰谷高度值的過程叫作“定度定度”。q定度首先是求物鏡的放大倍率。求物鏡的放大倍率的方法是用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刻線尺（通常為專用附件，刻度間隔為0.01mm，共101條刻線）來測定各個(gè)物鏡的實(shí)際放大倍率。物鏡放大率為：令C=5/V，則：h=Cn式中，n為測量峰谷高度時(shí)兩次讀數(shù)的差值（格數(shù)）。顯然，上式使用簡便。C值的物理意義就是測微鼓輪一小格所對(duì)應(yīng)的峰谷方向的高度值。n3、測量方法、測量方法 測量前，選擇相應(yīng)的物鏡并已知定度值C。然后調(diào)節(jié)顯微鏡使視場呈現(xiàn)清晰的狹縫及表面像，

14、且至狹縫像的一個(gè)邊緣最清晰為止。（1）測量Rz值：其測量方法應(yīng)符合定義。Rz值可按下式計(jì)算：（2）測量Ry值：n（3）測量單峰平均間距S值n（4）測量平均間距Smn（5）用光切法測量Ra值 因測量與計(jì)算都很麻煩，故很少應(yīng)用n4、儀器的測量誤差和示值相對(duì)誤差的檢定n（1）測量誤差的主要因素有：瞄準(zhǔn)誤差、測微目鏡制造誤差、估讀誤差、定度用標(biāo)準(zhǔn)尺誤差、被測工件定位誤差、儀器使用調(diào)整誤差等。n（2）儀器示值誤差的檢定：根據(jù)國家計(jì)量檢定規(guī)程，僅檢定其示值相對(duì)誤差是否在要求的范圍內(nèi)，測量范圍（即物鏡）不同，要求不同。n（3）儀器示值相對(duì)誤差的檢定是用受檢定的光切顯微鏡去實(shí)測已知其刻線深度的單刻線樣板實(shí)測已

15、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(duì)誤差為：三、干涉顯微鏡測量表面粗糙度n干涉顯微鏡測量原理：聯(lián)合運(yùn)用干涉原理和顯微放大原理。對(duì)測量面垂直垂直高度方向的微觀不平度通過光波干涉干涉法進(jìn)行放大測量，對(duì)表面粗糙度的水平水平參數(shù)通過顯微放大顯微放大系統(tǒng)測量。n干涉顯微鏡測量范圍：Rz=0.8um-0.025um。2abHe.g. e.g. 在檢測某工件表面平整度時(shí)在檢測某工件表面平整度時(shí), ,在工件上放一標(biāo)準(zhǔn)平面玻璃在工件上放一標(biāo)準(zhǔn)平面玻璃, ,使其間形成一空氣劈尖，并觀察到彎曲的干涉條紋，如圖所示。使其間形成一空氣劈尖，并觀察到彎曲的干涉條紋，如圖所示。求紋路深度求紋路

16、深度H H。解解 若工件表面是平的若工件表面是平的, ,等厚條紋應(yīng)等厚條紋應(yīng)為平行于棱邊的直線條紋。由于為平行于棱邊的直線條紋。由于一條一條條紋對(duì)應(yīng)一個(gè)厚度條紋對(duì)應(yīng)一個(gè)厚度，由圖，由圖的紋路彎曲的紋路彎曲情況可知，情況可知，工件表面的紋路是工件表面的紋路是凹凹下去的。下去的。 H2 laHla工件工件標(biāo)準(zhǔn)平面標(biāo)準(zhǔn)平面 由圖：由圖：H H = = a sinsin 因因 ：lsinlsin = = /2/2, ,所以所以紋路深度紋路深度四、觸針法測量表面粗糙度1、觸針法的測量原理u觸針法又稱針描法，它是一種接觸式接觸式測量方法，是利用儀器的測針與被測表面相接觸，并使測針沿表面輕輕劃過以測量表面粗

17、糙度的一種測量法。它是將一個(gè)很尖的一個(gè)很尖的觸針觸針（半徑可以做到微米量級(jí)的金剛石針尖）垂直安置在被測表面上作橫向移動(dòng)，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(yùn)動(dòng)。將這種微小位移微小位移通過電路轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并加以放大放大和運(yùn)算處理，即可得到工作表面粗糙度參數(shù)值得到工作表面粗糙度參數(shù)值；也可通過記錄器描繪出表面輪廓圖形，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)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(dá)到幾納米。u適宜測量值為50.02m范圍內(nèi)的表面粗糙度。電感輪廓儀電感輪廓儀3、激光干涉式輪廓儀q激光干涉式輪廓儀中，干涉系統(tǒng)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

18、確定的比例關(guān)系，因此由測得的測量鏡的位移量可算得觸針的位移量。q與電感式輪廓儀相比，激光式輪廓儀具有寬量程寬量程和高分辨高分辨的特點(diǎn)。4、壓電式輪廓儀q壓電式輪廓儀具有壓電特性的晶體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(qiáng)的液體，當(dāng)觸針隨工件表面快速上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體摩擦很大，可認(rèn)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。q壓電式輪廓儀結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶。便攜式表面粗糙度儀影響因素：影響因素： 觸針形狀觸針形狀 & 測量力測量力非接觸測量方法n光學(xué)探針法n臨界角法n外差干涉法測量時(shí)，壓電驅(qū)動(dòng)器線性移動(dòng)參考表面，從而

19、導(dǎo)致兩個(gè)光束相位發(fā)生移動(dòng)。系統(tǒng)記錄不同相位下條紋強(qiáng)度，并綜合光強(qiáng)數(shù)據(jù)，作出隨相位變化的光強(qiáng)變化波形。表面高度由以下公式得出： H(x,y) = *(x,y)/(4*) 為光源波長，(x,y)是相位。 當(dāng)條紋圖案足夠時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)是可靠的。但如果相鄰測點(diǎn)高度超過/4，半波長的倍數(shù)會(huì)被忽略。3D Surface Texture ParametersPart I Glossary&Definition補(bǔ)充材料：補(bǔ)充材料：Main Parameters “Birmingham 14”nAmplitude Parameters (4) RMS deviation: Sq Ten point hei

20、ght: Sz Skewness: Ssk Kurtosis: SkunSpatial Parameters (4) Density of summits: Sds Texture aspect ratio: Str Fastest decay autocorrelation length: Sal Texture direction: StdnHybrid Parameters (3) RMS slope: Sdq Mean summit curvature: Ssc Developed interfacial area ratio: SdrnFunctional Parameters (3

21、) Surface bearing index: Sbi Core fluid retention index: Sci Valley fluid retention index: SviAmplitude ParametersSq: Insensitive in differentiating peaks, valleys and spacing of various texture featuresAmplitude ParametersSsk: Preponderance of peaks (Ssk0) Preponderance of valleys (Ssk3.00) or else

22、 (Sku3.00)Spatial ParametersSds: Applications in bearings, seals, electronic contactsSpatial ParametersHybrid ParametersApplications in: rough contact (elastic, plastic).Hybrid ParametersApplications in: surface coating, adhesion, lubricationFunctional ParametersApplications in : tribology, lubricat

23、ion, wearReferencesnSPIP: ImageMetrology Com. Help files (ISO 4287, DIN 4768, ASME B46.1)nCentre for Ultra Precision Technologies University of Huddersfield (Web)nMichigan Metrology, LLC (Document)3D Surface Texture ParametersPart II Programming ResultsSurface for evaluation5010015020025050100150200

24、250FFT of the surface5010015020025050100150200250 Power spectrum5010015020025050100150200250ACF map of the surface10020030040050050100150200250300350400450500-250-200-150-100-50050100150200250-250-200-150-100-50050100150200250-150-100-50050100150-200-150-100-5005010015020000.10.20.30.40.50.60.70.80.91-0.100.10.20.30.4Height distribution & surface bearing curve0306090120150180ParametersBy SPIPMy calculationAgreementSq0.102 nm0.102 nm100 %Sz0.605 nm0.605 nm100 %Ssk0.6210.621100 %Sku2.772.77100 %Sal-0.804 nm-Sds21.4 1/nm221.6 1/nm2100.9 %Str0.12