第二節(jié)表面粗糙度的測(cè)量方法

第二節(jié)表面粗糙度的測(cè)量方法第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一任務(wù)：表面粗糙度的測(cè)量測(cè)量對(duì)象和被測(cè)量問題1：工件特點(diǎn)？（大小、輕重、材料）問題2：測(cè)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(cè)量有什么特點(diǎn)？問題4：與長(zhǎng)度、角度測(cè)量有何不同？測(cè)量單位和標(biāo)準(zhǔn)量長(zhǎng)度單位-um表面粗糙度樣板光波波長(zhǎng)電壓、電流標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法測(cè)量方案設(shè)計(jì)測(cè)量方法測(cè)量?jī)x器接觸形式、定位測(cè)量精度方法精度儀器精度影響因素改善精度的措施第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一—、表面粗糙度的測(cè)量方法概述

表面粗糙度反映的是機(jī)械零件表面的微觀幾何形狀誤差，對(duì)表面粗糙度的測(cè)量方法很多，主要方法見下表。

第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一對(duì)表面粗糙度的評(píng)價(jià)主要分為定性和定量?jī)煞N評(píng)定方法。

定性評(píng)定是將待測(cè)表面和已知表面光潔度級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)樣板相比較，通過目估或借助于顯微鏡以判別其級(jí)別。

定量評(píng)定則是通過一定的測(cè)量方法和相應(yīng)的儀器，測(cè)出待測(cè)表面的不平度數(shù)值。實(shí)際工作中，對(duì)加工表面粗糙度的評(píng)定可歸納為如下四種方式。

第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一１．與表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)表面樣塊，用來與被測(cè)的表面相比較。表面粗糙度樣板第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一測(cè)量方法：目測(cè)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(diǎn)：樣板與被測(cè)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(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(zhēng)議時(shí)可用儀器進(jìn)行測(cè)量。第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一２．在選定截面上直接測(cè)量表面微觀不平度數(shù)值的方法

普遍采用、定量測(cè)量、嚴(yán)格按照定義測(cè)、本節(jié)重點(diǎn)。常用的有光切法、干涉法、觸針法等各種測(cè)量原理的光學(xué)或電學(xué)儀器。3．印模法測(cè)量表面粗糙度對(duì)于大型零件或零件內(nèi)表面等不易直接測(cè)量的情況下可用此法。印模表面的峰谷值總要比被測(cè)表面的峰谷值要小些，因而對(duì)此結(jié)果需加以修正。其修正系數(shù)值與所用材料等有關(guān)，應(yīng)由實(shí)驗(yàn)來確定。第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一4．間接測(cè)量方法

這類方法是利用被測(cè)表面的某種特性來間接評(píng)定表面粗糙度的數(shù)值。例如：氣動(dòng)法：是利用流經(jīng)測(cè)量頭與被測(cè)表面間氣體流量的大小或其所引起的壓力變化來評(píng)定表面粗糙度。電容法：是利用測(cè)量頭與被測(cè)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(cè)出表面參數(shù)Ra或Rz，而需進(jìn)行比對(duì)定標(biāo)，且要配備一些和被測(cè)表面幾何形狀相適應(yīng)的測(cè)量頭。其他方法：激光散射法、激光散班法、激光全息法等。第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一二、光切法測(cè)量表面粗糙度第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一

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(cè)表面上，光束在被測(cè)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(jìn)行觀測(cè)的方法。圖4-5是光切法的測(cè)量原理圖。若傾斜角取45°，則得：

h’=h/cos45°若觀測(cè)顯微物鏡的倍數(shù)V，則：N＝Ｖh’用顯微鏡測(cè)出象的大小N，即可求出h值：

h=N/(Vcos45°)

測(cè)量表面粗糙度峰谷距離的原理與上述相同。圖4-5光切原理

1．光切法原理：第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一圖4-6光切顯微鏡光路

2．測(cè)量?jī)x器原理及定度（1）原理光切顯微鏡的光路原理如圖4-6所示。用測(cè)微目鏡量出a、a’的距離Ｎ，即可求出峰谷間的高度。第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一由于物鏡分辨率及景深的限制，光切法測(cè)量范圍一般為：Rz=(80～0.8)m（舊國(guó)標(biāo)3～9）。式h=N/(Vcos45°)中有無理數(shù)，計(jì)算、使用不便，在儀器設(shè)計(jì)時(shí)采用機(jī)械方法加以有理化，其方法如圖4-7所示。此時(shí)：

h=a/2V

式中:a—用儀器測(cè)微目鏡瞄準(zhǔn)峰谷象高度N（圖4-7

中十字線位置I與II）時(shí)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)。雙管顯微鏡第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一雙管顯微鏡視場(chǎng)圖第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一雙管顯微鏡第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一光切顯微鏡讀數(shù)第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一（2）定度：在光切顯微鏡上，把確定測(cè)微目鏡的鼓輪上每小格所對(duì)應(yīng)的被測(cè)峰谷高度值的過程叫作“定度”。(h=a/2V)定度首先是求物鏡的放大倍率。求物鏡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(cè)定各個(gè)物鏡的實(shí)際放大率。如圖4-8所示，物鏡放大率為：

V=

令C=5/V，則：h=cn(um)式中，n為測(cè)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(jiǎn)便。C值的物理意義就是測(cè)微鼓輪一小格所對(duì)應(yīng)的峰谷方向的高度值。

第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一3．測(cè)量方法

測(cè)量前，選擇相應(yīng)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(chǎng)呈現(xiàn)清晰的狹縫象及表面象，且至狹縫象的一個(gè)邊緣最清晰為止。（1）測(cè)量Rz值其測(cè)量方法應(yīng)符合定義。Rz值可按下式計(jì)算：

Rz=C

（2）測(cè)量Ry值：

Ry=C第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一

（4）測(cè)量平均間距Sm

Sm=2C

（3）測(cè)量單峰平均間距S值

S=C

（5）用光切法測(cè)量Ra值因測(cè)量與計(jì)算都很麻煩，故很少應(yīng)用。為什么C前乘為什么C前乘2第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一4．儀器的測(cè)量誤差和示值相對(duì)誤差的檢定（1）測(cè)量誤差的主要因素有：瞄準(zhǔn)誤差、測(cè)微目鏡制造誤差、估讀誤差、定度用標(biāo)準(zhǔn)尺誤差、被測(cè)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(guó)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(cè)量范圍不同（既物鏡不同），要求不同。（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(cè)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(duì)誤差為:

第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一三、干涉顯微鏡測(cè)量表面粗糙度干涉顯微鏡測(cè)量原理：聯(lián)合運(yùn)用干涉原理和顯微放大原理。對(duì)測(cè)量面垂直高度方向的微觀不平度通過光波干涉法進(jìn)行放大測(cè)量，對(duì)表面粗糙度的水平參數(shù)通過顯微放大系統(tǒng)測(cè)量。干涉顯微鏡測(cè)量范圍：Rz=0.8m～0.025m。6JA干涉顯微鏡測(cè)量光路見圖4-12。第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一干涉顯微鏡

第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一1986年WYKO公司研制成功的TOPO非接觸微表面測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量精度達(dá)自動(dòng)完成測(cè)量。Mirau干涉儀的改進(jìn)：R被固定在PZT上。第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一帶有旋轉(zhuǎn)檢偏器測(cè)相的改進(jìn)的微分干涉顯微鏡（清華）垂直分辨率優(yōu)于1nm，水平分辨力0.4μmNomarski干涉顯微鏡及改進(jìn)第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一圖4-12干涉顯微鏡光路

6JA干涉顯微鏡測(cè)量光路見圖4-12。第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一四、觸針法測(cè)量表面粗糙度1．觸針法的測(cè)量原理觸針法又稱針描法，它是一種接觸式測(cè)量方法，是利用儀器的測(cè)針與被測(cè)表面相接觸，并使測(cè)針沿其表面輕輕劃過以測(cè)量表面粗糙度的一種測(cè)量法。將一個(gè)很尖的觸針（半徑可以做到微米量級(jí)的金鋼石針尖）垂直安置在被測(cè)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(cè)表面輪廓形狀作垂直起伏運(yùn)動(dòng)。將這種微小位移通過電路轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并加以放大和運(yùn)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(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。適宜測(cè)量值為5—0.02m范圍內(nèi)的表面粗糙度。第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一圖4-15輪廓儀的原理框圖2．電感輪廓儀電感輪廓儀的傳感器原理如圖4-14所示。圖4-15為儀器的原理框圖。第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一3．激光干涉式輪廓儀激光干涉式輪廓儀中，干涉系統(tǒng)的測(cè)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(guān)系，因此由測(cè)得的測(cè)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(diǎn)。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(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。當(dāng)觸針以很慢的速度移動(dòng)時(shí)，硅脂的液體的摩擦很小，允許觸針桿相對(duì)槽片打滑，位移不傳給壓電晶片，有濾除低頻信號(hào)的功能。壓電式輪廓儀結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶。第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第36頁，共41頁，2023年，2月20日