1、第四章 表面粗糙度的测量4.1 概述一、表面形貌误差的概念与形成n1. 表面形貌误差分类：表面形貌误差分类： 实际加工表面通常包括如下三种表面形貌误差：q表面粗糙度：表面粗糙度：波距小于1mm，大体呈周期性变化，属于微观几何形状误差；q表面波度：表面波度：波距在110mm，呈周期性变化，属于中间几何形状误差；q形状误差：形状误差： 波距大于10mm，无明显周期性变化，属于宏观几何形状误差。q纹理方向、伤痕n2. 表面粗糙度：表面粗糙度：是一种微观几何形状误差又称微观不平度。/h 1000n3. 表面粗糙度的产生原表面粗糙度的产生原因：因：在加工过程中，刀具和零件表面间产生摩擦、高频振动及切削时
2、在工件表面上留下的微观痕迹。高斯滤波器（高斯滤波器（ISO11562）：）：评定基准线：评定基准线：二、表面粗糙度的影响n表面粗糙度对零件的使用性能有着重要的影响，主要表现在：q对摩擦和磨损摩擦和磨损的影响：表面粗糙度大磨损大寿 命低q对配合性配合性的影响：表面粗糙度影响配合性质的稳定性q对接触刚度接触刚度的影响：表面越粗糙，接触刚度越低q对疲劳强度疲劳强度的影响：表面越粗糙，疲劳强度越低q对抗腐蚀性抗腐蚀性的影响：粗糙的表面易造成表面锈蚀q对结合密封性密封性的影响q对检验零件时的测量不确定度、零件的外形美观外形美观等的影响三、表面形貌测量的特点与范围n特点：特点：通常为量程小、测量分辨率高（
3、nm）、无目标靶。n表面粗糙度测量的范围表面粗糙度测量的范围现在表面分析技术已远走出机械零件，如： 1. 微电子工业：硅片、磁盘表面、光盘、光学元件 2. 材料科学：表面形貌分析、材料微裂纹 3. 生物科学：细胞生物、芯片、遗传学 4. 科学研究：纳米技术、物理、化学、生物等基础科学等4.2 表面粗糙度的评定参数国家标准n 我国参照国际标准（ISO），对原表面粗糙度国家标准GB 1031-1983、GB 131-1983作了修订和增订，新国标有：GB/T 3505-2000 表面结构的术语、定义及参数 GB/T 1031-1995表面粗糙度 参数及其数值GB/T 131-1993机械制图 表面
4、粗糙度符号、代号及其注法。一、主要术语及定义n1. 实际轮廓：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，可分为横向实际轮廓和纵向实际轮廓。除非特别指明，通常均指横向实际轮廓横向实际轮廓，即与加工纹理方向垂直加工纹理方向垂直的截面上的轮廓。n2. 取样长度取样长度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。q量取方向：量取方向：在轮廓总的走向上。q目的：目的：限制和削弱表面波度对表面粗糙度测量结果的影响。q选择原则：选择原则：下一页n3. 评定长度评定长度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。q目的：目的：为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匀性）。q选择原则：选择原则：一般按五个取样长度来确定。n4.轮廓中线轮廓中线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：）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：）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，且使上下两部分的面积相等的线。(a)轮廓最小二乘中轮廓最小二乘中；(b)轮廓算术平均中线轮廓算术平均中线二、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
6、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，三个附加的评定参数n1、轮廓算术平均偏差、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。niiaynR11n2. 微观不平度十点高度微观不平度十点高度Rz (新的国家标准中已新的国家标准中已取消）取消）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。在取样长度内，也可从平行于轮廓中线m的任意一个线算起，计算被测轮廓的五个最高点（峰）到五个最低点（谷）间的平均距离：n3、轮廓最大高度、轮廓最大高度Ry （新的国家标准中用（新的国家标准中用）在取样长度
7、内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。lrcXs1XsjXsnRyRa、Rz 哪个能充分反映粗糙度的特性哪个能充分反映粗糙度的特性?n Rz 用于控制用于控制不允许出现较深加工痕迹不允许出现较深加工痕迹的表面，的表面，此外，当被测表面段很短此外，当被测表面段很短(不足一个取样长度不足一个取样长度)，不适宜采用不适宜采用Ra评定时，也常采用评定时，也常采用Rz参数。参数。n当粗糙度值在当粗糙度值在0.0256.3 时，轮廓好测量，标时，轮廓好测量，标Ra （一般用电动轮廓仪进行测量）；（一般用电动轮廓仪进行测量）；mn4、轮廓微观不平度的平均间距、轮廓微观不平度的平均间距Sm含有一个轮廓峰和相邻
8、轮廓谷的一段中线长度Sm，称为轮廓微观不平度间距。 n5、轮廓单峰平均间距、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。n6.轮廓支承长度率轮廓支承长度率tp （反映耐磨性）（反映耐磨性）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轮廓支承长度与取样长度之比，就是轮廓轮廓支承长度率支承长度率。三、一般规定n1.为保证零件的表面质量，可按功能需要规定表面粗糙度。n2.在规定表面粗糙度要求时，必须给出粗糙度参数粗糙度参数值值和测定时的取样长度值取样长度值两项基本要求，也可规定表面纹理、不同区域的粗糙度等附加要
9、求。n3.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。4.3 表面粗糙度的测量方法一、表面粗糙度的测量方法分类n定性评定：待测表面和已知表面光洁度级别的标准样板相比较，通过目估或借助显微镜以判别其级别。n定量评定：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。n1、与表面粗糙度标准样板比较、与表面粗糙度标准样板比较表面粗糙度样板：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板，用来与被测的表面相比较。n测量方法测量方法：目测法6以下表面（即Ra值大于2.5m）；用510倍放大镜比较 6 8的表面；用比较显微镜 8以
10、上的表面；也可用手摸靠感觉来判断被加工表面的粗糙度。n注意点：注意点：样板与被测件的加工方法、材料、形状加工方法、材料、形状都相同。n适用范围：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、在选定截面上直接测量表面微观不平度数值的方法的方法n普遍采用、定量测量、严格按照定义测。n常用的有光切法、干涉法、触针法等。3、印模法测量表面粗糙度、印模法测量表面粗糙度n对大型零件或内表面等不易直接测量的情况。n印模表面的峰谷值总要比被测表面的峰谷值
11、小，对结果需加以修正。修正系数值与所用材料等有关，应由实验确定。4、间接测量方法、间接测量方法n气动法：利用流经测量头与被测表面间气流量的大小或其所引起的压力变化来评定表面粗糙度。n电容法：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。不能直接测出表面不能直接测出表面参数参数，而需进行比对定标，且要配备和被测表面几何形状相适应的测量头。n其他方法：激光散射法、激光散斑法、激光全息法等。二、光切法测量表面粗糙度n1、光切法原理用一狭窄的扁平光以一定倾斜角照射到被测面，发生反射，将表面微观不平度用显微镜放大成像进行观测。2、测量仪器原理及定度、测量仪器原理及定度（1）原理(a)测量装置结
12、构简图测量装置结构简图；(b)目镜视场的影像目镜视场的影像；(c)测量原理简图测量原理简图1光源；光源； 2聚光镜；聚光镜；3狭缝；狭缝； 4、5物镜；物镜； 6分划板；分划板；7目镜；目镜； 8被测表面被测表面n由于物镜分辨率及景深的限制，光切法测量范围由于物镜分辨率及景深的限制，光切法测量范围一般为：一般为： Rz=(800.8) m(旧国际旧国际39)。双管显微镜双管显微镜1底座；底座；2立柱；立柱；3横梁；横梁；4手轮；手轮；5固定螺丝；固定螺丝；6微调手轮；微调手轮；7壳体壳体8锁紧手柄；锁紧手柄；9工作台；工作台；10物镜组；物镜组；11测微目镜；测微目镜；12燕尾导轨；燕尾导轨；
13、13千分尺千分尺双管显微镜视场图双管显微镜视场图n（2）定度：）定度：q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“定度定度”。q定度首先是求物镜的放大倍率。求物镜的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倍率。物镜放大率为：令C=5/V，则：h=Cn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。n3、测量方法、测量方法 测量前，选择相应的物镜并已知定度值C。然后调节显微镜使视场呈现清晰的狭缝及表面像，且至狭
14、缝像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：（2）测量Ry值：n（3）测量单峰平均间距S值n（4）测量平均间距Smn（5）用光切法测量Ra值 因测量与计算都很麻烦，故很少应用n4、仪器的测量误差和示值相对误差的检定n（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。n（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（即物镜）不同，要求不同。n（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实测已知其刻
15、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n干涉显微镜测量原理：联合运用干涉原理和显微放大原理。对测量面垂直垂直高度方向的微观不平度通过光波干涉干涉法进行放大测量，对表面粗糙度的水平水平参数通过显微放大显微放大系统测量。n干涉显微镜测量范围：Rz=0.8um-0.025um。2abHe.g. e.g. 在检测某工件表面平整度时在检测某工件表面平整度时, ,在工件上放一标准平面玻璃在工件上放一标准平面玻璃, ,使其间形成一空气劈尖，并观察到弯曲的干涉条纹，如图所示。使其间形成一空气劈尖，并观察到弯曲的干涉条纹，如图所示。求纹路深度求纹路深度H
16、 H。解解 若工件表面是平的若工件表面是平的, ,等厚条纹应等厚条纹应为平行于棱边的直线条纹。由于为平行于棱边的直线条纹。由于一条一条条纹对应一个厚度条纹对应一个厚度，由图，由图的纹路弯曲的纹路弯曲情况可知，情况可知，工件表面的纹路是工件表面的纹路是凹凹下去的。下去的。 H2 laHla工件工件标准平面标准平面 由图：由图：H H = = a sinsin 因因 ：lsinlsin = = /2/2, ,所以所以纹路深度纹路深度四、触针法测量表面粗糙度1、触针法的测量原理u触针法又称针描法，它是一种接触式接触式测量方法，是利用仪器的测针与被测表面相接触，并使测针沿表面轻轻划过以测量表面粗糙度的
17、一种测量法。它是将一个很尖的一个很尖的触针触针（半径可以做到微米量级的金刚石针尖）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。将这种微小位移微小位移通过电路转换成电信号并加以放大放大和运算处理，即可得到工作表面粗糙度参数值得到工作表面粗糙度参数值；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。u适宜测量值为50.02m范围内的表面粗糙度。电感轮廓仪电感轮廓仪3、激光干涉式轮廓仪q激光干涉式轮廓仪中，干涉系统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
18、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。q与电感式轮廓仪相比，激光式轮廓仪具有宽量程宽量程和高分辨高分辨的特点。4、压电式轮廓仪q压电式轮廓仪具有压电特性的晶体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。q压电式轮廓仪结构紧凑结构紧凑，便于携带。便携式表面粗糙度仪影响因素：影响因素： 触针形状触针形状 & 测量力测量力非接触测量方法n光学探针法n临界角法n外差干涉法测量时，压电驱动器线性移动参考表面，从而导致两个光束相
19、位发生移动。系统记录不同相位下条纹强度，并综合光强数据，作出随相位变化的光强变化波形。表面高度由以下公式得出： H(x,y) = *(x,y)/(4*) 为光源波长，(x,y)是相位。 当条纹图案足够时，这项技术是可靠的。但如果相邻测点高度超过/4，半波长的倍数会被忽略。3D Surface Texture ParametersPart I Glossary&Definition补充材料：补充材料：Main Parameters “Birmingham 14”nAmplitude Parameters (4) RMS deviation: Sq Ten point height: Sz Ske
20、wness: 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) Surface b
21、earing 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 (Sku3.00)S
22、patial ParametersSds: Applications in bearings, seals, electronic contactsSpatial ParametersHybrid ParametersApplications in: rough contact (elastic, plastic).Hybrid ParametersApplications in: surface coating, adhesion, lubricationFunctional ParametersApplications in : tribology, lubrication, wearRe
23、ferencesnSPIP: 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 evaluation5010015020025050100150200250FFT of t
24、he 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
25、.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 %Str0.120.1192 %Std143 degree144 degree100.7 %Sdq1.25 1/nm1.26 1/nm101
26、%Ssc0.727 1/nm37.15 1/nm?Sdr65.0 %65.0 %100 %Sbi0.3890.389100 %Sci1.851.8399 %Svi0.07080.069198 %ParametersBy SPIPMy calculationAgreementSq16.4 nm16.45 nm100.3 %Sz112 nm112 nm100 %Ssk0.3640.364100 %Sku3.223.22100 %Sal-159.4 nm-Sds143 1/um2144 1/um2100.7 %Str0.870.8294 %Std0 degree0 degree100 %Sdq0.5
27、99 1/nm0.602 1/nm100.5 %Ssc0.003 1/nm0.05 1/nm?Sdr15.0 %15.1 %100.7 %Sbi3.804.01105.5 %Sci1.701.6798 %Svi0.09710.093696.4 %ParametersBy SPIPMy calculationAgreementSq40.7 nm40.7 nm100 %Sz190 nm190 nm100 %Ssk- 1.54-1.54100 %Sku3.833.83100 %Sal-2.546 um-Sds0.903 1/um20.907 1/um2100.4 %Str0.8180.822100.5 %Std112 degree112 degree100 %Sdq0.0599 1/nm0.06 1/nm100.2 %Ssc5.26E-7 1/nm6.96E-5 1/nm?Sdr0.178 %0.18 %101 %Sbi0.2310.231100 %Sci0.4910.48999.6 %Svi0.330.32297.6%
