表面粗糙度及表面形狀的測量

1、度與表面形狀誤差盡管測量表面在基本長度范圍內(nèi)的法線方向上變化是很明顯的,但要區(qū)別粗糙度與表面形狀誤差(包括波度)也是較復雜的,特別是當表面形狀誤差或波度數(shù)值與表面粗糙度數(shù)值很接近時。使用不同的測量方法,形狀誤差或波度可能與表面粗糙度的數(shù)值互相交疊,分辨不清。所以實際測量時,應使二者互相減掉以利于單獨讀出表面粗糙度數(shù)值或單獨讀出表面形狀誤差數(shù)值。例如,只測粗糙度時,讀出的數(shù)據(jù)應是在基本長度內(nèi)的表面不規(guī)則性。簡單的機械法,常為劃針表面光度儀,但將儀器測頭安裝在一個小滑軌上,騎在零件表面,記錄劃針相對導軌移動的位移,以表面高低的平均值作為所測數(shù)據(jù),表面波動變化比所記錄的高低變化小得多。另一個方法是在

2、記錄過程中或記錄后過濾位移信號以組成相應于長波表面位移(指形狀誤差或波度);電子過濾法就可用于去除粗糙度信號,用來只測量形狀誤差或波度并且可以定量顯示出數(shù)值。3幾種表面粗糙度的描述方法最常用的表面粗糙度的描述方法是平均表面粗糙度法,用符號Ra表示,定義為表面中線平均高度的算術(shù)平均值,中線指曲線上部和下部面積相等的分界線。如圖3所示,用公式表示圖3表面粗糙度定義圖Ra=1LL0 y(x) dx均方根偏差法定義表面粗糙度用符號Rq表示,用公式表示R2q=1LL0y2(x)dx對許多表面講Ra與Rq很接近。用單個數(shù)據(jù)來描述表面形狀,不可避免地要丟失一些重要信息。例如Ra和Rq沒給出不規(guī)則表面形狀和表

3、面空間的信息,對于完整地描述表面形貌來講,需要對表面高度分配的可能性及穿過表面的高峰與低谷的空間分配作出測量。描述表面高低分配方法與波幅密度函數(shù)P(y)有關(guān),P(y)是任意點處偏離平均線的高度值。數(shù)值P(y)y為在平均線上落在y與y+y之間的表面形狀百分比,如圖4所示,它是一條波動曲線,此曲線對應一條對稱于平均線位置的波幅密度曲線,對稱的波幅密度函數(shù)說明表面形狀的信息。粗糙度Rq是波幅密度函數(shù)的標準偏差,波幅密度曲線可用不對稱度表示,符號為Sk,并定義為:Sk=1R3q+-y3P(y)dy測量的峰值狀態(tài)用K表示為:K=1R4q+-y4P(y)dy二者數(shù)值均可用微機表面光度儀將表面形狀較理想地計

4、算出來。圖4中方位變化曲線是相對被測高度的方位變化來描述表面狀態(tài)的。波幅分布和方位變化都沒描述表面峰與谷的方式,但可用來從表面了解峰與谷的分布密度。為了進一步描述表面狀態(tài)定義了表面形狀自相關(guān)函數(shù)C()C()=1LL0y(x)y(x+)dx其數(shù)值由沿表面移動的y值乘以未移動處的相應y值計算綜合曲線下的面積。當值為0時,C()值最大為R2q。自相關(guān)函數(shù)提供沿表面相距為范圍內(nèi)的表面高度分布的測量方法,概略地統(tǒng)計了很小間隔的信息。圖4表面形狀與波幅密度函數(shù)圖更全面些的描述表面粗糙度及表面狀態(tài)的34表面粗糙度及表面形狀的測量楊芊(廣東省汕頭市林百欣科技中專汕頭)摘要介紹表面粗糙度及形狀的測量方法及特點,

5、并給出了描述表面粗糙度與表面形狀誤差的方法。關(guān)鍵詞粗糙度形狀測量用足夠的放大倍數(shù)研究零件表面時,發(fā)現(xiàn)所有的固體表面都是不平的。在最小的情況下,可認為表現(xiàn)粗糙度是以單個的原子或分子的尺寸呈現(xiàn)的,例如,當我們仔細將云母樣品分層時,表面就可能是以分子組成光滑表面的。而實際工程中用的精度最高的拋光表面所呈現(xiàn)的粗糙度尺寸也遠遠大于原子的尺寸。研究表面粗糙度及表面形狀的方法很多,電子或光學顯微鏡法,細針接觸法,電學或熱學法和兩表面間的液體滲漏法等。最理想的測量方法應該算是掃描顯微鏡或原子力顯微鏡法,它們能解決單個原子的問題。但對于大多數(shù)工程問題,更適合的方法是研究表面形貌。1表面粗糙度及表面形狀的測量1.

6、1接觸測量法表面光度儀,其基本原理如圖1所示。一個細針在光滑表面上平穩(wěn)滑動,在觀測器下能觀察到劃針上下波動,波動的垂直距離由轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)放大后用最簡單的形式,在記錄紙上移動筆記錄。圖1簡單劃線式表面光度儀示意圖此種方法不可避免的局限性是針頭形狀。由于強度方面的原因,金剛石劃針常為圓錐或棱錐形,錐角一般為60,針尖半徑為1到2.5m。有限的針尖半徑及內(nèi)錐角會阻礙針尖進入窄坑的深底,即給測量結(jié)果帶來誤差,使本來不平的表面測成“光滑表面”。另一誤差是在測量非常精細或易變形的表面時,由于針的自身載荷(盡管很小),也會作用于被測表面上而使表面產(chǎn)生變形和損壞。1.2非接觸測量法光學法測表面粗糙度

7、比接觸法更具有吸引力。它可以無損傷地測量表面粗糙度。圖2為光學干涉儀法測量表面粗糙度的工作原理圖。它是通過兩束光的干涉,即從被測表面和參考表面反射回來的光線干涉產(chǎn)生干涉條紋,由一排光敏二極管連到微處理器上來實現(xiàn)數(shù)字顯示記錄。該方法在垂直方向可達到0.1nm的精度。盡管對某些顯微鏡來講,可測的最大深度受儀器焦距的限制,對被測表面非常精密、特別是易變形表面(如聚合物)來講,光學干涉儀比劃針式光度儀有明顯的優(yōu)越性。但對粗糙表面必須使用后者,在許多情況下,二者互相補充。圖2數(shù)字光干涉儀測表面粗糙度工作原理圖33大和最小實體實效尺寸的研究馬忠良(黑龍江商學院機械基礎教研室哈爾濱)1問題的提出在有關(guān)書中是

8、這樣論述最大實體實效尺寸和最小實體實效尺寸的:“在給定長度上,實際要素處于最大實體狀態(tài),且其中心要素的形狀或位置誤差等于給出公差值時的綜合極限狀態(tài),叫做最大實體實效狀態(tài)。最大實體實效狀態(tài)下的體外作用尺寸,叫做最大實體實效尺寸。用dMV和DMV分別表示外表面和內(nèi)表面的最大實體實效尺寸,則有dMV=dMMC+tDMV=DMMC-t”“在給定長度上,實際要素處于最小實體狀態(tài),且其中心要素的形狀或位置誤差等于給出公差值時的綜合極限狀態(tài),叫做最小實體實效狀態(tài)。最小實體實效狀態(tài)下的體內(nèi)作用尺寸,叫做最小實體實效尺寸。用DLV和dLV分別表示內(nèi)表面和外表面的最小實體實效尺寸,則有dLV=dLMC-tDLV=

9、DLMC+t”若按上述定義來分析和研究最大實體要求(或最小實體要求),同時應用于被測要素和基準要素的例子,就會發(fā)現(xiàn)符合最大實體要求(或最小實體要求)的零件,其被測要素的實際輪廓有時會處于其最大實體實效邊界(或最小實體實效邊界)之外,合格的零件就會誤廢。下面僅以圖2為例,若按上述定義,被測要素的最大實體實效尺寸為DMV=DMMC-t=50-0.155=49.845若零件測量后,被測要素實際尺寸為50(DMMC),基準要素實際尺寸為20.033(DLMC),在不考慮軸線傾斜的情況下,其同軸度公差的允許值為t=給定值+被測要素補償值+基準要素補償值=0.155+(50-50)+(20.033-20)

10、=0.188這時,被測要素的最大實體實效尺寸(用DMV表示)則為DMV=DMMC-t=50-0.188=49.812可見,DMVDMV上例所得結(jié)果顯然與最大實體要求的定義相矛盾。探其原因,問題是最大實體實效尺寸和最小實體實效尺寸的定義不夠準確。因此,使采用最大實體要求或最小實體要求(其主要應用場合僅是保證零件的可裝配性)的零件圖解變得復雜化,給工業(yè)測量帶來麻煩和誤解。2最大實體實效尺寸的重新定義最大實體實效狀態(tài)是在給定長度上,實際要素處于最大實體狀態(tài),且其中心要素的形狀或位置誤差等于給出的公差值與獲得的基準要方法是用譜密度權(quán)函數(shù)P(),它可用來描述關(guān)于表面空間頻率的方向信息,其定義是按自相關(guān)函數(shù)的付里葉變換進行的,即P()=20C()cos()d譜密度權(quán)函數(shù)是專門研究加工表面的函數(shù),特別是對于