第二節(jié)表面粗糙度的測量方法

第二節(jié)表面粗糙度的測量方法第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一任務：表面粗糙度的測量測量對象和被測量問題1：工件特點？（大小、輕重、材料）問題2：測哪里的粗糙度？（內、外表面；平面、柱面、球面、齒面、牙型面）問題3：測量有什么特點？問題4：與長度、角度測量有何不同？測量單位和標準量長度單位-um表面粗糙度樣板光波波長電壓、電流標準測量方法測量方案設計測量方法測量儀器接觸形式、定位測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—、表面粗糙度的測量方法概述

表面粗糙度反映的是機械零件表面的微觀幾何形狀誤差，對表面粗糙度的測量方法很多，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，星期一對表面粗糙度的評價主要分為定性和定量兩種評定方法。

定性評定是將待測表面和已知表面光潔度級別的標準樣板相比較，通過目估或借助于顯微鏡以判別其級別。

定量評定則是通過一定的測量方法和相應的儀器，測出待測表面的不平度數值。實際工作中，對加工表面粗糙度的評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．與表面粗糙度標準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準表面樣塊，用來與被測的表面相比較。表面粗糙度樣板第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一測量方法：目測法：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：樣板與被測件的加工方法、材料、形狀都相同。適用范圍：工廠比較常用，尤其是車間檢驗中常用。一般只用于粗糙度評定參數值較大的情況下，其判斷的準確性很大程度上取決于檢驗人員的經驗，當有爭議時可用儀器進行測量。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量表面微觀不平度數值的方法

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

這類方法是利用被測表面的某種特性來間接評定表面粗糙度的數值。例如：氣動法：是利用流經測量頭與被測表面間氣體流量的大小或其所引起的壓力變化來評定表面粗糙度。電容法：是利用測量頭與被測表面間形成的電容量大小來評定表面粗糙度。不能直接測出表面參數Ra或Rz，而需進行比對定標，且要配備一些和被測表面幾何形狀相適應的測量頭。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表面上，光束在被測表面上發(fā)生反射，將表面微觀不平度用顯微鏡放大成象進行觀測的方法。圖4-5是光切法的測量原理圖。若傾斜角取45°，則得：

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

h=N/(Vcos45°)

測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．測量儀器原理及定度（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，光切法測量范圍一般為：Rz=(80～0.8)m（舊國標3～9）。式h=N/(Vcos45°)中有無理數，計算、使用不便，在儀器設計時采用機械方法加以有理化，其方法如圖4-7所示。此時：

h=a/2V

式中:a—用儀器測微目鏡瞄準峰谷象高度N（圖4-7

中十字線位置I與II）時兩次讀數差值；

h—表面粗糙度的某一峰谷高度；

V—所選用物鏡的放大倍數。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，把確定測微目鏡的鼓輪上每小格所對應的被測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標準刻線尺（通常為專用附件，刻度間隔為0.01mm，共101條刻線）來測定各個物鏡的實際放大率。如圖4-8所示，物鏡放大率為：

V=

令C=5/V，則：h=cn(um)式中，n為測量峰谷高度時兩次讀數的差值（格數）。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應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．測量方法

測量前，選擇相應的物鏡（表4-2）并已知定度值C。然后調節(jié)顯微鏡使視場呈現清晰的狹縫象及表面象，且至狹縫象的一個邊緣最清晰為止。（1）測量Rz值其測量方法應符合定義。Rz值可按下式計算：

Rz=C

（2）測量Ry值：

Ry=C第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一

（4）測量平均間距Sm

Sm=2C

（3）測量單峰平均間距S值

S=C

（5）用光切法測量Ra值因測量與計算都很麻煩，故很少應用。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．儀器的測量誤差和示值相對誤差的檢定（1）測量誤差的主要因素有：瞄準誤差、測微目鏡制造誤差、估讀誤差、定度用標準尺誤差、被測工件定位誤差、儀器使用調整誤差等。（2）儀器示值誤差的檢定：根據國家計量檢定規(guī)程，僅檢定其示值相對誤差是否在要求的范圍內，測量范圍不同（既物鏡不同），要求不同。（3）儀器示值相對誤差的檢定是用受檢定的光切顯微鏡去實測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、干涉顯微鏡測量表面粗糙度干涉顯微鏡測量原理：聯合運用干涉原理和顯微放大原理。對測量面垂直高度方向的微觀不平度通過光波干涉法進行放大測量，對表面粗糙度的水平參數通過顯微放大系統(tǒng)測量。干涉顯微鏡測量范圍：Rz=0.8m～0.025m。6JA干涉顯微鏡測量光路見圖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非接觸微表面測量系統(tǒng)。測量精度達自動完成測量。Mirau干涉儀的改進：R被固定在PZT上。第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一帶有旋轉檢偏器測相的改進的微分干涉顯微鏡（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、觸針法測量表面粗糙度1．觸針法的測量原理觸針法又稱針描法，它是一種接觸式測量方法，是利用儀器的測針與被測表面相接觸，并使測針沿其表面輕輕劃過以測量表面粗糙度的一種測量法。將一個很尖的觸針（半徑可以做到微米量級的金鋼石針尖）垂直安置在被測表面上作橫向移動，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動。將這種微小位移通過電路轉換成電信號并加以放大和運算處理，即可得到工件表面粗糙度參數值；也可通過記錄器描繪出表面輪廓圖形，再進行數據處理，進而得出表面粗糙度參數值。這類儀器垂直方向的分辨率最高可達到幾納米。適宜測量值為5—0.02m范圍內的表面粗糙度。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系，因此由測得的測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。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的液體，當觸針隨工件表面快速上下運動時，液體摩擦很大，可認為觸針桿被夾緊在槽片中，壓電晶片因觸針的位移而產生變形，并在晶片表面產生與變形成比例的電荷。當觸針以很慢的速度移動時，硅脂的液體的摩擦很小，允許觸針桿相對槽片打滑，位移不傳給壓電晶片，有濾除低頻信號的功能。壓電式輪廓儀結構緊湊，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