《互換性與幾何量測量技術(shù)》課件第5章

第5章表面粗糙度

5.1表面粗糙度的基本概念

5.2表面粗糙度的評定

5.3表面粗糙度的參數(shù)值及其選用

5.4表面粗糙度的符號和代號及其注法

5.5表面粗糙度的檢測

5.1表面粗糙度的基本概念

5.1.1表面粗糙度的定義

表面粗糙度是指由加工表面上具有的較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特性，亦稱微觀不平度。表面粗糙度主要是由于在加工過程中刀具和零件表面之間的磨擦、切屑分離時的塑性變形和金屬撕裂，以及在工藝系統(tǒng)中存在高頻振動等原因所形成的。零件完工后，它的截面輪廓形狀是復(fù)雜的，一般包括表面粗糙度、表面波度和形狀誤差（宏觀幾何形狀誤差），三者按波距（間距）來劃分。通常，波距小于1mm的屬于表面粗糙度，波距為1～10mm的屬于表面波度，波距大于10mm的屬于形狀誤差，如圖5－1所示。圖5－1零件表面上的表面粗糙度、波度和形狀誤差

5.1.2表面粗糙度對機(jī)械零件使用性能的影響

1.對摩擦磨損的影響

具有微觀幾何形狀誤差的兩個表面只能在輪廓的峰頂發(fā)生接觸，實(shí)際有效接觸面積很小，進(jìn)而導(dǎo)致單位壓力增大，若表面間有相對運(yùn)動，則峰頂間的接觸作用就會對運(yùn)動產(chǎn)生摩擦阻力，同時使零件產(chǎn)生磨損。一般來說，表面越粗糙，摩擦阻力越大，零件的磨損也越快。必須指出，表面越光滑，磨損量不一定越小。磨損量除受表面粗糙不平的影響外，還與磨損下來的金屬微粒的刻劃作用、潤滑油被擠出和分子間的吸附作用等因素有關(guān)。所以，特別光滑的表面其磨損反而會加劇。實(shí)驗(yàn)證明，磨損量與表面粗糙度Ra之間的關(guān)系如圖5－2所示。例如，汽缸壁最合適的表面粗糙度是Ra=0.63～0.8μm，小型電動機(jī)軸頸的表面粗糙度為Ra=0.32～0.50μm。

圖5－2磨損量與Ra的關(guān)系曲線

2.對配合性質(zhì)的影響

對于有配合要求的零件表面，無論是哪一類配合，表面粗糙度都影響配合性質(zhì)的穩(wěn)定性?；瑒虞S承用的間隙配合會因表面微觀形狀的峰尖在工作過程中很快磨損而使間隙增大。如果表面因粗糙所引起的間隙增大過多，則會破壞原有的配合性質(zhì)。由于表面粗糙度與基本尺寸的大小無關(guān)，因此配合間隙的尺寸越小，這種影響就越嚴(yán)重。對于過渡配合，表面粗糙也會在使用和裝拆過程中使間隙增大，從而降低定心程度，改變原來的配合性質(zhì)。對于過盈配合，由于零件表面凹凸不平，因此配合零件經(jīng)過壓裝后，零件表面的峰頂會被擠平，以致實(shí)際過盈小于理論的計算過盈量，從而降低了連接強(qiáng)度。由此可知，表面粗糙度對配合零件的有效的接觸面積影響很大。表5－1所示為零件的有效接觸面積。

表5－1零件的有效接觸面積

3.對抗腐蝕性的影響

金屬腐蝕往往是由于化學(xué)作用或電化學(xué)作用造成的，如鋼鐵生銹、銅生銅綠等都是腐蝕作用所致。零件表面越粗糙，其腐蝕作用也就越嚴(yán)重。由于腐蝕性氣體或液體容易積存在凹谷底，因此腐蝕作用便從凹谷深入到了金屬內(nèi)部。表面越粗糙，凹谷越深，腐蝕作用就越嚴(yán)重，如圖5－3所示。因此，提高零件的表面粗糙度質(zhì)量可以增強(qiáng)其抗腐蝕能力。

圖5－3粗糙表面腐蝕示意圖

4.對抗疲勞強(qiáng)度的影響

零件在交變載荷、重載荷及高速工作條件下，其疲勞強(qiáng)度除了與零件材料的物理、力學(xué)性能有關(guān)外，還與表面粗糙度有很大關(guān)系。因?yàn)榱慵砻嬖酱植冢己墼缴?，其根部曲率半徑越小，對?yīng)力集中越敏感，特別是在交變負(fù)荷作用下，影響更大，零件往往很快產(chǎn)生疲勞裂縫而損壞，所以，對于承受交變載荷的零件，若提高其表面粗糙度質(zhì)量，則可提高其疲勞強(qiáng)度，從而相應(yīng)減小零件的尺寸和重量。

5.對結(jié)合密封性的影響

粗糙不平的兩個結(jié)合表面僅在局部點(diǎn)上接觸必然會產(chǎn)生縫隙，影響密封性。對于接觸表面之間沒有相對滑動的靜力密封表面，若表面微觀不平度谷底過深，密封材料在裝配受預(yù)壓后還不能完全填滿這些微觀不平度谷底，則將在密封面上留下滲漏間隙。因此，提高零件的表面粗糙度質(zhì)量，可提高其密封性。對于相對滑動的動力密封表面，由于相對運(yùn)動，表面間需有一定厚度的潤滑油膜，因此表面微觀不平度應(yīng)適宜，一般為4～5μm。

6.其他影響

表面粗糙度對零件性能的影響遠(yuǎn)不止以上五個方面，如對接觸剛度，沖擊強(qiáng)度，流體流動阻力，表面高頻電流以及機(jī)器、儀器的外觀質(zhì)量及測量精度等都有很大影響。

總之，表面粗糙度是精度設(shè)計中的一個重要參數(shù)，為保證機(jī)械零件的使用性能，必須合理地提出表面粗糙度要求。

5.2表面粗糙度的評定

5.2.1基本術(shù)語

1.取樣長度（lr）

取樣長度是指用于判別被評定輪廓的不規(guī)則特征的X軸方向上的長度，是測量或評定表面粗糙度時所規(guī)定的一段基準(zhǔn)線長度，它至少包含5個以上輪廓峰和輪廓谷，如圖5－4所示。評定表面粗糙度的取樣是從表面輪廓上取得的，如圖5－5所示，取樣長度lr的方向與輪廓走向一致，即X軸方向與間距方向一致。

規(guī)定取樣長度的目的在于限制和減弱其他幾何形狀誤差，特別是表面波度對測量的影響。一般表面越粗糙，取樣長度就越大。圖5－4取樣長度和評定長度

圖5－5零件表面的表面輪廓

2.評定長度（ln）

評定長度是用于判別被評定輪廓的X軸方向上的長度。由于零件表面粗糙度不均勻，因此為了合理地反映表面粗糙度特征，在測量和評定表面粗糙度時規(guī)定了一段最小長度，稱為評定長度(ln)。評定長度可包含一個或幾個取樣長度，如圖5－4所示。一般情況下，取ln=5lr；若被測表面比較均勻，可選ln

＜5lr；若均勻性差，可選ln

＞5lr。

3.中線

中線是具有幾何輪廓形狀并劃分輪廓的基準(zhǔn)線，基準(zhǔn)線有下列兩種。

1)輪廓最小二乘中線(m)

輪廓最小二乘中線是指在取樣長度內(nèi)，使輪廓線上各點(diǎn)輪廓偏距(也就是縱坐標(biāo)值Zi(X)的平方和)為最小的線，即為最小?？v坐標(biāo)Z方向如圖5－6所示。圖5－6輪廓最小二乘中線

圖5-7輪廓算術(shù)平均中線

5.2.2評定參數(shù)

1．幅度參數(shù)（高度參數(shù)）

1)輪廓的算術(shù)平均偏差Ra

在一個取樣長度內(nèi)縱坐標(biāo)值Z(x)絕對值的算術(shù)平均值，用Ra表示，如圖5-8所示。即(5-1)或近似為

(5－2)

Ra值的大小能客觀地反映被測表面的微觀幾何特性，Ra值越小，說明被測表面微小峰谷的幅度越小，表面越光滑；反之，Ra越大，說明被測表面越粗糙。Ra值是用觸針式電感輪廓儀測得的，受觸針半徑和儀器測量原理的限制，不宜用作過于粗糙或太光滑表面的評定參數(shù)，僅適用于Ra值在0.025～6.3μm的表面。

圖5－8輪廓的算術(shù)平均偏差

2）輪廓的最大高度Rz

在一個取樣長度內(nèi)，最大輪廓峰高Zpmax和最大輪廓谷深Zvmax之和的高度，如圖5-9所示，用Rz表示。即

Rz=Zpmax＋Zvmax

式中，Zpmax和Zvmax都取正值。

圖5－9輪廓的最大高度

2.間距參數(shù)

在一個取樣長度內(nèi)，輪廓單元寬度Xs的平均值用Rsm表示，如圖5－10所示,即

(5－4)圖5－10輪廓單元寬度

對Rsm需要辨別高度和間距。若未另外規(guī)定，省略標(biāo)注的高度分辨率為Rz的10％，省略標(biāo)注的間距分辨率為取樣長度的1％，上述兩個條件都應(yīng)滿足。GB／T3505—2000規(guī)定，表面粗糙度輪廓單元的寬度Xs是指X軸線與表面粗糙度輪廓單元相交線段的長度(見圖5－10)；表面粗糙度輪廓單元是指一個表面粗糙度輪廓峰和一個表面粗糙度輪廓谷的組合(見圖5－10)。

在取樣長度始端或末端，評定輪廓的向外部分和向內(nèi)部分可看做是一個表面粗糙度輪廓峰或輪廓谷。當(dāng)在若干個連續(xù)的取樣長度上確定若干個表面粗糙度輪廓單元時，在每一個取樣長度的始端或末端評定的峰和谷僅在每個取樣長度的始端計入一次。

3.混合參數(shù)（形狀參數(shù)）

在給定水平位置C上,輪廓的實(shí)體材料長度Ml(c)與評定長度的比率用Rmr(c)表示，如圖5－11所示，即

圖5-11支承比率曲線

5.3表面粗糙度的參數(shù)值及其選用

5.3.1表面粗糙度的參數(shù)值

表面粗糙度的參數(shù)值已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計時應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T1031—95《表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》規(guī)定的參數(shù)值系列選取。

幅度參數(shù)值如表5－2和表5－3所示，間距參數(shù)值如表5－4所示，混合參數(shù)值如表5－5所示。所有表面粗糙度參數(shù)，特別是表5－2中Ra的參數(shù)值…,0.40，0.80，1.60，3.2，6.3，12.5,…應(yīng)熟記于心，以便于在設(shè)計中應(yīng)用。

表5-2Ra的數(shù)值表5-3Rz的數(shù)值表5-4RSm的數(shù)值

表5-5Rmr(c)(％)的數(shù)值

表5-6lr和ln的數(shù)值

5.3.2表面粗糙度的選用

1．評定參數(shù)的選用

1）幅度參數(shù)的選用

幅度參數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基本參數(shù)，可以獨(dú)立選用。對于有表面粗糙度要求的表面，必須選用一個幅度參數(shù)。對于幅度方向的表面粗糙度參數(shù)值在0.025～6.3μm的零件表面，標(biāo)準(zhǔn)推薦優(yōu)先選用Ra。這是因?yàn)镽a能夠比較全面地反映被測表面的微小峰谷特征，同時，上述范圍內(nèi)用電動輪廓儀能夠很方便地測出被測表面Ra的實(shí)際值。Rz通常用光學(xué)儀器——雙管顯微鏡或干涉顯微鏡測量。在表面粗糙度要求特別高或特別低(Ra＜0.025μm或Ra＞6.3μm＝時，選用Rz。Rz用于測量部位小、峰谷小或有疲勞強(qiáng)度要求的零件表面的評定。

圖5-12微觀形狀對質(zhì)量的影響

2）間距參數(shù)的選用

對附加評定參數(shù)Rsm和Rmr(c)，一般不能作為獨(dú)立參數(shù)選用，只有少數(shù)零件的重要表面有特殊使用要求時才附加選用。Rsm主要在對涂漆性能(如噴涂均勻，涂層有極好的附著性和光潔性等)有要求時選用。另外,要求沖壓成形后抗裂紋、抗振、抗腐蝕、減小流體流動摩擦阻力等情況下也可選用。例如，汽車外形薄鋼板除要控制幅度參數(shù)Ra(0.9～1.3μm)外，還需進(jìn)一步控制Rsm(0.13～0.23μm)，主要作用是提高鋼板的可漆性。

3）混合參數(shù)的選用

輪廓的支承長度率Rmr(c)主要在耐磨性、接觸剛度要求較高等場合附加選用。

2.參數(shù)值的選用

表面粗糙度參數(shù)值選擇得合理與否，不僅對產(chǎn)品的使用性能有很大的影響，而且直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和制造成本。一般來說，表面粗糙度值（評定參數(shù)值）越小，零件的工作性能越好，使用壽命也越長。但絕不能認(rèn)為表面粗糙度值越小越好。為了獲得表面粗糙度值小的表面，零件需經(jīng)過復(fù)雜的工藝過程，這樣加工成本可能隨之急劇增高。因此選擇表面粗糙度參數(shù)值既要考慮零件的功能要求，又要考慮其制造成本。表面粗糙度參數(shù)值的選用原則為：首先，滿足零件的功能要求；其次，考慮經(jīng)濟(jì)性及工藝的可能性。

一般來說，表面粗糙度的選用原則是在滿足功能要求的前提下，參數(shù)的允許值應(yīng)盡可能大一些(除Rmr(c)外)。可以從以下幾方面考慮選擇表面粗糙度。

1）從加工角度來看

采用什么樣的加工方法，就能獲得什么樣的零件表面。因此在設(shè)計一個零件時就應(yīng)該明白，任何一個表面粗糙度的參數(shù)值都是與加工方法緊緊地聯(lián)系在一起的。為了了解各種加工方法與表面粗糙度參數(shù)值的聯(lián)系，表5－7列出了各種常用加工方法可能達(dá)到的表面粗糙度。

表5-7各種常用加工方法可能達(dá)到的表面粗糙度

2）從設(shè)計角度來看

零件本身的功能要求和零件間的裝配關(guān)系也與選擇該零件表面的表面粗糙度值有關(guān)。對有裝配要求的配合表面、外觀要求美觀的表面、承受交變載荷的表面等，應(yīng)該選用較小的表面粗糙度值，而對某些非配合的表面則可以盡量選用較大的表面粗糙度值?，F(xiàn)以某軸為例來說明軸的配合面和非配合面的表面粗糙度的選擇。表5－8所示為某軸表面的表面粗糙度值的選擇。

表5-8某軸表面的表面粗糙度值的選擇

3）選擇參數(shù)值的一般原則

（1）同一零件上，工作表面的Ra或Rz值比非工作表面小。

（2）摩擦表面的Ra或Rz值比非摩擦表面小；滾動摩擦表面比滑動摩擦表面的粗糙度參數(shù)值要小。

（3）運(yùn)動速度高,單位面積壓力大，以及受交變應(yīng)力作用的重要零件的圓角溝槽其表面粗糙度值都應(yīng)較小。

（4）配合性質(zhì)要求高的配合表面(如小間隙配合的配合表面)，以及要求連接可靠、受重載荷作用的過盈配合表面的表面粗糙度值都應(yīng)較小；間隙配合比過盈配合的表面粗糙度值要小。

（5）配合性質(zhì)相同，零件尺寸越小，則表面粗糙度參數(shù)值應(yīng)越??；同一公差等級，小尺寸比大尺寸的表面粗糙度參數(shù)值小，軸比孔的表面粗糙度參數(shù)值要小。

（6）在確定表面粗糙度參數(shù)值時，應(yīng)注意它與尺寸公差和形位公差要協(xié)調(diào)。尺寸公差和形位公差值越小，表面粗糙度的Ra或Rz值應(yīng)越小。

（7）要求防腐蝕、密封性能好或外表美觀的表面粗糙度數(shù)值應(yīng)較小。

（8）若有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已對表面粗糙度要求作出規(guī)定(如與滾動軸承配合的軸頸和外殼孔的表面粗糙度)，則應(yīng)按該標(biāo)準(zhǔn)來確定表面粗糙度參數(shù)值。

表5－9表面粗糙度的表面特征、經(jīng)濟(jì)加工方法及應(yīng)用舉例

4）類比法選用表面粗糙度值

在工程實(shí)際中，由于表面粗糙度和功能的關(guān)系十分復(fù)雜，因而很難準(zhǔn)確地確定參數(shù)的允許值，在具體設(shè)計時，除有特殊要求的表面外，一般多采用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計資料，用類比法來選用。根據(jù)類比法初步確定表面粗糙度后，再對比工作條件做適當(dāng)調(diào)整。例如，用類比法選擇齒輪齒面的表面粗糙度值。機(jī)械手冊規(guī)定，對于平穩(wěn)性精度為8級精度的齒輪，閉式傳動，它的齒面的表面粗糙度值應(yīng)該是Ra為1.6μm。從加工角度來看，表示齒輪經(jīng)過滾刀的加工后表面粗糙度可以達(dá)到的值。如果設(shè)計時，齒輪的平穩(wěn)性精度為9級，開式傳動，那么根據(jù)齒輪的精度等級和齒輪的工作條件，可以考慮將表面粗糙度降低一級，取Ra值為3.2μm。

從加工角度來看，表示可以采用仿形法加工齒輪，即使用盤狀銑刀或指狀銑刀加工齒輪，提高了齒輪加工的經(jīng)濟(jì)性。如果設(shè)計時，齒輪的平穩(wěn)性精度為7級，同樣是閉式傳動，即精度等級雖然高一級，但工作條件相同。這時，如果想提高齒輪加工的經(jīng)濟(jì)性，可以同樣選擇齒面表面粗糙度Ra為1.6μm，表示該齒輪仍然可以用滾刀來加工；如果想提高齒輪的工作性能，增加齒輪的接觸剛度，也可以選擇齒輪齒面表面粗糙度Ra為0.8μm，此時，齒輪必須上磨床磨削以達(dá)到設(shè)計的精度標(biāo)準(zhǔn)。為了便于使用類比法，表5-10列出了軸和孔的表面粗糙度參數(shù)推薦值，供類比法選用時參考。

表5－10軸和孔的表面粗糙度參數(shù)推薦值

5.4表面粗糙度的符號和代號及其注法

5.4.1表面粗糙度的符號

表5－11所示為圖樣上表示零件表面粗糙度的符號（有五種）及其說明。若僅需要加工(采用去除材料的方法或不去除材料的方法)而對表面粗糙度的其他規(guī)定沒有要求，則允許只標(biāo)注表面粗糙度符號。

表5-11表面粗糙度符號

5.4.2表面粗糙度的代號及其注法

1.表面粗糙度的代號

在表面粗糙度符號周圍，要求注寫若干數(shù)值以及有關(guān)規(guī)定，這些數(shù)值和有關(guān)規(guī)定的注寫位置如圖5－13所示。表面粗糙度符號和這些數(shù)值以及各種有關(guān)規(guī)定共同組成表面粗糙度代號。當(dāng)允許在表面粗糙度參數(shù)的所有實(shí)測值中超過規(guī)定值的個數(shù)少于總數(shù)的16%時，應(yīng)在圖樣上標(biāo)注表面粗糙度參數(shù)的上限值或下限值。當(dāng)要求在表面粗糙度參數(shù)的所有實(shí)測值中不得超過規(guī)定值時，應(yīng)在圖樣上標(biāo)注表面粗糙度參數(shù)的最大值或最小值。

圖5－13表面粗糙度代號的注法

２．表面粗糙度幅度參數(shù)的標(biāo)注

表面粗糙度幅度參數(shù)是基本參數(shù)，Ra在代號中是標(biāo)注在a1及a2位置，用數(shù)值表示，單位為微米（μm），參數(shù)值前省略標(biāo)注參數(shù)代號Ra

。Rz也是標(biāo)注在代號中的a1及a2位置，它的參數(shù)值前需標(biāo)注出相應(yīng)的參數(shù)代號Rz

。表面粗糙度幅度參數(shù)的各種標(biāo)注方法及其意義見表5-12。

表5－12表面粗糙度幅度參數(shù)的標(biāo)注方法及意義

３．表面粗糙度附加參數(shù)的標(biāo)注

表面粗糙度的間距參數(shù)和混合特性參數(shù)為附加參數(shù)，在幅度參數(shù)未標(biāo)注時，附加參數(shù)不能單獨(dú)標(biāo)注。若需要標(biāo)注RSm值或Rmr(c)值時，應(yīng)在表面粗糙度代號中的f位置標(biāo)注，數(shù)值寫在相應(yīng)的參數(shù)代號后面。圖5-14中，圖(a)是RSm上限值的標(biāo)注示例；圖(b)是RSm最大值標(biāo)注示例；圖(c)是Rmr(c)的標(biāo)注示例，表示水平截距C在Rz的50%位置上，Rmr(c)為70%，此時Rmr(c)為下限值；圖(d)是Rmr(c)最小值的標(biāo)注示例。

圖5-14表面粗糙度附加參數(shù)標(biāo)注

４．表面粗糙度其它項目的標(biāo)注

（1）表面粗糙度代號中的c位置是標(biāo)注取樣長度的位置。如果按表5-6的有關(guān)規(guī)定選用對應(yīng)的取樣長度時，在圖樣上可以省略標(biāo)注，否則應(yīng)按如圖5-15(a)所示方法標(biāo)注取樣長度。圖中表示Ra的上限值為12.5μm時，它的取樣長度應(yīng)取2.5mm。

圖5-15表面粗糙度其它項目的標(biāo)注

2）表面粗糙度代號中的b位置是標(biāo)注加工要求的位置。如果某表面的表面粗糙度要求由指定的加工方法（如拋光、銑削等）獲得時，可以用文字標(biāo)注在圖5-13中的規(guī)定之處，見圖5-15(b)所示。它表示該表面由銑削獲得，表面粗糙度Ra上限值為6.3μm。

3）表面粗糙度代號中的e位置是標(biāo)注加工余量的位置。如果在加工中需要標(biāo)注加工余量，應(yīng)按圖5-13表面粗糙度代號的規(guī)定標(biāo)注?，F(xiàn)設(shè)加工總余量為5mm，可按圖5-15(c)所示的標(biāo)注。它表示加工總余量為5mm時，表面粗糙度的Ra上限值為6.3μm。

4）表面粗糙度代號中的d位置是標(biāo)注加工紋理方向的位置。如果需要控制零件表面的加工紋理方向時，同樣可按圖5-13表面粗糙度代號中的獲得加工紋理規(guī)定標(biāo)注?，F(xiàn)設(shè)要獲得某一方向的加工紋理，則在表面粗糙度代號中規(guī)定的位置加注加工紋理方向符號，見圖5-15(d)。它表示在獲得表面粗糙度Ra上限值為6.3μm的同時，加工的紋理方向應(yīng)垂直于表面粗糙度標(biāo)注代號的視圖的投影面。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了加工紋理方向符號，如圖5-16所示。

圖5-16加工紋理方向符號

5.4.3表面粗糙度的圖樣標(biāo)注

在零件圖上標(biāo)注表面粗糙度代號時，代號的尖端應(yīng)指向可見輪廓線、尺寸線、尺寸界線或它們的延長線上，并且必須從材料外指向零件的表面。圖5-17(a)和圖5-17(b)分別表示表面粗糙度代號在不同位置上的標(biāo)注方法（注意圖示30o處為標(biāo)注禁區(qū)，標(biāo)注時應(yīng)該用細(xì)實(shí)線拉出來標(biāo)注）和在圖樣上標(biāo)注示例。零件所有表面或某些表面具有相同要求的表面粗糙度代號應(yīng)標(biāo)注在圖樣的右上角，此時其符號、代號和文字說明的高度均應(yīng)是圖形上其它表面所注代號和文字的1.4倍。對于齒輪、漸開線花鍵、螺紋等工作面沒有畫出齒（牙）形時，其表面粗糙度代號可按圖5-18所示的方式標(biāo)注，另外，對中心孔、鍵槽、圓角、倒角的表面粗糙度代號按圖5-19所示的方式標(biāo)注。

圖5-17表面粗糙度代號標(biāo)注示例

圖5-18齒輪、花鍵、螺紋的表面粗糙度標(biāo)注示例

圖5-19中心孔、鍵槽、圓角、倒角的表面粗糙度代號的標(biāo)注

5.5表面粗糙度的檢測

1.比較法

比較法是將被測表面與已知高度參數(shù)值的粗糙度樣板相比較來確定表面粗糙度的一種方法。比較時，可用肉眼判斷，也可用手摸感覺，還可借助于放大鏡和比較顯微鏡。選擇表面粗糙度樣板時，應(yīng)注意被測工件和標(biāo)準(zhǔn)樣板的材料、形狀(圓、平面)和加工方法(車、銑、刨、磨)等盡可能相同，這樣可以減少誤差，提高判斷的準(zhǔn)確性。比較法較為簡單，適合在車間使用。采用比較法判斷的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于檢驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)有爭議或進(jìn)行工藝分析時，可用儀器進(jìn)行測量。

2．光切法

光切法是利用光切原理來測量表面粗糙度的一種方法。

光切原理如圖5—20(a)所示。若被測表面P1，P2是階梯面，其階梯高度為h。A為一束扁平光，當(dāng)它從45o方向投射到階梯表面時，就被折成Sl和S2兩段，然后沿B方向反射，在顯微鏡內(nèi)可看到Sl和S2兩段光帶的放大象S”1和S”2，如圖5—20(b)所示。同樣S1和S2之間的高度h也被放大為h”，用測微目鏡測出h”值，就可根據(jù)放大關(guān)系算出h值。由幾何關(guān)系可知

式中，β—觀察物鏡的放大倍數(shù)

(5-7)圖5－20雙管顯微鏡的光路原理

雙管顯微鏡就是根據(jù)上述原理制成的，其光路如圖5—20(c)所示。顯微鏡由照明光管和觀察光管組成，兩光管互成90o。在照明光管中，光源1通過聚光鏡2、狹縫3和物鏡5，以45o角的方向投射到工件表面4上，形成一窄細(xì)光帶。光帶邊緣的形狀，即光束與工件表面相交的曲線，也就是工件在45o截面上的表面形狀，此輪廓曲線的波峰在S1點(diǎn)反射，波谷在S2點(diǎn)反射，通過觀察光管的物鏡5，分別成象在分劃板6上的S”1和S”2點(diǎn)，其峰、谷影象高差為h”。儀器的外形如圖5—21(a)所示，從圖中目鏡11可觀察到圖5—21(b)所示的視場圖。轉(zhuǎn)動測微目鏡鼓輪13，可使視場中的黑十字線依次對準(zhǔn)被測工件表面峰、谷影象，由鼓輪13上相應(yīng)地進(jìn)行兩次讀數(shù)，其兩次讀數(shù)之差再乘鼓輪每格的分度值C則得一組峰、谷高度差。按評定參數(shù)的定義進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)處理即可確定粗糙度的數(shù)值。光切顯微鏡適于測量Rz,其測量范圍為0.8～80μm。

圖5－21雙管顯微鏡

3．干涉法

干涉法是用光波干涉原理來測量表面粗糙度。常用的儀器是干涉顯微鏡。這種儀器適宜于用Rz值來評定表面粗糙度，通常用于測量0.025～0.8μm范圍內(nèi)的Rz值。

圖5—22所示為干涉顯微鏡及其光路圖。圖中，1為白熾燈光源，它發(fā)出的光通過聚光鏡2，4，8(3是濾色片)，經(jīng)分光鏡9分成兩束，一束經(jīng)補(bǔ)償板10、物鏡11至被測表面18，再經(jīng)原路返回至分光鏡9，反射至目鏡19。

另一光束由分光鏡9反射后通過物鏡12至參考鏡13(20是遮光板)，再由原路返回到分光鏡9，再到達(dá)目鏡19。兩路光束疊加產(chǎn)生干涉，通過目鏡19可以看到在被測表面上的干涉條紋，如圖5—23所示。其中，圖5—23(a)是工件表面在儀器視場中的干涉條紋圖。由于被測表面有微觀的峰、谷存在，峰、谷處的光程就不一樣，于是造成干涉條紋彎曲，彎曲的大小，與相應(yīng)部位峰、谷高度差h有確定的數(shù)量關(guān)系，即(5-8)

式中，a—干涉條紋彎曲量；b—干涉條紋寬度；λ—光波波長(λ白光≈0.54μm)。

圖5－22干涉顯微鏡及其光路圖

圖5－23干涉顯微鏡目鏡視場圖

4.針描法

針描法是利用觸針直接在被測表面上移動，從而測出表面粗糙度參數(shù)值的一種方法。電動輪廓儀就是利用針描法測量表面粗糙度的儀器，其結(jié)構(gòu)如圖5－24所示，它由傳感器、驅(qū)動箱、指示表、記錄儀和工作臺等主要部件組成。傳感器端部裝有金剛石觸針，如圖5－25所示。測量時，將觸針搭在工件