表面粗糙度及量测教材

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1、表面粗糙度及量測 目錄 一,表面質量 二, 加工方式與表面粗糙度及成本 三,切斷長度/標準長度/評估長度 四,表面粗糙度參數 五, 表示符號 六, 表面粗糙度之量測方法 表面质量的特性是零件最重要的特性之一， 在 计量科学中表面质量的检测具有重要的地位 。 不同用途之產品會有不同表面粗糙度的需求 。 引言 較低的光潔度對于盡快加工零件和盡量減 少輔助工作量有明顯的經濟效益。何況 在某些用途中一定的粗糙性可以提高 零件的功能有些零件甚至明確規定了 最大和最小粗糙度的值。舉例來說具 有一定粗糙度的表面常常可以增加漆層 或其它涂敷層的黏附性。 有些多功能零件要求很復雜的表面才能 最好地發揮作用。比如

2、發動機的汽缸內 壁必須足夠光滑以便為活塞環提供良 好的密封表面利于壓縮並防止漏氣 。同時表面上還必須具有尺寸數量 和分布都合適的凹點為的是保持潤滑 油。 車銑刨磨及其它所有機械加工過 程給零件表面留下特殊的參差不齊現象 切削刀具的選擇機床狀態轉速 進刀量振動及其它環境干擾等因素對 這些參差不齊也有影響。 根據分析可以把表面質量分解為三個組成 部分 一,表面質量 表面 質量 粗糙度 波紋度 輪廓: 粗糙度與波度,輪廓(1) 粗糙度基本上就是指刀具痕跡走刀總 會讓零件表面產生某一寬度和深度的槽 。在磨削時砂輪上的磨料等于無數的 微小刀具每一粒磨料都給表面留下一 道痕跡。 粗糙度與波度,輪廓(2)

3、波度的形成原因在于加工過程中刀具與 工件之間的距離存在微小的波動而這 些波動是由刀具的不穩定性和某種振動 造成的其中有的振源對每臺機床的穩 定性有影響。有些原因來自外部並且 是偶然性的例如一輛叉車從旁邊駛過 或其它機器被開動。另一些振源則來 自機床內部如主軸軸承磨損驅動電 機振動等等。 粗糙度與波度,輪廓(3) 假設零件名義上是平直的機床加工方 向不直或不平就會造成輪廓誤差。這種 誤差重復性很高因為機器遵循著相同 的不平直路徑進行操作。 粗糙度與波度,輪廓(4) 這三個組成部分同時存在相互疊加。 但在許多情況下需要單獨檢查各自的狀 態。為了解決這個問題我們假設（這 一假設在大多數情況下是正確的

4、）與 波度相比粗糙度的波長較短。同樣 與輪廓相比波度的波長較短。 測量儀器利用離散的“截止波”區分表 面光潔度的幾個分量。通過電濾波技術 選擇和實現截止波長使儀器可以單獨 測量粗糙度波度或測量粗糙度波 度和波形組成的“總輪廓” 二, 加工方式與表面粗糙度及成本 For example: Lap: 拋光; Hone: 精磨; Grind: 粗磨 Note: Rz=5Ra(噴砂面); Rz=(1020)Ra(研磨面) 濾波長度(或切斷長度) 濾波器從波形中分離 出粗度, 也即粗度曲線中最長曲線波形長度; 取樣長度等于濾波長度(或切斷長度) 三,切斷長度/標準長度/評估長 度 標準長度/評估長度 原

5、則上評估長度應為切斷值的3倍以上 四、表面粗糙度參數 三大類: 1.振幅參數-由波峰,波谷同時決定(垂直特性) 2.波長或間距參數-表面上間距決定(水平特 性) 3.綜合參數-由振幅和間距同時決定 參考線中心/平均線 A, 采用等面積法定義: 上邊面積=下邊面積; B, 最小平方計算法(A least squares calculation) (偏差)2=最小. Ra 中心線平均值 (Roughness Average, Ra), 下圖所示. Ra=1/N Yi Note: USA稱為算術平均粗糙度值(Arithmetical Average value; AA) U.K稱為中心線平均粗糙度值

6、(Center Line Average; CLA) 用途: 該參數可以作為監控工序穩定性的有效手 段所以成為今天人們使用的首要參數 。該參數對偶發性缺陷頗為遲鈍因此 不宜用來檢測這種異常的存在與 .(Rmax) Rq 粗糙度幾何(平方)平均值 (Root mean square roughness, Rq) 下圖所示, Rq=(1/N yi2)1/2 Rt 最大高度-Rt, 由全體評價長度算出, Rp 和Rv之和. Rt=(Peakmax-Valleymin)assessment length Ry(ISO,JIS) 全粗糙度高度(最大高度)-Ry(ISO,JIS); Ry=(Peakmax

7、-Valleymin)sampling length Ry(DIN) 全粗糙度高度(最大高度)- Ry(DIN); 在各取樣長度內, 求出各Zi, 而在各 Zi中最大值稱為Ry(DIN)=Rmax; Rmax對零件表面的劃傷毛刺之類的缺 陷非常敏感很適合于檢驗這樣的狀態 。然而由于生產過程中的個別劃痕或 毛刺往往不具有代表性所以Rmax不適 于監控工序的穩定性 Rz(DIN) 十點平均值Rz(DIN)=(Z1+Z2+ Z3+ Z4+ Z5)/5; 評估長度內. Rz(ISO,JIS) 十點平均值Rz(ISO,JIS); Rz(ISO,JIS)= 1/5 Ypi -1/5 Yvi 最高5個山頂高

8、度平均值與最深5 個谷底深度平均值之差. 取樣長度內; Rz(JIS)=Rz(ISO4287-1984); Rp/Rv 最大波峰高度-Rp, 最大波谷深度-Rv, 如下圖. 取樣長度內算出 PC 波峰數(Peak Count, PC), 如下圖. 波峰數以中心線為對稱基準,先設 定一寬帶,再計算每單位時超過 此寬帶之峰谷對的數目。 設定寬帶: C1=C2= 一定值或Ry的 百分比. Sm 平均波峰間距 (Mean Peak Spacing; Sm) 下圖所示平均波峰問距為求取PC時, 所計 數山峰(山峰/山谷之周期)之平均波長, 與PC值之倒數相同. Sm= 1/N smi 同樣必須設定寬帶

9、Sk 振幅分布偏斜度( skewness ,Sk), 又稱非對 稱度, 下圖所示. Sk=1/(Rq)3. N) Yi3 此參數顯示波形中波峰及波谷之突出 數量比, 此數值為正時, 表示有突出波峰 ; 此數值為負時, 表示有突出波谷, 對於 耐磨較佳的表面此值應為負. Ku 振幅分布之陡峭度(Kurtosis, Ku),又 稱尖銳度 Ku=1/(Rq)4. N) Yi4 此參數顯示振幅分布圖的尖銳與否, 即是否呈常態分布, 正值愈高表示 振幅愈陡峭. 五, Surface Texture Symbols 0.030 0.015 cut-off Lay Max Roughness Spacing

10、 0.002.-2 63 32 Max Waviness Width Max Waviness Height Max Ra Min Ra 最早人们是用标准样件或样块，通过肉眼 观察或用手触摸，对表面粗糙度做出定性 的综合评定。1929年德国的施马尔茨 (G.Schmalz)首先对表面微观不平度的深度 进行了定量测量。1936年美国的艾卜特 (E.J.Abbott)研制成功第一台车间用的测量 表面粗糙度的轮廓仪。1940年英国Taylor- Hobson公司研制成功表面粗糙度测量仪“泰 吕塞夫(TALYSURF)”。 六, 表面粗糙度之量測方法 註:因為表面粗糙度量測精度要求高, 故應 避免振動

11、, 溫度, 油污, 磁場等影響。 以后，各国又相继研制出多种测量表面粗 糙度的仪器。目前，测量表面粗糙度常用 的方法有：比较法、光切法、干涉法、针 描法和印模法等，而测量迅速方便、测值 精度较高、应用最为广泛的就是采用针描 法原理的表面粗糙度测量仪。 應用表面粗糙度標准片與工件觸覺或視覺 上的量測方法. 一般標準片已預先制成4到 至8個不同等級的Ra值或其它相關參數值, 同時有不同加工方式之比較片, 如Lathing, Milling or Grinding. 不確定度: 約30%; 1, 粗糙度標准片比較法 2.探針式雷射干涉感測儀: 結合探針式表面粗糙度量測儀雷射干涉 儀和精密滑台設計 特

12、色: 利用雙軸雷射干涉儀分別量取探 針縱向及橫向位移。適用於相機鏡頭、 光碟、CD Reading Head等表面面輪廓 量測工作, 唯價格高是其缺點。 3.光探針式自動對焦伺服探頭感測 法 以雷射式收錄器替代探針式收錄器, 通常 配有雙軸精密滑台, 透過軟體記錄分析, 可作2D或3D Roughness量測。 N0TE: 非接觸式Laser探頭適用於軟性材 質工件, 唯價格過高, 且對於工件反光折 射不好, 如黑色材料,則無法應用。 4.氣動表面測量法 通過空氣探針測量,探測空氣壓力變化. 1,適於髒表面; 2, 非接觸式; 3, 只是一種比較測量 5. 探針式表面粗糙度量測儀: 目前使用范

13、圍最廣、最普遍的表面粗糙度量 測儀器, 避免過去以標準片憑人的感覺加以 比對判斷之缺失。 電子探針式表面粗糙度 量測儀之工作原理, 如圖 主要元件部分包括 探針、收錄器、驅動器、記錄器、濾波器及 微處理器。 基本原理: 測針沿工件表面某一方向運動, 把采集 到垂直方向移動轉換成電信號並經放大, 瀘波處理, 統計分析得到不同的粗糙度參 數值. Note: a. 一般: 5um 半徑, 90度角,錐形接觸力 不超過15mN(1.5g)。 Ra與測針半徑關 系: 半徑與實際Ra比值越大, 顯示變小; 比值20倍時, 誤差越大 b. Shoe/Skid VS Skidless type stylus之

14、 用法不同: 如圖所示 Shoe/Skid type:滑動器半徑比波峰間隔(Sm) 大很多,使其運動幾乎成一直線。若Sm過 大則可用Shoe來支撐。優點易於歸零. Skidless type:其探針機構由一驅動器之基準 參考點來支撐工件表面的輪廓,包括Form 、waviness及Roughness均能真實記錄, 缺 點:不易歸零且易受環境振動影響. TR100袖珍式粗糙度仪 技术参数： 传感型式：压电晶体 显示型式：液晶显示 测量型式：Ra、Rz 测量范围：Ra：0.05-10 um Rz:0.1-50 um 取样长度：0.25mm、0.8mm、2.5mm 评定长度：1.25mm、0.8mm

15、、2.5mm 扫描长度：6mm 工作温度：0-40度 重量：0.2kg 外型尺寸：125*73*26mm TR200手持式粗糙度仪 主要特点： 高精度电感传感器 可显示13个粗糙度参数 流行的菜单操作方式 图形显示功能 感器触针位置指示 存储功能 多语言工作方式选择 标准RS232接口 高品质锂离子充电电池 数据文件存储功能，随时调用 自动关机功能 设置参数保持功能 软件校准功能 大屏幕液晶，背光功能可于夜间工作 在线帮助功能 三种滤波器（RC,M1,M2) 制式转换功能 电池电压监测功能 内置智能充电器 参数打印功能 可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等 各种复杂表面进行测试 探头放置灵活，可全面进行测试 扩充性能好，可根据用记要求增加计算和功 能 TR240手持式粗糙度仪 斑點利用反射回來的光量測量表面粗糙度 6.光學方法作表面粗糙度量測 END