表面粗糙度的现状及发展

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1、表面粗糙度的现状及发展 摘要 讨论了表面粗糙度测量和表征中，一些人们感兴趣的有待解决的问题，如：基准、 滤波、校准样块，评定软件和表征参数等。认为在 3D 表面分析中应采用数字滤波，以保 留数据的完整性；辨析了现存测量仪器和方法的范围分辨力空间图中的缺口；介绍了 校准样块的制备和测量；同时指出当前评定软件缺乏一致性和标准性，建议设计“软件量 规” 。最后指出了表面特征分析的发展趋势。关键词：表面粗糙度 测量 表征 现状 表面特征是控制机械零件表面质量的主要内容，而表面粗糙度是表面特征的重要技术指标 之一。从近年来国内外发表的有关粗糙度方面的论文来看，数量成指数地增加。这表明表 面粗糙度测量和表

2、征技术的研究一直处于上升趋势，一方面是由于商用仪器（如： STM、AFM 和光学扫描干涉仪等）的发展以及计算机运算能力、控制技术的提高；另一方 面是由于尖端技术、国防工业和精密工程等对零件的表质量提出了越来越高的要求。 表面粗糙度（GB3505-83）是指加工表面上具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特 性。它主要是由所采用的加工方法形成的，如在切削过程中工件加工表面上刀具痕迹以及 切削撕裂时的材料塑性变形等。以前关于粗糙度的表征参数都是在某一法向截面所截得的 轮廓线上进行评定，只反映高度和横向距离之间的关系，属于“二维”评定。当表面粗糙 度在一小面积区域内评定时，还有纵向距离关系，这就属于

3、“三维”评定。近年来研制了 许多三维表面微观形貌测量仪，才使得在局部表面上三维评定表面粗糙度成为可行，而且 国际上方兴未艾。 本文对目前表面粗糙度测量和表征中，人们普遍感兴趣的几个问题作一简单的表述，而且 所用术语、方法主要侧重于三维表面粗糙度 q当然有些在二维中也可直接使用。 1 基准 1.1 基准表面国家标准（GB3505-83）和国际标准（ISO4287:1996）中均给出了“实际表面”和“几何 表面”的定，并认为实际表面是物体与周围介质（通常为空气）分隔的表面。评定实际表 面的表面粗糙度参数需要有个基准面，因为实际表面本身是被量的对象，它不能作为基准 面；而几何表面是个理想表面，它的具

4、体位置也不清楚，所以要用某个给定面来体现基准 面。作为基准面的给定面，它具有几何表面的形状，其方位和实际表面在空间总的走向一 致。基准面的产生方式不同，对表面粗糙度参数的评定影响很大。一般地，基准平面的形成可 采用：算术平均中心面、包络平面、最小二乘、最小区域参考基准等方式1。而基准曲面 可采用：最小二乘二次多项式表面和最小二乘部分圆柱算法确定1。GB3505-83 中规定，二维表面分析采用中线制，中线可采用算术平均中线或最小二乘中线 两种算法。对于三维表面形貌的评定基准目前尚未形成统一的标准。 1.2 滤波表面特征包括表面粗糙度、表面波纹度和表面几何形状等。这三种特性绝非独立存在。 为了提取

5、准确定义的表面粗糙度信息，通常需要采用“滤波”的方式，如机械滤波、电子 和数字滤波技术等。三维表面粗糙度的分析是在一个区域内进行，所以要求采用数字滤波的形式，以保证数 据的完整性。为了不改变表面的“形状” ，滤波器必须是线性的或零相位的 同时要求光滑的截止转换，以避免边缘衰减。常用的数字滤波器为：区域滤波器和高斯 滤波器，均是可分离的和对称的。然而当表面具有偏斜的幅度分布时，高斯滤波器的效果 并不理想，在 ISO13565 中推荐采用双级滤波。许多情况下，提取特征信号的滤波和产生评定基准，是结合在一起考虑的。1.3 校准样块随着超光滑表面的粗糙度数值接近纳米级甚至埃级，不同测量方法的测量结果不

6、一致性 对表面特征的评价影响越来越大。为此，美国国家标准和技术研究院（NIST） ，制作了一 组尺寸范围从 29nm152?m 的标准台阶高度样块，其“标准”值取决于本身的实际尺寸。 另外还建立了一组小于 100nm 的高精度标准样块，其尺寸用三种不同的方法校准，如相移 干涉显微镜、校准原子力显微镜（C-AFM）和高分辨力的触针式仪器。如果用这些不同的 方法测量台阶高度的精确值，能取得好的一致性，则样块台阶高度将作为精密校准的基准。由于每种仪器具有各自不同的特点，要做到测量结果一致并非易事。触针方法被认为是 极好的台阶高度校准器，因为它直观，可以反映表面的“真实”形貌。NIST 采用的垂直位

7、移转换器是高线性和高稳定性的线性差动转换器（LVDT） ，具有纳米级噪音分辨力，但这 种转换器必须利用光的波长校准。另外，由于采用机械接触方式，可能会损伤表面。相位 干涉测量仪使用了白光源具有窄带滤波器，并且是非接触测量，它的值用滤波器平均波长 校准。校准原子力显微镜采用接触或接近探针的方式，用一个校准过的转换器输出，样块 的垂直移动由压电陶瓷驱动。另外 NIST 对 15、90、1000nm 名义高度的一组石英台阶进行了测量，并分析了三种仪 器测量结果不一致性的原因。首先采用触针式仪得到样块的多次重复结果；然后用相位干 涉显微镜测量，其不一致性主要是由于样块的散焦和样块相对于光轴的倾斜；C-

8、AFM 的 垂直移动的校准是精确的，然而在测量台阶高度值时会发生变化，这可能是由于出现在 样块平面外的运动、实验环境的改变、或悬臂力传感器与针尖表面的相互作用而引起。最近 NIST 用 Si 单原子制作了标准台阶高度 q用于扫描探针显微镜的校准 q由于 Si 的栅格是恒定的 q台阶高度的预期值为 314pm,而用 C-AFM 测量结果约为 270pm,其差 异正在被研究 q 2 测量 2.1 测量范围表面粗糙度测量仪器垂直和水平的范围和分辨力，目前采用 Stedman 最先使用的范围 分辨力空间来表示，而且这一方法已普遍被接受。图 1 的 Stedman 图示出了当前粗糙 度测量仪（触针式、光

9、学式、AFM）的测量范围。电子显微镜虽然不能得到表面的高度定 量信息，但将其范围扩展到了更短的波长和较大的幅度。粗糙度范围的顶端，由坐标测量 机占用，最后一层观测技术覆盖了所有从低范围的自校准到上末端的卫星范围。图 1 的表示方法并不是全面的和决定性的，由于简单，许多有用的测量方法被忽略， 但它的确反映了测量的实质问题。就目前的测量技术，要达到大区域的范围分辨力空 间是不可能的。图 1 中右下区域表示长波长上的小幅度，在这个区域似乎并没有什么技术要求。左上 角的区域大概表示了更切合实际的问题，这个区域示意出测量大幅度、短波长的不可能性。 然而却有许多加工制品的形貌落在这个区域，如毛刷状，以及非

10、常多的生物结构具有大的 垂直幅度，而小的水平尺寸。这种结构类似于作物的生长，有很高的经济作用，但目前还 没有办法描述它们的形貌。这将需要一个较大的垂直范围对分辨力的比率，这种仪器是很有前途的。在 80 年代初 没有几种粗糙度仪器提供比 10E3:1 更好的比率4，而现在的触针仪器和光学仪器其比率 可达 10E5:1。将来在新的测量方法中有可能达到 10E8:1。 2.2 在过程测量表面粗糙度的在过程测量，而且作为机床整个系统的一部分，已经使用了很长时间， 方法也各异（见表 1） 。鉴于速度的考虑，推荐使用光学方式，但是基于衍射或散射的方法，仅能产生表面形貌的有限信息。表 1 在过程测量方法及速

11、度 测量方法速度m.s-1电容法 0.025触针法 1.1超声波测量 5气动测量 51.8表 1 中的方法均可测量实际表面轮廓，有些还具有相当高的速度。但在过程测量仍局 限在实验室，大部分商用仪器只能离线测量 q。目前市场上大多数粗糙度仪器是用于产品的质量检查，通常是离线的或统计抽样。但 是现代质量控制的趋势要求 100%检查，而许多现存的粗糙度仪器测量速度太慢。如以 3000 零件/h 的速率，在许多生产线上并不过分，这就要求每个零件总的测量、特征获取和 数据处理时间不多于 1s。这个指标触针式仪器难以达到，只好采用电磁的、光的或电容的 方式。而用非接触方法预测 Ra 的平均误差因子为 5,

12、成功地测量 Rz 却是很难办到的。 2.3 测量表面的单值性标准中规定表面粗糙度采用“真实”表面来评定，事实上任何测量仪器都不可能得到 被测试件的“真实”表面，而只能是它的近似“有效”表面。所以现在可用的所有仪 器产生的表面单值记录。都是一种假象，即它们不可能“看到”再新生的或其它装饰的表 面的特征。被测量表面的微观几何形貌在特定的位置，可能对应两个或更多的高度离散值。 这也解释了用分形几何描述表面时，将它们看作是自仿射的（单值的） ，而不是自相似的 （多值的） 。实际中，许多表面不是单值的，正如我们从电子微观图上所看到的（遗憾的是不容易 测量） ，如许多加工过程被撕裂成不规则的碎片。在小的尺

13、度上，许多机械表面是多值的， 从化学方面的测量推论出：在分子尺度上表面的实际面积是它们的名义面积的许多倍。因 为我们缺乏合适的仪器测量，所以遗漏了许多重要的信息 q。 3 表征 3.1 软件问题随着用于粗糙度分析的商用软件包的增加，给在该领域的工作带来了许多问题。显然 由于商业的原因，原始数据对使用者已无效，许多内在的疑点被销售人员或其它工作人员 所“滤除” ，通常最困难的是如何确切地定义和计算某些特殊的参数。更为糟糕的是，如果 仪器制造者把数据分析转包给软件商，则他们的程序极有可能与粗糙度标准和文献中所介 绍的相悖。如果使用者采用几个软件包，并比较它们对相同数据集的分析结果，就会发现这些结

14、果极少具有一致性。Stout 等试图改变这种状况，建议了一种通用的数据形式对粗糙度进行 测量，但还没有得到广泛的实行4。当前急需发展一种“软件量规” ，采用鲁棒性的数据 集，它们的参数是从容易获取的原始数据上建立的，以便“校准”商业软件，同时也对制 造者解释和辨别一些异常的结果。 3.2 表征参数在现行的或修订的国际标准中，采用的是二维测量技术。对于大多数工程表面，正如 以前那样，二维技术对粗糙度的测量和表征起着非常合适的作用。从最常用的尺度依 赖参数 Ra,可以说明它们的适应性5：. 容易解释；. 测量时很快收敛到一个稳定值；. 其数值不依赖于总的测量长度；. 对如何计算平均中线不太敏感；.

15、 对单个的高峰或低谷不太敏感；. 用廉价的仪器也可获得高的评价精度。然而它也存在一些缺点，如： . 它不能用于表面镜面反射图像与原始表面具有相同值的表面； . 由于它是基于平均中线滤波 q所以不适合在接触性能占主要指标的地方使用。Ra 使用轮廓中心的坐标，对偶然的奇异峰或谷的变化不太敏感，具有较小的精度，与 它相类似的参数也存在同样的问题。所以文献5中推荐使用反映峰谷特性的参数 Rvp 和 Rvk。进一步的工作将是三维表征参数的研究，从 1991 年开始以英国 Birmingham 大学的研 究人员为主，在欧洲成立了一个 3D 分析工作委员会，专门研究 3D 表面微观形貌的表征参 数。并于 1

16、994 年前后基于 14 个参数的 3D 表征集已基本形成6，目前在欧洲范围内被广 泛使用。上述参数集（有时称为“Birmingham14” ）不一定是最理想的参数表征方法，随 着时间和实践的考验，有可能将们减少到 10 个甚至 6 个，以避免 70 年代二维表征的“参 数爆炸”重演。目前还有一种不太好的现象，某些工作者开始研究各自的 3D 参数以满足某些特殊的 应用，因此需尽快建立一种监督机制，规范 3D 表征参数。 3.3 三维表征的两个问题在 3D 测量和分析中，有两个重要的方面应予以考虑。第一是对纹理的描述。目前的 严格数学描述非常适合于各向同性的表面结构，但大多数加工过程产生的是各向异性表面。 在实际应用中，有些各向异性表面，如成形或车削，按垂直于纹理的方向被处理为二维轮 廓。有些表面，如磨削，被合理地描述为“长脊形” ，并用在两个主方向上的功率谱矩的比 率表示。更复杂的结构，诸如端铣或珩磨表面，却不太容易描述，有待于进一步解决。第二点是随机表面的峰和谷的“连接性”描述。目前的理论，以距平均中线的高