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1、42 表面粗糙度的测量方法 主要内容：1、光切法量表面粗糙度2、干涉显微镜测量表面粗糙度 3、触针法测量表面粗糙度 电感轮廓仪激光干涉式轮廓仪压电式轮廓仪重点：光切显微镜的原理和定度任务：表面粗糙度的测量测量对象和被测量v问题1：工件特点？（大小、轻重、材料）v问题2：测哪里的粗糙度？ （内、外表面；平面、柱面、球面、齿面、牙型面）v问题3：测量有什么特点？v问题4：与长度、角度测量有何不同？测量单位和标准量v长度单位-umv表面粗糙度样板v光波波长v电压、电流标准测量方法v测量方案设计测量方法测量仪器接触形式、定 位测量精度v方法精度v仪器精度v影响因素v改善精度的措 施、表面粗糙度的测量方
2、法概述表面粗糙度反映的是机械零件表面的微观几何形状误差，对表面粗糙度的测量方法很多，主要方法见下表。对表面粗糙度的评价主要分为定性和 定量两种评定方法。定性评定是将待测表面和已知表面光 洁度级别的标准样板相比较，通过目估或 借助于显微镜以判别其级别。定量评定则是通过一定的测量方法和 相应的仪器，测出待测表面的不平度数值 。实际工作中，对加工表面粗糙度的评 定可归纳为如下四种方式。 与表面粗糙度标准样板比较的方法v表面粗糙度样板：按各种加工方法做成的不同几何形状 的一套标准表面样块，用来与被测的表 面相比较。 表面粗糙度样板v测量方法：目测法：Ra值2.5-80m的表面；用510倍放大镜比较：R
3、a值0.32-2.5m的表面；用比较显微镜：Ra值0.08-10m的表面。触觉比较法：被加工表面Ra值0.63-10m。v注意点：样板与被测件的加工方法、材料、形状都相同。v适用范围：工厂比较常用，尤其是车间检验中常用。一般只用于粗糙度评定参数值较大的情况下，其判断的准确性很大程度上取决于检验人员的经验，当有争议时可用仪器进行测量。在选定截面上直接测量表面微观不平度数值的方法v普遍采用、定量测量、严格按照定义测、本节重点。v常用的有光切法、干涉法、触针法等各种测量原理的光学 或电学仪器。3印模法测量表面粗糙度v对于大型零件或零件内表面等不易直接测量的情况下可用 此法。v印模表面的峰谷值总要比被
4、测表面的峰谷值要小些，因而 对此结果需加以修正。其修正系数值与所用材料等有关， 应由实验来确定。4间接测量方法这类方法是利用被测表面的某种特性来间接评定 表面粗糙度的数值。例如：v气动法：是利用流经测量头与被测表面间气体流量的大 小或其所引起的压力变化来评定表面粗糙度。v电容法：是利用测量头与被测表面间形成的电容量大小 来评定表面粗糙度。不能直接测出表面参数Ra或Rz，而 需进行比对定标，且要配备一些和被测表面几何形状相 适应的测量头。v其他方法：激光散射法、激光散班法、激光全息法等。二、光切法测量表面粗糙度所谓光切法就是用一狭窄的扁平 光束以一定的倾斜角照射到被测表面上 ，光束在被测表面上发
5、生反射，将表面 微观不平度用显微镜放大成象进行观测 的方法。图4-5是光切法的测量原理图 。 v若倾斜角取45，则得：h=h/cos45v若观测显微物镜的倍数V， 则：Nhv用显微镜测出象的大小N， 即可求出h值：h=N/(Vcos45) v测量表面粗糙度峰谷距离的 原理与上述相同。图4-5 光切原理1光切法原理：图4-6 光切显微镜光路 2测量仪器原理及定度v（1）原理光切显微镜的光路原理如图4-6所示。用测微目镜量出 a、a的距离，即可求出峰谷间的高度。由于物镜分辨率及景深的限制，光切法测量范围一般为 ：Rz= (800.8)m（旧国标39）。式h=N/(Vcos45)中有无理数，计算、使
6、用不便，在仪 器设计时采用机械方法加以有理化 ，其方法如图4-7所 示。此时：h= a/2V式中: a用仪器测微目镜瞄准峰谷象高度N（图4-7中十字线位置I与II）时两次读数差值；h表面粗糙度的某一峰谷高度； V 所选用物镜的放大倍数。 双管显微镜双管显微镜视场图双管显微镜光切显微镜读数v（2）定度：在光切显微镜上，把确定测微目镜的鼓轮上每小格所对 应的被测峰谷高度值的过程叫作“定度”。(h= a/2V)定度首先是求物镜的放大倍率。求物镜放大倍率的方法 是用一个标准刻线尺（通常为专用附件，刻度间隔为 0.01mm，共101条刻线）来测定各个物镜的实际放大率 。如图4-8所示，物镜放大率为：V=
7、令C=5/V，则：h=cn (um) 式中，n为测量峰谷高度时两次读数的差值（格数）。 显然，上式使用简便。C值的物理意义就是测微鼓轮一小格所对应的峰谷方向的高度值。 3测量方法测量前，选择相应的物镜（表4-2）并已知定度值C。然后 调节显微镜使视场呈现清晰的狭缝象及表面象，且至狭 缝象的一个边缘最清晰为止。v（1）测量Rz值 其测量方法应符合定义。 Rz值可按下式计算：Rz=Cv （2）测量Ry值：Ry=Cv （4）测量平均间距SmSm =2Cv（3）测量单峰平均间距S 值S= Cv （5）用光切法测量Ra值因测量与计算都很麻烦，故很少应用。为什么C前乘为什么C前乘24仪器的测量误差和示值相
8、对误差的检定v（1）测量误差的主要因素有：瞄准误差、测微目镜制造 误差、估读误差、 定度用标准尺误差、被测工件定位误 差、仪器使用调整误差等。v（2）仪器示值误差的检定：根据国家计量检定规程，仅 检定其示值相对 误差是否在要求的范围内，测量范围不 同（既物镜不同），要求不同。v（3）仪器示值相对误差的检定是用受检定的光切显微镜 去实测已知其刻线深度的单刻线样板（也可用阶梯量块代 替），则该仪器示值的相对误差为:三、干涉显微镜测量表面粗糙度v干涉显微镜测量原理：联合运用干涉原理和显微放大原理。对测量 面垂直高度方向的微观不平度通过光波干涉法进 行放大测量，对表面粗糙度的水平参数通过显微 放大系统
9、测量。v干涉显微镜测量范围：Rz =0.8m0.025m。v6JA干涉显微镜测量光路见图4-12。干涉显微镜1986年WYKO公司研制成功 的TOPO非接触微表面测量 系统。测量精度达自动完成测量。Mirau干涉仪的改进：R被固定在PZT上。带有旋转检偏器测相的改进的微分干涉显微镜（清华）垂直分辨率优于1nm，水平分辨力0.4mNomarski干涉显微镜及改进图4-12 干涉显微镜光路 6JA干涉显微镜 测量光路见图4-12。四、触针法测量表面粗糙度1触针法的测量原理v触针法又称针描法，它是一种接触式测量方法，是利用仪 器的测针与被测表面相接触，并使测针沿其表面轻轻划过 以测量表面粗糙度的一种
10、测量法。v将一个很尖的触针（半径可以做到微米量级的金钢石针尖 ）垂直安置在被测表面上作横向移动，由于工作表面粗糙 不平，因而触针将随着被测表面轮廓形状作垂直起伏运动 。将这种微小位移通过电路转换成电信号并加以放大和运 算处理，即可得到工件表面粗糙度参数值；也可通过记录 器描绘出表面轮廓图形，再进行数据处理，进而得出表面 粗糙度参数值。这类仪器垂直方向的分辨率最高可达到几 纳米。v适宜测量值为50.02m范围内的表面粗糙度。图4-15 轮廓仪的原理框图2电感轮廓仪v电感轮廓仪的传感器原理如图4-14所示。v图4-15为仪器的原理框图。3激光干涉式轮廓仪v激光干涉式轮廓仪中，干涉系统的测量镜与触针
11、分别位于 杠杆的两端，其位移量之间为确定的比例关系，因此由测 得的测量镜的位移量可算得触针的位移量。v与电感式轮廓仪相比，激光式轮廓仪具有宽量程和高分辨 力的特点。 4压电式轮廓仪v压电式轮廓仪用具有压电特性的晶体作为传感器的换能元 件。硅脂是一种粘滞性很强的液体，当触针随工件表面快 速上下运动时，液体摩擦很大，可认为触针杆被夹紧在槽 片中，压电晶片因触针的位移而产生变形，并在晶片表面 产生与变形成比例的电荷。当触针以很慢的速度移动时， 硅脂的液体的摩擦很小，允许触针杆相对槽 片打滑，位 移不传给压电晶片，有滤除低频信号的功能。v压电式轮廓仪结构紧凑，便于携带。MarSurf XR 20 便携式表面粗糙度仪哈量形状测量仪MarSurf LD 120 Kontur und Rautiefe in einem Zug. 10 mm Hub, 4 nm Auflsung
