精密测量技术04.ppt

第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量 表面微观形貌是指表面的微观几何形态；它是由于加工过程中刀具和零件的摩擦、切削分离时的塑性变形和金属撕裂、加工系统的振动等原因，在零件表面留下的各种不同形状和尺寸的微观结构。表面形貌的测量越来越引起人们重视，这是因为： (1)表面微观形貌在很大程度上决定了零件的使用性能。它影响机械系统的摩擦磨损、接触刚度、疲劳强度、配合性质、传动精度、导电、导热、抗腐蚀性等，从而影响到机械产品的质量及可靠性。它是机械产品的重要质量指标，不仅要定性测量，还要定量测量。 (2)表面微观形貌对加工过程中的工艺过程状态(如刀具磨损、机床振动、切削用量等)变化非常敏感，因此它被认为是加工过程中控制、监测和诊断的重要手段。 (3)当代高新科技的发展对于表面微观形貌研究提出了越来越高的要求。硅片表面粗糙度对集成电路的电阻、电容、成品率影响很大；磁盘表面粗糙度影响到耐磨、使用寿命、信号的读出幅度、信噪比等；X射线元件、激光器的反射镜窗片、同步辐射光学元件、激光陀螺元件等都要求越来越高的表面质量。 (4)表面微观形貌测量在学科领域上和纳米技术、生物技术等互相渗透，后者的发展为前者带来了新的技术手段和新的工作领域。 机械加工中描述表面微观形貌误差最常用的参数是表面粗糙度。 Ra为轮廓算术平均偏差:在取样长度内被测轮廓偏距绝对值之和的算术平均值。 Rz为微观不平度10点高度:在取样长度内5个最大的轮廓峰高与5个最大的轮廓谷深的平均值之和。 Ry为轮廓最大高度:在取样长度内轮廓峰顶线与轮廓谷底线中线的最大距离。 Rq为轮廓均方根偏差:在取样长度内轮廓偏距的均方根值。 §4-1表面粗糙度的常规测量方法 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参数值。目前，应用较广的表面粗糙度测量方法主要有粗糙度样板比较法、光切法、干涉法、触针法以及印模法等。 一、比较法 比较法是车间常用的方法。将被测表面对照粗糙度样板，用肉眼或借助于放大镜、比较显微镜；也可用手摸感觉来判断被加工表面的粗糙度。粗糙度样板(如图4-1)的材料、形成及制造工艺尽可能与工件相同，这样才便于比较，否则会产生较大的误差。比较法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。 二、光切法 光切法是利用光切原理来测量表面粗糙度的方法。它是将一束平行光带以一定角度投射于被测表面上，光带与表面轮廓相交的曲线影像即反映了被测表面的微观几何形状。这种用光带投影于被测面而获得截面轮廓曲线的方法即称为光切法。光切原理如图所示。由光源发出的光线经狭缝后形成一束光带。此光带以45o方向与被测表面相截。若零件表面轮廓如图4-2(a)所示的台阶面，则在与光带投射方向相应的反射方向上。通过显微镜就可以看到4-2(b)所示图像。 三、干涉法 干涉法是指利用光学干涉原理来测量表面粗糙度的一种方法。 干涉显微镜是根据光学干涉原理制成的。图4-6(a)为其光学系统示意图。由光源1发出的光线经聚光镜2、滤色片3、光阑4、及透镜5后成平行光线，射向半透半反的分光镜7后分成两束：一束光线通过补偿镜8、物镜9到平面反射镜10，被10反射又回到分光镜7，再由7经聚光镜11到反射镜16，由16进入目镜12； 若被测表面粗糙不平，干涉带即成弯曲形状如图4-(b)。由测微目镜可读出相邻两干涉带距离a及干涉带弯曲高度b。由于光程差每增加半个波长，即形成一条干涉带，故被测表面微观不平度的实际高度为 式中，λ为光波波长 四、触针法 1、触针法的测量原理 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测量法。 四、触针法 如图4-7所示，它是将一个很尖的触针(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。 这种方法所测出的表面轮廓信息即触针圆心的移动轨迹。而轨迹的半径即等于针尖半径和实际表面轮廓曲线的曲率半径之和。因此，影响这种测量方法准确度的因素主要是触针的形状和测量力。 五、印模法 对于一些大型零件的内表面不便使用仪器测量，除了用比较法测量之外还可用印模法来间接测量