培訓(xùn)教材-表面粗糙度計量

1、第一章表面粗糙度的基本概念表面粗糙度所描述的是一種形狀其復(fù)雜的三維空間曲面，它對機械和儀器的性能有 重要的作用，特別是對高速、高壓和重載荷條件下工作的機器和高精度運動的部件作用 更大。對機械零件必須進行粗糙度測量。第一節(jié)零件表面的幾何形狀誤差人們通常把表面幾何形狀的偏差分解成為粗糙度 （微觀的）、波紋度（中間的）和形狀誤差（宏觀的），分別進行評定與控制。圖1-1-1為某一截面輪廓上幾 類幾何狀偏差及其又疊加在一起的示例。如圖1-1-1所示，若單純從幾何形狀去分析，其曲折不平的高度有時沒有很大差別，主要區(qū) 別在于不平度的間距不一樣。各種大小不同的制作以及加工方法的 差異，使三類幾何形狀偏差的間距

2、值的變化范圍很寬，例如有的大 型零件的表面波紋度和粗糙度的間距可能比小零件本身的長度還要to R大，因此難以提出確切的、統(tǒng)一的分界值。所以要把綜合為一體的表面幾圖1-1-1各類 幾何形狀何形狀偏差分成三類，是由于它們各自形成的原因以及對零件使用偏差的示意圖功能的影響都各有特點，因此從這個意義上把三者區(qū)別開來才具有實際作用，但這不能 定量地用一個（間距）數(shù)值簡單地將其分類。一、微觀形狀誤差（表面粗糙度）表面粗糙度是由加工方法固有的內(nèi)在作用所產(chǎn)生，是制件加工過程中由實際加工介 質(zhì)切削刀、磨料、噴等在完工表面上留下的微觀不平度。例如，切削過程中的殘留面積、 切屑分裂時材料的性變形、刀具對制作表面的磨

3、擦造成的灼傷和刀瘤等因素，在加工后 表面上形成各種形式不平的微細加工痕跡。采用不同的工藝方法和條件便構(gòu)成特定的表 面微觀幾何結(jié)構(gòu)。表面粗糙度以往曾稱作表面光潔度，但這個名稱有時容易和表面光澤 反射能力等其他表面特性相混淆，因而目前國內(nèi)外已普遍采用表面粗糙度這一名稱。）二、中間形狀誤差（表面波紋度）一般稱為表面度，簡稱波度。它具有較明顯的周期性的波距（見圖4-1-1C中的B）和 波高，只是在高速切削（主要是磨削）條件下才有時呈現(xiàn)，是由加工系統(tǒng)（機床一工件一刀 具）中的振動所造成的，常見于滾動軸承的套圈等零件。三、宏觀形狀誤差簡稱形狀誤差。它產(chǎn)生的原因是加工機床和工夾具本身有形狀和位置誤差，還有加

4、 工中的力變形和熱變形以及較大的振動等。零件上的直線不直，平面不平，圓截面不圓， 都屬此類誤差。相互位置誤差與宏觀形狀誤差無論產(chǎn)生的原因還是對零件及機器的影響，都有許多相近之處，故合稱為。形位誤差。其精確度的國家標準，也是同一標準，即“形狀和位置 公差”。形位誤差影響零件的配合性質(zhì)和密封性，加劇磨損，降低連接強度和接觸剛度， 直接影響整機的工作精確度和壽命。三種類型的表面幾何形狀偏差的一般數(shù)值范圍，列于表 1-1-1供參考，由表可見它們 是相互交錯重疊的，不可能用單一的數(shù)值將其區(qū)分開。表1-1-1三類幾何形狀偏差的不平度間距和高度的一般范圍表面幾何形狀偏差的類型代號不平度間距S不平度高度H形狀

5、誤差F幾毫米至幾十米0.02 4 m至幾毫米表面波紋度W0.5300mm0.1500 4 m表面粗糙度R零點幾微米至幾毫米0.01 4m至幾百微米第二節(jié)表面粗糙度的評定基準和參數(shù)我國的表面粗糙度國家標準規(guī)定的最基本的粗糙度參數(shù)有三個，附加參數(shù)有三個，都是在1983年頒布，并于1985年開始實施的。其中與測量最密切相關(guān)的是 GBI031-83表 面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值，它取代了舊的國家標準，內(nèi)容與國際標準ISO 468-82基本上相同。另外兩個國家標準主要是規(guī)定許多術(shù)語定義和介紹代號，以及圖紙標注方法。1995年制訂了國家標準GB/J 1031-95代替了 GBI031-83。下面僅就與測量有關(guān)的

6、主要內(nèi)容進 行介紹。一、評疋基準表面粗糙度誤差的隨機性很 強，一般是用規(guī)定的評定參數(shù)來評 定和控制。規(guī)定的評定參數(shù)要先確 定評定基準。（一）中線制（M制）輪康的豪小二乗中緘輪康盤的走向圖1-2-1輪廓的二乘中線中線制是以中線為基準線評定輪廓的計算制。中線有兩種給出方式：1 輪廓的最小二乘中線（簡稱中線）具有幾何輪廓形狀并劃分輪廓的基準線，在取樣長度內(nèi)使輪廓上各點的輪廓偏距的 平方和為最小。參見圖1-2-2。中線的形狀應(yīng)該與被測表面的幾何輪廓形狀一致，如直線、圓弧線、漸開線等。按照最小二乘法原理所求得的中線的方向和位置都是唯一的，只是在輪廓曲線記錄圖上計算求解中線的工作量較大。2 輪廓的算術(shù)平均

7、中線具有幾何輪廓形狀并在取樣 長度內(nèi)與輪廓走向一致的基準線， 在取樣長度內(nèi)由該線劃分輪廓使 上下兩邊的面積相等。參見圖輪康的尊術(shù)平均中歧1-2-2。用算術(shù)平均法給出的這條上下nn二 Fi =' F iii 土圖1-2-2輪廓的算術(shù)平均中線兩邊面積相等的中心線不是唯一的。對明顯的周期輪廓，中線走向比較確定，易于取得 和最小二乘中線相近的結(jié)果。當輪廓曲線形狀不規(guī)則和輪廓走向不清晰時，能繪出一簇 不同的兩邊面積相等的中心線，其中只有一條與最小二乘中線相重合。規(guī)定算術(shù)平均中線是為了便于用圖解法近似地確定最小二乘中線的位置。 在實用中, 若處理得當，對評定參數(shù)結(jié)果的影響很小。（二）包絡(luò)線制（E制

8、）用一個已定半徑rc的球在被測表面上滾動，把這個滾球球心的運動軌跡向被測輪廓移動一個半徑rc，便構(gòu)成這條截面輪廓曲線的包絡(luò)線，參見圖1-2-3 。以包絡(luò)線為基準線,測量出包絡(luò)線到實際輪廓上各點的距離，計算得到各種參數(shù)，用這種方式來說事實上表 面粗糙度稱作包絡(luò)線制。由于至今仍沒有按包絡(luò)線制實現(xiàn)直接測量的 儀器，故包絡(luò)線制長期未得到公認和應(yīng)用。據(jù)分 析，對于常用機加工方式所產(chǎn)生的表面，在限定 條件下（主要是取樣長度和滾球圓心半 徑），用中線制或包絡(luò)線制所測得的最大峰高只有很小的差圖1-2-3 包絡(luò)線異。目前，絕大多數(shù)國家（包括我國）都是采用中線制評定表面粗糙度。（三）確定中線的方法按中線制計測表面

9、粗糙度參數(shù)時，中線的確定可以歸納為兩類情況：一類是在記錄 的輪廓圖形上繪制中線；另一類是由測量中儀器的模擬電路或軟件確定中線，并直接給 出表面糊糙度參數(shù)。1 在輪廓圖上繪制中線如果所記錄的輪廓圖是未經(jīng)電氣濾波的原始輪廓圖形，則必須按規(guī)定在取樣長度的 范圍內(nèi)繪制中線；如果輪廓圖是經(jīng)過高通濾波器所獲得的，是已經(jīng)濾了波的粗糙度輪廓 圖形，貝U可在評定長度內(nèi)確定中線。繪制的方法有兩種：（1）目測方向法：對于測定Ra, Rz和Ry參數(shù)，由于計算數(shù)值時并不需要預(yù)先確定中線相對于輪廓曲線的縱坐標位置，因而在選定的圖形長度范圍內(nèi)只要目測中線的方向， 使其平行于這一段輪廓的走向，以此作為橫坐標軸，即可求得各參數(shù)

10、值。（2）均分法：對于某些需要確定中線的位置才能進一步計算數(shù)值的參數(shù)，則需采取把 連續(xù)輪廓離散化的形式進行計算。如圖1-2-4所示，在選定的記錄圖形長度Ip內(nèi)，按下式確定點31和32的坐標:ha12 N/2Xa2 = 3 N XVh4ha2-hpi N i =N /2式中：N 輪廓圖中離散采樣間隔的點數(shù);x 離散采樣間隔，汶N =1 ;Vh 輪廓圖的水平放大率；hpi 輪廓圖中各離散采樣點 人的縱坐標值連接點ai和a2并延長獲得的一條直線即為中線2 在測量儀器中確定中線對于用電子模擬濾波器的表面粗糙度測量 儀，中線是由儀器中的RC濾波電路直接給出 在帶微機的測量儀器中，被測輪廓已由連續(xù)的 輪廓

11、信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信息。從而可按最 小二乘原理，編制相應(yīng)的程序來確定中線，參 圖 1-2-4，即:m = a tga x - x圖1-2-4均分法繪制中線式中，x取樣長度I的中心1 Ntg2a 二2,_i呂ihpiN N-aN N2 -112式中：hpi 離散采樣點上的輪廓縱坐標值;i 縱坐標個數(shù)；N 在選定的長度范圍內(nèi)的采樣點數(shù)；x 采樣間隔。、取樣長度和評定長度（一）取樣長度在評定表面粗糙度時，如果選擇的取樣N-Shpi+a2Ni =1長度不同（見圖1-2-5中的l1，I2和13），就會得到不同的高度數(shù)值（H1，H2和出）。因此圖1-2-5幾何濾波作用的示例系數(shù)a及角a由下面兩公式確定：

12、r：以中線制評定表面粗糙度各種參數(shù)的定義，都明確是在取樣長度內(nèi)計算的結(jié)果。而且標 準中規(guī)定：當提出表面粗糙度要求時，必須同時給出粗糙度參數(shù)值和測定時的取樣長度 值兩項基本要求。這種用幾何學(xué)的方法達到濾除波紋度的手段，稱作幾何濾波，其作用 見圖1-2-5。在觸針式表面輪廓儀中則采用電氣濾波的方式來實現(xiàn)，電濾波器的截止頻率是由截止波長（亦稱切除長度）導(dǎo)出，它與取樣長度采用相同的數(shù)值。由于實際加丁表面的不平度輪廓形狀千變?nèi)f化，其波距和粗距都有較寬的范圍，用 某個單一的取樣長度值作為所有加工表面的粗糙度和波紋度的界限是不可能的。一般應(yīng) 參照制件表面的加工方式和粗糙度參數(shù)值的大小，選擇符合標準系列的適宜

13、的取樣長度 值。為了控制粗糙度測量結(jié)果中波紋度附加進去的成分不超過一定限度，取樣長度不能 太長，由此確定了它的上限。試驗表明，對大多數(shù)試樣來說，取樣長度為波距的1/3時,所造成的波紋度被計人粗糙度的數(shù)值一般不大于波高值的10 %。所以在一般情況下可選定取樣長度的上限（最大值）不大于1/3的波距。另一方面，又要保證在取樣長度內(nèi)求得的表面粗糙度數(shù)值，能充分反映表面粗糙度 的特征，取樣長度也不能太短。分析表明：對于較規(guī)則的表面輪廓，取樣長度若包含五 個以上的粗糙度間距，所求得的粗糙度數(shù)值將穩(wěn)定在土 2%以內(nèi)；再由濾波器的傳輸特性 來看，當截止波長至少大于五倍粗距時，引起的信號衰減才會小于2%;對于R

14、z參數(shù)來說，取樣長度內(nèi)至少應(yīng)含有五個峰和谷。因此，要選定取樣長度的下限（最小值）應(yīng)不小于五倍粗距。國家標準GB/T 1031 95中給出了國際上通用的取樣長度系列值 （即0.08mm，0.25mm,0.8mm,2.5mm,8.0mm,和25mm）。取樣長度的數(shù)值應(yīng)從這個系列中選取。在國家標準中還給出對應(yīng)于 Ra和Rz,Ry參數(shù)值范圍所推薦的取樣長度選用值，如表 1-2-1和表1-2-2所示。如按表中選用推薦的取樣長度值，則在圖樣上或技術(shù)文件中可以 省略取樣長度的標注。1-2-1Ra的取樣長度I和評定長度In的選用值Ra4mL mmln(ln=5l) mm(0.0080.02)0.080.4&g

15、t;(0.020.1)0.251.25>(0.1 -2.0)0.84.0>(2.0 -10.0)2.512.5>(10.0 80.0)8.040.0表1-2-2Rz，Ry的取樣長度I評定長度丨n選用值Rz, RyAml mmln(ln =5l ) mm>(0.0250.10)0.080.4>(0.100.5)0.251.25>(0.50 -10.0)0.84.0>(10.0 -50.0)2.512.5>(50 320)8.040.0（二）評定長度在某表面的一個取樣長度區(qū)段內(nèi)測得的表面粗糙度參數(shù)值，可能和相鄰的另一段取 樣長度內(nèi)所測結(jié)果相近；而另一

16、表面上相鄰兩段取樣長度內(nèi)的測量結(jié)果也許相差較大， 這說明各種加工表面的粗糙度均勻性不一樣。顯然，如果表面粗糙度均勻性比較好，在 一個取樣長度內(nèi)測量，便能獲得可信賴的結(jié)果；假若表面的均勻性較差，則必須在較長 的包含幾個取樣長度段的范圍內(nèi)測量，然后取其平均值，才能代表這一表面的粗糙度特 性。因此要選定一個合適的最小表面段長度一一評定長度，使能獲得可信的測量結(jié)果， 這可通過概率統(tǒng)計的方法進行分析。國家標準GB7T1031-95推薦一般可選用五倍的取樣長度， 如表1-2-1和表1-2-2所 示。這和觸針式輪廓儀的國家標準中規(guī)定的測量行程長度一致。通過對加工紋理比較規(guī)則和不規(guī)則的表面分析的結(jié)果，按取樣長

17、度分類，建議按 表1-2-3選取評定長度。表1-2-3評定長度的選取范圍加工表面類型取樣長度|評定長度ln車、銃、刨等較規(guī)則表面2.513l精車、磨、精刨等加工表面0.826l研磨、精磨等不規(guī)則表面0.256 17l對加工表面的粗糙度均勻性較好的表面，或者對粗糙度測量準確度要求不高時，評定長度可選用所列范圍的較小值。對于粗糙度均勻性甚差的表面，或者當測量準確度要求較高時，評定長度可采用所列范圍的較大值。當利用光學(xué)儀器測量或用輪廓圖計算表 面粗糙度參數(shù)值時，參照以上原則，通?？蛇x取較小的評定長度。三、評定表面粗糙度的參數(shù)目前通用的定量評價表面粗糙度的參數(shù)，是在一個截面輪廓上用中線為基準線進行 計

18、算的。對于這一平面坐標的輪廓圖形，可以量取縱坐標得到微觀不平度的高度參數(shù)， 由橫坐標可以測得微觀不平度的間距參數(shù)，以及反映輪廓形狀特征的參數(shù)。由于加工表面輪廓形狀十分復(fù)雜，在不同場合下使用的制件對表面特征的控制要求 具有多重性，同時還由于測量儀器的發(fā)展，特別是計算機的應(yīng)用，使以往模擬電路難以 處理的參數(shù)被重新考慮，因此可應(yīng)用的表征參數(shù)和統(tǒng)計函數(shù)的數(shù)量顯著地增加了。（一）有關(guān)的基本術(shù)語為了闡述各種粗糙度評定參數(shù)，將有關(guān)的基本術(shù)語列于表1-2-4。表1-2-4 表面粗糙度評定的基本術(shù)語序號術(shù) 語表征符號定義1取樣長度l用于判別具有表面粗糙度特征的一段基準線 長度，規(guī)定和選擇這段長度是為了限制和減弱

19、 表面波度對表面粗糙度測量結(jié)果的影響，取樣長度在輪廓總的走向上量取。2評定長度L或ln為可靠地確定表面粗糙度特性所必須的一段 長度，在這個長度上確定該表面輪廓的粗糙度 數(shù)值，評定長度可包含一個或幾個取樣長度。3輪廓偏距y在測量方向上，輪廓上的點至基準線（中線）之間的距離，輪廓偏距應(yīng)在測量輪廓方 向上量取，如示意圖所示，對實際輪廓來說， 中線和評定長度內(nèi)輪廓總的走向之間的夾角。 是很小的，因此垂直于中線測得的輪廓偏距與 垂直于輪廓總的走向所測得的輪廓偏距之差 可忽略不計。故對實際表面來說，可認為輪廓 偏距是垂直于中線的。輪廓峰4輪廓與中線相交，連接兩相鄰交點向外（從材料到周圍介質(zhì)）的輪廓部分。輪

20、廓谷輪廓微觀不平度的間表征符號輪廓與中線相交，連接兩相鄰交點向內(nèi)圍介質(zhì)到材料）的輪廓部分。含有一個輪廓峰和相鄰輪廓谷的一段中線長度。輪廓峰頂線在取樣長度內(nèi)平行于中線并通過輪廓最高點的線。輪廓谷底線在取樣長度內(nèi)平行于中線并通過輪廓最低點的線輪廓的單谷兩相鄰輪廓最低點之間的輪廓部分。10輪廓的單谷兩相鄰輪廓最高點之間的輪廓部分。輪廓的11單峰間兩相鄰單峰的最高點之間的距離投影在中線上的長度。輪廓水輪廓峰頂線和平行它并與輪廓相交的截線之12平截距（從周間的距離，它可用微米或輪廓最大高度的百分數(shù)表示。（二）各種參數(shù)的定義1與微觀不平度高度特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)微觀不平度的高度參數(shù)一直是世界各國廣泛應(yīng)

21、用的評定表面粗糙度的主要參數(shù)。常 見的高度參數(shù)的定義列于表1-2-5 。表1-2-5微觀不平度的高度參數(shù)序術(shù)語號表征定 義 符號輪廓最1大峰高R p 在取樣長度內(nèi)從輪廓峰頂線至中線的距離。見表1-1-5序號7圖輪廓最2大谷深在取樣長度內(nèi)從輪廓谷底線至中線的距離。Rm輪廓最3大峰高RyRm axRt在取樣長度內(nèi)輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間 的距離評定長度內(nèi)輪廓峰谷間的最大高度。見表1-1-5序號7圖在取樣長度內(nèi)五個最大的輪廓高的平均值與微觀不4 平度十點高度Rz五個最大的輪廓55瓦 ypi+瓦 yvi谷深的平均值之和 R =蘭z5日本國標中定義Rz為在取樣長度內(nèi)第三個最 高的峰頂至第三個最深的谷底

22、之間的距離。微觀不5 平度十點高度五個連續(xù)取樣長度中的 Rt的平均值，在德國 標準中用來等效于 Rz6輪廓算術(shù)平均偏差RaCLAAA在取樣長度內(nèi)輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值1 IRaly（xdx|或近似為Ra =丄送hin i#7輪廓均方根偏差RqRMSHjHck在取樣長度內(nèi)輪廓偏距的均方根值l'l l 2|Rq = y(X dx或近似為'1 n 2 n y2 與微觀不平度間距特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)微觀不平度的間距參數(shù)反映了表面加工紋路的細密度。在評定微觀不平度高度數(shù)值 的同時附加這種參數(shù)，便構(gòu)成對表面輪廓的二維控制，能更好地反映表面的特性。有關(guān) 間距參數(shù)的定義列于表1-2-6

23、 。表1-2-6微觀不平度的間距參數(shù)名稱表征符號定義和圖示輪廓微觀不平度的平均間距Sm在取樣長度內(nèi)輪廓微觀不平度間距的平均值輪廓的單峰平均間距S在取樣長度內(nèi)輪廓的單峰間距的平均值輪廓峰的密度DHSC1)單位長度內(nèi)的輪廓峰數(shù)，在取樣長度|內(nèi)的計算式為D =丨/ Sm輪廓的均勻方根波長2) 嘰2兀乘以輪廓均方根偏差 Rq與輪廓均方根斜率 蟲q之比 = 2lRq Mq輪廓的平均波長2兀乘以算術(shù)平均偏差 Ra與算術(shù)平均斜率A a之比= 2兀Ra / a輪廓長度比lo輪廓展開長匕度L0與取樣長度1之比l0 . 1V % v W注；1) HSC是在評定長度內(nèi)所計算的輪廓峰的個數(shù)。2) 'q和、，是

24、考慮了所有單峰和單谷的相對幅度和各自空間頻率的間距尺度。計算式中的厶q和厶a的定義見表1-2-7序號1，2。3.與微觀不平度形狀特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)綜合反映微觀不平度輪廓形狀參數(shù)的定義列于表1-2-7。表1-2-7微觀不平度的輪廓形狀參數(shù)序 名稱及表定義號 征符號率的均方根值在取樣長度內(nèi)輪廓縱坐標變化輪廓的均方根斜率q在取樣長度內(nèi)輪廓縱坐標變化輪廓的算術(shù)平均斜率絕對值的算術(shù)平均值dx1 n近似為Aaan i#7i輪廓支承長度 p在取樣長度內(nèi)，一平行中線的線與輪廓相截所得到的各段截線 長度之和p =匕 “27bn輪廓支承長度P與取樣長度I輪廓支承長度率tptp幅度分布ADF輪廓的偏斜度Sk之

25、比tp值是對應(yīng)于各個水平截距C而給出的是輪廓微觀不平度高度的分布函數(shù)。幅度分布曲線用下述方法得到：將輪廓在取樣長度內(nèi)分為等間距的N個縱坐標。在輪廓峰頂線至谷底線的區(qū)域內(nèi)，作若十條平行于中線的等間距線。兩相鄰平行線在輪廓線上截取的區(qū)域內(nèi)可計得含有n個縱坐標，以n/N 100%值對該組平行線的中間輪廓偏距值作坐標點，由各組平行線計取的坐標點連線即為幅度分布曲線是幅度分布不對稱性的量度。 在取樣長度內(nèi)以 n個輪廓偏距三次方的平均值來確定，由下式給yZ丿匕5亠亠兒7卩 910第三節(jié)表面粗糙度的測量方法和測量注意事項、測量方法表面粗糙度的測量方法有很多，主要的方法如表1-3-1所示表1-3-1表面粗糙度

26、的測量方法及可測范圍測量方法可測量范圍測量部位Ra值Rz相當舊國際“級”直接目測比較法63 2.525010可1 5外表面觸覺比較法100.6340 3.2可4燈7內(nèi)、外表面放大鏡比較法2.5 0.3210 1.6可5燈8外表面顯微鏡比較法100.140 0.5可4燈10外表面光切法（光切顯微鏡）16 0.1663 0.8V3燈9外表面光干涉法（干涉顯微鏡）0.08 0.010.4 0.03可10燈14外表面針描法（輪廓儀）50.0220 0.1V5燈12內(nèi)、外表面印模法>0.04>0.2可1V11內(nèi)表面全息干涉法0.16 0.010.8 0.05可9 13平面激光光斑法0.6 0

27、.026.3 0.05可6 12外表面光纖法<0.25<1.2579內(nèi)表面對加工表面質(zhì)量的評定，除了用視覺和觸覺進行定性地比較檢驗的方法以外，并逐步實現(xiàn)了用數(shù)值確定表面粗糙度參數(shù)值的定量測量。從本世紀30年代陸續(xù)提出了測量粗糙度的方法原理和儀器以來，已發(fā)展了一系列利用光學(xué)、機械、電氣原理的表面粗糙度專用測量儀器，電動量儀的基本結(jié)構(gòu)模式如圖1-3-1所示叢測套面一測結(jié)果圖1-3-1電動量儀的基本結(jié)構(gòu)模式在實際工作中，對加工表面粗糙度的評定，可歸納為四種方式。（一）在選定的截面輪廓上直接測量表面微觀不平度數(shù)值 （粗糙度參數(shù)值）用這種方式能夠按照粗糙度的評定標準中給出的參數(shù)定義直接測得具

28、體數(shù)值，所以被普遍應(yīng)用。實現(xiàn)截面輪廓的儀器類型很多，目前使用較廣的主要有兩大類。一類為觸針式儀器，用尖銳的觸針劃過表面，把探測的表面輪廓形狀放大描繪出來，或經(jīng)過計算處理裝置直接給出粗糙度參數(shù)值。觸針在被測表面上描跡所感受到的輪廓信 息，現(xiàn)時一般采用電感式、壓電式或光電式等轉(zhuǎn)換形式將其變?yōu)殡娦盘?。信號的運算處 理方法現(xiàn)已從簡單的積分電路、平均指示表等模擬電路發(fā)展為應(yīng)用微處理機（或集成芯片）、數(shù)碼顯示和電傳打印等現(xiàn)代的數(shù)字電路和終端設(shè)備，因而有了更廣闊的應(yīng)用前景。 機械接觸式的觸針亦開始為非接觸的光學(xué)探針所取代。另一類是以顯微干涉法、光切法為代表的光學(xué)儀器。這類儀器屬于不接觸測量方式，并且有結(jié)構(gòu)簡

29、單、經(jīng)濟、使用維護方便等特點，對于超精加工表面和某些特殊材料、小 尺寸表面的測量，能彌補觸針式儀器的不足。（二）在一個局部表面上綜合評價微觀不平度特征目前這類測量方式，一般是利用經(jīng)過前一方法測得截面輪廓粗糙度結(jié)果的成組樣塊，對該類綜合評定儀器進行定標或找出相應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系以后再使用。實現(xiàn)此種測量方式的儀器，多為氣動法、電容法、光反射法等。當被測表面的形狀、大 小和工藝方法等已基本確定后，設(shè)計好合適的測量頭和信號接收元件，可以獲得較好的效果。這種方式適于在大批量生產(chǎn)中運用，并可應(yīng)用到生產(chǎn)現(xiàn)場在線檢測中。近期正在研究發(fā)展中的各種光散射法、光斑對比度法，也是測量一個局部面積的信 息，經(jīng)過處理后，有的通

30、過樣板給儀器定標，也可采用在設(shè)定的條件下導(dǎo)出的關(guān)系式給 出統(tǒng)計特征參量，以確定被測表面粗糙度的綜合狀況和相應(yīng)的粗糙度參量。（三）比較檢測方式用已知表面粗糙度參數(shù)值的比較樣塊（或標準試件）和待檢表面進行比較，靠目測或 借助放大鏡觀察或用手指甲感觸判別。這種方法不能得出具體參數(shù)值，但簡單易行，仍為生產(chǎn)現(xiàn)場廣泛采用的檢測方法。（四）間接測量方式一一印模法對于大型工件、凹槽、內(nèi)表面或特殊型面等零件，在一般儀器難于測量的情況下，常 利用可以把表面輪廓形狀復(fù)印下來的某些印模材料，制作一個表面輪廓的負模，然后通 過對負模的測量，間接獲得加工表面的粗糙度結(jié)果。二、測量注意事項（一）測量方向評定表面粗糙度的二維

31、參數(shù)值，是在垂直于被測表面的法向截面上給出的。如圖紙 或技術(shù)文件上已注明測量方向，則應(yīng)按所指定的方向進行測量；如沒有注明，應(yīng)在能給 出最大的粗糙度高度參數(shù)值的方向上測量。BCN1 II表面在加工后留下的痕跡多具有方向性，測量時， 應(yīng)在垂直于加工痕跡的方向上進行（如圖1-3-2中的A 向），因為該方向一般就是能給出最大的粗糙度高度參 數(shù)值的方向。在圖1-3-2中，如按方向B（斜向）測量, 雖然微觀不平的高度參數(shù)與方向 A相差不大，但在同 樣的取樣長度I內(nèi)，被測輪廓峰與峰之間的距離有明顯的變化，有時可能因峰、谷數(shù)目在 取樣長度內(nèi)過圖1-3-2測量方向圖少而不便測量。如按圖中N方向測量，則微觀不平的

32、高度參數(shù)將很小，甚至測不出來。 如被測表面的加工痕跡方向不明顯（如研磨表面）或沒有一定的方向（如某些非切削 力卩工表面），則應(yīng)選擇幾個不同的方向測量，取測得的最大參數(shù)值作為測量結(jié)果。（二）測量部位由于表面加工后的微觀起伏不平具有隨機性，不同部位測得的粗糙度參數(shù)值往往不 相同，有時差別還很大。因此，對較重要的表面，應(yīng)在不同的部位多處測量，取平均值 作為測量結(jié)果。必要時，可將不同部位測得的結(jié)果都記錄下來，以便參考。(三) 表面缺陷 表面粗糙度不包括表面缺陷，如氣孔、砂眼、劃痕、擦傷等，因此在測量時應(yīng)予排 除。對于表面缺陷，必要時應(yīng)另外提出要求。第四節(jié) 表面粗糙度參數(shù)值的量值傳遞為了保證表面粗糙度主

33、要參數(shù)值在全國范圍內(nèi)的量值統(tǒng)一，國家技術(shù)監(jiān)督局頒布了 表面粗糙度計量器具檢定系統(tǒng) (JJG 2018 89) 。檢定系統(tǒng)如圖 1-4-1 所示。圖 1-4-1 表面粗糙度計量器具檢定系統(tǒng)框圖檢定系統(tǒng)規(guī)定了表面粗糙度 Rz,Ry，參數(shù)為0.180m和Ra參數(shù)為0.1 10m范圍內(nèi) 的國家計量基準所包含的全套主要計量器具和主要計量學(xué)參數(shù)，還規(guī)定了從國家計量基 準器具通過標準計量器具向工作計量器具進行量值傳遞的程序，并指明了誤差值和基本 檢定方法。國家基準用了復(fù)現(xiàn)和保存粗糙度參數(shù)在上述范圍內(nèi)的長度單位，它由下列全套計量 器具組成：（1）專用單色光源的干涉顯微鏡基準裝置。（2）觸針式表面粗糙度測量系統(tǒng)

34、，包括專用微機系統(tǒng)、連接硬件和成套軟件。（3）1級表面粗糙度基準樣板和基準階梯量塊組。計量標準器具主要采用粗糙度標準樣板。標準樣板有兩大類：一類為單刻線樣板 （包 括組成階梯高度的階梯式實物標準），單刻線的刻線深度（或階梯高度）為0.1805范 圍內(nèi)，用做傳遞Rz和Ry值的標準器具；另一類為多刻線樣板（包括其他類似形式的用于校驗觸針式儀器的校驗樣板）其Ra值在0.110m范圍內(nèi)，用做傳遞Ra值的標準器具, 多刻線標準樣板還按準確度和使用對象分一等和二等兩個等級，二等多刻線標準樣板用 于校驗精確度較低的觸針式儀器。二等樣板按一定方法（見圖1-4-1）用一等樣板來檢定,也可用國家基準直接檢定。圖1

35、-4-2單刻線樣板干涉顯微鏡、光切顯微鏡和精確度較高的輪廓儀既 可用做工作計量器具，也可用做計量標準器具，用以檢 定比較樣塊或標準樣件。圖1-4-1中欄和下欄里兩處標 號I ,2,3的儀器，其主要參數(shù)完全對應(yīng)相同，標號1-1， 1-2，1-3的輪廓儀準確度不同。檢定工作計量器具所用的計量標準器具測量的不確 定度與工作計量器具允許誤差之比應(yīng)不大于 1:1.5。第一章比較法評定表面粗糙度比較法測量表面粗糙度是用粗糙度樣板與被測零件加工表面進行比較來評定表面粗 糙度的一種方法。盡管這種方法測量準確度不高，但其操作簡單，使用方便，被廣泛應(yīng) 用于加工現(xiàn)場。第一節(jié)比較樣塊粗糙度比較樣塊是用比較法評定表面粗

36、糙度的一種工作量具。比較樣塊有具體的表面粗糙度參數(shù)值Ra與Rz值，樣塊和被評定的工件表面應(yīng)具有相同的材料、 相同的加丁方法、相同或相近的表面物理特征（如表面加工紋理、色澤、形狀等） 圖2-1-1為車削加工的比較樣塊，可與軸表面進行比較。樣塊（共四塊）是圓柱形或半圓柱形的車加工金屬制件。有條件的工廠，可以自己按國家標準的要求加工制作粗糙度比較樣塊。也可從批量 加工的工件中，挑圖2-1-1 比較樣塊選粗糙度參數(shù)Ra或Rz實際值等于或接近圖紙上標注的公稱值的工件，作為比較樣塊，去檢查同批工件。我國參照ISO國際標準制訂了表面粗糙度比較樣塊的國家標準，標準共有六個，以 適應(yīng)不同的加工表面的比較評定：G

37、B 6060 . 1 85鑄造表面；GB 6060 ，285磨、車、鏜、銑、插及刨加工表面；GB 6060 . 386電火花加工表面；GB 6060 . 488拋光加工表面；GB 6060 . 588拋(噴)丸、噴砂加工表面；GB /T14495-93木制件表面。比較樣塊的檢定可按表面粗糙度比較樣塊檢定規(guī)程(JJG 102 2003)來進行，檢定項目和表面粗糙度參數(shù)值見規(guī)程。檢定室溫一般要求為(20 ± 5) C。樣塊工作面的粗糙度用參數(shù) Ra值評定，Ra值要準確測定，所用輪廓法觸針式表面粗糙度測量儀(輪廓儀)要求系統(tǒng)誤差小于等于i5 %，隨機誤差匚小于等于1%。測量時 的取樣長度可

38、按表2-1-1選取，評定長度一般取5倍的取樣長度。表2-1-1取樣長度的選取mm粗糙度參數(shù)公稱值Ra4m制造方法磨車、鏜銑插、刨0.0250.250.050.250.10.250.20.250.40.80.80.80.80.80.80.80.81.60.80.82 50.83.22.52.52.52.56.32.58.02.512.52.58.08.0258.0注：1 樣塊表面微觀不平度主要間距應(yīng)不大于給定的取樣長度。2 對于周期輪廓的加工表面，其取樣長度應(yīng)取距規(guī)定值最近的較大的整周期數(shù)的長度。測量時，應(yīng)在樣塊均勻分布的10個位置上各測一個Ra值，其平均值對公稱值的偏離量不得超過一 17%+1

39、2% （具體數(shù)值見表2-1-2），否則為不合格。表2-1-2 R .平均值允許范圍（-17 %一-十 12% ）Ra公稱值Ra平均值允許范圍Ra公稱值Ra平均值允許范圍2520.8 28.00.40.33 0.4512.510.4 14.00.20.166 0.2246.35.2 7.10.10.083 0.1123.22.66 3.580.050.042 0.0561.61.33 1.790.0250.021 0.0280.80.66 0.90工作面的標準偏差是指所測得的 Ra值偏離平均值的標準偏差，計算所得的標準 偏差不應(yīng)超過表2-1-3的規(guī)定。表2-1-3標準偏差允許值%加工方式標準偏差

40、允許值（有效值百分率）s5 （ % ）磨、銑9車、鏜、插、刨4表中給出的標準偏差S5 （ %）是評定長度內(nèi)包含五個取樣長度時的標準偏差 （%），如評定長度內(nèi)含有n個（n= 5）取樣長度，則標準偏差（%） S5按下式計算sn 二 s5 . 5/n測量結(jié)果的標準偏差(%)按下式計算n 2q ' Rai - Ra(2-2-1)s =彳代 100%& n -11s 二Ran二Rai-n Rai-：100%(2-2-2)式中：Ra 樣塊表面實測所得Ra值的平均值,Ran二.Raii 4；nn 1n 樣塊表面實測位置（測點）的數(shù)目。按式（2-1-1）或式（2-1-2）計算得到s值，如只是略

41、微超過表2-1-3中的規(guī)定值S5（或計算所得的Sn），允許增加1015個新的測量位置，經(jīng)測量后再行計算（將新的測量數(shù)據(jù)與原有測量數(shù)據(jù)一并計算，即，n=20或25），如仍超過規(guī)定，則為不合格第二節(jié)視覺比較法評定表面粗糙度最簡單的視覺比較法。就是將比較樣塊和被檢工件表面并放在一起，在相同的照明條件下，用人眼直接觀察評定。這種方法的評定范圍 大約是Ra值為3.2605（相當圖2-2-1 實體圖1,3千分筒；2-短接管；4鏡筒；5物鏡組6放大接管對Ra值為0.41.6 Jm的表面，可用5倍或10倍的放大鏡進行目測評估。對于Ra值為0.10.4 Jm的表面，需用比較顯微鏡作目測評估。Ra值小于0.1 J

42、m，不宜用比較樣 塊檢驗。圖2-2-1所示為實體顯微鏡，它結(jié)構(gòu)簡單輕便，比較時把實體顯微鏡先后放置在比較樣塊和被檢表面上，調(diào)整千分筒1和3,使影象清晰，用人眼觀察被物鏡組5（在鏡筒4 內(nèi)）放大了的表面影象進行比較評估。這種顯微鏡還備有放大接管6,用以提高放大倍率， 擴大對比范圍。圖2-2-2 光路圖1被檢表面；2,7 物鏡；3光源；4聚光鏡45分光鏡；6目鏡；8比較樣塊10圖2-2-3 光路圖1 表面粗糙度比較樣塊2,9 物鏡；3,8 棱鏡目鏡；5測微鏡；6象面；7分光棱鏡;比較顯微鏡的類型有多種，可評定的Ra值為0.110（'10I 4）。圖2-2-2是被測表面一種典型的比較顯微鏡的

43、光學(xué)系統(tǒng)圖。光源 3發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡4后形成平行光，再由 分光鏡5分光，一路光經(jīng)物鏡2到達被檢表面1,另一路光經(jīng)同樣的物鏡7到達比較樣塊 的表面&焦距調(diào)好后，即可從目鏡6中看到兩個表面的放大象，從而可評估被檢表面的 粗糙度是否合格。，圖2-2-4是另一種形式的比較顯微鏡的光路原理圖。光線從比較樣塊1和被檢表面10向上反射，分別通過兩個相同的物鏡 2和9、棱鏡3和8,再經(jīng)分光棱鏡7反射，使象面 6與棱鏡7的棱線重合。從目鏡4中觀察，視場中一半是比較樣塊表面的放大象， 另一半 是被檢表面的放大象，對比非常方便。儀器有25和50倍兩種放大倍率，使用時，不同倍率的物鏡可通過轉(zhuǎn)換器很方便地更換。

44、放置比較樣塊和被測件的兩個工作臺可以同時 升降，并可作橫向和縱向的微調(diào)。第三章 光切顯微鏡測量表面粗糙度一、測量前的調(diào)整測量前，先要調(diào)整儀器，使被測表面的微觀不平在目鏡視場里成清晰象，以便進行 測量。（一）選擇可換物鏡儀器有四對不同倍率的物鏡，標稱倍率分別為 7， 14，30 和 60，可按被測表面的粗 糙度參數(shù) Rz 值的范圍來選用。選擇時，要先估計被測表面的粗糙度參數(shù) Rz 值，也可參考被測件圖紙上的標注值。 如條件允許，可用標準樣板與被測件比較一下。若用低倍物鏡測 Rz 值過小的精細表面， 則因放大倍數(shù)不夠，使所得影象幾乎成一條直線而沒有明顯的峰和谷，從而無法測量讀 數(shù)；若用高倍物鏡測

45、Rz 值太大的粗糙表面，則因物鏡成象的深度不夠，不能同時得到被 測輪廓峰和谷的清晰影象，測量將有較大失真。如出現(xiàn)上述情況，說明物鏡選擇不當，標準文案應(yīng)換選倍率較大或較小的物鏡。雙管式光切顯微鏡的成對換物鏡是分開的， 使用時要分別裝在兩個光管的下方。 整 體式光切顯微鏡的成對物鏡已安裝在物鏡板上成為一整體，換裝時向下按手柄，即可安 裝或卸下物鏡板，裝好后松開手柄，物鏡板將被放松時的彈簧力夾緊。物鏡板是以其上 的燕尾槽插裝的，插裝時要插入到與前方的定位塊靠緊，否則位置不當。還有的光切顯 微鏡，幾種不同放大倍率的可換物鏡都裝在儀器的下方，使用更換時只需轉(zhuǎn)過一個位置 即可，不需要裝卸。（二）安放被測工

46、件一般平面形工件，就放在平面工作臺上，圓柱形工件要用 V 形塊，對尺寸較大的被 測件，可將儀器橫臂轉(zhuǎn)到背面測量。工件的被測表面應(yīng)與平面工作臺臺面平行。對圓柱形工件，要求最高位置的素線平 行于工作臺面。對圓錐形工件的最高位置素線，應(yīng)設(shè)法墊平其斜度，否則會給測量帶來 誤差。安放被測件后，先調(diào)焦得出目鏡視場的清晰影象，再前后左右移動千作臺 （ 即移動 工件），若影象的清晰程度沒有變化，則說明被測表面與丁作臺面的平行度合乎要求，否 則要繼續(xù)墊平被測表面。另外，被測表面的加丁紋路應(yīng)與投射在其上的狹縫影象 （ 綠色細亮條 ） 垂直，這一點 很重要，但調(diào)整很容易。（三）調(diào)焦 調(diào)焦時應(yīng)先調(diào)目鏡。調(diào)節(jié)目鏡頭上方

47、的滾花環(huán)，以適應(yīng)測量者的視度，直到從目鏡 視場中看到清晰的分劃板刻線為止。然后再調(diào)物鏡。調(diào)整立柱上的螺母使鏡架下降到物 鏡頭與被測表面約10mm左右時，即鎖緊螺釘，但用力不要過大。再緩慢轉(zhuǎn)動微調(diào)手輪，使鏡架繼續(xù)徐緩下降，當下降到物鏡頭 - 與被測表面之間的距 離接近工作距離時，目鏡視場內(nèi)將出現(xiàn)光亮。再配合調(diào)整儀器照明光管上的微調(diào)環(huán)和微 動螺釘，使視場中的亮帶變窄并逐漸清晰，反復(fù)調(diào)整手輪、微調(diào)環(huán)和螺釘，直到亮帶 （ 狹 縫及表面輪廓象 ） 最清晰為止。亮帶清晰是以一個邊緣為準，因為由于儀器成象的原因， 要使上下兩個邊緣都最清晰很困難，對高倍率物鏡更是如此。調(diào)焦過程中要特別注意，鏡架下降時，千萬不

48、要讓物鏡頂端觸碰被測工件表面而導(dǎo) 致?lián)p壞，造成嚴重事故。特別是對高倍率物鏡，標稱倍率為 60 的物鏡，其工作距離只有 0.04mm在微調(diào)手輪使鏡架下降接近被測表面時，不能僅用眼睛注視目鏡視場 （看是否出現(xiàn)亮帶和亮帶是否清晰），同時也要密切觀察物鏡頭是否靠觸被測件。整體式光切顯微鏡調(diào)焦比雙管式光切顯微鏡簡單，它只要調(diào)整鏡架升降，而不需用 微調(diào)環(huán)和微動螺釘（也沒有）去調(diào)節(jié)照明光管的軸向位置和傾角。如下降鏡架達不到調(diào)焦 目的，即視場中的影象不夠清晰或亮帶位置不在視場中央，可微轉(zhuǎn)平行玻璃板微調(diào)小手 輪，但在升降鏡架可達到調(diào)焦要求時，最好不要調(diào)節(jié)小手輪。調(diào)焦時，如亮帶的亮度不一致，可轉(zhuǎn)動照明燈泡，或使燈

49、泡沿照明鏡管上下移動， 直到整條亮帶的亮度一致。、測量表面粗糙度調(diào)焦完成后，即可進行測量。（一）測量微觀不平度十點高度Rz值光切顯微鏡測量表面粗糙度的主要參數(shù)就是Rz，可測的Rz值范圍在0.880之間。具體的測量步驟如下：1.確定取樣長度和評定長度由表1-2-2可知，用標稱倍率為60倍和30倍的物鏡,取樣長度I應(yīng)取0.8mm 14倍物鏡取0.8mm或2.5mm 7倍物鏡取2. 5mm或8mm在正常加十條件下，千件表面的實際Ra或Rz值，多是略小于圖紙上的標注值，因此也可參考圖 紙標注值選取樣長度。實用時，對取樣長度并不是嚴格地去測量有多長，而是估計一個適當?shù)拈L度，一般 情況下，如果視場直徑能包

50、含或接近包含一個取樣長度，那就在一個視場范圍內(nèi)選擇五 個最高的輪廓峰和五個最低的輪廓谷來測量。但選用高倍物鏡，主要是選60倍的物鏡時, 取樣長度明顯大于視場直徑，這樣測量就不能在一次觀測中完成，而需要沿測量的亮帶 方向移動工件（也可移動工作臺），在兩個視場中連續(xù)測五個最高的峰頂和五個最低的谷 底。這樣操作當然要麻煩些。評定長度一般是連續(xù)取五個取樣長度，如前所述，也可視被測表面情況取多于或少于五個取樣長度。具體測量是在每一取樣長度內(nèi)測算得出一個Rz值，再取平均值作為該評定長內(nèi)的Rz值。2.測量在視場中被測輪廓影象上確定五個最大的輪廓峰高和五個最大的輪廓谷深 作為測量讀數(shù)點，峰高和谷深應(yīng)在垂直于輪

51、廓中線的方向上來測量。要注意五個最大的 峰高和五個最大的谷深應(yīng)在中線上方及下方分別確定，而不一定是五個起伏高差。測量時，目鏡視場中十字線的水平線方向應(yīng)與輪廓中線平行，輪廓中線的方向可取輪廓亮帶的方向。調(diào)整時，先轉(zhuǎn)動目鏡頭，使視場中十字線的水平線與亮線方向平行（位置無嚴格要求），調(diào)好后鎖緊目鏡頭。再旋轉(zhuǎn)讀數(shù)鼓輪，使十字線水平線依次與被測輪廓 上的五個最大峰高相切，記下五個峰高讀數(shù)值 hi,h2,h3,h4和h5，再將十字線依次與五個 最大谷深相切，記下五個谷深讀數(shù)值 h1',h2',h3',h4'和h/。測量時用水平對線方式。按照參數(shù)Rz的定義，可求得Rz值為:E

52、 hi -ZhiRz式中，c 按求得的定度值。如視場中亮帶的兩個輪廓邊緣只有一個最清晰，則應(yīng)測量最清晰的那個邊緣（上邊緣 或下邊緣）。在連續(xù)n個（一般為五個）取樣長度（即一個評定長度）上各測得一 Rzi的值，取平均Rz作為結(jié)果如被測表面的粗糙度很不均勻，應(yīng)在多個 （m個）不同部位各取一個評定長度進行測 量。再取平均值作為最后結(jié)果。如各部位的測量結(jié)果相差很大，可再多測幾個部位，取平均值作為最后結(jié)果，必要 時，還可注明不同部位測得的Rz值。生產(chǎn)中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，經(jīng)常采用 Rz的最大值 作為評定依據(jù)，而不取平均值。在連續(xù)取多個取樣長度時，要移動被測件。另外，當用 高倍物鏡，其物方視場直徑小于取樣

53、長度時，如前所述，也要移動被測件，在兩個連續(xù) 的視場里進行測量。這時應(yīng)注意工件被測輪廓的移動方向要和亮帶平行，具體做法是在 工作臺面上或被測表面上選一標記或作一標記，移動工作臺，使該標記移到視場中的一 端，并使目鏡中的十字線與標記相切，記下測微鼓輪讀數(shù)。再移動工作臺，使標記移到 視場中的另一端，再次使十字線與標記相切，記下第二次讀數(shù)。若兩次讀數(shù)之差不超過 測微鼓輪上的五個小格，即可認為已滿足平行度要求。如超過五個小格，則應(yīng)轉(zhuǎn)動工作 臺（連同被測件）重新調(diào)整，直到滿足要求為止。（二）測量輪廓算術(shù)平均偏差Rz值光切顯微鏡也可測Ra的值，但操作很麻煩，只是在沒有輪廓儀而又非測Ra值不可時偶爾用到。生產(chǎn)單位如沒有輪廓儀，可在征得設(shè)計者的同 意后，將圖紙上標注的Ra值，按舊標準的“級”，改為對應(yīng)的Rz值來測量。1. 建立測量坐標 首先調(diào)整工作臺和被測件，使 工作臺的運動方向與被測輪廓 總的走向（即與加工痕跡垂直的亮帶方向）一致，作為橫坐標X。