培訓(xùn)教材-表面粗糙度計量

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(jī)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(jī)器和高精度運(yùn)動的部件作用更大。對機(jī)械零件必須進(jìn)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(jìn)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(diǎn)，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(xì)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)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(jī)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(jī)床和工夾具本身有形狀和位置誤差，還有加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(jī)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(biāo)準(zhǔn)，也是同一標(biāo)準(zhǔn)，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(qiáng)度和接觸剛度，直接影響整機(jī)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不平度高度形狀誤差幾毫米至幾十米0.02至幾毫米表面波紋度0.5~300mm0.1~500表面粗糙度零點(diǎn)幾微米至幾毫米0.01至幾百微米第二節(jié)表面粗糙度的評定基準(zhǔn)和參數(shù)我國的表面粗糙度國家標(biāo)準(zhǔn)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GBl031-83《表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》，它取代了舊的國家標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容與國際標(biāo)準(zhǔn)ISO468-82基本上相同。另外兩個國家標(biāo)準(zhǔn)主要是規(guī)定許多術(shù)語定義和介紹代號，以及圖紙標(biāo)注方法。1995年制訂了國家標(biāo)準(zhǔn)GB／J1031-95代替了GBl031-83。下面僅就與測量有關(guān)的主要內(nèi)容進(jìn)行介紹。一、評定基準(zhǔn)表面粗糙度誤差的隨機(jī)性很強(qiáng)，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(zhǔn)。圖1-2-1輪廓的二乘中線（一）中線制(制)中線制是以中線為基準(zhǔn)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(zhǔn)線，在取樣長度內(nèi)使輪廓上各點(diǎn)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(zhǔn)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1-2-2。用算術(shù)平均法給出的這條上下圖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(dāng)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(dāng)，對評定參數(shù)結(jié)果的影響很小。(二)包絡(luò)線制(E制)用一個已定半徑的球在被測表面上滾動，把這個滾球球心的運(yùn)動軌跡向被測輪廓移動一個半徑，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(zhǔn)線，測量出包絡(luò)線到實際輪廓上各點(diǎn)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(rèn)和應(yīng)用。據(jù)分析，對于常用機(jī)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，則可在評定長度內(nèi)確定中線。繪制的方法有兩種：(1)目測方向法：對于測定,和參數(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(biāo)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(biāo)軸，即可求得各參數(shù)值。(2)均分法：對于某些需要確定中線的位置才能進(jìn)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(jìn)行計算。如圖1-2-4所示，在選定的記錄圖形長度內(nèi)，按下式確定點(diǎn)和的坐標(biāo)：式中：—輪廓圖中離散采樣間隔的點(diǎn)數(shù)；—離散采樣間隔，；—輪廓圖的水平放大率；—輪廓圖中各離散采樣點(diǎn)的縱坐標(biāo)值。連接點(diǎn)和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(jī)的測量儀器中，被測輪廓已由連續(xù)的輪廓信號轉(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：圖1-2-4均分法繪制中線式中，——取樣長度的中心。系數(shù)及角由下面兩公式確定：式中：—離散采樣點(diǎn)上的輪廓縱坐標(biāo)值；—縱坐標(biāo)個數(shù)；—在選定的長度范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)；—采樣間隔。二、取樣長度和評定長度(一)取樣長度在評定表面粗糙度時，如果選擇的取樣長度不同(見圖1-2-5中的，和)，就會得到不同的高度數(shù)值(，和)。因此圖1-2-5幾何濾波作用的示例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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：當(dāng)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)系列的適宜的取樣長度值。為了控制粗糙度測量結(jié)果中波紋度附加進(jìn)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±2％以內(nèi)；再由濾波器的傳輸特性來看，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)GB／T103l一95中給出了國際上通用的取樣長度系列值(即，和)。取樣長度的數(shù)值應(yīng)從這個系列中選取。在國家標(biāo)準(zhǔn)中還給出對應(yīng)于和參數(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(biāo)注。1-2-1的取樣長度和評定長度的選用值(0.008～0.02)>(0.02～0.1)>(0.1～2.0)>(2.0～10.0)>(10.0～80.0)0.080.250.82.58.00.41.254.012.540.0表1-2-2的取樣長度評定長度選用值(0.025～0.10)>(0.10～0.5)>(0.50～10.0)>(10.0～50.0)>(50～320)0.080.250.82.58.00.41.254.012.540.0（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——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(jìn)行分析。國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T1031-95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(biāo)準(zhǔn)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車、銑、刨等較規(guī)則表面精車、磨、精刨等加工表面研磨、精磨等不規(guī)則表面2.50.80.251～32～66～17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(zhǔn)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(dāng)測量準(zhǔn)確度要求較高時，評定長度可采用所列范圍的較大值。當(dāng)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，通常可選取較小的評定長度。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(zhǔn)線進(jìn)行計算的。對于這一平面坐標(biāo)的輪廓圖形，可以量取縱坐標(biāo)得到微觀不平度的高度參數(shù)，由橫坐標(biāo)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(jī)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)語表征符號定義示意圖1取樣長度用于判別具有表面粗糙度特征的一段基準(zhǔn)線長度，規(guī)定和選擇這段長度是為了限制和減弱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評定長度或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輪廓偏距在測量方向上，輪廓上的點(diǎn)至基準(zhǔn)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(rèn)為輪廓偏距是垂直于中線的。4輪廓峰輪廓與中線相交，連接兩相鄰交點(diǎn)向外(從材料到周圍介質(zhì))的輪廓部分。序號術(shù)語表征符號定義示意圖5輪廓谷輪廓與中線相交，連接兩相鄰交點(diǎn)向內(nèi)(從周圍介質(zhì)到材料)的輪廓部分。6輪廓微觀不平度的間距含有一個輪廓峰和相鄰輪廓谷的一段中線長度。7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(diǎn)的線。8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(diǎn)的線9輪廓的單谷兩相鄰輪廓最低點(diǎn)之間的輪廓部分。10輪廓的單谷兩相鄰輪廓最高點(diǎn)之間的輪廓部分。11輪廓的單峰間距兩相鄰單峰的最高點(diǎn)之間的距離投影在中線上的長度。12輪廓水平截距輪廓峰頂線和平行它并與輪廓相交的截線之間的距離，它可用微米或輪廓最大高度的百分?jǐn)?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)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)序號術(shù)語表征符號定義示意圖1輪廓最大峰高在取樣長度內(nèi)從輪廓峰頂線至中線的距離。見表1-1-5序號7圖2輪廓最大谷深在取樣長度內(nèi)從輪廓谷底線至中線的距離。3輪廓最大峰高在取樣長度內(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4微觀不平度十點(diǎn)高度在取樣長度內(nèi)五個最大的輪廓高的平均值與五個最大的輪廓谷深的平均值之和日本國標(biāo)中定義為在取樣長度內(nèi)第三個最高的峰頂至第三個最深的谷底之間的距離。5微觀不平度十點(diǎn)高度五個連續(xù)取樣長度中的的平均值，在德國標(biāo)準(zhǔn)中用來等效于6輪廓算術(shù)平均偏差在取樣長度內(nèi)輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值或近似為7輪廓均方根偏差在取樣長度內(nèi)輪廓偏距的均方根值或近似為2．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(xì)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。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在取樣長度內(nèi)輪廓的單峰間距的平均值輪廓峰的密度單位長度內(nèi)的輪廓峰數(shù)，在取樣長度內(nèi)的計算式為輪廓的均勻方根波長乘以輪廓均方根偏差與輪廓均方根斜率之比輪廓的平均波長乘以算術(shù)平均偏差與算術(shù)平均斜率之比輪廓長度比輪廓展開長度與取樣長度之比注；1)是在評定長度內(nèi)所計算的輪廓峰的個數(shù)。2)和，是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。計算式中的和的定義見表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)序號名稱及表征符號定義示意圖1輪廓的均方根斜率在取樣長度內(nèi)輪廓縱坐標(biāo)變化率的均方根值或近似為2輪廓的算術(shù)平均斜率在取樣長度內(nèi)輪廓縱坐標(biāo)變化率絕對值的算術(shù)平均值近似為3輪廓支承長度在取樣長度內(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4輪廓支承長度率輪廓支承長度與取樣長度之比值是對應(yīng)于各個水平截距而給出的5幅度分布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)分為等間距的個縱坐標(biāo)。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)可計得含有個縱坐標(biāo)，以值對該組平行線的中間輪廓偏距值作坐標(biāo)點(diǎn)，由各組平行線計取的坐標(biāo)點(diǎn)連線即為幅度分布曲線6輪廓的偏斜度是幅度分布不對稱性的量度。在取樣長度內(nèi)以個輪廓偏距三次方的平均值來確定，由下式給出第三節(jié)表面粗糙度的測量方法和測量注意事項一、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表面粗糙度的測量方法及可測范圍測量方法可測量范圍測量部位值相當(dāng)舊國際“級”直接目測比較法觸覺比較法放大鏡比較法顯微鏡比較法光切法(光切顯微鏡)光干涉法(干涉顯微鏡)針描法(輪廓儀)印模法全息干涉法激光光斑法光纖法63～2.510—0.632.5～0.3210—0.116～0.160.08～0.015～0.02>0.040.16～0.010.6～0.02<0.25250～1040～3.210～1.640～0.563—0.80.4～0.0320—0.1>0.20.8—0.056.3～0.05<1.25 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 外表面內(nèi)、外表面外表面外表面外表面外表面內(nèi)、外表面內(nèi)表面平面外表面內(nèi)表面對加工表面質(zhì)量的評定，除了用視覺和觸覺進(jìn)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(jì)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(jī)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。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(biāo)準(zhǔn)中給出的參數(shù)定義直接測得具體數(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(yùn)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(jī)(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(jī)械接觸式的觸針亦開始為非接觸的光學(xué)探針?biāo)〈?。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)簡單、經(jīng)濟(jì)、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)，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(bǔ)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(jìn)行定標(biāo)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(dāng)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(yùn)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，有的通過樣板給儀器定標(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)試件)和待檢表面進(jìn)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——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(fù)模，然后通過對負(fù)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(jìn)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。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(jìn)行(如圖1-3-2中的向)，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(斜向)測量，雖然微觀不平的高度參數(shù)與方向相差不大，但在同樣的取樣長度內(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。如按圖中方向測量，則微觀不平的高度參數(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(如某些非切削加工表面)，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(jī)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)》(JJG2018—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，參數(shù)為0.1～80和參數(shù)為0.1—10范圍內(nèi)的國家計量基準(zhǔn)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(zhǔn)器具通過標(biāo)準(zhǔn)計量器具向工作計量器具進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)裝置。(2)觸針式表面粗糙度測量系統(tǒng)，包括專用微機(jī)系統(tǒng)、連接硬件和成套軟件。(3)1級表面粗糙度基準(zhǔn)樣板和基準(zhǔn)階梯量塊組。計量標(biāo)準(zhǔn)器具主要采用粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣板。標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn))，單刻線的刻線深度(或階梯高度)為0.1～80范圍內(nèi)，用做傳遞和值的標(biāo)準(zhǔn)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)其值在0.1～10范圍內(nèi)，用做傳遞值的標(biāo)準(zhǔn)器具，多刻線標(biāo)準(zhǔn)樣板還按準(zhǔn)確度和使用對象分一等和二等兩個等級，二等多刻線標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)直接檢定。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(biāo)準(zhǔn)器具，用以檢定比較樣塊或標(biāo)準(zhǔn)樣件。圖1-4-1中欄和下欄里兩處標(biāo)號l，2，3的儀器，其主要參數(shù)完全對應(yīng)相同，標(biāo)號1-1，1-2，1-3的輪廓儀準(zhǔn)確度不同。檢定工作計量器具所用的計量標(biāo)準(zhǔn)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。圖1-4-2單刻線樣板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(jìn)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(zhǔn)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)值與值，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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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)或?qū)嶋H值等于或接近圖紙上標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)制訂了表面粗糙度比較樣塊的國家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)共有六個，以適應(yīng)不同的加工表面的比較評定：GB6060．1—85鑄造表面；GB6060，2—85磨、車、鏜、銑、插及刨加工表面；GB6060．3—86電火花加工表面；GB6060．4—88拋光加工表面；GB6060．5—88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》(JJG102—2003)來進(jìn)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)℃。樣塊工作面的粗糙度用參數(shù)值評定，值要準(zhǔn)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(jī)誤差小于等于1％。測量時的取樣長度可按表2-1-1選取，評定長度一般取5倍的取樣長度。表2-1-1取樣長度的選取粗糙度參數(shù)公稱值制造方法磨車、鏜銑插、刨0.0250.25_________0.050.25_________0.10.25_________0.20.25_________0.40.80.80.8___0.80.80.80.80.81.60.80.8250.83.22.52.52.52.56.3___2.58.02.512.5___2.58.08.025_________8.0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個位置上各測一個值，其平均值對公稱值的偏離量不得超過一17％～+12％(具體數(shù)值見表2-1-2)，否則為不合格。表2-1-2R．平均值允許范圍(--17％一十12％)公稱值平均值允許范圍公稱值平均值允許范圍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(biāo)準(zhǔn)偏差是指所測得的值偏離平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，計算所得的標(biāo)準(zhǔn)偏差不應(yīng)超過表2-1-3的規(guī)定。表2-1-3標(biāo)準(zhǔn)偏差允許值％加工方式標(biāo)準(zhǔn)偏差允許值(有效值百分率)(％)磨、銑9車、鏜、插、刨4表中給出的標(biāo)準(zhǔn)偏差(％)是評定長度內(nèi)包含五個取樣長度時的標(biāo)準(zhǔn)偏差(％)，如評定長度內(nèi)含有個()取樣長度，則標(biāo)準(zhǔn)偏差(％)按下式計算測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差(％)按下式計算%(2-2-1)或%(2-2-2)式中：——樣塊表面實測所得值的平均值，；——樣塊表面實測位置(測點(diǎn))的數(shù)目。按式(2-1-1)或式(2-1-2)計算得到值，如只是略微超過表2-1-3中的規(guī)定值(或計算所得的)，允許增加10～15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，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值為3.2～60(相當(dāng)舊國標(biāo)的～)。圖2-2-1實體圖1,3千分筒；2-短接管；4鏡筒；5物鏡組6放大接管對值為0.4～1.6的表面，可用5倍或10倍的放大鏡進(jìn)行目測評估。對于值為0.1～0.4的表面，需用比較顯微鏡作目測評估。值小于0.1，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(jìn)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(kuò)大對比范圍。圖2-2-3光路圖圖2-2-2光路圖1—表面粗糙度比較樣塊2,9—物鏡；3,8—棱鏡1－被檢表面；2,7—物鏡；3—光源；4—聚光鏡4—目鏡；5—測微鏡；6—象面；7—分光棱鏡；5—分光鏡；6—目鏡；8—比較樣塊10—被測表面比較顯微鏡的類型有多種，可評定的值為0.1～10(～)。圖2-2-2是一種典型的比較顯微鏡的光學(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(dá)被檢表面1，另一路光經(jīng)同樣的物鏡7到達(dá)比較樣塊的表面8。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。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(jìn)行測量。(一)選擇可換物鏡儀器有四對不同倍率的物鏡，標(biāo)稱倍率分別為7，14，30和60，可按被測表面的粗糙度參數(shù)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)值，也可參考被測件圖紙上的標(biāo)注值。如條件允許，可用標(biāo)準(zhǔn)樣板與被測件比較一下。若用低倍物鏡測值過小的精細(xì)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(dāng)，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(dāng)。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(xì)亮條)垂直，這一點(diǎn)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(dāng)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(zhǔn)，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，千萬不要讓物鏡頂端觸碰被測工件表面而導(dǎo)致?lián)p壞，造成嚴(yán)重事故。特別是對高倍率物鏡，標(biāo)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(dá)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(dá)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，或使燈泡沿照明鏡管上下移動，直到整條亮帶的亮度一致。二、測量表面粗糙度調(diào)焦完成后，即可進(jìn)行測量。(一)測量微觀不平度十點(diǎn)高度值光切顯微鏡測量表面粗糙度的主要參數(shù)就是，可測的值范圍在0.8～80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(biāo)稱倍率為60倍和30倍的物鏡，取樣長度應(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，千件表面的實際或值，多是略小于圖紙上的標(biāo)注值，因此也可參考圖紙標(biāo)注值選取樣長度。實用時，對取樣長度并不是嚴(yán)格地去測量有多長，而是估計一個適當(dāng)?shù)拈L度，一般情況下，如果視場直徑能包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(dāng)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)測算得出一個值，再取平均值作為該評定長內(nèi)的值。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(diǎn)，峰高和谷深應(yīng)在垂直于輪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(yán)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)值和，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)值和。測量時用水平對線方式。按照參數(shù)的定義，可求得值為：式中，——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)個(一般為五個)取樣長度(即一個評定長度)上各測得一的值，取平均作為結(jié)果。如被測表面的粗糙度很不均勻，應(yīng)在多個(個)不同部位各取一個評定長度進(jìn)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值。生產(chǎn)中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，經(jīng)常采用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(dāng)用高倍物鏡，其物方視場直徑小于取樣長度時，如前所述，也要移動被測件，在兩個連續(xù)的視場里進(jìn)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(biāo)記或作一標(biāo)記，移動工作臺，使該標(biāo)記移到視場中的一端，并使目鏡中的十字線與標(biāo)記相切，記下測微鼓輪讀數(shù)。再移動工作臺，使標(biāo)記移到視場中的另一端，再次使十字線與標(biāo)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(rèn)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)平均偏差值光切顯微鏡也可測的值，但操作很麻煩，只是在沒有輪廓儀而又非測值不可時偶爾用到。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(biāo)注的值，按舊標(biāo)準(zhǔn)的“級”，改為對應(yīng)的值來測量。1．建立測量坐標(biāo)首先調(diào)整工作臺和被測件，使工作臺的運(yùn)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(biāo)。再轉(zhuǎn)動目鏡頭，使十字線交叉點(diǎn)的運(yùn)動方向與亮帶垂直，如圖3-2-1所示。2．測量在所選定的取樣長度內(nèi)，參考表3-2-1，確圖3-2-1視場圖定等測量間距的測量點(diǎn)數(shù)。表3-2-1測值時測點(diǎn)的選取取樣長度測量間距測量點(diǎn)數(shù)0.250.82.58.00.010.020.050.2025405040轉(zhuǎn)動目鏡頭上的測微鼓輪，按垂直對線法，使目鏡十字線的交點(diǎn)與被測輪廓影象上的某一點(diǎn)對準(zhǔn)記下讀數(shù)，將工作臺移動一距離(用微動螺釘)，再沿垂直方向移動十字線交點(diǎn)，使與被測輪廓上的第二點(diǎn)對準(zhǔn)，記下讀數(shù)，依次測出在整個取樣長度上個測點(diǎn)的個讀數(shù)。3．計算值圖3-2-2輪廓圖確定中線位置：設(shè)中線至零線的距離為。由圖2-1-2可求出。設(shè)取樣長度內(nèi)輪廓以下的面積為，則有：故有所取的測點(diǎn)數(shù)越多，則由確定的中線位置越接近算術(shù)平均中線。(2)計算輪廓偏距及值：由于測量時目鏡中十字線是垂直對線，故儀器的定度值要用，于是有和測值一樣，應(yīng)取平均值作為最后結(jié)果。(三)測量其他評定參數(shù)1．測量輪廓最大高度值值的測量比較簡便，只要在一個取樣長度內(nèi)，測出最大輪廓峰頂和最大輪廓谷底在垂直于中線方向上的距離，再乘以儀器的定度值，即得值。由于值只用于一些特殊表面，如刀邊、頂尖等細(xì)小表面和圓弧面、球面，所以經(jīng)常在一個目鏡視場內(nèi)很難得有許多(如五個或更多)清晰的輪廓峰谷影象。因此，當(dāng)視場直徑小于取樣長度時，為簡便起見，仍可在一個視場內(nèi)測出值。在連續(xù)多個(如五個)取樣長度上各測一值，取其中的最大值(不是平均值)作為該評定長度上的值，再在被測表面的多個不同部位測得多個評定長度上的值，取其中的最大值(不是平均值)作為最后結(jié)果。2．及值的測量輪廓微觀不平度的平均間距及輪廓單峰平均間距都是橫向的間距參數(shù)。不平度間距的定義是含有一個輪廓峰和相鄰輪廓谷的一段中線長度，而是在取樣長度內(nèi)的平均值。因此，以輪廓與中線的某一交點(diǎn)為第1點(diǎn)，則依次有第l與第3交點(diǎn)為，第3與第5交點(diǎn)為…，在取樣長度內(nèi)的最后一個奇數(shù)交點(diǎn)與-2點(diǎn)為第個值。測量時先調(diào)整儀器，使目鏡十字線交點(diǎn)的運(yùn)動方向與輪廓中線平行(中線方向可取亮帶方向)，再調(diào)整十字線交點(diǎn)，使其在視場一端對準(zhǔn)被測輪廓與中線的交點(diǎn)(第l交點(diǎn))。平移十字線交點(diǎn)，使在視場內(nèi)距第1交點(diǎn)約取樣長度的另一端，與輪廓和中線的第個交點(diǎn)(奇數(shù)交點(diǎn))對準(zhǔn)，記下移過的距離，于是有：測量輪廓單峰平均間距的方法和測值類似。的定義是在取樣長度內(nèi)，輪廓單峰間距的平均值，而輪廓單峰間距是兩相鄰輪廓單峰的最高點(diǎn)在中線上的投影長度。先測量在取樣長度內(nèi)第一個單峰的峰頂?shù)阶詈笠粋€(第個)單峰峰頂平行于中線方向的距離，同時記下在長度內(nèi)的單峰數(shù)目，則有：和在測量時的讀數(shù)方向和十字線移動方向一致，故儀器定度值應(yīng)取和值也應(yīng)在連續(xù)多個(一般為五個)取樣長度及多個評定長度上測量，并取平均值。3．輪廓支承長度率值的測量用光切顯微鏡測值的步驟如下：(1)儀器調(diào)焦完畢后，要調(diào)整被測件和工作臺的方位，轉(zhuǎn)動工作臺的橫向千分尺移動工作臺及其上的工件時，目鏡視場內(nèi)工件被測輪廓(亮帶)的移動方向與輪廓中線(或亮帶走向)平行，這是測值的關(guān)鍵。對圓柱形工件，將測件放在工作臺的V形塊上，即易滿足此要求。(2)按前述方法測㈩被測輪廓的值，并將目鏡十字線交點(diǎn)，移到距輪廓最高峰頂?shù)拇瓜蚓嚯x為水平截距(見圖2-1-2)的某一位置。值已按值的一定百分比給出。圖3-2-3工件表面輪廓形狀(3)轉(zhuǎn)動工作臺橫向千分尺，使工件移過一取樣長度的距離。在移動過程中，記下輪廓峰兩側(cè)與目鏡十字線相交時工作臺橫向千分尺的讀數(shù)與，，該輪廓峰的截線長度為：則輪廓支承長度率為：(以百分?jǐn)?shù)表示)由于是以輪廓支承長度與取樣長度的百分比表示的，又都是用工作臺千分尺讀數(shù)，所以計算時不用考慮儀器的定度值。值也要在連續(xù)多個(一般為五個)取樣長度上測量取平均值，再在多個評定長度上測量，再次取平均值作為最后結(jié)果。用光切顯微鏡測量表面粗糙度的誤差因素很多，其相對測量誤差對低倍物鏡可控制在10％以內(nèi)，對高倍物鏡可達(dá)15％一20％。由于表面粗糙度本身存在較大的隨機(jī)性，故對測量結(jié)果一般不作修正，也不標(biāo)出極限測量誤差或測量不確定度。測量的誤差因素除儀器的制造和裝調(diào)誤差外，對操作者來說，主要是調(diào)焦誤差和對線瞄準(zhǔn)誤差。調(diào)焦誤差使目鏡視場中被測輪廓的影象不清晰，它直接影響對線瞄準(zhǔn)。因此，測量時要格外小心細(xì)致，必要時，可對同一尺寸(如輪廓偏距)重復(fù)多次瞄對測量，取平均值作為讀數(shù)結(jié)果。此外，還要定期對目鏡千分尺作定度鑒定。第四章光干涉法測量表面粗糙度干涉顯微鏡以光波干涉原理為基礎(chǔ)，用光波波長來度量被測表面微小峰谷的距離，從而得到被測表面的粗糙度數(shù)值。第一節(jié)微觀不平度的光干涉測量原理一、光的干涉現(xiàn)象光是以波的形式傳播的。波峰或波谷到平衡位置的距離叫做振幅()。光的能量與振幅的平方成正比。光波每起伏一次所需的時間為周期()，每秒鐘起伏的次數(shù)為頻率()，兩者關(guān)系為：，光波的周期很小，所以頻率很高。兩相鄰波峰或波谷間功距離為波長()，光的波長很短，可見光的波長約在0.4～0.7之間。頻率和波長的乘積就是光速，光的速度約為。在特定條件下，兩個(或多個)頻率相同、相位一致的光波重疊相遇，將使光的振幅增大，光的強(qiáng)度增強(qiáng)，如兩個光波的相位相差相遇，將使光的振幅減小，光的強(qiáng)度減弱，甚至光強(qiáng)接近于零而色暗，這就是光的干涉現(xiàn)象。二、光干涉測微原理光干涉的測微原理可用圖4-1-1來說明。在圖4-1-1a中，由光源發(fā)出的單色光(單色光相干性能好)，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后形成平行光，一部分光再向下穿過平晶到達(dá)被測表面，另一部分光從平晶下表面反射回去。平晶是經(jīng)過超精加工的性能穩(wěn)定的光學(xué)玻璃，可認(rèn)為上下面都是互相平行的理想平面。平晶與被測面間有一非常小的角度。若被測面也是理想平面，則白被測面反射回來的光，再次穿過空氣隙，在乎晶下表面的某點(diǎn)與自點(diǎn)的反射光相遇。如圖中點(diǎn)處匯合的兩列光的光程正好相差半個波長，則產(chǎn)生干涉形成暗點(diǎn)。點(diǎn)垂直于紙面方向的平晶下表面是一條直線，它是一條等光程差線，所以從上面往下看，將看到一條暗黑的直線干涉條紋，干涉條紋又叫干涉帶，它反映的是一條等光程差線。圖中點(diǎn)比點(diǎn)高半個波長，點(diǎn)又比點(diǎn)高。兩列光在點(diǎn)的光程差比點(diǎn)大一個波長(光在角的空氣隙里來回各多走半個波長)，點(diǎn)的光程差比點(diǎn)大兩個波長，所以兩列光在點(diǎn)和點(diǎn)的光程差都是的奇數(shù)倍，因此同樣產(chǎn)生平行的干涉條紋，條紋的間距與角的大小成反比。在與的中間點(diǎn)，以及與的中間點(diǎn)上，兩列光的光程差都是的偶數(shù)倍，所以干涉的結(jié)果是光強(qiáng)增強(qiáng)，產(chǎn)生亮條紋。我們在儀器目鏡視場中看到的干涉場，就是亮暗相間的干涉條紋(見圖4-1-1a下方)。如被測表面不是理想平面，而是有如圖4-1-1b那樣一個深的V形凹槽，則反映等光程差的干涉條紋就不是平行的直線形狀，而是在凹槽處向產(chǎn)生等光程差的方向彎曲，其彎曲量(見圖4-1-1b)與凹槽的深度成正比。若槽深等于半個波長，則彎曲量將等于干涉條紋的間距，這是因為經(jīng)過點(diǎn)反射的光，在處與另一在點(diǎn)反射的光產(chǎn)生干涉的光程差，同在點(diǎn)反射的光在處與另一在點(diǎn)反射的光產(chǎn)生干涉的光程差恰好相等。圖中一點(diǎn)與凹槽峰頂在同一平面上，點(diǎn)與凹槽谷底在同一平面上，與的水平距離為。因此有：或：這就是干涉測量的基本計算式。當(dāng)知道所用光源的波長，再從目鏡視場中測出干涉條紋的間距和彎曲量，就可算出與彎曲量對應(yīng)處的微觀不平幅值，這也就是干涉顯微鏡測量表面粗糙度的基本原理。第二節(jié)干涉顯微鏡干涉顯微鏡是測量精密表面粗糙度的常用儀器，它可測小于等于0.8的值，相當(dāng)舊國標(biāo)～，而光切顯微鏡只能測大于等于0.8值(～)。以顯微干涉原理測量表面粗糙度的儀器，大致可分為三類，其基本型式及各自的工作原理和性能特點(diǎn)見表4-2-1。圖4-1-1光干涉測微原理示意圖表4-2-1三類顯微干涉系統(tǒng)的工作原理和性能特點(diǎn)光路簡圖工作原理性能特點(diǎn)單物鏡的雙光干涉系統(tǒng)L—光源；M—分光鏡；T—被測件R—干涉參數(shù)鏡；O—物鏡A方向為觀測目鏡從光源L經(jīng)透鏡發(fā)出的平行光束，通過分光鏡M分為兩束光，一束射向參考鏡面R，另一束射至被測試件表面T，兩支相干光束反射后匯合后產(chǎn)生干涉，經(jīng)過物鏡O，從觀測目鏡得到放大了的表面顯微干涉圖象。要使參考鏡面和被測試件表面都調(diào)至物鏡O的焦平面上，才能獲得清晰的干涉圖象這類在物鏡與物體之間分光的干涉系統(tǒng)，物鏡的工作距離必然較大，因而不可能采用高倍率物鏡，儀器的總放大倍率一般為60～120倍左右，有的利用補(bǔ)償物鏡結(jié)構(gòu)，可增加到400倍，但顯微鏡的分辨率并未提高，這類儀器的結(jié)構(gòu)比較簡單，可以在一般低倍率的顯微鏡下(如萬工顯)組裝置即成光路簡圖工作原理性能特點(diǎn)雙物鏡的雙光束干涉系統(tǒng)(亦稱林尼克型干涉系統(tǒng))L—光源；S—光闌；為--準(zhǔn)直透鏡；--物鏡；M—分光鏡；T—被測件；R—干涉參考鏡A方向為觀測目鏡由光源L經(jīng)過光闌S和準(zhǔn)直透鏡發(fā)出平行光束，經(jīng)分光鏡M分出的兩束光，各自通過光程相等的和兩組成對的物鏡，射向參考鏡面R和被測試件表面T，由R和T反射回來的兩支相干光束于目鏡焦平面上千涉成象這類在物鏡與目鏡之間分光的干涉系統(tǒng)，由于物鏡的對物工作距離可以很小，因而能采用大數(shù)值孔徑的高倍率物鏡，較適于測量超精加工的光滑表面，但對兩組物鏡的一致性要求較高，儀器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜．多光束干涉系統(tǒng)(亦稱吐朗柯型顯微鏡干涉系統(tǒng))L—光源；S—光闌；M—反射鏡O—物鏡；R—干涉參考鏡T—被測件；A方向為觀測目鏡光源L經(jīng)準(zhǔn)直透鏡發(fā)出的平行光，經(jīng)過]物鏡O，并通過兼有分光和干涉作用的]參考鏡面R，投射到被測試件T上，并在R與T之間多次反射和折射形成多光束干涉，干涉參考鏡片R鍍有高反射系數(shù)的金屬膜(或采用與被測試件反射I系數(shù)相匹配的膜層)這類儀器由于在物鏡與被測試件之間有干涉參考鏡片，因此也不能采用高倍率物鏡，儀器的總放大倍率一般為120～150倍左右，物鏡的數(shù)值孔徑最大只有0.3～0.4mm，故分辨率亦有限。多光束干涉能獲得比較尖銳清晰的干涉條紋，有利于測量對準(zhǔn)。但為了獲得對比好的干涉條紋，干涉參考鏡片要和被沒表面相接觸，干涉鏡片容易磨損，必須經(jīng)常更換I常見的干涉顯微鏡有兩種形式，我國這兩種形式的產(chǎn)品型號分別為6J型和6JA型。第三節(jié)干涉顯微鏡測量前的調(diào)整干涉顯微鏡調(diào)整的主要目的，是使目鏡視場里呈現(xiàn)反映被測表面微觀不平的清晰干涉條紋，以便測量。下面以調(diào)整環(huán)節(jié)較多的6JA型干涉顯微鏡為主進(jìn)行介紹。一、干涉條紋調(diào)整的主要步驟(1)光源通過變壓器接通電源，光源燈亮后，使儀器恒溫15min左右，對于高精確度測量，恒溫時間應(yīng)更長一些，以使儀器內(nèi)部溫度均勻穩(wěn)定。調(diào)整儀器光源螺釘，使目鏡視場照明均勻。轉(zhuǎn)動目鏡上方的滾花環(huán)，調(diào)整目鏡視度，使從視場中看到清晰的分劃板刻線。(2)轉(zhuǎn)動手柄，使遮光板移出光路，反光鏡也向下移開。然后旋轉(zhuǎn)手輪，使目鏡視場下方的弓形直邊清晰(見圖4-3-1a)，此時標(biāo)準(zhǔn)反射鏡已處于正確的調(diào)焦位置。弓形直邊是儀器視場光闌平面上一個很小的刀口象，刀口的作用就是為了使標(biāo)準(zhǔn)反射鏡能準(zhǔn)確調(diào)焦。(3)將已擦拭干凈的工件被測表面放置在工作臺的中央位置，使之處于物鏡的上方。轉(zhuǎn)過遮光板手柄，擋住投向標(biāo)準(zhǔn)反射鏡的光束。然后轉(zhuǎn)動工作臺下方的滾花環(huán)，直到從目鏡視場中看到最清晰的被測表面象(加工痕跡)。這時被測表面也已處于正確的調(diào)焦位置。a)目鏡視場b)孔徑光闌(4)再次轉(zhuǎn)動手柄，使遮光板移出光路。取下目鏡圖4-3-1頭，如直接從目鏡管中看到兩個相近的燈絲象，則轉(zhuǎn)1一弓形直邊；2一燈絲象動滾花輪，使孔徑光闌開到最大，這樣亮度大便于觀察。再轉(zhuǎn)動手輪，使兩個燈絲象完全重合。調(diào)整螺釘，使燈絲象位于孔徑光闌的中央位置，如圖4-3-1b所示。與此同時，還要調(diào)整光源燈泡沿軸向的前后位置，使燈絲與孔徑光闌成的象在同一平面上，兩者間應(yīng)無明顯視差。燈絲軸向位置與干涉條紋的清晰度有較大影響，調(diào)整時還可移去被測件，通過物鏡看燈絲象，進(jìn)行調(diào)整，直到使燈絲象達(dá)到最清晰。為防止白光刺眼，妨礙觀察，應(yīng)推人單色濾光片。此外，還應(yīng)調(diào)整孔徑光闌的大小，以求得到最好的對比度。(5)裝上目鏡頭并鎖緊，這時在目鏡視場中應(yīng)能看到干涉條紋。如仍看不到干涉條紋或條紋不夠清晰，可繼續(xù)微調(diào)以上各環(huán)節(jié)，直至呈現(xiàn)最清晰的對比度良好的干涉條紋為止。(6)轉(zhuǎn)動工作臺，使被測表面上的加工痕跡方向與干涉條紋的方向垂直，再轉(zhuǎn)動測微目鏡，使視場中的十字線的任一條與干涉條紋平行后，即可開始測量。二、其他幾個問題(一)儀器光源顏色的選用干涉顯微鏡可用白光工作，也可加濾光片用綠色光或橙色光工作。單色光的波長數(shù)值比較精確穩(wěn)定，特別是綠光比較適應(yīng)人眼觀測，故在調(diào)整干涉條紋及作高精確度測量時，盡量用綠色光。照相時可用橙色光。單色光的波長，應(yīng)使用鑒定書上給出的鑒定值(說明書上只給出公稱值及允差)，以提高測量精確度。白光在目鏡視場中有一條明顯的黑色(零級)干涉帶和一條基本上是黑色的干涉帶(兩側(cè)為彩色條紋)，它便于觀察識別，故在目測法中，常采用白光。白光波長可取0.6。若被測表面上有微小臺階，臺階的高度又超過一個干涉條紋間隔，則單色光不能顯示出臺階的高度(找不到起始點(diǎn))。這時可采用白光，先調(diào)出明顯的黑色干涉帶，用讀數(shù)刻線定出因臺階高差使干涉條紋錯移的位置，然后再用單色光來數(shù)出干涉條紋的間隔數(shù)，則臺階的微小高度即可測算出來。(二)狹縫目鏡頭的使用6JA型干涉顯微鏡備有狹縫目鏡頭附件，以用于加工痕跡混亂的表面的測量，這種表面通常是用研磨、拋光等方法加工的，由它產(chǎn)生的干涉條紋很不規(guī)則，用普通目鏡頭測量比較困難。狹縫目鏡用白色光源，其使用方法如下：(1)按前述方法調(diào)整出干涉條紋，并將條紋調(diào)到最寬，即在整個目鏡視場中只有一條干涉條紋(均勻一片)或?qū)⒏缮鏃l紋調(diào)至寬度約1mm(在目鏡分劃板上兩條紋的中心距離)，并呈水平方向。取下普通目鏡頭，換上狹縫目鏡頭。(2)轉(zhuǎn)動狹縫目鏡的鏡管2(見圖4-3-2)，使從狹縫目鏡中能看到最長的光帶。(3)轉(zhuǎn)動手輪3，使光帶具有最大寬度。這時可在視場中的彩色區(qū)內(nèi)看到黑色條紋。圖4-3-2目鏡頭(4)微調(diào)儀器的手輪，使黑色條紋具有最好的對比度和所需要1—鏡身；2—鏡管的寬度。這時的黑色條紋方向應(yīng)與光帶方向平行。3—手輪(5)狹縫目鏡沒有讀數(shù)裝置，只能用目測估讀法估測黑色條紋的彎曲量。估測時要注意黑色條紋所在的光譜段(目鏡中有色散棱鏡)，如位于紅光范圍內(nèi)，波長值可取0.77；如在綠光范圍內(nèi)，取0.53。被測表面的微觀不平的計算式如下：式中：——干涉條紋的寬度；——干涉條紋的彎曲量。(三)標(biāo)準(zhǔn)反光鏡反射率的選用6JA型干涉顯微鏡中的標(biāo)準(zhǔn)反光鏡有兩種反射率——60％和4％，各占一半鏡面。反光鏡與光軸有一偏心，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換環(huán)，可使兩種不同反射率的鏡面分別進(jìn)入光路。一般情況下，用高反射率(60%)的鏡面。但當(dāng)被測表面的反射率很低時，應(yīng)換用低反射率(4％)的鏡面。當(dāng)雜光影響較大時，低反射率鏡面有時成象不清晰，這時，應(yīng)比較兩者的效果再決定選用哪一種鏡面。6J型干涉顯微鏡的調(diào)整使用，可結(jié)合儀器的光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)參照6JA型儀器進(jìn)行調(diào)整。6J型儀器的干涉條紋微調(diào)機(jī)構(gòu)(干涉頭)出廠前已調(diào)整好，用戶不必自行調(diào)整，使用時只需對干涉條紋的方向和寬度作適當(dāng)調(diào)整即可，故操作簡便。但如儀器因受震等原因調(diào)不出干涉帶，則要調(diào)修干涉頭，它要求較高的熟練技術(shù)，一般情況下不宜隨便調(diào)整。(四)干涉顯微鏡的橫向分辨能力根據(jù)顯微鏡成象理論，在顯微鏡中能夠分辨出橫向兩點(diǎn)或兩線間的最小距離，取決于物鏡數(shù)值孔徑和光源波長，即：干涉顯微鏡主要用來測量精細(xì)加工表面的粗糙度。一般，超精加工表面的微觀不平度間距為幾微米至幾十微米，其輪廓槽形的開口角多為以上，甚至大于，其槽底圓弧,半徑為零點(diǎn)幾微米至幾十、幾百微米。當(dāng)采用不同數(shù)值孔徑的物鏡時，所獲得的反映表面輪廓形狀的干涉條紋圖形會有所變化，致使微觀不平度高度的測量結(jié)果各異，如圖3-3-3所示的表面輪廓的一個溝槽，在槽底的寬度等于處，的兩點(diǎn)被視為一點(diǎn)相重合，實際測得槽深為，而不是，因受橫向分辨力的限制，不可測值為：精細(xì)加工表面紋路密集，峰谷相連，峰頂處如同谷底也存在類似狀況，所以槽深的不可測值加倍；即：總=(五)干涉顯微鏡的檢定干涉顯微鏡的檢定可按JJG77—83《干涉顯微鏡檢定規(guī)程》進(jìn)行，所用標(biāo)準(zhǔn)是單刻線樣板，主要檢定項目是示值誤差，檢定方法見檢定規(guī)程。第四節(jié)干涉顯微鏡測量表面粗糙度干涉顯微鏡測量粗糙度的參數(shù)值和光切顯微鏡一樣，主要也是測量微觀不平度十點(diǎn)高度，而且所用目鏡頭是同一類型，測量方法也基本相同。不同的只是光切顯微鏡是測表面微觀不平的放大象，而干涉顯微鏡是測直接反映表面微觀不平的干涉條紋。測量前，先將被測干涉帶調(diào)整清晰，并位于視場中央位置。6JA型干涉顯微鏡的視場為0.25mm(6J型為0.32mm)，當(dāng)≥0.025～0.5時，取樣長度為0.08～0.25mm，故可在一個視場內(nèi)測量，當(dāng)≥0.5～0.8，取樣長度為0.8mm，就需要移動工作臺(移動被測件)，在三個連續(xù)的視場里測量。測量時，轉(zhuǎn)動目鏡頭，使目鏡中十字線中的一條和干涉條紋的方向平行(另一條即與被測表面的加工痕跡方向平行)，圖4-4-4干涉帶放大圖然后用螺釘緊固目鏡頭。以十字線中平行于干涉條紋的那條為基線，轉(zhuǎn)目鏡千分尺手輪將此基線移到一條待測干涉帶的波峰上，對準(zhǔn)干涉帶寬的正中間(見圖4-4-4)，讀取讀數(shù)。再移動基線對準(zhǔn)另一條干涉帶波峰的正中間，讀取讀數(shù)即為干涉帶間隔寬度。為了提高測量精確度，應(yīng)移過多條(如3～4條)干涉帶，再讀取第二個讀數(shù)，反復(fù)測量多次，取平均值，再除以移過的干涉帶數(shù)，作為寬度值。這樣處理，也可視為光波波長對目鏡千分尺起了定度作用。再將基線移至同一條干涉帶波谷的中間位置，讀取讀數(shù)即為干涉帶的彎曲量。目鏡千分尺的讀數(shù)方向與實測方向成，故讀數(shù)值比應(yīng)有的實測值大倍，但最后計算值用到，分子分母都大了倍，故對測量結(jié)果沒有影響。繼續(xù)移動基線對準(zhǔn)選測的某一條干涉帶上的五個峰頂，每次都對準(zhǔn)干涉帶寬的正中間，記下五個讀數(shù)值。再移動基線對準(zhǔn)同一條干涉帶的五個谷底，也是對準(zhǔn)干涉帶寬的正中間，記下五個讀值，則有：式中：—干涉帶間隔寬度；—所用光源的波長值，單色光取其鑒定值。在評定長度內(nèi)連續(xù)測多次值之后，再取其平均值作為測量結(jié)果。對于微觀不平不均勻以及不規(guī)則的被測表面，還應(yīng)在表面的不同部位多處取評定長度進(jìn)行測量，再取各評定長度的值的平均值作為評定被測表面粗糙度的最后結(jié)果。生產(chǎn)中也經(jīng)常采用的最大值作為評定依據(jù)。生產(chǎn)中為了提高檢測效率，還采用目測估讀法直接估計干涉帶彎曲率值或值的范圍，再乘以半波長值()，可用表4-4-2來評估值。表4-4-2值評定值(用綠光)干涉帶彎曲率～～～～值~～~～~～~～舊國際級別至于其他粗糙度參數(shù)等的測量，可按定義參照本篇第三章“光切顯微鏡的測量方法”進(jìn)行測量。第五章針描法測量表面粗糙度針描法測量表面粗糙度是利用觸針式輪廓儀測量表面粗糙度。這種方法操作簡單，準(zhǔn)確度高，測量速度快，是被廣泛應(yīng)用的一種方法。針描法測量原理和特點(diǎn)一、測量原理針描法是用一種特殊的觸針垂直接觸被測表面，并以恒定速度沿被測表面移動，表面的微觀不平使觸針在垂直于被測表面的方向上作相應(yīng)的上下移動，這種上下移動經(jīng)一定的變換形成電信號，再經(jīng)一系列電路處理，最后由指示器指示或打印機(jī)打印出測量結(jié)果(粗糙度參數(shù)值)，或由記錄器描繪出被測表面微觀不平的輪廓曲線。由于針描法能描繪表面法向截面的輪廓曲線，所以所用的儀器叫做輪廓儀，又因各種輪廓儀都采用電測方法，故儀器又稱為電動輪廓儀。二、特點(diǎn)按針描法用輪廓儀測量表面粗糙度有以下特點(diǎn)：(1)適用于測量值為0.02～5(相當(dāng)舊國標(biāo)的～)，硬度不低于HRC20的表面，即可測生產(chǎn)中絕大多數(shù)工件的加工表面。值小于0.02的高光潔表面，由于觸針針尖半徑有一定大小(按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為2，5或10)，不能反映出表面上過小的微觀不平；值大于5的表面比較粗糙，容易使性脆而貴重的金剛石觸針折損。(2)可測多種形式的內(nèi)外表面和形狀復(fù)雜的曲面，包括非金屬的及無光澤的表面，適應(yīng)性優(yōu)于光切顯微鏡和干涉顯微鏡。(3)操作方便，測量效率高，測量結(jié)果客觀可靠。既有高準(zhǔn)確度的計量室用輪廓儀，也有車間適用的便攜式輪廓儀。(4)可測多種粗糙度參數(shù)值。新型輪廓儀可測的參數(shù)有十幾種之多，還可測表面波度和形狀誤差，且配有計算機(jī)控制測量過程和處理數(shù)據(jù)，以數(shù)字方式顯示測量結(jié)果。由于有以上優(yōu)點(diǎn)，所以新型輪廓儀不斷出現(xiàn)，應(yīng)用越來越廣泛。輪廓儀測量的表面粗糙度參數(shù)最主要的是值，國家標(biāo)準(zhǔn)也是推薦為優(yōu)先使用的參數(shù)。三、輪廓儀的類型輪廓儀的種類有多種，按觸針上下位移轉(zhuǎn)換成電信號方式的不同，主要可分為電感式、壓電式、光電式和感應(yīng)式等幾種。英國蘭克·泰勒一哈布遜(PankTaylor-Habson)公司是生產(chǎn)輪廓儀的重要廠家，我國也先后生產(chǎn)有多種原理的輪廓儀。幾種不同原理輪廓儀的特點(diǎn)如表5-1-1所示。表5-1-1幾種不同原理的輪廓儀類型信號變換方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電感式觸針上下移動通過測桿一銜鐵在上下兩對稱線圈中移動，線圈接入測量電橋，線圈電感量變化輸出電信號輸出信號與觸針移動成比例，直接反映被測表面微觀不平；精確度高，信號噪音比較大；能帶記錄器及計算機(jī)，應(yīng)用最廣泛儀器只在電橋平衡點(diǎn)附近工作，觸針相對被測表面的位置要精確調(diào)整電路比較復(fù)雜，測曲面困難感應(yīng)式觸針上下移動時帶動線圈(或銜鐵)在磁場中運(yùn)動，產(chǎn)生與觸針上下移動速度成正比的信號，經(jīng)電路積分，得出正比于觸針上下移動的電信號輸出信號與觸針?biāo)幍奈恢没緹o關(guān)，使用時不用精調(diào)觸針位置；結(jié)構(gòu)及電路均較簡單，多用于車間。觸針在被測表面上移動速度慢時，輸出信號極小，靈敏度很低；較高的觸針運(yùn)動速度又會使記錄器的記錄筆跟不上，故不便帶記錄器；另外觸針運(yùn)動速度高時，易劃傷被測表面，儀器的測量精確度不高，故近年此種儀已很少生產(chǎn)壓電式觸針上下移動使電晶體變形，在晶體表面產(chǎn)生與觸針位移成正比的電信號結(jié)構(gòu)較簡單，體積小，電路也簡單，因用硅油作粘滯傳動，使用時不必精調(diào)觸針位置，適用于車間的測量壓電晶體性脆易壞，因用液態(tài)傳動，對變化緩慢的信號不能反映，不能帶記錄器，精確度不如電感式輪廓儀光電式觸針上下移動通過測桿帶動一通光槽板也上下移動，以改變上下兩光電池的光通量，光通量不平衡，即輸出與觸針上下移動成正比的電信號信號反應(yīng)速度快，電路較簡單，測量精確度較高，能帶記錄器及計算裝置易受雜光干擾，要有可靠的屏蔽，使用時觸針位置要精確調(diào)整，儀器的調(diào)整操作較麻煩上述各種類型的輪廓儀，以電感式應(yīng)用最為廣泛，其典型產(chǎn)品有我國的BCJ-2型輪廓儀、2222型便攜式多參數(shù)輪廓儀和英國泰勒塞夫型輪廓儀等。四、觸針和測量力觸針針尖的尺寸和形狀是影響獲取表面輪廓信息是否真實的首要因素，一定尺寸的觸針在描繪輪廓時影響測量準(zhǔn)確度的因素有三種情況：①針尖不能探人谷內(nèi)；②尖峰反應(yīng)成圓滑形狀；③凹腔的里角處探測不到。觸針尖端半徑尺寸愈大，觸針掃描的輪廓軌跡的起伏就愈小，如果實際輪廓凹谷處的曲率半徑小于針尖半徑或溝槽較深、較窄時，則針尖圓心的軌跡在這里便形成一個尖端，測得值小于實際值，而在尖峰處掃描的軌跡呈圓弧形，其曲率半徑是實際輪廓曲線的曲率半徑和針尖半徑之和。對于正常的表面，針尖半徑與其引入值的誤差可以預(yù)計。圖5-1-l給出了這種誤差的近似關(guān)系曲線，主要適用于規(guī)則的輪廓，其三角形谷底的角度為150。對于其他類型的表面，也能指出大致會產(chǎn)生的誤差大小。由圖可見，即使觸針尖端半徑約為值的20倍時，值的測量誤差也不顯著(約為8％)。測頭尖端半徑所產(chǎn)生的誤差圖5-1-1不同測頭尖端半徑所產(chǎn)生的誤差(在一規(guī)定的表面上)在輪廓法觸針式表面粗糙度測量儀國家標(biāo)準(zhǔn)(GB6062—85)中，對觸針角度和針尖半徑的公稱值及其極限偏差作出了規(guī)定，如表5-1-2和5-1-3所示。表5-1-2觸針角度公稱值及其極限偏差觸針半徑公稱值1.05(60)1.57(90)觸針半徑極限偏差＋0.18(＋10)－0.09(－5)＋0.09(＋5)－0.18(－10)表5-1-3針尖半徑公稱值及其極限偏差觸針角度公稱值2510觸針角度極限偏差針描實際輪廓的真實性，不僅和觸針尖端的半徑和形狀以及被測表面輪廓的槽形有關(guān)，而且和觸針的測量力、傳感器的移動速度以及表面的硬度等有關(guān)。為使所用儀器能適應(yīng)于測量較深的凹坑和較小的溝槽間距，并保持一定的移動速度等原因，必須給觸針施加一定的測量力，以保證觸針與被測表面始終保持接觸。但由于觸針很尖，若測量力太大，使表面接觸應(yīng)力過大，會劃傷表面或產(chǎn)生接觸變形。為此，在國家標(biāo)準(zhǔn)GB6062--85中，對觸針測量力及其變化率均有規(guī)定，如表5-1-4所示。表5-1-4觸針測量力及其變化率觸針針尖半徑公稱值2510觸針在中間位置上靜態(tài)測量力的最大值0.0007(～0.07)0.004(～0.4)0.016(～1.6)測量力變化率的最大值35(～0.0035)200(～0.020)800(～