表面粗糙度测量.ppt

第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 微观形貌是指表面的微观形态 他是由于加工过程中刀具和工件的摩檫 切削分离时的塑性变形和金属撕裂 加工系统的高频震动等原因 在零件表面留下的各种不同形状和尺寸的微观结构 表面微观形貌在很大程度上决定了零件的使用性能 如 机械系统的磨擦磨损 接触刚度 疲劳强度 配合性质 传动精度 腐蚀性等 它是机械产品的重要质量指标 机械加工中描述表面微观形貌误差常用的参数是表面粗糙度 第一节 表面粗糙度的评定参数及新标准介绍第二节 表面粗糙度的常规测量方法第三节 CSPM5000扫描探针显微镜第四节 总结 第一节 表面粗糙度的评定参数及国家新标准介绍1 现行表面粗糙度国家标准现行表面粗糙度国家标准为GB T3505 2000 产品几何技术规范表面结构 轮廓法表面结构的术语 定义及参数 取代了GB T3505 1983 在旧标准中只将表面粗糙度轮廓及其参数定义为表面结构特性的唯一组成部分 给出的术语和定义 而在新标准中 对粗糙度其技术内容与ISO4287 1997等效本标准中把表面结构用轮廓法描述 表面结构包括1 原始轮廓 10mm 2 波纹度轮廓 1mm 10mm 3 粗糙度轮廓 1mm 粗糙度的参数分为高度特征参数 主参数 间距特征参数与形状特征参数 附加参数 共14项 实际中最常测量评定的参数为高度参数Ra Rz Ry 优先选用Ra 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 图 表面轮廓的组成 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 1 轮廓算术平均偏差Ra2 微观不平度十点高度Rz3 轮廓最大高度Ry 图 图 2 主参数定义 第二节 表面粗糙度的常规测量方法 一 比较法 将被测表面对照粗糙度样板用肉眼或借助放大镜 也可以用手比较 此方法只适用于低精度等级的工件 判断的准确程度取决于检验人员的经验 该方法现在几乎不用 图 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 二 光切法与光切显微镜1 光切法测量原理 测量原理如图4 2 2所示 由光源发出的光线经狭缝及物镜1以45 的方向投射到被测工件表面 该光束如同一平面与被测表面成45 相截 由于被测表面粗糙不平 故两者交线为一凹凸不平的轮廓线 如图2 该光线又由被测表面反射 经过物镜2成像在分划板上 在经过目镜就可以观察到一条放大了的凹凸不平的轮廓线 如图4 2 3 图 测量原理图 图 光束与表面截图 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 2 光切发的特点 所用仪器为光切显微镜 双管显微镜 适用与规则表面 如 车 铣 刨等去除材料的加工表面 且表面有一定的反射能力 可以测量Rz Ry S参数 测量范围 80 m 测量方法属于非接触测量 图 双管显微镜 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 三 干涉法及干涉显微镜 1 干涉法的测量原理 干涉显微镜是根据光学干涉原理制成的 图4 2 6 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11到反射镜16 由16进入目镜12 另一束光线向上通过物镜6 投射到被测零件表面 由被测表面反射回来通过分光镜7 聚光镜11到反射镜16 由16反射也进入目12 在目镜12的视场内可观察到这两束光线因光程差而形成的干涉带图形 若被测表面粗糙不平 干涉带即成弯曲形状如图 由测微目镜可读出相邻两二干涉带距离a以及干涉带弯曲高度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 为光波波长 图 干涉显微镜测量原理1一光源 2 11 15一聚光镜 3一滤色片 4一光阑 5一透镜 6 9 物镜 7一分光镜 8一补偿镜 10 14 16一反射镜 12一目镜 13一透光窗 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 干涉法的特点 所用仪器为干涉显微镜 可测参数Rz Ry 具有较大的放大倍数 测量范围 m 适用于测量不规则表面 如磨削等加工表面 被测件不应太大且具有反射能力 最适用于量块表面粗糙度的测量 属于非接触测量 图 J型干涉显微镜 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 四 触针法与电动轮廓仪 触针法的测量原理 如图所示 传感器一端一个很尖的触针 半径可做到微米级的金刚石针尖 垂直安置在被测表面上作横向移动 将纵向微小的位移通过传感器转换成电信号 再经测量电路放大 调理处理 计算 即可以在显示器上读出工件的表面粗糙度值 也可通过记录器描绘出表面轮廓图形图 触针法测量原理图 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 触针法测量的特点 所用仪器为电动轮廓仪或粗糙度仪 与前两种仪器相比该测量方法显示更直观 操作更方便 效率更高 测量范围更大 m 更广 即适用适用于规则表面又适用于不规则表面 不要求被测表面具有反射能力 更重要的是可以测量参数Ra值 所以现今使用最多的就是这种方法 但它属于接触测量 不适用于强度硬度较低的表面 图 10 型电动轮廓仪 图 TR200型手持式粗糙度仪 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 五 印模法1 原理 利用某些塑性材料将被测表面印模下来 然后对印摸表面进行测量 常用的印模材料有川蜡 石蜡和低熔点合金等 2 特点 印模材料的强度和硬度都不高 固一般不用针描法测量它 由于印模材料不可能填满谷底 且取下印模材料时往往使印模波峰削平 所以测得印模的Rz值比实际略有缩小 一般可以根据实验进行修整 印模法适用于大尺寸的内表面 测量范围为Rz m 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 第三节扩展与总结 1 粗糙度测量发展的趋势电动轮廓仪是应用最广的表面粗糙度测量仪器之一 然而有许多被测件的表面 如光盘 半导体工艺化学样品是不允许触针划伤的 另外有一些质地较软的表面也不能用触针式电动轮廓仪测量 特别是为了提高表面粗糙度的测量效率 发展方向是实现表面粗糙度的在线测量 因此非接触式表面轮廓探测技术受到重视并得到发展 它综合应用激光 传感器 计算机和图象识别等技术的新成果解决或正在解决机械加工和其他领域里新出现的表面粗糙度及表面微观形貌的测量问题 下面以简单介绍CSPM5000扫描探针显微镜 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 CSPM5000扫描探针显微镜的结构 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 CSPM5000扫描探针显微镜工作模式 1 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 STM 的水平分辨率小于0 1纳米 垂直分辨率小于0 01纳米 一般来讲 物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间 因此在扫描隧道显微镜下导电物质表面结构的原子 分子状态清晰可见 扫描隧道显微镜 STM 的原理是根据探针和样品之间的隧道效应产生的隧道电流进行成像的 因此它要求样品具有良好的导电性 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 扫描隧道显微镜工作原理示意图 隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系 当距离减小0 1nm 隧道电流即增加约一个数量级 因此 根据隧道电流的变化 我们利用电子反馈系统可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息 如果同时对x y方向进行扫描 就可以直接得到三维的样品表面形貌图 这就是扫描隧道显微镜的工作原理 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 2 原子力显微镜1 接触模式下 针尖与样品表面轻轻接触 2 在轻敲模式下 扫描成像时针尖对样品进行 敲击 两者间只有瞬间接触 适合柔软和吸附样品3 作为轻敲模式的一项重要的扩展技术 相移模式 相位移模式 是通过检测驱动微悬臂探针振动的信号源的相位角与微悬臂探针实际振动的相位角之差 即两者的相移 的变化来成像 下面 我们以激光检测原子力显微镜 接触模式来说明其工作原理 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 激光检测原子力显微镜工作原理示意图 样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力 微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏 第四章表面粗糙度及表面微观形貌测量 2 总结 在本节课中要注意以下几个问题的理解和把握 1 表面粗糙度 表面微观形貌 表面结构 轮廓 三个概念的区别与联系 2 注意对新旧表面粗糙度国家标准的了解 新旧标准在国内会有一