表面粗糙度的测量方法.ppt

表面粗糙度的测量 第一节表面粗糙度的评定参数 主要内容 1 主要术语及定义取样长度L评定长度L轮廓中线m2 6个评定参数3个基本 3个附加3 一般规定重点 3个基本评定参数 一 主要术语及定义1 实际轮廓 平面与实际表面相交所得的轮廓线 按照相截方向的不同 它又可分为横向实际轮廓和纵向实际轮廓 在评定或测量表面粗糙度时 除非特别指明 通常均指横向实际轮廓 即与加工纹理方向垂直的截面上的轮廓 横向实际轮廓图 实际轮廓图 2 取样长度l 用于判别和测量表面粗糙度时所规定的一段基准线长度 量取方向 它在轮廓总的走向上 目的 限制和削弱表面波度对表面粗糙度测量结果的影响 几何滤波 选择原则 5 l p 3常用的取样长度见表4 1 3 评定长度L 评定轮廓所必须的一段长度 它包括一个或数个取样长度 目的 为充分合理地反映某一表面的粗糙度特征 加工表面有着不同程度的不均匀性 选择原则 一般按五个取样长度来确定 4 轮廓中线m 是评定表面粗糙度数值的基准线 具有几何轮廓形状与被测表面几何形状一致 并将被测轮廓加以划分的线 类型有 1 最小二乘中线 使轮廓上各点的轮廓偏转距y 在测量方向上轮廓上的点至基准线的距离 的平方和为最小的基准线 算术平均中线 在取样长度范围内 划分实际轮廓为上 下两部分 且使上下两部分面积相等的线 轮廓的算术平均中线 二 评定参数及数值 对评定参数的基本要求 1 正确 充分反映表面微观几何形状特征 2 具有定量的结果 3 测量方便 国标从水平和高度两方向各规定了三个评定参数 三个基本参数 水平 三个附加的评定参数 高度 图4 3表面粗糙度的高度参数 1 轮廓算术平均偏差Ra在取样长度L内 轮廓偏距绝对值的算术平均值 用公式表示为 2 微观不平度十点高度在取样长度内五个最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和 如图4 3所示 用公式表示为 在取样长度内 也可从平行于轮廓中线m的任意一根线算起 计算被测轮廓的五个最高点 峰 到五个最低点 谷 之间的平均距离 3 轮廓最大高度在取样长度内 轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离 图4 3 图4 4表面粗糙度的水平参数 表面粗糙度的三个水平参数 轮廓微观不平度的平均间距Sm轮廓单峰平均间距S轮廓支承长度率tp 4 轮廓微观不平度的平均间距Sm含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中线长度Sm 图4 4 称为轮廓微观不平度间距 5 轮廓单峰平均间距S两相邻轮廓单峰的最高点在中线上的投影长度S 图4 4 称为轮廓单峰的间距 S 6 轮廓支承长度率tp一根平行于中线且与轮廓峰顶线相距为C的线与轮廓峰相截所得到的各段截线bi之和 称为轮廓支承长度 p p 轮廓支承长度率 轮廓支承长度 与取样长度之比 就是轮廓支承长度率 tp p L 100 1 5表而粗糙度测量方法综述及测量的基本原则 15 1测量方法综述对加工表面质量的评定 除了用视觉和触觉进行定性地比较检验的方法以外 并逐步实现了用数值确定表面粗糙度参数值的定量测量 从本世纪30年代陆续提出了测量粗糙度的方法原理和仪器以来 已发展了一系列利用光学 机械 电气原理的表面粗糙度专用测量仪器 其基本结构模式如图9 7所示 粗糙度测量方法主要是以不同类型的传感器所反映的测量原理来分类的 表9 l4列出了各类转换形式的传感器 运算装置包括信号放大器 滤波器和各种型式的计算处理 如信号变换 模数转换 时控 数字计算等 装置 输出设备包括指针式电量表 记录器 光电输出器 电传打字机 磁带输出器 Tv显示屏 绘图仪等 其中 传感器是基本组成部分 在取得表面测量信号以后 亦可用人工进行计算处理给出结果 15 2表面粗糙度测量的基本原则 1 测量方向按现行标准所定义的各种粗糙度评定参数 是基于轮廓法确定数值 是在被测表面的法向截面上的实际轮廓上进行测量的结果 由于垂直于被测表面的法向截面存在各种不同的测量方向 试验表明 大多数的切削加工表面 在横向轮廓上测得的粗糙度数值比较大 只是有的该铣加工和个别端铣加工表面 在纵向轮廓上会有较大的数值 如果在被测表面上难以确定加工纹理方向 以及某些加工纹理紊乱或不存在固定方向的表面 应分别在多个方向上测量 以获取最大参故值为结果 或取其峰谷高度的最大值 计算一个区域的测量结果 2 表面缺陷在表面上偶然出现的微观不平度 如划痕 碰伤 以及并非由于加工造成的材料缺陷 如气孔 裂纹 砂眼均属于表面缺陷 在表面祖糙度的评定中不应把表面缺陷包含进去 因此在测量时 原则上应将其影响排除在外 尤其是对于比 股加工痕迹 微观不平度 的深度或宽度大得多的缺陷要特别注意 如果零件表面不允许有某种缺陷或对它要加以控制 应另作规定 3 测量部位为了完整地反映零件表面的实际状况 需要在其若干具有代表性的位置上进行测量 一般可采取在均匀分布的三个以上的位置上取其平均值作为最终结果 如果几个位置上的粗糙度数值相差甚大 例如大于一个系列值 公比为2 则应再多测几个部位 判断其均匀性情况 此时最好将各部位的测量结果分别注出 或给出平均值结果并附加说明 第二节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 测量对象和被测量问题1 工件特点 大小 轻重 材料 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 问题3 测量有什么特点 问题4 与长度 角度测量有何不同 测量单位和标准量长度单位 um表面粗糙度样板光波波长电压 电流标准 测量方法测量方案设计测量方法测量仪器接触形式 定位 测量精度方法精度仪器精度影响因素改善精度的措施 表面粗糙度的测量方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粗糙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 测量方法 目测法 Ra值2 5 80 m的表面 用5 10倍放大镜比较 Ra值0 32 2 5 m的表面 用比较显微镜 Ra值0 08 10 m的表面 触觉比较法 被加工表面Ra值0 63 10 m 注意点 样板与被测件的加工方法 材料 形状都相同 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普遍采用 定量测量 严格按照定义测 本节重点 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 印模表面的峰谷值总要比被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 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 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 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 若倾斜角取45 则得 h h cos45 若观测显微物镜的倍数V 则 N h 用显微镜测出象的大小N 即可求出h值 h N Vcos45 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 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 80 0 8 m 旧国标 3 9 式h N Vcos45 中有无理数 计算 使用不便 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 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 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 1 测量Rz值其测量方法应符合定义 Rz值可按下式计算 Rz 1 2C 2 测量Ry值 Ry 1 2C 三 干涉显微镜测量表面粗糙度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测量 干涉显微镜测量范围 Rz 0 8 m 0 025 m 6JA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 4 m Nomarski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 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 适宜测量值为5 0 02 m范围内的表面粗糙度 图4 15轮廓仪的原理框图 2 电感轮廓仪电感轮廓仪的传感器原理如图4 14所示 图4 15为仪器的原理框图 3 激光干涉式轮廓仪激光干涉式轮廓仪中 干涉系统的测量镜与触针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 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 压电式轮廓仪压电式轮廓仪用具有压电特性的晶体作为传感器