第5章 表面结构参数及其检测.ppt

1,学习要求：掌握表面结构参数的基本概念；掌握表面粗糙度参数测量的评定参数；掌握表面粗糙度参数的选用原则；掌握表面粗糙度参数测量的方法。重点：表面结构参数的基本概念；表面粗糙度参数测量的方法；难点：表面结构参数的基本概念与相关术语,第5章表面结构参数及其检测,2,3,表面粗糙度加工表面所具有的较小间距和微小峰谷的一种微观几何形状误差。波距10属于形状误差，即宏观几何形状误差,4,5.1表面结构的术语、定义及参数,5.1.1用轮廓法确定表面结构参数1.一般术语及定义（1）轮廓滤波器(profilefilter)轮廓滤波器是把轮廓分成长波和短波成分的滤波器。,实际表面轮廓是由粗糙度轮廓（roughnessprofile）、波纹度轮廓（wavinessprofile）以及原始轮廓（或称形状轮廓）（primaryprofile）叠加而成。以后这三种轮廓的相关参数分别称为R参数、W参数和P参数。,表面轮廓,5,在测量粗糙度、波纹度和原始轮廓的仪器中使用、三种滤波器原始轮廓在应用滤波之后的总的轮廓表面粗糙度轮廓是对原始轮廓采用滤波器抑制长波成分后形成的轮廓波纹度轮廓是对原始轮廓连续采用滤波器抑制短波成分和滤波器抑制长波成分后形成的轮廓,6,（2）中线(meanlines)中线是具有几何轮廓形状并划分轮廓的基准线。原始轮廓中线是在原始轮廓上按照标称形状用最小二乘法拟合确定的中线。（3）坐标系(coordinatesystem)确定表面结构参数的坐标体系。通常采用一个直角坐标体系，其轴线形成一右旋笛卡尔坐标系，X轴与中线方向一致，Y轴也处于实际表面上，而Z轴则在从材料到周围介质的外延方向。,7,（4）取样长度(samplinglength),在X轴方向判别被评定轮廓不规则特征的长度。,（5）评定长度(evaluationlength),用于判别被评定轮廓的X轴方向的长度。评定长度包含一个或几个取样长度。在测量时，一般取评定长度等于5个取样长度，此时不需说明，否则应在有关技术文件中注明。,8,（1）轮廓峰(profilepeak)轮廓峰是连接（轮廓和X轴）两相邻交点向外（从材料到周围介质）的轮廓部分。轮廓峰高Zp为轮廓峰最高点距X轴的距离。,2.几何参数术语及定义,9,（2）轮廓谷(profilevalley)轮廓谷是连接（轮廓和X轴）两相邻交点向内（从周围介质到材料）的轮廓部分。轮廓谷深Zv为X轴线与轮廓谷最低点之间的距离。,2.几何参数术语及定义,10,轮廓单元的高度Zt是指一个轮廓单元的峰高Zp和谷深Zv之和。轮廓单元的宽度Xs是指X轴线与轮廓单元相交线的长度。,轮廓单元,3）轮廓单元(profileelement)轮廓单元为轮廓峰和轮廓谷的组合。,11,3.轮廓参数术语及定义,表面轮廓参数由幅度参数、间距参数、混合参数等组成。,1）幅度参数（峰和谷）(以粗糙度轮廓为例）,（1）最大轮廓峰高Rp、Wp、Pp(profilepeakheight),在一个取样长度内，最大的轮廓峰高Zp。（图5-4）,（2）最大轮廓谷深Rv(profilevalleydepth),在一个取样长度内，最大的轮廓谷深Zv。,（3）轮廓的最大高度Rz(maximumheightofprfile),在一个取样长度内，最大轮廓峰高和最大轮廓谷深之和。,Rz=Rp+Rv,12,（4）轮廓单元的平均高度Rc(meanheightofprofileelement)在一个取样长度内，轮廓单元高度Zt的平均值。（5）轮廓的总高度Rt(totalheightofprofile)在评定长度内，最大轮廓峰高和最大轮廓谷深之和。,13,（1）轮廓的算术平均偏差(arithmeticalmeandeviatinofprofile)在一个取样长度内纵坐标值Z(x)绝对值的算术平均值,2）幅度参数（纵坐标平均值）,14,（2）轮廓的均方根偏差(rootmeansquaredeviatinofprofile)Rq、Wq、Pq在一个取样长度内纵坐标值Z(x)的均方根值（3）轮廓的偏斜度(skewnessofprofile)偏斜度用来表征轮廓分布的对称性，是指在一个取样长度内纵坐标值Z(x)的三次方的平均值与Rq、Wq或Pq的三次方的比值。,15,（4）轮廓的陡度(kurtosisofprofile)Rku、Wku、Pku在一个取样长度内纵坐标值Z(x)的四次方的平均值与Rq、Wq或Pq的四次方的比值,16,3)间距参数间距参数为轮廓单元的平均宽度(meanwidthoftheprofileelements)Rsm、Wsm、Psm在一个取样长度lr内轮廓单元宽度Xs的平均值。（图5-6),4）混合参数轮廓的均方根斜率、在取样长度内纵坐标斜率dZ/dX的均方根值。,17,在给定水平截面高度c上轮廓的实体材料长度Ml（c），即在一个给定水平截面高度c上用一条平行于X轴的线与轮廓单元相截所获得的各段截线长度之和，与评定长度ln的比率。,(1)轮廓的支承长度率Rmr(c)、Wmr(c)、Pmr(c),5）曲线和相关参数,18,（2）轮廓支承长度率曲线Rmc轮廓支承长度率曲线(materialratiocurveofprofile)表示轮廓的支承率随水平位置而变的关系曲线，见图5-8。,、,、,19,5.1.2用图形法确定的表面结构参数,GB/T18618-2002（产品几何量技术规范（GPS）表面结构轮廓法图形参数）规定了用图形法确定表面结构（粗糙度、波纹度和原始轮廓）的术语、定义和参数。该标准等效采用ISO12085：1996，用7个图形参数和上包络线对表面性能进行评价，克服了传统的用中线制评定表面性能带来的误差，与目前通用的中线制对各参数的评定有较大的差别。,20,1.一般定义（1）图形（motif）不一定相邻的两个单峰的最高点之间的原始轮廓部分。用以下参量来描述一个图形的特征:长度ARi或AWi，在平行于轮廓的总方向上测得;两个深度Hj和Hj+1或HWj和HWj+1，在垂直于原始轮廓的总方向上测得;T型特征，两个深度中的最小深度。,粗糙度图形,（2）粗糙度图形,通过采用具有界限值A的理想算法而得出的模式,21,一个粗糙度图形的长度ARi应小于或等于A通常取A=0.5mm。（3）波纹度图形通过采用带界限值B的标准算法而得出的图形通常取B=2.5mm。,22,（4）原始轮廓(波纹度轮廓)的上包络线经过对轮廓峰的常规鉴别后，连接原始轮廓各个峰的最高点的折线,23,2.参数定义,（1）粗糙度图形的平均间距在评定长度内，粗糙度图形中各个长度AR的算术平均值n为粗糙度图形的数量(与AR的数量相等),24,（2）粗糙度图形的平均深度在评定长度内，粗糙度图形的各个深度Hj的算术平均值m为Hj值的数量。Hj值的数量是ARi值数量的两倍(m=2n)。（3）轮廓微观不平度的最大深度Rx在评定长度内Hj的最大值,25,（4）波纹度图形的平均间距在评定长度内，波纹度图形中各个长度AW，的算术平均值n为波纹度图形的数量(与AWi的数量相等),26,（6）波纹度的最大深度在评定长度内深度HWj的最大值（7）波纹度的总深度在与原始轮廓总的走向垂直的方向上测得的，位于原始轮廓上包络线的最高点和最低点之间的距离,27,MOTIF法将原始轮廓分成单个的几何偏差,不相干的轮廓不规则性在评价过程中被排除，因此对单个轮廓特征较为敏感。参数R和W表示轮廓的垂直分量；参数AR和AW表示轮廓不规则性的水平间距。MOTIF法没有丢失任何重要轮廓点的信息,能表示轮廓不规则性的水平和垂直的性能,尤其适合于:（1）在未知表面和过程上进行技术分析;（2）与表面的包络线(面)相关的性能研究;（3）辨识粗糙度和波纹度具有相当接近波长的轮廓。,28,5.2表面粗糙度评定参数值的选用,选用原则同一零件，工作表面的表面粗糙度参数值应比非工作表面小。对摩擦表面，相对运动速度高、单位面积压力大的表面，表面粗糙度参数值应小。承受交变应力作用的零件，在容易产生应力集中的部位，如圆角、沟槽处，表面粗糙度参数值应小。对于配合性质要求稳定的间隙较小的间隙配合和承受重载荷的过盈配合，它们的孔、轴表面粗糙度参数值应小。要求防腐蚀、密封性能好或外表美观的表面，表面粗糙度参数值应小。凡有关标准业已对表面粗糙度要求作出具体规定，则应按该标准的规定确定表面粗糙度参数值的大小。,29,在评定参数中，幅度特性参数Ra和是主参数，间距参数Rsm和相关参数Rmr(c)为附加参数在常用值范围内（Ra为为)，推荐优先选用Ra用于某些表面很小或为曲面时，以及有疲劳强度要求的零件表面的评定对于Rsm和Rmr(c)，一般不能作为独立参数选用，只有少数零件的重要表面，有特殊功能要求时才附加选用。RSm主要用在评价涂漆性能，以及冲压成型时抗裂纹、抗震性、抗腐蚀性、减小流体流动摩擦阻力等场合Rmr(c)主要用在耐磨性、接触刚度要求较高等场合,30,Ra的数值,的数值,Rsm的数值,Rmr(c)的数值（%）,取样长度的数值,31,5.3表面粗糙度的测量,比较法光切法干涉法触针法印模法光触针法扫描隧道显微镜测量法,32,1.比较法,将被测表面对照粗糙度样板，用肉眼判断或借助于放大镜、比较显微镜进行比较；也可用手摸，指甲划动的感觉来判断被加工表面的粗糙度。粗糙度样板的材料、形状及工艺尽可能与工件相同。一般用于粗糙度参数较大的近似评定。比较法是车间常用的方法。,33,光切原理光切（双管）显微镜,2.光切法,在照明管中，由光源1发出的光线经过聚光镜2、窄缝3和透镜4，以45角的方向投射到被测量表面上，形成窄细光带。光带边缘的形状即为光束与被测量表面相交的曲线，也就是在45角的方向上被测量表面形状。此轮廓曲线经反射后通过观测管（装有透镜5和目镜6）进行观察。将观测结果经过换算处理后可得到被测量表面的粗糙度参数值。,照明管,观察管,34,双管显微镜的测量范围：0.5-60微米双管显微镜主要用于车、铣、刨或其他类似加工的金属零件的平面和外圆表面。,2.光切法,35,干涉法利用光波干涉原理来测量表面粗糙度。测量仪器是干涉显微镜。仪器的测量范围：1-0.03微米，主要用于测量表面粗糙度要求较高的零件表面。,3.干涉法,36,触针式表面粗糙度测量仪由传感器、驱动箱、指示表、记录器和工作台等主要部件组成。,测量范围通常为0.025-5微米的Ra值。,触针法,37,优点可以直接测量某些难以测量的零件表面（如孔、槽）的粗糙度；可以直接测出Ra等评定参数；可以给出被测表面的轮廓图形；使用简便，测量效率高。缺点受除针圆弧半径（可小到1-2微米）的限制，难以探测到表面实际轮廓的谷底，影响测量精度；被测表面可能被触针划伤。,触针法,38,在实际测量中，会遇到有些表面不便于采用上述方法直接测量，如深孔、盲孔、凹槽、内螺纹及大型横梁等。采用印模法将被测表面的轮廓复制成模，再使用非接触测量方法测量印模，从而间接评定被测表面的粗糙度。由于印模材料不可能填充满谷底，其测量值略有缩小，可加以修正。,印模法,39,光触针测量法是利用半导体激光生成装置生成集束成点的激光束，一边对被测表面照射，一边对其进行扫描，再对收集到的数据进行处理后可直接获得被测工件的截面形状和相关数据。非常适合高倍率测量，具有测量范围大和高速响应的性能。可以用于三维测量，很适合推广到加工过程的在线测量中去。,光触针法,40,利用量子力学的隧道效应，通过隧道电流的变化来测量被测物表面的凹凸情况。具有极高的分辨率，垂直方向可达0.001nm；横向可达0.01nm，精密到可以用于微细形状测量和分子结构的表面研究。对环境要求极高，少量尘埃即可影响测量结果。,扫描隧道显微镜测量法,41,测量表面粗糙度参数值时，应注意不要将零件的表面缺陷（如气孔、划痕和沟槽等）包括进去。当图样上注明了表面粗糙度参数值的测量方向时，应按规定方向测量。若没有指定测量方向，工件的安放应使其测量截面与得到粗糙度幅度参数（Ra、Rz）最大值的测量方向一致，该方向垂直于被测表面的加工纹理。对无方向性的表面，测量截面的方向可以是任意的。,注意事项,42,5.4三维表面形貌评定与测量,实验表明，在同一表面对来自不同轮廓的参数测量，其差异可能达50%。只有当表面满足各向同性和均一性时，在任何位置和方向的轮廓才能表示表面。另一种情形也可以用轮廓近似表示表面，即当表面在一个方向上具有普遍的和确定性纹理时，测量轮廓应在垂直于纹理方向上进行。在机械工业中上述现象相当频繁，这也是二维表征的理论基础。然而，从目前计算机技术、测量技术和超精密加工技术的发展看，对于大多数工程表面，要想准确、合理地反映表面形貌，应在三维范围内评定。,43,三维粗糙度参数目前仍处于研究探讨阶段，尚未有正式的国家或国际标准，但已经大量地出现在论文文献中。一个参数代表一个特征，它可以被测量和定量表示。在许多情况下引进参数是为了获得复杂现实的综合信息。表面通常是一个复杂的实体，不可能仅用一个或几个参数完全描述其特性，这从而导致了表征表面时参数的不断增加，即所谓的“参数爆炸”。为有效解决表面参数表征问题，1998年欧共体资助的大型表面计量研究项目开发定义了一套基本的三维表面粗糙度标准参数(14+3)体系。,44,该体系将基本参数分为四种：幅度参数,空间参数,综合参数和功能参数。幅度参数是在二维参数基础上的扩展，考