培训教材-表面粗糙度计量

1、word专业资料第一章表面粗糙度的基本概念表面粗糙度所描述的是一种形状其复杂的三维空间曲面， 它对机械和仪器的性能有 重要的作用，特别是对高速、高压和重载荷条件下工作的机器和高精度运动的部件作用 更大。对机械零件必须进行粗糙度测量。第一节零件表面的几何形状误差人们通常把表面几何形状的偏差分解成为粗糙度（微观的）、波纹 度（中间的）和形状误差（宏观的），分别进行评定与控制。图 1-1-11-1-1 为 某一截面轮廓上几类几何状偏差及其又叠加在一起的示例。如图 1-1-11-1-1 所示，若单纯从几何形状去分析，其曲折不平的高度有时没 有很大差别，主要区别在于不平度的间距不一样。各种大小不同的 制

2、作以及加工方法的差异，使三类几何形状偏差的间距值的变化围 很宽，例如有的大型零件的表面波纹度和粗糙度的间距可能比小零件本身的长度还要大， 因此难以提出确切的、统一的分 界值。所以要把综合为一体的表面几图1-1-1各类几何形 状何形状偏差分成三类，是由于它们各自形成的原因以及对零件使用偏差的示意图功能的影响都各有特点，因此从这个意义上把三者区别开来才具有实际作用，但这不能word专业资料定量地用一个（间距）数值简单地将其分类一、微观形状误差（表面粗糙度）表面粗糙度是由加工方法固有的在作用所产生，是制件加工过程中由实际加工介质 切削刀、磨料、喷等在完工表面上留下的微观不平度。例如，切削过程中的残留

3、面积、 切屑分裂时材料的性变形、刀具对制作表面的磨擦造成的灼伤和刀瘤等因素，在加工后 表面上形成各种形式不平的微细加工痕迹。采用不同的工艺方法和条件便构成特定的表 面微观几何结构。表面粗糙度以往曾称作表面光洁度，但这个名称有时容易和表面光泽 反射能力等其他表面特性相混淆，因而目前国外已普遍采用表面粗糙度这一名称。）二、中间形状误差（表面波纹度）一般称为表面度，简称波度。它具有较明显的周期性的波距 （见图 4-1-1C4-1-1C 中的 B B）和 波高，只是在高速切削（主要是磨削）条件下才有时呈现，是由加工系统（机床一工件一刀 具）中的振动所造成的，常见于滚动轴承的套圈等零件。三、宏观形状误差

4、简称形状误差。它产生的原因是加工机床和工夹具本身有形状和位置误差，还有加 工中的力变形和热变形以及较大的振动等。零件上的直线不直，平面不平，圆截面不圆, 都属此类误差。相互位置误差与宏观形状误差无论产生的原因还是对零件及机器的影响， 都有许多相 近之处，故合称为。形位误差。其精确度的标准，也是同一标准， 即“形状和位置公差”（形位误差影响零件的配合性质和密封性，加剧磨损，降低连接强度和接触刚度，直接影word专业资料响整机的工作精确度和寿命。三种类型的表面几何形状偏差的一般数值围，列于表 1-1-11-1-1 供参考，由表可见它们是相互交错重叠的，不可能用单一的数值将其区分开。表 1-1-1三

5、类几何形状偏差的不平度间距和高度的一般围表面几何形状偏差的类型代号不平度间距S不平度高度H H形状误差F F几毫米至几十米0.02m m至几毫米表面波纹度W W0.5300mm0.1500m m表面粗糙度R R零点几微米至几毫米0.01m m至几百微米第二节表面粗糙度的评定基准和参数我国的表面粗糙度标准规定的最基本的粗糙度参数有三个， 附加参数有三个，都是在 19831983 年颁布，并于 19851985 年开始实施的。其中与测量最密切相关的是 GBI031-83GBI031-83表面 粗糙度参数及其数值，它取代了旧的标准，容与国际标准 ISOISO 468-82468-82 基本上相同。另

6、 外两个标准主要是规定许多术语定义和介绍代号， 以及图纸标注方法。19951995 年制订了标 准 GBGB/J J 1031-951031-95 代替了 GBI031-83GBI031-83。下面仅就与测量有关的主要容进行介绍。强，一般是用规定的评定参数来评定和控制。规定的评定参数要先确定评定基准、评疋基准表面粗糙度误差的随机性很word专业资料1-2-1轮廓的二乘中线（一）中线制（M M 制）中线制是以中线为基准线评定轮廓的计算制。中线有两种给出方式：1 1 轮廓的最小二乘中线（简称中线）具有几何轮廓形状并划分轮廓的基准线， 在取样长度使轮廓上各点的轮廓偏距的平 方和为最小。参见图 1-2

7、-21-2-2。中线的形状应该与被测表面的几何轮廓形状一致，如直线、圆弧线、渐开线等。按照最小二乘法原理所求得的中线的方向和位置都是唯一的，只是在轮廓曲线记录 图上计算求解中线的工作量较大。2 2 轮廓的算术平均中线具有几何轮廓形状并在取样 长度与轮廓走向一致的基准线，在 取样长度由该线划分轮廓使上下两边面积相等的中心线不是唯一的。对明显的周期轮廓，中线走向比较确定，易于取得和最小二乘中线相近的结果。当轮廓曲线形状不规则和轮廓走向不清晰时，能绘出一簇 不同的两边面积相等的中心线，其中只有一条与最小二乘中线相重合。规定算术平均中线是为了便于用图解法近似地确定最小二乘中线的位置。在实用中,若处理得

8、当，对评定参数结果的影响很小。AF：F：K憶H的算术平均中&两边的面积相等。参见图nFii 1nFii 11-2-21-2-2轮I*总的盍鳥垃枢M Mw w iflifl3 3 無用算术平均法给出的这条上下图1-2-2轮廓的算术平均中线word专业资料（二）包络线制（E E 制）用一个已定半径 rc的球在被测表面上滚动，把这个滚球球心的运动轨迹向被测轮廓 移动一个半径 rc，便构成这条截面轮廓曲线的包络线，参见图 1-2-31-2-3。以包络线为基准 线，测量出包络线到实际轮廓上各点的距离，计算得到各种参数，用这种方式来说事实上表面粗糙度称作包络线制由于至今仍没有按包络线制实现直接测量

9、的仪器，故包络线制长期未得到公认和应用。据分析，对于常用机加工方式所产生的表面，在限定 条件下（主要是取样长度和滚球圆心半 径），用中线制或包络线制所测得的最大峰高只有很小的差 异。目前，绝大多数（包括我国）都是采用中线制评定表面粗糙度（三）确定中线的方法按中线制计测表面粗糙度参数时，中线的确定可以归纳为两类情况：一类是在记录 的轮廓图形上绘制中线；另一类是由测量中仪器的模拟电路或软件确定中线，并直接给 出表面糊糙度参数。1 1 在轮廓图上绘制中线如果所记录的轮廓图是未经电气滤波的原始轮廓图形， 则必须按规定在取样长度的 围绘制中线；如果轮廓图是经过高通滤波器所获得的，是已经滤了波的粗糙度轮廓

10、图形,则可在评定长度确定中线。绘制的方法有两种：（1 1）目测方向法：对于测定 Ra, ,Rz和 Ry参数，由于计算数值时并不需要预先确定中线 相对于轮廓曲线的纵坐标位置，因而在选定的图形长度围只要目测中线的方向，使其平 行于这一段轮廓的走向，以此作为横坐标轴，即可求得各参数值。图1-2-3包络线word专业资料(2)(2)均分法：对于某些需要确定中线的位置才能进一步计算数值的参数，则需采取把连续轮廓离散化的形式进行计算如图1-2-1-2-4 4Ip，按下式确定点 a!和 a2的坐标:xa1-NxVh4halN /2hpii 1Xa23NxVh4ha2i N /2式中：N N 轮廓图中离散采样

11、间隔的点数；x x 离散米样间隔，xNxN I I ；Vh轮廓图的水平放大率；hpi轮廓图中各离散采样点 Xi的纵坐标值连接点 a-和 a2并延长获得的一条直线即为中线。2 2 在测量仪器中确定中线对于用电子模拟滤波器的表面粗糙度测量 仪，中线是由仪器中的 RCRC 滤波电路直接给出。在带微机的测量仪器中，被测轮廓已由连续的 轮廓信号转换为离散的数字信息。从而可按最 小二乘原理，编制相应的程序来确定中线，参图 1-2-41-2-4，即：m a tga x x式中，x x取样长度 I I 的中心。1N系数 a 及角 a 由下面两公式确定：a hpiNi 1图1-2-4均分法绘制中线word专业资

12、料以中线制评定表面粗糙度各种参数的定义，都明确是在取样长度计算的结果。而且标准中规定：当提出表面粗糙度要求时，必须同时给出粗糙度参数值和测定时的取样长度值 两项基本要求。这种用几何学的方法达到滤除波纹度的手段，称作几何滤波，其作用见 图 1-2-51-2-5。在触针式表面轮廓仪中则采用电气滤波的方式来实现，电滤波器的截止频率 是由截止波长（亦称切除长度）导出，它与取样长度采用相同的数值。由于实际加丁表面的不平度轮廓形状千变万化，其波距和粗距都有较宽的围，用某 个单一的取样长度值作为所有加工表面的粗糙度和波纹度的界限是不可能的。一般应参 照制件表面的加工方式和粗糙度参数值的大小，选择符合标准系列

13、的适宜的取样长度值。为了控制粗糙度测量结果中波纹度附加进去的成分不超过一定限度，取样长度不能太长，由此确定了它的上限。试验表明，对大多数试样来说，取样长度为波距的 1/31/3 时, 所造成的波纹度被计人粗糙度的数值一般不大于波高值的 1010 %。 所以在一般情况下可选 定取样长度的上限 （最大值）不大于 1/31/3 的波距。另一方面，又要保证在取样长度求得的表面粗糙度数值，能充分反映表面粗糙度的 特征，取样tg2atg2aX X式中：hpi离散采样点上的轮廓纵坐标值；i i 纵坐标个数；N N 在选定的长度围的采样点数；x x 采样间隔。二、取样长度和评定长度（一）取样长度在评定表面粗糙

14、度时，如果选择的取样长度不同（见图 1-2-51-2-5 中的 li，12和 13）,就会得到不同的高度数值（Hi，H2和 H3）。因此图1-2-5几何滤波作用的示例N2 2 x x % %i 1N N N N a a2 2word专业资料长度也不能太短。分析表明：对于较规则的表面轮廓，取样长度若包含五个 以上的粗糙度间距，所求得的粗糙度数值将稳定在土 2 2%以；再由滤波器的传输特性来看，当截止波长至少大于五倍粗距时，引起的信号衰减才会小于2 2%;对于 RZ参数来说，取样长度至少应含有五个峰和谷。因此，要选定取样长度的下限（最小值）应不小于五倍粗距。标准 GBGB /T T 1031103

15、1 9595 中给出了国际上通用的取样长度系列值（即 0.08mm0.08mm，0.25mm,0.8mm,2.5mm,8.0mm,和 25mm25mm）。取样长度的数值应从这个系列中选取。在标准中还给出对应于 Ra和 Rz,Ry参数值围所推荐的取样长度选用值，如表1-2-11-2-1和表 1-2-21-2-2 所示。如按表中选用推荐的取样长度值，则在图样上或技术文件中可以省略 取样长度的标注。1-2-1Ra的取样长度I I和评定长度In的选用值Ram mL L mmlnln5lmm(0.0080.02)0.080.4(0.020.1)0.251.25(0.1 /-2.0)0.84.0(2.0

16、10.0)2.512.5(10.0 /-80.0)8.040.0表 1-2-2Rz, Ry的取样长度I I评定长度In选用值Rz, Rym ml l mmlnln5lmm(0.025 0.10)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）评定长度在某表面的一个取样长度区段测得的表面粗糙度参数值，可能和相邻的另一段取样长度所测结果相近；而另一表面上相邻两段取样长度的测量结果也许相差较大，这说明 各种加工表word专业资料面的粗糙度均匀性不一样。显然，如果表面粗糙度均匀性比较好，在 一

17、个取样长度测量，便能获得可信赖的结果；假若表面的均匀性较差，则必须在较长的 包含几个取样长度段的围测量，然后取其平均值，才能代表这一表面的粗糙度特性。因 此要选定一个合适的最小表面段长度一一评定长度，使能获得可信的测量结果，这可通 过概率统计的方法进行分析。标准 GBGB/T1031-95T1031-95 推荐一般可选用五倍的取样长度，如表 1-2-11-2-1 和表 1-2-21-2-2 所示 这和触针式轮廓仪的标准中规定的测量行程长度一致。通过对加工纹理比较规则和不规则的表面分析的结果，按取样长度分类，建议按表 1-2-31-2-3 选取评定长度。表 1-2-3评定长度的选取围加工表面类型

18、取样长度1 1评定长度In车、铳、刨等较规则表面精车、磨、精刨等加工表面研磨、精磨等不规则表面2.50.80.2513I I26I I6 17I I对加工表面的粗糙度均匀性较好的表面，或者对粗糙度测量准确度要求不高时，评 定长度可选用所列围的较小值。对于粗糙度均匀性甚差的表面，或者当测量准确度要求 较高时，评定长度可采用所列围的较大值。当利用光学仪器测量或用轮廓图计算表面粗 糙度参数值时，参照以上原则，通常可选取较小的评定长度。三、评定表面粗糙度的参数word专业资料目前通用的定量评价表面粗糙度的参数，是在一个截面轮廓上用中线为基准线进行计算的。对于这一平面坐标的轮廓图形，可以量取纵坐标得到微

19、观不平度的高度参数， 由横坐标可以测得微观不平度的间距参数，以及反映轮廓形状特征的参数。由于加工表面轮廓形状十分复杂，在不同场合下使用的制件对表面特征的控制要求 具有多重性，同时还由于测量仪器的发展，特别是计算机的应用，使以往模拟电路难以 处理的参数被重新考虑，因此可应用的表征参数和统计函数的数量显著地增加了。（一）有关的基本术语为了阐述各种粗糙度评定参数，将有关的基本术语列于表1-2-41-2-4表 1-2-4表面粗糙度评定的基本术语表征符号取样长度评定长度L L或In轮廓偏距轮廓峰定义用于判别具有表面粗糙度特征的一段基准线 长度，规定和选择这段长度是为了限制和减弱 表面波度对表面粗糙度测量

20、结果的影响，取样长度在轮廓总的走向上量取。为可靠地确定表面粗糙度特性所必须的一段 长度，在这个长度上确定该表面轮廓的粗糙度 数值，评定长度可包含一个或几个取样长度。在测量方向上，轮廓上的点至基准线（中线）之间的距离，轮廓偏距应在测量轮廓方 向上量取，如示意图所示，对实际轮廓来说， 中线和评定长度轮廓总的走向之间的夹角。是很小的，因此垂直于中线测得的轮廓偏距与垂 直于轮廓总的走向所测得的轮廓偏距之差可 忽略不计。故对实际表面来说，可认为轮廓偏 距是垂直于中线的。轮廓与中线相交，连接两相邻交点向外（从材料到周围介质）的轮廓部分。轮息的建向word专业资料（二）各种参数的定义word专业资料1 1

21、与微观不平度高度特性有关的表面粗糙度参数微观不平度的高度参数一直是世界各国广泛应用的评定表面粗糙度的主要参数。常见的高度参数的定义列于表 1-2-51-2-5。表 1-2-5微观不平度的高度参数术语表征符号轮廓最1Rp在取样长度从轮廓峰顶线至中线的距离。大峰高p见表1-1-5序号7图轮廓最2大谷深在取样长度从轮廓谷底线至中线的距离。Rm轮廓最3大峰高Ry在取样长度轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的Rm ax距离评定长度轮廓峰谷间的最大高度。Rt见表1-1-5序号7图微观不4平度十点高度个最大的轮廓55Rz谷深的平均值之和Rzypiy.i 1i 15日本国标中定义Rz为在取样长度第三个最高微观不5平度

22、十点高度五个连续取样长度中的Rt的平均值，在德国 标准中用来等效于RzRtmRt1尺2尺3R4 R556轮廓算术平均偏差CLAAA在取样长度轮廓偏距绝对值的算术平均值Ra10yX dx或近似为Rayl在取样长度五个最大的轮廓高的平均值与五的峰顶至第三个最深的谷底之间的距离word专业资料7轮廓均方根偏差RqRMSHjHck在取样长度轮廓偏距的均方根值|112&y x dx或近似为屮。cl1n,2& J - yi勺ni 12 2 与微观不平度间距特性有关的表面粗糙度参数微观不平度的间距参数反映了表面加工纹路的细密度。在评定微观不平度高度数值 的同时附加这种参数，便构成对表面轮廓的

23、二维控制，能更好地反映表面的特性。有关 间距参数的定义列于表1-2-61-2-6。表 1-2-6微观不平度的间距参数名称表征符号定义和图示轮廓微观不平度的平均间距Sm在取样长度轮廓微观不平度间距的平均值轮廓的单峰平均间距S S在取样长度轮廓的单峰间距的平均值轮廓峰的密度DHSC1)单位长度的轮廓峰数，在取样长度1 1的计算式为D l/Sm轮廓的均匀方根波长2) q2 2乘以轮廓均方根偏差Rq与轮廓均方根斜率q之比q2 Rq/q轮廓的平均波长2)a2 2乘以算术平均偏差Ra与算术平均斜率a之比a2 Ra/a轮廓长度比轮廓展开长度L0与取样长度1 1之比l0节word专业资料2)q和a,是考虑了所

24、有单峰和单谷的相对幅度和各自空间频率的间距尺度。计算式中的q和3.与微观不平度形状特性有关的表面粗糙度参数综合反映微观不平度轮廓形状参数的定义列于表 1-2-71-2-7。表 1-2-7微观不平度的轮廓形状参数序号名称及表征符号疋义示意图在取样长度轮廓纵坐标变化率轮廓的均的均方根值1方根斜率q1111010dydx2dx或近q似为q1 1nn ni 1| |y yi在取样长度轮廓纵坐标变化率轮廓的算绝对值的算术平均值2术平均斜率a1al1dy0dxdx近似为1 1nan ni 1X Xi的定义见表1-2-7序号 1，word专业资料第二节表面粗糙度的测量方法和测量注意事项word专业资料表面粗

25、糙度的测量方法有很多，主要的方法如表1-3-11-3-1 所示表 1-3-1表面粗糙度的测量方法及可测围测量方法可测量围测量部位Ra值Rz相当旧国际“级”直接目测比较法632.5250101 15 5外表面触觉比较法100.63403.27 7、外表面放大镜比较法2.50.32101.65 58 8外表面显微镜比较法100.1400.51010外表面光切法（光切显微镜）160.16630.83 39 9外表面光干涉法（干涉显微镜）0.0870.010.4-0.0310101414外表面针描法（轮廓仪）50.02200.15 51212、外表面印模法0.040.21 11111表面全息干涉法0.

26、160.010.8-0.059 91313平面激光光斑法0.60.026.3-0.056 61212外表面光纤法0.250.0250.025 0.50.5 m m 时，取样长度为 0.080.080.25mm0.25mm，故可在一个视场测量，当 Rz 広玄 0.50.50.80.8 m m，取样长度为 0.80.8 mmmm， 动被测件），在三个连续的视场里测量测量时，转动目镜头，使目镜中十字线中的一条和干涉条纹的方向平行（另一条即与被测表面的加工痕迹方向平行），图4-4-4干涉带放大图然后用螺钉紧固目镜头。以十字线中平行于干涉条纹的那条为基线，转目镜千分尺手轮将此基线移到一条待测干涉带的波峰

27、上，对准干涉带宽的正中间 （见图 4-4-44-4-4），读取读数 Ni。再移动基线对 准另一条干涉带波峰的正中间，读取读数 N N2,N,NiN N即为干涉带间隔宽度 b b。为了提高 测量精确度，应移过多条（如 3 34 4 条）干涉带，再读取第二个读数 N2，反复测量多次，取 平均值，再除以移过的干涉带数，作为宽度b b 值。这样处理，也可视为光波波长对目镜千分尺起了定度作用。再将基线移至同一条干涉带波谷的中间位置，读取读数 N N3, ,| |N NiN N3即为干涉带的弯曲量 a。目镜千分尺的读数方向与实测方向成 45，故读数值比应有的实测值大-2 倍，但最 后计算 Rz值用到 a/

28、ba/b，分子分母都大了、2倍，故对测量结果没有影响。继续移动基线对准选测的某一条干涉带上的五个峰顶，每次都对准干涉带宽的正中间，记下五个读数值 R,P2,P3,P4,P5。再移动基线对准同一条干涉带的五个谷底，也是对 准干涉带宽的正中间，记下五个读值 V1,V2,V3,V4,V5，则有：word专业资料mRP2RP4P5ViV2V3V4V51RZ-5b 2式中：b b 干涉带间隔宽度；所用光源的波长值，单色光取其鉴定值。在评定长度连续测多次 Rz值之后，再取其平均值作为测量结果。对于微观不平不均 匀以及不规则的被测表面，还应在表面的不同部位多处取评定长度进行测量，再取各评 定长度的 Rz值的

29、平均值作为评定被测表面粗糙度的最后结果。生产中也经常采用 Rz的最 大值作为评定依据。生产中为了提高检测效率，还采用目测估读法直接估计干涉带弯曲率a/ba/b 值或a/ba/b 值的围，再乘以半波长值( (/20.27 m) )，可用表 4-4-24-4-2 来评估 Rz值。表 4-4-2a/ba/b值评定Rz值(用绿光)干涉带弯曲率a/ba/b0.20.20.20.20.40.40.40.40.80.80.80.81.51.51.51.53 3Rz值m m0.050.05(0.050.1)(0.10.20.2)(0.20.20.40.4)(0.40.40.80.8)旧国际级别14141313

30、121211111010至于其他粗糙度参数 Ry,S,Sm等的测量，可按定义参照本篇第三章“光切显微镜的测量方法”进行测量word专业资料第五章针描法测量表面粗糙度针描法测量表面粗糙度是利用触针式轮廓仪测量表面粗糙度。这种方法操作简单, 准确度高，测量速度快，是被广泛应用的一种方法。第一节针描法测量原理和特点一、测量原理针描法是用一种特殊的触针垂直接触被测表面，并以恒定速度沿被测表面移动，表 面的微观不平使触针在垂直于被测表面的方向上作相应的上下移动，这种上下移动经一 定的变换形成电信号，再经一系列电路处理，最后由指示器指示或打印机打印出测量结 果（粗糙度参数值），或由记录器描绘出被测表面微观

31、不平的轮廓曲线。由于针描法能描绘表面法向截面的轮廓曲线，所以所用的仪器叫做轮廓仪，又因各 种轮廓仪都采用电测方法，故仪器又称为电动轮廓仪。、特点按针描法用轮廓仪测量表面粗糙度有以下特点：（1 1）适用于测量 Ra值为 0.020.025 5 m m （相当旧国标的 5 51212），硬度不低于 HRC20HRC20 表面，即可测生产中绝大多数工件的加工表面。 Ra值小于 0.020.02 m m 的高光洁表面，由于 触针针尖半径有一定大小( (按标准规定为 2 2 m m，5 5 m m 或 1010 m m ) )，不能反映出表面上过小 的微观不平；Ra值大于 5 5 m m 的表面比较wo

32、rd专业资料粗糙，容易使性脆而贵重的金刚石触针折损。(2)(2)可测多种形式的外表面和形状复杂的曲面，包括非金属的及无光泽的表面，适应 性优于光切显微镜和干涉显微镜。(3)(3)操作方便，测量效率高，测量结果客观可靠。既有高准确度的计量室用轮廓仪，也有车间适用的便携式轮廓仪。(4)(4)可测多种粗糙度参数值。 新型轮廓仪可测的参数有十几种之多， 还可测表面波度 和形状误差，且配有计算机控制测量过程和处理数据，以数字方式显示测量结果。由于有以上优点，所以新型轮廓仪不断出现，应用越来越广泛。轮廓仪测量的表面粗糙度参数最主要的是 Ra值，标准也是推荐 Ra为优先使用的参数。三、轮廓仪的类型轮廓仪的种类有多种，按触针上下位移转换成电信号方式的不同，主要可分为电感 式、压电式、光电式和感应式等几种。英国兰克泰勒一哈布逊(Pa(Pa nknk Taylor-HabsoTaylor-Habso n)n)公 司是生产轮廓仪的重要厂家，我国也先后生产有多种原理的轮廓仪。几种不同原理轮廓 仪的特点如表 5-1-15-1-1 所示表5-1-1几种不同原理的轮廓仪类型信号变换方式优点缺 点电感式触针上下移动通过测杆一衔铁 在上下两对称线圈中移动，线 圈接入测量电