培训教材表面粗糙度计量

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)，分别进行评估与控制。图1-1-1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1-1-1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，重要区别在于不平度的间距不同样。各种大小不同的制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范围很宽，例如有的大型零件的表面波纹度和粗糙度的间距也许比小零件自身的长度还要大，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提成三类，是由于它们各自形成的因素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，但这不能定量地用一个(间距)数值简朴地将其分类。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内在作用所产生，是制件加工过程中由实际加工介质切削刀、磨料、喷等在竣工表面上留下的微观不平度。例如，切削过程中的残留面积、切屑分裂时材料的性变形、刀具对制作表面的磨擦导致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，因而目前国内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4-1-1c中的)和波高，只是在高速切削(重要是磨削)条件下才有时呈现，是由加工系统(机床一工件一刀具)中的振动所导致的，常见于滚动轴承的套圈等零件。三、宏观形状误差简称形状误差。它产生的因素是加工机床和工夹具自身有形状和位置误差，尚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。互相位置误差与宏观形状误差无论产生的因素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。其精确度的国家标准，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，减少连接强度和接触刚度，直接影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范围，列于表1-1-1供参考，由表可见它们是互相交错重叠的，不也许用单一的数值将其区分开。表1-1-1三类几何形状偏差的不平度间距和高度的一般范围表面几何形状偏差的类型代号不平度间距S不平度高度形状误差几毫米至几十米0.02至几毫米表面波纹度0.5~300mm0.1~500表面粗糙度零点几微米至几毫米0.01至几百微米第二节表面粗糙度的评估基准和参数我国的表面粗糙度国家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1983年颁布，并于1985年开始实行的。其中与测量最密切相关的是GBl031-83《表面粗糙度参数及其数值》，它取代了旧的国家标准，内容与国际标准ISO468-82基本上相同。此外两个国家标准重要是规定许多术语定义和介绍代号，以及图纸标注方法。1995年制订了国家标准GB／J1031-95代替了GBl031-83。下面仅就与测量有关的重要内容进行介绍。一、评估基准表面粗糙度误差的随机性很强，一般是用规定的评估参数来评估和控制。规定的评估参数要先拟定评估基准。图1-2-1轮廓的二乘中线（一）中线制(制)中线制是以中线为基准线评估轮廓的计算制。中线有两种给出方式：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，在取样长度内使轮廓上各点的轮廓偏距的平方和为最小。参见图1-2-2。中线的形状应当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．轮廓的算术平均中线具有几何轮廓形状并在取样长度内与轮廓走向一致的基准线，在取样长度内由该线划分轮廓使上下两边的面积相等。参见图1-2-2。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，中线走向比较拟定，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楚时，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拟定最小二乘中线的位置。在实用中，若解决得当，对评估参数结果的影响很小。(二)包络线制(E制)用一个已定半径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，便构成这条截面轮廓曲线的包络线，参见图1-2-3。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(重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图1-2-3包络线异。目前，绝大多数国家(涉及我国)都是采用中线制评估表面粗糙度。(三)拟定中线的方法按中线制计测表面粗糙度参数时，中线的拟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拟定中线，并直接给出表面糊糙度参数。1．在轮廓图上绘制中线假如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范围内绘制中线；假如轮廓图是通过高通滤波器所获得的，是已经滤了波的粗糙度轮廓图形，则可在评估长度内拟定中线。绘制的方法有两种：(1)目测方向法：对于测定,和参数，由于计算数值时并不需要预先拟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范围内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。(2)均分法：对于某些需要拟定中线的位置才干进一步计算数值的参数，则需采用把连续轮廓离散化的形式进行计算。如图1-2-4所示，在选定的记录图形长度内，按下式拟定点和的坐标：式中：—轮廓图中离散采样间隔的点数；—离散采样间隔，；—轮廓图的水平放大率；—轮廓图中各离散采样点的纵坐标值。连接点和并延长获得的一条直线即为中线。2．在测量仪器中拟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RC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，编制相应的程序来拟定中线，参图1-2-4，即：图1-2-4均分法绘制中线式中，——取样长度的中心。系数及角由下面两公式拟定：式中：—离散采样点上的轮廓纵坐标值；—纵坐标个数；—在选定的长度范围内的采样点数；—采样间隔。二、取样长度和评估长度(一)取样长度在评估表面粗糙度时，假如选择的取样长度不同(见图1-2-5中的，和)，就会得到不同的高度数值(，和)。因此图1-2-5几何滤波作用的示例以中线制评估表面粗糙度各种参数的定义，都明确是在取样长度内计算的结果。并且标准中规定：当提出表面粗糙度规定期，必须同时给出粗糙度参数值和测定期的取样长度值两项基本规定。这种用几何学的方法达成滤除波纹度的手段，称作几何滤波，其作用见图1-2-5。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范围，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线是不也许的。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，由此拟定了它的上限。实验表白，对大多数试样来说，取样长度为波距的1/3时，所导致的波纹度被计人粗糙度的数值一般不大于波高值的10％。所以在一般情况下可选定取样长度的上限(最大值)不大于1/3的波距。另一方面，又要保证在取样长度内求得的表面粗糙度数值，能充足反映表面粗糙度的特性，取样长度也不能太短。分析表白：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±2％以内；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％；对于参数来说，取样长度内至少应具有五个峰和谷。因此，要选定取样长度的下限(最小值)应不小于五倍粗距。国家标准GB／T103l一95中给出了国际上通用的取样长度系列值(即，和)。取样长度的数值应从这个系列中选取。在国家标准中还给出相应于和参数值范围所推荐的取样长度选用值，如表1-2-1和表1-2-2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献中可以省略取样长度的标注。1-2-1的取样长度和评估长度的选用值(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的取样长度评估长度选用值(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）评估长度在某表面的一个取样长度区段内测得的表面粗糙度参数值，也许和相邻的另一段取样长度内所测结果相近；而另一表面上相邻两段取样长度内的测量结果也许相差较大，这说明各种加工表面的粗糙度均匀性不同样。显然，假如表面粗糙度均匀性比较好，在一个取样长度内测量，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范围内测量，然后取其平均值，才干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——评估长度，使能获得可信的测量结果，这可通过概率记录的方法进行分析。国家标准GB／T1031-95推荐一般可选用五倍的取样长度，如表1-2-1和表1-2-2所示。这和触针式轮廓仪的国家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1-2-3选取评估长度。表1-2-3评估长度的选取范围加工表面类型取样长度评估长度车、铣、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2.50.80.251～32～66～17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规定不高时，评估长度可选用所列范围的较小值。对于粗糙度均匀性甚差的表面，或者当测量准确度规定较高时，评估长度可采用所列范围的较大值。当运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估长度。三、评估表面粗糙度的参数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性的参数。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性的控制规定具有多重性，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解决的参数被重新考虑，因此可应用的表征参数和记录函数的数量显著地增长了。(一)有关的基本术语为了阐述各种粗糙度评估参数，将有关的基本术语列于表1-2-4。表1-2-4表面粗糙度评估的基本术语序号术语表征符号定义示意图1取样长度用于判别具有表面粗糙度特性的一段基准线长度，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结果的影响，取样长度在轮廓总的走向上量取。2评估长度或为可靠地拟定表面粗糙度特性所必须的一段长度，在这个长度上拟定该表面轮廓的粗糙度数值，评估长度可包含一个或几个取样长度。3轮廓偏距在测量方向上，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，中线和评估长度内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。4轮廓峰轮廓与中线相交，连接两相邻交点向外(从材料到周边介质)的轮廓部分。序号术语表征符号定义示意图5轮廓谷轮廓与中线相交，连接两相邻交点向内(从周边介质到材料)的轮廓部分。6轮廓微观不平度的间距具有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中线长度。7轮廓峰顶线在取样长度内平行于中线并通过轮廓最高点的线。8轮廓谷底线在取样长度内平行于中线并通过轮廓最低点的线9轮廓的单谷两相邻轮廓最低点之间的轮廓部分。10轮廓的单谷两相邻轮廓最高点之间的轮廓部分。11轮廓的单峰间距两相邻单峰的最高点之间的距离投影在中线上的长度。12轮廓水平截距轮廓峰顶线和平行它并与轮廓相交的截线之间的距离，它可用微米或轮廓最大高度的百分数表达。(二)各种参数的定义1．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估表面粗糙度的重要参数。常见的高度参数的定义列于表1-2-5。表1-2-5微观不平度的高度参数序号术语表征符号定义示意图1轮廓最大峰高在取样长度内从轮廓峰顶线至中线的距离。见表1-1-5序号7图2轮廓最大谷深在取样长度内从轮廓谷底线至中线的距离。3轮廓最大峰高在取样长度内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离评估长度内轮廓峰谷间的最大高度。见表1-1-5序号7图4微观不平度十点高度在取样长度内五个最大的轮廓高的平均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和日本国标中定义为在取样长度内第三个最高的峰顶至第三个最深的谷底之间的距离。5微观不平度十点高度五个连续取样长度中的的平均值，在德国标准中用来等效于6轮廓算术平均偏差在取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值或近似为7轮廓均方根偏差在取样长度内轮廓偏距的均方根值或近似为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。在评估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1-2-6。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在取样长度内轮廓微观不平度间距的平均值轮廓的单峰平均间距在取样长度内轮廓的单峰间距的平均值轮廓峰的密度单位长度内的轮廓峰数，在取样长度内的计算式为轮廓的均匀方根波长乘以轮廓均方根偏差与轮廓均方根斜率之比轮廓的平均波长乘以算术平均偏差与算术平均斜率之比轮廓长度比轮廓展开长度与取样长度之比注；1)是在评估长度内所计算的轮廓峰的个数。2)和，是考虑了所有单峰和单谷的相对幅度和各自空间频率的间距尺度。计算式中的和的定义见表1-2-7序号1，2。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1-2-7。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定义示意图1轮廓的均方根斜率在取样长度内轮廓纵坐标变化率的均方根值或近似为2轮廓的算术平均斜率在取样长度内轮廓纵坐标变化率绝对值的算术平均值近似为3轮廓支承长度在取样长度内，一平行中线的线与轮廓相截所得到的各段截线长度之和4轮廓支承长度率轮廓支承长度与取样长度之比值是相应于各个水平截距而给出的5幅度分布是轮廓微观不平度高度的分布函数。幅度分布曲线用下述方法得到：将轮廓在取样长度内分为等间距的个纵坐标。在轮廓峰顶线至谷底线的区域内，作若十条平行于中线的等间距线。两相邻平行线在轮廓线上截取的区域内可计得具有个纵坐标，以值对该组平行线的中间轮廓偏距值作坐标点，由各组平行线计取的坐标点连线即为幅度分布曲线6轮廓的偏斜度是幅度分布不对称性的量度。在取样长度内以个轮廓偏距三次方的平均值来拟定，由下式给出第三节表面粗糙度的测量方法和测量注意事项一、测量方法表面粗糙度的测量方法有很多，重要的方法如表1-3-1所示。表1-3-1表面粗糙度的测量方法及可测范围测量方法可测量范围测量部位值相称旧国际“级”直接目测比较法触觉比较法放大镜比较法显微镜比较法光切法(光切显微镜)光干涉法(干涉显微镜)针描法(轮廓仪)印模法全息干涉法激光光斑法光纤法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 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 外表面内、外表面外表面外表面外表面外表面内、外表面内表面平面外表面内表面对加工表面质量的评估，除了用视觉和触觉进行定性地比较检查的方法以外，并逐步实现了用数值拟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，已发展了一系列运用光学、机械、电气原理的表面粗糙度专用测量仪器，电动量仪的基本结构模式如图1-3-1所示。图1-3-1电动量仪的基本结构模式在实际工作中，对加工表面粗糙度的评估，可归纳为四种方式。(一)在选定的截面轮廓上直接测量表面微观不平度数值(粗糙度参数值)用这种方式可以按照粗糙度的评估标准中给出的参数定义直接测得具体数值，所以被普遍应用。实现截面轮廓的仪器类型很多，目前使用较广的重要有两大类。一类为触针式仪器，用锋利的触针划过表面，把探测的表面轮廓形状放大描绘出来，或通过计算解决装置直接给出粗糙度参数值。触针在被测表面上描迹所感受到的轮廓信息，现时一般采用电感式、压电式或光电式等转换形式将其变为电信号。信号的运算解决方法现已从简朴的积分电路、平均指示表等模拟电路发展为应用微解决机(或集成芯片)、数码显示和电传打印等现代的数字电路和终端设备，因而有了更广阔的应用前景。机械接触式的触针亦开始为非接触的光学探针所取代。另一类是以显微干涉法、光切法为代表的光学仪器。这类仪器属于不接触测量方式，并且有结构简朴、经济、使用维护方便等特点，对于超精加工表面和某些特殊材料、小尺寸表面的测量，能填补触针式仪器的局限性。(二)在一个局部表面上综合评价微观不平度特性目前这类测量方式，一般是运用通过前一方法测得截面轮廓粗糙度结果的成组样块，对该类综合评估仪器进行定标或找出相应的相应关系以后再使用。实现此种测量方式的仪器，多为气动法、电容法、光反射法等。当被测表面的形状、大小和工艺方法等已基本拟定后，设计好合适的测量头和信号接受元件，可以获得较好的效果。这种方式适于在大批量生产中运用，并可应用到生产现场在线检测中。近期正在研究发展中的各种光散射法、光斑对比度法，也是测量一个局部面积的信息，通过解决后，有的通过样板给仪器定标，也可采用在设定的条件下导出的关系式给出记录特性参量，以拟定被测表面粗糙度的综合状况和相应的粗糙度参量。(三)比较检测方式用已知表面粗糙度参数值的比较样块(或标准试件)和待检表面进行比较，靠目测或借助放大镜观测或用手指甲感触判别。这种方法不能得出具体参数值，但简朴易行，仍为生产现场广泛采用的检测方法。（四)间接测量方式——印模法对于大型工件、凹槽、内表面或特殊型面等零件，在一般仪器难于测量的情况下，常运用可以把表面轮廓形状复印下来的某些印模材料，制作一个表面轮廓的负模，然后通过对负模的测量，间接获得加工表面的粗糙度结果。二、测量注意事项(一)测量方向评估表面粗糙度的二维参数值，是在垂直于被测表面的法向截面上给出的。如图纸或技术文献上已注明测量方向，则应按所指定的方向进行测量；如没有注明，应在能给出最大的粗糙度高度参数值的方向上测量。表面在加工后留下的痕迹多具有方向性，测量时，应在垂直于加工痕迹的方向上进行(如图1-3-2中的向)，由于该方向一般就是能给出最大的粗糙度高度参数值的方向。在图1-3-2中，如按方向(斜向)测量，虽然微观不平的高度参数与方向相差不大，但在同样的取样长度内，被测轮廓峰与峰之间的距离有明显的变化，有时也许因峰、谷数目在取样长度内过图1-3-2测量方向图少而不便测量。如按图中方向测量，则微观不平的高度参数将很小，甚至测不出来。如被测表面的加工痕迹方向不明显(如研磨表面)或没有一定的方向(如某些非切削加工表面)，则应选择几个不同的方向测量，取测得的最大参数值作为测量结果。(二)测量部位由于表面加工后的微观起伏不平具有随机性，不同部位测得的粗糙度参数值往往不相同，有时差别还很大。因此，对较重要的表面，应在不同的部位多处测量，取平均值作为测量结果。必要时，可将不同部位测得的结果都记录下来，以便参考。(三)表面缺陷表面粗糙度不涉及表面缺陷，如气孔、砂眼、划痕、擦伤等，因此在测量时应予排除。对于表面缺陷，必要时应此外提出规定。第四节表面粗糙度参数值的量值传递为了保证表面粗糙度重要参数值在全国范围内的量值统一，国家技术监督局颁布了《表面粗糙度计量器具检定系统》(JJG2023—89)。检定系统如图1-4-1所示。图1-4-1表面粗糙度计量器具检定系统框图检定系统规定了表面粗糙度，参数为0.1～80和参数为0.1—10范围内的国家计量基准所包含的全套重要计量器具和重要计量学参数，还规定了从国家计量基准器具通过标准计量器具向工作计量器具进行量值传递的程序，并指明了误差值和基本检定方法。国家基准用了复现和保存粗糙度参数在上述范围内的长度单位，它由下列全套计量器具组成：(1)专用单色光源的干涉显微镜基准装置。(2)触针式表面粗糙度测量系统，涉及专用微机系统、连接硬件和成套软件。(3)1级表面粗糙度基准样板和基准阶梯量块组。计量标准器具重要采用粗糙度标准样板。标准样板有两大类：一类为单刻线样板(涉及组成阶梯高度的阶梯式实物标准)，单刻线的刻线深度(或阶梯高度)为0.1～80范围内，用做传递和值的标准器具；另一类为多刻线样板(涉及其他类似形式的用于校验触针式仪器的校验样板)其值在0.1～10范围内，用做传递值的标准器具，多刻线标准样板还按准确度和使用对象分一等和二等两个等级，二等多刻线标准样板用于校验精确度较低的触针式仪器。二等样板按一定方法(见图1-4-1)用一等样板来检定，也可用国家基准直接检定。干涉显微镜、光切显微镜和精确度较高的轮廓仪既可用做工作计量器具，也可用做计量标准器具，用以检定比较样块或标准样件。图1-4-1中栏和下栏里两处标号l，2，3的仪器，其重要参数完全相应相同，标号1-1，1-2，1-3的轮廓仪准确度不同。检定工作计量器具所用的计量标准器具测量的不拟定度与工作计量器具允许误差之比应不大于1:1.5。图1-4-2单刻线样板第一章比较法评估表面粗糙度比较法测量表面粗糙度是用粗糙度样板与被测零件加工表面进行比较来评估表面粗糙度的一种方法。尽管这种方法测量准确度不高，但其操作简朴，使用方便，被广泛应用于加工现场。第一节比较样块粗糙度比较样块是用比较法评估表面粗糙度的一种工作量具。比较样块有具体的表面粗糙度参数值与值，样块和被评估的工件表面应具有相同的材料、相同的加丁方法、相同或相近的表面物理特性(如表面加工纹理、色泽、形状等)。图2-1-1为车削加工的比较样块，可与轴表面进行比较。样块(共四块)是圆柱形或半圆柱形的车加工金属制件。有条件的工厂，可以自己按国家标准的规定加工制作粗糙度比较样块。也可从批量加工的工件中，挑图2-1-1比较样块选粗糙度参数或实际值等于或接近图纸上标注的公称值的工件，作为比较样块，去检查同批工件。我国参照ISO国际标准制订了表面粗糙度比较样块的国家标准，标准共有六个，以适应不同的加工表面的比较评估：GB6060．1—85铸造表面；GB6060，2—85磨、车、镗、铣、插及刨加工表面；GB6060．3—86电火花加工表面；GB6060．4—88抛光加工表面；GB6060．5—88抛(喷)丸、喷砂加工表面；GB／T14495—93木制件表面。比较样块的检定可按《表面粗糙度比较样块检定规程》(JJG102—2023)来进行，检定项目和表面粗糙度参数值见规程。检定室温一般规定为(20±5)℃。样块工作面的粗糙度用参数值评估，值要准确测定，所用轮廓法触针式表面粗糙度测量仪(轮廓仪)规定系统误差小于等于i5％，随机误差小于等于1％。测量时的取样长度可按表2-1-1选取，评估长度一般取5倍的取样长度。表2-1-1取样长度的选取粗糙度参数公称值制造方法磨车、镗铣插、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．样块表面微观不平度重要间距应不大于给定的取样长度。2．对于周期轮廓的加工表面，其取样长度应取距规定值最近的较大的整周期数的长度。测量时，应在样块均匀分布的10个位置上各测一个值，其平均值对公称值的偏离量不得超过一17％～+12％(具体数值见表2-1-2)，否则为不合格。表2-1-2R．平均值允许范围(--17％一十12％)公称值平均值允许范围公称值平均值允许范围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工作面的标准偏差是指所测得的值偏离平均值的标准偏差，计算所得的标准偏差不应超过表2-1-3的规定。表2-1-3标准偏差允许值％加工方式标准偏差允许值(有效值百分率)(％)磨、铣9车、镗、插、刨4表中给出的标准偏差(％)是评估长度内包含五个取样长度时的标准偏差(％)，如评估长度内具有个()取样长度，则标准偏差(％)按下式计算测量结果的标准偏差(％)按下式计算%(2-2-1)或%(2-2-2)式中：——样块表面实测所得值的平均值，；——样块表面实测位置(测点)的数目。按式(2-1-1)或式(2-1-2)计算得到值，如只是略微超过表2-1-3中的规定值(或计算所得的)，允许增长10～15个新的测量位置，经测量后再行计算(将新的测量数据与原有测量数据一并计算，即，或25)，如仍超过规定，则为不合格。第二节视觉比较法评估表面粗糙度最简朴的视觉比较法。就是将比较样块和被检工件表面并放在一起，在相同的照明条件下，用人眼直接观测评估。这种方法的评估范围大约是值为3.2～60(相称旧国标的～)。图2-2-1实体图1,3千分筒；2-短接管；4镜筒；5物镜组6放大接管对值为0.4～1.6的表面，可用5倍或10倍的放大镜进行目测评估。对于值为0.1～0.4的表面，需用比较显微镜作目测评估。值小于0.1，不宜用比较样块检查。图2-2-1所示为实体显微镜，它结构简朴轻便，比较时把实体显微镜先后放置在比较样块和被检表面上，调整千分筒1和3，使影象清楚，用人眼观测被物镜组5(在镜筒4内)放大了的表面影象进行比较评估。这种显微镜还备有放大接管6，用以提高放大倍率，扩大对比范围。图2-2-3光路图图2-2-2光路图1—表面粗糙度比较样块2,9—物镜；3,8—棱镜1－被检表面；2,7—物镜；3—光源；4—聚光镜4—目镜；5—测微镜；6—象面；7—分光棱镜；5—分光镜；6—目镜；8—比较样块10—被测表面比较显微镜的类型有多种，可评估的值为0.1～10(～)。图2-2-2是一种典型的比较显微镜的光学系统图。光源3发出的光经聚光镜4后形成平行光，再由分光镜5分光，一路光经物镜2到达被检表面1，另一路光经同样的物镜7到达比较样块的表面8。焦距调好后，即可从目镜6中看到两个表面的放大象，从而可评估被检表面的粗糙度是否合格。，图2-2-4是另一种形式的比较显微镜的光路原理图。光线从比较样块1和被检表面10向上反射，分别通过两个相同的物镜2和9、棱镜3和8，再经分光棱镜7反射，使象面6与棱镜7的棱线重合。从目镜4中观测，视场中一半是比较样块表面的放大象，另一半是被检表面的放大象，对比非常方便。仪器有25和50倍两种放大倍率，使用时，不同倍率的物镜可通过转换器很方便地更换。放置比较样块和被测件的两个工作台可以同时升降，并可作横向和纵向的微调。第三章光切显微镜测量表面粗糙度一、测量前的调整测量前，先要调整仪器，使被测表面的微观不平在目镜视场里成清楚象，以便进行测量。(一)选择可换物镜仪器有四对不同倍率的物镜，标称倍率分别为7，14，30和60，可按被测表面的粗糙度参数值的范围来选用。选择时，要先估计被测表面的粗糙度参数值，也可参考被测件图纸上的标注值。如条件允许，可用标准样板与被测件比较一下。若用低倍物镜测值过小的精细表面，则因放大倍数不够，使所得影象几乎成一条直线而没有明显的峰和谷，从而无法测量读数；若用高倍物镜测值太大的粗糙表面，则因物镜成象的深度不够，不能同时得到被测轮廓峰和谷的清楚影象，测量将有较大失真。如出现上述情况，说明物镜选择不妥，应换选倍率较大或较小的物镜。双管式光切显微镜的成对换物镜是分开的，使用时要分别装在两个光管的下方。整体式光切显微镜的成对物镜已安装在物镜板上成为一整体，换装时向下按手柄，即可安装或卸下物镜板，装好后松开手柄，物镜板将被放松时的弹簧力夹紧。物镜板是以其上的燕尾槽插装的，插装时要插入到与前方的定位块靠紧，否则位置不妥。尚有的光切显微镜，几种不同放大倍率的可换物镜都装在仪器的下方，使用更换时只需转过一个位置即可，不需要装卸。(二)安放被测工件一般平面形工件，就放在平面工作台上，圆柱形工件要用V形块，对尺寸较大的被测件，可将仪器横臂转到背面测量。工件的被测表面应与平面工作台台面平行。对圆柱形工件，规定最高位置的素线平行于工作台面。对圆锥形工件的最高位置素线，应设法垫平其斜度，否则会给测量带来误差。安放被测件后，先调焦得出目镜视场的清楚影象，再前后左右移动千作台(即移动工件)，若影象的清楚限度没有变化，则说明被测表面与丁作台面的平行度合乎规定，否则要继续垫平被测表面。此外，被测表面的加丁纹路应与投射在其上的狭缝影象(绿色细亮条)垂直，这一点很重要，但调整很容易。(三)调焦调焦时应先调目镜。调节目镜头上方的滚花环，以适应测量者的视度，直到从目镜视场中看到清楚的分划板刻线为止。然后再调物镜。调整立柱上的螺母使镜架下降到物镜头与被测表面约10mm左右时，即锁紧螺钉，但用力不要过大。再缓慢转动微调手轮，使镜架继续徐缓下降，当下降到物镜头-与被测表面之间的距离接近工作距离时，目镜视场内将出现光亮。再配合调整仪器照明光管上的微调环和微动螺钉，使视场中的亮带变窄并逐渐清楚，反复调整手轮、微调环和螺钉，直到亮带(狭缝及表面轮廓象)最清楚为止。亮带清楚是以一个边沿为准，由于由于仪器成象的因素，要使上下两个边沿都最清楚很困难，对高倍率物镜更是如此。调焦过程中要特别注意，镜架下降时，千万不要让物镜顶端触碰被测工件表面而导致损坏，导致严重事故。特别是对高倍率物镜，标称倍率为60的物镜，其工作距离只有0.04mm。在微调手轮使镜架下降接近被测表面时，不能仅用眼睛注视目镜视场(看是否出现亮带和亮带是否清楚)，同时也要密切观测物镜头是否靠触被测件。整体式光切显微镜调焦比双管式光切显微镜简朴，它只要调整镜架升降，而不需用微调环和微动螺钉(也没有)去调节照明光管的轴向位置和倾角。如下降镜架达不到调焦目的，即视场中的影象不够清楚或亮带位置不在视场中央，可微转平行玻璃板微调小手轮，但在升降镜架可达成调焦规定期，最佳不要调节小手轮。调焦时，如亮带的亮度不一致，可转动照明灯泡，或使灯泡沿照明镜管上下移动，直到整条亮带的亮度一致。二、测量表面粗糙度调焦完毕后，即可进行测量。(一)测量微观不平度十点高度值光切显微镜测量表面粗糙度的重要参数就是，可测的值范围在0.8～80之间。具体的测量环节如下：1.拟定取样长度和评估长度由表1-2-2可知，用标称倍率为60倍和30倍的物镜，取样长度应取0.8mm，14倍物镜取0.8mm或2.5mm，7倍物镜取2．5mm或8mm。在正常加十条件下，千件表面的实际或值，多是略小于图纸上的标注值，因此也可参考图纸标注值选取样长度。实用时，对取样长度并不是严格地去测量有多长，而是估计一个适当的长度，一般情况下，假如视场直径能包含或接近包含一个取样长度，那就在一个视场范围内选择五个最高的轮廓峰和五个最低的轮廓谷来测量。但选用高倍物镜，重要是选60倍的物镜时，取样长度明显大于视场直径，这样测量就不能在一次观测中完毕，而需要沿测量的亮带方向移动工件(也可移动工作台)，在两个视场中连续测五个最高的峰顶和五个最低的谷底。这样操作当然要麻烦些。评估长度一般是连续取五个取样长度，如前所述，也可视被测表面情况取多于或少于五个取样长度。具体测量是在每一取样长度内测算得出一个值，再取平均值作为该评估长内的值。2．测量在视场中被测轮廓影象上拟定五个最大的轮廓峰高和五个最大的轮廓谷深作为测量读数点，峰高和谷深应在垂直于轮廓中线的方向上来测量。要注意五个最大的峰高和五个最大的谷深应在中线上方及下方分别拟定，而不一定是五个起伏高差。测量时，目镜视场中十字线的水平线方向应与轮廓中线平行，轮廓中线的方向可取轮廓亮带的方向。调整时，先转动目镜头，使视场中十字线的水平线与亮线方向平行(位置无严格规定)，调好后锁紧目镜头。再旋转读数鼓轮，使十字线水平线依次与被测轮廓上的五个最大峰高相切，记下五个峰高读数值和，再将十字线依次与五个最大谷深相切，记下五个谷深读数值和。测量时用水平对线方式。按照参数的定义，可求得值为：式中，——按求得的定度值。如视场中亮带的两个轮廓边沿只有一个最清楚，则应测量最清楚的那个边沿(上边沿或下边沿)。在连续个(一般为五个)取样长度(即一个评估长度)上各测得一的值，取平均作为结果。如被测表面的粗糙度很不均匀，应在多个(个)不同部位各取一个评估长度进行测量。再取平均值作为最后结果。如各部位的测量结果相差很大，可再多测几个部位，取平均值作为最后结果，必要时，还可注明不同部位测得的值。生产中，为了保证产品质量，经常采用的最大值作为评估依据，而不取平均值。在连续取多个取样长度时，要移动被测件。此外，当用高倍物镜，其物方视场直径小于取样长度时，如前所述，也要移动被测件，在两个连续的视场里进行测量。这时应注意工件被测轮廓的移动方向要和亮带平行，具体做法是在工作台面上或被测表面上选一标记或作一标记，移动工作台，使该标记移到视场中的一端，并使目镜中的十字线与标记相切，记下测微鼓轮读数。再移动工作台，使标记移到视场中的另一端，再次使十字线与标记相切，记下第二次读数。若两次读数之差不超过测微鼓轮上的五个小格，即可认为已满足平行度规定。如超过五个小格，则应转动工作台(连同被测件)重新调整，直到满足规定为止。(二)测量轮廓算术平均偏差值光切显微镜也可测的值，但操作很麻烦，只是在没有轮廓仪而又非测值不可时偶尔用到。生产单位如没有轮廓仪，可在征得设计者的批准后，将图纸上标注的值，按旧标准的“级”，改为相应的值来测量。1．建立测量坐标一方面调整工作台和被测件，使工作台的运动方向与被测轮廓总的走向(即与加工痕迹垂直的亮带方向)一致，作为横坐标。再转动目镜头，使十字线交叉点的运动方向与亮带垂直，如图3-2-1所示。2．测量在所选定的取样长度内，参考表3-2-1，确图3-2-1视场图定等测量间距的测量点数。表3-2-1测值时测点的选取取样长度测量间距测量点数0.250.82.58.00.010.020.050.2025405040转动目镜头上的测微鼓轮，按垂直对线法，使目镜十字线的交点与被测轮廓影象上的某一点对准记下读数，将工作台移动一距离(用微动螺钉)，再沿垂直方向移动十字线交点，使与被测轮廓上的第二点对准，记下读数，依次测出在整个取样长度上个测点的个读数。3．计算值图3-2-2轮廓图拟定中线位置：设中线至零线的距离为。由图2-1-2可求出。设取样长度内轮廓以下的面积为，则有：故有所取的测点数越多，则由拟定的中线位置越接近算术平均中线。(2)计算轮廓偏距及值：由于测量时目镜中十字线是垂直对线，故仪器的定度值要用，于是有和测值同样，应取平均值作为最后结果。(三)测量其他评估参数1．测量轮廓最大高度值值的测量比较简便，只要在一个取样长度内，测出最大轮廓峰顶和最大轮廓谷底在垂直于中线方向上的距离，再乘以仪器的定度值，即得值。由于值只用于一些特殊表面，如刀边、顶尖等细小表面和圆弧面、球面，所以经常在一个目镜视场内很难得有许多(如五个或更多)清楚的轮廓峰谷影象。因此，当视场直径小于取样长度时，为简便起见，仍可在一个视场内测出值。在连续多个(如五个)取样长度上各测一值，取其中的最大值(不是平均值)作为该评估长度上的值，再在被测表面的多个不同部位测得多个评估长度上的值，取其中的最大值(不是平均值)作为最后结果。2．及值的测量轮廓微观不平度的平均间距及轮廓单峰平均间距都是横向的间距参数。不平度间距的定义是具有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中线长度，而是在取样长度内的平均值。因此，以轮廓与中线的某一交点为第1点，则依次有第l与第3交点为，第3与第5交点为…，在取样长度内的最后一个奇数交点与-2点为第个值。测量时先调整仪器，使目镜十字线交点的运动方向与轮廓中线平行(中线方向可取亮带方向)，再调整十字线交点，使其在视场一端对准被测轮廓与中线的交点(第l交点)。平移十字线交点，使在视场内距第1交点约取样长度的另一端，与轮廓和中线的第个交点(奇数交点)对准，记下移过的距离，于是有：测量轮廓单峰平均间距的方法和测值类似。的定义是在取样长度内，轮廓单峰间距的平均值，而轮廓单峰间距是两相邻轮廓单峰的最高点在中线上的投影长度。先测量在取样长度内第一个单峰的峰顶到最后一个(第个)单峰峰顶平行于中线方向的距离，同时记下在长度内的单峰数目，则有：和在测量时的读数方向和十字线移动方向一致，故仪器定度值应取和值也应在连续多个(一般为五个)取样长度及多个评估长度上测量，并取平均值。3．轮廓支承长度率值的测量用光切显微镜测值的环节如下：(1)仪器调焦完毕后，要调整被测件和工作台的方位，转动工作台的横向千分尺移动工作台及其上的工件时，目镜视场内工件被测轮廓(亮带)的移动方向与轮廓中线(或亮带走向)平行，这是测值的关键。对圆柱形工件，将测件放在工作台的V形块上，即易满足此规定。(2)按前述方法测㈩被测轮廓的值，并将目镜十字线交点，移到距轮廓最高峰顶的垂向距离为水平截距(见图2-1-2)的某一位置。值已按值的一定比例给出。图3-2-3工件表面轮廓形状(3)转动工作台横向千分尺，使工件移过一取样长度的距离。在移动过程中，记下轮廓峰两侧与目镜十字线相交时工作台横向千分尺的读数与，，该轮廓峰的截线长度为：则轮廓支承长度率为：(以百分数表达)由于是以轮廓支承长度与取样长度的比例表达的，又都是用工作台千分尺读数，所以计算时不用考虑仪器的定度值。值也要在连续多个(一般为五个)取样长度上测量取平均值，再在多个评估长度上测量，再次取平均值作为最后结果。用光切显微镜测量表面粗糙度的误差因素很多，其相对测量误差对低倍物镜可控制在10％以内，对高倍物镜可达15％一20％。由于表面粗糙度自身存在较大的随机性，故对测量结果一般不作修正，也不标出极限测量误差或测量不拟定度。测量的误差因素除仪器的制造和装调误差外，对操作者来说，重要是调焦误差和对线瞄准误差。调焦误差使目镜视场中被测轮廓的影象不清楚，它直接影响对线瞄准。因此，测量时要格外小心细致，必要时，可对同一尺寸(如轮廓偏距)反复多次瞄对测量，取平均值作为读数结果。此外，还要定期对目镜千分尺作定度鉴定。第四章光干涉法测量表面粗糙度干涉显微镜以光波干涉原理为基础，用光波波长来度量被测表面微小峰谷的距离，从而得到被测表面的粗糙度数值。第一节微观不平度的光干涉测量原理一、光的干涉现象光是以波的形式传播的。波峰或波谷到平衡位置的距离叫做振幅()。光的能量与振幅的平方成正比。光波每起伏一次所需的时间为周期()，每秒钟起伏的次数为频率()，两者关系为：，光波的周期很小，所以频率很高。两相邻波峰或波谷间功距离为波长()，光的波长很短，可见光的波长约在0.4～0.7之间。频率和波长的乘积就是光速，光的速度约为。在特定条件下，两个(或多个)频率相同、相位一致的光波重叠相遇，将使光的振幅增大，光的强度增强，如两个光波的相位相差相遇，将使光的振幅减小，光的强度减弱，甚至光强接近于零而色暗，这就是光的干涉现象。二、光干涉测微原理光干涉的测微原理可用图4-1-1来说明。在图4-1-1a中，由光源发出的单色光(单色光相干性能好)，通过准直透镜后形成平行光，一部分光再向下穿过平晶到达被测表面，另一部分光从平晶下表面反射回去。平晶是通过超精加工的性能稳定的光学玻璃，可认为上下面都是互相平行的抱负平面。平晶与被测面间有一非常小的角度。若被测面也是抱负平面，则白被测面反射回来的光，再次穿过空气隙，在乎晶下表面的某点与自点的反射光相遇。如图中点处汇合的两列光的光程正好相差半个波长，则产生干涉形成暗点。点垂直于纸面方向的平晶下表面是一条直线，它是一条等光程差线，所以从上面往下看，将看到一条暗黑的直线干涉条纹，干涉条纹又叫干涉带，它反映的是一条等光程差线。图中点比点高半个波长，点又比点高。两列光在点的光程差比点大一个波长(光在角的空气隙里来回各多走半个波长)，点的光程差比点大两个波长，所以两列光在点和点的光程差都是的奇数倍，因此同样产生平行的干涉条纹，条纹的间距与角的大小成反比。在与的中间点，以及与的中间点上，两列光的光程差都是的偶数倍，所以干涉的结果是光强增强，产生亮条纹。我们在仪器目镜视场中看到的干涉场，就是亮暗相间的干涉条纹(见图4-1-1a下方)。如被测表面不是抱负平面，而是有如图4-1-1b那样一个深的V形凹槽，则反映等光程差的干涉条纹就不是平行的直线形状，而是在凹槽处向产生等光程差的方向弯曲，其弯曲量(见图4-1-1b)与凹槽的深度成正比。若槽深等于半个波长，则弯曲量将等于干涉条纹的间距，这是由于通过点反射的光，在处与另一在点反射的光产生干涉的光程差，同在点反射的光在处与另一在点反射的光产生干涉的光程差恰好相等。图中一点与凹槽峰顶在同一平面上，点与凹槽谷底在同一平面上，与的水平距离为。因此有：或：这就是干涉测量的基本计算式。当知道所用光源的波长，再从目镜视场中测出干涉条纹的间距和弯曲量，就可算出与弯曲量相应处的微观不平幅值，这也就是干涉显微镜测量表面粗糙度的基本原理。第二节干涉显微镜干涉显微镜是测量精密表面粗糙度的常用仪器，它可测小于等于0.8的值，相称旧国标～，而光切显微镜只能测大于等于0.8值(～)。以显微干涉原理测量表面粗糙度的仪器，大体可分为三类，其基本型式及各自的工作原理和性能特点见表4-2-1。图4-1-1光干涉测微原理示意图表4-2-1三类显微干涉系统的工作原理和性能特点光路简图工作原理性能特点单物镜的双光干涉系统L—光源；M—分光镜；T—被测件R—干涉参数镜；O—物镜A方向为观测目镜从光源L经透镜发出的平行光束，通过度光镜M分为两束光，一束射向参考镜面R，另一束射至被测试件表面T，两支相干光束反射后汇合后产生干涉，通过物镜O，从观测目镜得到放大了的表面显微干涉图象。要使参考镜面和被测试件表面都调至物镜O的焦平面上，才干获得清楚的干涉图象这类在物镜与物体之间分光的干涉系统，物镜的工作距离必然较大，因而不也许采用高倍率物镜，仪器的总放大倍率一般为60～120倍左右，有的运用补偿物镜结构，可增长到400倍，但显微镜的分辨率并未提高，这类仪器的结构比较简朴，可以在一般低倍率的显微镜下(如万工显)组装置即成光路简图工作原理性能特点双物镜的双光束干涉系统(亦称林尼克型干涉系统)L—光源；S—光阑；为--准直透镜；--物镜；M—分光镜；T—被测件；R—干涉参考镜A方向为观测目镜由光源L通过光阑S和准直透镜发出平行光束，经分光镜M分出的两束光，各自通过光程相等的和两组成对的物镜，射向参考镜面R和被测试件表面T，由R和T反射回来的两支相干光束于目镜焦平面上千涉成象这类在物镜与目镜之间分光的干涉系统，由于物镜的对物工作距离可以很小，因而能采用大数值孔径的高倍率物镜，较适于测量超精加工的光滑表面，但对两组物镜的一致性规定较高，仪器结构较复杂．多光束干涉系统(亦称吐朗柯型显微镜干涉系统)L—光源；S—光阑；M—反射镜O—物镜；R—干涉参考镜T—被测件；A方向为观测目镜光源L经准直透镜发出的平行光，通过]物镜O，并通过兼有分光和干涉作用的]参考镜面R，投射到被测试件T上，并在R与T之间多次反射和折射形成多光束干涉，干涉参考镜片R镀有高反射系数的金属膜(或采用与被测试件反射I系数相匹配的膜层)这类仪器由于在物镜与被测试件之间有干涉参考镜片，因此也不能采用高倍率物镜，仪器的总放大倍率一般为120～150倍左右，物镜的数值孔径最大只有0.3～0.4mm，故分辨率亦有限。多光束干涉能获得比较锋利清楚的干涉条纹，有助于测量对准。但为了获得对比好的干涉条纹，干涉参考镜片要和被没表面相接触，干涉镜片容易磨损，必须经常更换I常见的干涉显微镜有两种形式，我国这两种形式的产品型号分别为6J型和6JA型。第三节干涉显微镜测量前的调整干涉显微镜调整的重要目的，是使目镜视场里呈现反映被测表面微观不平的清楚干涉条纹，以便测量。下面以调整环节较多的6JA型干涉显微镜为主进行介绍。一、干涉条纹调整的重要环节(1)光源通过变压器接通电源，光源灯亮后，使仪器恒温15min左右，对于高精确度测量，恒温时间应更长一些，以使仪器内部温度均匀稳定。调整仪器光源螺钉，使目镜视场照明均匀。转动目镜上方的滚花环，调整目镜视度，使从视场中看到清楚的分划板刻线。(2)转动手柄，使遮光板移出光路，反光镜也向下移开。然后旋转手轮，使目镜视场下方的弓形直边清楚(见图4-3-1a)，此时标准反射镜已处在对的的调焦位置。弓形直边是仪器视场光阑平面上一个很小的刀口象，刀口的作用就是为了使标准反射镜能准确调焦。(3)将已擦拭干净的工件被测表面放置在工作台的中央位置，使之处在物镜的上方。转过遮光板手柄，挡住投向标准反射镜的光束。然后转动工作台下方的滚花环，直到从目镜视场中看到最清楚的被测表面象(加工痕迹)。这时被测表面也已处在对的的调焦位置。a)目镜视场b)孔径光阑(4)再次转动手柄，使遮光板移出光路。取下目镜图4-3-1头，如直接从目镜管中看到两个相近的灯丝象，则转1一弓形直边；2一灯丝象动滚花轮，使孔径光阑开到最大，这样亮度大便于观测。再转动手轮，使两个灯丝象完全重合。调整螺钉，使灯丝象位于孔径光阑的中央位置，如图4-3-1b所示。与此同时，还要调整光源灯泡沿轴向的前后位置，使灯丝与孔径光阑成的象在同一平面上，两者间应无明显视差。灯丝轴向位置与干涉条纹的清楚度有较大影响，调整时还可移去被测件，通过物镜看灯丝象，进行调整，直到使灯丝象达成最清楚。为防止白光刺眼，妨碍观测，应推人单色滤光片。此外，还应调整孔径光阑的大小，以求得到最佳的对比度。(5)装上目镜头并锁紧，这时在目镜视场中应能看到干涉条纹。如仍看不到干涉条纹或条纹不够清楚，可继续微调以上各环节，直至呈现最清楚的对比度良好的干涉条纹为止。(6)转动工作台，使被测表面上的加工痕迹方向与干涉条纹的方向垂直，再转动测微目镜，使视场中的十字线的任一条与干涉条纹平行后，即可开始测量。二、其他几个问题(一)仪器光源颜色的选用干涉显微镜可用白光工作，也可加滤光片用绿色光或橙色光工作。单色光的波长数值比较精确稳定，特别是绿光比较适应人眼观测，故在调整干涉条纹及作高精确度测量时，尽量用绿色光。照相时可用橙色光。单色光的波长，应使用鉴定书上给出的鉴定值(说明书上只给出公称值及允差)，以提高测量精确度。白光在目镜视场中有一条明显的黑色(零级)干涉带和一条基本上是黑色的干涉带(两侧为彩色条纹)，它便于观测辨认，故在目测法中，常采用白光。白光波长可取0.6。若被测表面上有微小台阶，台阶的高度又超过一个干涉条纹间隔，则单色光不能显示出台阶的高度(找不到起始点)。这时可采用白光，先调出明显的黑色干涉带，用读数刻线定出因台阶高差使干涉条纹错移的位置，然后再用单色光来数出干涉条纹的间隔数，则台阶的微小高度即可测算出来。(二)狭缝目镜头的使用6JA型干涉显微镜备有狭缝目镜头附件，以用于加工痕迹混乱的表面的测量，这种表面通常是用研磨、抛光等方法加工的，由它产生的干涉条纹很不规则，用普通目镜头测量比较困难。狭缝目镜用白色光源，其使用方法如下：(1)按前述方法调整出干涉条纹，并将条纹调到最宽，即在整个目镜视场中只有一条干涉条纹(均匀一片)或将干涉条纹调至宽度约1mm(在目镜分划板上两条纹的中心距离)，并呈水平方向。取下普通目镜头，换上狭缝目镜头。(2)转动狭缝目镜的镜管2(见图4-3-2)，使从狭缝目镜中能看到最长的光带。(3)转动手轮3，使光带具有最大宽度。这时可在视场中的彩色区内看到黑色条纹。图4-3-2目镜头(4)微调仪器的手轮，使黑色条纹具有最佳的对比度和所需要1—镜身；2—镜管的宽度。这时的黑色条纹方向应与光带方向平行。3—手轮(5)狭缝目镜没有读数装置，只能用目测估读法估测黑色条纹的弯曲量。估测时要注意黑色条纹所在的光谱段(目镜中有色散棱镜)，如位于红光范围内，波长值可取0.77；如在绿光范围内，取0.53。被测表面的微观不平的计算式如下：式中：——干涉条纹的宽度；——干涉条纹的弯曲量。(三)标准反光镜反射率的选用6JA型干涉显微镜中的标准反光镜有两种反射率——60％和4％，各占一半镜面。反光镜与光轴有一偏心，转动转换环，可使两种不同反射率的镜面分别进入光路。一般情况下，用高反射率(60%)的镜面。但当被测表面的反射率很低时，应换用低反射率(4％)的镜面。当杂光影响较大时，低反射率镜面有时成象不清楚，这时，应比较两者的效果再决定选用哪一种镜面。6J型干涉显微镜的调整使用，可结合仪器的光学系统和机械结构参照6JA型仪器进行调整。6J型仪器的干涉条纹微调机构(干涉头)出厂前已调整好，用户不必自行调整，使用时只需对干涉条纹的方向和宽度作适当调整即可，故操作简便。但如仪器因受震等因素调不出干涉带，则要调修干涉头，它规定较高的纯熟技术，一般情况下不宜随便调整。(四)干涉显微镜的横向分辨能力根据显微镜成象理论，在显微镜中可以分辨出横向两点或两线间的最小距离，取决于物镜数值孔径和光源波长，即：干涉显微镜重要用来测量精细加工表面的粗糙度。一般，超精加工表面的微观不平度间距为几微米至几十微米，其轮廓槽形的开口角多为以上，甚至大于，其槽底圆弧,半径为零点几微米至几十、几百微米。当采用不同数值孔径的物镜时，所获得的反映表面轮廓形状的干涉条纹图形会有所变化，致使微观不平度高度的测量结果各异，如图3-3-3所示的表面轮廓的一个沟槽，在槽底的宽度等于处，的两点被视为一点相重合，实际测得槽深为，而不是，因受横向分辨力的限制，不可测值为：精细加工表面纹路密集，峰谷相连，峰顶处如同谷底也存在类似状况，所以槽深的不可测值加倍；即：总=(五)干涉显微镜的检定干涉显微镜的检定可按JJG77—83《干涉显微镜检定规程》进行，所用标准是单刻线样板，重要检定项目是示值误差，检定方法见检定规程。第四节干涉显微镜测量表面粗糙度干涉显微镜测量粗糙度的参数值和光切显微镜同样，重要也是测量微观不平度十点高度，并且所用目镜头是同一类型，测量方法也基本相同。不同的只是光切显微镜是测表面微观不平的放大象，而干涉显微镜是测直接反映表面微观不平的干涉条纹。测量前，先将被测干涉带调整清楚，并位于视场中央位置。6JA型干涉显微镜的视场为0.25mm(6J型为0.32mm)，当≥0.025～0.5时，取样长度为0.08～0.25mm，故可在一个视场内测量，当≥0.5～0.8，取样长度为0.8mm，就需要移动工作台(移动被测件)，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上，对准干涉带宽的正中间(见图4-4-4)，读取读数。再移动基线对准另一条干涉带波峰的正中间，读取读数即为干涉带间隔宽度。为了提高测量精确度，应移过多条(如3～4条)干涉带，再读取第二个读数，反复测量多次，取平均值，再除以移过的干涉带数，作为宽度值。这样解决，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，读取读数即为干涉带的弯曲量。目镜千分尺的读数方向与实测方向成，故读数值比应有的实测值大倍，但最后计算值用到，分子分母都大了倍，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。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，则有：式中：—干涉带间隔宽度；—所用光源的波长值，单色光取其鉴定值。在评估长度内连续测多次值之后，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估长度进行测量，再取各评估长度的值的平均值作为评估被测表面粗糙度的最后结果。生产中也经常采用的最大值作为评估依据。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值或值的范围，再乘以半波长值()，可用表4-4-2来评估值。表4-4-2值评估值(用绿光)干涉带弯曲率～～～～值~～~～~～~～旧国际级别至于其他粗糙度参数等的测量，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。第五章针描法测量表面粗糙度针描法测量表面粗糙度是运用触针式轮廓仪测量表面粗糙度。这种方法操作简朴，准确度高，测量速度快，是被广泛应用的一种方法。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，再经一系列电路解决，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。二、特点按针描法用轮廓仪测量表面粗糙度有以下特点：(1)合用于测量值为0.02～5(相称旧国标的～)，硬度不低于HRC20的表面，即可测生产中绝大多数工件的加工表面。值小于0.02的高光洁表面，由于触针针尖半径有一定大小(按国家标准规定为2，5或10)，不能反映出表面上过小的微观不平；值大于5的表面比较粗糙，容易使性脆而贵重的金刚石触针折损。(2)可测多种形式的内外表面和形状复杂的曲面，涉及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)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，也有车间合用的便携式轮廓仪。(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解决数据，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重要的是值，国家标准也是推荐为优先使用的参数。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，重要可分为电感式、压电式、光电式和感应式等几种。英国兰克·泰勒一哈布逊(PankTaylor-Habson)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5-1-1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，线圈接入测量电桥，线圈电感量变化输出电信号输出信号与触针移动成比例，直接反映被测表面微观不平；精确度高，信号噪音比较大；能带记录器及计算机，应用最广泛仪器只在电桥平衡点附近工作，触针相对被测表面的位置要精确调整电路比较复杂，测曲面困难感应式触针上下移动时带动线圈(或衔铁)在磁场中运动，产生与触针上下移动速度成正比的信号，经电路积分，得出正比于触针上下移动的电信号输出信号与触针所处的位置基本无关，使用时不用精调触针位置；结构及电路均较简朴，多用于车间。触针在被测表面上移动速度慢时，输出信号极小，灵敏度很低；较高的触针运动速度又会使记录器的记录笔跟不上，故不便带记录器；此外触针运动速度高时，易划伤被测表面，仪器的测量精确度不高，故近年此种仪已很少生产压电式触针上下移动使电晶体变形，在晶体表面产生与触针位移成正比的电信号结构较简朴，体积小，电路也简朴，因用硅油作粘滞传动，使用时不必精调触针位置，合用于车间的测量压电晶体性脆易坏，因用液态传动，对变化缓慢的信号不能反映，不能带记录器，精确度不如电感式轮廓仪光电式触针上下移动通过测杆带动一通光槽板也上下移动，以改变上下两光电池的光通量，光通量不平衡，即输出与触针上下移动成正比的电信号信号反映速度快，电路较简朴，测量精确度较高，能带记录器及计算装置易受杂光干扰，要有可靠的屏蔽，使用时触针位置要精确调整，仪器的调整操作较麻烦上述各种类型的轮廓仪，以电感式应用最为广泛，其典型产品有我国的BCJ-2型轮廓仪、2222型便携式多参数轮廓仪和英国泰勒塞夫型轮廓仪等。四、触针和测量力触针针尖的尺寸和形状是影响获取表面轮廓信息是否真实的首要因素，一定尺寸的触针在描绘轮廓时影响测量准确度的因素有三种情况：①针尖不能探人谷内；②尖峰反映成圆滑形状；③凹腔的里角处探测不到。触针尖端半径尺寸愈大，触针扫描的轮廓轨迹的起伏就愈小，假如实际轮廓凹谷处的曲率半径小于针尖半径或沟槽较深、较窄时，则针尖圆心的轨迹在这里便形成一个尖端，测得值小于实际值，而在尖峰处扫描的轨迹呈圆弧形，其曲率半径是实际轮廓曲线的曲率半径和针尖半径之和。对于正常的表面，针尖半径与其引入值的误差可以预计。图5-1-l给出了这种误差的近似关系曲线，重要合用于规则的轮廓，其三角形谷底的角度为150。对于其他类型的表面，也能指出大体会产生的误差大小。由图可见，即使触针尖端半径约为值的20倍时，值的测量误差也不显著(约为8％)。测头尖端半径所产生的误差图5-1-1不同测头尖端半径所产生的误差(在一规定的表面上)在轮廓法触针式表面粗糙度测量仪国家标准(GB6062—85)中，对触针角度和针尖半径的公称值及其极限偏差作出了规定，如表5-1-2和5-1-3所示。表5-1-2触针角度公称值及其极限偏差触针半径公称值1.05(60)1.57(90)触针半径极限偏差＋0.18(＋10)－0.09(－5)＋0.09(＋5)－0.18(－10)表5-1-3针尖半径公称值及其极限偏差触针角度公称值2510触针角度极限偏差针描实际轮廓的真实性，不仅和触针尖端的半径和形状以及被测表面轮廓的槽形有关，并且和触针的测量力、传感器的移动速度以及表面的硬度等有关。为使所用仪器能适应于测量较深的凹坑和较小的沟槽间距，并保持一定的移动速度等因素，必须给触针施加一定的测量力，以保证触针与被测表面始终保持接触。但由于触针很尖，若测量力太大，使表面接触应力过大，会划伤表面或产生接触变形。为此，在国家标准GB6062--85中，对触针测量力及其变化率均有规定，如表5-1-4所示。表5-1-4触针测量力及其变化率触针针尖半径公称值2510触针在中间位置上静态测量力的最大值0.0007(～0.07)0.004(～0.4)0.016(～1.6)测量力变化率的最大值35(～0.0035)200(～0.020)800(～