表面粗糙度的測量方法及參數(shù)的正確應(yīng)用

王昕歌/上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

隨著機(jī)械加工行業(yè)的不斷發(fā)展，表面粗糙度測量技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步，它在機(jī)械、電子、光學(xué)等精密加工行業(yè)中的地位也顯得越發(fā)重要。表面粗糙度是指加工表面上具有較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特征，其產(chǎn)生是由于在加工過程中，刀具與制件表面之間的摩擦、切削或壓制時(shí)產(chǎn)生塑性變形，以及工藝系統(tǒng)中高頻振動等因素的作用，使被加工表面產(chǎn)生微觀幾何變形。表面粗糙度是評定零件表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，它對零件的摩擦因數(shù)、密封性、耐磨性、抗腐蝕性、疲勞強(qiáng)度、接觸剛度、配合性質(zhì)以及導(dǎo)熱導(dǎo)電性能等均有影響。所以合理控制表面粗糙度對提高產(chǎn)品性能至關(guān)重要。

1 測量方法

目前，常用的表面粗糙度測量方法有比較法、針描法、光切法、光干涉法。此外還有印模法、氣動法、電容法、光纖法、光反射法、全息干涉法、激光光斑法、掃描電鏡法、光外差干涉法、光觸針測量法、計(jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)以及各種模式的識別方法。本文只對最常用的四種粗糙度測量方法進(jìn)行介紹。

1.1 比較法

比較法是現(xiàn)場常用的最簡便易行的方法，它是將被測表面與表面粗糙度比較樣塊進(jìn)行比較，用肉眼判斷或借助于放大鏡、比較顯微鏡放大后進(jìn)行比較；也可用手摸、指甲劃動的感覺來判斷被測表面的粗糙度。比較法一般只用于粗糙度參數(shù)值較大時(shí)的近似評定。一般說來Ra ＞ 2.5 μm的加工表面可直接目測與比較樣塊進(jìn)行比較。當(dāng)目測不易判別時(shí)，可用手指甲以適當(dāng)速度分別沿比較樣塊和被測表面劃過，憑主觀觸覺進(jìn)行判斷。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)表面微觀不平度間距在0.1 mm左右時(shí)，手指的移動速度以25 mm/s為宜。當(dāng)Ra值在0.4～2.5 μm范圍時(shí)可采用5～10倍放大鏡進(jìn)行觀察比較。當(dāng)Ra值在0.1～0.4 μm范圍時(shí)，可用比較顯微鏡（放大25～50倍）進(jìn)行觀察比較。當(dāng)Ra值小于0.1 μm時(shí)，不適合采用比較法判定。

1.2 光切法

光切法是采用光切顯微鏡對表面粗糙度進(jìn)行測量的方法。它采用了光切原理，屬于非接觸測量。適用的粗糙度參數(shù)主要為Rz。對于其他參數(shù)的測量繁瑣復(fù)雜且示值誤差較大。儀器受總放大倍率和物鏡的數(shù)值孔徑限制了測量范圍，測量范圍為0.8～80 μm。超出測量范圍便無法清晰成像。該方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，易操作。

1.3 光干涉法

光干涉法中常用的是采用干涉顯微鏡進(jìn)行測量。顯微干涉法屬于非接觸測量，它要求被測表面有一定的反射率。適用于超精細(xì)加工表面。測量的主要參數(shù)是Rz。測量范圍為0.1～1.0 μm。最常用的是6JA型干涉顯微鏡。采用干涉顯微鏡測量時(shí)難度較高，它是利用光波波長作為尺寸來衡量工件表面的平面深度。為了在較短的時(shí)間內(nèi)調(diào)出條紋，在所有準(zhǔn)備工作完成的前提下，先要在目鏡視場中調(diào)出清晰的弓形圖象，接著是調(diào)焦，調(diào)到能看到清晰工件表面圖象，注意工件的紋理要垂直光波。再接下來是利用儀器上的一手柄以很慢的速度來回轉(zhuǎn)動手輪，得到清晰的五彩繽紛的干涉條紋，如果工件稍動一下，圖象沒有了，這時(shí)只要細(xì)調(diào)焦距即可解決。

1.4 針描法

針描法又稱觸針法。它是利用觸針式表面粗糙度測量儀進(jìn)行測量。是用一種特殊觸針(多為金剛石觸針)以一定的速度沿著被測工件表面移動，由于表面的微觀不平引起觸針的上下運(yùn)動，把觸針移動的變量經(jīng)過機(jī)械的、光學(xué)的或者電學(xué)的轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)放大、運(yùn)算，得到被測表面的粗糙度評定參數(shù)數(shù)值的一種檢測方法。觸針式表面粗糙度測量方法在機(jī)械零件測試中的應(yīng)用十分廣泛。理論上當(dāng)針尖半徑為零時(shí)所測輪廓為實(shí)際輪廓，所以針尖半徑越小越好，但針尖半徑過小又會劃傷被測表面，因此不適用于超高精表面的測量。

目前，在眾多測量表面粗糙度的方法中，盡管觸針式表面粗糙度測量儀有產(chǎn)生劃痕、掃描速度低、測量區(qū)域有限等缺點(diǎn)，但它仍是最常用、最方便、最可靠的表面粗糙度測量方法，并且一直是各國國家標(biāo)準(zhǔn)及國際標(biāo)準(zhǔn)制定的依據(jù)。

了解了表面粗糙度測量的常用方法，在實(shí)際應(yīng)用中我們便可以根據(jù)實(shí)際情況來選擇能夠滿足測量要求的最佳測量方法。

2 參數(shù)

在許多情況下，機(jī)械零件的表面粗糙度情況是非常復(fù)雜的，單純用一個(gè)表面粗糙度參數(shù)來表征很難說明表面粗糙度的真實(shí)情況。一些結(jié)構(gòu)完全不同的表面，它們的表面粗糙度值很可能是相同的。因此，如何正確理解和應(yīng)用表面粗糙度參數(shù)顯得尤為重要。

從表面粗糙度的概念來看，粗糙度存在于兩個(gè)基本平面上。當(dāng)用某種高度來表征時(shí)，粗糙度存在于同表面垂直的面上，即粗糙度的高度特征；當(dāng)用某種波長來表征時(shí)，它又存在于該表面上，即粗糙度的橫向間距特征。

根據(jù)GB/T1031-2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）表面結(jié)構(gòu)輪廓法表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》中的規(guī)定，表面粗糙度參數(shù)從下列兩項(xiàng)中選取：

（1）輪廓的算術(shù)平均偏差Ra

參數(shù)Ra是在取樣長度內(nèi)，輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值，它的統(tǒng)計(jì)意義是一階原點(diǎn)的絕對矩，在一定程度上反映了輪廓高度相對中線的離散程度。Ra值的大小能客觀地反映被測表面微觀幾何特性，Ra越小，說明被測表面微小峰谷的幅度越小，表面越光滑；反之，說明被測表面越粗糙。

（2）輪廓的最大高度Rz

參數(shù)Rz是指在一個(gè)取樣長度內(nèi)，最大輪廓峰高與最大輪廓谷深之和的高度。

注意：在GB/T 3505-1983中，Rz符號曾用于指示“不平度的十點(diǎn)高度”。目前，在使用中的一些表面粗糙度測量儀器大多是測量以前的Rz參數(shù)。因此，當(dāng)采用現(xiàn)行的技術(shù)文件和圖樣時(shí)必須小心慎重，因?yàn)橛貌煌愋偷膬x器按不同的規(guī)定計(jì)算所得結(jié)果之間的差別并不都是非常微小而可忽略的。

在幅度參數(shù)（峰和谷）常用的參數(shù)值范圍內(nèi)（Ra 為 0.025～ 6.3 μm，Rz為 0.1～25 μm)推薦優(yōu)先選用Ra。對于極光滑和粗糙的表面可采用Rz作為評定參數(shù)。

表面粗糙度輪廓幅度參數(shù)極限值的選擇原則是：在滿足零件表面功能要求的前提下，盡量選取較大的參數(shù)值。

根據(jù)表面功能的需要，除表面粗糙度參數(shù)Ra和Rz外，還可選用下列的附加參數(shù)：

（1）輪廓單元的平均寬度Rsm

一個(gè)輪廓峰與相鄰輪廓谷的組合叫做輪廓單元，在一個(gè)取樣長度范圍內(nèi)，中線與各個(gè)輪廓單元相交線段的寬度（輪廓的寬度Xsi）的平均值為Rsm，即

Rsm屬于附加評定參數(shù)，只能與Ra或Rz同時(shí)選用，不能獨(dú)立采用。

（2）輪廓的支承長度率Rmr(c)

輪廓的支承長度率Rmr(c)是指在給定水平位置c上輪廓的實(shí)體材料長度M1(c)與評定長度的比率。在水平位置c上輪廓的實(shí)體材料長度M1(c)是指在一個(gè)給定水平位置c上用一條平行于x軸的線與輪廓單元相截所獲得的各段截線長度之和。即

輪廓的支承長度率Rmr(c)依據(jù)評定長度而不是在取樣長度上來定義，因?yàn)檫@樣可以提供更穩(wěn)定的參數(shù)。 輪廓的水平位置c可用微米或輪廓最大高度Rz的百分?jǐn)?shù)表示。支承長度率Rmr(c)是水平位置c的函數(shù)，其關(guān)系曲線稱為支承比率曲線。

以上4個(gè)參數(shù)，評定輪廓的算術(shù)平均偏差Ra和輪廓的最大高度Rz是幅度參數(shù)，是標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定必須標(biāo)注的參數(shù)，稱為基本參數(shù)；輪廓單元的平均寬度Rsm和輪廓的支承長度率Rmr(c)稱為幅度參數(shù)的附加參數(shù)。其中，前者是反映間距特性的參數(shù)，后者是反映形狀特性的參數(shù)。附加參數(shù)不能單獨(dú)在圖樣上注出，只能作為幅度參數(shù)的輔助參數(shù)注出。

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[4]全國產(chǎn)品尺寸和幾何技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. GB/T 1031-2009 [S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.