表面粗糙度測量技術(shù)與方法研究

朱祥山

（上海ABB 工程有限公司,上海 200000）

近年來，我國在表面粗糙度方面的研究集中在測量技術(shù)與方法的完善與創(chuàng)新上，并且取得了不錯的進(jìn)展，對我國的工件制造起到了關(guān)鍵作用，推動了我國制造企業(yè)的良好發(fā)展。

1 表面粗糙度測量理論與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 表面粗糙度測量理論

表面粗糙度又被稱為表面光潔度，是用來評價工件表面制造質(zhì)量的重要指標(biāo)。在表面粗糙度研究方面，來自俄國的學(xué)者切比雪夫是世界上首位對此進(jìn)行全面系統(tǒng)研究的人，并且在1874 開創(chuàng)性地將計算工件表面粗糙度的最大公式應(yīng)用在圓柱銑中。在其研究理論的基礎(chǔ)上，從20 世紀(jì)30 年代末開始，西方發(fā)達(dá)國家諸如美國、德國、英國等，一些學(xué)者也開始了對表面粗糙度的研究，先后發(fā)表了多篇關(guān)于表面粗糙度測量與表面粗糙度對工件使用性能影響的文章，形成了大量的表面粗糙度測量理論。一些專家還設(shè)計并制造了輪廓記錄儀、光切式顯微鏡以及干涉顯微鏡等，用來對工件表面粗糙度進(jìn)行測量，從此進(jìn)入了表面粗糙度測量技術(shù)研究與發(fā)展階段。

1.2 表面粗糙度的測量技術(shù)與方法

隨著對表面粗糙度測量理論的研究與發(fā)展，國際上使用的表面粗糙度測量技術(shù)與方法也得到了不斷的發(fā)展與創(chuàng)新，其測量的主要方法已經(jīng)從傳統(tǒng)的目測觀察法向現(xiàn)代數(shù)值表現(xiàn)形式方向轉(zhuǎn)變。目前廣泛使用的表面粗糙度測量技術(shù)與方法主要有比較法、觸針法、光切法以及激光散斑法等。

2 表面粗糙度測量技術(shù)與方法介紹

2.1 常規(guī)目測比較法

在對工件表面粗糙度進(jìn)行測量時，操作過程最簡單、設(shè)備最輕便的就是常規(guī)的目測比較法，這種測量方法經(jīng)常被應(yīng)用于生產(chǎn)制造車間現(xiàn)場的測量環(huán)節(jié)，測量的程度比較寬泛，一般被用來測量中等或者較粗糙的工件表面粗糙度，實際操作方法為將待測量工件與標(biāo)有一定粗糙度數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行對比，以此確定被測工件表面粗糙度的數(shù)值，在具體粗糙度對比過程中，如果工件表面粗糙度大于1.6μm 時可以直接通過肉眼進(jìn)行對比；如果工件表面粗糙度在1.6 ～0.4μm范圍內(nèi)時，要使用放大鏡對其進(jìn)行對比；當(dāng)工件表面粗糙度小于0.4μm 時要使用顯微鏡進(jìn)行對比。在選擇對比標(biāo)準(zhǔn)件時，標(biāo)準(zhǔn)件的加工工藝、工件紋理、刀具行走方向以及工件材質(zhì)都要與被測工件保持一致，從而保證其表面粗糙度的測量準(zhǔn)確性。

2.2 觸針法

觸針法測量工件表面粗糙度是利用針尖曲率半徑為2 微米左右的金剛石觸針，在被測工件表面均勻緩慢的滑動，觸針在被測工件表面運(yùn)動過程中會出現(xiàn)上下位移量，并由電學(xué)式長度傳感器將其位移量轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號放大、過濾、計算后將實際表面粗糙度數(shù)值顯示在儀表顯示器上，完成表面粗糙度的測量工作，被測工件的表面粗糙度輪廓曲線可由記錄器進(jìn)行記錄。目前，觸針法是儀器比較穩(wěn)定、測量數(shù)值比較準(zhǔn)確、操作比較便捷的表面粗糙度測量方法，國內(nèi)外現(xiàn)有的觸針法測量儀器多達(dá)20 多種，型號種類繁多。一般情況下，只能顯示工件表面粗糙度數(shù)值的儀器被稱為表面粗糙度測量儀，而在現(xiàn)實表面粗糙度數(shù)值的同時還能記錄工件表面輪廓曲線的儀器被稱為表面粗糙度輪廓儀，兩種不同功能的表面粗糙度測量儀器都具備電子計算機(jī)或者電子計算電力，實現(xiàn)對工件表面輪廓算術(shù)平均值偏差Ra（表面粗糙度）、Ry（輪廓最大高度）與Rz（微觀不平度十點高度）的計算。

圖1 表面粗糙度測量觸針法應(yīng)用示意圖

2.3 光切法

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)的目測法與觸針法在測量方面的缺陷，一些學(xué)生經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，以光學(xué)效應(yīng)作為基礎(chǔ)，利用光學(xué)對工件表面的粗糙度進(jìn)行測量是可行的，而且測量方法準(zhǔn)確、有效，可應(yīng)用在Ry 與Rz）參數(shù)測量上，測量范圍在0.5 ～50μm。光切法的主要測量儀器是反射式裝置，測量過程為首先由測量儀器發(fā)出激光射線，然后通過系統(tǒng)以平行或者是發(fā)散的形式照射到被測工件表面，最后被測工件表面將反射的激光反饋給光學(xué)傳感器，反射激光內(nèi)所包含的能夠反映被測工件表面粗糙度的有效光學(xué)信息會被測量儀器多接收并對其進(jìn)行整理、轉(zhuǎn)化、記錄，從而測量出工件表面的粗糙度數(shù)值。光切法中比較常用的是微小探針掃描法，其測量原理是利用光路的放大來檢測工件表面的微小變化，它先是通過微控制器在彈片上產(chǎn)生一個固定共振頻率，然后由彈片帶動微小探針振動，此時由電機(jī)在X 軸與Y 軸方向上帶動被測工件進(jìn)行定向移動，使得被測工件的表面出現(xiàn)起伏變化，探針的振動頻率變化的同時將改變探針的振動幅度，從而利用線陣CCD（電荷耦合器件）將其檢測出來，并由微控制器將檢測結(jié)構(gòu)輸送到電腦端，經(jīng)MATLAB 軟件處理形成仿真圖形，顯示出微觀層面的三維圖像，以此計算工件表面的粗糙度。

圖2 表面粗糙度測量光切法應(yīng)用示意圖

2.4 激光散斑法

激光散斑法與光切法一樣，都屬于非接觸式的表面粗糙度測量方法，它不會對被測工件的表面輪廓進(jìn)行直接測量，而是通過測量光線的散射強(qiáng)度與空間分布，再根據(jù)理論模型反推演示出工件表面粗糙度的具體數(shù)值。激光散斑法是將相干光或者部分相干光照射在工件待測表面，然后經(jīng)過散射后在空間內(nèi)形成特定的光斑分布，最后在對散斑進(jìn)行統(tǒng)計從而計算出工件表面的粗糙度數(shù)值，是一種典型的光學(xué)測量法。由于被測工件表面的粗糙度不同，所以當(dāng)相干光照射在工件表面不同位置時會形成不一樣的干涉，從而在空間內(nèi)形成粒狀的散斑，散斑其實就是工件粗糙表面相干光反射的結(jié)果，由散射光帶與反射散斑共同組成散斑圖案。散斑的亮度分布、對比度等均與工件表面的粗糙度有直接關(guān)聯(lián)。

2.5 光學(xué)探針法

光學(xué)探針法的操作過程與觸針法類似，只是用聚焦光束取代了金剛石針頭，從而將接觸式測量變成非接觸式測量，光學(xué)探針法的測量范圍要比其他測量方法大，其不僅能夠測量工件局部表面的粗糙度，而且能夠精準(zhǔn)地測量1mm 范圍內(nèi)的工件表面的形狀變化，能夠發(fā)現(xiàn)工件表面的微小缺陷，光學(xué)探針法一般使用在一些需要精準(zhǔn)測量的工件上。

通過對測量方法的總結(jié)與分析，可以得出結(jié)論，采用微小觸針法測量工件表面粗糙度具有較高的性價比，并且測量精度能夠滿足大多數(shù)工件的測量要求，具有較高的推廣性，應(yīng)該得到更廣泛的使用。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著工業(yè)對高精度儀器的需求增長，對高質(zhì)量的工件要求也逐漸提高，所以工件表面粗糙度的測量工作變得尤為重要，這就要求我們逐漸加大在表面粗糙度測量技術(shù)與方法方面的研究力度，推動測量技術(shù)與方法的變革與創(chuàng)新，提高測量精確度，為表面粗糙度測量帶來有效的幫助。