第二节 表面粗糙度的测量方法

m
为什么C前乘2
Sm =2C
∑ (e
i =1
m
i +1
− ei ) / m
用光切法测量Ra Ra值 （5）用光切法测量Ra值 因测量与计算都很麻烦，故很少应用。 因测量与计算都很麻烦，故很少应用。
4．仪器的测量误差和示值相对误差的检定 （1）测量误差的主要因素有：瞄准误差、测微目镜制造误 测量误差的主要因素有：瞄准误差、 差、估读误差、 定度用标准尺误差、被测工件定位误差、 估读误差、 定度用标准尺误差、被测工件定位误差、 仪器使用调整误差等。 仪器使用调整误差等。 （2）仪器示值误差的检定：根据国家计量检定规程，仅检 仪器示值误差的检定：根据国家计量检定规程， 误差是否在要求的范围内， 定其示值相对 误差是否在要求的范围内，测量范围不同 （既物镜不同），要求不同。 既物镜不同），要求不同。 ），要求不同 （3）仪器示值相对误差的检定是用受检定的光切显微镜去 实测已知其刻线深度的单刻线样板（也可用阶梯量块代替）， 实测已知其刻线深度的单刻线样板（也可用阶梯量块代替）， 则该仪器示值的相对误差为: 则该仪器示值的相对误差为:
§4—2 2 表面粗糙度的测量方法
主要内容： 主要内容：
1、光切法量表面粗糙度 2、干涉显微镜测量表面粗糙度 3、触针法测量表面粗糙度 电感轮廓仪 激光干涉式轮廓仪 压电式轮廓仪 重点： 重点：光切显微镜的原理和定度
任务：表面粗糙度的测量 任务：表面粗糙度的测量
测量对象和被测量
问题1 工件特点？ 问题1：工件特点？ 大小、轻重、材料） （大小、轻重、材料） 问题2 测哪里的粗糙度？ 问题2：测哪里的粗糙度？ 外表面；平面、柱面、球面、齿面、牙型面） （内、外表面；平面、柱面、球面、齿面、牙型面） 问题3 测量有什么特点？ 问题3：测量有什么特点？ 问题4 与长度、角度测量有何不同？ 问题4：与长度、角度测量有何不同？
１．与表面粗糙度标准样板比较的方法
表面粗糙度样板： 表面粗糙度样板：按各种加工方法做成的不同几何形状的 一套标准表面样块，用来与被测的表面 相比较。
表面粗糙度样板
测量方法： 测量方法： 目测法：Ra值2.5-80µ 的表面； 目测法：Ra值2.5-80µm的表面； 用5～10倍放大镜比较：Ra值0.32-2.5µm的表面； 10倍放大镜比较：Ra值0.32-2.5µ 的表面； 倍放大镜比较 用比较显微镜：Ra值0.08-10µ 的表面。 用比较显微镜：Ra值0.08-10µm的表面。 触觉比较法：被加工表面Ra值0.63-10µ 触觉比较法：被加工表面Ra值0.63-10µm。 Ra 注意点：样板与被测件的加工方法、材料、形状都相同。 注意点：样板与被测件的加工方法、材料、形状都相同。 适用范围：工厂比较常用，尤其是车间检验中常用。 适用范围：工厂比较常用，尤其是车间检验中常用。一般 只用于粗糙度评定参数值较大的情况下， 只用于粗糙度评定参数值较大的情况下，其判断的准确性 很大程度上取决于检验人员的经验， 很大程度上取决于检验人员的经验，当有争议时可用仪器 进行测量。 进行测量。
6JA干涉显微镜 干涉显微镜 测量光路见图4-12。 测量光路见图 。
图4-12 干涉显微镜光路
四、触针法测量表面粗糙度
1．触针法的测量原理 触针法又称针描法，它是一种接触式测量方法， 触针法又称针描法，它是一种接触式测量方法，是利用仪器 的测针与被测表面相接触， 的测针与被测表面相接触，并使测针沿其表面轻轻划过以测 量表面粗糙度的一种测量法。 量表面粗糙度的一种测量法。 将一个很尖的触针（半径可以做到微米量级的金钢石针尖） 将一个很尖的触针（半径可以做到微米量级的金钢石针尖） 垂直安置在被测表面上作横向移动，由于工作表面粗糙不平， 垂直安置在被测表面上作横向移动，由于工作表面粗糙不平， 因而触针将随着被测表面轮廓形状作垂直起伏运动。 因而触针将随着被测表面轮廓形状作垂直起伏运动。将这种 微小位移通过电路转换成电信号并加以放大和运算处理， 微小位移通过电路转换成电信号并加以放大和运算处理，即 可得到工件表面粗糙度参数值；也可通过记录器描绘出表面 可得到工件表面粗糙度参数值； 轮廓图形，再进行数据处理，进而得出表面粗糙度参数值。 轮廓图形，再进行数据处理，进而得出表面粗糙度参数值。 这类仪器垂直方向的分辨率最高可达到几纳米。 这类仪器垂直方向的分辨率最高可达到几纳米。 适宜测量值为5 0.02 范围内的表面粗糙度。 0.02µ 适宜测量值为5—0.02µm范围内的表面粗糙度。
图4-5 光切原理
2．测量仪器原理及定度
（1）原理 光切显微镜的光路原理如图4 所示。用测微目镜量出a 光切显微镜的光路原理如图4-6所示。用测微目镜量出a、 的距离Ｎ，即可求出峰谷间的高度。 a’的距离Ｎ，即可求出峰谷间的高度。 的距离Ｎ，即可求出峰谷间的高度
图4-6 光切显微镜光路
由于物镜分辨率及景深的限制，光切法测量范围一般为： 由于物镜分辨率及景深的限制，光切法测量范围一般为： (80～0.8)µ 旧国标∇ Rz= (80～0.8)µm（旧国标∇3～∇9）。 式h=N/(Vcos45°)中有无理数，计算、使用不便，在仪 h=N/(Vcos45° 中有无理数，计算、使用不便， 其方法如图4 器设计时采用机械方法加以有理化 ，其方法如图4-7所 此时： 示。此时：
4．间接测量方法 这类方法是利用被测表面的某种特性来间接评定表 面粗糙度的数值。例如： 面粗糙度的数值。例如： 气动法： 气动法：是利用流经测量头与被测表面间气体流量的大小 或其所引起的压力变化来评定表面粗糙度。 或其所引起的压力变化来评定表面粗糙度。 电容法：是利用测量头与被测表面间形成的电容量大小来 电容法： 评定表面粗糙度。不能直接测出表面参数Ra Rz， Ra或 评定表面粗糙度。不能直接测出表面参数Ra或Rz，而需进 行比对定标， 行比对定标，且要配备一些和被测表面几何形状相适应的 测量头。 测量头。 其他方法：激光散射法、激光散班法、激光全息法等。 其他方法：激光散射法、激光散班法、激光全息法等。
双管显微镜视场图
双管显微镜
光切显微镜读数
（2）定度： 定度： 在光切显微镜上， 在光切显微镜上，把确定测微目镜的鼓轮上每小格所对 应的被测峰谷高度值的过程叫作“定度” 应的被测峰谷高度值的过程叫作“定度”。(h= a/2V) 定度首先是求物镜的放大倍率。 定度首先是求物镜的放大倍率。求物镜放大倍率的方法 是用一个标准刻线尺（通常为专用附件， 是用一个标准刻线尺（通常为专用附件，刻度间隔为 0.01mm， 101条刻线 来测定各个物镜的实际放大率。 条刻线） 0.01mm，共101条刻线）来测定各个物镜的实际放大率。 如图4 所示，物镜放大率为： 如图4-8所示，物镜放大率为：
二、光切法测量表面粗糙度
1．光切法原理： 光切法原理：
所谓光切法就是用一狭窄的扁平光 束以一定的倾斜角照射到被测表面上， 束以一定的倾斜角照射到被测表面上， 光束在被测表面上发生反射， 光束在被测表面上发生反射，将表面微 观不平度用显微镜放大成象进行观测的 方法。 是光切法的测量原理图。 方法。图4-5是光切法的测量原理图。 若倾斜角取45° 则得： 若倾斜角取45°，则得： 45 ’=h/cos45 =h/cos45° h’=h/cos45° 若观测显微物镜的倍数V 若观测显微物镜的倍数V，则： ＝Ｖh N＝Ｖh’ 用显微镜测出象的大小N 用显微镜测出象的大小N，即 可求出h值： 可求出h h=N/(Vcos45°) h=N/(Vcos45° 测量表面粗糙度峰谷距离的 原理与上述相同。 原理与上述相同。
干涉显微镜
Mirau干涉仪的改进： R被固定在PZT上。
1986年WYKO公司研制成精度达 1000
自动完成测量。
Nomarski干涉显微镜及改进
带有旋转检偏器测相的改进的微分干涉显微镜（清华） 带有旋转检偏器测相的改进的微分干涉显微镜（清华） 垂直分辨率优于1nm，水平分辨力0.4µm ，水平分辨力 垂直分辨率优于
测量单位和标准量
长度单位长度单位-um 表面粗糙度样板 光波波长 电压、 电压、电流标准
测量方法
测量方案设计
测量方法 测量仪器 接触形式、 接触形式、定位
测量精度
方法精度 仪器精度 影响因素 改善精度的措施
—、表面粗糙度的测量方法概述 、
表面粗糙度反映的是机械零件表面的微 观几何形状误差， 观几何形状误差，对表面粗糙度的测量方法 很多，主要方法见下表。 很多，主要方法见下表。
对表面粗糙度的评价主要分为定性和 对表面粗糙度的评价主要分为定性和 定量两种评定方法 两种评定方法。 定量两种评定方法。 定性评定是将待测表面和已知表面光 定性评定是将待测表面和已知表面光 洁度级别的标准样板相比较， 洁度级别的标准样板相比较，通过目估或借 助于显微镜以判别其级别。 助于显微镜以判别其级别。 定量评定则是通过一定的测量方法和 定量评定则是通过一定的测量方法和 相应的仪器，测出待测表面的不平度数值。 相应的仪器，测出待测表面的不平度数值。 实际工作中， 实际工作中，对加工表面粗糙度的评 定可归纳为如下四种方式。 定可归纳为如下四种方式。
h= a/2V
式中: 式中: 用仪器测微目镜瞄准峰谷象高度N a—用仪器测微目镜瞄准峰谷象高度N（图4-7 用仪器测微目镜瞄准峰谷象高度 中十字线位置I II）时两次读数差值； 中十字线位置I与II）时两次读数差值； 表面粗糙度的某一峰谷高度； h—表面粗糙度的某一峰谷高度； 表面粗糙度的某一峰谷高度 所选用物镜的放大倍数。 V —所选用物镜的放大倍数。 双管显微镜 所选用物镜的放大倍数
２．在选定截面上直接测量表面微观不平度数值的方法 普遍采用、定量测量、严格按照定义测、本节重点。 普遍采用、定量测量、严格按照定义测、本节重点。 常用的有光切法、干涉法、 常用的有光切法、干涉法、触针法等各种测量原理的光学或 电学仪器。 电学仪器。 3．印模法测量表面粗糙度 对于大型零件或零件内表面等不易直接测量的情况下可用此 法。 印模表面的峰谷值总要比被测表面的峰谷值要小些， 印模表面的峰谷值总要比被测表面的峰谷值要小些，因而对 此结果需加以修正。其修正系数值与所用材料等有关， 此结果需加以修正。其修正系数值与所用材料等有关，应由 实验来确定。 实验来确定。