表面粗糙度及表面形状的测量

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1、度与表面形状误差尽管测量表面在基本长度范围内的法线方 向上变化是很明显的，但要区别粗糙度与表面 形状误差(包括波度)也是较复杂的，特别是 当表面形状误差或波度数值与表面粗糙度数值 很接近时。使用不同的测量方法，形状误差或 波度可能与表面粗糙度的数值互相交叠，分辨 不清。所以实际测量时,应使二者互相减掉以 利于单独读出表面粗糙度数值或单独读出表面 形状误差数值。例如，只测粗糙度时,读出的 数据应是在基本长度内的表面不规则性。简单 的机械法,常为划针表面光度仪，但将仪器测 头安装在一个小滑轨上,骑在零件表面，记录 划针相对导轨移动的位移，以表面高低的平均 值作为所测数据,表面波动变化比所记录的高

2、低变化小得多。另一个方法是在记录过程中或 记录后过滤位移信号以组成相应于长波表面位 移(指形状误差或波度);电子过滤法就可用于 去除粗糙度信号,用来只测量形状误差或波度 并且可以定量显示出数值。3几种表面粗糙度的描述方法最常用的表面粗糙度的描述方法是平均表 面粗糙度法,用符号Ra表示，定义为表面中线 平均高度的算术平均值,中线指曲线上部和下 部面积相等的分界线。如图3所示，用公式表 示图3表面粗糙度定义图Ra=1LL0 y(x) dx均方根偏差法定义表面粗糙度用符号Rq 表示，用公式表示R2q=1L/L0y2(x)dx对许多表面讲Ra与Rq很接近。用单个数 据来描述表面形状，不可避免地要丢失一

3、些重 要信息。例如Ra和Rq没给出不规则表面形状 和表面空间的信息，对于完整地描述表面形貌 来讲，需要对表面高度分配的可能性及穿过表 面的高峰与低谷的空间分配作出测量。 描述表面高低分配方法与波幅密度函数 P(y)有关,P(y)是任意点处偏离平均线的高 度值。数值P(y)Ay为在平均线上落在y与y +Ay之间的表面形状百分比，如图4所示，它 是一条波动曲线,此曲线对应一条对称于平均 线位置的波幅密度曲线,对称的波幅密度函数 说明表面形状的信息。粗糙度Rq是波幅密度函 数的标准偏差，波幅密度曲线可用不对称度表示,符号为Sk,并定义为：Sk=1R3qj+s - sy3P(y)dy测量的峰值状态用K

4、表示为：K=1R4qj+-8y4P(y)dy二者数值均可用微机表面光度仪将表面形状较理想地计算出来。图4中方位变化曲线是相对被测高度的方位变化来描述表面状态的。波幅分布和方位变化都没描述表面峰与谷的方式,但可用来从表面了解峰与谷的分布密度。为了进一步描述表面状态定义了表面形状自相关函数C(P)C(P)=1L/L0y(x)y(x+P)dx其数值由沿表面移动P的y值乘以未移动处的相应y值计算综合曲线下的面积。当P值为0时,C(0)值最大为R2q。自相关函数提供沿表面相距为P范围内的表面高度分布的测量方法,概略地统计了很小间隔的信息。图4表面形状与波幅密度函数图更全面些的描述表面粗糙度及表面状态的3

5、4表面粗糙度及表面形状的测量杨芋(广东省汕头市林百欣科技中专汕头515041)摘要介绍表面粗糙度及形状的测量方法及特点，并给出了描述表面粗糙度与表面形状误 差的方法。关键词粗糙度形状测量用足够的放大倍数研究零件表面时，发现所有的固体表面都是不平的。在最小的情况下，可认为表现粗糙度是以单个的原子或分子的尺寸呈现的,例如,当我们仔细将云母样品分层时，表面就可能是以分子组成光滑表面的。而实际工程中用的精度最高的抛光表面所呈现的粗糙度尺寸也远远大于原子的尺寸。研究表面粗糙度及表面形状的方法很多,电子或光学显微镜法，细针接触法，电学或热学法和两表面间的液体渗漏法等。最理想的测量方法应该算是扫描显微镜或原

6、子力显微镜法，它们能解决单个原子的问题。但对于大多数工程问题，更适合的方法是研究表面形貌。1表面粗糙度及表面形状的测量1.1接触测量法表面光度仪，其基本原理如图1所示。一个细针在光滑表面上平稳滑动,在观测器下能观察到划针上下波动，波动的垂直距离由转换 器转换成电信号，经放大后用最简单的形式，在 记录纸上移动笔记录。图1简单划线式表面光度仪示意图 此种方法不可避免的局限性是针头形状。 由于强度方面的原因，金刚石划针常为圆锥或 棱锥形，锥角一般为60，针尖半径为1到 2.5gm。有限的针尖半径及内锥角会阻碍针尖 进入窄坑的深底，即给测量结果带来误差，使 本来不平的表面测成“光滑表面”。另一误差是

7、在测量非常精细或易变形的表面时，由于针的 自身载荷（尽管很小），也会作用于被测表面上 而使表面产生变形和损坏。1.2非接触测量法光学法测表面粗糙度比接触法更具有吸引 力。它可以无损伤地测量表面粗糙度。图2为 光学干涉仪法测量表面粗糙度的工作原理图。 它是通过两束光的干涉,即从被测表面和参考 表面反射回来的光线干涉产生干涉条纹，由一 排光敏二极管连到微处理器上来实现数字显示 记录。该方法在垂直方向可达到0.1nm的精 度。尽管对某些显微镜来讲，可测的最大深度 受仪器焦距的限制,对被测表面非常精密、特 别是易变形表面（如聚合物）来讲，光学干涉 仪比划针式光度仪有明显的优越性。但对粗糙 表面必须使用

8、后者,在许多情况下，二者互相 补充。图2数字光干涉仪测表面粗糙度工作原理图33大和最小实体实效尺寸的研究马忠良（黑龙江商学院机械基础教研室哈尔滨150076） 1问题的提出在有关书中是这样论述最大实体实效尺寸 和最小实体实效尺寸的：“在给定长度上，实际要素处于最大实体状 态,且其中心要素的形状或位置误差等于给出 公差值时的综合极限状态，叫做最大实体实效 状态。最大实体实效状态下的体外作用尺寸，叫 做最大实体实效尺寸。用dMV和DMV分别表示 外表面和内表面的最大实体实效尺寸，则有 dMV=dMMC+tDMV=DMMC-t”“在给定长度上，实际要素处于最小实体状 态，且其中心要素的形状或位置误差

9、等于给出 公差值时的综合极限状态，叫做最小实体实效 状态。最小实体实效状态下的体内作用尺寸，叫 做最小实体实效尺寸。用DLV和dLV分别表示内 表面和外表面的最小实体实效尺寸，则有 dLV=dLMC-tDLV=DLMC+t”若按上述定义来分析和研究最大实体要求 (或最小实体要求)，同时应用于被测要素和基 准要素的例子，就会发现符合最大实体要求 (或最小实体要求)的零件，其被测要素的实际 轮廓有时会处于其最大实体实效边界(或最小 实体实效边界)之外，合格的零件就会误废。下面仅以图2为例,若按上述定义，被测 要素的最大实体实效尺寸为DMV=DMMC-t=p50-p0.155=p49.845若零件测

10、量后，被测要素实际尺寸为p50(DMMC)，基准要素实际尺寸为p20.033(DLMC), 在不考虑轴线倾斜的情况下，其同轴度公差的 允许值为t=给定值+被测要素补偿值+基准要素补偿值=p0.155+(p50 -p50)+(p20.033 -p20)=p0.188这时，被测要素的最大实体实效尺寸(用DfMV表示)则为DfMV=DMMC-t=p50-p0.188=p49.812可见,DMVD，MV上例所得结果显然与最大实体要求的定义相矛盾。探其原因，问题是最大实体实效尺寸 和最小实体实效尺寸的定义不够准确。因此，使 采用最大实体要求或最小实体要求(其主要应 用场合仅是保证零件的可装配性)的零件图

11、解 变得复杂化,给工业测量带来麻烦和误解。2最大实体实效尺寸的重新定义最大实体实效状态是在给定长度上，实际 要素处于最大实体状态,且其中心要素的形状 或位置误差等于给出的公差值与获得的基准要 方法是用谱密度权函数P(3)，它可用来描述关 于表面空间频率的方向信息，其定义是按自相 关函数的付里叶变换进行的，即P()=2n/0C(P)cos(P)dp谱密度权函数是专门研究加工表面的函数，特 别是对于机械加工表面呈周期性加工纹理时，此法更接近实际情况。以上均为获得二维平面轮廓的测量方法，即所测得的结果是沿表面横断面的一个方向的 轮廓。要获得三维的表面轮廓分布，需在各横 断面上多次进行重复测量以形成三维的表面轮 廓。目前,有些表面光度仪在测量每一断面后 可将结果自动生成三维表面的轮廓。（收稿日期：1997-11-20）35