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

2、均值作为所测数据,表面波动变化比所记录的高低变化小得多。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=1L∫L0y(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

3、∫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)Δy为在平均线上落在y与y+Δy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

4、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=1R3q∫+∞-∞y3P(y)dy测量的峰值状态用K表示为:K=1R4q∫+∞-∞y4P(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(β)C(β)=1L∫L0y(x)y(x+β)dx其数值由沿表面移动β的y值乘以未移动处的相应y值计算综

5、合曲线下的面积。当β值为0时,C(β)值最大为R2q。自相关函数提供沿表面相距为β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34表面粗糙度及表面形状的测量杨　芊(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

6、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

7、,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2.5μm。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

8、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