三维表面微观形貌的测量方法.pdf

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1、!"""年#月宇航计测技术第!"卷第$期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!三维表面微观形貌的测量方法李成贵"李行善强锡富文摘分析了表面结构的形成过程及其分类，介绍了目前在%&微观形貌测量过程中广泛使用的触针法、扫描探针显微镜和几种光学方法的基本原理、测量范围、分辨力等特性。最后指出了%&分析技术的现状和将来的发展趋势。主题词’表面形貌三维测量发展趋势(引言工程表面的许多性能是由表面形貌决定的，粗糙度、波纹度、表面结构等几何形状的测量和表征是形貌计量学的

2、范畴之一。表面形貌的测量始于%"年代初，当时研制的第一台仪器是根据容易测量的峰谷高度信息而设计，并提供了简单的图像。随后在英国和德国迅速研制了类似的仪器，能够计算平均表面粗糙度参数。这些仪器使用简单的!)*滤波技术移去较长的波长成份（形状和波纹度）。在+"年代后期数字计算机的出现，使得表面分析明显增多，数字技术被首次用于描述表面参数。这些参数被随机地引进，试图在操作环境里描述表面特征的功能意义，结果导致了所谓的“参数爆炸”，后来发现许多参数并没有什么实际意义。表面分析的首次开创性工作是(,+#年在牛津大学举行的“工程表面的性能

3、及其计量”国际会议［(］，会议论文集变成了最初的表面结构测量的“珍贵标准”。(,,(年由英国伯明翰大学计量研究组发起并组织的“工程表面的计量学和性能”国际会议在英国-./0.12.3大学召开［!］，表明了有意义的基础性研究，已开始转向工业上感兴趣的%&表面测量的分析和实验研究。!表面结构表面的几何形状通常被认为是表面结构，这个结构是由所定义的粗糙度、波纹度和形状特征组成的。定量测量表面“微观”结构时，只分析粗糙度，波纹度和形状成分被采用机械、电收稿：!"""4"(4(5修回：!"""4"%4!#"国家博士后科学基金资助项目""

4、北京航空航天大学自动化学院，副教授，博士，男，%+岁，("""#%—!万方数据—气或数字的方式从所记录的数据中滤除。图!给出了表面滤波前轮廓的结构，也给出了滤除波纹度、形状误差后的粗糙度表示。有些标准（"#$%&’(）把表面结构进一步分成六类：形状、波纹度和称之为一、二、三、四阶轮廓偏差的粗糙度。粗糙度、波纹度和形状特征之间的差异是基于表面波长或峰与峰之图!表面结构的表示间的间距。这些传统定义的最大问题是粗糙度变成小波纹度（截止波长）的分界点是随意的，而且与工件的制造过程、功能和尺寸有关。如：在汽车轴上认为是粗糙度，在钟表的主

5、轴上可能认为是波纹度或形状误差。粗糙度主要由制造方法所产生，如机床、刀具和砂轮等，通常具有周期性；在精细的尺度上存在材料撕裂，或由加工边缘和工具刀尖造成的不规则性。波纹度是单独由机床引起，如不平衡的磨削轮、工具进给的不规则性和不断的震颤。形状误差通常是在加工过程中由工件刚度不够造成弯曲而引起，导轨的波动、热引起的材料弯曲或表面残余应力，也能引起弯曲和形状误差。通常形状误差在所评定的表面长度上只产生一个或两个波动。一般地，开始加工的表面是理想的，随后却有周期性。由于刀具磨损，在实际中没有任何制造过程会保持恒定。因而在制造和性能之

6、间存在一个中介过程———测量。测量监控着影响表面最后性能所规定的偏差，并可实现制造过程的“测量与控制”。表面结构对加工设备的性能和参数变化是非常敏感的，特别是刀具磨损、进给速率、切削速度、材料成份和硬度等。因此通过测量这个手段，可以把表面形貌和加工过程很好地联系起来（参见图)）。工程表面可由多种不同的加工方法形成，如：车、铣、刨、磨、镗等。然而随着新的表面处理技术的发展，有许多与其它固体表面相互接触的表面，被进一步处理后仅影响其表层质量，目的是产生不同功能要求的表面。表面形貌和表面性能之间的关系，通过二维分析已得到部分研图)测

7、量与制造过程的联系究。然而，要全面理解表面形貌和功能特性，只有实现表面的三维（*"）表征。过去的许多事实均可说明二维表面分析的局限性，如在镗加工表面垂直于纹理方向的轮廓，表现出周期性；而平行于纹理方向的轮廓，表面结构和参数有明显的不同。三维表面分析研究的出现主要是由于二维分析的局限性，也是由于具有强大计算能力的计算机的发展。在几年前就已看到，三维表面测量在分析表面的磨损、热交换、压痕形貌和接触等方面是个很有用的工具。但由于三维表面分析所要求的软件和硬件的复杂性不断增加，所以万方数据—*—主要在理论研究领域。二维表面计量学的无限

8、制发展，导致了!""多个数字粗糙度参数，其中许多参数只有有限的意义。为了避免再出现类似情况，欧洲成立了一个专门委员会，目的是发展新的#$表面测量标准［#］。目前讨论稿已经形成［%&’］，其中包括!%个数字表征参数的“最小体系”，而且大部分已被试验证实。文中推荐了测量方法、测量