測(cè)量表面粗糙度和測(cè)量結(jié)果不確定度的研究

張欣 田勇 劉佳麗 孫權(quán) 呂紅 （天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院 天津300192）

0 引言

表面粗糙度是評(píng)定各種機(jī)械零件表面加工質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，它直接影響零部件的磨擦與磨損，從而影響機(jī)器或儀器的工作精度與零件配合性質(zhì)，同時(shí)也是影響零件強(qiáng)度與抗腐蝕性的重要因素。因此，表面微觀幾何形狀的大小及其形狀特征，對(duì)機(jī)器或儀器零件的使用性能有很大影響。

在機(jī)械加工生產(chǎn)中，最簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)工件表面粗糙程度的方法是比較法，即將與被評(píng)價(jià)表面具有相同加工方法的粗糙度比較樣塊進(jìn)行目測(cè)比較，評(píng)定出被測(cè)表面的粗糙度等級(jí)。這種方法簡(jiǎn)單快捷、操作性強(qiáng)、成本低，適用于對(duì)加工表面粗糙度要求不高，不必給出確切粗糙度參數(shù)值的場(chǎng)合。

而現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展對(duì)表面粗糙度測(cè)量提出了更高的要求，各種測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器也應(yīng)運(yùn)而生。表面粗糙度測(cè)量從最初的目測(cè)、粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣板比較測(cè)量等定性檢測(cè)，發(fā)展到運(yùn)用光切法（光切顯微鏡）、干涉法（干涉顯微鏡）、針描法（觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x）、印模法等早期的定量檢定法測(cè)量。近幾年，隨著光電測(cè)量等新技術(shù)的發(fā)展，CCD技術(shù)、激光技術(shù)、光纖技術(shù)、光柵技術(shù)、微波技術(shù)、納米測(cè)量技術(shù)等逐步被應(yīng)用于表面粗糙度的測(cè)量中。而在機(jī)械加工行業(yè)中，觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x因其測(cè)量技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境和被測(cè)表面的適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，仍是應(yīng)用最為廣泛的測(cè)量?jī)x器。

1 測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

表面粗糙度不同于長(zhǎng)度、角度等物理量，它表征的是被測(cè)表面的粗糙程度，是一個(gè)統(tǒng)計(jì)概念。因此，它的表征方法千差萬別，在不確定度評(píng)定的過程中，各種不確定度分量的影響也有很大不同。表面粗糙度的評(píng)定方法可分為中線制、包絡(luò)線制等；從原始輪廓得到表面粗糙度輪廓的濾波方法也分為2RC模擬濾波器、相位校正濾波器、樣條濾波器、穩(wěn)健高斯濾波器、多尺度濾波器等，其濾波特性、對(duì)各頻率的濾波效果等都有很大不同。表征表面粗糙度的參數(shù)有幾十個(gè)之多，這些參數(shù)因其定義不同，不確定度也有很大差別，如Ra等幅值參數(shù)比Rz、Rt等峰值參數(shù)的不確定度值就要小得多。Ra是國(guó)際公認(rèn)的最常用的粗糙度的評(píng)定參數(shù)，它是輪廓偏離平均線的算術(shù)平均。因此，表面粗糙度測(cè)量的不確定度評(píng)定相比于其他參量要復(fù)雜得多，在做表面粗糙度測(cè)量的不確定度評(píng)定的過程中，一定要具體情況具體分析，根據(jù)實(shí)際的測(cè)量任務(wù)和測(cè)量條件來分析其不確定度來源和各不確定度分量的貢獻(xiàn)。

觸針式粗糙度儀是利用針掃描測(cè)量對(duì)表面輪廓進(jìn)行記錄和分析計(jì)算的。觸針式粗糙度儀有許多種類，各種觸針式粗糙度儀在測(cè)量過程中，影響測(cè)量不確定度的因素也不盡相同。根據(jù)測(cè)針位移的相對(duì)基準(zhǔn)，觸針式粗糙度儀可分為有導(dǎo)頭式和無導(dǎo)頭式。有導(dǎo)頭式粗糙度儀記錄的是測(cè)針相對(duì)于導(dǎo)頭與被測(cè)表面接觸點(diǎn)的位移量；無導(dǎo)頭式粗糙度儀記錄的是測(cè)針相對(duì)于水平導(dǎo)向基準(zhǔn)（如驅(qū)動(dòng)箱主軸）的位移量。下面筆者以有導(dǎo)頭式粗糙度儀為例，說明用觸針式粗糙度儀測(cè)量工件表面粗糙度測(cè)量結(jié)果不確定度的評(píng)定方法。

2 用有導(dǎo)頭傳感器測(cè)量平面的表面粗糙度的結(jié)果不確定度評(píng)定

2.1 測(cè)量任務(wù)

用觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量一塊經(jīng)過精磨加工的平面零件。其表面粗糙度的Ra值預(yù)計(jì)為0.2 μm，評(píng)定表面粗糙度Ra值測(cè)量的不確定度。

2.2 測(cè)量原理

采用針描法測(cè)量工件表面微觀輪廓，并評(píng)定其表面粗糙度Ra值。

2.3 測(cè)量方法

用觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量被測(cè)零件上均勻分布的5～10個(gè)位置，將各位置上測(cè)得的Ra值求出算術(shù)平均值，作為零件被測(cè)面的表面粗糙度Ra值。

2.4 數(shù)學(xué)模型

δ＝d

式中：δ——測(cè)件測(cè)量結(jié)果，μm；

d——測(cè)量時(shí)在儀器上讀取Ra值，μm。

2.5 方差和傳播系數(shù)

其中：c（）d=1

2.6 測(cè)量不確定度來源分析一覽表（見表1）

表1 測(cè)量不確定度來源分析一覽表

2.7 測(cè)量不確定度分量計(jì)算

2.7.1 表面粗糙度測(cè)量?jī)x引入的不確定度分量u1依據(jù)JJF 1105-2003《觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)規(guī)范》，表面粗糙度測(cè)量?jī)xRa參數(shù)測(cè)量不確定度評(píng)定結(jié)果：

2.7.2 測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u2被測(cè)工件表面粗糙度具有一定的分散性，其分散性誤差由對(duì)工件均勻分布的10個(gè)位置分別測(cè)得10次，得到平均值結(jié)果見表2。

表2 分散性誤差平均值

單次實(shí)驗(yàn)室偏差：

2.8 不確定度分量匯總（見表3）

表3 不確定度分量匯總表

2.9 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

取包含因子k=2，于是擴(kuò)展不確定度為：

測(cè)量?jī)x器測(cè)量該樣塊的測(cè)量結(jié)果的不確定度的評(píng)估:

[1]測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].JJFl059-1999.