表面粗糙度測(cè)量技術(shù)與方法研究

朱祥山

（上海ABB 工程有限公司,上海 200000）

近年來(lái)，我國(guó)在表面粗糙度方面的研究集中在測(cè)量技術(shù)與方法的完善與創(chuàng)新上，并且取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，對(duì)我國(guó)的工件制造起到了關(guān)鍵作用，推動(dòng)了我國(guó)制造企業(yè)的良好發(fā)展。

1 表面粗糙度測(cè)量理論與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 表面粗糙度測(cè)量理論

表面粗糙度又被稱為表面光潔度，是用來(lái)評(píng)價(jià)工件表面制造質(zhì)量的重要指標(biāo)。在表面粗糙度研究方面，來(lái)自俄國(guó)的學(xué)者切比雪夫是世界上首位對(duì)此進(jìn)行全面系統(tǒng)研究的人，并且在1874 開(kāi)創(chuàng)性地將計(jì)算工件表面粗糙度的最大公式應(yīng)用在圓柱銑中。在其研究理論的基礎(chǔ)上，從20 世紀(jì)30 年代末開(kāi)始，西方發(fā)達(dá)國(guó)家諸如美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等，一些學(xué)者也開(kāi)始了對(duì)表面粗糙度的研究，先后發(fā)表了多篇關(guān)于表面粗糙度測(cè)量與表面粗糙度對(duì)工件使用性能影響的文章，形成了大量的表面粗糙度測(cè)量理論。一些專家還設(shè)計(jì)并制造了輪廓記錄儀、光切式顯微鏡以及干涉顯微鏡等，用來(lái)對(duì)工件表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，從此進(jìn)入了表面粗糙度測(cè)量技術(shù)研究與發(fā)展階段。

1.2 表面粗糙度的測(cè)量技術(shù)與方法

隨著對(duì)表面粗糙度測(cè)量理論的研究與發(fā)展，國(guó)際上使用的表面粗糙度測(cè)量技術(shù)與方法也得到了不斷的發(fā)展與創(chuàng)新，其測(cè)量的主要方法已經(jīng)從傳統(tǒng)的目測(cè)觀察法向現(xiàn)代數(shù)值表現(xiàn)形式方向轉(zhuǎn)變。目前廣泛使用的表面粗糙度測(cè)量技術(shù)與方法主要有比較法、觸針?lè)ā⒐馇蟹ㄒ约凹す馍叻ǖ取?/p>

2 表面粗糙度測(cè)量技術(shù)與方法介紹

2.1 常規(guī)目測(cè)比較法

在對(duì)工件表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，操作過(guò)程最簡(jiǎn)單、設(shè)備最輕便的就是常規(guī)的目測(cè)比較法，這種測(cè)量方法經(jīng)常被應(yīng)用于生產(chǎn)制造車間現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量環(huán)節(jié)，測(cè)量的程度比較寬泛，一般被用來(lái)測(cè)量中等或者較粗糙的工件表面粗糙度，實(shí)際操作方法為將待測(cè)量工件與標(biāo)有一定粗糙度數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行對(duì)比，以此確定被測(cè)工件表面粗糙度的數(shù)值，在具體粗糙度對(duì)比過(guò)程中，如果工件表面粗糙度大于1.6μm 時(shí)可以直接通過(guò)肉眼進(jìn)行對(duì)比；如果工件表面粗糙度在1.6 ～0.4μm范圍內(nèi)時(shí)，要使用放大鏡對(duì)其進(jìn)行對(duì)比；當(dāng)工件表面粗糙度小于0.4μm 時(shí)要使用顯微鏡進(jìn)行對(duì)比。在選擇對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)件的加工工藝、工件紋理、刀具行走方向以及工件材質(zhì)都要與被測(cè)工件保持一致，從而保證其表面粗糙度的測(cè)量準(zhǔn)確性。

2.2 觸針?lè)?/h3>

觸針?lè)y(cè)量工件表面粗糙度是利用針尖曲率半徑為2 微米左右的金剛石觸針，在被測(cè)工件表面均勻緩慢的滑動(dòng)，觸針在被測(cè)工件表面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)上下位移量，并由電學(xué)式長(zhǎng)度傳感器將其位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、過(guò)濾、計(jì)算后將實(shí)際表面粗糙度數(shù)值顯示在儀表顯示器上，完成表面粗糙度的測(cè)量工作，被測(cè)工件的表面粗糙度輪廓曲線可由記錄器進(jìn)行記錄。目前，觸針?lè)ㄊ莾x器比較穩(wěn)定、測(cè)量數(shù)值比較準(zhǔn)確、操作比較便捷的表面粗糙度測(cè)量方法，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的觸針?lè)y(cè)量?jī)x器多達(dá)20 多種，型號(hào)種類繁多。一般情況下，只能顯示工件表面粗糙度數(shù)值的儀器被稱為表面粗糙度測(cè)量?jī)x，而在現(xiàn)實(shí)表面粗糙度數(shù)值的同時(shí)還能記錄工件表面輪廓曲線的儀器被稱為表面粗糙度輪廓儀，兩種不同功能的表面粗糙度測(cè)量?jī)x器都具備電子計(jì)算機(jī)或者電子計(jì)算電力，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面輪廓算術(shù)平均值偏差Ra（表面粗糙度）、Ry（輪廓最大高度）與Rz（微觀不平度十點(diǎn)高度）的計(jì)算。

圖1 表面粗糙度測(cè)量觸針?lè)☉?yīng)用示意圖

2.3 光切法

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)的目測(cè)法與觸針?lè)ㄔ跍y(cè)量方面的缺陷，一些學(xué)生經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)現(xiàn)，以光學(xué)效應(yīng)作為基礎(chǔ)，利用光學(xué)對(duì)工件表面的粗糙度進(jìn)行測(cè)量是可行的，而且測(cè)量方法準(zhǔn)確、有效，可應(yīng)用在Ry 與Rz）參數(shù)測(cè)量上，測(cè)量范圍在0.5 ～50μm。光切法的主要測(cè)量?jī)x器是反射式裝置，測(cè)量過(guò)程為首先由測(cè)量?jī)x器發(fā)出激光射線，然后通過(guò)系統(tǒng)以平行或者是發(fā)散的形式照射到被測(cè)工件表面，最后被測(cè)工件表面將反射的激光反饋給光學(xué)傳感器，反射激光內(nèi)所包含的能夠反映被測(cè)工件表面粗糙度的有效光學(xué)信息會(huì)被測(cè)量?jī)x器多接收并對(duì)其進(jìn)行整理、轉(zhuǎn)化、記錄，從而測(cè)量出工件表面的粗糙度數(shù)值。光切法中比較常用的是微小探針掃描法，其測(cè)量原理是利用光路的放大來(lái)檢測(cè)工件表面的微小變化，它先是通過(guò)微控制器在彈片上產(chǎn)生一個(gè)固定共振頻率，然后由彈片帶動(dòng)微小探針振動(dòng)，此時(shí)由電機(jī)在X 軸與Y 軸方向上帶動(dòng)被測(cè)工件進(jìn)行定向移動(dòng)，使得被測(cè)工件的表面出現(xiàn)起伏變化，探針的振動(dòng)頻率變化的同時(shí)將改變探針的振動(dòng)幅度，從而利用線陣CCD（電荷耦合器件）將其檢測(cè)出來(lái)，并由微控制器將檢測(cè)結(jié)構(gòu)輸送到電腦端，經(jīng)MATLAB 軟件處理形成仿真圖形，顯示出微觀層面的三維圖像，以此計(jì)算工件表面的粗糙度。

圖2 表面粗糙度測(cè)量光切法應(yīng)用示意圖

2.4 激光散斑法

激光散斑法與光切法一樣，都屬于非接觸式的表面粗糙度測(cè)量方法，它不會(huì)對(duì)被測(cè)工件的表面輪廓進(jìn)行直接測(cè)量，而是通過(guò)測(cè)量光線的散射強(qiáng)度與空間分布，再根據(jù)理論模型反推演示出工件表面粗糙度的具體數(shù)值。激光散斑法是將相干光或者部分相干光照射在工件待測(cè)表面，然后經(jīng)過(guò)散射后在空間內(nèi)形成特定的光斑分布，最后在對(duì)散斑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)從而計(jì)算出工件表面的粗糙度數(shù)值，是一種典型的光學(xué)測(cè)量法。由于被測(cè)工件表面的粗糙度不同，所以當(dāng)相干光照射在工件表面不同位置時(shí)會(huì)形成不一樣的干涉，從而在空間內(nèi)形成粒狀的散斑，散斑其實(shí)就是工件粗糙表面相干光反射的結(jié)果，由散射光帶與反射散斑共同組成散斑圖案。散斑的亮度分布、對(duì)比度等均與工件表面的粗糙度有直接關(guān)聯(lián)。

2.5 光學(xué)探針?lè)?/h3>

光學(xué)探針?lè)ǖ牟僮鬟^(guò)程與觸針?lè)愃疲皇怯镁劢构馐〈私饎偸橆^，從而將接觸式測(cè)量變成非接觸式測(cè)量，光學(xué)探針?lè)ǖ臏y(cè)量范圍要比其他測(cè)量方法大，其不僅能夠測(cè)量工件局部表面的粗糙度，而且能夠精準(zhǔn)地測(cè)量1mm 范圍內(nèi)的工件表面的形狀變化，能夠發(fā)現(xiàn)工件表面的微小缺陷，光學(xué)探針?lè)ㄒ话闶褂迷谝恍┬枰珳?zhǔn)測(cè)量的工件上。

通過(guò)對(duì)測(cè)量方法的總結(jié)與分析，可以得出結(jié)論，采用微小觸針?lè)y(cè)量工件表面粗糙度具有較高的性價(jià)比，并且測(cè)量精度能夠滿足大多數(shù)工件的測(cè)量要求，具有較高的推廣性，應(yīng)該得到更廣泛的使用。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著工業(yè)對(duì)高精度儀器的需求增長(zhǎng)，對(duì)高質(zhì)量的工件要求也逐漸提高，所以工件表面粗糙度的測(cè)量工作變得尤為重要，這就要求我們逐漸加大在表面粗糙度測(cè)量技術(shù)與方法方面的研究力度，推動(dòng)測(cè)量技術(shù)與方法的變革與創(chuàng)新，提高測(cè)量精確度，為表面粗糙度測(cè)量帶來(lái)有效的幫助。