表面粗糙度測量技術與方法研究

朱祥山

（上海ABB 工程有限公司,上海 200000）

近年來，我國在表面粗糙度方面的研究集中在測量技術與方法的完善與創新上，并且取得了不錯的進展，對我國的工件制造起到了關鍵作用，推動了我國制造企業的良好發展。

1 表面粗糙度測量理論與技術發展現狀

1.1 表面粗糙度測量理論

表面粗糙度又被稱為表面光潔度，是用來評價工件表面制造質量的重要指標。在表面粗糙度研究方面，來自俄國的學者切比雪夫是世界上首位對此進行全面系統研究的人，并且在1874 開創性地將計算工件表面粗糙度的最大公式應用在圓柱銑中。在其研究理論的基礎上，從20 世紀30 年代末開始，西方發達國家諸如美國、德國、英國等，一些學者也開始了對表面粗糙度的研究，先后發表了多篇關于表面粗糙度測量與表面粗糙度對工件使用性能影響的文章，形成了大量的表面粗糙度測量理論。一些專家還設計并制造了輪廓記錄儀、光切式顯微鏡以及干涉顯微鏡等，用來對工件表面粗糙度進行測量，從此進入了表面粗糙度測量技術研究與發展階段。

1.2 表面粗糙度的測量技術與方法

隨著對表面粗糙度測量理論的研究與發展，國際上使用的表面粗糙度測量技術與方法也得到了不斷的發展與創新，其測量的主要方法已經從傳統的目測觀察法向現代數值表現形式方向轉變。目前廣泛使用的表面粗糙度測量技術與方法主要有比較法、觸針法、光切法以及激光散斑法等。

2 表面粗糙度測量技術與方法介紹

2.1 常規目測比較法

在對工件表面粗糙度進行測量時，操作過程最簡單、設備最輕便的就是常規的目測比較法，這種測量方法經常被應用于生產制造車間現場的測量環節，測量的程度比較寬泛，一般被用來測量中等或者較粗糙的工件表面粗糙度，實際操作方法為將待測量工件與標有一定粗糙度數值的標準件進行對比，以此確定被測工件表面粗糙度的數值，在具體粗糙度對比過程中，如果工件表面粗糙度大于1.6μm 時可以直接通過肉眼進行對比；如果工件表面粗糙度在1.6 ～0.4μm范圍內時，要使用放大鏡對其進行對比；當工件表面粗糙度小于0.4μm 時要使用顯微鏡進行對比。在選擇對比標準件時，標準件的加工工藝、工件紋理、刀具行走方向以及工件材質都要與被測工件保持一致，從而保證其表面粗糙度的測量準確性。

2.2 觸針法

觸針法測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，在被測工件表面均勻緩慢的滑動，觸針在被測工件表面運動過程中會出現上下位移量，并由電學式長度傳感器將其位移量轉換為電信號，經過信號放大、過濾、計算后將實際表面粗糙度數值顯示在儀表顯示器上，完成表面粗糙度的測量工作，被測工件的表面粗糙度輪廓曲線可由記錄器進行記錄。目前，觸針法是儀器比較穩定、測量數值比較準確、操作比較便捷的表面粗糙度測量方法，國內外現有的觸針法測量儀器多達20 多種，型號種類繁多。一般情況下，只能顯示工件表面粗糙度數值的儀器被稱為表面粗糙度測量儀，而在現實表面粗糙度數值的同時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量儀器都具備電子計算機或者電子計算電力，實現對工件表面輪廓算術平均值偏差Ra（表面粗糙度）、Ry（輪廓最大高度）與Rz（微觀不平度十點高度）的計算。

圖1 表面粗糙度測量觸針法應用示意圖

2.3 光切法

為了彌補傳統的目測法與觸針法在測量方面的缺陷，一些學生經過多年的研究發現，以光學效應作為基礎，利用光學對工件表面的粗糙度進行測量是可行的，而且測量方法準確、有效，可應用在Ry 與Rz）參數測量上，測量范圍在0.5 ～50μm。光切法的主要測量儀器是反射式裝置，測量過程為首先由測量儀器發出激光射線，然后通過系統以平行或者是發散的形式照射到被測工件表面，最后被測工件表面將反射的激光反饋給光學傳感器，反射激光內所包含的能夠反映被測工件表面粗糙度的有效光學信息會被測量儀器多接收并對其進行整理、轉化、記錄，從而測量出工件表面的粗糙度數值。光切法中比較常用的是微小探針掃描法，其測量原理是利用光路的放大來檢測工件表面的微小變化，它先是通過微控制器在彈片上產生一個固定共振頻率，然后由彈片帶動微小探針振動，此時由電機在X 軸與Y 軸方向上帶動被測工件進行定向移動，使得被測工件的表面出現起伏變化，探針的振動頻率變化的同時將改變探針的振動幅度，從而利用線陣CCD（電荷耦合器件）將其檢測出來，并由微控制器將檢測結構輸送到電腦端，經MATLAB 軟件處理形成仿真圖形，顯示出微觀層面的三維圖像，以此計算工件表面的粗糙度。

圖2 表面粗糙度測量光切法應用示意圖

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量方法，它不會對被測工件的表面輪廓進行直接測量，而是通過測量光線的散射強度與空間分布，再根據理論模型反推演示出工件表面粗糙度的具體數值。激光散斑法是將相干光或者部分相干光照射在工件待測表面，然后經過散射后在空間內形成特定的光斑分布，最后在對散斑進行統計從而計算出工件表面的粗糙度數值，是一種典型的光學測量法。由于被測工件表面的粗糙度不同，所以當相干光照射在工件表面不同位置時會形成不一樣的干涉，從而在空間內形成粒狀的散斑，散斑其實就是工件粗糙表面相干光反射的結果，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、對比度等均與工件表面的粗糙度有直接關聯。

2.5 光學探針法

光學探針法的操作過程與觸針法類似，只是用聚焦光束取代了金剛石針頭，從而將接觸式測量變成非接觸式測量，光學探針法的測量范圍要比其他測量方法大，其不僅能夠測量工件局部表面的粗糙度，而且能夠精準地測量1mm 范圍內的工件表面的形狀變化，能夠發現工件表面的微小缺陷，光學探針法一般使用在一些需要精準測量的工件上。

通過對測量方法的總結與分析，可以得出結論，采用微小觸針法測量工件表面粗糙度具有較高的性價比，并且測量精度能夠滿足大多數工件的測量要求，具有較高的推廣性，應該得到更廣泛的使用。

3 結語

綜上所述，隨著工業對高精度儀器的需求增長，對高質量的工件要求也逐漸提高，所以工件表面粗糙度的測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量技術與方法方面的研究力度，推動測量技術與方法的變革與創新，提高測量精確度，為表面粗糙度測量帶來有效的幫助。