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嘉峪檢測網 2019-06-14 11:22
表面粗糙度是評價加工表面特征的重要技術指標之一，特別是微納米、亞納米級表面的出現，更引起人們對超光滑表面粗糙度測量方法的關注。
表面粗糙度不僅直接影響機械零件的耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞能力、密封性能以及外表鍍層和美觀等，而且還對機械設備的裝配質量、配合性質、工作性能、使用壽命、動力消耗、振動及噪聲等也有很大影響。
一、國內外表面粗糙度及標準研究發展概況
1929年，德國人施馬爾茲（GSchmalz）第一次對表面微觀不平度進行了定量的評價，提出了對表面粗糙度微觀測試的定量標準。同年，蘇聯科學院院士林尼克還發明了用于測量零件表面粗糙度的光切顯微鏡。1936年艾博特（E.J.Abbott）研制了第一臺車間用表面粗糙度的儀器，這種儀器用測量距離輪廓峰頂的深度與支撐面積比的關系曲線，即艾博特曲線來表征表面粗糙度。1940年，英國成功研制出了泰勒雪夫（Talysurf）觸針式表面粗糙度測量儀。1951年，聯邦德國澳普托（Oputon）廠生產出表面粗糙度的干涉顯微鏡。1975年Taylor-Hobson公司研制提出的表面粗糙度輪廓測試儀，首次采用了現代計算機作為數據處理工具，對各個測試的分析與評定得出表面粗糙度測試結果。
隨著科學技術特別是機械制造工業的迅速發展，工業發達的國家更加重視表面質量和零件功能之間關系以及對表面質量的微觀幾何方面參數的理論研究，并開始了標準的制訂及修改工作。
1931年10月，德國頒布了世界上第一個表面粗糙度標準DIN140。該標準首先規定∽為不加工表面符號，▽、▽▽、▽▽▽為加工表面的粗糙度符號。但該標準沒有規定相當的參數和數值。因此，不同等級的粗糙度符號所代表的零件加工表面光滑程度只能靠目測來判斷。1940年，美國制訂出粗糙度標準，此后平均每八九年修訂一次。1945年，蘇聯標準ГОСТ2789-45《表面光潔度、表面微觀幾何形狀、分級和表示法》采用了中線制，參數僅用了輪廓的均方根偏差，并分為14級。1950年，英國標準BS1134-1950《表面結構的評定》也采用中線制，只用輪廓的算術平均值一個參數。1952年，聯邦德國同時發布了DIN4760和DIN4762兩個標準，其內容涉及到表面粗糙度的參數、術語以及標注方法等。1966年，國際標準化組織“表面特性及其計量”技術委員會ISO正式提出《ISO/R468-1966表面粗糙度》國際推薦標準。該標準頒布后，一方面有很多國家據此修改或制訂了本國標準，并都采用“表面粗糙度”這一術語，從而使各國標準基本上趨于一致。另一方面，又陸續制訂出一系列有關表面粗糙度的測量儀器及比較樣塊等標準。2000年，ISO頒布了最新標準《ISO4287 表面結構的術語、定義及參數》。
1956年，原第一機械工業部參照蘇聯標準ГОСТ2789-51，制訂出我國最早的表面光潔度標準：機50-56《表面光潔度等級及代號》。1959年，我國發布了第一個機械制圖國家標準GB131-59《機械制圖—表面光潔狀況、鍍涂和熱處理的代(符)號及標注》，并于1968年正式發布了我國第一個表面光潔度國家標準GB1031-68《表面光潔度》。1974年又頒布了GB131-74機械制圖國家標準，代替GB131-59。1982年國家標準局及機械工業部下達了修訂表面光潔度標準的計劃，修訂了表面光潔度標準，并將“表面光潔度”改為國際通用的“表面粗糙度”。1983年由國家標準局批準發布了以下三個新的國家標準：GB3505-83《表面粗糙度術語表面及其參數》；GB1031-83《表面粗糙度參數及其數值》，代替GB1031-68；GB131-83《機械制圖表面粗糙度代號及其注法》，代替GB131-74。1985年，國家標準局又發布了有關粗糙度測量儀器與樣塊等方面的4項標準。即：GB6060.1-85《表面粗糙度比較樣塊鑄造表面》；GB6060.2-85《表面粗糙度比較樣塊磨、車、幢、銑、插及刨加工表面》；GB6061-85《輪廓法測量表面粗糙度的儀器術語》；GB6062-85《輪廓法觸針式表面粗糙度測量儀輪廓記錄儀及中線制輪廓計》。
以下是關于表面結構的部分最新標準：
GB/T 131-2006《技術產品文件中表面結構的表示法》
GB/T 1031-2009《表面結構輪廓法表面粗糙度參數及其數值》
GB/T 3505-2009《表面結構輪廓法術語、定義及表面結構參數》
GB/T 6062-2009《表面結構輪廓法接觸（觸針式）儀器的標稱特性》
GB/T 7220-2004《表面結構輪廓法表面粗糙度術語參數測量》
GB/T 10610-2009《表面結構輪廓法評定表面結構的規則和方法》
GB/T 6060.1-1997 《表面粗糙度比較樣塊鑄造表面》
GB/T 6060.2-2006《表面粗糙度比較樣塊磨、車、幢、銑、插及刨加工表面》
GB/T 6060.3-2008 《表面粗糙度比較樣塊第3部分：電火花、拋（噴）丸、噴砂、研磨、銼、拋光加工表面》
二、表面粗糙度評定參數
在選擇表面粗糙度參數時，應能充分合理地反映表面微觀幾何形狀的真實情況。對大多數表面來說，一般只給出高度特征評定參數。表面粗糙度參數應從高度特征參數Ra、Rz、Ry中選取。評定參數Ra較能客觀反映表面微觀幾何形狀特征，而且所用測量儀器（輪廓儀）的測量方法比較簡單，能連續測量，測量效率高。對于光滑表面和半光滑表面，普遍采用Ra作為評定參數。評定參數Rz僅考慮5個峰頂和5個谷底的幾個點，在反映微觀幾何形狀特征方面不如Ra全面。同時若所取的峰谷不同，Rz值也不同。但Rz值易于在光學儀器上測得，且計算方便，因此使用較多。對于極光滑和粗糙的表面，采用Rz作為評定參數。在幅度參數（峰和谷）常用的參數值范圍內（Ra為0.25-6.3μm，Rz為0.1-25μm）優先選用Ra。評定參數Ry值反映的表面微觀幾何形狀特征更不全面，但由于測量簡便，同時也彌補了Ra、Rz不能測量極小面積的不足。因此Ry參數可以單獨使用，也可以與Ra或Rz聯用，以控制微觀不平度谷深，從而控制表面微觀裂紋。當被測表面很小，不宜采用Ra或Rz評定時，也常用參數Ry。
一般說來，Ra與Rz在理論上無任何固定關系。1962年我國曾對兩者的對應關系進行過驗證，得出Ra與Rz之間具有一定的近似換算關系。即:
在Ra≥2.5μm（相當于▽1~▽6）范圍內，Rz=4Ra。
在Ra<2.5μm （相當于▽7~▽14）范圍內，Rz=5Ra。
因此，在實際應用中，當被測輪廓表面比較均勻時，Rz大致為Ra的4~5倍。這種關系可供計算或要求不高時換算參考，但不作仲裁用。
三、表面粗糙度測量方法
對表面粗糙度的評價主要分為定性和定量兩種評定方法。定性評定是將待測表面和已知表面粗糙度級別的標準樣板相比較，通過目估或借助于顯微鏡以判別其級別。定量評定則是通過一定的測量方法和相應的儀器，測出待測表面的粗糙度數值。
1.粗糙度樣板比較法
表面粗糙度樣板是按各種加工方法做成的不同幾何形狀的一套標準表面樣塊，用來與被測的表面比較。以樣塊工作面的表面粗糙度為標準，憑觸覺（如手感）或視覺（可借助放大鏡、比較顯微鏡等）與待測工件表面進行比對，從而判斷被檢查表面的粗糙度是否滿足要求。這是一種定性的檢查方法。所選用的樣塊和被測零件的加工方法必須相同，并且樣塊的材料、形狀、表面色澤等應盡可能與被測零件一致。根據被測表面加工痕跡的深淺來決定其表面粗糙度輪廓是否符合技術要求。若被測表面加工痕跡的深度相當于或小于樣塊加工痕跡的深度，則表示該被測表面粗糙度輪廓幅度參數Ra值不大于樣塊所標記的Ra值。
圖1 粗糙度樣板
觸覺比較法適用于檢測Ra值為0.63~10mm的外表面；目測法適用于檢測Ra值2.5~80mm的表面；用5～10倍放大鏡比較適用于檢測Ra值0.32~2.5mm的表面；用比較顯微鏡適用于檢測Ra值0.08~10mm的表面。
這種方法簡單易行，工廠比較常用，尤其是車間檢驗中常用。一般只用于粗糙度評定參數值較大的情況下，其判斷的準確性很大程度上取決于檢驗人員的經驗，只能定性測量，無法得到定量值，當有爭議時可用儀器進行測量。
2. 印模法測量
對于大型零件或零件內表面等（如深孔、盲孔、凹槽、內螺紋）不易直接測量的情況下可用印模法。印模表面的峰谷值總要比被測表面的峰谷值要小些，因而對此結果需加以修正。其修正系數值與所用材料等有關，應由實驗來確定。
3.觸針法測量
觸針法又稱針描法，它是一種接觸式測量方法，是利用儀器的測針與被測表面相接觸，并使測針沿其表面輕輕劃過以測量表面粗糙度的一種測量法。
將一個很尖的觸針垂直安置在被測表面上作橫向移動，由于工作表面粗糙不平，因而觸針將隨著被測表面輪廓形狀作垂直起伏運動。將這種微小位移通過電路轉換成電信號并加以放大和運算處理，即可得到工件表面粗糙度參數值；也可通過記錄器描繪出表面輪廓圖形，再進行數據處理，進而得出表面粗糙度參數值。
圖2 觸針法測量原理
該方法適宜測量Ra值為0.025~12.5mm，Rz值為0.02~160μm范圍內的表面粗糙度。觸針法不能用于軟質材料、現場高速在線場合，這是因為用針測量輪廓時，針尖必須給表面施加一定的壓力，使觸針易劃破被測表面及測量速度低。因此，在測量高密表面、不允許有劃傷軟質表面及需要在線高速測量表面，觸針法就顯得力不從心了。另外，由于橫向分辨率會受觸針直徑限制，不宜對超光滑表面的測量。
該類設備有英國TaylorScan 3D scanner三維輪廓儀、英國Form Talysurf PGI粗糙度儀、哈爾濱量具刃具集團有限責任公司生產的2205A型臺式表面粗糙度測量儀等。
圖3 Form Talysurf PGI 粗糙度儀
圖4 2205A型臺式表面粗糙度測量儀
4.光切法測量
所謂光切法就是用一狹窄的扁平光束以一定的傾斜角照射到被測表面上，光束在被測表面上發生反射，將表面微觀粗糙度用顯微鏡放大成像進行觀測。測量儀器用光切顯微鏡，有JSG型和9J型。它可用于測量車、銑、刨及其他類似方法加工的金屬外表面，還可觀察木材、紙張、塑料、電鍍層等表面。從目鏡觀察表面粗糙度輪廓圖像，用測微裝置測量Rz值，也可以通過測量描繪出的輪廓圖像，再計算Ra值，因其方法較繁瑣而不常用，適用于計量室測量表面粗糙度Rz為0.8~100μm（相當于Ra值為0.16~20μm）的平面和外圓柱表面。
圖5 光切法原理
5.干涉法測量
干涉法是利用干涉顯微鏡測量表面粗糙度，聯合運用干涉原理和顯微放大原理。對測量面垂直高度方向的微觀不平度通過光波干涉法進行放大測量，對表面粗糙度的水平參數通過顯微放大系統測量。干涉顯微鏡具有表面信息直觀和測量精度高等優點，而且一次就可測定一塊面積。根據分光方案的不同，分光路干涉顯微鏡可分為Michelson，Mirau和Linik三種。
干涉法主要用于測量表面粗糙度的Ry和Rz參數，這種方法適宜測量Rz值為0.063~1.0μm（相當于Ra值為0.01~0.16μm）的平面、外圓柱面和球面。
該類設備有VEECO公司的NT1100三維輪廓儀、Olympus BX61 DIC顯微鏡等。
圖6 VEECO公司NT1100三維輪廓儀
圖7 Olympus BX61 DIC顯微鏡
6.散射法測量
散射法是采用光強對比來評價表面結構的一種方法。光源發射的光波通過光學系統平行或發散地入射到被測工件表面，被測件表面反射光波所反映的被測件表面形狀的光學信息由與光學信息相關的各種形式的光電傳感器和后處理電路予以處理。
對于表面粗糙度數值較小的表面，散射光能較弱，反射光能較強；反之，表面粗糙度數值較大的表面，散射光能較強，反射光能較弱。
基于光學散射原理的表面粗糙度檢測方法，具有結構簡單、體積小、易于集成產品、動態響應好、適于在線測量等優點。該方法的缺點是測量精度不高，用于超光滑表面粗糙度的測量還有待進一步改進。
這種方法適宜測量Ra值為0.012~2.0μm的平面、外圓柱面和球面、樣塊等。也可以用來測量零件表面劃線、鍍層等深度。
此類設備有OptoSurf公司的OS500型在線激光散斑粗糙度測量儀等。
圖8 OS500型在線激光散斑粗糙度測量儀
7.光學探針法
原理上類似機械探針式測量方法，探針改用聚焦光束取代金剛石針尖，表面輪廓高度的變化通過檢測焦點誤差來實現。目前采用的有激光三角法探針、光學臨界角法探針、像散法探針、共焦掃描探針、基于光纖的光學針掃描法等。
光學探針式測量系統的測量范圍比其他方法要大許多，它不僅能測量局部表面的粗糙度，還能精確測量1mm范圍內的表面形狀變化，以及檢測表面的微小缺陷。
此類設備有Nanofocus-μScan光學掃描輪廓儀等。
圖9 Nanofocus-μScan光學掃描輪廓儀
除了以上幾種測量方法之外還有激光法（激光全息法、激光光斑法、激光散斑法）、氣動法、電容法、熱比較法、微波法、紅外輻射法、電子顯微鏡法、光纖傳感法、原子力法、X射線干涉技術等多種方法，還有基于計算機視覺的粗糙度測量方法等。
四、表面粗糙度測量技術的發展方向
隨著科學技術的迅速發展，為超精密加工表面粗糙度的測量提供了更先進的測量手段，不僅使測量精度達到了納米數量級，而且能夠以相當高的分辨率探測加工表面原子和分子的微觀形貌，得到真實的三維圖像。目前，表面粗糙度測量技術主要是向提高系統橫向分辨率、三維形貌測量和在線檢測方向發展，基于計算機視覺技術的表面粗糙度非接觸式檢測方法受到越來越多的重視，對三維表面微觀形貌的表征方法和評定參數的研究也越來越迫切。
來源：精密智造
