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1、第四章表面粗糙度测量第四章表面粗糙度测量本讲稿第一页，共十九页v第一节：表面粗糙度的评定参数及国家新标准介绍第一节：表面粗糙度的评定参数及国家新标准介绍1、现行表面粗糙度国家标准、现行表面粗糙度国家标准 现行表面粗糙度国家标准为现行表面粗糙度国家标准为GB/T3505-2000 产品几何技术规范表面结构产品几何技术规范表面结构-轮廓法表面结构的术语、定义及参数轮廓法表面结构的术语、定义及参数，取代了，取代了GB/T3505-1983，在旧标准中只，在旧标准中只将表面粗糙度轮廓及其参数定义为表面结构特性的唯一组成部分将表面粗糙度轮廓及其参数定义为表面结构特性的唯一组成部分,给出的术语和给出的术语
2、和定义定义.而在新标准中而在新标准中,对粗糙度其技术内容与对粗糙度其技术内容与ISO4287:1997等效等效 本标准中把表面结构用轮廓法描述：本标准中把表面结构用轮廓法描述：表面结构包括表面结构包括 1）.原始轮廓原始轮廓(10mm);2）.波纹度轮廓（波纹度轮廓（1mm10mm)；3）.粗糙度轮廓（粗糙度轮廓（1mm）；）；粗糙度的参数分为高度特征参数（主参数）；间距特征参数与形状特征参数粗糙度的参数分为高度特征参数（主参数）；间距特征参数与形状特征参数（附加参数）共（附加参数）共14项。实际中最常测量评定的参数为高度参数项。实际中最常测量评定的参数为高度参数Ra,Rz,Ry，优先选，优先
3、选用用Ra第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第二页，共十九页 图图表表 面面 轮轮 廓廓 的的 组组 成成第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第三页，共十九页第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量1）.轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差Ra2)微观不平度十点高度微观不平度十点高度Rz3).轮廓最大高度轮廓最大高度Ry 图图2.主参数定义主参数定义本讲稿第四页，共十九页第二节：表面粗糙度的常规测量方法第二节：表面粗糙度的常规测量方法v一一.比较法比较法:将被测表面对照粗糙度将被测表面对
4、照粗糙度样板用肉眼或借助放大镜样板用肉眼或借助放大镜,也也可以用手比较可以用手比较.此方法只适用于低精度等此方法只适用于低精度等级的工件级的工件,判断的准确程度取判断的准确程度取决于检验人员的经验决于检验人员的经验.该方法该方法现在几乎不用现在几乎不用.图第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第五页，共十九页 二二.光切法与光切显微镜光切法与光切显微镜1.光切法测量原理光切法测量原理:测量原理如图测量原理如图4-2-2所示，所示，由光源发出的光线经狭缝及物由光源发出的光线经狭缝及物镜镜1以以45的方向投射到被测工的方向投射到被测工件表面。该光束如同一平面与
5、件表面。该光束如同一平面与被测表面成被测表面成45相截，由于被测相截，由于被测表面粗糙不平，故两者交线为表面粗糙不平，故两者交线为一凹凸不平的轮廓线，如图一凹凸不平的轮廓线，如图2。该光线又由被测表面反射，该光线又由被测表面反射，经过物镜经过物镜2成像在分划板上，在成像在分划板上，在经过目镜就可以观察到一条放经过目镜就可以观察到一条放大了的凹凸不平的轮廓线，如大了的凹凸不平的轮廓线，如图图4-2-3 图图 测量原理图测量原理图图图 光束与光束与 表面截图表面截图第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第六页，共十九页2.光切发的特点光切发的特点:所用仪器所用
6、仪器 为光切显微镜为光切显微镜(双管显微双管显微镜镜),适用与规则表面适用与规则表面(如如:车、铣、刨等车、铣、刨等去除材料的加工表面）去除材料的加工表面）,且表面有一定且表面有一定的反射能力。可以测量的反射能力。可以测量Rz、Ry、S参数，测量范围参数，测量范围:(.80m)测量测量方法属于非接触测量方法属于非接触测量图双管显微镜第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第七页，共十九页三三.干涉法及干涉显微镜干涉法及干涉显微镜1.1.干涉法的测量原理干涉法的测量原理:干干 涉涉 显显 微微 镜镜 是是 根根 据据 光光 学学 干干 涉涉 原原 理理 制制
7、成成 的的。图图4 4-2 2-6 6)为为 其其 光光 学学 系系 统统 示示 意意 图图。由由 光光 源源1 1发发出出 的的 光光 线线 经经 聚聚 光光 镜镜2 2滤滤 色色 片片3 3、光光 阑阑4 4、及及 透透镜镜5 5后后 成成 平平 行行 光光 线线，射射 向向 半半 透透 半半 反反 的的 分分 光光 镜镜7 7后后 分分 成成 两两 束束：一一 束束 光光 线线 通通 过过 补补 偿偿 镜镜8 8、物物镜镜 9 9到到 平平 面面 反反 射射 镜镜1 1 0 0，被被1 1 0 0反反 射射 又又 回回 到到 分分 光光镜镜7 7，再再 由由7 7经经 聚聚1 1 1 1
8、到到 反反 射射 镜镜1 1 6 6，由由1 1 6 6进进 入入目目 镜镜1 1 2 2；另另 一一 束束 光光 线线 向向 上上 通通 过过 物物 镜镜6 6，投投 射射到到 被被 测测 零零 件件 表表 面面，由由 被被 测测 表表 面面 反反 射射 回回 来来 通通过过 分分 光光 镜镜7 7、聚聚 光光 镜镜1 1 1 1到到 反反 射射 镜镜1 1 6 6，由由1 1 6 6反反 射射 也也 进进 入入 目目1 1 2 2。在在 目目 镜镜1 1 2 2的的 视视 场场 内内 可可 观观察察 到到 这这 两两 束束 光光 线线 因因 光光 程程 差差 而而 形形 成成 的的 干干
9、涉涉 带带图图 形形，若若 被被 测测 表表 面面 粗粗 糙糙 不不 平平，干干 涉涉 带带 即即 成成弯弯 曲曲 形形 状状 如如 图图。由由 测测 微微 目目 镜镜 可可 读读 出出 相相 邻邻 两两二二 干干 涉涉 带带 距距 离离a a 以以 及及 干干 涉涉 带带 弯弯 曲曲 高高 度度b b。由由于于 光光 程程 差差 每每 增增 加加 半半 个个 波波 长长，即即 形形 成成 一一 条条 干干涉带，故被测表面微观不平度的实际高度为涉带，故被测表面微观不平度的实际高度为 式中：式中：为光波波长。为光波波长。图干涉显微镜测量原理图干涉显微镜测量原理1 1一光源；一光源；2 2，111
10、1，1515一聚光镜；一聚光镜；3 3一滤色片；一滤色片；4 4一光阑；一光阑；5 5一透镜；一透镜；6 6，9-9-物镜；物镜；7 7一分光镜；一分光镜；8 8一补偿一补偿镜；镜；1010，1414，1616一反射镜；一反射镜；1212一目镜；一目镜；1313一透光窗一透光窗第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌表面粗糙度及表面微观形貌测量测量本讲稿第八页，共十九页干涉法的特点：干涉法的特点：所用仪器为干涉显微镜，可测所用仪器为干涉显微镜，可测参数参数Rz、Ry，具有较大的放大倍数，具有较大的放大倍数测量范围：（测量范围：（m）适用于测量不规则表面（如磨削等适用于测量不规则表面（如磨削等加工
11、表面），被测件不应太大且具有加工表面），被测件不应太大且具有反射能力，最适用于量块表面粗糙度反射能力，最适用于量块表面粗糙度的测量属于非接触测量的测量属于非接触测量图图J型干涉显微镜型干涉显微镜第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第九页，共十九页四触针法与电动轮廓仪四触针法与电动轮廓仪触针法的测量原理：触针法的测量原理：如图所示：传感器一端一个很尖的触针（半径可做到微米级的金刚石针尖）垂直安置在被测表面上作横向移动，将纵向微小的如图所示：传感器一端一个很尖的触针（半径可做到微米级的金刚石针尖）垂直安置在被测表面上作横向移动，将纵向微小的位移通过传感器转换
12、成电信号，再经测量电路放大、调理处理、计算、即可以在显示器上读出工件的表面粗糙度值，也可通过位移通过传感器转换成电信号，再经测量电路放大、调理处理、计算、即可以在显示器上读出工件的表面粗糙度值，也可通过记录器描绘出表面轮廓图形记录器描绘出表面轮廓图形 图触针法测量原理图图触针法测量原理图第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第十页，共十九页触针法测量的特点：触针法测量的特点：所用仪器为电动轮廓仪或粗糙度仪，与前两种仪器相比该测量方法显示更直观、操所用仪器为电动轮廓仪或粗糙度仪，与前两种仪器相比该测量方法显示更直观、操作更方便、效率更高、测量范围更大（作更方
13、便、效率更高、测量范围更大（m）更广）更广,即适用适用于规则表即适用适用于规则表面又适用于不规则表面；不要求被测表面具有反射能力；更重要的是可以测量参数面又适用于不规则表面；不要求被测表面具有反射能力；更重要的是可以测量参数Ra值所以值所以现今使用最多的就是这种方法但它属于接触测量，不适用于强度硬度较低的表面现今使用最多的就是这种方法但它属于接触测量，不适用于强度硬度较低的表面图图10型电动轮廓仪型电动轮廓仪图图 TR200型手持式粗糙度仪型手持式粗糙度仪第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第十一页，共十九页五五.印模法印模法1.原理原理:利用某些塑性材
14、料将被测表面印模下来利用某些塑性材料将被测表面印模下来,然后对印摸表面然后对印摸表面进行测量进行测量.常用的印模材料有川蜡、石蜡和低熔点合金等，常用的印模材料有川蜡、石蜡和低熔点合金等，2.特点特点:印模材料的强度和硬度都不高印模材料的强度和硬度都不高,固一般不用针描法测量它固一般不用针描法测量它.由于印模材料不可能填满谷底由于印模材料不可能填满谷底,且取下印模材料时往往使印且取下印模材料时往往使印模波峰削平模波峰削平,所以测得印模的所以测得印模的Rz值比实际略有缩小，一般值比实际略有缩小，一般可以根据实验进行修整印模法适用于大尺寸的内表面可以根据实验进行修整印模法适用于大尺寸的内表面测量范围
15、为测量范围为Rz m 第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第十二页，共十九页第三节第三节 扩展与总结扩展与总结1.粗糙度测量发展的趋势粗糙度测量发展的趋势 电动轮廓仪是应用最广的表面粗糙度测量仪器之一电动轮廓仪是应用最广的表面粗糙度测量仪器之一,然而然而有许多被测件的表面有许多被测件的表面,如光盘、半导体工艺化学样品是不允许如光盘、半导体工艺化学样品是不允许触针划伤的；另外有一些质地较软的表面也不能用触针式电触针划伤的；另外有一些质地较软的表面也不能用触针式电动轮廓仪测量；特别是为了提高表面粗糙度的测量效率，发动轮廓仪测量；特别是为了提高表面粗糙度的测量
16、效率，发展方向是实现表面粗糙度的在线测量，因此非接触式表面轮展方向是实现表面粗糙度的在线测量，因此非接触式表面轮廓探测技术受到重视并得到发展。它综合应用激光、传感器、廓探测技术受到重视并得到发展。它综合应用激光、传感器、计算机和图象识别等技术的新成果解决或正在解决机械加工计算机和图象识别等技术的新成果解决或正在解决机械加工和其他领域里新出现的表面粗糙度及表面微观形貌的测量问和其他领域里新出现的表面粗糙度及表面微观形貌的测量问题。下面以简单介绍题。下面以简单介绍CSPM5000扫描探针显微镜扫描探针显微镜第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第十三页，共十九
17、页vCSPM5000扫描探针显微镜的结构扫描探针显微镜的结构第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第十四页，共十九页CSPM5000扫描探针显微镜工作模式扫描探针显微镜工作模式1、扫描隧道显微镜、扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）的水平分辨率小于）的水平分辨率小于0.1 纳纳米，垂直分辨率小于米，垂直分辨率小于0.01 纳米。一般来讲，物体在固纳米。一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间，态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间，因此在扫描隧道显微镜下导电物质表面结构的原子、因此在扫描隧道显微镜下导电物质表
18、面结构的原子、分子状态清晰可见。扫描隧道显微镜（分子状态清晰可见。扫描隧道显微镜（STM）的原理）的原理是根据探针和样品之间的隧道效应产生的隧道电流进是根据探针和样品之间的隧道效应产生的隧道电流进行成像的，行成像的，因此它要求样品具有良好的导电性。因此它要求样品具有良好的导电性。第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第十五页，共十九页 扫描隧道显微镜工作原理示意图扫描隧道显微镜工作原理示意图 隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。因
19、此，根据隧道电流的变化，我们利用电子反馈系统隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，我们利用电子反馈系统可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x-y 方向进行扫描，就可以方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第十六页，共十九页2、原子力显微镜、原子力显微镜1）接触模式下，针尖与样品表面轻轻接触）接触模式下，针尖与样品表面轻轻接触；2）在
20、轻敲模式下，扫描成像时针尖对样品进行）在轻敲模式下，扫描成像时针尖对样品进行“敲击敲击”，两者间只有瞬间接触。，两者间只有瞬间接触。适合柔软和吸附样品适合柔软和吸附样品3）作为轻敲模式的一项重要的扩展技术，相移模式）作为轻敲模式的一项重要的扩展技术，相移模式(相位移模式相位移模式)是通过检测驱动微悬臂探针振动的信号是通过检测驱动微悬臂探针振动的信号源的相位角与微悬臂探针实际振动的相位角之差（即源的相位角与微悬臂探针实际振动的相位角之差（即两者的相移）的变化来成像。两者的相移）的变化来成像。下面，我们以激光检测原子力显微镜下面，我们以激光检测原子力显微镜）接触模式来说接触模式来说明其工作原理。明
21、其工作原理。第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第十七页，共十九页激光检测原子力显微镜工作原理示意图激光检测原子力显微镜工作原理示意图样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏起伏第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第十八页，共十九页2.总结总结 在本节课中要注意以下几个问题的理解和把握在本节课中要注意以下几个问题的理解和把握:1)表面粗糙度、表面微观形貌、表面结构（轮廓）三个概表面粗糙度、表面
22、微观形貌、表面结构（轮廓）三个概念的区别与联系；念的区别与联系；2)注意对新旧表面粗糙度国家标准的了解，新旧标准在国注意对新旧表面粗糙度国家标准的了解，新旧标准在国内会有一段时期的共存内会有一段时期的共存。3)根据被测件的特点和被测量的特点及定义正确选择以上所根据被测件的特点和被测量的特点及定义正确选择以上所介绍的五种常规的测量方法及测量仪器的型号介绍的五种常规的测量方法及测量仪器的型号.选择的原则选择的原则是在满足测量要求的前提下兼顾经济性是在满足测量要求的前提下兼顾经济性.4)加工业的发展会给我们提出更多新的表面粗糙度及表面微加工业的发展会给我们提出更多新的表面粗糙度及表面微观形貌的测量课题，所要求的测量精度也会越来越高，这观形貌的测量课题，所要求的测量精度也会越来越高，这就需要我们不断的学习新的理论和新的技术，去解决一个就需要我们不断的学习新的理论和新的技术，去解决一个个技术课题。个技术课题。第四章第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面粗糙度及表面微观形貌测量本讲稿第十九页，共十九页