表面粗糙度先进测量方法及仪器

3.5.2　表面粗糙度的检测

表面粗糙度的检测方法主要有比较法、光切法、针触法和干涉法。

1．比较法

比较法就是将被测零件表面与粗糙度样板用肉眼或借助放大镜、比较显微镜比较，也可用手摸感触进行比较，从而估计出被加工表面粗糙度。表面粗糙度样板的材料、形状及制造工艺尽可能与工件相同，这样才便于比较。机械加工表面粗糙度比较样板包括车、磨、镗、铣及刨等，通常适合于测量R_a为0.025～50μm的表面粗糙度值。如图3-17所示为车削用表面粗糙度比较样板。

图3-17　车削用表面粗糙度比较样板

尽管这种方法评定的可靠性取决于检验人员的经验，但它具有测量方便、成本低、对环境要求不高等优点，所以被广泛地用于生产现场检验一般要求的表面粗糙度。

2．光切法

光切法是利用光切原理测量表面粗糙度的方法。常采用的仪器是光切显微镜（双管显微镜，见图3-18）。光切法通常用于测量R_a为0.5～80μm的表面，可用于测量车、铣、刨及其它类似方法加工的金属外表面，还可用来观察木材、纸张、塑料、电镀层等表面的微观不平度R_z、R_y。

图3-18　光切显微镜

1—光源　2—立柱　3—锁紧螺钉　4—微调手轮　5—粗调螺母

6—底座　7—工作台　8—物镜组　9—测微鼓轮　10—目镜　11—照相机插座

光切法的基本原理如图3-19所示。光切显微镜由两个镜管组成，右为投射照明管，左为观察管。两个镜管轴线成90°。照明管中光源1发出的光线经过聚光镜2、光阑3及物镜4后，形成一束平行光带。这束平行光带以45°的倾角投射到被测表面。光带在粗糙不平的波峰S₁和波谷S₂处产生反射，再经观察管的物镜4后分别成像于分划板5的S₁′和S₂′。若被测表面微观不平度高度为h，轮廓峰、谷S₁与S₂在45°截面上的距离为h₁，S₁′和S₂′之间的距离h₁′是经物镜后的放大像。若测得h₁′，便可求出表面微观不平度高度h：

h=h₁cos45°=（h₁′/K）cos45°

式中　K——物镜的放大倍数。

测量时将目镜测微器中分划板上十字线的横线与波峰对准，记录下第一个读数，然后移动十字线，使十字线的横线对准峰谷，记录下第二个读数。由于分划板十字线与分划板移动方向成45°角，故两次读数的差值即为图中的H，H与h₁′的关系为：h₁′=Hcos45°。

可得：h=H/2K，令i=1/2K，则：h=iH。

式中　i——使用不同放大倍数的物镜时鼓轮的分度值，由仪器说明书给定。

图3-19　光切显微镜测量原理

3．针触法

针触法也叫做轮廓法，是通过针尖感触被测表面微观不平度的截面轮廓测量方法，它是一种接触式电测量方法。所用测量仪器为轮廓仪，它可以测定R_a为0.025～5μm的表面。该方法测量范围广、快速可靠、操作简便并易于实现自动测量，但被测表面易被触针划伤。

图3-20（a）是电感式轮廓仪的原理示意框图，图3-20（b）是传感器结构原理图。传感器测杆上的触针1与被测表面接触，当触针以一定速度沿被测表面移动时，工件表面的峰谷使传感器杠杆3绕其支点2摆动，进而使电磁铁芯5在电感线圈4中运动，引起电感量的变化，使测量电桥输出电压引起相应变化，经过放大、滤波等处理，可驱动记录装置画出被测的轮廓图形，也可经过计算器驱动指示表读出R_a数值。

图3-20　针触法测量表面粗糙度原理图

4．干涉法

干涉法是利用光波干涉原理来测量表面粗糙度的方法。常用的仪器是干涉显微镜，适合用R_z及R_y值来评定表面粗糙度，测量范围通常为0.05～0.8μm。

实际检测中，常常会遇到一些特殊部位和某些内表面，不便使用上述仪器直接测量，评定这些表面的粗糙度时，常采用印模法。它是利用一些无流动性和弹性的塑性材料，贴合在被测表面上，将被检测的表面轮廓复制成模，然后测量印模，以评定被测表面的粗糙度。