第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量 微观形貌是指外表的微观形状。他是由于加工过程中刀具和工件的摩檫、切削分别时的塑性变形和金属撕裂、加工系统的高频震动等缘由，在零件外表留下的各种不同外形和尺寸的微观构造。 外表微观形貌在很大程度上决议了零件的运用性能。如：机械系统的磨擦磨损、接触刚度、疲劳强度、配合性质、传动精度、腐蚀性等。它是机械产品的重要质量目的。 机械加工中描画外表微观形貌误差常用的参数是外表粗糙度。第一节：外表粗糙度的评定参数及新规范引见第二节：外表粗糙度的常规丈量方法 第三节: CSPM5000扫描探针显微镜第四节：总结v第一第一节：外表粗糙度的：外表粗糙度的评定参数及国家新定参数及国家新规范引范引见v1、现行外表粗糙度国家行外表粗糙度国家规范范v 现行外表粗糙度国家行外表粗糙度国家规范范为GB/T3505-2000 ，取代了，取代了GB/T3505-1983，在旧，在旧规范中只将外表粗糙度范中只将外表粗糙度轮廓及其参数定廓及其参数定义为外表构造特性的独一外表构造特性的独一组成部分成部分 ,给出的出的术语和定和定义.而在新而在新规范中范中,对粗糙度其技粗糙度其技术内容与内容与ISO4287:1997等效等效 v 本本规范中把外表构造用范中把外表构造用轮廓法描画：廓法描画：v 外表构造包括外表构造包括 1.原始原始轮廓廓(10mm);v 2.波波纹度度轮廓廓 1mm10mm) ；v 3.粗糙度粗糙度轮廓廓 1mm；v 粗糙度的参数分粗糙度的参数分为高度特征参数主参数；高度特征参数主参数；间距特征参数与外形特征参数附加参数共距特征参数与外形特征参数附加参数共14项。实践中最常丈量践中最常丈量评定的参数定的参数为高度参数高度参数Ra,Rz,Ry，优先先选用用Ra第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量 图表图表 面面 轮轮 廓廓 的的 组组 成成第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量1.轮廓算术平均偏向轮廓算术平均偏向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第二节：外表粗糙度的常规丈量方法第二节：外表粗糙度的常规丈量方法v一一.比较法比较法:v 将被测外表对照粗糙将被测外表对照粗糙度度v样板用肉眼或借助放大镜样板用肉眼或借助放大镜,也也v可以用手比较可以用手比较.v 此方法只适用于低精此方法只适用于低精度等度等v级的工件级的工件,判别的准确程度判别的准确程度取取v决于检验人员的阅历决于检验人员的阅历.该方该方法法v如今几乎不用如今几乎不用.图第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量 二二.光切法与光切光切法与光切显微微镜1.光切法丈量原理光切法丈量原理: 丈量原理如丈量原理如图4-2-2所示，由光源所示，由光源发出的光出的光线经狭狭缝及物及物镜1以以45的方的方向投射到被向投射到被测工件外表。工件外表。该光束好像一平面与被光束好像一平面与被测外表成外表成45相截，由于被相截，由于被测外表粗糙不平，故两者交外表粗糙不平，故两者交线为一凹凸不平的一凹凸不平的轮廓廓线，如如图2。 该光光线又由被又由被测外表外表反射，反射，经过物物镜2成像在成像在分划板上，在分划板上，在经过目目镜就就可以察看到一条放大了的可以察看到一条放大了的凹凸不平的凹凸不平的轮廓廓线，如，如图4-2-3 图图 丈量原理图丈量原理图图图 光束与光束与 外表截图外表截图第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量2.光切光切发发的特点的特点: 所用所用仪仪器器 为为光切光切显显微微镜镜(双管双管显显微微镜镜),适用与适用与规规那么外表那么外表(如如:车车、铣铣、刨等、刨等去除去除资资料的加工外表料的加工外表 ,且外表有一定且外表有一定的反射才干。可以丈量的反射才干。可以丈量Rz、Ry、S参数，丈量范参数，丈量范围围:(.80m)丈量丈量方法属于非接触丈量方法属于非接触丈量图双管显微镜第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量三三.干涉法及干涉显微镜干涉法及干涉显微镜1.1.干涉法的丈量原理干涉法的丈量原理: : 干涉干涉显显微微镜镜是根据光学干涉原理制成的。是根据光学干涉原理制成的。图图4-2-6)4-2-6)为为其光学系其光学系统统表示表示图图。由光源。由光源1 1发发出的光出的光线经线经聚光聚光镜镜2 2滤滤色片色片3 3、光、光阑阑4 4、及透、及透镜镜5 5后成平行光后成平行光线线，射向半透半反的分光，射向半透半反的分光镜镜7 7后分成两束：一束光后分成两束：一束光线经过补偿镜线经过补偿镜8 8、物、物镜镜9 9到平面反射到平面反射镜镜1010，被，被1010反射又回到分光反射又回到分光镜镜7 7，再由，再由7 7经经聚聚1111到反射到反射镜镜1616，由，由1616进进入入目目镜镜1212；另一束光；另一束光线线向上向上经过经过物物镜镜6 6，投射，投射到被到被测测零件外表，由被零件外表，由被测测外表反射回来通外表反射回来通过过分光分光镜镜7 7、聚光、聚光镜镜1 11 1到反射到反射镜镜1616，由，由1 61 6反射也反射也进进入目入目1212。在目。在目镜镜1212的的视场视场内可内可观观察到察到这这两束光两束光线线因光程差而构成的干涉因光程差而构成的干涉带带图图形，假形，假设设被被测测外表粗糙不平，干涉外表粗糙不平，干涉带带即成即成弯曲外形如弯曲外形如图图。由。由测测微目微目镜镜可可读读出相出相邻邻两两二干涉二干涉带间带间隔隔a a以及干涉以及干涉带带弯曲高度弯曲高度b b。由。由于光程差每添加半个波于光程差每添加半个波长长，即构成一条干，即构成一条干涉涉带带，故被，故被测测外表微外表微观观不平度的不平度的实实践高度践高度为为 式中：式中：为为光波波光波波长长。 图干涉显微镜丈量原理1一光源；2，11，15一聚光镜；3一滤色片；4一光阑；5一透镜；6，9-物镜； 7一分光镜；8一补偿镜；10，14，16一反射镜；12一目镜；13一透光窗第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形外表粗糙度及外表微观形貌丈量貌丈量干涉法的特点：干涉法的特点：所用所用仪器器为干涉干涉显微微镜，可，可测参数参数Rz、Ry，具有，具有较大的放大倍数大的放大倍数丈量范丈量范围：m适用于丈量不适用于丈量不规那么外表如磨削等那么外表如磨削等加工外表，被加工外表，被测件不件不应太大且具有太大且具有反射才干，最适用于量反射才干，最适用于量块外表粗糙度外表粗糙度的丈量属于非接触丈量的丈量属于非接触丈量图图J型干涉显微型干涉显微镜镜第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量四触针法与电动轮廓仪四触针法与电动轮廓仪触针法的丈量原理：触针法的丈量原理：如下图：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顿在如下图：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顿在被测外表上作横向挪动，将纵向微小的位移经过传感器转换成电信号，再经丈量电路被测外表上作横向挪动，将纵向微小的位移经过传感器转换成电信号，再经丈量电路放大、调理处置、计算、即可以在显示器上读出工件的外表粗糙度值，也可经过记录放大、调理处置、计算、即可以在显示器上读出工件的外表粗糙度值，也可经过记录器描画出外表轮廓图形器描画出外表轮廓图形 图触针法丈量原理图图触针法丈量原理图第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量触针法丈量的特点：所用仪器为电动轮廓仪或粗糙度仪，与前两种仪器相比该丈量方法显示更直观、操作更方便、效率更高、丈量范围更大 m更广,即适用适用于规那么外表又适用于不规那么外表；不要求被测外表具有反射才干；更重要的是可以丈量参数Ra值所以现今运用最多的就是这种方法但它属于接触丈量，不适用于强度硬度较低的外表图10型电动轮廓仪图图 TR200型手持式粗糙度型手持式粗糙度仪仪第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量五五.印模法印模法1.原理原理: 利用某些塑性利用某些塑性资料将被料将被测外表印模下来外表印模下来,然后然后对印摸外表印摸外表进展丈量展丈量.常用的印模常用的印模资料有川蜡、石蜡和低熔点合金等，料有川蜡、石蜡和低熔点合金等，2.特点特点: 印模印模资料的料的强度和硬度都不高度和硬度都不高,固普通不用固普通不用针描法丈量它描法丈量它.由于印模由于印模资料不能料不能够填填满谷底谷底,且取下印模且取下印模资料料时往往使印往往使印模波峰削平模波峰削平,所以所以测得印模的得印模的Rz值比比实践略有减少，普通践略有减少，普通可以根据可以根据实验进展修整印模法适用于大尺寸的内外表展修整印模法适用于大尺寸的内外表丈量范丈量范围为Rz m 第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量第三节第三节 扩展与总结扩展与总结1.粗糙度丈量开展的趋势粗糙度丈量开展的趋势 电动轮廓仪是运用最广的外表粗糙度丈量仪器之一电动轮廓仪是运用最广的外表粗糙度丈量仪器之一,然而然而有许多被测件的外表有许多被测件的外表,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外表也不能用触针式电触针划伤的；另外有一些质地较软的外表也不能用触针式电动轮廓仪丈量；特别是为了提高外表粗糙度的丈量效率，发动轮廓仪丈量；特别是为了提高外表粗糙度的丈量效率，发展方向是实现外表粗糙度的在线丈量，因此非接触式外表轮展方向是实现外表粗糙度的在线丈量，因此非接触式外表轮廓探测技术遭到注重并得到开展。它综合运用激光、传感器、廓探测技术遭到注重并得到开展。它综合运用激光、传感器、计算机和图象识别等技术的新成果处理或正在处理机械加工计算机和图象识别等技术的新成果处理或正在处理机械加工和其他领域里新出现的外表粗糙度及外表微观形貌的丈量问和其他领域里新出现的外表粗糙度及外表微观形貌的丈量问题。下面以简单引见题。下面以简单引见CSPM5000扫描探针显微镜扫描探针显微镜第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量vCSPM5000扫描探针显微镜的构造扫描探针显微镜的构造第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量CSPM5000扫描探针显微镜任务方式扫描探针显微镜任务方式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的程度分辨率小于的程度分辨率小于0.1 纳纳米，垂直分辨率小于米，垂直分辨率小于0.01 纳米。普通来讲，物体在固纳米。普通来讲，物体在固态下原子之间的间隔在零点一到零点几个纳米之间，态下原子之间的间隔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外表构造的原子、因此在扫描隧道显微镜下导电物质外表构造的原子、分子形状明晰可见。扫描隧道显微镜分子形状明晰可见。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，因此它要求样品具有良好的导电性。行成像的，因此它要求样品具有良好的导电性。第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量 扫描隧道显微镜任务原理表示图扫描隧道显微镜任务原理表示图 隧道电流强度对针尖和样品之间的间隔有着指数依赖关系，当间隔减小0.1nm，隧道电流即添加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，我们利用电子反响系统可以得到样品外表微小的高低起伏变化的信息，假好像时对x-y 方向进展扫描，就可以直接得到三维的样品外表形貌图，这就是扫描隧道显微镜的任务原理。第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量2、原子力、原子力显显微微镜镜1 接触方式下，接触方式下，针针尖与尖与样样品外表悄然接触品外表悄然接触 ；2 在在轻轻敲方式下，敲方式下，扫扫描成像描成像时针时针尖尖对样对样品品进进展展“敲敲击击，两者，两者间间只需瞬只需瞬间间接触。适宜柔接触。适宜柔软软和吸附和吸附样样品品3 作作为轻为轻敲方式的一敲方式的一项项重要的重要的扩扩展技展技术术，相移方式，相移方式(相位移方式相位移方式)是是经过检测驱动经过检测驱动微微悬悬臂探臂探针针振振动动的信号的信号源的相位角与微源的相位角与微悬悬臂探臂探针实针实践振践振动动的相位角之差的相位角之差 即即两者的相移两者的相移 的的变变化来成像。化来成像。下面，我下面，我们们以激光以激光检测检测原子力原子力显显微微镜镜 接触方式来接触方式来说说明其任明其任务务原理。原理。第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量激光检测原子力显微镜任务原理表示图激光检测原子力显微镜任务原理表示图样品外表的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品外表的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品外表形貌而弯曲起伏样品外表形貌而弯曲起伏第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量2.总结总结 在本节课中要留意以下几个问题的了解和把握在本节课中要留意以下几个问题的了解和把握: 1) 外表粗糙度、外表微观形貌、外表构造轮廓三个概念的区别与联络；外表粗糙度、外表微观形貌、外表构造轮廓三个概念的区别与联络；2) 留意对新旧外表粗糙度国家规范的了解，新旧规范在国内会有一段时期的共留意对新旧外表粗糙度国家规范的了解，新旧规范在国内会有一段时期的共存存 。3) 根据被测件的特点和被丈量的特点及定义正确选择以上所引见的五种常规的丈根据被测件的特点和被丈量的特点及定义正确选择以上所引见的五种常规的丈量方法及丈量仪器的型号量方法及丈量仪器的型号.选择的原那么是在满足丈量要求的前提下兼顾经济选择的原那么是在满足丈量要求的前提下兼顾经济性性.4) 加工业的开展会给我们提出更多新的外表粗糙度及外表微观形貌的丈量课题，加工业的开展会给我们提出更多新的外表粗糙度及外表微观形貌的丈量课题，所要求的丈量精度也会越来越高，这就需求我们不断的学习新的实际和新的所要求的丈量精度也会越来越高，这就需求我们不断的学习新的实际和新的技术，去处理一个个技术课题。技术，去处理一个个技术课题。 第四章第四章 外表粗糙度及外表微观形貌丈量外表粗糙度及外表微观形貌丈量