精密零件表面粗糙度的测量方法综述
摘要：精密零件的表面粗糙度是表征工件表面质量的主要指标，也是工程实际中应用最广泛的，因此准确测量工件表面粗糙度是评价工件表面质量优劣的有效方法。本文按接触式和非接触式测量方法分类介绍了表面粗糙度的测量方法及其最新研究进展。
关键词：表面粗糙度；测量；精密制造
0 引言
表面粗糙度，其英文缩写为SR,即surface roughness，是指加工表面上具有较小间距和微小峰谷不平度，是评定加工后的材料表面由峰、谷和间距等构成的微观几何形状误差的物理量。
表面粗糙度是衡量表面质量的主要依据。关系到零件与机器的使用性能和寿命，尤其对在高温，高速和高压条件下工作的机械零件影响更大。因此，在零件加工、使用中必须对表面粗糙度予以控制，提高零件生产时的表面质量，保证产品质量。所以表面粗糙度的测量方法的研究至关重要。随着对加工零件表面质量的要求越来越高，零件表面粗糙度的精确测量显得
尤其的重要。
表面粗糙度测量按测量方式可以分为接触式和非接触式两种。
1 接触式测量
接触式测量就是测量装置的探测部分直接接触被测表面，能够直观地反映被测表面的信息，但是这类方法不适合于那些易磨损刚性强度高的表面。主要有比较法、印模法、针描法等测量方法。
1.1 比较法[1,2]
比较法是车间现场常用的最简便易行的方法，是将被测表面与表面粗糙度比较样块进行比较，用肉眼判断或借助于放大镜、比较显微镜放大后进行比较；也可用手摸、指甲划动的感觉来判断被测表面的粗糙度。比较法一般只用于粗糙度参数值较大时的近似评定。一般说来Ra > 2.5 μm的加工表面可直接目测与比较样块进行比较。当目测不易判别时，可用手指甲以适当速度分别沿比较样块和被测表面划过，凭主观触觉进行判断。根据经验，当表面微观不平度间距在0.1 mm 左右时，手指的移动速度以25 mm/s 为宜。当Ra 值在0.4～2.
5 μm 范围时可采用5～10 倍放大镜进行观察比较。当Ra 值在0.1～0.4 μm 范围时，可用比较显微镜（放大25～50 倍）进行观察比较。当Ra值小于0.1 μm 时，不适合采用比较法判定。
1.2 印模法[3]
印模法是利用一些无流动性和弹性的塑料材料，贴合在被测表面上，将被测表面的轮廓复制成模，然后测量印模，从而评定被测表面的粗糙度。适用于对于某些既不能用仪器直接测量，也不便于用样板相对比的表面，如深孔，盲孔，凹槽，内螺纹或某些大型零件的内表面等，但这种方法的测量精度不高且过程繁琐。
1.3 针描法[3]
针描法又称触针法，利用触针式表面粗糙度测量仪进行测量，用一种特殊触针( 多为金刚石触针) 以一定的速度沿着被测工件表面移动，由于表面的微观不平引起触针的上下运动，把触针移动的变量经过机械的、光学的或者电学的转换后，再经放大、运算，得到被测表面的粗糙度评定参数数值的一种检测方法。触针式表面粗糙度测量方法在机械零件测
试中的应用十分广泛。理论上当针尖半径为零时所测轮廓为实际轮廓，所以针尖半径越小越好，但针尖半径过小又会划伤被测表面，因此不适用于超高精表面的测量。在目前定量测量中用的最多的是触针式电动轮廓仪，此类仪器具有稳定性好、示值客观可靠、使用方便等特点。如图1.1即为其中一种触针式粗糙度测量仪。
图1.1 触针式粗糙度测量仪
2. 非接触式测量
非接触式测量就是利用对被测表面形貌没有影响的手段间接反映被测表面信息来进行测量
的方法，该类方法的最大优点就是测量装置的探测部分不与被测表面进行直接接触，在保护被测表面的同时也保护了测量仪器，又不会因与被测表面的接触而引入测量误差。主要有光切法、光干涉法、激光散斑法、光散射法、聚焦法、激光衍射法、超声波法、实时全息法、AFM法等测量方法。
2.1 光切法[3]
光切法是采用光切显微镜对表面粗糙度进行测量的方法。采用光切原理，适用的粗糙度参数主要为Rz。对于其他参数的测量繁琐复杂且示值误差较大。仪器受总放大倍率和物镜的数值孔径限制了测量范围，测量范围为0.8～80μm。超出测量范围便无法清晰成像。该方法的优点是成本低，易操作。
2.2 光干涉法
光干涉法中常用的是采用干涉显微镜进行测量，要求被测表面有一定的反射率。适用于超精细加工表面。测量的主要参数是Rz。测量范围为0.1～1.0 μm。最常用的是6JA 型干涉显微镜。采用干涉显微镜测量时难度较高，利用光波波长作为尺寸来衡量工件表面的平面
深度。为了在较短的时间内调出条纹，在所有准备工作完成的前提下，先要在目镜视场中调出清晰的弓形图象，接着是调焦，调到能看到清晰工件表面图象，注意工件的纹理要垂直光波。再接下来是利用仪器上的手柄以很慢的速度来回转动手轮，得到清晰的五彩缤纷的干涉条纹，如果工件稍动一下，图象没有了，这时只要细调焦距即可解决。
2.3 激光散斑法[4]
散斑的形成主要归于干涉效应。当一束相干光照射到被测表面时, 表面不同部位的反射光发生干涉形成强度分布为粒状的散斑。同时, 光在粗糙表面发生反射时还会发生散射, 因而在观察屏上所观察到的散斑图样是由反射散斑和散射光带共同组成的。散斑是由反射光的相位差受表面微观形貌的调制而产生, 初中作文素材因而其亮度分布、对比度等都与表面粗糙度密切相关，图2.1是Ra(平均表面粗糙度)分别为0. 2 μm和0. 4 μm的散斑图像, 可以看出, 它们的亮度分布是截然不同的。散斑法主要有散斑对比测量法和散斑相关测量法两种。
(a)Ra= 0.2汽车下乡政策 μm (b)Ra = 0.4 μm
图2.1 散斑图像
2.3.1 散斑对比测量法
散斑对比测量法是将表面粗糙度与散斑图像的平均对比度联系起来, 测量系统如图2.2所示。激光从表面反射出来后, 经过显微镜在CCD 摄像机上成像, 实验证明: 当表面粗糙度达到一定程度, 对比度将趋于一固定值, 表面起伏在0.02十五画的字-0.3倍波长范围内变化时，可观察到对比度的变化，因此若采用He - Ne激光器(波长为632.8 nm )作为光源, 只能检测到15-200 nm范围内粗糙度的变化，该方法的测量范围较小, 且比较适用于光滑表面的粗糙度测量。
图2.2 散斑对比测量系统图
2.3.2 散斑相关测量法
企业安全生产管理散斑相关测量法是将表面粗糙度与表面在两种不同条件下产生的散斑图样间的相关度建立联系，其测量范围较大，适用于Ra在0.5-50 μm 范围的粗糙表面测量。散斑相关测量法大致可以分为角度散斑相关法和光谱散斑相关法。88属什么
2.4 光散射法
当一束光照射到粗糙表面时, 在发生反射的同时也将在各个方向发生散射。研究表明：反射和散射光强的大小都与表面轮廓均方根偏差Rq有关。根据探测器放置位置的不同，散射法可以分为镜面反射法、积分散射法、漫反射比法和角度分布法。不同的测量方法具有不同的测量范围, 而且得到的表面特征也有所不同。
例如C. J. Tay[5]设计了一个由激光二极管、透镜和线性光电二极管阵列组成的探头。在实现发射激光的同时，也用于捕获镜面反射方向，立体角为28度范围内的所有散射光。以散射光强分布Sd作为评定表面Ra的标准。对26个0.005 μm≤Ra≤6 μm，不同加工方法加工而
成的工件表面进行实验，得出Sd与Ra存在很好的线性关系，相关系数达到吾未见其明也0. 999。如图2.3所示。
(a)研磨 (b)金刚刀具车削 (c)平磨 ( d)刨削
图2.3 不同加工方法加工的样品Ra与Sd的关系
2.5 聚焦法
聚焦法又称光学探针法, 其本质都是以一个聚焦光点入射到被测表面上以模拟机械触针进行测量，焦点即相当于探针。聚焦法大致可分为：激光三角法和聚焦误差法。聚焦误差法又可分为临界角聚焦法、像散聚焦法、Foucault聚焦法等。
杨春兰[6] 提出了一种基于光驱聚焦检测技术的光触针式表面粗糙度测量系统, 如图2.4所示。
从半导体激光器发出的光经分光镜、1/4波片和透镜聚焦到被测表面，一般聚焦光斑直径在1-2 μm。反射光按原路返回到分光镜，并通过透镜L4会聚，一刀刃放在反射光束最细的部位。当入射光准确聚焦在表面时，刀刃不会阻挡光束，光电池的两象限输出差为零。若被测表面高度变化，偏离焦面，刀刃则会遮挡部分反射光束，光电池的输出给出了聚焦误差信号( FES)如式(1).
FES= (A-B) / (A+ B) (1)
这个误差信号反馈回音圈电机，以驱动悬置于音圈中的物镜L1移动，促使光线聚焦在表面上，同时使聚焦误差信号减小到零。音圈电机的位移量通过一电感传感器检出，经A /D 转换和计算处理, 即可得出表面粗糙度的参数值。该系统示值范围为±15 μm, 分辨力达到肥肠怎么做好吃0.01 μm，测量准确度能达到国标第二系列误差。
图2.4 光驱聚焦检测技术测量系统原理图
2.6 激光衍射法
激光衍射法适用于超精加工表面粗糙度测量的一种新技术。表面凹凸不平(粗糙度)可以认为是具有重复阵列的不透明凹槽的衍射体, 当一束平行激光照射到该表面时, 则在傅里叶变换透镜的焦平面上会观察到由该表面产生的远场衍射图样--夫琅和费衍射图。由傅里叶变换及其推导可知: 夫琅和费衍射图上各级衍射的光强分布是随表面粗糙度大小而改变的, 因而可依据变化来测量表面粗糙度。
2.7 超声波法
超声法是依据声波在粗糙表面发生反射和散射时，声波的频率或幅值的变化来实现表面粗糙度的测量。J.R.Gatabi[7] 设计了一个基于多普勒效应的超声探头用于表面粗糙度的测量，原理如图2.5所示。待测表面在X轴方向以Vx移动，振荡器产生的频率为F0的声波经放大器放大后，由声波发射器以角度A入射到表面上,声波在表面发生漫反射，其中有一小部分声波被置于角度B方向的声波接收器接收，多普勒效应使得声波频率发生平移,假定多普
勒平移为Fd，那么接收到的声波频率为F0+Fd。声波信号经放大后，在混频器内与频率为F1= Fd /F0 (F1< F0 )的信号混合以产生差频信号，再经过低通、高通滤波器，整流器后输出电压Vo，Vo与表面粗糙度斜率是密切相关的。通过对球形和平面样本，0.02m/s旋转速度下进行实验得出粗糙度斜率在0-1.2 b范围内，系统的测量灵敏度为18(mV/deg)。
图2.5如何做表格 超声波测量原理图
2.8 实时全息法[8]
