表面粗糙度測(cè)量方法

表面粗糙度是對(duì)工件質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估的重要指標(biāo)之一，對(duì)于其在使用過程中的配合質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)精度以及耐磨損性等都有著不容忽視的影響，因此，想要保證工件的加工質(zhì)量，就必須采取有效措施，降低表面粗糙度。

　　表面粗糙度一般是由所采用的加工方法和其他因素所形成的，例如加工過程中刀具與零件表面間的摩擦、切屑分離時(shí)表面層金屬的塑性變形以及工藝系統(tǒng)中的高頻振動(dòng)等。由于加工方法和工件材料的不同，被加工表面留下痕跡的深淺、疏密、形狀和紋理都有差別。

　　表面粗糙度與機(jī)械零件的配合性質(zhì)、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、接觸剛度、振動(dòng)和噪聲等有密切關(guān)系，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命和可靠性有重要影響。一般標(biāo)注采用Ra。

表面粗糙度測(cè)量方法

　　一、接觸式測(cè)量方法

　　接觸式測(cè)量方法指的是，在測(cè)量設(shè)備中的探測(cè)位置會(huì)直接與表面接觸，可以幫助人們獲取被測(cè)表面的信息。但是這種測(cè)量方式不適用于剛性強(qiáng)度偏高、容易發(fā)生磨損的表面。

　　1、比較測(cè)量方法

　　在車間普遍應(yīng)用的測(cè)量方法是比較法。比較法指的是將對(duì)比粗糙度樣板與被測(cè)表面進(jìn)行比較，測(cè)量人員直接用手的觸摸來(lái)確定表面的粗糙度，或者通過肉眼觀察，也可以使用放大鏡、比較顯微鏡來(lái)對(duì)比。通常情況下，當(dāng)粗糙度評(píng)定參數(shù)值偏高時(shí)，可以運(yùn)用比較法，但是很可能造成很大的誤差。

　　2、印模法

　　印模法指的是采用一些塑性材料當(dāng)做塊狀印模，然后將其與被測(cè)表面互相貼合，再取下時(shí)，印模上會(huì)出現(xiàn)表面的具體輪廓，測(cè)量人員可以開始測(cè)量印模的表面，這種方式可以獲取部件的表面粗糙度。一些規(guī)模大的零件內(nèi)表面測(cè)量工作無(wú)法通過設(shè)備來(lái)完成，可以使用印模法來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而印模法也存在一定缺陷，它的準(zhǔn)確性不強(qiáng)，而且操作過程很復(fù)雜。

　　3、觸針法

　　觸針法的另一種名稱是針描法。這種方法是在被測(cè)表面上放置一根很尖的觸針，測(cè)量過程中需要垂直放置，使觸針做橫向移動(dòng)。根據(jù)被測(cè)表面的輪廓，觸針會(huì)自行做垂直起伏運(yùn)動(dòng)。把觸針?biāo)龅奈灰苹顒?dòng)利用電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后，可以將其方法，分析與計(jì)算后就可以獲取表面粗糙度的指數(shù)。

　　觸針法主要包括感應(yīng)式、壓電式以及電感式等幾種方法。這種測(cè)量?jī)x器具有較高的準(zhǔn)確性與可靠性，操作簡(jiǎn)單，功能穩(wěn)定，在測(cè)量過程中形成的Z大的分辨力是幾納米。

　　但是觸針法也存在一定的缺陷，而且無(wú)法通過其他方式來(lái)彌補(bǔ)。從理論上來(lái)說，只有當(dāng)觸針達(dá)到半徑為零的位置時(shí)，其運(yùn)動(dòng)才可以準(zhǔn)確地體現(xiàn)表面的真實(shí)輪廓信息。然而，針尖的面積太小，既有可能會(huì)損壞被測(cè)表面，還容易使觸針的磨損程度加大，這會(huì)直接影響到測(cè)量水平與測(cè)量速度。

　　而且，在控制測(cè)量力的過程中，不僅需要確保針頭與被測(cè)表面之間的完全接觸，還需要保護(hù)部件表面與針頭不發(fā)生損壞。因此，精密儀器中光滑的表面，磁盤檢測(cè)位置等方面都會(huì)受到阻礙，因此需要進(jìn)行一些非接觸式的測(cè)量工作。

　　二、非接觸式測(cè)量方法

　　非接觸式測(cè)量方式指的是，在被測(cè)表面沒有受到損壞的情況下，間接獲取表面的輪廓信息的一種測(cè)量方式。這種測(cè)量方式的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)表面與測(cè)量設(shè)備探測(cè)位置不直接接觸，這樣有利于維護(hù)測(cè)量設(shè)備，也在很大程度上避免了測(cè)量誤差的出現(xiàn)。

　　1、光切法

　　光切法的具體含義是，運(yùn)用光切原理來(lái)獲取表面粗糙度的測(cè)量方式。它是指在一定角度中把一束平行光帶投在表面上，光帶和表面互相交叉的曲線會(huì)體現(xiàn)出被測(cè)表面的微觀幾何形狀。這種方法有利于改善部件表面微小峰谷中存在的測(cè)量問題，防止直接與被測(cè)表面接觸。

　　由于它采用了光切原理，所以可測(cè)表面的輪廓峰谷的Z大和Z小高度，要受物鏡的景深和鑒別率的限制。峰谷高度超出一定的范圍，就不能在目鏡視場(chǎng)中成清晰的真實(shí)圖像，導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量或者測(cè)量誤差很大。但由于該方法成本低、易于操作，所以被廣泛應(yīng)用。

　　2、光學(xué)傳感器法

　　光學(xué)傳感器法是在光學(xué)三角測(cè)距法的原理上提出來(lái)的，裝置主要有兩部分構(gòu)成，有兩個(gè)位置敏感探測(cè)器(PSD)和激光器組成的對(duì)稱三角測(cè)距器及兩個(gè)光電二極管組成的光傳感器。

　　由PSD探測(cè)到攜帶被測(cè)物體表面信息的光信號(hào)，輸出兩路信號(hào)(Td和Sc1);光電二極管探測(cè)到的光信號(hào)后輸出一路模擬電壓信號(hào)(Sc2)，然后利用PSD和光電二極管探測(cè)到的信號(hào)與被測(cè)物表面粗糙度的關(guān)系就可以確定被測(cè)物體表面的粗糙度。該方法采用技術(shù)較成熟的光學(xué)三角法，比較容易實(shí)現(xiàn)，但是測(cè)量精度不高。

　　3、新型檢測(cè)法

　　隨著三維技術(shù)逐漸引入到表面粗糙度檢測(cè)中，新的儀器和檢測(cè)手段也層出不窮，科技的提高是表面粗糙度測(cè)試水平進(jìn)步的一大保證。為了更好的測(cè)量表面的三維現(xiàn)狀圖，就必須加強(qiáng)電子顯微鏡的測(cè)量精確度和加入三維檢測(cè)技術(shù)，這是目前表面粗糙度檢測(cè)技術(shù)亟待解決的問題和發(fā)展方向。

　　如果分辨率不高就無(wú)法捕捉到工件上細(xì)微的痕跡以及細(xì)小的線紋。電動(dòng)輪廓儀能夠很好地滿足新型檢測(cè)法，靈敏度高的同時(shí)測(cè)頭的尺寸正好能檢測(cè)到細(xì)小的紋路。

表面粗糙度等級(jí)

表面粗糙度符號(hào)

表面粗糙度的影響因素

　　1、刀具因素

　　刀具是機(jī)械加工中的關(guān)鍵，其幾何形狀會(huì)在一定程度上影響表面粗糙度。在實(shí)際加工過程中，通過適當(dāng)增大切削刀具前角的方式，能夠?qū)ぜ谋砻娲植诙冗M(jìn)行顯著改善，但是如果缺乏有效控制，導(dǎo)致前角過大，則可能會(huì)使得表面粗糙度增大。

　　在對(duì)前角進(jìn)行固定后，通過增大后角的方式，可以提升刀具刃面的鋒利程度，同樣可以降低表面粗糙度，而一旦后角過大，則積屑瘤的存在會(huì)改變切削刀具幾何角度及背吃刀量，引發(fā)切削振動(dòng)，或者殘留在工件表面，影響其表面粗糙度。

　　2、切削用量

　　切削用量參數(shù)的選擇在很大程度上影響著表面粗糙度。在切削加工過程中，一般情況下，低速切削加工容易在工件表面產(chǎn)生積屑瘤，進(jìn)而導(dǎo)致工件表面粗糙度的增加，應(yīng)該盡量避開相應(yīng)的切削速度區(qū)域。

　　切削深度基本上不會(huì)對(duì)工件的表面粗糙度造成影響，但是如果切削深度過小，則可能會(huì)對(duì)使得刀尖圓弧對(duì)工件產(chǎn)生擠壓，引發(fā)工件的塑性變形，進(jìn)而增加表面粗糙度的數(shù)值。通過減小進(jìn)給量的方式，能夠減小殘留面積的高度，不過如果進(jìn)給量過小，會(huì)導(dǎo)致切削厚度的減少，若其數(shù)值小于刃口圓弧半徑，則在切削加工中可能會(huì)出現(xiàn)切削打滑的情況，進(jìn)而引發(fā)附加表面粗糙度。

　　3、殘余應(yīng)力

　　切削加工過程中，工件表面的金屬層內(nèi)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形，導(dǎo)致表面比容的增大，與里層金屬之間的沖突會(huì)在工件中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。同時(shí)，加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，導(dǎo)致金屬表面溫度急劇升高，與內(nèi)部形成較大的溫差，同樣會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致工件表面粗糙度的增大。

　　4、工件材料

　　工件自身材料的性質(zhì)同樣會(huì)對(duì)機(jī)械加工中的表面粗糙度產(chǎn)生影響，在設(shè)定好的速度范圍內(nèi)，對(duì)塑性材料進(jìn)行切削加工時(shí)，前刀面與工件之間的擠壓作用和摩擦作用會(huì)使得切屑的底層金屬流動(dòng)減緩，形成滯留層，冷卻后會(huì)形成金屬顆粒，黏附在刀尖位置，形成堅(jiān)硬的楔狀物，即通常所說的積屑瘤。而積屑瘤的存在會(huì)導(dǎo)致刀具幾何角度的變化，增加切削厚度，進(jìn)而在已經(jīng)加工完成的工件表面切出相應(yīng)的溝槽。

　　不僅如此，積屑瘤產(chǎn)生后，會(huì)與切屑產(chǎn)生摩擦，如果摩擦力超過積屑瘤與前刀面的冷焊強(qiáng)度，或者受到劇烈震動(dòng)和沖擊，積屑瘤會(huì)脫落，然后繼續(xù)形成。在這種循環(huán)下，切削加工會(huì)出現(xiàn)很大的波動(dòng)，影響工件的表面質(zhì)量。另外，脫落的積屑瘤還可能附著在工件表面，留下顆粒狀金屬碎屑，進(jìn)一步增大表面粗糙度的數(shù)值。

　　5、切削液

　　在對(duì)工件進(jìn)行切削加工中，切削液能夠起到冷卻、清洗以及潤(rùn)滑的作用，從而顯著降低切削溫度，削弱前后刀面與工件之間的摩擦力，減少切削過程中產(chǎn)生的塑形變形，并對(duì)切屑進(jìn)行及時(shí)清洗，抑制積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生，切實(shí)保證工件的加工質(zhì)量。

　　6、振動(dòng)因素

　　在機(jī)械加工的過程中，受各種因素的影響，工件與刀具之間可能會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而對(duì)工藝系統(tǒng)正常的切削加工過程造成干擾，在工件的表面產(chǎn)生振紋，進(jìn)而降低工件的加工精度以及表面質(zhì)量。

表面粗糙度對(duì)零件性能的影響

　　1、對(duì)配合性質(zhì)的影響

　　加工表面的粗糙度是相互接觸的表面僅有很少的實(shí)際接觸面積，如精車后的表面僅有10%~15%能相互接觸，因此影響零件的配合性質(zhì)。在過盈配合中如表面粗糙度較大，由于裝配時(shí)峰頂部分被剪切擠平，減小了實(shí)際過盈量，會(huì)降低配合件的聯(lián)接強(qiáng)度。

　　在間隙配合中過大的表面粗糙度值，使表面峰頂部分產(chǎn)生很大的切應(yīng)力，在開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)即被剪斷，產(chǎn)生很大的初期磨損量，增大實(shí)際配合間隙。

　　2、對(duì)零件耐磨性的影響

　　零件的耐磨性與零件的表面粗糙度值的大小有密切的關(guān)系。零件的精度是否達(dá)到等級(jí)要求，不但要求零件的尺寸精度、形位公差精度等級(jí)等符合要求外，Z關(guān)鍵是零件表面粗糙度值符合精度等級(jí)要求，零件表面粗糙度值越小，零件接觸面就越大，零件耐磨性越好，零件的使用壽命就越長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)耐用。

　　3、對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響

　　在交變載荷作用下，零件表面粗糙、有劃痕及微裂紋等缺陷，容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生和加劇疲勞裂紋，導(dǎo)致疲勞破壞。因此，減小表面粗糙度值，對(duì)于提高承受交變載荷的零件疲勞強(qiáng)度效果比較顯著。

　　4、對(duì)表面耐腐蝕性的影響

　　表面粗糙值大，有腐蝕作用的物質(zhì)越容易滲透到表面的微細(xì)裂紋中，或附著在零件表面上，零件的抗腐蝕性就越差，也就越容易腐蝕。而經(jīng)過精磨、研磨及拋光的表面不易腐蝕。

減小零件表面粗糙度的措施

　　在零件加工過程中，殘留面積、積屑瘤、鱗刺和振動(dòng)，以及殘余應(yīng)力等因素，嚴(yán)重影響了已加工零件表面質(zhì)量。這些因素中包括切削用量、刀具幾何參數(shù)、工件材料、和切削液等。

　　1、選擇合適的切削速度

　　切削速度是影響零件加工表面的質(zhì)量一個(gè)重要因素，在低速時(shí)容易產(chǎn)生鱗刺，并形成積屑瘤。在中等速度時(shí)積屑瘤達(dá)到Z大時(shí)，影響了零件表面粗糙度，因此，選用較小進(jìn)給量，提高刀具刃磨品質(zhì)和使用性能良好的切削液等條件的配合，才能提高零件表面質(zhì)量。

　　2、選擇合適的進(jìn)給量

　　進(jìn)給量越小，表面殘留面積高度越低，表面粗糙度值越小。在較高的切削速度，利用減小進(jìn)給量，來(lái)提高加工表面質(zhì)量是一個(gè)較為有效的措施。在中等的切削速度，為了抑制積屑瘤，應(yīng)選用較大進(jìn)給量，配合選用較大副偏角或磨出修光刃，達(dá)到減小零件表面粗糙度的目的。

　　3、選擇合適刀具幾何角度

　　增大前角和后角，能減小切削時(shí)塑性變形，減小后刀面與加工表面摩擦，對(duì)積屑瘤、鱗刺影響較小，在加工過程中，選取較大前角刀具，刃口鋒利，有助于零件表面質(zhì)量提高。

　　4、采用潤(rùn)滑性較好的切削液

　　切削液主要用來(lái)減小切削過程中的摩擦和降低切削溫度，合理使用切削液，對(duì)提高刀具耐用度和加工零件表面質(zhì)量，加工精度起重要作用。切削液滲透到刀具、切屑、零件表面之間形成潤(rùn)滑膜，在加工零件過程中，能夠提高零件表面加工質(zhì)量。例如在加工不銹鋼、螺紋加工、銑削中，宜選用硫化油的切削液，能提高刀具耐用度和降低零件表面粗糙度值，能有效抑制鱗刺現(xiàn)象的產(chǎn)生。