表面粗糙度的检测

课题三表面粗糙度的检测
表面粗糙度的检测方法主要有比较法、针触法、光切法、光波干涉法。

1．比较法
用比较法检验表面粗糙度是生产车间常用的方法。

它是将被测表面与粗糙度样块进行比较来评定表面粗糙度。

如图3-1所示。

比较法可用目测直接判断或借助于放大镜、显微镜比较或凭触觉、来判断表面粗糙度。

缺点是精度较差，只能作定性分析比较。

图3-1表面粗糙度比较样板
2．针触法
针触法是通过针尖感触被测表面微观不平度的截面轮廓的方法，它实际是一种接触式电量方法。

所用测量仪器为轮廓仪，它可以测定Ra为0.025～5um。

该方法测量范围广，速度可靠、操作简便并易于实现自动测量和微机数据处理。

但被测表面易被触针划伤。

如图3-2所示。

图3-2针触法测量原理图
3．光切法
光切法就是利用“光切原理”来测量被测零件表面的粗糙度，采用仪器是光切显微镜又称双管显微镜。

该仪器适宜测量车、铣、刨或其它类似的方法加工的金属零件的平面或外圆表面。

光切法通常用于测量
Ra=0.5～80µm的表面。

4．光波干涉法
干涉显微镜是利用光波干涉原理测量表面粗糙度。

干涉显微镜测量的范围一般为0.03～1µm。

也可作Rz、Ry参数评定。

本课题结合课堂讲授的典型零件的标注，分析并检测表面粗糙度，根据国家标准评定表面粗糙度。

选用方法为光切法和光波干涉法。

实验3-1 用光切显微镜检测表面粗糙度
一、实验目的
1．了解用光切显微镜测量表面粗糙度的原理和方法
2．正确理解表面粗糙度的评定参数，加深对微观不平度十点高度Rz的理解
二、测量原理及仪器说明
双管显微镜又撑光切显微镜，它是利用被测表面能反射光的特性，根据“光切法原理”制成的光学仪器，
R=0.8-80um的表面粗糙度。

其测量范围取决于选用的物镜的放大倍数，一般用于测量
Z
图3-3光切显微镜
1—底座；2—立柱；3—升降螺母；4—微调手轮；5—支臂；6—支臂锁紧螺钉；7—工作台；8—物镜组；9—物镜锁紧机构；10—遮光板手轮；11—壳体；12—目镜测微器；13—目镜
仪器外型如图3-3所示，它由底座6，支柱5，横臂2，测微目镜13，可换物镜8及工作台7等部分组成。

仪器备有四种不同倍数（7X、14X、30X、60X）物镜组，被测表面粗糙度大小（估测）来选择相应倍数的物镜组（见表3-1）。

表3-1 双管显微镜测量参数
测量范围um
物镜倍数总放大倍数视场直径mm 系数E
（um/格）
7X 60X 2.7 1.28 15～50
14X 120X 1.3 0.63 5～15
30X 260X 0.6 0.29 1.5～5
60X 520X 0.3 0.16 0.8～1.5
测量原理如图3-4所示，被测表面为P1-P2阶梯表面，当一平行光束从45度方向投射到阶梯表面时，即
被折成S 1和S 2两段，从垂直于光束的方向上就可以在显微镜内看到S 1和S 2两段光带的放大像S 1'S 2'，同时距离h 也被放大为h1'。

通过测量和计算，可求得被测表面的不平度高度h 。

这种方法类似在零件表面斜切一刀，然后观察其剖面的轮廓形状，因此称为光切法。

图3-4光切显微镜的测量原理图
1—光源；2—聚光镜；3—狭缝；4—物镜；5—分划板；6—目镜测微器
由于投射角及目镜千分尺结构和物镜放大倍数的关系在目镜千分尺鼓办上读出的数值i a （单位：mm ）并不等于实际工件高度i h ，而需要通过换算。

)(102m a h i i μ⨯E ⨯=
式中：__i h 第i 个实际高度
___i a 第i 个峰（谷）的千分尺鼓轮值（mm ）
E —换算系数（见表3-1）
根据的z R 定义，在取样长度内，从平行于轮廓中线任一条刻线到轮廓五个最高点（峰）和五个最低点（谷）之间的平均距离。

5
()()
973110842h h h h h h h h Rz +++-+++=
实际测量时，不必测一个i a ，就换算一个i h ，在一个取样长度内可按下进行一次换算。

)(105
)
()(297531108642m a a a a a a a a a a Rz μ⨯E ⨯++++-++++=
三、实验步骤
1. 根据被测表面的粗糙度要求，按表中数据选择一对合适的物镜并分别安装在两镜管的下端，选择合适
的取样长度。

2. 将光源插头插接变压器并通电源。

3. 擦净被测工件并置于工作台上，使加工痕迹与工作台纵向移动方向垂直。

4. 放松支臂固紧螺丝9，旋转螺母10，使支臂慢下降（注意：下降时，切勿使物镜碰击工作台工作表面），
直到工件表面上出现一绿色光带后锁紧螺丝9，转动工作台，使光带方向与加工痕迹垂直。

5. 调节器支架微动手轮6进行细调焦，配合调整目镜4，直到场中央出现最清晰窄亮带。

6. 进行测量，松开目镜紧固螺丝，转动目镜千分尺，使目镜中的十字线的水平线在取样长度内平行于光
带后清晰边缘，此线即定为平行于轮廓中线析任一直线，在取样长度内找出5个高峰点和5个最低谷点，并使水平线与之相切，如图3-5所示，分别记下目镜分划板和鼓轮的读数101~a a 。

根据公式计算z R 值。

7. 取 3 n L ， 测出3个z R 值，取平均值作为测量结果。

图3-5读数目镜示意图
四、思考题
1．双管显微镜除测量z R 外，是否可测量Ry 、Ra 。

2．圆柱型轴类零件在双管显微镜上能测量吗？如何测？孔类零件呢？球型零件呢？
3．为什么加工痕迹要调节与光轴垂直？而且与工作台纵向移动垂直？两个不垂直对测量结果有影响吗？
一、实验目的
1．了解用光波干涉测量表面粗糙度的原理和方法
2．熟练干涉显微镜的使用主法
3．加深对微观不平度十点高度Rz 和轮廓最大高度Ry 的理解
二、测量原理及仪器说明
1. 仪器的结构
干涉显微镜用于测量微观不平度十点高度z R 值和轮廓最大高度y R 值，z R 测量范围为0.8～0.03m μ。

它是利用光波干涉原理，将具有微观不平度的被测表面与标准光学镜面相比较，用光波波长为基准来测量工件表面粗糙度，其外形结构如图3-6所示。

图3-6干涉显微镜外形
1—目镜千分尺；1a —刻度筒 ；1b —螺钉 ；2—圆工作台 ；2a —移动圆台的滚花环 ；2b —转动圆台的滚花环 ；2c —升降圆台的滚花环；3—参考镜部件；4—光源；4a —调节螺钉；5—照相机；6—转遮光板手轮；7、8、9、14—干涉带调节手轮；10—目视或照相的转换手轮；11—光阑调节手轮；12—滤光片手柄；13—固紧照相机的螺钉
2. 测量原理
干涉显微镜的光学系统见图3-7。

从光源1发出的光束，经过分光镜9分为两束光。

一束透过分光镜9、补偿板10，射向被测工件表面，由工件反射后经原路返回至分光镜9，射向观察目镜20。

另一束光通过分光镜9反射到标准参考镜13，由标准参考镜13反射并透过分光镜9，也射向观察目镜20。

这两束光线间存在光程差，相遇时，产生光波干涉，形成明暗相间的干涉里条纹。

若工件表面为理想平面，则干涉条纹为等距离平行直线；若工件表面存在着微观不平度，通过目镜将看到如图3-8的弯曲干涉条纹。

测出干涉条纹的弯曲度i h ∆和间隔宽度i b （由光波干涉原理可知，b 对应于半波长
2λ）。

通过下式可计算出波峰至波谷的实际高度i Y 为
2
λ⨯∆=i i i b h Y
式中 λ---光波波长。

自然光（白光），λ=0.66m μ；绿光（单色光），λ=0.509m μ；红光（单色光），λ=0.644m μ。

图3-7干涉显微镜光学系统
1—光源；2，4，8—聚光镜；3—滤光片；5—折射镜；6—视场光阑；7—孔径光阑；9—分光镜；10补偿板；11—物镜；12—被测表面；13—标准参考镜；14—物镜组；15—遮光板；16—可调反光镜；17—折射镜；18—照相物镜；19—照相底片；20—目镜
三、 测量步骤
1．用汽油洗净工件，放在工作台上，使被测面对着物镜，接通电源。

2．将挡板调节手柄旋至箭头向上，遮住射向参考反镜的光线。

3．移动滤光片手柄4，选取单光，记下波长数值，将光圈5开到最大。

4．缓慢转动微调旋扭13，使整个干涉系统上下移动，对被测表面调焦，直到从目镜11中观察到清晰的被测表面的加工痕迹。

5．转动挡板手柄9使肖头处水平位置，此时从目镜可看到干涉条纹。

见图3-8。

图3-8干涉条纹。