表面粗糙度的现状及发展

表面粗糙度的现状及发展

[摘要]讨论了表面粗糙度测量和表征中，一些人们感兴趣的有待解决的问题，如：基准、滤波、 校准样块，评定软件和表征参数等。认为在3D表面分析中应采用数字滤波，以保留数据的完整性；辨析了现存测量仪器和方法的范围——分辨力空间图中的缺口；介绍了校准样块的制备和测量；同时指出当前评定软件缺乏一致性和标准性，建议设计“软件量规”。最后指出了表面特征分析的发展趋势。

关键词：表面粗糙度测量表征现状

表面特征是控制机械零件表面质量的主要内容，而表面粗糙度是表面特征的重要技术指标之一。从近年来国内外发表的有关粗糙度方面的论文来看，数量成指数地增加。这表明表面粗糙度测量和表征技术的研究一直处于上升趋势，一方面是由于商用仪器（如：STM、AFM 和光学扫描干涉仪等）的发展以及计算机运算能力、控制技术的提高；另一方面是由于尖端技术、国防工业和精密工程等对零件的表质量提出了越来越高的要求。

表面粗糙度（GB3505-83）是指加工表面上具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。它主要是由所采用的加工方法形成的，如在切削过程中工件加工表面上刀具痕迹以及切削撕裂时的材料塑性变形等。以前关于粗糙度的表征参数都是在某一法向截面所截得的轮廓线上进行评定，只反映高度和横向距离之间的关系，属于“二维”评定。当表面粗糙度在一小面积区域内评定时，还有纵向距离关系，这就属于“三维”评定。近年来研制了许多三维表面微观形貌测量仪，才使得在局部表面上三维评定表面粗糙度成为可行，而且国际上方兴未艾。本文对目前表面粗糙度测量和表征中，人们普遍感兴趣的几个问题作一简单的表述，而且所用术语、方法主要侧重于三维表面粗糙度q 当然有些在二维中也可直接使用。

1基准

1.1基准表面

国家标准（GB3505-83）和国际标准（ISO4287:1996）中均给出了“实际表面”和“几何表面”的定，并认为实际表面是物体与周围介质（通常为空气）分隔的表面。评定实际表面的表面粗糙度参数需要有个基准面，因为实际表面本身是被量的对象，它不能作为基准面；而几何表面是个理想表面，它的具体位置也不清楚，所以要用某个给定面来体现基准面。作为基准面的给定面，它具有几何表面的形状，其方位和实际表面在空间总的走向一致。

基准面的产生方式不同，对表面粗糙度参数的评定影响很大。一般地，基准平面的形成可采用：算术平均中心面、包络平面、最小二乘、最小区域参考基准等方式[1]。而基准曲面可采用：最小二乘二次多项式表面和最小二乘部分圆柱算法确定[1]。

GB3505-83中规定，二维表面分析采用中线制，中线可采用算术平均中线或最小二乘中线两种算法。对于三维表面形貌的评定基准目前尚未形成统一的标准。

1.2滤波

表面特征包括表面粗糙度、表面波纹度和表面几何形状等。这三种特性绝非独立存在。为了提取准确定义的表面粗糙度信息，通常需要采用“滤波”的方式，如机械滤波、电子和数字滤波技术等。

三维表面粗糙度的分析是在一个区域内进行，所以要求采用数字滤波的形式，以保证数据的完整性。为了不改变表面的“形状”，滤波器必须是线性的或零相位的同时要求光滑的截止转换，以避免边缘衰减。常用的数字滤波器为：区域滤波器和高斯滤波器，均是可分离的和对称的。然而当表面具有偏斜的幅度分布时，高斯滤波器的效果并不理想，在ISO13565中推荐采用双级滤波。

许多情况下，提取特征信号的滤波和产生评定基准，是结合在一起考虑的。

1.3校准样块

随着超光滑表面的粗糙度数值接近纳米级甚至埃级，不同测量方法的测量结果不一致性

对表面特征的评价影响越来越大。为此，美国国家标准和技术研究院（NIST），制作了一组尺寸范围从29nm～152?m的标准台阶高度样块，其“标准”值取决于本身的实际尺寸。另外还建立了一组小于100nm的高精度标准样块，其尺寸用三种不同的方法校准，如相移干涉显微镜、校准原子力显微镜（C-AFM）和高分辨力的触针式仪器。如果用这些不同的方法测量台阶高度的精确值，能取得好的一致性，则样块台阶高度将作为精密校准的基准。

由于每种仪器具有各自不同的特点，要做到测量结果一致并非易事。触针方法被认为是极好的台阶高度校准器，因为它直观，可以反映表面的“真实”形貌。NIST采用的垂直位移转换器是高线性和高稳定性的线性差动转换器（LVDT），具有纳米级噪音分辨力，但这种转换器必须利用光的波长校准。另外，由于采用机械接触方式，可能会损伤表面。相位干涉测量仪使用了白光源具有窄带滤波器，并且是非接触测量，它的值用滤波器平均波长校准。校准原子力显微镜采用接触或接近探针的方式，用一个校准过的转换器输出，样块的垂直移动由压电陶瓷驱动。

另外NIST对15、90、1000nm名义高度的一组石英台阶进行了测量，并分析了三种仪器测量结果不一致性的原因。首先采用触针式仪得到样块的多次重复结果；然后用相位干涉显微镜测量， 其不一致性主要是由于样块的散焦和样块相对于光轴的倾斜；C-AFM的垂直移动的校准是精确的， 然而在测量台阶高度值时会发生变化，这可能是由于出现在样块平面外的运动、实验环境的改变、或悬臂力传感器与针尖表面的相互作用而引起。

最近NIST用Si单原子制作了标准台阶高度q 用于扫描探针显微镜的校准q 由于Si 的栅格是恒定的q 台阶高度的预期值为314pm,而用C-AFM测量结果约为270pm,其差异正在被研究q

2测量

2.1测量范围

表面粗糙度测量仪器垂直和水平的范围和分辨力，目前采用Stedman最先使用的范围——分辨力空间来表示，而且这一方法已普遍被接受。图1的Stedman图示出了当前粗糙度测量仪（触针式、光学式、AFM）的测量范围。电子显微镜虽然不能得到表面的高度定量信息，但将其范围扩展到了更短的波长和较大的幅度。粗糙度范围的顶端，由坐标测量机占用，最后一层观测技术覆盖了所有从低范围的自校准到上末端的卫星范围。

图1的表示方法并不是全面的和决定性的，由于简单，许多有用的测量方法被忽略，但它的确反映了测量的实质问题。就目前的测量技术，要达到大区域的范围——分辨力空间是不可能的。

图1中右下区域表示长波长上的小幅度，在这个区域似乎并没有什么技术要求。左上角的区域大概表示了更切合实际的问题，这个区域示意出测量大幅度、短波长的不可能性。然而却有许多加工制品的形貌落在这个区域，如毛刷状，以及非常多的生物结构具有大的垂直幅度，而小的水平尺寸。这种结构类似于作物的生长，有很高的经济作用，但目前还没有办法描述它们的形貌。

这将需要一个较大的垂直范围对分辨力的比率，这种仪器是很有前途的。在80年代初没有几种粗糙度仪器提供比10E3:1更好的比率[4]，而现在的触针仪器和光学仪器其比率可达10E5:1。将来在新的测量方法中有可能达到10E8:1。

2.2在过程测量

表面粗糙度的在过程测量，而且作为机床整个系统的一部分，已经使用了很长时间，方法也各异（见表1）。鉴于速度的考虑，推荐使用光学方式，但是基于衍射或散射的方法，仅能产生表面形貌的有限信息。

表1在过程测量方法及速度

测量方法速度／m.s-1