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,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,微觀形貌是指表面的微觀形態(tài)。他是由于加工過(guò)程中刀具和工件的摩檫、切削分離時(shí)的塑性變形和金屬撕裂、加工系統(tǒng)的高頻震動(dòng)等原因，在零件表面留下的各種不同形狀和尺寸的微觀結(jié)構(gòu)。表面微觀形貌在很大程度上決定了零件的使用性能。如：機(jī)械系統(tǒng)的磨擦磨損、接觸剛度、疲勞強(qiáng)度、配合性質(zhì)、傳動(dòng)精度、腐蝕性等。它是機(jī)械產(chǎn)品的重要質(zhì)量指標(biāo)。機(jī)械加工中描述表面微觀形貌誤差常用的參數(shù)是表面粗糙度。第一節(jié)：表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)及新標(biāo)準(zhǔn)介紹第二節(jié)：表面粗糙度的常規(guī)測(cè)量方法第三節(jié):CSPM5000掃描探針顯微鏡第四節(jié)：總結(jié),,,,,第一節(jié)：表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)及國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)介紹1、現(xiàn)行表面粗糙度國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)行表面粗糙度國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3505----2000《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范表面結(jié)構(gòu)---輪廓法表面結(jié)構(gòu)的術(shù)語(yǔ)、定義及參數(shù)》，取代了GB/T3505------1983，在舊標(biāo)準(zhǔn)中只將表面粗糙度輪廓及其參數(shù)定義為表面結(jié)構(gòu)特性的唯一組成部分,給出的術(shù)語(yǔ)和定義.而在新標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)粗糙度其技術(shù)內(nèi)容與ISO4287:1997等效本標(biāo)準(zhǔn)中把表面結(jié)構(gòu)用輪廓法描述：表面結(jié)構(gòu)包括1）.原始輪廓(λ>10mm);2）.波紋度輪廓（1mm<λ<10mm)；3）.粗糙度輪廓（λ<1mm）；粗糙度的參數(shù)分為高度特征參數(shù)（主參數(shù)）；間距特征參數(shù)與形狀特征參數(shù)（附加參數(shù)）共14項(xiàng)。實(shí)際中最常測(cè)量評(píng)定的參數(shù)為高度參數(shù)Ra,Rz,Ry，優(yōu)先選用Ra．,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,,,,圖４－１－１表面輪廓的組成,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,1）.輪廓算術(shù)平均偏差Ra2)微觀不平度十點(diǎn)高度Rz3).輪廓最大高度Ry,圖４－１－２,圖４－１－３,2.主參數(shù)定義,,第二節(jié)：表面粗糙度的常規(guī)測(cè)量方法,一.比較法:將被測(cè)表面對(duì)照粗糙度樣板用肉眼或借助放大鏡,也可以用手比較.此方法只適用于低精度等級(jí)的工件,判斷的準(zhǔn)確程度取決于檢驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn).該方法現(xiàn)在幾乎不用.,圖４－２－１,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,二.光切法與光切顯微鏡1.光切法測(cè)量原理:測(cè)量原理如圖4-2-2所示，由光源發(fā)出的光線經(jīng)狹縫及物鏡1以45的方向投射到被測(cè)工件表面。該光束如同一平面與被測(cè)表面成45相截，由于被測(cè)表面粗糙不平，故兩者交線為一凹凸不平的輪廓線，如圖2。該光線又由被測(cè)表面反射，經(jīng)過(guò)物鏡2成像在分劃板上，在經(jīng)過(guò)目鏡就可以觀察到一條放大了的凹凸不平的輪廓線，如圖4-2-3,圖４－２－２測(cè)量原理圖,圖４－２－３光束與表面截圖,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,,2.光切發(fā)的特點(diǎn):所用儀器為光切顯微鏡(雙管顯微鏡),適用與規(guī)則表面(如:車(chē)、銑、刨等去除材料的加工表面）,且表面有一定的反射能力?？梢詼y(cè)量Rz、Ry、S參數(shù)，測(cè)量范圍:(０.８~80m)．測(cè)量方法屬于非接觸測(cè)量,,,圖４－２－５雙管顯微鏡,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,三.干涉法及干涉顯微鏡,1.干涉法的測(cè)量原理:干涉顯微鏡是根據(jù)光學(xué)干涉原理制成的。圖4-2-6)為其光學(xué)系統(tǒng)示意圖。由光源1發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡2濾色片3、光闌4、及透鏡5后成平行光線，射向半透半反的分光鏡7后分成兩束：一束光線通過(guò)補(bǔ)償鏡8、物鏡9到平面反射鏡10，被10反射又回到分光鏡7，再由7經(jīng)聚11到反射鏡16，由16進(jìn)入目鏡12；另一束光線向上通過(guò)物鏡6，投射到被測(cè)零件表面，由被測(cè)表面反射回來(lái)通過(guò)分光鏡7、聚光鏡11到反射鏡16，由16反射也進(jìn)入目12。在目鏡12的視場(chǎng)內(nèi)可觀察到這兩束光線因光程差而形成的干涉帶圖形，若被測(cè)表面粗糙不平，干涉帶即成彎曲形狀如圖。由測(cè)微目鏡可讀出相鄰兩二干涉帶距離a以及干涉帶彎曲高度b。由于光程差每增加半個(gè)波長(zhǎng)，即形成一條干涉帶，故被測(cè)表面微觀不平度的實(shí)際高度為式中：λ為光波波長(zhǎng)。,,圖４－２－６干涉顯微鏡測(cè)量原理1一光源；2，11，15一聚光鏡；3一濾色片；4一光闌；5一透鏡；6，9--物鏡；7一分光鏡；8一補(bǔ)償鏡；10，14，16一反射鏡；12一目鏡；13一透光窗,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,２．干涉法的特點(diǎn)：所用儀器為干涉顯微鏡，可測(cè)參數(shù)Rz、Ry，具有較大的放大倍數(shù)．測(cè)量范圍：（１～０．０３m）適用于測(cè)量不規(guī)則表面（如磨削等加工表面），被測(cè)件不應(yīng)太大且具有反射能力，最適用于量塊表面粗糙度的測(cè)量．屬于非接觸測(cè)量．,圖４－１－７６J型干涉顯微鏡,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,四．觸針?lè)ㄅc電動(dòng)輪廓儀１．觸針?lè)ǖ臏y(cè)量原理：如圖所示：傳感器一端一個(gè)很尖的觸針（半徑可做到微米級(jí)的金剛石針尖）垂直安置在被測(cè)表面上作橫向移動(dòng)，將縱向微小的位移通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)測(cè)量電路放大、調(diào)理處理、計(jì)算、即可以在顯示器上讀出工件的表面粗糙度值，也可通過(guò)記錄器描繪出表面輪廓圖形圖４－２－８觸針?lè)y(cè)量原理圖,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,２．觸針?lè)y(cè)量的特點(diǎn)：所用儀器為電動(dòng)輪廓儀或粗糙度儀，與前兩種儀器相比該測(cè)量方法顯示更直觀、操作更方便、效率更高、測(cè)量范圍更大（０．０２～５０m）更廣,即適用適用于規(guī)則表面又適用于不規(guī)則表面；不要求被測(cè)表面具有反射能力；更重要的是可以測(cè)量參數(shù)Ra值．所以現(xiàn)今使用最多的就是這種方法．但它屬于接觸測(cè)量，不適用于強(qiáng)度硬度較低的表面．,,圖４－２－10２２１０型電動(dòng)輪廓儀,圖４－２－９TR200型手持式粗糙度儀,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,五.印模法1.原理:利用某些塑性材料將被測(cè)表面印模下來(lái),然后對(duì)印摸表面進(jìn)行測(cè)量.常用的印模材料有川蠟、石蠟和低熔點(diǎn)合金等，2.特點(diǎn):印模材料的強(qiáng)度和硬度都不高,固一般不用針描法測(cè)量它.由于印模材料不可能填滿谷底,且取下印模材料時(shí)往往使印模波峰削平,所以測(cè)得印模的Rz值比實(shí)際略有縮小，一般可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修整．印模法適用于大尺寸的內(nèi)表面．測(cè)量范圍為Rz＝０．８～３３０m,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,第三節(jié)擴(kuò)展與總結(jié),1.粗糙度測(cè)量發(fā)展的趨勢(shì)電動(dòng)輪廓儀是應(yīng)用最廣的表面粗糙度測(cè)量?jī)x器之一,然而有許多被測(cè)件的表面,如光盤(pán)、半導(dǎo)體工藝化學(xué)樣品是不允許觸針劃傷的；另外有一些質(zhì)地較軟的表面也不能用觸針式電動(dòng)輪廓儀測(cè)量；特別是為了提高表面粗糙度的測(cè)量效率，發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的在線測(cè)量，因此非接觸式表面輪廓探測(cè)技術(shù)受到重視并得到發(fā)展。它綜合應(yīng)用激光、傳感器、計(jì)算機(jī)和圖象識(shí)別等技術(shù)的新成果解決或正在解決機(jī)械加工和其他領(lǐng)域里新出現(xiàn)的表面粗糙度及表面微觀形貌的測(cè)量問(wèn)題。下面以簡(jiǎn)單介紹CSPM5000掃描探針顯微鏡,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,CSPM5000掃描探針顯微鏡的結(jié)構(gòu),第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,CSPM5000掃描探針顯微鏡工作模式,1、掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡（STM）的水平分辨率小于0.1納米，垂直分辨率小于0.01納米。一般來(lái)講，物體在固態(tài)下原子之間的距離在零點(diǎn)一到零點(diǎn)幾個(gè)納米之間，因此在掃描隧道顯微鏡下導(dǎo)電物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的原子、分子狀態(tài)清晰可見(jiàn)。掃描隧道顯微鏡（STM）的原理是根據(jù)探針和樣品之間的隧道效應(yīng)產(chǎn)生的隧道電流進(jìn)行成像的，因此它要求樣品具有良好的導(dǎo)電性。,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,掃描隧道顯微鏡工作原理示意圖,隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們利用電子反饋系統(tǒng)可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時(shí)對(duì)x-y方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,2、原子力顯微鏡1）接觸模式下，針尖與樣品表面輕輕接觸；2）在輕敲模式下，掃描成像時(shí)針尖對(duì)樣品進(jìn)行“敲擊”，兩者間只有瞬間接觸。適合柔軟和吸附樣品3）作為輕敲模式的一項(xiàng)重要的擴(kuò)展技術(shù)，相移模式(相位移模式)是通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)微懸臂探針振動(dòng)的信號(hào)源的相位角與微懸臂探針實(shí)際振動(dòng)的相位角之差（即兩者的相移）的變化來(lái)成像。下面，我們以激光檢測(cè)原子力顯微鏡）接觸模式來(lái)說(shuō)明其工作原理。,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,激光檢測(cè)原子力顯微鏡工作原理示意圖,樣品表面的原子與微懸臂探針尖端的原子間的相互作用力，微懸臂將隨樣品表面形貌而彎曲起伏,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,,2.總結(jié),在本節(jié)課中要注意以下幾個(gè)問(wèn)題的理解和把握:1)表面粗糙度、表面微觀形貌、表面結(jié)構(gòu)（輪廓）三個(gè)概念的區(qū)別與聯(lián)系；2)注意對(duì)新舊表面粗糙度國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的了解，新舊標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)會(huì)有一段時(shí)期的共存。3)根據(jù)被測(cè)件的特點(diǎn)和被測(cè)量的特點(diǎn)及定義正確選擇以上所介紹的五種常規(guī)的測(cè)量方法及測(cè)量?jī)x器的型號(hào).選擇的原則是在滿足測(cè)量要求的前提下兼顧經(jīng)濟(jì)性.4)加工業(yè)的發(fā)展會(huì)給我們提出更多新的表面粗糙度及表面微觀形貌的測(cè)量課題，所要求的測(cè)量精度也會(huì)越來(lái)越高，這就需要我們不斷的學(xué)習(xí)新的理論和新的技術(shù)，去解決一個(gè)個(gè)技術(shù)課題。,第四章表面粗糙度及表面微觀形貌測(cè)量,