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1、第四章 表面粗糙度的测量,一表面形貌误差的概念与形成 1表面形貌误差分类： 实际加工表面通常包含如下三种表面形貌误差： 表面粗糙度：波距小于1mm，大体呈周期性变化， 属于微观几何形状误差； 表 面 波度：波距p在110mm，呈周期性变化， 属于中间几何形状误差； 形状 误 差：波距大于10mm，无明显周期性变化， 属于宏观几何状误差 。 2表面粗糙度：是一种微观几何形状误差又称微观不平度。 3表面粗糙度的产生原因：在加工过程中，刀具和零件表面 间产生磨擦、高频振动及切削时在工作表面上留下的微观 痕迹。,二表面粗糙度的影响 表面粗糙度对机器零件的使用性能有着重要的影响，主要表现在： 1对摩擦和
2、磨损的影响 2对配合性的影响 3对接触刚度的影响 4对疲劳强度的影响 5对抗腐蚀性的影响 6对结合密封性的影响 此外表面粗糙度还影响检验零件时的测量不确定度、零件外形的美观等等。,三表面形貌测量的特点与范围 特点：通常为量程小、测量分辨率高（nm）、 表面粗糙度测量的范围 现在表面分析技术已远走出机器零件，如: 微电子工业：硅片、磁盘表面、光盘、光学元件、窗片 材料科学：表面形貌分析、材料微裂纹 生物工程：细胞生物、芯片、遗传学 科学研究：纳米技术、物理、化学、生物等基础科学等,41 表面粗糙度的评定参数,主要内容： 1、主要术语及定义 取样长度L 评定长度L 轮廓中线m 2、6个评定参数 3
3、个基本、3个附加 3、一般规定 重点： 3个基本评定参数,一主要术语及定义 1实际轮廓：平面与实际表面相交所得的轮廓线。 按照相截方向的不同，它又可分为横向实际轮廓和纵向实际轮廓。在评定或测量表面粗糙度时，除非特别指明，通常均指横向实际轮廓，即与加工纹理方向垂直的截面上的轮廓。,横向实际轮廓图,实际轮廓图,2取样长度l：用于判别和测量表面粗糙度时所规定的一段基准线长度。 量取方向：它在轮廓总的走向上。 目的：限制和削弱表面波度对表面粗糙度测量结果的影响。 (几何滤波) 选择原则： 5 l p /3 常用的取样长度见表4-1。,3评定长度L ： 评定轮廓所必须的一段长度，它包括一个或数个取样长度
4、。 目的： 为充分合理地反映某一表面的粗糙度特征。 （加工表面有着不同程度的不均匀性）。 选择原则：一般按五个取样长度来确定。 4轮廓中线m：是评定表面粗糙度数值的基准线。具有几何轮廓形状与被测表面几何形状一致，并将被测轮廓加以划分的线。类型有： （1）最小二乘中线： 使轮廓上各点的轮廓偏转距y（在测量方向上轮廓上的点至基准线的距离）的平方和为最小的基准线。,（）算术平均中线： 在取样长度范围内，划分实际轮廓为上、下两部分，且使上下两部分面积相等的线。,轮廓的算术平均中线,二、评定参数及数值： 对评定参数的基本要求： （1）正确、充分反映表面微观几何形状特征； （2）具有定量的结果； （3）测
5、量方便。 国标从水平和高度两方向各规定了三个评定参数：三个基本参数（水平），三个附加的评定参数（高度）,图4-3 表面粗糙度的高度参数,1、轮廓算术平均偏差Ra 在取样长度L内，轮廓偏转距绝对值的算术平均值。 用公式表示为：,=,2微观不平度十点高度 在取样长度内五个最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和，如图4-3所示。用公式表示为：,在取样长度内，也可从平行于轮廓中线m的任意一根线算起，计算被测轮廓的五个最高点（峰）到五个最低点（谷）之间的平均距离,3轮廓最大高度 在取样长度内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离（图4-3）。,图4-4表面粗糙度的水平参数,表面粗糙度的三个水
6、平参数： 轮廓微观不平度的平均间距Sm 轮廓单峰平均间距S 轮廓支承长度率tp,4轮廓微观不平度的平均间距Sm 含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中线长度Sm(图4-4），称为轮廓微观不平度间距。,5轮廓单峰平均间距S 两相邻轮廓单峰的最高点在中线上的投影长度S（图4-4），称为轮廓单峰的间距。 S =,6轮廓支承长度率tp 一根平行于中线且与轮廓峰顶线相距为C的线与轮廓峰相截所得到的各段截线bi之和，称为轮廓支承长度p p ,轮廓支承长度率,轮廓支承长度与取样长度之比，就是轮廓支承长度率。 tp = (p /L) 100,三、一般规定 1为保证零件的表面质量，可按功能需要规定表面粗糙度。 2
7、在规定表面粗糙度要求时，必须给出粗糙度参数值和测定时的取样长度值两项基本要求，必须时也可规定表面纹理、加工方法顺序和不同区域的粗糙度等附加要求。 3测量方向：表面粗糙度各参数的值是指在垂直于基准表面（具有几何表面的形状，它的方位和实际表面走向一致）的各截面上测得。对给定的表面，如截面方向与高度参数最大值的方向一致，则可不规定测量方向，否则应在图样上表示截面方向。 4表面缺陷：评定过程中，不应把表面缺陷（如沟槽、气孔、划伤等）包含进去。必要时，应单独规定表面缺陷要求。 5 测量部位：为了完整地反映零件表面的实际状况，需要在其若干具有代表性的位置上进行测量，一般可采取在均匀分布的三个以上的位置上取
8、其平均值作为最终结果。,15 表而粗糙度测量方法综述及测量的基本原则,151 测量方法综述 对加工表面质量的评定，除了用视觉和触觉进行定性地比较检验的方法以外，并逐步实现了用数值确定表面粗糙度参数值的定量测量。从本世纪30年代陆续提出了测量粗糙度的方法原理和仪器以来，已发展了一系列利用光学、机械、电气原理的表面粗糙度专用测量仪器，其基本结构模式如图97所示。 粗糙度测量方法主要是以不同类型的传感器所反映的测量原理来分类的。表9l 4列出了各类转换形式的传感器。运算装置包括信号放大器、滤波器和各种型式的计算处理(如信号变换、模数转换、时控、数字计算等)装置。输出设备包括指针式电量表、记录器、光电
9、输出器、电传打字机、磁带输出器、Tv显示屏、绘图仪等。其中，传感器是基本组成部分，在取得表面测量信号以后，亦可用人工进行计算处理给出结果。,1L 2 表面粗糙度测量的基本原则 (1)测量方向 按现行标准所定义的各种粗糙度评定参数，是基于轮廓法确定数值，是在被测表面的法向截面上的实际轮廓上进行测量的结果。由于垂直于被测表面的法向截面存在各种不同的测量方向所以规定在垂直于加工纹理力向的d向截面(参R图g”8)测得的结果，称作横向轮廊的表面粗糙度数值(d)；在平行于加工纹理方向的5向截面上所作的测量，称为纵向轮廓的粗糙度数值(6)。试验表明，大多数的切削加工表 面，在横向轮廓上测得的粗糙度数值比较大
10、，只是有的该铣加工和个别端铣加工表面，在纵向轮廓上会有较大的数值。 如果在被测表面上难以确定加工纹理方向，以及某些加工纹理紊乱或不存在固定方向的表面，应分别在多个方向上测量，以获取最大参故值为结果或取其峰谷高度的最大值，计算一个区域的测量结果。 (2)表面缺陷 在表面上偶然出现的微观不平度，如划痕、碰伤，以及并非由于加工造成的材料缺陷，如气孔裂纹、砂眼均属于表面缺陷。在表面祖糙度的评定中不应把表面缺陷包含进去，因此在测量时原则上应将其影响排除在外，尤其是对于比股加工痕迹(微观不平度)的深度或宽度大得多的缺陷要特别注意。如果零件表面不允许有某种缺陷或对它要加以控制，应另作规定。 3)测量部位 为
11、了完整地反映零件表面的实际状况，需要在其若干具有代表性的位置上进行测量，一般可采取在均匀分布的三个以上的位置上取其平均值作为最终结果。如果几个位置上的粗糙度数值相差甚大，例如大于一个系列值(公比为2)则应再多测几个部位，判断其均匀性情况，此时最好将各部位的测量结果分别注出，或结出乎均值结果并附加说明,212测量基准线 传感器中触针的运行轨迹必须沿着与被测表面基本平行的基准线移动才能获得其实的被测轮廓形状。触针式仪器建立测量基准线的方式有独立基准和相对基准两类： (I)独立其难 独立的测量基准是使传感器按直线或一定的弧形线运动。图923为较易调整的直线或弧形线测量装置的示意图。在传感器壳体中触针
12、3的上方有半球形触头2，它和基准面1相接触，基准面采用光学玻璃制成的平面或圆弧面，并相对被测表面或工作台面定位，从而使传感器运行的轨迹依赖于这个参考基准面，根据被测表面的外形作直线或某一曲率的圆弧线运动。这时触针所描绘的将是包括粗糙度、波纹度相形状误差在内的实际表面轮廓图形。这种方法对拖动传感器运行的驱动机构(导轨)没有严格要求。 另一种形式为利用精密导轨结构，如直线性很好的轴带动传感器作直线运动，形成独立的测量基准线。 采用独立基淮需要配备复杂的附属装置(或具有精密导轨的驱动装置)，在使用时还需要精细调整，因此其应 用受到一定限制。 (2)相对基准 相对基准是利用与传感器壳体安装成一体的导头
13、(支承滑块)作相对测量基准。如图913(a)所示，传感器壳 体通过铰链和驱动器相连接，在触针3附近的圆弧形导头1装在传感器壳休上测量时传感器通过导头支承在被 测表面5上，由此形成的测量基准线为圆弧形导头曲率中心的移动轨迹，所测得的轮廓信息是触针相对于导头 (基准线)的垂直位移量，,使用圆弧形导头时若轮廓哆相当密集，导头的半径k峰距大很多，则导头的移动软迹将近似成一直线，寻头 上下位移量非常小加固914(a)所示。但若轮廓哆距增大PS头的垂盲位移变化亦将随着增大，直到它完全和触 针同步地作上下运动，如图L14(b)c)所示，此时圆弧形导头显然E个适用。 由于e6针和导头不可能在表面的同一点上接触
14、(不能同袖)，因此综合其结果*除了幅度变化LJ外，还取决于 两者相对运动的相位变化。导头相对于触针的位置，无论是在一条测量线上还足在侧边，都会产生相位的影响。同 相位时，触针相对于导头的位移量减小(加固914L)；相位差189时，则位移量增大(如图914c)。由于一般加11 表面的粗杨度间距呈不规则状态，5然测得的轮廓图形E失真，但平均效应恰与实际测员结果相近似。 按标准要求*圆弧形导头的圆弧半径应不小于截止波长的50倍。对于加工纹距间距比较大的表面如极刨、 铣削表面等，圆弧形导头D失去作为传感器位移基准线的作用，此时可改用固913b所示的浮动平面导头。这时 被测表面的粗距(起伏间距)应不大于平面导头反度的一半，否则需采用独立测邑基准的方式。,