表面粗糙度值，通常采用光切顯微鏡、干涉顯微鏡及輪廓儀(計(jì))測(cè)量。取樣長(zhǎng)度與評(píng)定長(zhǎng)度的合理選用對(duì)粗糙度值的評(píng)定起著重要作用。然而在儀器使用中，常常未按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定實(shí)現(xiàn)取樣長(zhǎng)度與評(píng)定長(zhǎng)度的選用，影響了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。因此尋求一個(gè)取樣長(zhǎng)度、評(píng)定長(zhǎng)度在儀器測(cè)量中正確的實(shí)施途徑，尤為必要。
1 取樣長(zhǎng)度與評(píng)定長(zhǎng)度的選取
GB1031—83《表面粗糙度 參數(shù)及其數(shù)值》給出了取樣長(zhǎng)度數(shù)值(表1)，公比為10½。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取樣長(zhǎng)度值應(yīng)從該系列值中選取。
表1 取樣長(zhǎng)度的數(shù)值(mm)
0.08
0.25
0.8
2.5
8
25
表2 Ra、Rz、Ry的取樣長(zhǎng)度l與評(píng)定長(zhǎng)度ln選用值
Ra(µm)
Rz,Ry(µm)
l(mm)
ln=5l(mm)
≥0.008～0.02
＞0.02～0.1
＞0.1～2.0
＞2.0～10.0
＞10.0～80.0
≥0.025～0.10
＞0.10～0.50
＞0.50～10.0
＞10.0～50.0
＞50.0～320
0.08
0.25
0.8
2.5
8.0
0.4
1.25
4.0
12.5
40.0
規(guī)定和選擇取樣長(zhǎng)度，是為了限制和減弱表面波紋度對(duì)表面粗糙度測(cè)量結(jié)果的影響，使得到的粗糙度值正確反映表面的粗糙度特性。一般情況下，可根據(jù)表面加工方法和粗糙度參數(shù)值大小選用。GB1031—83附錄B規(guī)定了取樣長(zhǎng)度推薦值(表2)。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，評(píng)定粗糙度時(shí)必須取一段能反映加工表面粗糙度特性的最小長(zhǎng)度，它包含一個(gè)或數(shù)個(gè)取樣長(zhǎng)度，這幾個(gè)取樣長(zhǎng)度的總和稱(chēng)為評(píng)定長(zhǎng)度。
評(píng)定長(zhǎng)度值根據(jù)表面加工方法和相應(yīng)取樣長(zhǎng)度按GB1031—83附錄B選用。一般加工表面選取評(píng)定長(zhǎng)度為5個(gè)連續(xù)的取樣長(zhǎng)度(表2)。加工均勻性較好的表面，可選用小于5個(gè)取樣長(zhǎng)度的評(píng)定長(zhǎng)度；均勻性較差的表面，可選用大于5個(gè)取樣長(zhǎng)度的評(píng)定長(zhǎng)度。若圖樣上或技術(shù)文件中已標(biāo)明評(píng)定長(zhǎng)度值，則應(yīng)按圖樣或技術(shù)文件中的規(guī)定執(zhí)行。
所謂“加工表面均勻性”是指加工后表面各部位粗糙度數(shù)值一致的程度。如果在一個(gè)加工表面上按取樣長(zhǎng)度連續(xù)測(cè)量幾段所得粗糙度值一樣，說(shuō)明加工表面均勻；反之粗糙度值不一樣，有時(shí)甚至相差很大，則表明加工表面不均勻。
任何表面的粗糙度都是由一系列不同高度和間距的峰谷組合而成，這些峰谷反映了加工表面微觀幾何形特性。從外觀上或感覺(jué)上這種特性通常總帶有表面加工過(guò)程中所用加工方法的特征。
車(chē)、銑、刨削加工表面往往帶有均勻的間距和清晰的刀具痕跡方向，其紋理具有明顯的規(guī)律性，它所形成的是一個(gè)典型的周期輪廓(有時(shí)也疊加有不同程度的隨機(jī)成分)有明顯的周期，這一周期反映了進(jìn)給量是均勻相等的，加工表面均勻性好。
磨削加工表面雖有一般的方向性，但是間距通常是不規(guī)則的，紋理沒(méi)有明顯的規(guī)律。研磨加工表面是通過(guò)磨料的往復(fù)作用所產(chǎn)生的表面，往往沒(méi)有什么方向性。磨削、研磨分別用砂輪和磨料進(jìn)行切削拋光，使表面光滑平整。但由于砂輪的磨粒大小、磨料顆粒尺寸形狀不規(guī)則，切削力不等，使加工表面形成隨機(jī)輪廓，雖有周期成分，但隨機(jī)成分是主要的，表面均勻性差。
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因此，加工表面的粗糙度是加工過(guò)程中多種因素(機(jī)床—刀具—工件系統(tǒng)、加工方法、切削用量、冷卻潤(rùn)滑液)共同作用的結(jié)果。這些因素的作用過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，而且是不斷變化的。所以用不同加工方法或在同樣加工方法、同樣切削條件下切削出來(lái)的同一批零件，不同表面不同部位其粗糙度值也不完全相同。根據(jù)每一種加工方法具有的獨(dú)特表面特征，表3列出了各種典型方法選用的取樣長(zhǎng)度和評(píng)定長(zhǎng)度經(jīng)驗(yàn)值。
表3 常用加工方法取樣長(zhǎng)度、評(píng)定長(zhǎng)度經(jīng)驗(yàn)值(mm)
表面輪廓的特點(diǎn)
取樣長(zhǎng)度l
評(píng)定長(zhǎng)度ln
GB1031推薦值
經(jīng)驗(yàn)數(shù)值
美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASA B46.1
英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS1134
比較規(guī)則和均勻
(如車(chē)、銑、刨)
2.5
(1～3)l
2l
(5～20)l
＞5l
不很規(guī)則和均勻
(如精車(chē)、磨、端銑)
0.8
(2～6)l
(3～4)l
(3～6)l
很不規(guī)則和均勻
(如精車(chē)、研磨、拋光)
0.25
(6～17)l
(6～7)l
極不規(guī)則和均勻
(如細(xì)研、細(xì)拋光)
0.08
—
(8～10)l
(10～12)l
注：
- 均勻性較好的表面，評(píng)定長(zhǎng)度可選表中所列范圍中較小值，反之取較大值。
- 加工表面不均勻時(shí)，應(yīng)在表面上至少3個(gè)不同位置上測(cè)量，每個(gè)位置測(cè)量一個(gè)評(píng)定長(zhǎng)度(包括數(shù)個(gè)取樣長(zhǎng)度)的粗糙度。
- 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ASAB46.1《表面粗糙度、波紋度和加工紋理》始于1940年。1947年，1955年，1962年三次修訂成ASA B46.1.1962，1971年重新肯定了1962年標(biāo)準(zhǔn)。表中給出的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為ASA B46.1.1962，1978年又修訂成現(xiàn)行的ANSI B46.1.1978《表面結(jié)構(gòu)表面粗糙度、波紋度和加工紋理》。
- 英國(guó)的第一個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是1950年發(fā)布的BS1134：1950《表面結(jié)構(gòu)的評(píng)定》。表中給出的是英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS1134：1961《表面結(jié)構(gòu)的評(píng)定》，1978年修訂成BS1134：1972《表面結(jié)構(gòu)的評(píng)定方法》。
- 取樣長(zhǎng)度的系列各國(guó)規(guī)定基本相同。各國(guó)都采用0.08、0.25、0.8、2.5、8和25mm6檔。英國(guó)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了將0.8mm作為優(yōu)先采用的取樣長(zhǎng)度。
- 評(píng)定長(zhǎng)度的控制，在英國(guó)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中有截止值和行程長(zhǎng)度間相應(yīng)值的規(guī)定。
2 取樣長(zhǎng)度與評(píng)定長(zhǎng)度在測(cè)量?jī)x器中的實(shí)施
輪廓儀(計(jì))利用濾波器抑制波紋度的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)取樣長(zhǎng)度的選擇。通常濾波器特性在截止波長(zhǎng)處急劇變化，輪廓譜通過(guò)濾波后使間距小于截止波長(zhǎng)的粗糙度都無(wú)變化地通過(guò)，而間距大于截止波長(zhǎng)的粗糙度卻被完全抑制。
截止波長(zhǎng)是輪廓譜中數(shù)值上等于取樣長(zhǎng)度的一個(gè)正弦波的波長(zhǎng)，習(xí)慣上也叫做切除長(zhǎng)度，通常叫截止值。所以?xún)x器的截止值就相當(dāng)于測(cè)量時(shí)的取樣長(zhǎng)度。
截止值與取樣長(zhǎng)度的區(qū)別是，截止值是一種手段，利用它可使獲得的輪廓波形限制在取樣長(zhǎng)度內(nèi)進(jìn)行評(píng)定的效果。而取樣長(zhǎng)度是用于判別具有表面粗糙度特征的一段基準(zhǔn)線長(zhǎng)度，它可使表面粗糙度參數(shù)值從波度和波距大于其值的不平度中區(qū)分開(kāi)來(lái)。
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由記錄器記錄表面輪廓曲線時(shí)，不必考慮截止值。而用平均值量表測(cè)量時(shí)，必須考慮截止值。截止值旋鈕置于電器箱上，通常有三檔截止節(jié)距值(對(duì)TALY-SURF—4輪廓儀三檔為J、K、L)，它們分別對(duì)應(yīng)著0.25、0.8、2.5mm取樣長(zhǎng)度值。
截止值的選取，應(yīng)首先了解被測(cè)件的加工方法，并對(duì)表面粗糙度值作初步判斷，根據(jù)表4確定。
表4 輪廓儀(計(jì))的截止值
截止值
開(kāi)關(guān)位置
截止值
(mm)
選用范圍
加工方法
Ra(µm)
Rz,Ry(µm)
J
0.25
精密及超精密加工表面
＞0.02～0.1
＞0.1～0.5
K
0.8
一般精加工表面
＞0.1～2
＞0.5～10
L
2.5
普通車(chē)、銑、刨加工表面
＞2～10
＞10～50
評(píng)定長(zhǎng)度是評(píng)定輪廓表面粗糙度所必須的一段長(zhǎng)度，它包括一個(gè)或數(shù)個(gè)取樣長(zhǎng)度。輪廓儀(計(jì))的評(píng)定長(zhǎng)度由儀器測(cè)量行程長(zhǎng)度來(lái)表征。輪廓儀(計(jì))的測(cè)量行程長(zhǎng)度，是用作測(cè)量表面粗糙度的一段修整輪廓長(zhǎng)度，即在測(cè)量時(shí)由于濾波器作用產(chǎn)生的與傳感器同步的觸針移動(dòng)軌跡。測(cè)量行程長(zhǎng)度包括一個(gè)或數(shù)個(gè)取樣長(zhǎng)度。
測(cè)量行程長(zhǎng)度與評(píng)定長(zhǎng)度不同之處是，評(píng)定表面粗糙度參數(shù)值所依據(jù)的“長(zhǎng)度”有差異，前者是實(shí)際測(cè)量中采用輪廓儀(計(jì))所得到的一段修整輪廓長(zhǎng)度，而后者是理論上定義的評(píng)定表面粗糙度所必須的一段長(zhǎng)度。由此可以說(shuō)，行程長(zhǎng)度是評(píng)定長(zhǎng)度在實(shí)際測(cè)量中，使輪廓儀(計(jì))實(shí)現(xiàn)表面粗糙度參數(shù)測(cè)量的具體體現(xiàn)。
測(cè)量行程長(zhǎng)度與評(píng)定長(zhǎng)度相同處是，都包括一個(gè)或數(shù)個(gè)取樣長(zhǎng)度。一般行程長(zhǎng)度取5個(gè)截止值(相當(dāng)于5個(gè)取樣長(zhǎng)度)，這與一般選用評(píng)定長(zhǎng)度為5倍取樣長(zhǎng)度相一致。
行程長(zhǎng)度旋鈕置于驅(qū)動(dòng)箱上，標(biāo)記J、K、L三檔。行程長(zhǎng)度旋鈕的位置根據(jù)截止值旋鈕的位置來(lái)決定，兩者必須一一對(duì)應(yīng)。
各種輪廓儀(計(jì))行程長(zhǎng)度不盡相同，TALYSURF—4型輪廓儀J、K、L檔對(duì)應(yīng)截止值為0.25、0.8、2.5mm的行程長(zhǎng)度是0.25×8≈1.9mm,0.5×8≈3.8mm,2.5×3≈7.6mm。測(cè)量時(shí)行程長(zhǎng)度旋鈕調(diào)到與截止值旋鈕一致的相當(dāng)位置。如TALYSURF—4型測(cè)量行程長(zhǎng)度旋鈕K檔，儀器測(cè)讀的粗糙度值是一個(gè)測(cè)量行程長(zhǎng)度3.8mm的平均值。
必須指出，目前使用的觸針式輪廓儀可以直接測(cè)讀粗糙度(Ra)值，一般不能按粗糙度Rz、Ry定義直接測(cè)得結(jié)果，但可通過(guò)記錄輪廓圖形進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)應(yīng)注意盡量使記錄圖形的走向處于水平線上，截止值在輪廓總的走向上量取。只要記錄圖形的垂直放大倍率可靠，截取截止值的水平放大倍率準(zhǔn)確，可以獲得可信賴(lài)的Rz、Ry值。
應(yīng)注意水平放大倍率的變化。該變化是靠變動(dòng)驅(qū)動(dòng)箱上速度選擇旋鈕改變傳感器運(yùn)動(dòng)速度獲得的，因此正確選擇速度旋鈕的檔位很重要。表5給出了速度選擇旋鈕的參考值。
表5 輪廓儀(計(jì))速度選擇旋鈕參考值
速度
旋鈕
水平放
大倍率
用途
被測(cè)表面粗糙度值(µm)
Ra
RZ#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#、RY
N
—
手動(dòng)進(jìn)行測(cè)量過(guò)程中被測(cè)件的安裝與調(diào)整配用500X傳動(dòng)裝置作高精度表面輪廓圖形記錄
0.01～0.02
0.05～0.1
AV
4
用于平均值量表讀數(shù)記錄波紋度圖形
—
—
20X
20
記錄車(chē)、銑、刨、滾銑加工表面輪廓圖形記錄波紋度圖形
＞1.25～10
＞6.3～40
100X
100
記錄一般表面粗糙度輪廓圖形
＞0.02～1.25
＞0.1～6.3
速度旋鈕選用的總原則是使輪廓圖形中峰與峰之間距離不要太密集而要拉開(kāi)一些。當(dāng)選用截止值為0.8mm，水平放大倍率為20X，則應(yīng)在輪廓圖總的走向上量取0.8×20=16mm。
多參數(shù)輪廓儀可直接顯示粗糙度RZ，RY值，但儀器顯示的粗糙度RY值與標(biāo)準(zhǔn)定義的粗糙度RY有區(qū)別。一般是在行程長(zhǎng)度內(nèi)給出的結(jié)果或是微觀不平度高度(相鄰峰谷)的最大值。
光切顯微鏡、干涉顯微鏡通常用來(lái)測(cè)量粗糙度RZ，RY參數(shù)值。測(cè)量時(shí)應(yīng)按規(guī)定確定取樣長(zhǎng)度、評(píng)定長(zhǎng)度。對(duì)粗糙度RZ而言，在儀器示場(chǎng)中取樣長(zhǎng)度內(nèi)，測(cè)出5個(gè)最高點(diǎn)5個(gè)最低點(diǎn)數(shù)值計(jì)算粗糙度RZ值，在評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)測(cè)出數(shù)個(gè)連續(xù)取樣長(zhǎng)度上的粗糙度RZ值，取其平均值作為測(cè)量結(jié)果。如果儀器視場(chǎng)直徑不足一個(gè)取樣長(zhǎng)度或一個(gè)評(píng)定長(zhǎng)度，以及測(cè)量圓弧曲面時(shí)不大可能按定義取點(diǎn)計(jì)算(表6)，在這種情況下，必須在一次測(cè)量中移動(dòng)工作臺(tái)，使被測(cè)部位順次移入視場(chǎng)。建議采用下述方法計(jì)算：把選定的取樣長(zhǎng)度l分成5個(gè)相等的分量l′1、l′2、……l′5，在每個(gè)取樣長(zhǎng)度分量上各測(cè)一個(gè)最大峰谷高(附圖)得h1、h2、……h(huán)5，計(jì)算得到
表6 光切顯微鏡的視場(chǎng)直徑
物鏡標(biāo)稱(chēng)
放大倍數(shù)
測(cè)量范圍RZ
(µm)
視場(chǎng)直徑
(mm)
取樣長(zhǎng)度
(mm)
7
14
30
60
25～100
6.3～25
1.6～6.3
0.8～1.6
2.5
1.3
0.6
0.3
2.5
0.8 2.5
0.25 0.8
0.25
需指出，各取樣長(zhǎng)度分量之間必須是連續(xù)的。為保證l′1=l′2=……=l′5，應(yīng)均勻移動(dòng)工作臺(tái)，使工作臺(tái)移動(dòng)量相等，同時(shí)從目鏡視場(chǎng)中注意觀察被測(cè)表面輪廓移動(dòng)情況，以免重復(fù)測(cè)量同一長(zhǎng)度輪廓曲線。對(duì)粗糙度RY而言，如果儀器視場(chǎng)直徑小于一個(gè)規(guī)定取樣長(zhǎng)度時(shí)，可取視場(chǎng)直徑為取樣長(zhǎng)度，在觀測(cè)范圍內(nèi)取最大峰谷值，然后在相鄰視場(chǎng)中再測(cè)出一個(gè)輪廓最大高度，取兩讀數(shù)中大者作為一個(gè)取樣長(zhǎng)度的測(cè)量值。嚴(yán)格地說(shuō)，按上述方法求得的粗糙度RZ、RY值是近似值。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#