表面粗糙度测量技术与方法研究

蔡林衡 陈蕊 顾建伟 康轩尧 陈蕊

摘要：表面粗糙度是工件表面微观表示的重要指标。它是对工件表面越小以及工件表面越粗糙程度的测量。表面加工指标应用于制造业，这对提高工件质量和生产率尤为重要。同时，这会直接影响工件的耐磨性能。曲面越粗糙，相应接触的有效面越小，压力越大，磨损程度越高。也会影响工件配合的稳定性和疲劳强度。。鉴于此，本文对表面粗糙度测量技术与方法进行分析，以供参考。

关键词：表面粗糙度；测量理论；现状；测量技术与方法

引言

由于发达国家对高分辨率仪器的需求越来越大，对高质量工件的要求也越来越重要，因此测量工件表面具有特别重要的意义，这就要求逐步提高表面光洁度测量技术和方法的研究力，促进测量技术和方法的变化和创新，提高测量精度，有效利用表面光洁度测量。

1表面粗糙度测量理论

表面粗糙度，也称为表面光洁度，是评定工件表面生产质量的重要尺度。表面粗糙度研究中，俄罗斯雪佛莱是世界上第一位进行全面系统研究的研究者。1874年初期对圆柱铣削应用了计算工件表面粗糙度的最大公式。1930年代后期，美国、德国、英国等科学家开始研究表面粗糙度，然后发表了几篇关于表面粗糙度测量的影响以及表面粗糙度对工件性能的影响的文章。此外，一些专家开发并制作了剖面记录、光度显微镜和碰撞显微镜，以测量工件的表面粗糙度，并进入表面光洁度的技术分析和发展阶段。

2表面轮廓

零件或工件的曲面轮廓是当指定平面与由原始轮廓、粗糙轮廓、轴轮廓组成的实际曲面相交时所产生的轮廓。轮廓曲线类型如图1所示。

原始配置文件是OCS配置文件过滤器后面的总体配置文件，用作确定原始配置文件参数的基础。粗糙度轮廓是一种高通轮廓滤波器，其波长为λ，用于抑制轴分量，找出源自原始轮廓的表面轮廓，并用作评估坯件折扣参数的基础。波形轮廓是在原始轮廓上依次应用λ和λ这两个轮廓滤波器时产生的曲面轮廓，抑制轴分量μf，抑制短波分量μc，并以校正后的轮廓作为确定波参数的基础。

3表面粗糙度不高的原因

3.1残留面积

切削过程由于车刀的主偏角和副偏角，必然会残留一小块未切除面积，在已加工表面上构成与切削速度平行的条纹，如果走刀量偏大，就像细牙螺纹表面一样。残留在已加工表面上未被切除面积称残留面积。要提高表面粗糙度一般选用较小的走刀量或较大的刀尖圆弧半径，但是还应当考虑生产率和振动以及刚性。

3.2鳞刺

在低速车削后，已加工表面上出现鱼鳞片状的毛刺，通称鳞刺。鳞刺是由于车刀前面和后面上摩擦所造成的。要提高表面粗糙度就要减少鳞刺的产生。加大车刀前角、后角和调质处理工件，可以减少鳞刺的产生。

3.3车刀刃磨质量不高

车刀几何角度选择不正确；刃磨车刀的技术不过关，导致车刀几何角度不正确；车刀断屑槽结构形状、车刀刀口形式类型选择不当；刀尖的修磨形式、研磨方法不正确等都会导致工件表面粗糙度不高。

4表面粗糙度测量技术与方法介绍

4.1常规目测比较法

测量工件表面粗糙度时，该过程是最简单、最容易处理的常规测量方法，通常用于在制造车间测量带，通常使用标有一定粗糙度值的标准零件来测量实际测量的工件的平均表面粗糙度或粗糙表面粗糙度。如果工件的粗糙度在1.6-0.4 μm范围内，则将其与放大镜进行比较。当工件表面粗糙度小于0.4 μm时，用显微镜进行比较。如果选取了相似的工件，则过程、工件结构、刀具运动方向和工件材料必须与测量的工件一致，以确保曲面粗糙度的测量精度。

4.2光切法

根据光切割原理，光切割原理是指平行光可以以一定的角度投射到被测表面上。通过光带与表面轮廓的相交曲线，可以得到被测表面的微观几何形状。通过这种方式，避免了与被测表面的接触，解决了由于表面的微峰谷深度造成的工件测量问题。由于光切割原理，物镜的景深和分辨率将限制可测量表面上轮廓峰和谷的最大和最小高度。

4.3光学探针法

该方法原则上类似于一种机械可测量的测量方法，在该方法中，探针被聚焦光束取代，从而实现非接触式测量。铅笔测量系统大于其他方法，不仅测量局部表面的粗糙度，而且测量1mm范围内表面形状的变化，以及检测较小的表面误差。

4.4激光散斑法

与光散射法一样，光散射法是一种非接触敏感的表面粗糙度测量方法，它不直接测量所测量工件的表面轮廓，而是测量光的散射强度和空间分布，并根据理论模型反向表示工件表面粗糙度的确切数字。激光选择方法是一种典型的光学方法，它通过将光线或部分入射光散射到要测量的工件表面，然后在空间中形成特定的光分布来计算工件表面的粗糙度值。由于所测试工件的表面粗糙程度不同，因此当碰撞照明位于工件表面的不同位置时，会产生不同的碰撞。这会导致空间中出现粒状斑点，这是工件表面上由漫反射带和反射斑点组成的看起来粗糙、单色反射的结果。斑点的亮度、对比度等分布与工件表面粗糙度直接相关。

4.5切屑变形规律

前角越大，变形越小，这样可以增大前角，减小变形和切削力；塑性大的金属，切屑变形程度就大，强度越低塑性越大，材料越易变形，所以软钢的变形比硬钢大，切塑性大的金属，前角选大些，切脆性材料或断续表面，前角选小些；高速切削时，切屑变形增加不多，这时前角对变形的影响不大。根据车削表面粗糙度随车削速度变化曲线（图2）来看，可以提高主轴转速即切削速度来减小变形降低切削力。

图2

4.6刀具磨损的变化规律

一把车刀使用一段时间以后，刀具的切削刃变钝了，甚至无法使用；经过重新刃磨后，使切削刃恢复锋利。车刀从开始使用到磨钝后的有效实际工作时间叫做车刀耐用度，用T表示。车刀从工具库领出后到完全不能再刃磨，只好报废的这个使用期限叫刀具寿命，用W表示。车刀正常磨损的原因有：①机械擦伤磨损；②粘结磨损；③金相组织变化磨损；④元素扩散磨损。一般车刀的磨损主要是由高温而引起的。切削速度增大时，车刀耐用度T急剧降低。车削外圆时切削速度增加15%，车刀耐用度T就会下降两倍多。硬质合金车刀切削速度也不能选择过低，过低粘结磨损就会加剧，车刀耐用度反而下降。

结束语

近年来，我国在表面粗糙度方面的研究集中在测量技术与方法的完善与创新上，并且取得了不错的进展，对我国的工件制造起到了关键作用，推动了我国制造企业的良好发展。

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