表面粗糙度的测量方法及参数的正确应用

王昕歌/上海市计量测试技术研究院

0 引言

随着机械加工行业的不断发展，表面粗糙度测量技术也取得了长足的进步，它在机械、电子、光学等精密加工行业中的地位也显得越发重要。表面粗糙度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征，其产生是由于在加工过程中，刀具与制件表面之间的摩擦、切削或压制时产生塑性变形，以及工艺系统中高频振动等因素的作用，使被加工表面产生微观几何变形。表面粗糙度是评定零件表面质量的重要指标，它对零件的摩擦因数、密封性、耐磨性、抗腐蚀性、疲劳强度、接触刚度、配合性质以及导热导电性能等均有影响。所以合理控制表面粗糙度对提高产品性能至关重要。

1 测量方法

目前，常用的表面粗糙度测量方法有比较法、针描法、光切法、光干涉法。此外还有印模法、气动法、电容法、光纤法、光反射法、全息干涉法、激光光斑法、扫描电镜法、光外差干涉法、光触针测量法、计算机视觉检测系统以及各种模式的识别方法。本文只对最常用的四种粗糙度测量方法进行介绍。

1.1 比较法

比较法是现场常用的最简便易行的方法，它是将被测表面与表面粗糙度比较样块进行比较，用肉眼判断或借助于放大镜、比较显微镜放大后进行比较；也可用手摸、指甲划动的感觉来判断被测表面的粗糙度。比较法一般只用于粗糙度参数值较大时的近似评定。一般说来Ra ＞ 2.5 μm的加工表面可直接目测与比较样块进行比较。当目测不易判别时，可用手指甲以适当速度分别沿比较样块和被测表面划过，凭主观触觉进行判断。根据经验，当表面微观不平度间距在0.1 mm左右时，手指的移动速度以25 mm/s为宜。当Ra值在0.4～2.5 μm范围时可采用5～10倍放大镜进行观察比较。当Ra值在0.1～0.4 μm范围时，可用比较显微镜（放大25～50倍）进行观察比较。当Ra值小于0.1 μm时，不适合采用比较法判定。

1.2 光切法

光切法是采用光切显微镜对表面粗糙度进行测量的方法。它采用了光切原理，属于非接触测量。适用的粗糙度参数主要为Rz。对于其他参数的测量繁琐复杂且示值误差较大。仪器受总放大倍率和物镜的数值孔径限制了测量范围，测量范围为0.8～80 μm。超出测量范围便无法清晰成像。该方法的优点是成本低，易操作。

1.3 光干涉法

光干涉法中常用的是采用干涉显微镜进行测量。显微干涉法属于非接触测量，它要求被测表面有一定的反射率。适用于超精细加工表面。测量的主要参数是Rz。测量范围为0.1～1.0 μm。最常用的是6JA型干涉显微镜。采用干涉显微镜测量时难度较高，它是利用光波波长作为尺寸来衡量工件表面的平面深度。为了在较短的时间内调出条纹，在所有准备工作完成的前提下，先要在目镜视场中调出清晰的弓形图象，接着是调焦，调到能看到清晰工件表面图象，注意工件的纹理要垂直光波。再接下来是利用仪器上的一手柄以很慢的速度来回转动手轮，得到清晰的五彩缤纷的干涉条纹，如果工件稍动一下，图象没有了，这时只要细调焦距即可解决。

1.4 针描法

针描法又称触针法。它是利用触针式表面粗糙度测量仪进行测量。是用一种特殊触针(多为金刚石触针)以一定的速度沿着被测工件表面移动，由于表面的微观不平引起触针的上下运动，把触针移动的变量经过机械的、光学的或者电学的转换后，再经放大、运算，得到被测表面的粗糙度评定参数数值的一种检测方法。触针式表面粗糙度测量方法在机械零件测试中的应用十分广泛。理论上当针尖半径为零时所测轮廓为实际轮廓，所以针尖半径越小越好，但针尖半径过小又会划伤被测表面，因此不适用于超高精表面的测量。

目前，在众多测量表面粗糙度的方法中，尽管触针式表面粗糙度测量仪有产生划痕、扫描速度低、测量区域有限等缺点，但它仍是最常用、最方便、最可靠的表面粗糙度测量方法，并且一直是各国国家标准及国际标准制定的依据。

了解了表面粗糙度测量的常用方法，在实际应用中我们便可以根据实际情况来选择能够满足测量要求的最佳测量方法。

2 参数

在许多情况下，机械零件的表面粗糙度情况是非常复杂的，单纯用一个表面粗糙度参数来表征很难说明表面粗糙度的真实情况。一些结构完全不同的表面，它们的表面粗糙度值很可能是相同的。因此，如何正确理解和应用表面粗糙度参数显得尤为重要。

从表面粗糙度的概念来看，粗糙度存在于两个基本平面上。当用某种高度来表征时，粗糙度存在于同表面垂直的面上，即粗糙度的高度特征；当用某种波长来表征时，它又存在于该表面上，即粗糙度的横向间距特征。

根据GB/T1031-2009《产品几何技术规范（GPS）表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》中的规定，表面粗糙度参数从下列两项中选取：

（1）轮廓的算术平均偏差Ra

参数Ra是在取样长度内，轮廓偏距绝对值的算术平均值，它的统计意义是一阶原点的绝对矩，在一定程度上反映了轮廓高度相对中线的离散程度。Ra值的大小能客观地反映被测表面微观几何特性，Ra越小，说明被测表面微小峰谷的幅度越小，表面越光滑；反之，说明被测表面越粗糙。

（2）轮廓的最大高度Rz

参数Rz是指在一个取样长度内，最大轮廓峰高与最大轮廓谷深之和的高度。

注意：在GB/T 3505-1983中，Rz符号曾用于指示“不平度的十点高度”。目前，在使用中的一些表面粗糙度测量仪器大多是测量以前的Rz参数。因此，当采用现行的技术文件和图样时必须小心慎重，因为用不同类型的仪器按不同的规定计算所得结果之间的差别并不都是非常微小而可忽略的。

在幅度参数（峰和谷）常用的参数值范围内（Ra 为 0.025～ 6.3 μm，Rz为 0.1～25 μm)推荐优先选用Ra。对于极光滑和粗糙的表面可采用Rz作为评定参数。

表面粗糙度轮廓幅度参数极限值的选择原则是：在满足零件表面功能要求的前提下，尽量选取较大的参数值。

根据表面功能的需要，除表面粗糙度参数Ra和Rz外，还可选用下列的附加参数：

（1）轮廓单元的平均宽度Rsm

一个轮廓峰与相邻轮廓谷的组合叫做轮廓单元，在一个取样长度范围内，中线与各个轮廓单元相交线段的宽度（轮廓的宽度Xsi）的平均值为Rsm，即

Rsm属于附加评定参数，只能与Ra或Rz同时选用，不能独立采用。

（2）轮廓的支承长度率Rmr(c)

轮廓的支承长度率Rmr(c)是指在给定水平位置c上轮廓的实体材料长度M1(c)与评定长度的比率。在水平位置c上轮廓的实体材料长度M1(c)是指在一个给定水平位置c上用一条平行于x轴的线与轮廓单元相截所获得的各段截线长度之和。即

轮廓的支承长度率Rmr(c)依据评定长度而不是在取样长度上来定义，因为这样可以提供更稳定的参数。 轮廓的水平位置c可用微米或轮廓最大高度Rz的百分数表示。支承长度率Rmr(c)是水平位置c的函数，其关系曲线称为支承比率曲线。

以上4个参数，评定轮廓的算术平均偏差Ra和轮廓的最大高度Rz是幅度参数，是标准中规定必须标注的参数，称为基本参数；轮廓单元的平均宽度Rsm和轮廓的支承长度率Rmr(c)称为幅度参数的附加参数。其中，前者是反映间距特性的参数，后者是反映形状特性的参数。附加参数不能单独在图样上注出，只能作为幅度参数的辅助参数注出。

[1]王伯平. 互换性与测量技术基础[M]. 北京：机械工业出版社,2000.

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[3]陈于萍， 高晓康. 互换性与测量技术[M]. 北京: 高等教育出版社,2002.

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