表面粗糙度的参数测量及仪器选择

由于金属加工件更多采用数字表面粗糙度规范，采用目视（如用眼睛观察检测零件是否镜面和不带毛刺）或触觉（如用指甲划过零件表面检查是否不光滑和粗糙）的方式来检测零件表面粗糙度的需求已经消失。三丰（Mitutoyo）美国公司的形状检测产品销售工程师Len Carravallah指出：“当看见零件检测规范要求的截断值、探针头尺寸和滤波器时，任何人就知道如何进行检查而不需要新制定检测规范。”三丰公司提供的接触式检测仪器，包括可测量平面的基本型产品和自动化的5轴数控测量仪。

Michigan Metrology公司的Donald Cohen正在操作布鲁克公司（Bruker）生产的NPFlex 3D光学轮廓仪

对于精细小微零件，探针划过其表面会产生负面影响，需要采用其它测量方法。布鲁克公司可提供接触式和非接触式表面粗糙度和纹理测量仪器。非接触式测量仪不会损伤零件表面，还可测量更多的信息。布鲁克公司的纳米表面部门总监Matt Novak指出：“非接触测量方法可得到纹理方向的细节信息，而单一探针接触测量方法却无法确定纹理方向。”

粗糙度和波纹度

Michigan Metrology LLC公司是使用布鲁克测量仪器的公司之一。该公司采用3D表面微纹理测量和分析，为工程师和科学家解决诸如噪音、泄露、摩擦、磨损、外观和粘接等问题。

Cohen采用布鲁克公司的NPFlex白光垂直扫描干涉仪，可得到高分辨率的表面3D图像。通常在1mm×1mm(0.039″×0.039 ")的视场内测量表面，垂直扫描模式的分辨率可高达3-6nm，移相模式的分辨率小于0.3nm。

一个重要的问题是确定正确的空间波距。Cohen指出，“采用探针轮廓仪的人们大多采用特定的截断值，如0.8mm。” 这意味着零件表面的空间波距如正弦波距被设定为≤0.8mm(0.315″)时用于检测粗糙度，大于0.8mm时用于检测波纹度。

Cohen指出：“问题在于实际情况并非总是如此，这取决于特定的应用场合如零件形状等，将0.8mm作为粗糙度和波纹度的截断值并不意外。”

施泰力公司（Starrett）的SR系列粗糙度测试仪用于检测被加工表面的粗糙度

Cohen举例说明，采用0.8mm的截断值测量齿轮的齿表面粗糙度就很具挑战性，因为齿轮齿通常很窄。但在测量谱另一端，可在毫米级测量被加工零件的波纹度。

Cohen指出：“我们正试图取消粗糙度和波纹度这样的用语，而只指定空间波距。通常由短波距或长波距就可定义带宽。”

Cohen还引用了山脉粗糙度测量这样的例子。基于最高峰和最低谷的高度值差来测量山脉的粗糙度，其测量结果值会很大。如果山上有草丛，把草丛去除以后再来测量，测量结果值将保持不变。这是因为草丛的高度几乎不影响整个山脉的粗糙度值。

Cohen指出：“电解抛光类似于山脉测量的情形。零件表面的山脉使零件看起来并不光亮。零件被抛光就像山脉的草丛被去除，但大山仍在那里。”

三丰公司用于测量零件表面的Formtracer SV-C3200 系统　

当用典型的0.8mm截断值进行测量，平均粗糙度值并有变化。Cohen指出：“这是我这些年来研究的一个大问题。工件被抛光，但为什么粗糙度值没有变化？这就像从山脉去除草丛而山脉仍在那里一样。”

为解决此问题，电解抛光和其它抛光者必须决定零件上的山脉是否重要。如果有必要去除山脉，就需要采用其他工艺来消除。如果要保留山脉，所要做的事情是决定山脉是否需要抛光。为了测量粗糙度，需用更短的波距。这样就可以过滤掉山脉而不测量它。

形状是另一个表面纹理术语，需要更大的波距来测量。形状可以是零件的外形，如圆柱。当考察整体形状时，基本形状如圆柱面上的起伏可视为形状误差。圆柱是形状，对理想圆柱的偏离可视为形状偏差，通常被称为圆度。一旦把理想圆柱去掉后，在定义的空间波距上仅余形状偏差。粗糙度和波纹度的空间波距比形状误差小。”

Cohen 指出，尽管一直以来都采用粗糙度、波纹度和圆度等术语来描述工件表面，未来将采用空间波距和针对形状的每转起伏来描述。

轮廓参数

表面粗糙度Ra是一个常用的轮廓参数，它对所有轮廓峰和轮廓谷取平均值，但只反映了有限的表面信息。

三丰公司的Carravallah指出：“尽管Ra是观察表面的一种很常用的方法，但在欧洲和亚洲并却没有广泛使用该参数。Ra给人一种零件已经被正确测量的感觉，但很多的表面信息却并未反映。”

布鲁克公司的Novak举例指出，大量微小轮廓峰随机分布的表面Ra值可与数量相同的轮廓峰集中位于表面一端的Ra值相同。但是，如果该表面在装配中要与其它面配合，轮廓峰位于一端的面可能不如轮廓峰随机分布的面更有效配合。这需要了解一个零件在系统中是如何工作的，并对表面标注适当的控制和纹理，而不是仅用粗糙度。

尽管对粗糙度的描述可能会难于理解，但却很有必要。施泰力公司的精密工具产品经理Michael Butler指出：“这对加工技师阅图很重要。当一表面有引出标注时，技师们需要了解这些标注的基本知识，因为这能使他们与设计工程师更有效地互动。”

据Butler所言，通过更深入地了解面之间的相互作用以确定是否需要增加粘接和降低摩擦效果等，设计工程师可以在部件设计中创造出令人难以置信的效率。但设计工程师可能不知道实际面加工要遇到的挑战和成本问题。Butler指出：“坦率地讲，加工技师的知识通常非常丰富，而设计工程师却相对欠缺。”

表面粗糙度轮廓参数列表很长，就像一堆字母的组合。但每一种参数都有其特定作用，用于描述特定的表面特征。

例如，轮廓倾斜度参数Rsk用于描述表面对称度。Michigan Metrology公司的Cohen指出：“如果一个表面主要包括轮廓峰，倾斜度是正值。如果轮廓谷居多，则倾斜度是负值。”

布鲁克公司的Contour Elite 3D光学显微镜用于测量铜环，得到3D彩色表面图像   

另一组参数用于描述表面的间距特性。Cohen指出：“一个典型的参数是RSm，轮廓微观不平度的平均间隔，该参数描述轮廓峰沿轮廓的间距。”

此外，混合型参数同时描述间距和高度偏差。据Cohen所言，一个典型的参数就是Dq，轮廓的均方根斜率。“该斜率与间距和幅值相关，可从此参数得到所有信息。”

Cohen 解释说，对于混合型参数，可用两部过山车的运动来比拟。如果第一辆过山车在特定长度向上向下走一次，而第二辆过山车在相同长度上下走十次，那么两辆过山车运动轨迹的Ra值可相同，但间距和斜率可不相同。“轮廓的均方根斜率描述表面变化的速率。对于有很多起伏的表面，其值会大于起伏较少的表面，这是另一种用于描述表面变化快慢的方法。”

三维测量

粗糙度参数列表里带字母S的参数，如Sa，用于描述3D空间内的粗糙度值。Cohen 指出，当用非接触光学仪器进行3D测量，用户能看到零件的整个表面，而不仅仅是通过表面的一条迹线。“当我用这台3D仪器进行演示测量，最终可以看到被测的表面形貌。”

布鲁克公司的Novak指出，尽管3D测量的应用还较少，但其正日益增长。“很多人仍然在采用2D参数测量轮廓数据，但他们发现这种2D方法不能找到一些性能问题的根本原因。”这驱使制造商开始关注非接触式或在更大面积上进行测量的方法。

Novak指出，光学表面测量系统的测量结果不受操作者因素的影响。“因为光学方法在更大的区域进行测量，不像2D方法对探针迹线位置要求苛刻。”

Butler指出，施泰力公司主要提供三种基于探针的粗糙度测试仪：SR160、SR330和SR400。对于基本型SR160，其金刚石探针与测试仪集成为一体；对于SR300和SR400型，其探针外露并与测量表面接触，可提供更多测量结果和增强的数据分析。金刚石探针的半径从5μm到10μm，需严格保持该敏感部件的可靠性，最常见的问题就是更换损坏的探针。

探针式表面测试仪可分为导头型和无导头型。三丰公司的Carravallah解释说，导头型仪器主要用于平面检测。无导头型仪器可检测粗糙度的高频波距和波纹度的低频波距，因此还可用于检测带圆角和轮廓的表面。Wt是一个波纹度参数，可用无导头型仪器检测。三丰公司检测仪器的探针在Z轴方向的移动距离为：导头型360μm，无导头型。

Cohen 指出：“理想的方式是在零件进行切削加工时进行检测并反馈检测结果。这种方式已经用于真正高端的光学件抛光加工领域。”
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