实验三表面粗糙度测量

实验三 表面粗糙度测量

实验3—1 用双管显微镜测量表面粗糙度 一、实验目的

1. 了解用双管显微镜测量表面粗糙度的原理和方法。

2. 加深对粗糙度评定参数轮廓最大高度Rz 的理解。

二、实验内容

用双管显微镜测量表面粗糙度的Rz 值。

三、测量原理及计量器具说明

参看图1，轮廓最大高度Rz 是指在取样长度lr 内，在一个取样长度范围内，最大轮廓峰高Rp 与最大轮廓谷深Rv 之和称之为轮廓最大高度 。

即

Rz = Rp + Rv

图1 图2

双管显微镜能测量80~1μm 的粗糙度，用参数Rz 来评定。

双管显微镜的外形如图2所示。它由底座1、工作台2、观察光管3、投射光管11、支臂7和立柱8等几部分组成。

双管显微镜是利用光切原理来测量表面粗糙度的，如图3所示。被测表面为P 1、P 2阶梯表面，当一平行光束从450方向投射到阶梯表面上时，就被折成S 1和S 2两段。从垂直于

光束的方向上就可在显微镜内看到S 1和S 2两段光带的放大象1

S '和2S '。同样，S 1和S 2之间距离h 也被放大为1S '和2S '之间的距离1h '。通过测量和计算，可求得被测表面的不平度高度

h 。

图4为双管显微镜的光学系统图。由光源1发出的光，经聚光镜2、狭缝3、物镜4以

450方向投射到被测工件表面上。调整仪器使反射光束进入与投射光管垂直的观察光管内，经物镜5成象在目镜分划板上，通过目镜可观察到凹凸不平的光带（图5 b ）。光带边缘即工件表面上被照亮了的h 1的放大轮廓象为h 1′，测量亮带边缘的宽度h 1′，可求出被测表面的不平度高度h 1：

Z p 2

lr

Z v 6

Z v 5

Z p 6

Z p 5

Z p 4

Z p 3

Z v 4 Z v 3

Z p 1

R z

中线

Z v 1

Z v 2

1h ＝1h cos450＝N

h

'1cos450

式中 N —物镜放大倍数。

图 3 图 4

为了测量和计算方便，测微目镜中十字线的移动方向（图5a ）和被测量光带边缘宽度h 1′成450斜角（图5b ），故目镜测微器刻度套筒上读数值h 1′与不平度高度的关系为：

1h ''＝0

20145cos 45cos Nh h ='

所以 h ＝N

h N h 245cos 1

021"=

" 式中，

N

21

＝C ，C 为刻度套筒的分度值或称为换算系数，它与投射角α、目镜测微器的结构和物镜放大倍数有关。

（a ）

(b)

图 5

四、测量步骤

1. 根据被测工件表面粗糙度的要求，按表1选择合适的物镜组，分别安装在投射光管和观察光管的下端。

2. 接通电源。

3. 擦净被测工件，把它安放在工作台上，并使被测表面的切削痕迹的方向与光带垂直。当测量圆柱形工件时，应将工件置于V 型块上。

表1

物镜放大倍数

N

总放大倍数

视场直径 （mm ）

物镜工作距离（mm ）

测 量 范 围 Rz (μm)

7X 60X 2.5 17.8 10—80 14X 120X 1.3 6.8 3.2—10 30X 260X 0.6 1.6 1.6—6.3 60X

520X

0.3

0.65

0.8—3.2

4. 粗调节：参看图2，用手托住支臂7，松开锁紧螺钉9，缓慢旋转支臂调节螺母10，使支臂7上下移动，直到目镜中观察到绿色光带和表面轮廓不平度的影象（图5b ）。然后，将螺钉9固紧。要注意防止物镜与工件表面相碰，以免损坏物镜组。

5. 细调节：缓慢而往复转动调节手轮6，调焦环12和调节螺钉13，使目镜中光带最狭窄，轮廓影象最清晰并位于视场的中央。

6. 松开螺钉5，转动目镜测微器4，使目镜中十字线的一根线与光带轮廓中心线大致平行（此线代替平行于轮廓中线的直线）。然后，将螺钉5固紧。

7. 根据被测表面的粗糙度级别，按国家标准GB1031—68的规定选取取样长度和评定长度。

8. 旋转目镜测微器的刻度套筒，使目镜中十字线的一根线与光带轮廓一边的峰（或谷）相切，如图5b 实线所示，并从测微器读出被测表面的峰（或谷）的数值。在取样长度范围内测出最高点（最高的峰）和最低点（最低的谷）的数值。然后计算出R z 的数值。

9. 纵向移动工作台，在测量范围长度内，共测出n （n 一般取5）个取样长度的Rz 值，取它们的平均值作为被测表面的轮廓最大高度。按下式计算：

Rz （平均）＝

n

Rzi

n

i ∑=1

10. 根据计算结果，判断被测表面粗糙度的适用性。 附：目镜测微器分度值C 的确定。

由前述可知，目镜测微器套筒上每一格刻度间距所代表的实际表面不平度高度的数值（分度值）与物镜放大倍率有关。由于仪器生产过程中的加工和装配误差，以及仪器在使用过程中可能产生的误差，会使物镜的实际倍率与表1所列的公称值之间有某些差异。因此，仪器在投入使用时以及经过较长时间的使用之后，或者在调修重新安装之后，要用玻璃标准

刻度尺来确定分度值C ，即确定每一格刻度间距所代表的不平度高度的实际数值。确定方法如下：

（1） 将玻璃标准刻度尺置于工作台上， 调节显微镜的焦距，并移动标准刻度尺，使在 目镜视场内能看到清晰的刻度尺刻线（图6）。

（2） 参看图2，松开螺钉5，转动目镜 测微器4，使十字线交点移动方向与刻度尺象 平行，然后固紧螺钉5。

（1） 按表2选定标准刻度尺线格数Z ，

将十字线焦点移至与某刻线重合（图6中实 图 6 线位置），读出第一次读数n 1。然后，将十字线焦点移动Z 格（图6中虚线位置），读出第

二次读数n 2，两次读数差为：

A ＝12n n -

表2

C ＝

A

TZ 2 式中 T ——标准刻度尺的刻度间距（10μm ）。

把从目镜测微器测得的十点读数的平均值h //乘上C 值，即可求得Rz 值：

Rz ＝Ch //

思 考 题

1 . 为什么只测量光带一边的最高点（峰）和最低点（谷）？ 2． 测量表面粗糙度还有哪些方法？其应用范围如何？

3． 用双管显微镜测量表面粗糙度为什么要确定分度值C ？如何确定？

实验3－2 用干涉显微镜测量表面粗糙度 一、实验目的

1. 熟悉用干涉显微镜测量表面粗糙度的原理和方法。

2. 加深对轮廓最大高度Rz 的理解

二、实验内容

用6JA 型干涉显微镜测量表面粗糙度的Rz 值。

三、测量原理及计量器具说明

干涉显微镜是干涉仪和显微镜的组合，用光波干涉原理来反映出被测工件的粗糙程度。由于表面粗糙度是微观不平度，所以用显微镜进行高倍放大后以便观察和测量。干涉显微镜一般用于测量0.8~0.025μm 的Rz 值。

图1为6JA 型干涉显微镜的外观图。图2为该仪器的光学系统图，由光源1发出的光束， 通过聚光镜2、4、8（3是滤色片），经分光镜9分成两束。其中一束经补偿板10、物镜11至被测表面18，再经原光路返回至分光镜9，反射至目镜19。另一光束由分光镜9反射（遮光板20移出），经物镜12射至参考镜13上，再由原光路返回，并透过分光镜9，也射向目镜19。两路光束相遇迭加产生干涉，通过目镜19来观察。由于被测表面有微小的峰、谷存在，峰、谷处的光程不一样，造成干涉条纹的弯曲。相应部位峰、谷的高度差h ，与干涉条纹弯曲量a 和干涉条纹间距b 有关（图5b ），其关系式为：

h ＝

2

λ

b a 式中，λ为测量中的光波长。本实验就是利用测量干涉条纹弯曲量a 和干涉条纹间距b 来确

定Rz值的。

四、测量步骤

1. 调整仪器

测量时调整仪器的方法如下：

开亮灯泡，转动手轮10和6（图1），使图2中的遮光板14从光路中转出。如果视场亮度不均匀，可转动调节螺丝4a，使视场亮度均匀。

转动手轮8，使目镜视场中弓形直边清晰，如图3所示。

图2

图 3 图4

在工作台上放置好洗净的被测工件。被测表面向下，朝向物镜。转动手轮6，遮去图2中的参考镜13的一路光束。转动滚花轮2c，使工作台升降直到目镜视场中观察到清晰的工件表面象为止，再转动手轮6，使图2中的遮光板从光路中转出。

松开螺丝1b取下测微目镜1，直接从目镜管中观察，可以看到两个灯丝象。转动手轮11，使图2中的孔径光阑6开至最大，转动手轮7和9，使两个灯丝象完全重合，同时调节螺丝4 a，使灯丝象位于孔径光阑中央，如图4所示，然后装上测微目镜，旋紧螺丝1b。

在精密测量中，通常采用光波波长稳定的单色光（本仪器用的是绿光），此时应将手柄12推到底，使图2中的滤色片3插入光路。当被测表面粗糙度较低而加工痕迹又不很规则时，干涉条纹将呈现出急剧的弯曲和断裂现象，这时则不推动手柄12，而采用白光，因为白光干涉成彩色条纹，其中零次干涉条纹可清晰地显示出条纹的弯曲情况，便于观察和测量。

如在目镜中看不到干涉条纹，可慢慢转动手轮14直到出现清晰的干涉条纹为止（图5a ）。 转动手轮7和9以及手轮8和14，可以得到所需的干涉条纹亮度和宽度。转动工作台2b ，使加工痕迹的方向与干涉条纹垂直。松开螺丝1b ，转动测微目镜1，使视场中十字刻线之一与干涉条纹平行，然后拧紧螺丝1b ，此时即可进行具体的测量工作。

2. 测量方法

在此仪器上，表面粗糙度可以用两种方法测量。 （1）用测微目镜测量

1）转动测微目镜的测微器1a ，使视场中与干涉条纹平行的十字线中的一条线对准一条干涉条纹峰顶中心（图5b ），这时在测微器上的读数为N 1。然后再对准相邻的另一条干涉条纹峰顶中心，读数为N 2。（N 1—N 2）即为条纹间距b 。

2）对准一条干涉条纹峰顶中心读数N 1后，移动十字线，对准同一条干涉条纹谷底中心，读数为N 3。（N 1－N 3）即为干涉条纹弯曲量a 。按轮廓最大高度Rz 的定义，在取样长度范围内测量同一条干涉条纹的最高的峰和最的低谷，这个干涉条纹弯曲量的值a 为：

a 平均＝min 3max 1N N -

被测表面的轮廓最大高度R Z 为：

2

Rz λ

b a =

采用白光时，λ＝0.55μm ；采用单色光时，则按仪器所附滤色片检定书载明的波长取值。 按测量长度要求，各取样长度的Rz 值还需平均后才能作为评定表面粗糙度的可靠数据。

（a ） (b)

图 5

（2）用目视估计判定 用肉眼观察视场，直接估读出弯曲量a 为干涉条纹间距b 的多少倍或几分之一，用目视估读的a/b 值来代替测微目镜的读数。在取样长度范围内，对同一条干涉的最高的峰和最的低谷估读比值，然后计算Rz 值。同样，根据求得的各取样长度的Rz 值再平均后作为最后的评定数据。

目视估读法效率高，方法简便，但不够准确，因此只能作为一种近似的测量方法。

思 考 题

仪器使用说明书上写着：用光波干涉原理测量表面粗糙度，就是以光波为尺子来计量被测面上微观峰谷的高度差。这把尺子的刻度间距和分度值如何体现？