简明指导--用光切显微镜测量表面粗糙度
表面粗糙度的测量
表面粗糙度的测量目录一、表面粗糙度的检测 (2)二、表面粗糙度的测量 (3)三、参考标准 (4)四、参考文献 (5)一、表面粗糙度的检测表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。
其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。
表面粗糙度越小，则表面越光滑。
表面粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响，主要表现在以下几个方面：1）表面粗糙度影响零件的耐磨性。
表面越粗糙，配合表面间的有效接触面积越小，压强越大，磨损就越快。
2）表面粗糙度影响配合性质的稳定性。
对间隙配合来说，表面越粗糙，就越易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大；对过盈配合来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有效过盈，降低了联结强度。
3）表面粗糙度影响零件的疲劳强度。
粗糙零件的表面存在较大的波谷，它们像尖角缺口和裂纹一样，对应力集中很敏感，从而影响零件的疲劳强度。
4）表面粗糙度影响零件的抗腐蚀性。
粗糙的表面，易使腐蚀性气体或液体通过表面的微观凹谷渗入到金属内层，造成表面腐蚀。
5）表面粗糙度影响零件的密封性。
粗糙的表面之间无法严密地贴合，气体或液体通过接触面间的缝隙渗漏。
6）表面粗糙度影响零件的接触刚度。
接触刚度是零件结合面在外力作用下，抵抗接触变形的能力。
机器的刚度在很大程度上取决于各零件之间的接触刚度。
7）影响零件的测量精度。
零件被测表面和测量工具测量面的表面粗糙度都会直接影响测量的精度，尤其是在精密测量时。
此外，表面粗糙度对零件的镀涂层、导热性和接触电阻、反射能力和辐射性能、液体和气体流动的阻力、导体表面电流的流通等都会有不同程度的影响。
表面粗糙度基本术语：取样长度：评定表面粗糙度所规定的一段基准线长度。
应与表面粗糙度的大小相适应。
规定取样长度是为了限制和减弱表面波纹度对表面粗糙测量结果的影响，一般在一个取样长度内应包含5个以上的波峰和波谷。
评定长度：为了全面、充分地反映被测表面的特性，在评定或测量表面轮廓时所必需的一段长度。
email光切显微镜实验讲解
实验3—1 用光切显微镜测量表面粗糙度 一、实验目的1. 了解用光切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、实验内容用光切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光切显微镜能测量80~1μm 的粗糙度，用参数Rz 来评定。
光切显微镜的外形如图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。
光切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1S '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为光切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 1：1h ＝1h cos450＝Nh'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 ''＝020145cos 45cos Nh h ='所以 h ＝Nh N h 245cos 1021"=" 式中，N21＝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。
表面粗糙度的测量
表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量方法有光切法，光波干涉法及触针法（又称针描法）等，工厂常用的还有粗糙度样板直接和被测工件对照的比较法，以及利用塑性和可铸性材料将被测工件加工表面的加工痕迹复印下来，然后再测量复印的印模的印模法。
一、实验目的1.建立对表面粗糙度的感性认识；2.了解用双管显微镜测量表面粗糙度的原理及方法。
二、实验内容用双管显微镜测量表面粗糙度的Rz值。
三、测量原理及仪器说明双管显微镜又撑光切显微镜，它是利用被测表面能反射光的特性，根据“光切法原理”制成的光学仪器，其测量范围取决于选用的物镜的放大倍数，一般用于测量0.8-80微米的表面粗糙度Rz值。
仪器外型如图1所示，它由底座6，支柱5，横臂2，测微目镜13，可换物镜8及工作台7等部分组成。
仪器备有四种不同倍数（7X,14X,30X,60X）物镜组，被测表面粗糙度大小（估测）来选择相应倍数的物镜组（见表1）。
表1 双管显微镜测量参数物镜放大倍数N 总放大倍数目镜视场直径（mm）物镜与工件距离（mm）测量范围Rz（µm）换算系数E(微米/格)7X 60X 2.5 9.5 30~30 1.2514X 120X 1.3 2.5 6.3~20 0.6330X 260X 0.6 0.2 1.6~6.3 0.29460X 510X 0.3 0.04 0.8~1.6 0.147测量原理如图2所示，被测表面为P1-P2阶梯表面，当一平行光束从45度方向投射到阶梯表面时，即被折成S1和S2两段，从垂直于光束的方向上就可以在显微镜内看到S1和S2两段光带的放大像S1'S2'，同时距离h也被放大为h1'。
通过测量和计算，可求得被测表面的不平度高度h。
这种方法类似在零件表面斜切一刀，然后观察其剖面的轮廓形状，因此称为光切法。
图3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45度方向投射到北测表面上，调整仪器使反射光束经物镜5成像在目镜分划板6上，光束被测上表面的S1点反射，在下表面S2点反射，它们各成像于分划板6的S1'和S2'，距离h1被放大为h1'，通过目镜可观察到凹凸不平的光带（图4（b））,光带边缘即工件表面上被照亮了的h1的放大轮廓像h1'，测量h1'即可求出被测表面的不平高度h2。
实验3-2用干涉显微镜测量表面粗糙度
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 ＝ 2b 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。
表面粗糙度检测方法
隐微镜
比较法
Ra
将被测表面与表面细糙度比较样块靠拢正在所有，用比较隐微镜瞅察二者被搁大的表面，以样块处事里上的细糙度为尺度，瞅察比较被测表面是可达到相映样块的表面细糙度；进而判决被测表面细糙度是可切合确定.此要领不克不迭测出细糙度参数值
3
电动
表面仪
比较法
Ra：
0.025～6.3
Rz：
0.1～25
电动表面仪系触针式仪器.丈量时仪器触针尖端正在被测表面上笔直于加工纹理目标的截里上，搞火仄移动丈量，从指示仪容直交得出一个丈量路程Ra值.那是Ra值丈量最时常使用的要领.大概者用仪器的记录拆置，描画细糙度表面直线的搁大图，再估计Ra大概Rz值.此类仪器适用正在计量室.但是便携式电动表面仪可正在死产现场使用
序号
考验要领
适用参数及
范畴（μm）
证明
1
样块
比较法
直交目测：
Ra>2.5；
用搁大镜：
Ra>上的细糙度为尺度，用视觉法大概触觉法与被测表面举止比较，以判决被测表面是可切合确定；
用样块举止比较考验时，样块战被测表面的材量、加工要领应尽大概普遍；
样块比较法简朴易止，切合正在死产现场使用
若用细糙度比较样块比较法不克不迭搞出判决，应采与仪器测厨：
①对于不匀称表面，正在最有大概出现细糙度参数极限值的部位上举止丈量；
②对于表面细糙度匀称的表面，应正在几个均布位子上分别丈量，起码丈量3次；
③当给定表面细糙度参数上限大概下限时，应正在表面细糙度参数大概出现最大值大概最小值处丈量；
④表面细糙度参数证明是最大值的央供时，常常正在表面大概出现最大值(如有一个可睹的深槽)处，起码丈量3次；
4
光切
《互换性与测量技术基础》用光切显微镜测量表面粗糙度实验
《互换性与测量技术基础》用光切显微镜测量表面粗糙度实验一、实验目的1．掌握用光切显微镜评定工件表面粗糙度的方法。
2．加深对表面粗糙度评定参数的理解。
二、实验仪器和工具光切显微镜、被测工件三、实验原理光切显微镜是以光切法原理，测量和观察机械零件加工表面的微观几何形状误差的，又称表面粗糙度显微镜。
在不破坏零件表面的条件下测出工件截面轮廓最大高度和沟糟宽度的实际尺寸。
此外，还可测量零件表面上个别位置的加工痕迹和破损情况。
该仪器用于测量零件表面轮廓最大高度Rz值，其测量范围取决于选用的物镜的放大倍数，通常适用于测量Rz等于 0.8—63 微米的表面粗糙度。
此种仪器只能对外表面进行测量，除对金属进行测量外，也可对纸张、木材和人工材料进行测量。
光切显微镜的外形及成像原理图如图 2-1和图 2-2所示。
图 2-1 光切显微镜外形图图 2-2 光切显微镜成像原理图由光源1发出的光，穿过夹缝2，形成带状光束，经物镜组O1O1′,斜向45°射向工件，凹凸不平的表面上呈现出曲折光带，再以45°反射，经物镜组O2O2′，到达分划板3上。
人眼通过目镜可以看到如图2-3所示。
图 2-3 光切显微镜的目镜视野四、测量步骤1、根据被测工件表面粗糙度的要求，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形块上。
4、粗调节：用手托住支臂，松开锁紧螺钉，缓慢旋转支臂调节螺母，使支臂上下移动，直到目镜中观察到绿色光带和表面轮廓不平度的影象。
然后，将螺钉固紧。
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，调焦环和调节螺钉，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，转动目镜测微器，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）。
表面粗糙度量测方法
表面粗糙度是对工件质量进行评估的重要指标之一，对于其在使用过程中的配合质量、运动精度以及耐磨损性等都有着不容忽视的影响，因此，想要保证工件的加工质量，就必须采取有效措施，降低表面粗糙度。
表面粗糙度一般是由所采用的加工方法和其他因素所形成的，例如加工过程中刀具与零件表面间的摩擦、切屑分离时表面层金属的塑性变形以及工艺系统中的高频振动等。
由于加工方法和工件材料的不同，被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别。
表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。
一般标注采用Ra。
表面粗糙度测量方法一、接触式测量方法接触式测量方法指的是，在测量设备中的探测位置会直接与表面接触，可以帮助人们获取被测表面的信息。
但是这种测量方式不适用于刚性强度偏高、容易发生磨损的表面。
1、比较测量方法在车间普遍应用的测量方法是比较法。
比较法指的是将对比粗糙度样板与被测表面进行比较，测量人员直接用手的触摸来确定表面的粗糙度，或者通过肉眼观察，也可以使用放大镜、比较显微镜来对比。
通常情况下，当粗糙度评定参数值偏高时，可以运用比较法，但是很可能造成很大的误差。
2、印模法印模法指的是采用一些塑性材料当做块状印模，然后将其与被测表面互相贴合，再取下时，印模上会出现表面的具体轮廓，测量人员可以开始测量印模的表面，这种方式可以获取部件的表面粗糙度。
一些规模大的零件内表面测量工作无法通过设备来完成，可以使用印模法来实现。
然而印模法也存在一定缺陷，它的准确性不强，而且操作过程很复杂。
3、触针法触针法的另一种名称是针描法。
这种方法是在被测表面上放置一根很尖的触针，测量过程中需要垂直放置，使触针做横向移动。
根据被测表面的轮廓，触针会自行做垂直起伏运动。
把触针所做的位移活动利用电路转变为电信号后，可以将其方法，分析与计算后就可以获取表面粗糙度的指数。
触针法主要包括感应式、压电式以及电感式等几种方法。
表面粗糙度的测量方法
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干涉显微镜
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22
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23
Mirau干涉仪的改进： R被固定在PZT上。
1986年WYKO公司研制成功 的TOPO非接触微表面测量 系统。 测量精度达 1
1000
自动完成测量。
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24
Nomarski干涉显微镜及改进
带有旋转检偏器测相的改进的微分干涉显微镜（清华）
m
Sm =2C (ei1 ei ) / m i1
❖ （5）用光切法测量Ra值
因测量与计算都很麻烦，故很少应用。
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4．仪器的测量误差和示值相对误差的检定
❖ （1）测量误差的主要因素有：瞄准误差、测微目镜制造误 差、估读误差、 定度用标准尺误差、被测工件定位误差、 仪器使用调整误差等。
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二、光切法测量表面粗糙度
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10
1．光切法原理：
所谓光切法就是用一狭窄的扁平光束 以一定的倾斜角照射到被测表面上，光 束在被测表面上发生反射，将表面微观 不平度用显微镜放大成象进行观测的方 法。图4-5是光切法的测量原理图。
图4-5 光切原理
❖ 若倾斜角取45°，则得：
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4．间接测量方法 这类方法是利用被测表面的某种特性来间接评定表
面粗糙度的数值。例如： ❖ 气动法：是利用流经测量头与被测表面间气体流量的大小
或其所引起的压力变化来评定表面粗糙度。 ❖ 电容法：是利用测量头与被测表面间形成的电容量大小来
评定表面粗糙度。不能直接测出表面参数Ra或Rz，而需 进行比对定标，且要配备一些和被测表面几何形状相适应 的测量头。 ❖ 其他方法：激光散射法、激光散班法、激光全息法等。
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实验 用光切显微镜测量表面粗糙度
一、 目的与要求
1、学习光切显微镜测量表面粗糙度的原理和方法；
2、了解微观不平度十点高度Rz 的实际含义。
二、 测量原理
光切显微镜是利用光切法来测量表面粗糙度的，其原理如图3-1所示。
由光源发出的光经过聚光镜2，穿过狭缝3形成带状光束。
光束再经物镜4以45度角射向工件5，在凹凸不平的表面上呈现出曲折光带，再以45度角反射，经物镜6到达分划板7上。
从目镜看到的曲折亮带，有两个边界，光带影像边界的曲折程度表示影像的峰谷高度h ΄。
h ΄与表面凸起的实际高度h 之间的关系为
式中，M 为物镜6的放大倍数。
在目镜视场里，高度h ΄是沿45度方向测量的，若在目镜测微器7的读数值为H ，则h ΄与H 的关系为 h ΄=Hcos45˚,将前后两式代入可得，M
H M
H h 2245
cos 0
=
=
，令
E M
=21，则
H E h ∙=。
系数E 作为目镜测微器装在光切显微镜上使用时的分度值。
E 值与物镜
的放大倍数M 有关，一般它已由仪器说明书给定。
三、测量仪器光切显微镜
１、基座，２、立柱，３、横臂，４、手轮，５、横臂紧固螺丝，６、微调手轮，７、手柄，８、照明灯，９、插座，１０、摄影装置，１１、测微目镜，１２、物镜组，１３、快门线，１４、百分尺，１５、工作台紧固螺丝，１６、壳体，１７、V型块，１８、座标工作台。
１９、测微目镜紧固螺丝，２０、摄影选择旋钮，２１、对焦辅助旋钮
四、测量步骤
１、按工作粗糙度的估计值，选择适当放大倍数的物镜并装在仪器上；
２、将被测工作置于工作台上；
３、通过变压器接通电源；
４、调整仪器，其步骤如下：
（１）松开横臂紧固螺丝５，转动横臂３及手轮４，使镜头对准被测量表面上方，然后锁紧横臂紧固螺丝５；
（２）调节微调手轮６，上下移动壳体１６，使目镜视场中出现切削痕纹；
（３）转动工作台，使加工痕纹与投射在工作表面上的光带垂直，然后交错调整微调手轮６、对焦辅助旋钮２１，直到获得最清晰光带为止；
（４）松开测微目镜紧固螺丝１９，转动目镜，使目镜中的十字线的水平线与光带大致平行。
５、转动目镜测微计，使十字线的水平线分别与光带上边缘的五个峰顶和五个谷底相切。
从目镜测微计上分别读取各峰、谷的读数h1,h2,…..h10，按下式算出微对不平度十点高度Rz ，即5
)
108642()97531(h h h h h h h h h h E
Rz ++++-++++=
式中，hi 的单位为格数。
６、 于零件各部分的粗糙度不一定均匀一致，为了充分反映表面粗糙度的特性，必
须在一定长度范围内的不同部位进行测量并取其平均值。
７、按表面粗糙度国家标准，确定工件表面粗糙度是否符合要求。
数据表格： 光切显微镜测量表面粗糙度
仪器型号及规格： 仪器测量范围： 被测零件要求表面粗糙度Rz=
所选用的物镜放大倍数：M= ；E= 。