表面粗糙度值，通常采用光切顯微鏡、干涉顯微鏡及輪廓儀(計)測量。取樣長度與評定長度的合理選用對粗糙度值的評定起著重要作用。然而在儀器使用中，常常未按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定實現(xiàn)取樣長度與評定長度的選用，影響了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。因此尋求一個取樣長度、評定長度在儀器測量中正確的實施途徑，尤為必要。
1 取樣長度與評定長度的選取
GB1031—83《表面粗糙度 參數(shù)及其數(shù)值》給出了取樣長度數(shù)值(表1)，公比為10½。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取樣長度值應(yīng)從該系列值中選取。
表1 取樣長度的數(shù)值(mm)
0.08
0.25
0.8
2.5
8
25
表2 Ra、Rz、Ry的取樣長度l與評定長度ln選用值
Ra(µm)
Rz,Ry(µm)
l(mm)
ln=5l(mm)
≥0.008～0.02
＞0.02～0.1
＞0.1～2.0
＞2.0～10.0
＞10.0～80.0
≥0.025～0.10
＞0.10～0.50
＞0.50～10.0
＞10.0～50.0
＞50.0～320
0.08
0.25
0.8
2.5
8.0
0.4
1.25
4.0
12.5
40.0
規(guī)定和選擇取樣長度，是為了限制和減弱表面波紋度對表面粗糙度測量結(jié)果的影響，使得到的粗糙度值正確反映表面的粗糙度特性。一般情況下，可根據(jù)表面加工方法和粗糙度參數(shù)值大小選用。GB1031—83附錄B規(guī)定了取樣長度推薦值(表2)。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，評定粗糙度時必須取一段能反映加工表面粗糙度特性的最小長度，它包含一個或數(shù)個取樣長度，這幾個取樣長度的總和稱為評定長度。
評定長度值根據(jù)表面加工方法和相應(yīng)取樣長度按GB1031—83附錄B選用。一般加工表面選取評定長度為5個連續(xù)的取樣長度(表2)。加工均勻性較好的表面，可選用小于5個取樣長度的評定長度；均勻性較差的表面，可選用大于5個取樣長度的評定長度。若圖樣上或技術(shù)文件中已標(biāo)明評定長度值，則應(yīng)按圖樣或技術(shù)文件中的規(guī)定執(zhí)行。
所謂“加工表面均勻性”是指加工后表面各部位粗糙度數(shù)值一致的程度。如果在一個加工表面上按取樣長度連續(xù)測量幾段所得粗糙度值一樣，說明加工表面均勻；反之粗糙度值不一樣，有時甚至相差很大，則表明加工表面不均勻。
任何表面的粗糙度都是由一系列不同高度和間距的峰谷組合而成，這些峰谷反映了加工表面微觀幾何形特性。從外觀上或感覺上這種特性通常總帶有表面加工過程中所用加工方法的特征。
車、銑、刨削加工表面往往帶有均勻的間距和清晰的刀具痕跡方向，其紋理具有明顯的規(guī)律性，它所形成的是一個典型的周期輪廓(有時也疊加有不同程度的隨機(jī)成分)有明顯的周期，這一周期反映了進(jìn)給量是均勻相等的，加工表面均勻性好。
磨削加工表面雖有一般的方向性，但是間距通常是不規(guī)則的，紋理沒有明顯的規(guī)律。研磨加工表面是通過磨料的往復(fù)作用所產(chǎn)生的表面，往往沒有什么方向性。磨削、研磨分別用砂輪和磨料進(jìn)行切削拋光，使表面光滑平整。但由于砂輪的磨粒大小、磨料顆粒尺寸形狀不規(guī)則，切削力不等，使加工表面形成隨機(jī)輪廓，雖有周期成分，但隨機(jī)成分是主要的，表面均勻性差。
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因此，加工表面的粗糙度是加工過程中多種因素(機(jī)床—刀具—工件系統(tǒng)、加工方法、切削用量、冷卻潤滑液)共同作用的結(jié)果。這些因素的作用過程相當(dāng)復(fù)雜，而且是不斷變化的。所以用不同加工方法或在同樣加工方法、同樣切削條件下切削出來的同一批零件，不同表面不同部位其粗糙度值也不完全相同。根據(jù)每一種加工方法具有的獨特表面特征，表3列出了各種典型方法選用的取樣長度和評定長度經(jīng)驗值。
表3 常用加工方法取樣長度、評定長度經(jīng)驗值(mm)
表面輪廓的特點
取樣長度l
評定長度ln
GB1031推薦值
經(jīng)驗數(shù)值
美國標(biāo)準(zhǔn)ASA B46.1
英國標(biāo)準(zhǔn)BS1134
比較規(guī)則和均勻
(如車、銑、刨)
2.5
(1～3)l
2l
(5～20)l
＞5l
不很規(guī)則和均勻
(如精車、磨、端銑)
0.8
(2～6)l
(3～4)l
(3～6)l
很不規(guī)則和均勻
(如精車、研磨、拋光)
0.25
(6～17)l
(6～7)l
極不規(guī)則和均勻
(如細(xì)研、細(xì)拋光)
0.08
—
(8～10)l
(10～12)l
注：
- 均勻性較好的表面，評定長度可選表中所列范圍中較小值，反之取較大值。
- 加工表面不均勻時，應(yīng)在表面上至少3個不同位置上測量，每個位置測量一個評定長度(包括數(shù)個取樣長度)的粗糙度。
- 美國國家標(biāo)準(zhǔn)ASAB46.1《表面粗糙度、波紋度和加工紋理》始于1940年。1947年，1955年，1962年三次修訂成ASA B46.1.1962，1971年重新肯定了1962年標(biāo)準(zhǔn)。表中給出的美國標(biāo)準(zhǔn)為ASA B46.1.1962，1978年又修訂成現(xiàn)行的ANSI B46.1.1978《表面結(jié)構(gòu)表面粗糙度、波紋度和加工紋理》。
- 英國的第一個國家標(biāo)準(zhǔn)是1950年發(fā)布的BS1134：1950《表面結(jié)構(gòu)的評定》。表中給出的是英國標(biāo)準(zhǔn)BS1134：1961《表面結(jié)構(gòu)的評定》，1978年修訂成BS1134：1972《表面結(jié)構(gòu)的評定方法》。
- 取樣長度的系列各國規(guī)定基本相同。各國都采用0.08、0.25、0.8、2.5、8和25mm6檔。英國和美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了將0.8mm作為優(yōu)先采用的取樣長度。
- 評定長度的控制，在英國和美國標(biāo)準(zhǔn)中有截止值和行程長度間相應(yīng)值的規(guī)定。
2 取樣長度與評定長度在測量儀器中的實施
輪廓儀(計)利用濾波器抑制波紋度的影響來實現(xiàn)取樣長度的選擇。通常濾波器特性在截止波長處急劇變化，輪廓譜通過濾波后使間距小于截止波長的粗糙度都無變化地通過，而間距大于截止波長的粗糙度卻被完全抑制。
截止波長是輪廓譜中數(shù)值上等于取樣長度的一個正弦波的波長，習(xí)慣上也叫做切除長度，通常叫截止值。所以儀器的截止值就相當(dāng)于測量時的取樣長度。
截止值與取樣長度的區(qū)別是，截止值是一種手段，利用它可使獲得的輪廓波形限制在取樣長度內(nèi)進(jìn)行評定的效果。而取樣長度是用于判別具有表面粗糙度特征的一段基準(zhǔn)線長度，它可使表面粗糙度參數(shù)值從波度和波距大于其值的不平度中區(qū)分開來。
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由記錄器記錄表面輪廓曲線時，不必考慮截止值。而用平均值量表測量時，必須考慮截止值。截止值旋鈕置于電器箱上，通常有三檔截止節(jié)距值(對TALY-SURF—4輪廓儀三檔為J、K、L)，它們分別對應(yīng)著0.25、0.8、2.5mm取樣長度值。
截止值的選取，應(yīng)首先了解被測件的加工方法，并對表面粗糙度值作初步判斷，根據(jù)表4確定。
表4 輪廓儀(計)的截止值
截止值
開關(guān)位置
截止值
(mm)
選用范圍
加工方法
Ra(µm)
Rz,Ry(µm)
J
0.25
精密及超精密加工表面
＞0.02～0.1
＞0.1～0.5
K
0.8
一般精加工表面
＞0.1～2
＞0.5～10
L
2.5
普通車、銑、刨加工表面
＞2～10
＞10～50
評定長度是評定輪廓表面粗糙度所必須的一段長度，它包括一個或數(shù)個取樣長度。輪廓儀(計)的評定長度由儀器測量行程長度來表征。輪廓儀(計)的測量行程長度，是用作測量表面粗糙度的一段修整輪廓長度，即在測量時由于濾波器作用產(chǎn)生的與傳感器同步的觸針移動軌跡。測量行程長度包括一個或數(shù)個取樣長度。
測量行程長度與評定長度不同之處是，評定表面粗糙度參數(shù)值所依據(jù)的“長度”有差異，前者是實際測量中采用輪廓儀(計)所得到的一段修整輪廓長度，而后者是理論上定義的評定表面粗糙度所必須的一段長度。由此可以說，行程長度是評定長度在實際測量中，使輪廓儀(計)實現(xiàn)表面粗糙度參數(shù)測量的具體體現(xiàn)。
測量行程長度與評定長度相同處是，都包括一個或數(shù)個取樣長度。一般行程長度取5個截止值(相當(dāng)于5個取樣長度)，這與一般選用評定長度為5倍取樣長度相一致。
行程長度旋鈕置于驅(qū)動箱上，標(biāo)記J、K、L三檔。行程長度旋鈕的位置根據(jù)截止值旋鈕的位置來決定，兩者必須一一對應(yīng)。
各種輪廓儀(計)行程長度不盡相同，TALYSURF—4型輪廓儀J、K、L檔對應(yīng)截止值為0.25、0.8、2.5mm的行程長度是0.25×8≈1.9mm,0.5×8≈3.8mm,2.5×3≈7.6mm。測量時行程長度旋鈕調(diào)到與截止值旋鈕一致的相當(dāng)位置。如TALYSURF—4型測量行程長度旋鈕K檔，儀器測讀的粗糙度值是一個測量行程長度3.8mm的平均值。
必須指出，目前使用的觸針式輪廓儀可以直接測讀粗糙度(Ra)值，一般不能按粗糙度Rz、Ry定義直接測得結(jié)果，但可通過記錄輪廓圖形進(jìn)行計算。此時應(yīng)注意盡量使記錄圖形的走向處于水平線上，截止值在輪廓總的走向上量取。只要記錄圖形的垂直放大倍率可靠，截取截止值的水平放大倍率準(zhǔn)確，可以獲得可信賴的Rz、Ry值。
應(yīng)注意水平放大倍率的變化。該變化是靠變動驅(qū)動箱上速度選擇旋鈕改變傳感器運動速度獲得的，因此正確選擇速度旋鈕的檔位很重要。表5給出了速度選擇旋鈕的參考值。
表5 輪廓儀(計)速度選擇旋鈕參考值
速度
旋鈕
水平放
大倍率
用途
被測表面粗糙度值(µm)
Ra
RZ#p#分頁標(biāo)題#e#、RY
N
—
手動進(jìn)行測量過程中被測件的安裝與調(diào)整配用500X傳動裝置作高精度表面輪廓圖形記錄
0.01～0.02
0.05～0.1
AV
4
用于平均值量表讀數(shù)記錄波紋度圖形
—
—
20X
20
記錄車、銑、刨、滾銑加工表面輪廓圖形記錄波紋度圖形
＞1.25～10
＞6.3～40
100X
100
記錄一般表面粗糙度輪廓圖形
＞0.02～1.25
＞0.1～6.3
速度旋鈕選用的總原則是使輪廓圖形中峰與峰之間距離不要太密集而要拉開一些。當(dāng)選用截止值為0.8mm，水平放大倍率為20X，則應(yīng)在輪廓圖總的走向上量取0.8×20=16mm。
多參數(shù)輪廓儀可直接顯示粗糙度RZ，RY值，但儀器顯示的粗糙度RY值與標(biāo)準(zhǔn)定義的粗糙度RY有區(qū)別。一般是在行程長度內(nèi)給出的結(jié)果或是微觀不平度高度(相鄰峰谷)的最大值。
光切顯微鏡、干涉顯微鏡通常用來測量粗糙度RZ，RY參數(shù)值。測量時應(yīng)按規(guī)定確定取樣長度、評定長度。對粗糙度RZ而言，在儀器示場中取樣長度內(nèi)，測出5個最高點5個最低點數(shù)值計算粗糙度RZ值，在評定長度內(nèi)測出數(shù)個連續(xù)取樣長度上的粗糙度RZ值，取其平均值作為測量結(jié)果。如果儀器視場直徑不足一個取樣長度或一個評定長度，以及測量圓弧曲面時不大可能按定義取點計算(表6)，在這種情況下，必須在一次測量中移動工作臺，使被測部位順次移入視場。建議采用下述方法計算：把選定的取樣長度l分成5個相等的分量l′1、l′2、……l′5，在每個取樣長度分量上各測一個最大峰谷高(附圖)得h1、h2、……h(huán)5，計算得到
表6 光切顯微鏡的視場直徑
物鏡標(biāo)稱
放大倍數(shù)
測量范圍RZ
(µm)
視場直徑
(mm)
取樣長度
(mm)
7
14
30
60
25～100
6.3～25
1.6～6.3
0.8～1.6
2.5
1.3
0.6
0.3
2.5
0.8 2.5
0.25 0.8
0.25
需指出，各取樣長度分量之間必須是連續(xù)的。為保證l′1=l′2=……=l′5，應(yīng)均勻移動工作臺，使工作臺移動量相等，同時從目鏡視場中注意觀察被測表面輪廓移動情況，以免重復(fù)測量同一長度輪廓曲線。對粗糙度RY而言，如果儀器視場直徑小于一個規(guī)定取樣長度時，可取視場直徑為取樣長度，在觀測范圍內(nèi)取最大峰谷值，然后在相鄰視場中再測出一個輪廓最大高度，取兩讀數(shù)中大者作為一個取樣長度的測量值。嚴(yán)格地說，按上述方法求得的粗糙度RZ、RY值是近似值。 #p#分頁標(biāo)題#e#