浅谈表面粗糙度测量技术与方法

摘要： 这里所提到的表面粗糙度指的是表面的光洁程度，是用来判定表面加工过程中的参考量。它表示的是工件加工过程中表面出现微小的起伏痕迹的误差，它属于精密测量技术的范畴，是现代机械工业发展的基础，占主导地位。机械加工与表面粗糙度测量技术是息息相关的，它在一定程度上影响了机械制造水平。一个世纪以来，表面粗糙度的研究日益增多，测量仪器和方法也逐渐得到完善。所以本文将重点研究表面粗糙度测量技术与方法的发展历史、现状与发展趋势。

Abstract： The surface roughness mentioned here refers to the bright and clean degree of surface， it is the reference amount to determine the surface processing. It represents the error of surface tiny traces of workpiece in the machining process， belongs to the category of the precision measurement technology， and is the foundation of the development of modern mechanical industry， and it is dominant. Machining processing， which is closely linked with the surface roughness measuring technology， it affected the mechanical manufacturing level in a certain extent. A century， there are more and more reports about the surface roughness， measuring instruments and methods also gradually improved. So this research will focus on the development history， current situation and trend of surface roughness measuring technique and method.

关键词： 表面；粗糙度；测量；技术

Key words： surface；roughness；measurement；technology

中图分类号：TH71 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）33-0311-02

1 20世纪前后表面粗糙度测量技术的发展

1.1 20世纪以前的粗糙度测量技术 表面粗糙度测量技术最早可以追溯到石器时代，那个时代已经在加工业小有成就，材质的加工需要沿着材料的结构、纹理来琢、鉴、轧等。这标志了表面粗糙度测试与加工时代的开启，材料需要经过一套完整的测试工艺后进行打磨才会光滑。这一段在《说文解字》中有所记载：“玉者，石之美者……温润而泽，仁之方也。”所以当时所谓的“粗糙度测试”方法就是用肉眼来判断、用手来感觉其光滑度。随着农业的发展，磨制石器水平的提高，让人们对材料的光滑度有了更高的要求，为了追求表面的光滑和平润，光靠手和眼睛来判断是远远不够的。

在石器时代一到两千年以后，加工手段出现了抛光处理，虽然目测法和触摸法仍然广泛使用，新的测试方法呼之欲出。牛顿在《大英百科全书》中就继续了早期的粗糙度测量望远镜的磨制，它看起来和物镜一样，镀上水银后玻璃上的放射就会变得均匀，粗糙程度上得到了提升。想要让镜片的光滑度达到碗面，不仅需要抛光测试技术熟练的工匠，还需要成熟的粗糙度测试技术。然而，当表面粗糙度技术发展到20世纪前叶的时候，主要的测试方法仍然停止不前，仍然是观察法。

1.2 20世纪以后的粗糙度测量技术 表面粗糙度测量的发展与零件加工几乎是同步的、互相影响的。而零件的生产成本与之息息相关，为弥补测量表面的缺憾就必须提高表面粗糙度的加工。从20世纪开头前十年开始，人们开始研究什么样的仪器和手段能够最有效地测量零件表面的放大面貌，进而推算出其粗糙度。

1929年德国人施马尔兹（Schmalz）首次对提出了对表面粗糙度微观测试的定量标准，并著就了目前记载的第一本关于表面粗糙度的著作，重点记叙了“评定参数Hmax和测量基准线”的定义。这两个概念的提出把表面粗糙度测试带入了微观的世界，开启了表面粗糙度测量的新时代。是现代微观测量计的先驱，特别是建立的关于测试轮廓的深度和面积比的曲线，让表面粗糙度测试在精确度上更进一步。同时他提出的关于表面粗糙度测试的理论为后人的研究带来启发，英国科学家泰勒雪夫发明了触针式的表面粗糙度测量仪。其具有操作方便、测量迅速的特点。充分体现了20世纪现代化工业新产品的特质。加强效率就是避免受到因为触针曲率对仪器的负面影响，提高测量的精确程度。因此才能有效提高测试的精准度。上述提到的这类触针式表面轮廓仪对“轻金属、塑料”加工的表面都是不适用的，为了加强加工的精度，后来又出现了“无接触光学式表面粗糙度测量仪”。

1951年联邦德国Opton工厂在粗糙度测试上首先加入了现代显微镜，现代显微镜的应用使得表面粗糙度的测量更加精确，测量方法变得多样化，从平直的内外表面的测量是在静态中完成的，而显微镜很好的切合了这一条件。然后将测试粗糙度信息反馈给材料表面加工系统，根据精确地测量的结果来确定加工的方式。从20世纪70年代开始，业内引用了一套新的关于表面粗糙度测量的技术，特别是1975年Taylor-Hobson公司研制提出的表面粗糙度轮廓测试仪，首次采用了现代计算机作为数据处理工具，对各个测试的分析与评定得出表面粗糙度测试结果。仪器还可以进行粗糙度的相关分析和快速傅立叶（Fourier）运算。仪器的分辨率达到了10-1μm。同时，扫描电子显微镜（SEM）的出现，对其也是有效的辅助。从此表面粗糙度测试进入了一个高速发展的新领域，因为它与“电子触针式轮廓仪”相比有极好的分辨率，可以完成一些特殊金属表面无法接触的测量，能够对工件表面进行定性的判定。

2 触针式表面粗糙度测量仪的原理分析

我国近几年的工件表面粗糙度测量的技术发展虽然起步晚，但是进步迅速，具有特定的粗糙度的测量技术。比如“杨氏实验方法”的推广就引起了业界的轰动，利用激光来测量粗糙度中S的数据，以及获得工件粗糙度的“前角、刀具副偏角和走刀量”等三元因素，应用3ABCD计算法得到的数据，具有曲线特性，同时“傅科法、容积法、反射光点位移法”对于提高精确度来说是有效补充。

目前，检测表面粗糙度比较常用的方法是比较法、光切法、干涉法、触针法和印模法等，各个方法具有不同的特点，比如说触针法的监测方法特别迅速，精确度也不差。使用成本低的特性受到了大多数工件加工厂的欢迎，特别是探头的触针具有高敏感度，表面加工虽然不能绝对光滑，轮廓的起伏垂直于被测轮廓表面方向上产生上下起伏的移动。这种移动非常不明显，只有敏感的电子设备才能捕捉并放大，以图形数据的形式输出是触针式测量仪的工作原理。其次，其传感器分为“电感式、压电式、光电式”多种传感器就是为了应对不同工件粗糙度形式。所以说，触针式相对来说兼容性更强，适用性更广。

再者，触针式表面粗糙度测量仪组成部分为传感器、驱动箱、指示表、记录器和工作台等工作原件，电传感器算是轮廓仪的核心部件，传感器的一端装的金刚石具有强度高、耐磨的特点，使得触针尖端的曲率更小，更能反映表面的情况。测量时触针搭载在工件表面上，保持针尖与表面接触，利用驱动设置缓慢地进行拖动传感，所以触针滑行时产生的波动就是利用了杠杆的交叉原理，对表面粗糙度进行上下摆动的反映，这种运动过程的表现是支点传递给磁芯实现的，再通过把运动幅度的放大，从而通过电感线圈感受到电感量的变化。测量仪的工作原理其实很简单，就是通过传感器的线圈与测量线路直接接入由后续装备组成的平衡电桥，电感量的变化说明了电桥失去平衡，在具体感受其变化量激发输出触针上下位变化的电量。而唯一的难处就是电量的变化是微弱的，不容易靠一般的电感仪察觉。必须通过放大及检波来获得放大后的针位大小与方向的变化量。信号又可分为三路：一路加载在指示表上，输送到功率放大器中，推动器再进行记录，再加入到计算器对变化量进行计算，最后把变化量反映到指示表中，就直接反映出表面粗糙度的参数值了。

3 表面粗糙度测量技术的发展方向

表面粗糙度测量就是为了让测量结果更精确，与真实值更趋于一致，近年来我国随着测量仪器和方法的进步的提高，为工件表面粗糙度测量开辟了新的路径，总的来说，其发展方向主要有以下三点：

3.1 在线检测法 在线检测作为工厂机械表面检测中重要的手段，这项技术包括镜面反射、全部累积散射、漫散射、角度散射分布、光斑技术、椭圆对称技术和干涉技术，因此具有巨大的潜力，高效而准确是表面粗糙度测量技术追求的最终目标，而在线检测具有高效的特点，并且在线检测采用的光斑技术具有巨大的发展前景，广泛应用于未来表面粗糙度测试不是梦想。

3.2 新型检测法 随着三维技术逐渐引入到表面粗糙度检测中，新的仪器和检测手段也层出不穷，科技的提高是表面粗糙度测试水平进步的一大保证。为了更好的测量表面的三维现状图，就必须加强电子显微镜的测量精确度和加入三维检测技术，这是目前表面粗糙度检测技术亟待解决的问题和发展方向。传统的设备无法满足新型检测法的要求，无论是电子显微镜的分辨率还是检测精度上都已经被时代淘汰。如果分辨率不高就无法捕捉到工件上细微的痕迹以及细小的线纹。电动轮廓仪能够很好地满足新型检测法，灵敏度高的同时测头的尺寸正好能检测到细小的纹路。所以表面粗糙度检测技术的进步是随着仪器设备的探索而前进的，电子显微镜技术的发展已经走过了几十个年头，对表面粗糙度测量的技术做出了巨大的贡献，在未来一段时间内依然是表面粗糙度测量技术的发展方向，注定会产生巨大的影响。

3.3 在原有的基础上有所改进 目前基础上的仪器设备检测依然是不完善的，虽然科技向前发展是表面粗糙度检测技术发展的必要条件，特别是仪器设备走向“三维化”，实际表面是三维的结构，但是大多数表面测量方法是基于截面轮廓的评定。而计算机能在研究表面三维形貌的领域中提供新的手段，它能用来确定表面形貌图和轮廓参数之间相互关系，这是具有实用意义的课题。另外，在许多工厂和大学的实验室里正在进行探索采用自相关函数和密度函数表征传统的和非传统的材料切除过程等等。现有的计算机或专用的微处理机已经革新了表面的表征方法，并采用比较严密的参数，能提高表面粗糙度的测量精度，这将会推动表面粗糙度计量的发展。

对原有方法技术的改进是寻求表面粗糙度测试技术突破的必要途径，比如上述提到的对身口表面粗糙度的深入测量，对结构进行改造才能让现有的表面粗糙度进行测量，使之特深长工件内孔的表面粗糙度，在未来一段时间内，表面粗糙度仪器的改造就是需要应对各种类型、难以测量的工件，激光技术与电子技术的结合，以及结合新的测量手段方法，那些复杂轮廓曲线表面的工件也会得到有效的测量。

参考文献：

[1]廖念钊.互换性与测量技术[M].北京：中国计量出版社，1985.

[2]徐孝恩，朴大直.工厂精密计量指南[M].北京：中国计量出版社，1985.

[3]李岩，花国梁.精密测量技术[M].北京：中国计量出版社，2001.

[4]测量技术与管理编写组.计量技术与管理[M].北京：中国计量出版社，1993.

[5]表面粗糙度及其测量译文编写组.表面粗糙度及其测量译文集[M].北京：中国计量出版社，l987.