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鑫辰科技立可修技術分享:DIS002金屬表面粗糙度的定義及量測方法

從量測儀器上,我們多可獲得工件表面不規則狀況的放大結果,而此一結果常被稱為 "表面輪廓圖"(surface profile)。當儀器的探針沿著工件表面進行掃描時,其垂直方向的運動可被放大而被繪製下來。且在同時,我們亦可直接自儀器上讀出在該處工件表面上的表面粗度算術平均值究竟為多少。 在1930年以前,這完全是要憑觸覺來建立標準。檢驗時必須使用一系列具有不同粗度的試片,工廠人員在使用這些試片時,先用他的手指甲劃過標準的試片表面,然後再劃過他製造出來之工件的表面,當感覺這兩個表面具有相同的粗度時,則工件表面便被認為足夠光滑了。 在表面密封、滾珠軸承、齒 輪、凸輪或軸頸等應用場合,表面光度對於設備 的功能能否發揮影響很大,有人發現,設備的性能與對數的表面光度值成線性的變化關係。 也就是說,要使性能提高一倍時,平均的波峰到波谷的粗度值必須減低十倍。於是乎,對表面粗糙度量化的要求也就產生了。

surface profile

表面輪廓斷面曲線中, 包含了粗糙度曲線與波浪起伏的曲線(如上圖),一般說來波浪起伏的曲線是屬於輪廓量測的範圍,其值遠大於表面粗糙度之值。 各種不同定義表面粗糙度的方法,如下圖所示:

surface roughness defination

儘管各種表面粗糙度之定義有那麼多,一般表面粗糙度之表示法只有下列 三種:Ra(中 心線平均粗糙度)、Rymax(最大高度粗糙度)、Rtm (十點平均粗 糙度),現分述如下:

surfcace profile01

1. Ra :中心線平均粗糙度

若從加工面之粗糙曲線上,截取一段測量長度L(如上圖) ,並以該長度內粗糙深之中心線為x軸,取中心線之垂直線為y軸,則粗糙曲線可用y = f(x)表之。以中心線為基準將下方曲線反摺。然後計算中心線上方經反摺後之全部曲線所涵蓋面積, 再以測量長度除之。所得數值 以μm為單位, 即為該加工面測量長度範圍內之中心線平均粗糙度值, 其數學定義為:

ra definition

surface profile 2

中心線方向細分單位等間隔後取各分段點所對應之 hi 值,利用下式可得到Ra的近似: (如上圖)

ra definition

中心線在表面具有曲度或形狀誤差時,則成曲線,粗糙度沿此曲線量取。 測量長度限於量具大小而無法涵蓋整個機件表面,因此,一次量取求得之Ra 只是表面某部分的中心線平均粗糙度,故應在被測物表面多選幾個不同的位置測量,將全部測得之Ra取其算術平均值則為表面的中心線平均粗糙度。

surface profile 3

2. Rymax :最大高度粗糙度(如上圖)

由表面曲線上截取基準長度L做為測量長度,如圖所示,自該長度內曲線之 最高點與 最低點,分別畫出與曲線平均線平行之線時,該二線之間距即為最大 粗糙度,也就是測量長度 內沿垂直方向量取最高點與最低點之距離。Rymax 值以μm 為單位,並在數值後加上小寫 字母s以區分 Rymax 值。若由粗糙曲 線上截取基準長度L做為測量長度,則量測之值亦稱為 最大高度粗糙度,但符 號改為 Rt , 使用時須注意。

surface profile 5

3. Rtm :十點平均粗糙度(如上圖)

由表面曲線上截取基準長度L做為測量長度,求出第三高波峰與第三深波谷 ,分別畫出 二條平行線,兩平行線間距即為十點平均粗糙度值Rz其值以μm為 單位,並在數值後加上小寫 字母z以區別另兩種粗糙度。

三種粗糙度數值間之關係約為:4 Ra ≒ Rymax ≒ Rtm

表面粗糙度的檢測方法
序號 量測方法 檢驗方法說明
1 目測檢查 當工件表面粗糙度比規定的粗糙度明顯的好或不好,不需用更精確 的方法檢驗。工件表面存在著明顯影響表面功能的表面缺陷,選擇目測法檢驗判定
2 比較檢查 若用目測檢查不能做出判定,可採用視覺或顯微鏡將被測表面與粗糙度比較樣塊比較判定
3 儀器檢查

若用粗糙度比較樣塊比較法不能做出判定,應採用儀器測量:  

①對不均勻表面,在最有可能出現粗糙度參數極限值的部位上進行測量;  

②對表面粗糙度均勻的表面,應在幾個均布位置上分別測量,至少測量3次;  

③當給定表面粗糙度參數上限或下限時,應在表面粗糙度參數可能出現最大值或最小值處測量;

④表面粗糙度參數注明是最大值的要求時,通常在表面可能出現最大值(如有一個可見的深槽)處,至少測量3次;   

測量方向:

①圖樣或技術檔中規定測量方向時,按規定方向進行測量;

②當圖樣或技術檔中沒有指定方向時,則應在能給出粗糙度參數最大值的方向測量,該方向垂直於被測表面的加工紋理方向;

③對無明顯加工紋理的表面,測量方向可以是任意的,一般可選擇幾個方向進行測量,取其最大值為粗糙度參數的數值

檢測表面粗糙度的常用方法
序號 檢驗方法 適用參數及範圍 說明
1 樣塊比較法

直接目測: Ra>2.5

用放大鏡:Ra >0.32~0.5

以表面粗糙度比較樣塊工作面上的粗糙度為標準, 用視覺法或觸覺法與被測表面進行比較,以判定被測表面是否符合規定;

用樣塊進行比較檢驗時,樣塊和被測表面的材質、加工方法應盡可能一致; 樣塊比較法簡單易行,適合在生產現場使用

2 顯微鏡比較法 Ra <0.32 將被測表面與表面粗糙度比較樣塊靠近在一起,用比較顯微鏡觀察兩者被放大的表面,以樣塊工作面上的粗糙度為標準,觀察比較被測表面是否達到相應樣塊的表面粗糙度;從而判定被測表面粗糙度是否符合規定。此方法不能測出粗糙度參數值
3 電動輪廓儀比較法

Ra : 0.025~6.3

Rz: 0.1~25

電動輪廓儀系觸針式儀器。測量時儀器觸針尖端在被測表面上垂直於加工紋理方向的截面上,做水準移動測量,從指示儀錶直接得出一個測量行程Ra值。這是Ra值測量最常用的方法。或者用儀器的記錄裝置,描繪粗糙度輪廓曲線的放大圖,再計算Ra或Rz值。此類儀器適用在計量室。但可擕式電動輪廓儀可在生產現場使用
4 光切顯鏡測量法 Rz: 0.8~100 光切顯微鏡(雙管顯微鏡)是利用光切原理測量表面粗糙度的方法。從目鏡觀察表面粗糙度輪廓圖像,用測微裝置測量Rz值和Ry值。也可通過測量描繪出輪廓圖像,再計算Ra值,因其方法較繁而不常用。必要時可將粗糙度輪廓圖像拍照下來評定。光切顯微鏡適用於計量室
5 干涉顯微鏡
測量法
Rz:0.032~0.8 干涉顯微鏡是利用光波干涉原理,以光波波長為基準來測量表面粗糙度的。被測表面有一定的粗糙度就呈現出凸凹不平的峰穀狀干涉條紋,通過目鏡觀察、利用測微裝置測量這些干涉條紋的數目和峰穀的彎曲程度,即可計算出表面粗糙度的Ra值。必要時還可將干涉條紋的峰穀拍照下來評定。干涉法適用於精密加工的表面粗糙度測量。適合在計量室使用。