表面粗糙度檢測(cè)技術(shù)

一、檢測(cè)原理

表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度，其波距小于1mm。檢測(cè)原理主要基于接觸式和非接觸式兩種基本方法。

1. 接觸式檢測(cè)原理：

   • 觸針?lè)?/span>：這是經(jīng)典和廣泛使用的原理。檢測(cè)儀器的金剛石觸針以恒定輕壓（通常為0.75-1.0 mN）垂直接觸工件表面，并沿其表面做勻速直線或曲線運(yùn)動(dòng)。觸針會(huì)隨表面的微觀峰谷作垂直位移，該位移量通過(guò)傳感器（通常為壓電式或電感式）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由內(nèi)置的微處理器依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出一系列粗糙度參數(shù)（如Ra, Rz, Rq等）。其科學(xué)依據(jù)在于將微觀幾何形狀的垂直變化量精確地轉(zhuǎn)化為可量化的電信號(hào)。

2. 非接觸式檢測(cè)原理：

   • 光學(xué)干涉法：利用光波干涉原理。當(dāng)兩束相干光（一束照射到參考鏡，另一束照射到被測(cè)表面）相遇時(shí)，會(huì)因光程差而產(chǎn)生干涉條紋。表面輪廓的起伏導(dǎo)致干涉條紋彎曲或移動(dòng)，通過(guò)CCD相機(jī)捕捉這些條紋，并利用相移技術(shù)或垂直掃描技術(shù)，可以重構(gòu)出表面的三維形貌，進(jìn)而計(jì)算出粗糙度參數(shù)。其依據(jù)是光的波動(dòng)性和干涉理論。

   • 共聚焦顯微鏡法：采用點(diǎn)光源和共聚焦針孔，只有焦平面上的反射光才能通過(guò)針孔被探測(cè)器接收。通過(guò)垂直方向精密掃描，逐點(diǎn)獲取不同高度層面的光強(qiáng)信號(hào)，光強(qiáng)大值對(duì)應(yīng)的位置即為該點(diǎn)的表面高度。將所有點(diǎn)的高度信息組合，即可獲得三維表面輪廓。其依據(jù)是共聚焦成像原理，具有優(yōu)異的光學(xué)切片能力。

   • 白光散射法：當(dāng)光照射到粗糙表面時(shí)，會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。散射光的強(qiáng)度分布與表面的統(tǒng)計(jì)特性（如均方根粗糙度Rq）存在確定的數(shù)學(xué)關(guān)系（通?；贐eckmann或Harvey-Shack理論）。通過(guò)測(cè)量散射光的角分布或特定模式，可以間接反演出表面的粗糙度。這種方法適用于對(duì)表面無(wú)損傷、快速評(píng)估的場(chǎng)景。

二、 檢測(cè)項(xiàng)目

表面粗糙度檢測(cè)項(xiàng)目主要分為一維輪廓參數(shù)和三維區(qū)域參數(shù)兩大類。

1. 一維輪廓參數(shù)：

   • 幅度參數(shù)（高度參數(shù)）：評(píng)價(jià)輪廓在垂直方向上的特征，是常用的參數(shù)組。

     • Ra（算術(shù)平均偏差）：輪廓上各點(diǎn)至中線的絕對(duì)距離的算術(shù)平均值。是通用核心參數(shù)。

     • Rz（大高度）：在一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)，大輪廓峰高與大輪廓谷深之和。

     • Rq / RMS（均方根偏差）：輪廓偏離中線偏差的均方根值，對(duì)輪廓的峰值和谷值更敏感。

   • 間距參數(shù)：評(píng)價(jià)輪廓在水平方向上的特征。

     • RSm（輪廓單元的平均寬度）：在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓微觀不平度間距的平均值。

   • 混合參數(shù)（形狀參數(shù)）：同時(shí)反映輪廓的幅度和斜率特征。

     • Rsk（輪廓偏斜度）：描述輪廓幅度分布的不對(duì)稱性。

     • Rku（輪廓陡度）：描述輪廓幅度分布的尖銳程度。

2. 三維區(qū)域參數(shù)：

   • 基于三維表面形貌數(shù)據(jù)，提供更全面的表面功能信息。與一維參數(shù)對(duì)應(yīng)，有Sa（表面算術(shù)平均高度）、Sz（表面大高度）、Sq（表面均方根高度）等。這些參數(shù)能更真實(shí)地反映表面的摩擦、潤(rùn)滑、密封、疲勞等性能。

三、 檢測(cè)范圍

表面粗糙度檢測(cè)幾乎覆蓋所有精密制造與加工行業(yè)。

• 機(jī)械制造業(yè)：軸、軸承、齒輪、導(dǎo)軌等運(yùn)動(dòng)副零件的配合表面，要求高精度以保障耐磨性、配合穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度。Ra值通常在0.1-1.6 μm。

• 汽車工業(yè)：發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、曲軸、凸輪軸、活塞、噴油嘴等關(guān)鍵部件，對(duì)密封性、潤(rùn)滑性和效率有極高要求。檢測(cè)范圍從鏡面加工的0.05 μm到一般結(jié)構(gòu)件的12.5 μm。

• 航空航天：渦輪葉片、壓氣機(jī)盤、液壓系統(tǒng)部件等，在極端環(huán)境下工作，表面完整性直接影響安全性和壽命。要求極為嚴(yán)格，常需檢測(cè)三維參數(shù)。

• 醫(yī)療器械：人工關(guān)節(jié)、手術(shù)器械、牙科植入體等，表面粗糙度直接影響生物相容性、抗感染能力和使用壽命。要求高光潔度或特定的微紋理。

• 電子半導(dǎo)體：硅晶圓、光學(xué)元件、硬盤磁頭等，表面粗糙度影響電性能、光性能和磁記錄密度。通常要求亞納米級(jí)甚至原子級(jí)平整度。

• 模具行業(yè)：注塑模、壓鑄模的表面，直接影響產(chǎn)品脫模能力和外觀質(zhì)量。

四、 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)體系為粗糙度檢測(cè)提供了統(tǒng)一的定義、參數(shù)和規(guī)程。

1. 標(biāo)準(zhǔn)：

   • ISO 21920系列：這是新的標(biāo)準(zhǔn)體系，正逐步取代舊的ISO 4287/4288等。它重新定義和規(guī)范了輪廓濾波、參數(shù)評(píng)定等，更注重表面的功能特性。

2. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T）：

   • 主要等效采用或修改采用ISO標(biāo)準(zhǔn)。例如，GB/T 3505（表面結(jié)構(gòu)的術(shù)語(yǔ)、定義和參數(shù)）等效于ISO 4287的舊版；GB/T 10610（表面結(jié)構(gòu)的評(píng)定規(guī)則）等系列標(biāo)準(zhǔn)也與ISO對(duì)應(yīng)。中國(guó)正在跟進(jìn)ISO 21920系列的新標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化工作。

3. 其他/地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)：

   • 美國(guó)ASME B46.1：與ISO標(biāo)準(zhǔn)在核心參數(shù)上基本一致，但在濾波器的定義、評(píng)定長(zhǎng)度的選擇等方面存在細(xì)微差別。

   • 日本JIS B 0601：與ISO標(biāo)準(zhǔn)高度協(xié)調(diào)。

對(duì)比分析：當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)以ISO為基準(zhǔn)的融合趨勢(shì)。新舊標(biāo)準(zhǔn)的主要差異在于濾波技術(shù)（從2RC濾波器轉(zhuǎn)向高斯濾波器和新一代輪廓濾波器）和參數(shù)定義，新標(biāo)準(zhǔn)更能準(zhǔn)確反映表面的功能屬性。在實(shí)際檢測(cè)中，必須明確檢測(cè)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)版本，因?yàn)橥粎?shù)在不同標(biāo)準(zhǔn)下的計(jì)算結(jié)果可能存在差異。

五、 檢測(cè)方法

1. 接觸式測(cè)量法（觸針?lè)ǎ?/span>：

   • 操作要點(diǎn)：

     • 工件準(zhǔn)備：確保被測(cè)表面清潔，無(wú)油污、灰塵。

     • 儀器校準(zhǔn)：使用標(biāo)準(zhǔn)刻線樣板定期對(duì)儀器進(jìn)行量值溯源。

     • 參數(shù)設(shè)置：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和工作要求，正確設(shè)置取樣長(zhǎng)度(l)、評(píng)定長(zhǎng)度(Ln)、截止波長(zhǎng)(λc)等。

     • 測(cè)量操作：平穩(wěn)放置工件，使觸針行進(jìn)方向垂直于主要加工紋理方向。輕放觸針，自動(dòng)或手動(dòng)完成測(cè)量。

     • 結(jié)果讀取：記錄多個(gè)評(píng)定長(zhǎng)度下的平均值，以獲取更具代表性的結(jié)果。

2. 非接觸式測(cè)量法：

   • 操作要點(diǎn)：

     • 樣品要求：表面需具有較好的反射性（對(duì)于光學(xué)方法）。過(guò)于粗糙或透明的表面可能不適用。

     • 對(duì)焦：精確對(duì)焦是關(guān)鍵步驟，尤其是共聚焦顯微鏡。

     • 環(huán)境控制：避免振動(dòng)和空氣擾動(dòng)，光學(xué)平臺(tái)和隔振罩常是必需的。

     • 數(shù)據(jù)解析：非接觸法獲得的是海量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要的軟件進(jìn)行分析和參數(shù)提取。

方法選擇：接觸式方法成熟、可靠、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，但可能對(duì)軟質(zhì)材料造成劃傷。非接觸式方法速度快、無(wú)損、分辨率高，適用于柔軟、易損表面和復(fù)雜三維形貌分析，但對(duì)環(huán)境、樣品表面光學(xué)特性要求較高，且設(shè)備通常更昂貴。

六、 檢測(cè)儀器

1. 接觸式粗糙度測(cè)量?jī)x：

   • 便攜式：體積小、重量輕、內(nèi)置電池，可攜帶至現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大型工件進(jìn)行在位測(cè)量。通常顯示核心參數(shù)（Ra, Rz等）。

   • 臺(tái)式（測(cè)量臺(tái)架式）：精度高、功能全。將傳感器安裝在精密滑臺(tái)上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量?？蓽y(cè)量更復(fù)雜的參數(shù)和波形，并可繪制輪廓圖形。

   • 技術(shù)特點(diǎn)：核心是高精度位移傳感器和極其光滑的機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。分辨率可達(dá)納米級(jí)，測(cè)量范圍通常為數(shù)百微米。

2. 非接觸式三維表面輪廓儀：

   • 光學(xué)干涉儀：分為白光干涉儀和相移干涉儀。具有納米級(jí)甚至亞納米級(jí)的垂直分辨率，測(cè)量范圍大，適用于從粗糙到超光滑表面的快速測(cè)量。

   • 共聚焦顯微鏡：具有極高的橫向和垂直分辨率，對(duì)陡峭側(cè)壁的測(cè)量能力優(yōu)于干涉儀。可實(shí)現(xiàn)真彩色的三維形貌成像。

   • 原子力顯微鏡（AFM）：利用探針與樣品表面的原子間力進(jìn)行測(cè)量，分辨率可達(dá)原子級(jí)別。但測(cè)量范圍極?。ㄍǔ资⒚祝饕糜诳蒲泻统鼙砻娣治?。

七、 結(jié)果分析與評(píng)判

1. 分析方法：

   • 參數(shù)化分析：直接讀取和比較標(biāo)準(zhǔn)中定義的各參數(shù)值。這是常用和基本的分析方法。

   • 圖形化分析：觀察輪廓曲線或三維形貌圖，直觀判斷表面的加工紋理、周期性、缺陷（如毛刺、劃痕）等。

   • 功能相關(guān)性分析：將粗糙度參數(shù)與零件的實(shí)際功能聯(lián)系起來(lái)。例如，Ra值影響密封性，Rsk和Rku與耐磨性和潤(rùn)滑性能相關(guān)，RSm與涂鍍層的附著力有關(guān)。

   • 統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）：在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)粗糙度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，判斷加工過(guò)程的穩(wěn)定性。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 公差判定：將測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)圖紙或技術(shù)文件中規(guī)定的粗糙度公差要求進(jìn)行比對(duì)，判斷合格與否。這是基本的評(píng)判。

   • 工藝能力指數(shù)（Cpk/Ppk）分析：評(píng)估加工工藝穩(wěn)定地生產(chǎn)合格產(chǎn)品的能力。

   • 趨勢(shì)分析：通過(guò)對(duì)同一零件不同批次或同一設(shè)備加工的不同零件進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤，分析粗糙度值的變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)刀具磨損或設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。

表面粗糙度檢測(cè)是連接設(shè)計(jì)與制造、控制產(chǎn)品質(zhì)量、預(yù)測(cè)零件服役性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。選擇合適的檢測(cè)原理、方法、儀器和標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行科學(xué)的結(jié)果分析，對(duì)于現(xiàn)代制造業(yè)至關(guān)重要。