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实验二  表面粗糙度测量
表面粗糙度的测量方法常用的有光切法,光波干涉法及针触法等.工厂的车间中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表面的加工痕迹复印下来，然后再测量复印的印模，从而确定被测工件的表面粗糙度级别的印模法。
实验目的
1. 建立对表面粗糙度评定的感性知识；
2. 学习用双管显微镜（光切法）和干涉显微镜（干涉法）及电动式轮廓仪（针描法）测量表面粗糙度的方法。
实验2-1  用双管显微镜测量表面粗糙度Rz值
一、测量原理及计量器具说明
  参看图2-1，微观不平度十点高度Rz是在取样长度l内，从平行于轮廓中线m的任意一条线算起，到被测轮廓的五个最高点（峰）和五个最低点（谷）之间的平均距离，即 

图2-1

图2-2
双管显微镜能检测1-80μm的表面粗糙度的Rz值。双管显微镜的外形如图2-2所示。它有1-光源；2-立柱；3-锁紧螺钉；4-微调手轮；5-横臂；6-升降螺母； 7-底座；8-纵向千分尺9-工作台固紧螺钉；10-横向千分尺；11-工作台；12-物镜组；13-手柄；14-壳体；15-测微鼓轮；16-目镜；17-照相机安装孔等部分组成。
双管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P1、P2阶梯表面，当一平行光束从45°方向投射到阶梯表面上时，就被折成S1和S2两段。从垂直于光束的方向上就可在显微镜内看到S1和S2两段光带的放大象S1ˊ和S2ˊ。同样，S1和S2之间的距离h也被放大为S1ˊ和S2ˊ之间的距离h1ˊ。通过测量和计算，可求得被测表面的不平度高度h。

图4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°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 不平的光带（图5b）。光带边缘即工件表面上被照亮了的h1的放大轮廓象为h1ˊ，测量亮带边缘的宽度h1ˊ，可求出被测表面的不平度高度h：
             h= h1cos45°= (h1ˊ/N) cos45°
式中N—物镜放大倍率。

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h1ˊ成45°斜角（图5b），故目镜测微器刻度套筒上的读数值h1″与不平度高度的关系为：
h1″= h1ˊ/cos45°= N h/ cos245°
所以    h″= h1″cos245°/ N= h1″/2 N
式中，1/2 N =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。
二： 微观不平度十点高度Rz的测量
1） 根据被测工件表面粗糙度的要求，按表1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。
表1
物镜放
大倍数
总放大
倍 数
视场直径
（毫米）
系数
微米/格
测量范围
光洁度等级
可用下列方法加工得到
最大
最小
60
520
0.3
0.16
1.5
0.5
Δ9～Δ10
金刚石精车、精磨、衍磨
30
260
0.6
0.29
5
1.5
Δ7～Δ9
精车、细磨、精镗等
14
120
1.3
0.63
15
5
Δ5～Δ7
光车、光铣、精镗
7
60
2.5
1.28
50
15
Δ3～Δ5
粗车、粗铣、粗磨
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：参看图2，用手托支臂7，松开锁紧螺钉9，缓慢旋转支臂调节螺母10，使支臂7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（图5b）。然后，将螺钉9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6，调焦环12和调节螺钉13，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5，转动目镜测微器4，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）。然后，将螺钉5固紧。
7） 根据被测表面粗糙度Rz的数值，按国家标准GB1031—83的规定选取取样长度和评定长度。
8） 旋转目镜测微器的刻度套筒，使目镜中十字线的一根线与光带轮廓一边的峰（或谷）相切，如图5b实线所示，并从测微器读出被测表面的峰（或谷）的数值。以此类推，在取样长度范围内分别测出五个最高点（峰）和五个最低点（谷）的数值。然后计算出Rz的数值。
9） 纵向移动工作台，按上述第8项测量步骤在评定长度范围内，共测出n个取样长度上的Rz值，取它们的平均值作为被测表面微观不平度十点高度。按下式计算：
Rz(平均)=ΣRz/n

表 2-1和Ln
Ra(mm)
Rz,Ry(mm)
L(mm)
Ln(mm)
≥0.008～0.02
>0.02～0.10
>0.10～2.0
>2.0～10.0
>10.0～80
≥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
10) 按GB10610对不同标注情况有不同的检测要求。具体有：
（1）表面粗糙度没有注明是最大值的要求时，若出现下述情况之一，则表面是合格的，应停止检测。
① 第一个测得值不超过规定值的70%；
② 最初的3个测得值均不超过规定值；
③ 最初的6个测得值中只能有一个值超过给定值；
④ 最初的12个测得值中只能有2个值超过规定值。
当对重要两件判为废品前，可做多于12次的测量，例如：测量25次，只能有4个测得值超过给定值。
（2）表面粗糙度参数若注明是最大值要求时，则要求在表面粗糙度的检测过程中，各个被检测表面的所有粗糙度均不得超过图样上或技术文件中的规定值。通过在表面可能出现最大值处（如有一个可见的深槽），至少测量3次；对认为粗糙度比较均匀的表面，则也应该均匀地至少测量3次）。
实验2-2 干涉显微镜测量表面粗糙度Rz
一  测量显微镜是利用光波干涉原理和显微系统制成的专门检定表面粗糙度的一类仪器，在目镜中观察到的被测表面的光波干涉带图像，根据图像测量结果算出10点的平均高度Rz.

1-目镜；2-测微鼓轮；3、4-手轮；5-手柄；6-螺钉；7-光源；8、9、10-手轮；11、12、13-滚花轮；14-工作台；15-手轮；16-锁紧螺钉
            a)   仪器外型

b) 仪器光学系统
图2-7  干涉显微镜
干涉显微镜外形和光学系统，如图2-7a,b所示，光源1发出的光通过光栏4和物镜5变成平行光束，投射到分光镜7上，分光镜将光线分为二路，一路向上经物镜6到被测表面的象。另一路透射经物镜9至参考平面镜10后被反射，再经过物镜9、补偿镜8和分光镜7折射向下。两路光相遇具有光程差。当被测表面非常平整时，在目镜视场内将见到平直规则的明暗相同的干涉条纹，若表面有微观不平度，则视场中将呈现弯曲不规则的干涉带。根据干涉带弯曲量b与干涉带间距a可计算出10点平均高度。
二、 实验步骤
1.将工件小心放在工作台上，被测表面向下对准物镜。
2.通过变压器接通电源。
3.寻找干涉带
  ①  向上旋转遮光调节手柄1）遮住光线；
  ②  转动调焦百分尺12，使工作台上、下移动，对被测表面调焦，直到能从目镜中看到清晰的加工痕纹为止；
  ③  转动遮光调节手柄至水平位置时，视场中出现干涉条纹。
4.调干涉带方向及间距宽度。
  转动工作台，使干涉带条纹与被测表面加工痕纹垂直，为了便于估读干涉带的弯曲量，应使两干涉带间有一定距离a(密度3-15厘米）
5.进行测量
  使目镜中十字线的水平线平行于干涉条纹的方向，按此方向进行测量。移动水平线使在基本长度范围内分别与同一干涉条纹的5个最高峰及5个最低谷相切，图2-6b所示得到相应的10个读数，算出干涉条纹波峰与波谷之差的平均值。
  为了提高相邻两干涉带间距a的测量精度，相邻两干涉带之间的距离共测三次算出a的平均值，按下列公式计算Rz值为：
Rz=(∑h峰-∑h谷）*λ/5/a平均/2
  式中λ——光波波长。白色光波波长为0.57微米，绿色光波波长为0.55微米。
三、注意事项
1.参考平面镜位置调节螺钉13实验时不要随意调整。
2.测量圆柱体工件时，应将其素线处对准物镜，才能得到清晰的干涉条纹。
3.调整焦距时，要防止物镜与工件表面接触和碰撞。
实验2-3 电动式轮廓仪测量表面粗糙度Ra
图2-8所示BCJ-2型电动轮廓仪是高精度的表面粗糙度测量仪器，也是目前使用最广泛，最基本的表面粗糙度的测量仪器。可测量经机械加工后的平面、外圆柱面及直径在6mm以上的内孔表面的粗糙度，仪器通过平均表直接读出表面粗糙度的算术平均偏差Ra,或通过自动记录器将Ra值小于100微米的轮廓描绘出来。
1-底座 2-V形块 3-触针 4-传感器（感受器） 5-固定螺钉 6-立柱 7-升降手轮
8-起动手柄 9-驱动箱 10-变速手柄 11-电气箱 12-电气箱测量范围旋钮 13平均表
14-指零表 15-切除长度旋钮 16-电源开关 17-指示灯 18-测量方式开关 19-调零旋钮 20-记录器开关 21-线纹调整旋钮 22-制动栓 23-锁盖手柄  24-记录器变速手轮
图2-8 BCJ-2型电动轮廓仪
测量时，传感器相对工件移动，金刚石触针被测表面纹理的垂直方向等速缓慢移动，被测表面微观不平的变化引起触针的微观位移，从而使传感器线圈的电感量发生变化，传感器停止移动后，借助于晶体电路，操作者可从平均表上直接读出Ra；或用记录器将被测表面的轮廓形状经放大后记录下来，供分析计算之用，图2-9为仪器工作原理示意图。

       图2-9   电感式轮廓仪工作原理
1-被测工件；2-触针；3-传感器；4-驱动箱；5-测微放大器；6-信号分离及运算；7-指示表；8-记录器

二、 测量步骤
1.松开固紧螺钉5，借手轮7升降驱动箱9，将感受器4装在驱动箱上，用螺钉固紧（图中未示出），连接好仪器全部插件后接上电源。
2.选择测量方式（读表或记录）
（1）读表
1）将电器箱1上的测量方式开关18拨向“读表”的位置，将驱动箱9上的变速手柄10转至“Ⅱ”的位置，打开电源开关16，指示灯17亮。
2）粗略估计工件表面粗糙度Ra值的范围，用旋钮15选择适当放大比和切除长度，按表2。
3）借手轮7升降驱动箱，使感受器触针5接触工件表面至指零表14的指针处于表盘所示两条红带之间。
4）将启动手柄8轻轻转向右端，驱动箱即拖动感受器4相对于被测表面移动，平均表13的指针开始转动，然后停在某一位置上指出测量结果，进行记录。
5）将启动手柄8轻轻转回原处，准备下一次测量。
（2）记录
    1）将测量方式开关18拨至“记录”位置，驱动箱变速手柄10处于“1”位置，行程长度选用40mm。
    2）粗略估计被测表面的粗糙度Ra值的范围，调整记录器变速手轮24，选择适当水平放大比，用电器箱旋钮12选择适当的垂直放大比。
    3）借手轮7升降驱动箱，使触针3与被测表面接触，直至记录笔尖近似地处于记录纸中间位置，再用电器箱上调零旋钮19调整记录笔处于理想位置，打开记录器开关20，将启动手柄8轻轻转向右端，即开始测量。
    4）当需要停止记录时，可立即脱开记录器开关20，若测量中途需要感受器停止工作，将驱动箱之启动手柄8拨向左端即可。
  3  记录图形的数学处理
用目估法估计中线方向和位置或用最小二乘法精确计算出中线的方向和位置，计算出Ra值。
判断图样给定的标注方式，按照GB10610对不同标注情况选择不同的检测要求，同Rz值判检测方式所述相同。
在表面粗糙度的检测中，采用针描法——电动轮廓仪测量Ra值较常用，因为该检测方法直观，测量过程反映了被测量表面的实际情况，并数据处理也是经由仪器的整理运算进行，故测量中的人为因素较少，测量准确性较高。