取样长度、评定长度在粗糙度测量中的应用

HEATS

表面粗糙度值，通常采用光切显微镜、干涉显微镜及轮廓仪(计)测量。取样长度与评定长度的合理选用对粗糙度值的评定起着重要作用。然而在仪器使用中，常常未按标准规定实现取样长度与评定长度的选用，影响了测量结果的准确度。因此寻求一个取样长度、评定长度在仪器测量中正确的实施途径，尤为必要。

1 取样长度与评定长度的选取

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GB1031—83《表面粗糙度 参数及其数值》给出了取样长度数值(表1)，公比为10^½。标准规定取样长度值应从该系列值中选取。 4 N$ _5 W0 k- n# q) s" V3 ~! r) S' Z: ^/ V6 ]. Z4 z) ^' M0 P* S% r4 M+ S0 p, j* P: V* h# @( c; d0 J

, z% O& P' l7 R1 _! ]) n/ @+ K$ X+ b" P8 P) W: N4 T: i N$ ~+ P8 Y0 o: r2 X. L' H; K d( m9 N/ L/ P( ~( _4 [: H2 K, j 表1 取样长度的数值(mm) 0.08 0.25 0.8 2.5 8 25

1 s* E$ ^7 {# @5 M! y2 j# }' i/ u& |, D5 V4 k* \$ O" ] d- {+ G* o" r0 ~' [" }8 e/ y$ W4 b6 \0 P+ D% v9 E0 e8 c, }, _6 U5 h' ]$ {8 U+ B' [" I# H! L 表2 Ra、Rz、Ry的取样长度l与评定长度ln选用值 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

规定和选择取样长度，是为了限制和减弱表面波纹度对表面粗糙度测量结果的影响，使得到的粗糙度值正确反映表面的粗糙度特性。一般情况下，可根据表面加工方法和粗糙度参数值大小选用。GB1031—83附录B规定了取样长度推荐值(表2)。

标准规定，评定粗糙度时必须取一段能反映加工表面粗糙度特性的最小长度，它包含一个或数个取样长度，这几个取样长度的总和称为评定长度。

评定长度值根据表面加工方法和相应取样长度按GB1031—83附录B选用。一般加工表面选取评定长度为5个连续的取样长度(表2)。加工均匀性较好的表面，可选用小于5个取样长度的评定长度；均匀性较差的表面，可选用大于5个取样长度的评定长度。若图样上或技术文件中已标明评定长度值，则应按图样或技术文件中的规定执行。 4 |) F' Y2 r0 x/ H) S( a" E

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所谓“加工表面均匀性”是指加工后表面各部位粗糙度数值一致的程度。如果在一个加工表面上按取样长度连续测量几段所得粗糙度值一样，说明加工表面均匀；反之粗糙度值不一样，有时甚至相差很大，则表明加工表面不均匀。

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任何表面的粗糙度都是由一系列不同高度和间距的峰谷组合而成，这些峰谷反映了加工表面微观几何形特性。从外观上或感觉上这种特性通常总带有表面加工过程中所用加工方法的特征。 6 ]2 m2 d1 v9 w' L1 o* Q

车、铣、刨削加工表面往往带有均匀的间距和清晰的刀具痕迹方向，其纹理具有明显的规律性，它所形成的是一个典型的周期轮廓(有时也叠加有不同程度的随机成分)有明显的周期，这一周期反映了进给量是均匀相等的，加工表面均匀性好。 6 h2 {' ?& w1 D* A4 R. v8 n; Z

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磨削加工表面虽有一般的方向性，但是间距通常是不规则的，纹理没有明显的规律。研磨加工表面是通过磨料的往复作用所产生的表面，往往没有什么方向性。磨削、研磨分别用砂轮和磨料进行切削抛光，使表面光滑平整。但由于砂轮的磨粒大小、磨料颗粒尺寸形状不规则，切削力不等，使加工表面形成随机轮廓，虽有周期成分，但随机成分是主要的，表面均匀性差。

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因此，加工表面的粗糙度是加工过程中多种因素(机床—刀具—工件系统、加工方法、切削用量、冷却润滑液)共同作用的结果。这些因素的作用过程相当复杂，而且是不断变化的。所以用不同加工方法或在同样加工方法、同样切削条件下切削出来的同一批零件，不同表面不同部位其粗糙度值也不完全相同。根据每一种加工方法具有的独特表面特征，表3列出了各种典型方法选用的取样长度和评定长度经验值。

( f1 n1 f3 l; w% ]/ ~$ A, h: S% w+ _1 [" n! D- C" ]+ h7 l7 S0 o b7 K. ?# v. i) {2 H0 U8 b4 Z8 v( M2 g7 Z5 P' a6 {0 R0 e# D. X+ S# M8 a3 b9 n, }3 o' f& N7 G/ m, t8 G+ m9 Z$ \/ N* v) q- S' K- J- z: A, Y; C7 |7 ^3 N% q ~( {" g% N$ E9 J* u, S7 O- b) S% ~8 ~9 \* s$ w$ s* o6 C1 |( n6 v5 c4 _* B, g! X8 ?& _" J/ ]7 V, Y: ~; }7 v8 C$ Q6 Q! p6 @& M7 a- E7 S2 |8 l; T- h; I1 X& _8 `% a/ W( ~

表3 常用加工方法取样长度、评定长度经验值(mm)

表面轮廓的特点	取样长度l	评定长度ln
		GB1031推荐值	经验数值	美国标准ASA B46.1	英国标准BS1134
比较规则和均匀 (如车、铣、刨)	2.5	(1～3)l	2l	(5～20)l	＞5l
不很规则和均匀 (如精车、磨、端铣)	0.8	(2～6)l	(3～4)l (3～6)l
很不规则和均匀 (如精车、研磨、抛光)	0.25	(6～17)l	(6～7)l
极不规则和均匀 (如细研、细抛光)	0.08	—	(8～10)l (10～12)l
注： ! o6 M: B8 r( d3 R+ v 均匀性较好的表面，评定长度可选表中所列范围中较小值，反之取较大值。 " M' p) Y7 r1 d# [' S 加工表面不均匀时，应在表面上至少3个不同位置上测量，每个位置测量一个评定长度(包括数个取样长度)的粗糙度。 美国国家标准ASAB46.1《表面粗糙度、波纹度和加工纹理》始于1940年。1947年，1955年，1962年三次修订成ASA B46.1.1962，1971年重新肯定了1962年标准。表中给出的美国标准为ASA B46.1.1962，1978年又修订成现行的ANSI B46.1.1978《表面结构表面粗糙度、波纹度和加工纹理》。 # A: F( X4 S8 w) d0 c: } 英国的第一个国家标准是1950年发布的BS1134：1950《表面结构的评定》。表中给出的是英国标准BS1134：1961《表面结构的评定》，1978年修订成BS1134：1972《表面结构的评定方法》。 取样长度的系列各国规定基本相同。各国都采用0.08、0.25、0.8、2.5、8和25mm6档。英国和美国标准规定了将0.8mm作为优先采用的取样长度。 评定长度的控制，在英国和美国标准中有截止值和行程长度间相应值的规定。

2 取样长度与评定长度在测量仪器中的实施

轮廓仪(计)利用滤波器抑制波纹度的影响来实现取样长度的选择。通常滤波器特性在截止波长处急剧变化，轮廓谱通过滤波后使间距小于截止波长的粗糙度都无变化地通过，而间距大于截止波长的粗糙度却被完全抑制。

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截止波长是轮廓谱中数值上等于取样长度的一个正弦波的波长，习惯上也叫做切除长度，通常叫截止值。所以仪器的截止值就相当于测量时的取样长度。 . ?$ b F; V: P

截止值与取样长度的区别是，截止值是一种手段，利用它可使获得的轮廓波形限制在取样长度内进行评定的效果。而取样长度是用于判别具有表面粗糙度特征的一段基准线长度，它可使表面粗糙度参数值从波度和波距大于其值的不平度中区分开来。 ! y$ r0 \7 d3 T. y( U: S

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由记录器记录表面轮廓曲线时，不必考虑截止值。而用平均值量表测量时，必须考虑截止值。截止值旋钮置于电器箱上，通常有三档截止节距值(对TALY-SURF—4轮廓仪三档为J、K、L)，它们分别对应着0.25、0.8、2.5mm取样长度值。 & P2 `" Y, K9 R! Q# ^

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截止值的选取，应首先了解被测件的加工方法，并对表面粗糙度值作初步判断，根据表4确定。 0 ~+ b% \5 @; h B4 u

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表4 轮廓仪(计)的截止值

截止值 开关位置	截止值 (mm)	选用范围
		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	普通车、铣、刨加工表面	＞2～10	＞10～50

评定长度是评定轮廓表面粗糙度所必须的一段长度，它包括一个或数个取样长度。轮廓仪(计)的评定长度由仪器测量行程长度来表征。轮廓仪(计)的测量行程长度，是用作测量表面粗糙度的一段修整轮廓长度，即在测量时由于滤波器作用产生的与传感器同步的触针移动轨迹。测量行程长度包括一个或数个取样长度。 . S$ o f! P7 H8 W6 M" f

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测量行程长度与评定长度不同之处是，评定表面粗糙度参数值所依据的“长度”有差异，前者是实际测量中采用轮廓仪(计)所得到的一段修整轮廓长度，而后者是理论上定义的评定表面粗糙度所必须的一段长度。由此可以说，行程长度是评定长度在实际测量中，使轮廓仪(计)实现表面粗糙度参数测量的具体体现。

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测量行程长度与评定长度相同处是，都包括一个或数个取样长度。一般行程长度取5个截止值(相当于5个取样长度)，这与一般选用评定长度为5倍取样长度相一致。 ; s7 s1 i/ p1 h3 e3 A

行程长度旋钮置于驱动箱上，标记J、K、L三档。行程长度旋钮的位置根据截止值旋钮的位置来决定，两者必须一一对应。

各种轮廓仪(计)行程长度不尽相同，TALYSURF—4型轮廓仪J、K、L档对应截止值为0.25、0.8、2.5mm的行程长度是0.25×8≈1.9mm,0.5×8≈3.8mm,2.5×3≈7.6mm。测量时行程长度旋钮调到与截止值旋钮一致的相当位置。如TALYSURF—4型测量行程长度旋钮K档，仪器测读的粗糙度值是一个测量行程长度3.8mm的平均值。 % m3 M- ?/ T/ V* I& F/ c

必须指出，目前使用的触针式轮廓仪可以直接测读粗糙度(Ra)值，一般不能按粗糙度Rz、Ry定义直接测得结果，但可通过记录轮廓图形进行计算。此时应注意尽量使记录图形的走向处于水平线上，截止值在轮廓总的走向上量取。只要记录图形的垂直放大倍率可靠，截取截止值的水平放大倍率准确，可以获得可信赖的Rz、Ry值。 7 g# G) y& m3 W( z7 \$ ]

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应注意水平放大倍率的变化。该变化是靠变动驱动箱上速度选择旋钮改变传感器运动速度获得的，因此正确选择速度旋钮的档位很重要。表5给出了速度选择旋钮的参考值。 , K2 I C6 y: O A2 {! f' s

  ) w% R3 l6 w- r$ I! Y$ k/ _ j1 R7 s4 I. n8 J! f. _$ X$ u9 }$ x8 S- R) s, b3 n) P M6 d) G& y1 U* h1 e. `) O+ c" \+ D" A& ?. e5 p' }; f$ t# D2 y4 Z0 C! a7 x) Y. A, ~! s8 E6 H5 q. X+ ?" f: v# A, r; y& X9 S: H' D0 f6 b* d4 N4 j5 G5 v" K% q+ N7 {& t. ~: u1 z4 c- P6 o4 i# _0 N8 p8 L6 d6 Q9 ?( `/ Z& X0 A% B% [3 j( x g, S( |) {% ?8 c6 p) G: M& p. H. a; J0 }) F1 H: S& o5 ~# B5 H/ i# S1 K. u( O1 a5 c r( T

表5 轮廓仪(计)速度选择旋钮参考值

速度 旋钮	水平放 大倍率	用途	被测表面粗糙度值(µm)
			Ra	RZ、RY
N	—	手动进行测量过程中被测件的安装与调整配用500X传动装置作高精度表面轮廓图形记录	0.01～0.02	0.05～0.1
AV	4	用于平均值量表读数记录波纹度图形	—	—
20X	20	记录车、铣、刨、滚铣加工表面轮廓图形记录波纹度图形	＞1.25～10	＞6.3～40
100X	100	记录一般表面粗糙度轮廓图形	＞0.02～1.25	＞0.1～6.3

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速度旋钮选用的总原则是使轮廓图形中峰与峰之间距离不要太密集而要拉开一些。当选用截止值为0.8mm，水平放大倍率为20X，则应在轮廓图总的走向上量取0.8×20=16mm。

多参数轮廓仪可直接显示粗糙度R_Z，R_Y值，但仪器显示的粗糙度R_Y值与标准定义的粗糙度R_Y有区别。一般是在行程长度内给出的结果或是微观不平度高度(相邻峰谷)的最大值。 , _, u% V8 ^; P5 P* C, i2 S: F+ I# k8 V

光切显微镜、干涉显微镜通常用来测量粗糙度R_Z，R_Y参数值。测量时应按规定确定取样长度、评定长度。对粗糙度R_Z而言，在仪器示场中取样长度内，测出5个最高点5个最低点数值计算粗糙度R_Z值，在评定长度内测出数个连续取样长度上的粗糙度R_Z值，取其平均值作为测量结果。如果仪器视场直径不足一个取样长度或一个评定长度，以及测量圆弧曲面时不大可能按定义取点计算(表6)，在这种情况下，必须在一次测量中移动工作台，使被测部位顺次移入视场。建议采用下述方法计算：把选定的取样长度l分成5个相等的分量l′₁、l′₂、……l′₅，在每个取样长度分量上各测一个最大峰谷高(附图)得h₁、h₂、……h₅，计算得到 ) W! }7 O: N+ v: Q- P w9 M" P5 ^0 N- f; }9 Q. t ]7 z9 \0 Y! V3 s1 ^' A; L+ s6 e, K/ w' n& n! X0 b( ~0 X" T5 P, O

RZ=	h1+h2+h3+h4+h5
	5

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表6 光切显微镜的视场直径

物镜标称 放大倍数	测量范围RZ (µm)	视场直径 (mm)	取样长度 (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

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需指出，各取样长度分量之间必须是连续的。为保证l′₁=l′₂=……=l′₅，应均匀移动工作台，使工作台移动量相等，同时从目镜视场中注意观察被测表面轮廓移动情况，以免重复测量同一长度轮廓曲线。对粗糙度R_Y而言，如果仪器视场直径小于一个规定取样长度时，可取视场直径为取样长度，在观测范围内取最大峰谷值，然后在相邻视场中再测出一个轮廓最大高度，取两读数中大者作为一个取样长度的测量值。严格地说，按上述方法求得的粗糙度R_Z、R_Y值是近似值。