表面粗糙度的现状及发展

[摘要] 讨论了表面粗糙度测量和表征中，一些人们感兴趣的有待解决的问题，如：基准、滤波、󰀀校准样块，评定软件和表征参数等。认为在3D表面分析中应采用数字滤波，以保留数据的完整性；辨析了现存测量仪器和方法的范围——分辨力空间图中的缺口；介绍了校准样块的制备和测量；同时指出当前评定软件缺乏一致性和标准性，建议设计“软件量规”。最后指出了表面特征分析的发展趋势。

关键词：表面粗糙度 测量 表征 现状

表面特征是控制机械零件表面质量的主要内容，而表面粗糙度是表面特征的重要技术指标之一。从近年来国内外发表的有关粗糙度方面的论文来看，数量成指数地增加。这表明表面粗糙度测量和表征技术的研究一直处于上升趋势，一方面是由于商用仪器（如：STM、AFM和光学扫描干涉仪等）的发展以及计算机运算能力、控制技术的提高；另一方面是由于尖端技术、国防工业和精密工程等对零件的表质量提出了越来越高的要求。

表面粗糙度（GB3505-83）是指加工表面上具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。它主要是由所采用的加工方法形成的，如在切削过程中工件加工表面上刀具痕迹以及切削撕裂时的材料塑性变形等。以前关于粗糙度的表征参数都是在某一法向截面所截得的轮廓线上进行评定，只反映高度和横向距离之间的关系，属于“二维”评定。当表面粗糙度在一小面积区域内评定时，还有纵向距离关系，这就属于“三维”评定。近年来研制了许多三维表面微观形貌测量仪，才使得在局部表面上三维评定表面粗糙度成为可行，而且国际上方兴未艾。

本文对目前表面粗糙度测量和表征中，人们普遍感兴趣的几个问题作一简单的表述，而且所用术语、方法主要侧重于三维表面粗糙度q󰀀当然有些在二维中也可直接使用。

1 基准

1.1 基准表面

国家标准（GB3505-83）和国际标准（ISO4287:1996）中均给出了“实际表面”和“几何表面”的定，并认为实际表面是物体与周围介质（通常为空气）分隔的表面。评定实际表面的表面粗糙度参数需要有个基准面，因为实际表面本身是被量的对象，它不能作为基准面；而几何表面是个理想表面，它的具体位置也不清楚，所以要用某个给定面来体现基准面。作为基准面的给定面，它具有几何表面的形状，其方位和实际表面在空间总的走向一致。

基准面的产生方式不同，对表面粗糙度参数的评定影响很大。一般地，基准平面的形成可采用：算术平均中心面、包络平面、最小二乘、最小区域参考基准等方式[1]。而基准曲面可采用：最小二乘二次多项式表面和最小二乘部分圆柱算法确定[1]。

GB3505-83中规定，二维表面分析采用中线制，中线可采用算术平均中线或最小二乘中线两种算法。对于三维表面形貌的评定基准目前尚未形成统一的标准。

1.2 滤波

表面特征包括表面粗糙度、表面波纹度和表面几何形状等。这三种特性绝非独立存在。为了提取准确定义的表面粗糙度信息，通常需要采用“滤波”的方式，如机械滤波、电子和数字滤波技术等。

三维表面粗糙度的分析是在一个区域内进行，所以要求采用数字滤波的形式，以保证数据的完整性。为了不改变表面的“形状”，滤波器必须是线性的或零相位的

同时要求光滑的截止转换，以避免边缘衰减。常用的数字滤波器为：区域滤波器和高斯滤波器，均是可分离的和对称的。然而当表面具有偏斜的幅度分布时，高斯滤波器的效果并不理想，在ISO13565中推荐采用双级滤波。

许多情况下，提取特征信号的滤波和产生评定基准，是结合在一起考虑的。

1.3 校准样块

随着超光滑表面的粗糙度数值接近纳米级甚至埃级，不同测量方法的测量结果不一致性对表面特征的评价影响越来越大。为此，美国国家标准和技术研究院（NIST），制作了一组尺寸范围从29nm～152?m的标准台阶高度样块，其“标准”值取决于本身的实际尺寸。另外还建立了一组小于100nm的高精度标准样块，其尺寸用三种不同的方法校准，如相移干涉显微镜、校准原子力显微镜（C-AFM）和高分辨力的触针式仪器。如果用这些不同的方法测量台阶高度的精确值，能取得好的一致性，则样块台阶高度将作为精密校准的基准。

由于每种仪器具有各自不同的特点，要做到测量结果一致并非易事。触针方法被认为是极好的台阶高度校准器，因为它直观，可以反映表面的“真实”形貌。NIST采用的垂直位移转换器是高线性和高稳定性的线性差动转换器（LVDT），具有纳米级噪音分辨力，但这种转换器必须利用光的波长校准。另外，由于采用机械接触方式，可能会损伤表面。相位干涉测量仪使用了白光源具有窄带滤波器，并且是非接触测量，它的值用滤波器平均波长校准。校准原子力显微镜采用接触或接近探针的方式，用一个校准过的转换器输出，样块的垂直移动由压电陶瓷驱动。

另外NIST对15、90、1000nm名义高度的一组石英台阶进行了测量，并分析了三种仪器测量结果不一致性的原因。首先采用触针式仪得到样块的多次重复结果；然后用相位干涉显微镜测量，󰀀其不一致性主要是由于样块的散焦和样块相对于光轴的倾斜；C-AFM的垂直移动的校准是精确的，󰀀然而在测量台阶高度值时会发生变化，这可能是由于出现在样块平面外的运动、实验环境的改变、或悬臂力传感器与针尖表面的相互作用而引起。

最近NIST用Si单原子制作了标准台阶高度q󰀀用于扫描探针显微镜的校准q󰀀由于Si的栅格是恒定的q󰀀台阶高度的预期值为314pm,而用C-AFM测量结果约为270pm,其差异正在被研究q󰀀

2 测量

2.1 测量范围

表面粗糙度测量仪器垂直和水平的范围和分辨力，目前采用Stedman最先使用的范围——分辨力空间来表示，而且这一方法已普遍被接受。图1的Stedman图示出了当前粗糙度测量仪（触针式、光学式、AFM）的测量范围。电子显微镜虽然不能得到表面的高度定量信息，但将其范围扩展到了更短的波长和较大的幅度。粗糙度范围的顶端，由坐标测量机占用，最后一层观测技术覆盖了所有从低范围的自校准到上末端的卫星范围。

图1的表示方法并不是全面的和决定性的，由于简单，许多有用的测量方法被忽略，但它的确反映了测量的实质问题。就目前的测量技术，要达到大区域的范围——分辨力空间是不可能的。

图1中右下区域表示长波长上的小幅度，在这个区域似乎并没有什么技术要求。左上角的区域大概表示了更切合实际的问题，这个区域示意出测量大幅度、短波长的不可能性。然而却有许多加工制品的形貌落在这个区域，如毛刷状，以及非常多的生物结构具有大的垂直幅度，而小的水平尺寸。这种结构类似于作物的生长，有很高的经济作用，但目前还没有办法描述它们的形貌。

这将需要一个较大的垂直范围对分辨力的比率，这种仪器是很有前途的。在80年代初没有几种粗糙度仪器提供比10E3:1更好的比率[4]，而现在的触针仪器和光学仪器其比率可达10E5:1。将来在新的测量方法中有可能达到10E8:1。

2.2 在过程测量

表面粗糙度的在过程测量，而且作为机床整个系统的一部分，已经使用了很长时间，方法也各异（见表1）。鉴于速度的考虑，推荐使用光学方式，但是基于衍射或散射的方法，仅能产生表面形貌的有限信息。

表1在过程测量方法及速度

测量方法速度／m.s-1 电容法0.025

触针法1.1

超声波测量5

气动测量51.8

表1中的方法均可测量实际表面轮廓，有些还具有相当高的速度。但在过程测量仍局限在实验室，大部分商用仪器只能离线测量q。

目前市场上大多数粗糙度仪器是用于产品的质量检查，通常是离线的或统计抽样。但是现代质量控制的趋势要求100%检查，而许多现存的粗糙度仪器测量速度太慢。如以3000零件/h的速率，在许多生产线上并不过分，这就要求每个零件总的测量、特征获取和数据处理时间不多于1s。这个指标触针式仪器难以达到，只好采用电磁的、光的或电容的方式。而用非接触方法预测Ra的平均误差因子为5,成功地测量Rz却是很难办到的。

2.3 测量表面的单值性

标准中规定表面粗糙度采用“真实”表面来评定，事实上任何测量仪器都不可能得到被测试件的“真实”表面，而只能是它的近似——“有效”表面。所以现在可用的所有仪器产生的表面单值记录。都是一种假象，即它们不可能“看到”再新生的或其它装饰的表面的特征。被测量表面的微观几何形貌在特定的位置，可能对应两个或更多的高度离散值。这也解释了用分形几何描述表面时，将它们看作是自仿射的（单值的），而不是自相似的（多值的）。

实际中，许多表面不是单值的，正如我们从电子微观图上所看到的（遗憾的是不容易测量），如许多加工过程被撕裂成不规则的碎片。在小的尺度上，许多机械表面是多值的，从化学方面的测量推论出：在分子尺度上表面的实际面积是它们的名义面积的许多倍。因为我们缺乏合适的仪器测量，所以遗漏了许多重要的信息q。

3 表征

3.1 软件问题

随着用于粗糙度分析的商用软件包的增加，给在该领域的工作带来了许多问题。显然由于商业的原因，原始数据对使用者已无效，许多内在的疑点被销售人员或其它工作人员所“滤除”，通常最困难的是如何确切地定义和计算某些特殊的参数。更为糟糕的是，如果仪器制造者把数据分析转包给软件商，则他们的程序极有可能与粗糙度标准和文献中所介绍的相悖。

如果使用者采用几个软件包，并比较它们对相同数据集的分析结果，就会发现这些结果极少具有一致性。Stout等试图改变这种状况，建议了一种通用的数据形式对粗糙度进行测量，但还没有得到广泛的实行[4]。当前急需发展一种“软件量规”，采用鲁棒性的数据集，它们的参数是从容易获取的原始数据上建立的，以便“校准”商业软件，同时也对制造者解释和辨别一些异常的结果。

3.2 表征参数

在现行的或修订的国际标准中，采用的是二维测量技术。对于大多数工程表面，正如以前那样，二维技术对粗糙度的测量和表征起着非常合适的作用。从最常用的尺度——依赖参数Ra,可以说明它们的适应性[5]：

. 容易解释；

. 测量时很快收敛到一个稳定值；

. 其数值不依赖于总的测量长度；

. 对如何计算平均中线不太敏感；

. 对单个的高峰或低谷不太敏感；

. 用廉价的仪器也可获得高的评价精度。 然而它也存在一些缺点，如：

. 它不能用于表面镜面反射图像与原始表面具有相同值的表面；

. 由于它是基于平均中线滤波q󰀀所以不适合在接触性能占主要指标的地方使用。

Ra使用轮廓中心的坐标，对偶然的奇异峰或谷的变化不太敏感，具有较小的精度，与它相类似的参数也存在同样的问题。所以文献[5]中推荐使用反映峰谷特性的参数Rvp和Rvk。

进一步的工作将是三维表征参数的研究，从1991年开始以英国Birmingham大学的研究人员为主，在欧洲成立了一个3D分析工作委员会，专门研究3D表面微观形貌的表征参数。并于1994年前后基于14个参数的3D表征集已基本形成[6]，目前在欧洲范围内被广泛使用。上述参数集（有时称为“Birmingham14”）不一定是最理想的参数表征方法，随着时间和实践的考验，有可能将们减少到10个甚至6个，以避免70年代二维表征的“参数爆炸”重演。

目前还有一种不太好的现象，某些工作者开始研究各自的3D参数以满足某些特殊的应用，因此需尽快建立一种监督机制，规范3D表征参数。

3.3 三维表征的两个问题

在3D测量和分析中，有两个重要的方面应予以考虑。第一是对纹理的描述。目前的严格数学描述非常适合于各向同性的表面结构，但大多数加工过程产生的是各向异性表面。在实际应用中，有些各向异性表面，如成形或车削，按垂直于纹理的方向被处理为二维轮廓。有些表面，如磨削，被合理地描述为“长脊形”，并用在两个主方向上的功率谱矩的比率表示。更复杂的结构，诸如端铣或珩磨表面，却不太容易描述，有待于进一步解决。

第二点是随机表面的峰和谷的“连接性”描述。目前的理论，以距平均中线的高度为函数，有可能预测顶点或谷的数目，以及它们的平均尺寸，但是还不容易预测顶点怎样联合在一起形成山脊，或坑如何连接来形成山谷。也就是说，我们有可能知道谷的平均面积，但却不易找到它们联合的最佳路径。根据接触理论，顶点的联合将有助于摩擦的研究，而谷的连接对于润滑和密封是有用的。这方面的工作，在新的ISO 12085:1996中有规定，这对于3D表面结构分析以及表面粗糙度和波纹度的辨识将是十分有利的。

4 结论

随着现代化工业生产的不断发展，对产品的质量提出了越来越高的要求。如既要求产品具有长的和没有“麻烦”的使用寿命，又要利于能源的再利用和环境保护，保证产品的三个阶段，制造——使用——垃圾/再循环，协调发展。

各制造商竞相生产具有鲁棒性的“零缺陷”产品，以增强其市场的竞争能力，对零件表面的物理和几何性能提出了非常苛刻的要求。这迫使仪器制造商生产性能更好、更全面，精度更高的检测设备，而目前的趋势是越来越多地研究和制造三维表面形貌测量仪器。

在3D测量技术中，除了要解决2D中相应的技术外，如基准面、滤波、评定参数等，还有自身的特点，如测量困难、数据采集时间长等。另外关于3D测量的特征获取方式，文献[5]提出了两种：一种是采用在两垂直方向上具有封闭的均匀步距的栅格形式；另一种是使用α-Hull或凸Hull算法获取表面特征点，这样比传统的滤波技术具有较少的数据点。

另外，一些新的表征技术如：分形几何、MOTIF法（图形法）、可视表征、图像处理和特征识别等技术将广泛用于3D表面粗糙度分析。

当然按标准制造快速的、非接触、高精度和自动化的表面特征测量仪器仍然是该领域的重要发展方向

作者单位：李成贵 董 申 哈尔滨工业大学（150001）

参考文献