《互換性與技術測量》課件-第5章

第5章表面粗糙度

5.1概述

5.2表面粗糙度的評定參數

5.3表面粗糙度的標注

5.4表面粗糙度的選擇

5.5表面粗糙度的測量 5.1概述5.1.1表面結構表面結構是反映表面工作性能和工作壽命的指標,包括表面粗糙度、表面波紋度、表面缺陷和宏觀表面幾何形狀誤差等表面特性。不同的表面質量要求應采用表面結構的不同特性的指標來保證。表面結構的研究是在表面輪廓上進行的。表面輪廓是指平面與實際表面相交的輪廓。一般用垂直于零件實際表面的平面與該零件實際表面相交所得的輪廓線作為表面輪廓(即實際輪廓),如圖5－1所示。圖5－1表面輪廓經過機械加工的零件表面,由于加工過程中刀具和零件間的摩擦及擠壓,切削過程中切屑分離時的塑性變形,加工過程中由機床—刀具—工件系統(tǒng)的振動、發(fā)熱和運動不平衡等因素的存在,因此零件的表面不可能是絕對光滑的,在零件加工表面存在幾何形狀誤差。這種幾何形狀誤差可分為三種誤差:表面粗糙度、表面波紋度和表面宏觀幾何形狀誤差。劃分這三種誤差目前沒有統(tǒng)一的標準,通常按波距λ來劃分:波距λ大于10的屬于表面宏觀幾何形狀誤差,如圖5－1中①所示;波距λ介于1～10之間的屬于表面波紋度,如圖5－1中②所示;波距λ小于1的屬于表面粗糙度,如圖5－1中③所示。除此以外,還有一種表面幾何形狀誤差——表面缺陷,是指零件在加工、運輸、存儲或使用過程中產生的無一定規(guī)則的單元體。目前國家標準尚沒有表面缺陷在圖樣上的表示方法的規(guī)定,通常用文字敘述的方式進行說明。由于表面波紋度和表面缺陷目前應用較少,因此本章主要介紹表面粗糙度的相關內容。5.1.2表面粗糙度的概念零件表面的微觀幾何形狀是由較小間距和微小峰谷形成的,表述這些間距狀況和峰谷的高低程度的微觀幾何形狀特征即為表面粗糙度。表面粗糙度越小,零件表面越光潔。5.1.3表面粗糙度對零件使用性能的影響表面粗糙度直接影響產品的質量,對零件表面的許多功能有很大影響。其影響主要表現在以下幾個方面:

1.對配合性質的影響對于有配合要求的零件表面,由于相對運動會導致微小的波峰磨損,因此會影響配合性質。對于間隙配合,零件粗糙表面的波峰會很快磨去,導致間隙增大,影響原有的配合功能;對于過盈配合,在裝配時會將波峰擠平填入波谷,使實際有效過盈量減小,降低了聯(lián)結強度;對于有定位或導向要求的過渡配合,也會在使用和拆裝過程中發(fā)生磨損,使配合變松,降低了定位和導向的精度。

2.對耐磨性的影響相互接觸的表面由于存在微觀幾何形狀誤差,只能在輪廓峰頂處接觸,實際有效接觸面積減小,導致單位面積上壓力增大,表面磨損加劇;但在某些場合(如滑動軸承及液壓導軌面的配合處),過于光滑的表面即表面粗糙度過小的零件表面,由于金屬分子間的吸附作用,接觸表面的潤滑油被擠掉而形成干摩擦,也會使摩擦系數增大而加劇磨損。

3.對耐腐蝕性的影響由于腐蝕性氣體或液體容易積存在波谷底部,腐蝕作用便從波谷向金屬零件內部深入,造成銹蝕,因此零件表面越粗糙,波谷越深,腐蝕越嚴重。4.對抗疲勞強度的影響零件粗糙表面的波谷處,在交變載荷、重載荷作用下易引起應力集中,使抗疲勞強度降低。此外,表面粗糙度對接觸剛度、結合面的密封性、零件的外觀、零件表面導電性等都有影響,因此為保證零件的使用性能,在設計零件幾何精度時必須提出合理的表面粗糙度要求。5.2表面粗糙度的評定參數

《表面粗糙度》標準是最重要的基礎標準之一,在機械工程中具有相當重要的作用。我國根據ISO4287:1997,IDT和ISO1302:2002,IDT制定了有關表面粗糙度的新國家標準,以盡可能地使國家標準與國際標準等同或等效。其主要標準有:

GB/T3505—2009《產品幾何技術規(guī)范(GPS)表面結構輪廓法術語、定義及表面結構參數》;

GB/T1031—2009《產品幾何技術規(guī)范(GPS)表面結構輪廓法表面粗糙度參數及其數值》;

GB/T131—2006《產品幾何技術規(guī)范(GPS)技術產品文件中表面結構的表示法》等。5.2.1基本術語及定義

1.取樣長度取樣長度是用于判別被評定輪廓的不規(guī)則特征的x軸方向(x軸的方向與輪廓總的走向一致)上的長度,即具有表面粗糙度特征的一段基準線長度。規(guī)定和限制這段長度是為了限制和減弱表面波紋度對表面粗糙度測量結果的影響。為了在測量范圍內較好地反映表面粗糙度的實際情況,標準規(guī)定取樣長度按表面粗糙度的程度選取相應的數值。在一個取樣長度內,一般應包括至少5個輪廓峰和輪廓谷,如圖5－2所示。圖5－2取樣長度和評定長度2.評定長度（ln）

評定長度是用于判別被評定輪廓的x軸方向上的長度。它可包括一個或幾個取樣長度，如圖5-2所示。由于零件表面粗糙度不一定均勻，在一個取樣長度上往往不能合理地反映該表面粗糙度的特性，因此要取幾個連續(xù)取樣長度，一般取ln=5lr。若被測表面比較均勻，可選

ln＜5lr；若被測表面均勻性差或測量精度要求高，可選

ln

＞5lr。3.中線中線是指具有幾何輪廓形狀并劃分輪廓的基準線。評定輪廓表面粗糙度的中線有以下兩種。

1）輪廓的最小二乘中線（簡稱中線）輪廓的最小二乘中線是指在取樣長度內，使輪廓線上各點輪廓偏距zi

的平方和最小的線，即min()，如圖5-3所示。輪廓偏距z是指測量方向上,輪廓線上的點與基準線之間的距離。對實際輪廓來說,基準線和評定長度內輪廓總的走向之間的夾角是很小的,故可認為輪廓偏距是垂直于基準線的。輪廓偏距有正、負之分:在基準線以上,輪廓線和基準線所包圍的部分是材料的實體部分,這部分的z值為正;反之為負。圖5-3輪廓的最小二乘中線

2)輪廓的算術平均中線輪廓的算術平均中線是指在取樣長度內將實際輪廓分為上、下兩部分,且使兩部分面積相等的基準線,如圖5－4所示,用公式表示為(5－1)式中:Fi——輪廓峰面積;Fi′——輪廓谷面積。最小二乘中線從理論上講是理想的、唯一的基準線,但在輪廓圖形上確定最小二乘中線的位置比較困難,因此只用于精確測量。輪廓的算術平均中線與最小二乘中線差別很小,通常用圖解法或目測法就可以確定,故實際應用中常用輪廓的算術平均中線代替最小二乘中線。當輪廓很不規(guī)則時,輪廓的算術平均中線不唯一。圖5－4輪廓的算術平均中線4.輪廓峰輪廓峰是指在取樣長度內,輪廓與中線相交,連接兩相鄰交點向外的輪廓部分。輪廓最高點距x軸線的距離稱為輪廓峰高,用符號zp表示,如圖5－5所示。

5.輪廓谷輪廓谷是指在取樣長度內,輪廓與中線相交,連接兩相鄰交點向內的輪廓部分。輪廓最低點距x軸線的距離稱為輪廓谷深,用符號zv表示,如圖5－5所示。

6.輪廓單元輪廓單元是指輪廓峰與輪廓谷的組合。

x軸線與輪廓單元相交線段的長度稱為輪廓單元的寬度,用符號Xs表示,如圖5－5所示。一個輪廓單元的輪廓峰高與輪廓谷深之和稱為輪廓單元的高度,用符號zt表示,如圖5－5所示。圖5－5輪廓單元5.2.2評定參數

1.幅度參數

1）輪廓算術平均偏差（Ra）輪廓算術平均偏差是指在一個取樣長度內,輪廓偏距z(x)絕對值的算術平均值，如圖5-6所示，用公式表示為

或近似為

式中:z——輪廓偏距；

zi——第i點輪廓偏距（i=1，2，3,…）。(5-2)(5-3)圖5-6輪廓算術平均偏差2)輪廓最大高度(Rz)輪廓最大高度是指在一個取樣長度內,最大輪廓峰高(Rp)與最大輪廓谷深(Rv)之和的高度(其公差表詳見附表5－2),如圖5－7所示,用公式表示為(5－4)圖5-7輪廓最大高度2.間距參數

輪廓單元的平均寬度(RSm)：在取樣長度內，輪廓單元寬度XS

的平均值，用公式表示為

式中,XSi——第i

個輪廓微觀不平度的間距。(5-5)圖5-8輪廓單元寬度3.曲線和相關參數輪廓的支承長度率(Rmr(c))為在給定水平位置c上,輪廓的實體材料長度Ml(c)與評定長度ln的比率(如圖5－9所示)。(5-6)

Rmr(c)值是對應于輪廓水平截距c而給出的,水平截距c值可用μm或Rz的百分數表示(其公差表詳見附表5－4)。給出Rmr(c)參數時,必須同時給出輪廓水平截距c值。圖5-9輪廓支承長度5.3表面粗糙度的標注

5.3.1表面粗糙度的基本符號表面粗糙度的基本符號是由兩條不等長且與被標注表面投影輪廓線成60°,左、右傾斜的細實線組成的。表面粗糙度的符號及其意義見表5－1。表5-1表面粗糙度的符號（摘自GB/T131-2006）

1.表面粗糙度符號圖樣上所標注的表面粗糙度符號是該表面完工后的要求。有關表面粗糙度的各項規(guī)定應按功能要求給定。當僅需加工(采用去除材料的方法或不去除材料的方法)但對表面粗糙度的其他規(guī)定沒有要求時,允許只注表面粗糙度符號。當需要表示的加工表面對表面特征的其他規(guī)定有要求時,應在表面粗糙度符號的相應位置注上若干必要項目的表面特征規(guī)定。表面特征的各項規(guī)定在符號中的注寫位置如圖5－10所示。圖5－10表面粗糙度的符號標注位置(1)位置a:注寫表面粗糙度的單一要求,包括取樣長度、表面粗糙度參數符號和極限值。書寫方式為“取樣長度/表面粗糙度參數符號極限值”,如:-0.8/Rz6.3。

(2)位置a和b:當注寫兩個或多個表面粗糙度要求時,在位置a上注寫第一個表面粗糙度要求,在位置b上注寫第二個表面粗糙度要求,方法同(1)。如果有更多要求,圖形符號應在垂直方向擴大,a和b的位置上移,其他表面粗糙度要求依次向下寫。

(3)位置c:注寫加工方法、表面處理、涂層或其他工藝要求。

(4)位置d:注寫表面紋理和紋理方向。

(5)位置e:注寫所要求的加工余量,其數值單位為mm。

2.表面粗糙度參數的標注表面粗糙度評定參數標注時,必須注出參數代號和相應數值,數值的默認單位為μm,數值判斷的規(guī)則有兩種:(1)16%規(guī)則:表示表面粗糙度參數的所有實測值中允許16%測得值超過規(guī)定值,此為默認規(guī)則;(2)最大規(guī)則:表示表面粗糙度參數的所有實測值不得超過規(guī)定值,參數代號中應加上“max”。表面粗糙度參數如果有極限值的要求,應在參數代號前加注極限代號“U”(上極限)或“L”(下極限)。如果同一參數具有雙向極限值要求,則在不引起歧義的情況下,可以不加注“U”、“L”。上、下極限采用何種數值規(guī)則由標注具體決定。表5－2表面粗糙度參數標注示例(摘自GB/T131—2006)

3.其他表面粗糙度要求的標注若某表面粗糙度要求按指定加工方法獲得,則可用文字標注在符號的橫線上方,如圖5－11(a)所示。若加工表面有鍍(涂)覆或其他表面處理要求,則可在符號的橫線上方標注其需要達到的要求,如圖5－11(b)所示。若需標注加工余量,則可在完整符號的左下方加注余量值,單位為mm,如圖5－11(c)所示。若需控制表面加工紋理方向,則可在規(guī)定之處加注紋理方向符號,如圖5－11(d)所示。國家標準規(guī)定了常見的加工紋理方向符號,見表5－3。圖5－11表面粗糙度的其他要求標注5.3.2表面粗糙度在圖樣上的標注表面粗糙度符號一般可標注在輪廓線、指引線、尺寸線、幾何公差框格或延長線上,其注寫和讀取方向與尺寸的注寫和讀取方向一致。一般對每一表面只標注一次,并盡可能注在相應的尺寸及其公差的同一視圖上。除非另有說明,所標注的表面粗糙度是對完工零件的要求。

1.表面粗糙度的一般注法表面粗糙度要求可標注在輪廓線上,其符號的尖端應從材料外指向材料內并接觸,必要時,也可用帶箭頭或黑點的指引線引出標注,如圖5－12所示。圖5－12在輪廓線及指引線上的標注1圖5－13在輪廓線及指引線上的標注2

2.表面粗糙度標注在特征尺寸的尺寸線上在不致引起誤解時,表面粗糙度可以標注在給定的尺寸線上,如圖5－14所示。圖5－14在尺寸線上標注圖5－15在幾何公差框格上標注

4.表面粗糙度標注在圓柱和棱柱表面一般情況下,圓柱和棱柱表面的表面粗糙度要求只標注一次,但如果每個棱柱表面有不同的要求,則應分別標注,如圖5－16所示。圖5－16在圓柱和棱柱表面上的標注

5.兩種或多種工藝獲得的同一表面的注法由兩種或多種工藝獲得的同一表面,當需要明確每一種工藝方法的表面粗糙度要求時,可分別標注,如圖5－17所示。圖5－17同時給出鍍覆前后要求的標注

6.表面粗糙度的簡化標注

1)有相同表面粗糙度要求如果工件的多數(包括全部)表面有相同的表面粗糙度要求,則其表面粗糙度可統(tǒng)一標注在圖樣的標題欄附近。此時,表面粗糙度符號后面應有以下幾項:(1)圓括號內給出無任何其他標注的基本符號,如圖5－18(a)所示;(2)圓括號內給出不同表面粗糙度要求的符號,如圖5－18(b)所示。圖5－18簡化標注1

2)多個表面有相同表面粗糙度要求當多個表面有相同表面粗糙度要求時,可以用帶字母的完整符號或用表5－1中的基本圖形符號、擴展圖形符號進行簡化標注,并在圖形或標題欄附近以等式的形式進行說明,如圖5－19所示。圖5－19簡化標注2

圖1－3為一減速器輸出軸表面粗糙度的標注實例,圖中兩軸頸?55j6與P0級滾動軸承內圈相配合,配合精度要求很高,故相應表面粗糙度Ra選0.8μm;兩個有鍵槽的圓柱面中,左邊小圓柱面與帶輪配合,右邊大圓柱面與齒輪配合,其配合精度要求較高,故相應表面粗糙度Ra選1.6μm;兩軸槽與鍵的兩側面配合,配合精度要求一般,故表面粗糙度參數Ra選3.2μm;其余未標注表面的表面粗糙度Ra選6.3μm。5.4表面粗糙度的選擇

5.4.1表面粗糙度評定參數的選擇

表面粗糙度評定參數中，Ra、Rz

兩個幅度參數為基本參數，RSm、Rmr(c)為兩個附加參數。這些參數分別從不同角度反映了零件的表面特征，但都存在著不同程度的不完整性。因此，在選用時要根據零件的功能要求、材料性能、結構特點及測量條件等情況適當選擇一個或幾個評定參數。(1)如無特殊要求，一般僅選用幅度參數。①在Ra=0.025～6.3μｍ范圍內，優(yōu)先選用Ra，因為在該范圍內用輪廓儀能很方便地測出Ra

的實際值。在

Ra

＞6.3μｍ和Ra＜0.025μｍ范圍內，即表面過于粗糙或太光滑時，用光切顯微鏡和干涉顯微鏡測很方便，多采用Rz。②當表面不允許出現較深加工痕跡，防止應力過于集中，要求保證零件的抗疲勞強度和密封性時，需選Rz

。(2)附加參數一般不單獨使用，對有特殊要求的少數零件的重要表面（如要求噴涂均勻、涂層有較好的附著性和光澤表面），需要控制Rsm

數值；對于有較高支撐剛度和耐磨性的表面，應規(guī)定Rmr(c)參數。5.4.2表面粗糙度評定參數值的選擇表面粗糙度評定參數值的選擇，不但與零件的使用性能有關，還與零件的制造及經濟性有關。其選用的原則為：在滿足零件表面功能的前提下，評定參數的允許值盡可能大（除Rmr(c)外），以減小加工難度，降低生產成本。1.選擇方法

(1)計算法：根據零件的功能要求，計算所評定參數的要求值，然后按標準規(guī)定選擇適當的理論值。

(2)試驗法：根據零件的功能要求及工作環(huán)境條件，選用某些表面粗糙度參數的允許值進行試驗，根據試驗結果，得到合理的表面粗糙度參數值。(3)類比法：選擇一些經過實驗證明的表面粗糙度合理的數值，經過分析，確定所設計零件表面粗糙度有關參數的允許值。目前用計算法精確計算零件表面的參數值還比較困難，而一般零件用試驗法來確定表面粗糙度參數值成本昂貴，所以，具體設計時，多采用類比法確定零件表面的評定參數值。

2.類比法選擇的一般原則

(1)在同一零件上工作表面比非工作表面粗糙度值小。(2)摩擦表面比非摩擦表面、滾動摩擦表面比滑動摩擦表面的表面粗糙度值小。

(3)運動速度高、單位面積壓力大、受交變載荷的零件表面，以及最易產生應力集中的部位（如溝槽、圓角、臺肩等），表面粗糙度值均應小些。

(4)配合要求高的表面，表面粗糙度值應小些。具體選擇可參看表5-4。(5）對防腐性能、密封性能要求高的表面，表面粗糙度值應小些。

(6）配合零件表面的粗糙度與尺寸公差、形位公差應協(xié)調。一般應符合：尺寸公差>形位公差＞表面粗糙度。一般情況下，尺寸公差值越小，表面粗糙度值應越?。煌还畹燃?，小尺寸比大尺寸、軸比孔的表面粗糙度值應小些。如表5-5.(7）還需考慮其它一些因素和要求，表5-6為應用舉例，可供參考。5.5表面粗糙度的測量

常用的表面粗糙度的測量方法有比較法、光切法、光波干涉法和針描法。這些方法基本上用于測量表面粗糙度的幅度參數。5.5.1比較法比較法是將被測零件表面與粗糙度樣板直接進行比較的一種測量方法。它可以通過視覺、觸覺或借助放大鏡、比較顯微鏡,估計出表面粗糙度的值。這種方法廣泛應用于生產實踐中,評定各種機械加工(鉆削、車削、銑削、磨削、刨削等)和電加工(線切割、電火花等)的低、中與較高精度的加工表面的粗糙度參數值。5.5.2光切法光切法是利用光切原理，即光的反射原理測量表面粗糙的一種方法。常用的儀器是光切顯微鏡（雙管顯微鏡），該儀器適宜測量車、銑、刨或其他類似加工方法所加工的零件平面或外園表面。主要用來測量粗糙度參數Rz的值，其測量范圍為0.8～80μm。5.5.2光切法光切法是利用光切原理,即光的反射原理測量表面粗糙度的一種方法。常用的儀器是光切顯微鏡(雙管顯微鏡),該儀器適宜測量車、