公差配合與檢測技術(shù) 第5章 表面粗糙度.ppt

第5章表面粗糙度 課前導(dǎo)讀本章從介紹表面粗糙度的概念出發(fā) 討論并分析如何正確選用表面粗糙度參數(shù)及參數(shù)值 以滿足零件的互換性和機(jī)器的使用性能要求 基礎(chǔ)知識表面粗糙度的基本術(shù)語 評定參數(shù)和標(biāo)注方法 重點(diǎn)知識表面粗糙度的評定參數(shù)和參數(shù)值的選擇原則 難點(diǎn)知識類比法選擇表面粗糙度參數(shù)值 5 1概述 表面粗糙度主要是由加工過程中刀具和被加工表面間的摩擦 切削過程中切屑分離時(shí)表層金屬材料的塑性變形以及工藝系統(tǒng)的高頻振動 零件被加工表面上的微觀的幾何形狀誤差稱為表面粗糙度 又稱微觀不平度 表面粗糙度與形狀誤差 宏觀的誤差 和表面波度是有區(qū)別的 通常波距 指相鄰兩波峰或兩波谷之間的距離 小于1mm的屬于表面粗糙度 波距在1 10mm的屬于表面波度 波距大于10mm的屬于形狀誤差 如圖5 1所示 5 1 1表面粗糙度的概念 圖5 1加工誤差示意圖 1 摩擦和磨損方面表面越粗糙 摩擦系數(shù)就大 摩擦阻力也越大 使零件配合面的磨損加劇 2 配合性質(zhì)方面表面粗糙度影響配合性質(zhì)的穩(wěn)定性 對間隙配合 粗糙的表面會因峰尖很快磨損而使間隙逐漸加大 對過盈配合 則因裝配表面的峰頂被擠平 使有效實(shí)際過盈減少 影響聯(lián)結(jié)強(qiáng)度 3 疲勞強(qiáng)度方面表面越粗糙 一般表面微觀不平的凹痕就越深 交變應(yīng)力作用下的應(yīng)力集中就會越嚴(yán)重 越易造成零件抗疲勞強(qiáng)度的降低導(dǎo)致失效 5 1 2表面粗糙度對零件使用性能的影響 4 耐腐蝕性方面粗糙的表面 腐蝕性氣體或液體易于通過表面微觀凹谷滲入到金屬內(nèi)層 造成表面銹蝕 5 接觸剛度方面表面越粗糙 表面間接觸面積就越小 致使單位面積受力就增大 造成峰頂處的局部塑性變形加劇 接觸剛度下降 影響機(jī)器工作精度和平穩(wěn)性 此外 表面粗糙度還影響結(jié)合面的密封性 影響產(chǎn)品的外觀和表面涂層的質(zhì)量等 本課小結(jié) 表面粗糙度是指零件被加工表面上的微觀幾何形狀誤差 它不同于表面宏觀幾何形狀誤差以及表面波度 表面粗糙度影響零件的使用性能 5 2表面粗糙度國家標(biāo)準(zhǔn)5 2 1取樣長度l 取樣長度是指用于判別被評定輪廓的不規(guī)則特征的一段長度 圖5 2取樣長度和評定長度 表5 1取樣長度與評定長度的選用值 摘自GB1031 1995 取樣長度應(yīng)與表面粗糙度的要求相適應(yīng) 表5 1 取樣長度過短 不能反映表面粗糙度的實(shí)際情況 取樣長度過長 表面粗糙度的測量值又會把表面波度的成分包括進(jìn)去 在取樣長度范圍內(nèi) 一般應(yīng)包含5個(gè)以上的輪廓峰和輪廓谷 5 2 2評定長度 評定長度是指用于判別被評定輪廓表面粗糙度所必須的一段長度 如圖5 2所示 為了充分合理地反映表面的特性 通常取幾個(gè)取樣長度來評定表面粗糙度 一般 5l 5 2 3基準(zhǔn)線用以測量或評定表面粗糙度數(shù)值大小的一條參考線稱為基準(zhǔn)線 基準(zhǔn)線通常有輪廓最小二乘中線和輪廓算術(shù)平均中線兩種 1 輪廓最小二乘中線 簡稱中線 在取樣長度范圍內(nèi) 實(shí)際被測輪廓線上的各點(diǎn)至一條假想線的距離的平方和為最小 即 Min 這條假想線就是最小二乘中線 圖5 3a中的和 圖5 3輪廓中線 2 輪廓算術(shù)平均中線 在輪廓圖形上確定最小二乘中線的位置比較困難 在實(shí)際工作中可用算術(shù)平均中線代替最小二乘中線 兩者相差不大 在取樣長度內(nèi) 由一條假想線將實(shí)際輪廓分成上 下兩部分 而且使上部分面積之和等于下部分面積之和 即 這條假想線就是輪廓算術(shù)平均中線 圖5 3b中的和 5 2 4評定參數(shù) 1 高度特征參數(shù) 主參數(shù) 1 輪廓算術(shù)平均偏差在取樣長度內(nèi) 被測表面輪廓上各點(diǎn)至基準(zhǔn)線距離Yi的絕對值的平均值 圖5 4 式中 y x 表面輪廓上點(diǎn)到基準(zhǔn)線的距離 yi 表面輪廓上第i個(gè)點(diǎn)到基準(zhǔn)線的距離 l 取樣長度 n 取樣數(shù) 公式表示為 或近似為 圖5 4輪廓算術(shù)平均偏差 輪廓算術(shù)平均偏差較全面地反映表面粗糙度的高度特征 概念清楚 檢測方便 為當(dāng)前世界各國普遍采用 2 微觀不平度十點(diǎn)高度 在取樣長度內(nèi) 被測實(shí)際輪廓上5個(gè)最大輪廓峰高的平均值與5個(gè)最大輪廓谷深的平均值之和 圖5 5 式中 Ypi 第i個(gè)最大輪廓峰高 Yvi 第i個(gè)最大輪廓谷深 谷深不取成負(fù)值 3 輪廓最大高度 在取樣長度內(nèi) 輪廓的峰頂線與輪廓谷底線之間的距離 圖6 8 公式表示為 輪廓峰頂線和輪廓谷底線 分別指在取樣長度l內(nèi) 平行于基準(zhǔn)線且通過輪廓最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的直線 圖5 5高度特征參數(shù) 公式表示為 2 間距特征參數(shù) 附加參數(shù) 1 輪廓微觀不平度的平均間距在取樣長度內(nèi)輪廓微觀不平度間距的平均值 圖5 6 所謂輪廓微觀不平度的間距Smi是指輪廓峰和相鄰的輪廓谷在中線上的一段長度 2 輪廓的單峰平均間距S在取樣長度內(nèi)輪廓的單峰間距的算術(shù)平均值 圖6 9 所謂輪廓單峰間距Si是指兩相鄰單峰的最高點(diǎn)之間距離投影在中線上的長度 圖5 6輪廓間距參數(shù) 式中 n 輪廓單峰的個(gè)數(shù) 第i個(gè)輪廓單峰間距 3 形狀特征參數(shù) 附加參數(shù) 輪廓的支承長度率在取樣長度內(nèi) 一平行于基準(zhǔn)線的直線從峰頂線向下移到某一水平位置時(shí) 與輪廓相截所得到的各段截線長度bi之和與取樣長度l之比 如圖5 7所示 圖5 7輪廓支承長度 4 表面粗糙度國家標(biāo)準(zhǔn) 表面粗糙度的評定參數(shù)值已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參數(shù)值系列選取 國家標(biāo)準(zhǔn)GB1031 1995要求優(yōu)先選用基本系列值 表5 2輪廓算術(shù)平均偏差Ra的數(shù)值 m 本課小結(jié) 用以測量或評定表面粗糙度數(shù)值大小的基準(zhǔn)線有輪廓最小二乘中線和輪廓算術(shù)平均中線 國家標(biāo)準(zhǔn)中 輪廓算術(shù)平均偏差Ra 微觀不平度十點(diǎn)高度Rz 輪廓最大高度Ry的定義 及它們?nèi)叩臏y量特點(diǎn) 表面粗糙度數(shù)值已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化 5 3 1表面粗糙度參數(shù)的選擇 首先滿足使用性能要求 其次兼顧經(jīng)濟(jì)性 即 在滿足使用要求的前題下 盡可能降低表面粗糙度要求 放大表面粗糙度允許值 對大多數(shù)表面來說 給出高度特征評定參數(shù)即可反映被測表面粗糙度的特征 附加參數(shù)只在高度特征參數(shù)不能滿足表面功能要求時(shí) 才附加選用 在常用的參數(shù)值范圍 Ra為0 025 6 3 m Rz為0 100 25 m 內(nèi) 國家標(biāo)準(zhǔn)推薦優(yōu)先選用 5 3表面粗糙度參數(shù)及其參數(shù)值的選用 選擇表面粗糙度參數(shù)時(shí)就注意 1 對于光滑表面和半光滑表面 一般采用Ra作為評定參數(shù) Ra值反映實(shí)際輪廓微觀幾何形狀特性的信息量大 而且Ra值用觸針式電動輪廓儀測量比較容易 2 對于極光滑和極粗糙表面 宜采用Rz作為評定參數(shù) Rz值通常用非接觸式的光切顯微鏡測量 但Rz不如Ra對表面微觀幾何形狀特征反映的全面 3 對不允許出現(xiàn)較大加工痕跡和受交變應(yīng)力作用的表面 應(yīng)采用Ry作為評定參數(shù) Ry概念簡單 測量簡便 但Ry不如Ra或Rz反映全面 因此對于狹小表面 Ry具有實(shí)際意義 另外可按實(shí)際情況 Ry與Ra或Rz聯(lián)用 綜合控制表面粗糙度 4 對密封性要求高的表面 可使用間距特性參數(shù)Sm和S 5 對耐磨性要求高的表面可規(guī)定tp 具體選用時(shí)多用類比法來確定粗糙度的參數(shù)值 按類比法選擇表面粗糙度參數(shù)值時(shí) 可先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)資料初步選定表面粗糙度參數(shù)值 然后再對比工作條件作適當(dāng)調(diào)整 調(diào)整時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn) 1 同一零件上 工作表面的粗糙度值應(yīng)比非工作表面小 2 摩擦表面的粗糙度值應(yīng)比非摩擦表面小 對有相對運(yùn)動的工件表面 運(yùn)動速度愈高 其粗糙度值也應(yīng)愈小 3 單位面積壓力大或受交變應(yīng)力作用的重要零件的圓角 溝槽表面粗糙度值應(yīng)選小值 4 配合性質(zhì)要求越穩(wěn)定 表面粗糙度值應(yīng)越小 配合性質(zhì)相同時(shí) 尺寸愈小的結(jié)合面 表面粗糙度值也應(yīng)越小 同一精度等級 小尺寸比大尺寸 軸比孔的表面粗糙度值要小 5 有防腐蝕 密封性要求和外表美觀的表面 其表面粗糙度參數(shù)值應(yīng)小 5 3 2表面粗糙度參數(shù)值的選擇 6 表面粗糙度值應(yīng)與尺寸公差 形位公差相適應(yīng) 通常 零件的尺寸公差 形位公差要求高時(shí) 表面粗糙度值應(yīng)較 表5 4列出了表面粗糙度參數(shù)值與尺寸公差的關(guān)系 供設(shè)計(jì)時(shí)參考 7 遇到已有專門標(biāo)準(zhǔn)對表面粗糙度作出要求的 例如齒輪齒面的表面粗糙度 應(yīng)按專門標(biāo)準(zhǔn)來確定各典型表面的表面粗糙度參數(shù)值 表5 4表面粗糙度參數(shù)值與尺寸公差的關(guān)系 選擇表面粗糙度總的原則是 首先滿足使用性能要求 其次兼顧經(jīng)濟(jì)性 即 在滿足使用要求的前題下 盡可能降低表面粗糙度要求 放大表面粗糙度允許值 選擇表面粗糙度一般采用經(jīng)驗(yàn)類比法 本課小結(jié) 5 4 1表面粗糙度符號 5 4表面粗糙度代號及其標(biāo)注方法 表面粗糙度的符號有三種形式 見表5 7 5 4 2表面粗糙度的代號 表面粗糙度的代號由表面粗糙度符號和表面粗糙度參數(shù)字母代號及數(shù)值和各種有關(guān)規(guī)定注寫內(nèi)容組成 見表格 8 表5 9列出了表面粗糙度的代號標(biāo)注示例 在標(biāo)注表面粗糙度的代號時(shí) 要注意加工方法 表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值的上限值 下限值 和最大值 最小值 加工紋理方向 取樣長度等的正確注寫 5 4 3表面粗糙度代號的標(biāo)注示例 表5 9表面粗糙度的代號標(biāo)注示例 1 表面粗糙度代號一般標(biāo)注在可見輪廓線 尺寸界線 引出線或它們的延長線上 符號的尖端必須從材料外指向表面 2 表面粗糙度的代號中數(shù)字書寫的方向必須按機(jī)械制圖中尺寸標(biāo)注的規(guī)定 注意尺寸標(biāo)注的 30 禁區(qū)內(nèi)應(yīng)使用引線引出后標(biāo)注 3 重復(fù)要素的表面 齒輪齒面 花鍵鍵槽表面 表面粗糙度的代號只標(biāo)注一次 4 表面粗糙度的 其余 代號標(biāo)注在圖樣的右上角 5 4 4表面粗糙度在零件圖中的標(biāo)注注意事項(xiàng) 5 4 5表面粗糙度代 符 號在圖樣上的標(biāo)注實(shí)例 表面粗糙度代 符 號應(yīng)注在可見輪廓線 尺寸界線或其延長線上 符號的尖端必須從材料外指向被注表面 數(shù)字及符號的注寫方向必須與尺寸數(shù)字方向一致 圖5 10表面粗糙度代號注法 圖5 11表面粗糙度標(biāo)注示例 圖5 12中心孔 圓角 倒角的表面粗糙度標(biāo)注示例 圖5 7所示為一減速箱中的輸出軸 表面粗糙度的要求均已標(biāo)注齊全 讀圖時(shí)注意以下幾點(diǎn) 1 兩個(gè)軸頸 55j6與滾動軸承配合 參照表5 2 表5 5 表5 6及表7 7 見第七章 應(yīng)選取Ra 0 8 m 圖中取Ra為0 8 m 2 55r6和 45m6分別與齒輪和帶輪相配合 參照表5 2 表5 5 表5 6 應(yīng)選取Ra 1 6 m 圖中取Ra為1 6 m 3 62mm的左右兩軸肩為止推面 分別對齒輪和滾動軸承起定位作用 參照表5 2 表5 5 表5 6及表7 7 應(yīng)選取Ra 3 2 m 圖中取Ra為3 2 m 4 鍵槽兩側(cè)面一般是銑削加工 其精度較低 故選Ra為3 2 m 5 軸上其它非配合表面 如端面 鍵槽底面 52mm圓柱面等處 均屬不太重要的表面 故選取Ra為6 3 m 本課小結(jié) 國標(biāo)規(guī)定了表面粗糙度符號 代號的特殊意義 表面粗糙度代 符 號在圖樣上的標(biāo)注必須規(guī)范化 5 5表面粗糙度的檢測1 比較法 比較法是指將被測表面與已知高度特征參數(shù)值的粗糙度樣板相比較 從而判斷表面粗糙度的一種檢測方法 比較法簡單易行 適于在車間使用 缺點(diǎn)是評定結(jié)果的可靠性很大程度上取決于檢測人員的經(jīng)驗(yàn) 比較法僅適用于評定表面粗糙度要求不高的工件 比較時(shí) 可用肉眼觀察 手動觸摸 也可借助顯微鏡 放大鏡 所用粗糙度樣板的材料 形狀及加工方法應(yīng)盡可能與被測表面一致 2 光切法 光切法是指利用光切原理來測量表面粗糙度的一種方法 常用的測量儀器是光切顯微鏡 又稱雙管顯微鏡 圖5 13雙管顯微鏡 光切法的基本原理 光切顯微鏡由兩個(gè)鏡管組成 右為投射照明管 左為觀察管 兩個(gè)鏡管軸線成90 照明管中光源1發(fā)出的光線經(jīng)過聚光鏡2 光闌3及物鏡4后 形成一束平行光帶 這束平行光帶以45 的傾角投射到被測表面 光帶在粗糙不平的波峰S1和波谷S2處產(chǎn)生反射 S1和S2經(jīng)觀察管的物鏡4后分別成像于分劃板5的S1 和S2 若被測表面微觀不平度高度為h 輪廓峰 谷S1與S2在45 截面上的距離為h1 S1 與S2 之間的距離h1 是h1經(jīng)物鏡后的放大像 若測得h1 便可求出表面微觀不平度高度h K 物鏡的放大倍數(shù) 圖5 14光切顯微鏡測量原理 光切顯微鏡主要用于測定Rz和Ry 測量范圍一般為0 8 100 m 3 干涉法 干涉法是指利用光學(xué)干涉原理來測量表面粗糙度的一種方法 常用儀器是干涉顯微鏡 干涉原理 光源1發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡2和反光鏡3轉(zhuǎn)向 通過光闌4 5 聚光鏡6投射到分光鏡7上 通過分光鏡7的半透半反膜后分成兩束 一束光透過分光鏡7 經(jīng)補(bǔ)償鏡8 物鏡9射至被測表面P2 再由P2反射經(jīng)原光路返回 再經(jīng)分光鏡7反射向目鏡14 另一束光經(jīng)分光鏡7反射 經(jīng)濾光片17 物鏡10射至參考鏡P1 再由P1反射回來 透過分光鏡射向目鏡14 兩束光在目鏡14的焦平面上相遇疊加 由于被測表面粗糙不平 所以這兩路光束相遇后形成與其相應(yīng)的起伏不平的干涉條紋 如圖5 17所示 圖5 166JA型干涉顯微鏡外形圖 圖5 176JA型干涉顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)圖 圖5 18干涉條紋 干涉法主要用于測量表面粗糙度的Rz和Ry值 其測量范圍通常為0 05 0 8 m 干涉法不適于測量非規(guī)則表面 如磨 研磨等 的Sm 4 針描法 針描法是利用儀器的測針與被測表面相接觸 并使測針沿被測表面輕輕滑動來測量表面粗糙度的一種方法 又稱輪廓法 電動輪廓儀就是針描法測定表面粗糙度的常用儀器 國產(chǎn)BCJ 2型電動輪廓儀外形如圖5 19 圖5 19 國產(chǎn)BCJ 2型電動輪廓儀測量原理 將被測工件1放在工作臺6的定位塊7上 調(diào)整工件 或驅(qū)動箱4 的傾斜度 使工件被測表面平行于傳感器3的滑行方向 調(diào)整傳感器及觸針2的高度 使觸針與被測表面適當(dāng)接觸 啟動電動機(jī) 使傳感器帶動觸針在工件被測表面滑行 由于被測表面有微小的峰谷 使觸針在滑行的同時(shí)還沿輪廓的垂直方向