第13章表面粗糙度(252-264)

1、第13章 表面粗糙度及其檢測 本 章 要 點表面粗糙度的基本概念，表面粗糙度的平定指標，表面粗糙度的選用方法及表面粗糙度的檢測方法。 13.1 表面粗糙度及其評定 基本概念用機械加工方法或利用其他方法獲得的零件表面，總會存在著由較小間距和微小峰谷所組成的微量高低不平的痕跡，表述這些峰谷的高低程度和間距狀況的微觀幾何形狀特征的術語稱為表面粗糙度。表面粗糙度主要是在加工過程中由刀具與被加工表面的摩擦、切削分離時表面金屬層的塑性變形及工藝系統(tǒng)的高頻振動等原因形成的。表面粗糙度屬于微觀幾何形狀誤差。事實上，加工后的零件表面并不是完全理想的平面，其截面輪廓形狀由表面粗糙度、表面波度和形狀誤差疊加而成，如

2、圖13-1所示。目前，還沒有劃分上述三種誤差的統(tǒng)一標準，通?？砂聪噜弮刹ǚ寤騼刹ü戎g的距離波距R的大小來劃分：R1mm的屬于表面粗糙度(微觀幾何形狀誤差)；R1mm10mm呈周期性變化的屬于表面波度(中間幾何形狀誤差)；R10mm且無明顯周期性變化的屬于形狀誤差(宏觀幾何形狀誤差)。圖13-1 零件的表面輪廓形狀表面粗糙度影響零件的使用性能，主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）對配合性質的影響 對于間隙配合，粗糙表面易磨損。孔、軸相對運動時，因配合表面間的有效接觸面積小，單位壓力大而會很快磨損，從而使配合間隙增大，引起配合性質的改變。對于過盈配合，在零件裝配壓人過程中，會使表面微觀凸峰擠平而填人凹谷

3、，減少了實際有效過盈，降低了連接強度。（2）對摩擦磨損的影響 表面愈粗糙，摩擦系數(shù)就愈大，且兩配合表面的實際有效接觸面積也愈小，造成單位面積壓力愈大，故表面更易磨損。但表面過于光滑，不利于貯存潤滑油，易使工件表面形成半干摩擦或干摩擦，有時還會增加工件接觸面的吸附力，反而使摩擦系數(shù)增大，加劇磨損。（3）對耐腐蝕性的影響 粗糙表面的凹谷處容易積聚腐蝕性物質，造成金屬表面銹蝕。凹谷愈深，零件耐腐蝕性愈差。（4）對零件強度的影響 零件表面愈粗糙，凹痕愈深，對應力集中就愈敏感，在交變載荷作用下，零件疲勞破壞的可能性愈大。此外，表面粗糙度還會影響結合的密封性、接觸剛度、流體流動的阻力、測量精度以及機器、儀

4、器的外觀質量等。 基本術語（1）取樣長度圖13-2 取樣長度和評定長度取樣長度是指用于判別和測量表面粗糙度時所規(guī)定的一段基準線長度。規(guī)定取樣長度是為了限制和削弱表面波度對表面粗糙度測量結果的影響。取樣長度過長，表面粗糙度測量值中可能含有表面波度的成分；取樣長度過短，也不能確切反映表面粗糙度的實際情況，一般在取樣長度范圍內應包含5個以上的輪廓峰和輪廓谷，如圖13-2所示。一般情況下，當評定參數(shù)為輪廓算術平均偏差Ra、微觀不平度十點高度Rz、輪廓最大高度Ry時，推薦按表13-1選擇對應的取樣長度值，此時在圖樣上可省略取樣長度的標注。當有特殊要求時，應給出相應的取樣長度值，并在圖樣上注出。（2）評定

5、長度評定長度是用于評定表面粗糙度所必須的一段長度，它可以包括一個或幾個取樣長度，如圖13-2所示。由于被測表面上各處表面粗糙度的不均勻性，所以只根據(jù)一個取樣長度的測量結果不能準確評定表面粗糙度，須連續(xù)取幾個取樣長度，測量后取其平均值作為測量結果。一般情況下，取，其值見表13-1。若被測表面比較均勻，可選；若被測表面均勻性差，可選。（3）基準線m基準線是用于評定表面粗糙度數(shù)值大小的一條參考線，其位置在被評定的輪廓中部，故又稱輪廓中線，有以下兩種：1）輪廓最小二乘中線(簡稱中線)m 指在取樣長度內，使輪廓上各點的輪廓偏距(輪廓上的各點至基準線的距離)的平方和為最小()的基準線，如圖13-3所示。表

6、13-1 取樣長度和評定長度的選用值圖13-3 輪廓最小二乘中線示意圖2）輪廓算術平均中線 指在取樣長度內，劃分實際輪廓為上、下兩部分，且使上、下面積相等()的基準線，如圖13-4所示。輪廓最小二乘中線是很理想的基準線。但實際上很難找到它。故，可用輪廓算術平均中線代替最小二乘中線。當采用光學儀器測量時，通常用目測估計的辦法來確定輪廓算術平均中線。圖13-4 輪廓的算術平均中線示意圖 表面粗糙度的評定參數(shù)表面粗糙度評定參數(shù)用來定量描述零件表面微觀幾何特征。為了滿足對表面不同功能的要求，GB350583從表面微觀幾何特征的高度、間距和形狀三個方面的特征規(guī)定了相應的評定參數(shù)。其中有三個基本參數(shù)(輪廓

7、算術平均偏差Ra、微觀不平度十點高度Rz和輪廓最大高度Ry)和三個附加參數(shù)(輪廓微觀不平度的平均間距、輪廓的單峰平均間距和輪廓支撐長度率)。（1）高度特征參數(shù)1）輪廓算術平均偏差Ra 在取樣長度內，輪廓偏距絕對值的算術平均值，稱為輪廓算術平均偏差，如圖13-5所示，其表達式為或近似為圖13-5 輪廓算術平均偏差Ratio確定圖解2）微觀不平度十點高度Rz 在取樣長度內，5個最大的輪廓峰高的平均值與5個最大的輪廓谷深的平均值之和，稱為微觀不平度十點高度，如圖13-6所示，其表達式為式中，為第i個最大的輪廓峰高；為第i個最大的輪廓谷深。圖13-6 微觀不平度十點高度Rz和輪廓最大高度Ry圖解對于同

8、一表面輪廓，由于Rz值只反映取樣長度內峰高和谷底的十個點，不能反映峰頂?shù)募怃J或平鈍的幾何形狀特性，所以Rz值不如Ra值那樣能全面反映被測輪廓的微觀幾何性形狀特性。3）輪廓最大高度Ry 在取樣長度內，輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離，稱為輪廓最大高度，如圖13-6所示。輪廓峰頂線和輪廓谷底線分別指在取樣長度內，平行于中線并通過輪廓最高點和最低點的線。Ry的表達式為 式中，為輪廓最大峰高；為輪廓最大谷深。y反映表面加工痕跡的深淺。（2）間距特征參數(shù)1）輪廓微觀不平度平均間距m 在取樣長度內，輪廓微觀不平度間距mi的平均值稱為微觀不平度平均間距。輪廓微觀不平度間距mi是指含有一個輪廓峰和相鄰輪廓谷的

9、一段中線長度，如圖13-7所示。m的表達式為式中，n為在取樣長度內輪廓微觀不平度間距mi的個數(shù)。圖13-7 輪廓微觀不平度間距和單峰間距的確定2）輪廓單峰平均間距S 在取樣長度內輪廓單峰間距Si的平均值稱為輪廓單峰平均間距。所謂輪廓單峰間距Si是指兩相鄰輪廓單峰的最高點之間的距離在中線上投影的長度，如圖13-8所示。S的表達式為式中，n為在取樣長度內單峰間距Si的個數(shù)。輪廓微觀不平度平均間距m和輪廓單峰平均間距S反映表面加工痕跡的細密程度。（3）形狀特征參數(shù)微觀不平度的形狀特征用輪廓支承長度率表示，它是輪廓支承長度與取樣長度之比，即式中，n為取樣長度內截線長度的個數(shù)。圖58 輪廓支承長度的確定

10、輪廓支承長度是指在取樣長度內，一平行于中線的直線與輪廓相截所得到的各段截線長度之和，如圖13-8所示。截線與輪廓峰頂線之間的距離C叫水平截距。在同一輪廓上不同的C值所得到的值不同，值也不同。因此，值是對應于C值而給出的。標準規(guī)定，以百分率來表示，C值的單位可用或的百分數(shù)來表示。輪廓支承長度率大的表面，接觸剛度高，耐磨性好。13.2 表面粗糙度的選用與檢測表面粗糙度值的各個評定參數(shù)和參數(shù)值的大小應根據(jù)零件的功能要求和經(jīng)濟性來選擇。 評定參數(shù)的選用在表面粗糙度的三類特征評定參數(shù)中，最常選用高度特征參數(shù)。只有在給出的高度特征參數(shù)不能滿足零件的功能要求時，才附加地給出間距特征參數(shù)和形狀特征參數(shù)。（1）

11、基本評定參數(shù)的選用表面粗糙度高度特征參數(shù)是基本的評定參數(shù)，在圖樣上一般注出其中一個或兩個。，z0.125或Ra6.3100、z25400范圍內，用光切顯微鏡和干涉顯微鏡測z 較方便，多選用z 。評定參數(shù)Ry反映表面輪廓的最大高度，但不涉及在最大峰高和最大谷底之間輪廓的變化，不能客觀反映被測輪廓的微觀幾何性形狀特性。對于被測狹小表面(如頂尖、切割刃等表面)，在一個取樣長度內不足五個最大輪廓峰高和五個最大輪廓谷深，不適合用Ra或z,可選用Ry。對不允許出現(xiàn)較深加工痕跡和有疲勞強度要求的零件表面，應選用Ry，通常Ry與Ra聯(lián)用。（2）附加參數(shù)的選用評定參數(shù)m、和一般不能作為獨立參數(shù)選用，僅在少數(shù)零件

12、的重要表面有特殊使用要求時，才附加選用間距和形狀特征參數(shù)來進一步控制表面質量。)；另外，對密封性要求高的表面、受交變載荷作用的應力界面，除選用Ra外，也要附加選用Sm或S。由于 能直觀反映實際接觸面積的大小，它綜合反映了峰高和間距的影響，而摩擦、磨損和接觸剛度都與實際接觸面積有關，因此，可作為零件表面耐磨性的指標。值越大，表面的承載能力及耐磨性等力學性能越好。 評定參數(shù)值及選用表面粗糙度的評定參數(shù)值已經(jīng)標準化，設計時應按GBT10311995表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值規(guī)定的參數(shù)值系列選取，見表13-2表13-5。 表13-2 輪廓算術平均偏差Ra 表13-3 微觀不平度十點高度Rz、 的數(shù)值系列

13、輪廓最大高度Ry的數(shù)值系列 表13-4 輪廓微觀不平度的平均間距Sm、輪廓 表13-5 輪廓支承長度率tp的 單峰的平均間距S的數(shù)值系列 數(shù)值系列表面粗糙度評定參數(shù)值的選用既要滿足零件表面功能的要求，也要考慮到加工的經(jīng)濟性。一般來說，表面粗糙度數(shù)值越小，制造成本越高。因此，在滿足使用性能要求的前提下，應盡可能選用較大的評定參數(shù)值。確定零件表面粗糙度評定參數(shù)值時，除有特殊要求的表面外，類比法是通常采用的方法。一般可考慮按下述原則選用評定參數(shù)值。（1）同一零件上，工作表面的表面粗糙度值應比非工作表面小。（2）摩擦表面的表面粗糙度值小于非摩擦表面；滾動摩擦表面的表面粗糙度值小于滑動摩擦表面；運動速度

14、高、單位壓力大的摩擦表面，表面粗糙度值應小。（3）承受交變動載荷的零件表面以及易引起應力集中的部位(圓角、溝槽等)，表面粗糙度值應小。（4）配合性質要求穩(wěn)定的較小間隙的間隙配合和承受重載荷的過盈配合的結合表面，應選用較小的表面粗糙度值。（5）配合性質相同，零件尺寸越小時，表面粗糙度值應越??；同一公差等級，小尺寸比大尺寸、軸比孔的表面粗糙度值要小。（6）配合零件的表面粗糙度值應與尺寸及形狀公差相協(xié)調。通常尺寸及形狀公差值小時，表面粗糙度值也小；尺寸公差較大的表面，其表面粗糙度值不一定也很大，如醫(yī)療器械、機床的手輪、手柄的表面，為了造型美觀，操作舒適，都要求表面很光滑。表13-6和表13-7分別列

15、出了表面粗糙度值選用實例和孔、軸配合表面的表面粗糙度推薦值，供類比法選用時參考。表13-6 表面粗糙度值的選用實例續(xù)表13-6表13-7 孔和軸的表面粗糙度推薦值續(xù)表13-7 表面粗糙度符號、代號及標注國標GBT1311993對表面粗糙度符號、代號及其標注方法作了的規(guī)定。（1）表面粗糙度的符號在圖樣上表面粗糙度的符號有五種，見表13-8。表13-8 表面粗糙度符號及意義（2）表面粗糙度代號及標注表面粗糙度符號與表面粗糙度數(shù)值及其有關的規(guī)定項目構成表面粗糙度代號。表面粗糙度的代號及其標注如圖13-9所示。1）表面粗糙度基本參數(shù)的標注 a1處的高度參數(shù)值為上限值或最大值(后加max)；a2處的高度

16、參數(shù)值為下限值或最小值(后加min)。當a2不標注時，則將a1注寫在a2的位置上。高度參數(shù)Ra的符號可省略，而Rz和Ry的符號需注出。表面粗糙度高度參數(shù)注寫示例及意義見表13-9。圖59 表面粗糙度的代號及其標注a1、a2粗糙度高度參數(shù)符號及其數(shù)值，；b加工要求、鍍鋅或其他表面處理；c取樣長度，mm,或波紋度，；d加工紋理方向符號；e加工余量,mm；f粗糙度間距特征參數(shù)或形狀特征參數(shù)的符號和數(shù)值表13-9 表面粗糙度高度參數(shù)注寫示例及意義表面粗糙度參數(shù)的“上限值”(或“下限值”)和“最大值”(或“最小值”)的含義不同。“上限值”表示所有測得值中允許16的測得值超過規(guī)定值；而“最大值”表示不允許

17、任何測得值超過規(guī)定值。2）表面粗糙度附加參數(shù)的標注 在高度參數(shù)未標注時，附加參數(shù)不能單獨標注。如圖13-10(a)所示，表示m上限值為；圖中(b)表示m的最大值為；圖中(c)表示水平截距C在Ry的50上，tp下限值為70；圖中(d)表示水平截距C在Ry的50上，tp最小值為70。圖13-10 表面粗糙度附加參數(shù)的標注3）表面粗糙度其他要求的標注 取樣長度按表13-1選取時，在圖樣上可省略標注，否則應按圖13-11標注。圖13-11(a)表示取樣長度為；圖13-11(b)表示最后用磨削方法達到表面粗糙度要求，此項用文字標注；圖13-11(c)表示表面加工總余量為3mm。圖511 表面粗糙度其他要

18、求的標注（3）表面粗糙度在圖樣上的標注在零件圖上，表面粗糙度符號、代號一般注在可見輪廓線、尺寸界限、引出線或它們的延長線上；符號的尖端必須從實體外指向實體表面；當零件的大部分表面具有相同的表面粗糙度要求時，對其中使用最多的一種代號可以統(tǒng)一注在圖樣的右上角，并加注“其余”兩字。標注示例如圖13-12所示。圖13-12表面粗糙度代號標注示例 表面粗糙度的測量（1）比較法比較法是將被測表面與已知高度參數(shù)值的表面粗糙度樣塊進行比較，用目測(可借助放大鏡、比較顯微鏡)或憑檢驗者的觸覺(用手摸或用指甲在表面劃動)來判斷表面粗糙度值的一種方法。表面粗糙度樣塊和被測零件的材料、表面幾何形狀及加工方法應盡量相同。比較法屬于表面粗糙度的綜合評定方式，測量精度較低，但測量簡便、迅速，故被工廠廣泛使用。其測量范圍一般為Ra0.150。（2）光切法光切法是利用光切原理測量表面粗糙度值的方法，常用儀器為光切顯微鏡(亦稱雙管顯微鏡)。測量的表征參數(shù)為Rz(或Ry)，測量的范圍一般為Rz0.880。（3）針描法。采用此法測量表面粗糙度的儀