機(jī)械制造技術(shù)課件：表面粗糙度及其測(cè)量

表面粗糙度及其測(cè)量9.1表面粗糙度評(píng)定參數(shù)9.2表面粗糙度的標(biāo)注9.3表面粗糙度的測(cè)量9.4表面粗糙度的選擇本章小結(jié)習(xí)題

9.1.1基本術(shù)語

1.輪廓濾波器

輪廓濾波器是把輪廓分成長(zhǎng)波和短波成分的濾波器。在測(cè)量表面粗糙度、波紋度和原始輪廓的儀器中,使用三種濾波器,分別是λs、λc和λf濾波器,如圖9－1所示。它們的傳輸特性相同,截止波長(zhǎng)不同。λs是確定存在于表面上的粗糙度與比它更短的波的成分之間相交界限的濾波器;λc是確定粗糙度與波紋度成分之間相交界限的濾波器;λf是確定存在于表面上的波紋度與比它更長(zhǎng)的波的成分之間相交界限的濾波器。

9.1表面粗糙度評(píng)定參數(shù)圖9－1輪廓濾波器

2.表面輪廓

表面輪廓是指定平面與實(shí)際表面相交所得的輪廓,如圖9－2所示。表面輪廓有原始輪廓(P輪廓)、粗糙度輪廓(R輪廓)、波紋度輪廓(W輪廓)三種。

原始輪廓是通過輪廓濾波器λs之后的總輪廓。粗糙度輪廓是對(duì)原始輪廓采用λc輪廓濾波器抑制長(zhǎng)波成分以后形成的輪廓,是經(jīng)過人為修正的輪廓,粗糙度輪廓是評(píng)定粗糙度輪廓參數(shù)的基礎(chǔ)。圖9－2表面輪廓

3.取樣長(zhǎng)度lr

取樣長(zhǎng)度是指在X軸方向上判別被評(píng)定輪廓不規(guī)則特征的長(zhǎng)度,用代號(hào)lr表示。規(guī)定和選擇這段長(zhǎng)度是為了限制和減弱表面波紋度對(duì)表面粗糙度測(cè)量結(jié)果的影響。

通常采用一直角坐標(biāo)體系來確定取樣長(zhǎng)度,其軸線形成一右旋笛卡兒坐標(biāo)系,X軸與中線方向一致,Y軸也處于實(shí)際表面上,而Z軸則在從材料到周圍介質(zhì)的外延方向上。

取樣長(zhǎng)度在數(shù)值上同輪廓濾波器λc的截止波長(zhǎng)相等。若取樣長(zhǎng)度過長(zhǎng),則表面粗糙度的測(cè)得值會(huì)把表面波紋度的成分包括進(jìn)去;若取樣長(zhǎng)度過短,則測(cè)量時(shí)沒有足夠的峰和谷,不能反映表面粗糙度的實(shí)際情況。表面越粗糙,取樣長(zhǎng)度應(yīng)越大,一個(gè)取樣長(zhǎng)度至少包含五個(gè)以上的輪廓峰和谷。國(guó)標(biāo)規(guī)定的取樣長(zhǎng)度見表9－1。

4.評(píng)定長(zhǎng)度ln

由于被測(cè)表面各處的粗糙度不可能均勻一致,若只取一個(gè)取樣長(zhǎng)度來評(píng)定該表面的粗糙程度,一般是不夠客觀的,通常需要取幾個(gè)取樣長(zhǎng)度來評(píng)定,所以規(guī)定評(píng)定長(zhǎng)度。評(píng)定長(zhǎng)度是指用于評(píng)定被評(píng)定輪廓的X軸方向上的長(zhǎng)度,它一般取5個(gè)取樣長(zhǎng)度。若被測(cè)表面均勻性好,則評(píng)定長(zhǎng)度可小于5倍的取樣長(zhǎng)度;若均勻性差,則評(píng)定長(zhǎng)度可大于5倍的取樣長(zhǎng)度。取樣長(zhǎng)度和評(píng)定長(zhǎng)度關(guān)系如圖9－3所示。圖9－3取樣長(zhǎng)度和評(píng)定長(zhǎng)度

5.中線

中線是具有幾何輪廓形狀并劃分輪廓的基準(zhǔn)線。表面粗糙度輪廓中線是用輪廓濾波器λc抑制了長(zhǎng)波輪廓成分相對(duì)應(yīng)的中線。中線的幾何形狀與工件表面幾何輪廓的走向一致。中線是計(jì)算各種評(píng)定參數(shù)數(shù)值的基礎(chǔ),表面粗糙度輪廓中線包括下面兩種:

(1)輪廓最小二乘中線。輪廓的最小二乘中線是指具有幾何輪廓形狀并劃分輪廓的基準(zhǔn)線。在取樣長(zhǎng)度內(nèi),使輪廓上各點(diǎn)到該基準(zhǔn)線的距離的平方和為最小,如圖9－4所示,即圖9－4輪廓的最小二乘中線

(2)輪廓算術(shù)平均中線。輪廓算術(shù)平均中線是指具有幾何輪廓形狀,在一個(gè)取樣長(zhǎng)度范圍內(nèi),劃分實(shí)際輪廓為上、下兩部分,且使上部分的面積之和與下部分的面積之和相等的基準(zhǔn)線,如圖9－5所示。最小二乘中線符合最小二乘原則,從理論上講是理想的基準(zhǔn)線,但在輪廓圖形上確定最小二乘中線的位置比較困難,而算術(shù)平均中線與最小二乘中線的差別很小,故通常用算術(shù)平均中線來代替最小二乘中線。圖9－5輪廓的算術(shù)平均中線

9.1.2評(píng)定參數(shù)

為了完善地評(píng)定實(shí)際輪廓,GB/T3505-2009用表面微觀幾何形狀幅度、間距、曲線和相關(guān)參數(shù)等特征,規(guī)定了相應(yīng)的評(píng)定參數(shù)。

1.輪廓的幅度參數(shù)

(1)評(píng)定輪廓的算術(shù)平均偏差Ra:在一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi),縱坐標(biāo)值Z(x)絕對(duì)值的算術(shù)平均值,如圖9－6所示,即圖9－6輪廓算術(shù)平均偏差

(2)輪廓最大高度Rz:在一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi),最大輪廓峰高和最大輪廓谷深之和,如圖9－7所示,即圖9－7輪廓最大高度

2.間距參數(shù)

輪廓單元的平均寬度Rsm:在一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)輪廓單元寬度Xs的平均值,如圖9－8所示,即圖9－8輪廓單元的平均寬度

3.曲線和相關(guān)參數(shù)

(1)輪廓支承長(zhǎng)度率Rmr(c):在給定水平截面高度c上,輪廓的實(shí)體材料長(zhǎng)度l(c)與評(píng)定長(zhǎng)度的比率,即

Rmr(c)對(duì)應(yīng)于不同的c值,c值可用微米或c值與Rz值的百分比表示。

Rmr(c)是評(píng)定輪廓的曲線和相關(guān)參數(shù),當(dāng)c值一定時(shí),Rmr(c)值越大,支承能力和耐磨性越好。

(2)輪廓的實(shí)體材料長(zhǎng)度l(c):指在評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi),一平行于X軸的直線從峰頂線向下移一水平截面高度c時(shí),與輪廓相截所得的各段截線長(zhǎng)度之和,如圖9－9(a)所示,即

輪廓支承長(zhǎng)度率是隨著水平截面高度c的大小而變化的,其關(guān)系曲線稱為支承長(zhǎng)度率曲線,支承長(zhǎng)度率曲線對(duì)于反映表面耐磨性具有顯著的功效,即從中可以明顯看出支承長(zhǎng)度的變化趨勢(shì),且比較直觀,如圖9－9(b)所示。圖9－9支承長(zhǎng)度率曲線

4.表面粗糙度參數(shù)的數(shù)值

表面粗糙度參數(shù)值已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1031-2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu)輪廓法表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》規(guī)定的參數(shù)值系列中選取。選取時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用基本系列表中的數(shù)值,見表9－2~表9－4。

9.2表面粗糙度的標(biāo)注

9.2.1表面粗糙度符號(hào)(1)基本圖形符號(hào):對(duì)表面粗糙度有要求的圖形符號(hào),如圖9－10(a)所示?；緢D形符號(hào)僅用于簡(jiǎn)化代號(hào)標(biāo)注,沒有補(bǔ)充說明時(shí)不能單獨(dú)使用。圖9－10基本圖形符號(hào)和擴(kuò)展圖形符號(hào)

(2)擴(kuò)展圖形符號(hào):對(duì)表面粗糙度有指定要求的圖形符號(hào)。在基本圖形符號(hào)上加一短橫,如圖9－10(b)所示,表示指定表面是用去除材料的方法獲得的表面,如車、磨、刨、銑等機(jī)械加工。在基本圖形符號(hào)上加一圓圈,如圖9－10(c)所示,表示指定表面是用不去除材料的方法獲得的,如鑄、鍛、沖壓變性、熱軋、冷軋、粉末冶金等。

(3)完整圖形符號(hào):對(duì)基本圖形符號(hào)或擴(kuò)展圖形符號(hào)擴(kuò)充后的圖形符號(hào)。當(dāng)要求標(biāo)注表面粗糙度特征的補(bǔ)充信息時(shí),在基本圖形符號(hào)或擴(kuò)展圖形符號(hào)的長(zhǎng)邊上加一橫線,如圖9－11所示。圖9－11完整圖形符號(hào)

當(dāng)在圖樣某個(gè)視圖上構(gòu)成封閉輪廓的各表面有相同的表面粗糙度要求時(shí),應(yīng)在完整圖形符號(hào)上加以圓圈,標(biāo)注在圖樣中工件的封閉輪廓線上,如圖9－12所示。圖9－12封閉輪廓相同表面粗糙度要求時(shí)的符號(hào)

表面粗糙度的圖形符號(hào)及含義見表9－5。

9.2.2表面粗糙度代號(hào)及其標(biāo)注

為了明確表面粗糙度要求,除了標(biāo)注表面粗糙度參數(shù)和數(shù)值外,必要時(shí)應(yīng)標(biāo)注補(bǔ)充要求,補(bǔ)充要求包括傳輸帶、取樣長(zhǎng)度、加工工藝、表面紋理及方向、加工余量等。有關(guān)表面粗糙度補(bǔ)充要求的各項(xiàng)規(guī)定應(yīng)標(biāo)注在符號(hào)中相應(yīng)的位置,如圖9－13所示。圖9－13表面粗糙度代號(hào)及其標(biāo)注

(1)位置a:注寫表面粗糙度的單一要求,單一要求包括表面粗糙度參數(shù)代號(hào)、極限值、傳輸帶或取樣長(zhǎng)度等。

(2)位置b:注寫第二個(gè)表面粗糙度要求,注寫方法同位置a,如果要注寫第三個(gè)或更多個(gè)表面粗糙度要求,圖形符號(hào)應(yīng)在垂直方向擴(kuò)大,以空出足夠的空間。

(3)位置c:注寫加工方法、表面處理、涂層或其他加工工藝要求等。

(4)位置d:注寫表面紋理方向。

(5)位置e:注寫加工余量。

1.極限值判斷規(guī)則的標(biāo)注

極限值判斷規(guī)則的標(biāo)注有兩種:16%規(guī)則和最大規(guī)則。16%規(guī)則是指當(dāng)參數(shù)的規(guī)定值為上限值時(shí),如果所選參數(shù)在同一評(píng)定長(zhǎng)度上的全部實(shí)測(cè)值中,大于圖樣或技術(shù)產(chǎn)品文件中規(guī)定值的個(gè)數(shù)不超過實(shí)測(cè)值總數(shù)的16%,則該表面合格;當(dāng)參數(shù)的規(guī)定值為下限值時(shí),如果所選參數(shù)在同一評(píng)定長(zhǎng)度上的全部實(shí)測(cè)值中,小于圖樣或技術(shù)文件中規(guī)定值的個(gè)數(shù)不超過實(shí)測(cè)值總數(shù)的16%,則該表面合格。

最大規(guī)則是指檢驗(yàn)時(shí),在被檢表面的全部區(qū)域內(nèi)測(cè)得的參數(shù)值一個(gè)也不應(yīng)超過圖樣或技術(shù)產(chǎn)品文件中的規(guī)定值。16%規(guī)則是所有表面粗糙度要求標(biāo)注的默認(rèn)規(guī)則,一般不標(biāo)注代號(hào),如圖9－14(a)所示。如果最大規(guī)則應(yīng)用于表面粗糙度要求,在參數(shù)代號(hào)后應(yīng)加上“max”,如圖9－14(b)所示。圖9－14極限值的標(biāo)注

16%規(guī)則和最大規(guī)則都是單向極限,單向極限默認(rèn)的是參數(shù)的上限值。當(dāng)需要標(biāo)注參數(shù)的單向下限值時(shí),應(yīng)在參數(shù)代號(hào)前加L,如LRa0.8。在完整圖形符號(hào)中表示雙向極限時(shí),上限值在上方用U表示,下限值在下方用L表示,如圖9－14(c)所示。如果是同一個(gè)參數(shù)具有雙向極限要求,在不致引起歧義的情況下,可以不加U、L。

2.傳輸帶和取樣長(zhǎng)度的標(biāo)注

傳輸帶是兩個(gè)定義的濾波器之間的波長(zhǎng)范圍。這意味著傳輸帶就是評(píng)定時(shí)的波長(zhǎng)范圍。粗糙度輪廓傳輸帶的截止波長(zhǎng)值代號(hào)是λs和λc。λc表示取樣長(zhǎng)度。默認(rèn)的傳輸帶定義的截止波長(zhǎng)值是λc=0.8mm和λs=0.0025mm。傳輸帶標(biāo)注包含濾波器截止波長(zhǎng),短波濾波器在前,長(zhǎng)波濾波器在后,用連字號(hào)“”隔開,并標(biāo)注在參數(shù)代號(hào)的前面,用斜線“/”與參數(shù)代號(hào)隔開,如圖9－15(a)所示。在某些情況下,傳輸帶中只標(biāo)注兩個(gè)濾波器中的一個(gè)。如果只標(biāo)注一個(gè)濾波器,應(yīng)該保留連字號(hào)“”來區(qū)分是短波濾波器還是長(zhǎng)波濾波器,如圖9－15(b)所示。圖9－15傳輸帶標(biāo)注

3.表面粗糙度其他項(xiàng)目的標(biāo)注

標(biāo)注的參數(shù)代號(hào)、參數(shù)值和傳輸帶只作為表面粗糙度要求,有時(shí)不一定能完全準(zhǔn)確地表示表面功能。加工工藝在很大程度上決定了輪廓曲線的特征,因此一般應(yīng)注明加工工藝、表面鍍覆、表面紋理等,如圖9－16所示。圖9－16其他項(xiàng)目標(biāo)注

表面紋理及其方向可用圖9－17中規(guī)定的符號(hào)進(jìn)行標(biāo)注。圖9－17加工紋理方向的符號(hào)及其標(biāo)注圖例

4.表面粗糙度在圖樣上的標(biāo)注

在圖樣上標(biāo)注表面粗糙度時(shí),注寫和讀取方向與尺寸的注寫和讀取方向一致,一般標(biāo)注在輪廓線或其延長(zhǎng)線上,其符號(hào)從材料外指向并接觸表面,有時(shí)也可用帶箭頭的指引線引出標(biāo)出,如圖9－18和9－19所示。圖9－19表面粗糙度標(biāo)注在延長(zhǎng)線上

表面粗糙度要求有時(shí)也可標(biāo)注在幾何公差框格的上方,如圖9－20所示。圖9－20表面粗糙度標(biāo)注在幾何公差框格上方

圓柱和棱柱的表面粗糙度要求只標(biāo)注一次。如果每個(gè)棱柱表面有不同的表面粗糙度要求,則應(yīng)分別單獨(dú)標(biāo)注,如圖9－21所示。圖9－21表面粗糙度在圓柱和棱柱表面標(biāo)注

由幾種不同的工藝方法獲得的同一表面,當(dāng)需要明確每種工藝方法的表面粗糙度要求時(shí),可按如圖9－22所示的方法標(biāo)注。圖9－22同時(shí)給出鍍覆前后的表面粗糙度要求的標(biāo)注

5.表面粗糙度簡(jiǎn)化標(biāo)注

如果在工件的大多數(shù)表面有相同的粗糙度要求,可簡(jiǎn)化標(biāo)注。此時(shí)將不同的表面粗糙度要求直接標(biāo)注在圖形上,相同的表面粗糙度要求統(tǒng)一標(biāo)注在圖樣的標(biāo)題欄附近,并在其后面用圓括號(hào)給出無任何其他標(biāo)注的基本符號(hào),如圖9－23(a)所示,或者在圓括號(hào)內(nèi)給出不同的表面粗糙度要求,如圖9－23(b)所示。圖923表面粗糙度簡(jiǎn)化標(biāo)注

當(dāng)多個(gè)表面具有共同的表面粗糙度要求或圖紙空間有限時(shí),可用帶字母的完整圖形符號(hào)以等式的形式在圖形或標(biāo)題欄附近進(jìn)行簡(jiǎn)化標(biāo)注,如圖9－24所示;或者只用表面粗糙度基本圖形符號(hào)和擴(kuò)展圖形符號(hào)以等式的形式給出對(duì)多個(gè)表面共同的表面粗糙度要求,如圖9－25所示。圖9－24圖紙空間有限時(shí)的簡(jiǎn)化標(biāo)注圖9－25表面粗糙度簡(jiǎn)化標(biāo)注

常見表面粗糙度代號(hào)及含義見表9－6。

9.3表面粗糙度的測(cè)量

1.比較法比較法就是將被測(cè)零件表面與有一定評(píng)定參數(shù)的表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣板,通過視覺、觸覺或其他方法進(jìn)行比較后,對(duì)被檢表面的粗糙度作出評(píng)定的方法。使用時(shí),樣板的材料、表面形狀、加工方法、加工紋理方向等應(yīng)盡可能與被測(cè)表面一致,否則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

用比較法評(píng)定表面粗糙度雖然不能精確地得出被檢表面的粗糙度數(shù)值,但由于器具簡(jiǎn)單、使用方便,且能滿足一般的生產(chǎn)要求,故常用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),缺點(diǎn)是精度較低,只能做定性分析,表面粗糙度樣板如圖9－26所示。圖9－26表面粗糙度樣板

2.針描法

電動(dòng)輪廓儀是按針描法評(píng)定表面粗糙度的一種典型儀器,該儀器可直接顯示Ra值,適宜測(cè)量Ra為0.025~6.3μm。測(cè)量時(shí),儀器的金剛石觸針針尖與被測(cè)表面相接觸,當(dāng)觸針以一定速度沿著被測(cè)表面移動(dòng)時(shí),微觀不平的痕跡使觸針做垂直于輪廓方向的上下運(yùn)動(dòng),該微量移動(dòng)通過傳感器轉(zhuǎn)化成電信號(hào),再經(jīng)過濾波器,將表面輪廓上屬于形狀誤差和波紋度的成分濾去,留下只屬于表面粗糙度的輪廓曲線信號(hào),經(jīng)放大器、計(jì)算器直接指示Ra值,也可經(jīng)放大器驅(qū)動(dòng)記錄裝置,畫出被測(cè)的輪廓圖形,如圖9－27所示。圖9－27針描法測(cè)量原理框圖

3.光切法

光切法是利用“光切原理”來測(cè)量零件表面的粗糙度,使用的儀器是光切顯微鏡(又稱雙管顯微鏡),如圖9－28所示。該儀器適宜于測(cè)量用車、銑、刨等加工方法所加工的金屬零件的表面或外圓表面。光切法一般用于測(cè)量表面粗糙度的Rz參數(shù),Rz參數(shù)測(cè)量范圍為0.8~80μm。圖9－28光切顯微鏡

4.干涉法

干涉法是利用光波干涉原理來測(cè)量表面粗糙度的,使用的儀器叫做干涉顯微鏡,如圖9－29所示。圖9－29干涉顯微鏡

在實(shí)際測(cè)量中,常常遇到某些既不能使用儀器直接測(cè)量,也不便于使用樣板對(duì)比的表面,如深孔、盲孔、凹槽、內(nèi)螺紋等。評(píng)定這些表面的粗糙度時(shí),常采用印模法。印模法是利用一些無流動(dòng)性和彈性的塑料材料,貼合在被測(cè)表面上,將被測(cè)表面的輪廓復(fù)制成模,然后測(cè)量印模,從而間接來評(píng)定被測(cè)表面的粗糙度。

9.4表面粗糙度的選擇

1.評(píng)定參數(shù)的選擇評(píng)定參數(shù)的選擇應(yīng)考慮零件使用功能的要求、檢測(cè)的方便性及儀器設(shè)備條件等因素。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,輪廓的幅度參數(shù)(如Ra和Rz)是必須標(biāo)注的參數(shù),而其他參數(shù)(如Rsm、Rmr)是附加參數(shù)。

一般情況下,選用Ra和Rz就可以滿足要求。只有對(duì)一些重要表面有特殊要求時(shí),如有涂鍍性、抗腐蝕性、密封性要求時(shí),就需要加選Rsm來控制間距的細(xì)密度;對(duì)表面的支承剛度和耐磨性有較高要求時(shí),需加選Rmr控制表面的形狀特征。在幅度參數(shù)中,Ra最常用。因?yàn)樗茌^完整、全面地表達(dá)零件表面的微觀幾何特征。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦,在常用數(shù)值范圍(Ra為0.025~6.3μm)內(nèi),應(yīng)優(yōu)先選用Ra參數(shù),在常用數(shù)值范圍內(nèi)用電動(dòng)輪廓儀能方便地測(cè)出Ra的實(shí)際值。Rz直觀易測(cè),用雙管顯微鏡、干涉顯微鏡等可測(cè)得,但Rz反映輪廓情況不如Ra全面,往往用在小零件(測(cè)量長(zhǎng)度很小)或表面不允許有較深的加工痕跡(防止應(yīng)力過于集中)的零件。

2.參數(shù)值的選擇

表面粗糙度參數(shù)值的選擇原則是:在滿足功能要求的前提下,盡量選擇較大的表面粗糙度參數(shù)值(除Rmr外),以減小加工困難,降低生產(chǎn)成本。表面粗糙度參數(shù)值的選擇通常采用類比法,具體選擇時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)同一零件上工作表面比非工作表面粗糙度參數(shù)值小。

(2)摩擦表面比非摩擦表面、滾動(dòng)摩擦表面比滑動(dòng)摩擦表面的粗糙度參數(shù)值小。

(3)承受交變載荷的表面及易引起應(yīng)力集中的部分(如圓角、溝槽等),粗糙度數(shù)值應(yīng)小些。

(4)要求配合穩(wěn)定可靠時(shí),粗糙度參數(shù)值應(yīng)小些。小間隙配合表面,受重載作用的過盈配合表面,其粗糙度參數(shù)值要小。

(5)表面粗糙度與尺寸公差、形狀公