南京理工大學(xué)互換性測(cè)量 第5章 表面粗糙度

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1、第第5章章 表面粗糙度及其檢測(cè)表面粗糙度及其檢測(cè)5.1 概述概述5.2 表面粗糙度的評(píng)定表面粗糙度的評(píng)定5.3 表面精度設(shè)計(jì)表面精度設(shè)計(jì)表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)及其數(shù)值的選用及其數(shù)值的選用5.4 表面粗糙度符號(hào)、代號(hào)及其標(biāo)注表面粗糙度符號(hào)、代號(hào)及其標(biāo)注 5.5 表面粗糙度的檢測(cè)表面粗糙度的檢測(cè)放大放大hSHT/2刨削后的表面狀態(tài)5.1 概 述5.1.1 表面粗糙度的概念 在切削加工過(guò)程中，由于遺留下來(lái)的刀痕、切削分離時(shí)塑性變形，刀具與已加工表面的摩擦以及系統(tǒng)振動(dòng)等原因，在零件被加工表面上出現(xiàn)連續(xù)不斷地間距較小，高低起伏的微小峰和谷。這些微小峰和谷的高低程度和間距狀況稱(chēng)為表面粗糙

2、度，又叫微觀不平度。它是一種微觀幾何形狀誤差。表面越粗糙，表示微觀幾何形狀誤差越大。表面不平度通常按照波距的大小劃分為三類(lèi)誤差：表面粗糙度、表面波度和表面上宏觀形狀誤差。波距 10 mm的屬于形狀誤差(宏觀幾何形狀誤差)圖5.1 零件表面的幾何形狀誤差5.1.2表面粗糙度對(duì)零件使用性能的影響1)對(duì)摩擦和磨損的影響：粗糙的零件表面，會(huì)使支承面僅在實(shí)際輪廓表面的峰頂處相接觸（圖a），實(shí)際接觸面比理論的小得多?；瑒?dòng)時(shí)產(chǎn)生磨損曲線(xiàn)如（圖b）。顯然要提高零件的耐磨性必須設(shè)法減小零件的表面粗糙度延長(zhǎng)正常磨損階段。但是表面粗糙度過(guò)小，不利于儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，反而加劇了表面磨損。正常磨損階段磨損初期階段測(cè)量間隙初期

3、磨損后的間隙t正常t初期(b)(a)圖5.2 實(shí)際表面接觸情況 圖5.3 磨損量與Ra的關(guān)系2)對(duì)配合性質(zhì)的影響：對(duì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的間隙配合，表面越粗糙工件表面越易磨損，則配合間隙很快擴(kuò)大。對(duì)有連接強(qiáng)度要求的過(guò)盈配合：表面越粗糙越會(huì)減小配合的有效過(guò)盈，降低了配合件的連接強(qiáng)度。3)對(duì)抗腐蝕性的影響：表面越粗糙腐蝕介質(zhì)越易在谷地聚集，并且滲入到零件的內(nèi)部產(chǎn)生腐蝕破壞。此外，減小表面粗糙度，對(duì)增加零件連接的密封性和使零件美觀性都有很大的影響。圖5.4表面粗糙度對(duì)抗腐蝕性的影響4)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響：零件粗糙表面存在許多尖角缺口和裂紋，在受交變載荷時(shí)，他們都是引起應(yīng)力集中的因素，將降低疲勞強(qiáng)度，增大零件破損

4、的可能性。5)對(duì)接觸剛度的影響 接觸剛度影響零件的工作精度和抗振性。這是由于表面粗糙度使表面間只有一部分面積接觸。一般情況下，實(shí)際接觸面積只有公稱(chēng)接觸面積的百分之幾。因此，表面越粗糙受力后局部變形越大，接觸剛度也越低。6)對(duì)結(jié)合面密封性的影響 粗糙的表面結(jié)合時(shí)，兩表面只在局部點(diǎn)上接觸，中間有縫隙，影響密封性。因此，降低表面粗糙度，可提高其密封性。7)對(duì)零件其他性能的影響 表面粗糙度對(duì)零件其他性能，如對(duì)測(cè)量精度、流體流動(dòng)的阻力及零件外形的美觀等都有很大的影響。1.實(shí)際輪廓實(shí)際輪廓：指平面與實(shí)際表面相交所得的輪廓線(xiàn)。通常指橫向?qū)嶋H輪廓，即與加工紋理方向垂直的截面上的輪廓。5.2 表面粗糙度的評(píng)定5

5、.2.1 基本術(shù)語(yǔ)和定義橫向?qū)嶋H輪廓2.取樣長(zhǎng)度取樣長(zhǎng)度 l：用于判別和測(cè)量表面粗糙度使所規(guī)定的一段基準(zhǔn)線(xiàn)長(zhǎng)度。規(guī)定取樣長(zhǎng)度的目的是限定和削弱其他幾何形狀形狀誤差特別是表面紋理度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。表面越粗糙取樣長(zhǎng)度越大。在取樣長(zhǎng)度范圍內(nèi)一般包括5個(gè)以上的輪廓峰和谷。選用值見(jiàn)表6-5。3.評(píng)定長(zhǎng)度評(píng)定長(zhǎng)度 ln：評(píng)定被測(cè)量輪廓所必須的一段長(zhǎng)度，它包括一個(gè)或幾個(gè)取樣長(zhǎng)度，一般取其平均值。它的選用見(jiàn)表65l：取樣長(zhǎng)度 ln：評(píng)定長(zhǎng)度圖5.5 取樣長(zhǎng)度與評(píng)定長(zhǎng)度4 4、輪廓中線(xiàn) 是評(píng)定表面粗糙度大小的一條參考線(xiàn)。它是具有與被測(cè)量表面幾何形狀相應(yīng)的幾何輪廓形狀，并將被測(cè)量輪廓加以劃分的線(xiàn)。（1）輪廓的最

6、小二乘中線(xiàn)：在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，被測(cè)輪廓線(xiàn)上各點(diǎn)至一條假想線(xiàn)的距離的平方和為最小。這條基準(zhǔn)線(xiàn)稱(chēng)為輪廓的最小二乘中線(xiàn)。（2）輪廓的算術(shù)平均中線(xiàn)：在取樣長(zhǎng)度內(nèi)劃分實(shí)際輪廓為上下兩部分，且使上下兩部分面積相等的線(xiàn)。由于最小二乘中線(xiàn)比較困難，常用目測(cè)法確定輪廓的算術(shù)平均中線(xiàn)位置。圖5.6 輪廓中線(xiàn)5.2.2 表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：評(píng)定參數(shù)應(yīng)從輪廓算術(shù)平均偏差(Ra)、微觀不平度十點(diǎn)高度(Rz)、輪廓最大高度(Ry)中選取。將輪廓微觀不平度的平均間距、輪廓單峰平均間距和輪廓支承長(zhǎng)度率三個(gè)附加參數(shù)列于附錄中。1.高度特高度特征參數(shù)征參數(shù)1）輪廓算術(shù)平均偏差 Ra：在取樣長(zhǎng)度l內(nèi)，被測(cè)輪

7、廓上各點(diǎn)至輪廓中線(xiàn)偏距絕對(duì)值的算術(shù)平均值 或圖5.7輪廓算術(shù)平均偏差 Ra的確定2）微觀不平度十點(diǎn)高度Rz：在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，5個(gè)最大的輪廓峰高平均值與5個(gè)最大的輪廓谷底深度平均值之和，稱(chēng)為微觀不平度十點(diǎn)高度。3）輪廓最大高度Ry：在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓峰頂線(xiàn)和輪廓谷底線(xiàn)之間的距離，稱(chēng)為輪廓最大高度圖5.8 微觀不平度十點(diǎn)高度Rz和輪廓最大高度Ry的確定2.間距特征參數(shù)間距特征參數(shù) 間距特征參數(shù)是沿著評(píng)定基準(zhǔn)線(xiàn)方向測(cè)量的，能直接反映表面加工紋理的細(xì)密程度。1）輪廓微觀不平度的平均間距Sm：在取樣長(zhǎng)度上，輪廓微觀不平度的間距Smi的平均值。Smi是指輪廓峰和相鄰的輪廓谷在中線(xiàn)上的一段長(zhǎng)度。2）輪廓單峰平

8、均間距S：在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓單峰間距的平均值Si。Si指兩相鄰單峰的在高點(diǎn)之間沿中線(xiàn)方向上的距離 圖5.9 輪廓微觀不平度平均間距Sm和輪廓單峰平均間距S的確定3.形狀特征參數(shù)形狀特征參數(shù)輪廓支承長(zhǎng)度p：一根與中線(xiàn)平行且與輪廓峰頂線(xiàn)相距為C的線(xiàn)與輪廓峰相截所得到得各段截線(xiàn)bi 之和，稱(chēng)為輪廓支承長(zhǎng)度。輪廓支承長(zhǎng)度率tp：輪廓支承長(zhǎng)度p與取樣長(zhǎng)度l之比即為輪廓支承長(zhǎng)度率Sm、S、tp三個(gè)參數(shù)測(cè)量比較困難，只有少數(shù)零件的重要表面有特殊要求時(shí)才選用，而Ra、Rz及Ry是三個(gè)常用的基本參數(shù)。圖5.11 支承長(zhǎng)度率圖示5.3 表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)及其數(shù)值的選用表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)及其數(shù)值的選用5.3.1

9、 評(píng)定參數(shù)及其數(shù)值的選擇1、有關(guān)表面粗糙度高度參數(shù)Ra、Rz、Ry 的允許值，見(jiàn)表5.2和表5.3。在常用數(shù)值范圍內(nèi)(Ra=0.0256.3um，Rz=0.125um)優(yōu)先選用Ra，一般選用第一數(shù)列。2、有關(guān)附加參數(shù)(Sm、S、tp)的允許值，見(jiàn)表5.4和表5.5 選用支承長(zhǎng)度率tp時(shí)，必須同時(shí)給出輪廓水平截距C的數(shù)值。C多用Ry的百分?jǐn)?shù)表示，其系列為5、10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、90%3、取樣長(zhǎng)度和評(píng)定長(zhǎng)度的選用值列于表6-5。由于加工的不均勻性，其評(píng)定長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)不同的加工方法和相應(yīng)的取樣長(zhǎng)度來(lái)確定，通常按表6-5選取。如被測(cè)面均勻性好可選用小于5l的長(zhǎng)度，

10、反之選用大于5l的長(zhǎng)度。在新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中(GB/T131-93)不劃分粗糙度等級(jí)，只列出評(píng)定參數(shù)的允許值的數(shù)系。5.3.1 評(píng)定參數(shù)的選擇 1.高度評(píng)定參數(shù)的選用 一般情況下可從高度參數(shù)Ra、Rz、Ry中任選一個(gè)，但在常用值范圍內(nèi)(為0.0256.3，為0.125)，應(yīng)優(yōu)先選用Ra，因?yàn)镽a能較充分合理地反映零件表面的粗糙度特征。Ra值通常用電動(dòng)輪廓儀測(cè)量，測(cè)量效率高。對(duì)于特別粗糙或特別光潔的表面，考慮到工作和檢測(cè)條件，可以選用Rz或Ry(Rz與Ry不能同時(shí)選用)。Rz通常用雙管顯微鏡和干涉顯微鏡測(cè)量，由于它只反映峰頂和谷底的幾個(gè)點(diǎn)，反映出的信息不如Ra全面，且測(cè)量效率較低。測(cè)量部位小、峰谷少或

11、有疲勞強(qiáng)度要求的零件表面可選用Ry作為評(píng)定參數(shù)。5.3.1 評(píng)定參數(shù)的選擇 2.附加評(píng)定參數(shù)的選用 附加評(píng)定參數(shù)一般情況下不作為獨(dú)立的參數(shù)選用，只有零件的表面有特殊使用要求時(shí)，僅用高度特征參數(shù)不能滿(mǎn)足零件表面的功能要求，才在選用了高度參數(shù)的基礎(chǔ)上，附加選用間距特征參數(shù)和形狀特征參數(shù)。圖5.11中，(b)、(c)、(d)三種表面的輪廓高度參數(shù)值相同，而密封性、光亮度和耐磨性卻相差很大?？梢?jiàn)，對(duì)有特殊要求的重要表面，只控制高度參數(shù)是不夠的，還需控制間距特征參數(shù)或形狀特征參數(shù)。一般情況下，對(duì)密封性、光亮度有特殊要求的表面，應(yīng)選用附加參數(shù)Sm或S；對(duì)耐磨性有特殊要求的表面，應(yīng)選用附加參數(shù)tp。5.3.

12、2 評(píng)定參數(shù)值的選用 表面粗糙度評(píng)定參數(shù)選定后，應(yīng)規(guī)定其允許值。表面粗糙度參數(shù)值選用得適當(dāng)與否，不僅影響零件的使用性能，還關(guān)系到制造成本。一般說(shuō)來(lái)，表面粗糙度參數(shù)值愈小，零件的工作性能愈好。表面粗糙度的參數(shù)值已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參數(shù)系列選取。一般只規(guī)定上限值，必要時(shí)還要給出下限值。高度特征參數(shù)值(第1系列數(shù)值)見(jiàn)表5.2和表5.3，間距特征參數(shù)值見(jiàn)表5.4，形狀特征參數(shù)值見(jiàn)表5.5。表5.6和表5.7分別列出了表面粗糙度的表面特征、經(jīng)濟(jì)加工方法、應(yīng)用舉例以及軸和孔的表面粗糙度參數(shù)推薦值，供選用時(shí)參考。零件的表面粗糙度是一種重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它選擇不僅要根據(jù)零件的工作條件和使用

13、要求，同時(shí)還考慮實(shí)際工藝的可能性和經(jīng)濟(jì)性。具體選擇時(shí)可參考一些經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的實(shí)例，用類(lèi)比法確定一般選用原則如下：1、同一零件上，工作表面的粗糙度值應(yīng)小于非工作表面。2、摩擦表面的粗糙度值應(yīng)小于非摩擦表面；滾動(dòng)摩擦表面粗糙度值應(yīng)小于滑動(dòng)表面；運(yùn)動(dòng)速度越高、單位面積受的壓力越大的表面粗糙度值應(yīng)越小。3、受交變載荷時(shí)，特別是零件圓角、溝槽處的粗糙度值應(yīng)該選用得小一些。5.3.2 評(píng)定參數(shù)值的選用 4、要求配合性質(zhì)穩(wěn)定可靠時(shí)，粗糙度數(shù)值應(yīng)該小一些；配合間隙小的間隙配合表面以及要求連接可靠、受重載荷的過(guò)盈配合表面都應(yīng)選用較小的粗糙度值。5、配合性質(zhì)相同，零件尺寸越小，其粗糙度值應(yīng)越小。同一精度等級(jí)，小尺寸比

14、大尺寸、軸比孔的粗糙度要小。6、對(duì)于配合表面，其尺寸公差、形狀公差、表面粗糙度應(yīng)當(dāng)協(xié)調(diào)，一般情況下有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，現(xiàn)推薦如下：設(shè)尺寸公差代號(hào)IT；形狀公差代號(hào)t；表面粗糙度代號(hào)Ra、Rz若 t=0.6IT 則 Ra0.05IT Rz0.2IT t=0.4IT Ra0.025IT Rz0.1IT t=0.25IT Ra0.012IT Rz0.05IT t=0.25IT Ra0.15IT Rz0.6IT5.4 表面粗糙度的符號(hào)、代號(hào)及其標(biāo)注表面粗糙度的符號(hào)、代號(hào)及其標(biāo)注5.4.1 表面粗糙度的符號(hào)、代號(hào)1.表面粗糙度的符號(hào)5.82、表面粗糙高度參數(shù)輪廓算術(shù)平均偏差Ra值的標(biāo)注見(jiàn)表5.10 代號(hào)中

15、用數(shù)值表示(單位為微米)，Ra代號(hào)可省略。圖樣上標(biāo)注的表面粗糙參數(shù)為上限值或下限值，表示允許實(shí)測(cè)值中超過(guò)規(guī)定值的個(gè)數(shù)不大于15%。在圖樣上的表面粗糙參數(shù)后標(biāo)注最大值或最小值，表示要求所有實(shí)測(cè)值中不得超過(guò)規(guī)定值。Ra3、表面粗糙度高度參數(shù)輪廓微觀不平度十點(diǎn)高度Rz、輪廓最大高度Ry值(單位為微米)的標(biāo)注見(jiàn)表5.10續(xù)表。參數(shù)值前需標(biāo)注相應(yīng)的參數(shù)代號(hào)。Rz Ry4.表面粗糙度的代號(hào)a1、a2 粗糙度高度參數(shù)代號(hào)及其數(shù)值(單位微米)b 加工要求、鍍覆、涂覆、表面處理或其他說(shuō)明 c 取樣長(zhǎng)度(單位毫米)或波紋度(單位微米)d 加工微理方向符號(hào)(見(jiàn)表69)e 加工余量(單位毫米)f 粗糙度間距參數(shù)值(單

16、位毫米)或輪廓支承長(zhǎng)度率。5、需要控制加工方向時(shí)，可在基本符號(hào)右側(cè)加注相應(yīng)的符號(hào)。5.9圖5.14 Sm、tp參數(shù)值標(biāo)注示例圖5.15 附加要求的標(biāo)注示例5.4.2 表面粗糙度要求的圖樣標(biāo)注 表面粗糙度符號(hào)、代號(hào)一般注在圖樣的可見(jiàn)輪廓線(xiàn)、尺寸界限、引出線(xiàn)或它們的延長(zhǎng)線(xiàn)上，符號(hào)的尖端必須從材料外指向被測(cè)表面。代號(hào)中數(shù)字及符號(hào)的注寫(xiě)方向，必須與尺寸數(shù)字方向一致，如圖5.16所示。當(dāng)零件的大部分表面的粗糙度值要求相同時(shí)，不必一一標(biāo)注，對(duì)其中使用最多的一種符號(hào)、代號(hào)可統(tǒng)一注在圖樣的右上角，并加注“其余”兩字，如圖5.17所示。中心孔零件圖軸套其余5.5 表面粗糙度的檢測(cè) 零件完工后，其表面的粗糙度是否

17、滿(mǎn)足使用要求，需要進(jìn)行檢測(cè)。本節(jié)將介紹表面粗糙度檢測(cè)的基本原則和方法。5.5.1 檢測(cè)的基本原則1.測(cè)量方向的選擇 對(duì)于表面粗糙度，如未指定測(cè)量截面的方向時(shí)，則應(yīng)在高度參數(shù)最大值的方向進(jìn)行測(cè)量，一般來(lái)說(shuō)也就是在垂直于表面加工的紋理方向上測(cè)量。2.表面缺陷的摒棄 表面粗糙度不包括氣孔、砂眼、擦傷、劃痕等缺陷。3.測(cè)量部位的選擇 在若干有代表性的區(qū)段上測(cè)量。5.5.2 測(cè)量方法 表面粗糙度的常用檢測(cè)方法有比較法、輪廓法、光切法、干涉法、印模法等。1.用粗糙度樣塊比較比較法 用比較法檢驗(yàn)表面粗糙度是生產(chǎn)車(chē)間常用的方法。它是將被測(cè)表面與粗糙度樣塊進(jìn)行比較來(lái)評(píng)定表面粗糙度。比較法可用目測(cè)直接判斷或借助于

18、放大鏡、顯微鏡比較或憑觸覺(jué)、來(lái)判斷表面粗糙度。2.用電動(dòng)輪廓儀測(cè)量輪廓法 觸針式電動(dòng)輪廓儀是利用觸針直接在被測(cè)表面上輕輕劃過(guò)，從而測(cè)出值，測(cè)量值的范圍一般為80.02。性能比較完善的電動(dòng)輪廓儀可以測(cè)量 各參數(shù)。3.用光切顯微鏡測(cè)量光切法 光切顯微鏡又稱(chēng)雙管顯微鏡。它可以測(cè)量，以及規(guī)則表面(車(chē)、銑、刨等)的和S。測(cè)量的范圍一般為600.6m。4.用干涉顯微鏡測(cè)量干涉法 干涉顯微鏡是利用光波干涉原理測(cè)量表面粗糙度。干涉顯微鏡主要用來(lái)測(cè)量，兩個(gè)參數(shù)。測(cè)量的范圍一般為10.03m。5.對(duì)復(fù)制印模表面進(jìn)行測(cè)量印模法 對(duì)于大零件的內(nèi)表面，也有采用印模法進(jìn)行測(cè)量的，即用石蠟、低熔點(diǎn)合金(錫鉛等)或其他印模材料等將被測(cè)表面印模下來(lái)，然后對(duì)復(fù)制印模表面進(jìn)行測(cè)量。由于印模材料不可能充滿(mǎn)谷底，其測(cè)量值略有縮小，可查閱有關(guān)資料或自行實(shí)驗(yàn)得出修正系數(shù)，并在計(jì)算中加以修正。取樣長(zhǎng)度和評(píng)定長(zhǎng)度圖66輪廓的算術(shù)平均中線(xiàn)輪廓的算術(shù)平均中線(xiàn)返回返回圖65輪廓的最小二乘法輪廓的最小二乘法返回返回圖67輪廓算術(shù)平均偏差圖輪廓算術(shù)平均偏差圖返回返回或或圖69輪廓最大高度輪廓最大高度返回返回圖68微觀不平度十點(diǎn)誤差微觀不平度十點(diǎn)誤差返回返回圖610表面粗糙度的間距參數(shù)表面粗糙度的間距參數(shù)返回返回圖611輪廓支承長(zhǎng)度輪廓支承長(zhǎng)度返回返回