第5章-表面粗糙度

第5章表面粗糙度与检测陆丽妍课前导读本章从介绍表面粗糙度的概念出发，讨论并分析如何正确选用表面粗糙度参数及参数值，以满足零件的互换性和机器的使用性能要求。基础知识表面粗糙度的基本术语，评定参数和标注方法。重点知识表面粗糙度的评定参数和参数值的选择原则。难点知识类比法选择表面粗糙度参数值。5.1概述表面粗糙度主要是由加工过程中刀具和被加工表面间的摩擦、切削过程中切屑分离时表层金属材料的塑性变形以及工艺系统的高频振动零件被加工表面上的微观的几何形状误差称为表面粗糙度，又称微观不平度。表面粗糙度与形状误差（宏观的误差）和表面波度是有区别的。通常波距λ（指相邻两波峰或两波谷之间的距离）小于1mm的属于表面粗糙度，波距在1~10mm的属于表面波度，波距大于10mm的属于形状误差，如图5-1所示。5.1.1表面粗糙度的概念图5-1加工误差示意图1、摩擦和磨损方面表面越粗糙，摩擦系数就大，摩擦阻力也越大，使零件配合面的磨损加剧。2、配合性质方面表面粗糙度影响配合性质的稳定性。对间隙配合，粗糙的表面会因峰尖很快磨损而使间隙逐渐加大；对过盈配合，则因装配表面的峰顶被挤平，使有效实际过盈减少，影响联结强度。3、疲劳强度方面表面越粗糙，一般表面微观不平的凹痕就越深，交变应力作用下的应力集中就会越严重，越易造成零件抗疲劳强度的降低导致失效。5.1.2表面粗糙度对零件使用性能的影响4、耐腐蚀性方面粗糙的表面，腐蚀性气体或液体易于通过表面微观凹谷渗入到金属内层，造成表面锈蚀。5、接触刚度方面表面越粗糙，表面间接触面积就越小，致使单位面积受力就增大，造成峰顶处的局部塑性变形加剧，接触刚度下降，影响机器工作精度和平稳性。此外，表面粗糙度还影响结合面的密封性，影响产品的外观和表面涂层的质量等。本课小结表面粗糙度是指零件被加工表面上的微观几何形状误差。它不同于表面宏观几何形状误差以及表面波度。表面粗糙度影响零件的使用性能。5.2表面粗糙度国家标准5.2.1取样长度l取样长度是指用于判别被评定轮廓的不规则特征的一段长度。图5-2取样长度和评定长度表5-1取样长度与评定长度的选用值(摘自GB1031—1995)取样长度应与表面粗糙度的要求相适应(表5-1)。取样长度过短，不能反映表面粗糙度的实际情况；取样长度过长，表面粗糙度的测量值又会把表面波度的成分包括进去。在取样长度范围内，一般应包含5个以上的轮廓峰和轮廓谷。5.2.2评定长度评定长度是指用于判别被评定轮廓表面粗糙度所必须的一段长度。如图5-2所示。为了充分合理地反映表面的特性，通常取几个取样长度来评定表面粗糙度，一般=5l。5.2.3基准线用以测量或评定表面粗糙度数值大小的一条参考线称为基准线，基准线通常有轮廓最小二乘中线和轮廓算术平均中线两种。（1）轮廓最小二乘中线（简称中线）在取样长度范围内，实际被测轮廓线上的各点至一条假想线的距离的平方和为最小，即=Min，这条假想线就是最小二乘中线（图5-3a中的和）。nlnl2iy1O1O2O2O图5-3轮廓中线（2）轮廓算术平均中线在轮廓图形上确定最小二乘中线的位置比较困难，在实际工作中可用算术平均中线代替最小二乘中线，两者相差不大.1O在取样长度内，由一条假想线将实际轮廓分成上、下两部分，而且使上部分面积之和等于下部分面积之和，即。这条假想线就是轮廓算术平均中线（图5-3b中的和）。1O2O2OiiFF5.2.4评定参数1.高度特征参数——主参数（1）轮廓算术平均偏差在取样长度内，被测表面轮廓上各点至基准线距离Yi的绝对值的平均值（图5-4）。式中：y(x)——表面轮廓上点到基准线的距离；yi——表面轮廓上第i个点到基准线的距离；l——取样长度；n——取样数。公式表示为或近似为dxxylRla01niiaynR11aR图5-4轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差较全面地反映表面粗糙度的高度特征，概念清楚，检测方便，为当前世界各国普遍采用。aR（2）微观不平度十点高度在取样长度内，被测实际轮廓上5个最大轮廓峰高的平均值与5个最大轮廓谷深的平均值之和（图5-5）。式中；Ypi——第i个最大轮廓峰高；Yvi——第i个最大轮廓谷深，谷深不取成负值。（3）轮廓最大高度在取样长度内，轮廓的峰顶线与轮廓谷底线之间的距离（图6-8）。公式表示为515151iivipizyyRZRyR轮廓峰顶线和轮廓谷底线，分别指在取样长度l内，平行于基准线且通过轮廓最高点和最低点的直线。图5-5高度特征参数公式表示为maxmaxvpyyyR2.间距特征参数——附加参数（1）轮廓微观不平度的平均间距在取样长度内轮廓微观不平度间距的平均值（图5-6）。所谓轮廓微观不平度的间距Smi是指轮廓峰和相邻的轮廓谷在中线上的一段长度。（2）轮廓的单峰平均间距S在取样长度内轮廓的单峰间距的算术平均值（图6-9）。所谓轮廓单峰间距Si是指两相邻单峰的最高点之间距离投影在中线上的长度。nimimSnS11niiSS121mSmiSiS图5-6轮廓间距参数式中：n—轮廓单峰的个数—第i个轮廓单峰间距。iS3.形状特征参数——附加参数轮廓的支承长度率在取样长度内，一平行于基准线的直线从峰顶线向下移到某一水平位置时，与轮廓相截所得到的各段截线长度bi之和与取样长度l之比，如图5-7所示。图5-7轮廓支承长度pt4.表面粗糙度国家标准表面粗糙度的评定参数值已经标准化，设计时应根据国家标准规定的参数值系列选取。国家标准GB1031—1995要求优先选用基本系列值。表5-2轮廓算术平均偏差Ra的数值(μm）本课小结用以测量或评定表面粗糙度数值大小的基准线有轮廓最小二乘中线和轮廓算术平均中线。国家标准中，轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz、轮廓最大高度Ry的定义，及它们三者的测量特点。表面粗糙度数值已经标准化。5.3.1表面粗糙度参数的选择首先满足使用性能要求，其次兼顾经济性。即，在满足使用要求的前题下，尽可能降低表面粗糙度要求，放大表面粗糙度允许值。对大多数表面来说，给出高度特征评定参数即可反映被测表面粗糙度的特征。附加参数只在高度特征参数不能满足表面功能要求时，才附加选用。在常用的参数值范围（Ra为0.025~6.3μm，Rz为0.100~25μm）内，国家标准推荐优先选用5.3表面粗糙度参数及其参数值的选用选择表面粗糙度参数时就注意：1、对于光滑表面和半光滑表面，一般采用Ra作为评定参数。Ra值反映实际轮廓微观几何形状特性的信息量大，而且Ra值用触针式电动轮廓仪测量比较容易。2、对于极光滑和极粗糙表面，宜采用Rz作为评定参数。Rz值通常用非接触式的光切显微镜测量。但Rz不如Ra对表面微观几何形状特征反映的全面。3、对不允许出现较大加工痕迹和受交变应力作用的表面，应采用Ry作为评定参数。Ry概念简单、测量简便，但Ry不如Ra或Rz反映全面。因此对于狭小表面，Ry具有实际意义。另外可按实际情况，Ry与Ra或Rz联用，综合控制表面粗糙度。4、对密封性要求高的表面，可使用间距特性参数Sm和S。5、对耐磨性要求高的表面可规定tp。具体选用时多用类比法来确定粗糙度的参数值。按类比法选择表面粗糙度参数值时，可先根据经验资料初步选定表面粗糙度参数值，然后再对比工作条件作适当调整。调整时主要考虑以下几点：1）同一零件上，工作表面的粗糙度值应比非工作表面小。2)摩擦表面的粗糙度值应比非摩擦表面小。对有相对运动的工件表面，运动速度愈高，其粗糙度值也应愈小。3)单位面积压力大或受交变应力作用的重要零件的圆角、沟槽表面粗糙度值应选小值。4)配合性质要求越稳定，表面粗糙度值应越小。配合性质相同时，尺寸愈小的结合面，表面粗糙度值也应越小。同一精度等级，小尺寸比大尺寸、轴比孔的表面粗糙度值要小。5)有防腐蚀、密封性要求和外表美观的表面，其表面粗糙度参数值应小。5.3.2表面粗糙度参数值的选择6)表面粗糙度值应与尺寸公差、形位公差相适应。通常，零件的尺寸公差、形位公差要求高时，表面粗糙度值应较。(表5-4列出了表面粗糙度参数值与尺寸公差的关系，供设计时参考。)7)遇到已有专门标准对表面粗糙度作出要求的（例如齿轮齿面的表面粗糙度），应按专门标准来确定各典型表面的表面粗糙度参数值。表5-4表面粗糙度参数值与尺寸公差的关系选择表面粗糙度总的原则是：首先满足使用性能要求，其次兼顾经济性。即，在满足使用要求的前题下，尽可能降低表面粗糙度要求，放大表面粗糙度允许值。选择表面粗糙度一般采用经验类比法。本课小结5.4.1表面粗糙度符号5.4表面粗糙度代号及其标注方法表面粗糙度的符号有三种形式，见表5-7。5.4.2表面粗糙度的代号表面粗糙度的代号由表面粗糙度符号和表面粗糙度参数字母代号及数值和各种有关规定注写内容组成。见表格-8.表5-9列出了表面粗糙度的代号标注示例，在标注表面粗糙度的代号时，要注意加工方法、表面粗糙度参数及其数值的上限值（下限值）和最大值（最小值）、加工纹理方向、取样长度等的正确注写。5.4.3表面粗糙度代号的标注示例表5-9表面粗糙度的代号标注示例代号意义代号意义用任何方法获得的表面，粗糙度Ra的上限值为3.2m用不去除材料方法获得的表面，粗糙度Ra的上限值为3.2m用去除材料方法获得的表面，粗糙度Ra的上限值为3.2m用去除材料方法获得的表面，粗糙度Rz的上限值为3.2m，下限值为1.6m用去除材料方法获得的表面，粗糙度Ra的最大值为3.2m用去除材料方法获得的表面，粗糙度Ry的最大值为6.3m用去除材料方法获得的表面，粗糙度Rz的最大值为3.2m，最小值为1.6m用去除材料方法获得，零件上所有表面的粗糙度Rz的最大值为3.2m，Ry的最大值为12.5m最后用磨削方法获得的表面，Ra的最大值为1.6m，取样长度0.8mm，轮廓微观不平度平均间距Sm不得超过0.05mm，加工纹理方向平行于标注代号的视图的投影面用去除材料方法获得的表面，粗糙度Ra的上限值为1.6m，轮廓的支承长度率tp为70%，轮廓的水平截距C为Ry的50%，加工纹理方向呈两相交的方向1、表面粗糙度代号一般标注在可见轮廓线、尺寸界线、引出线或它们的延长线上。符号的尖端必须从材料外指向表面。2、表面粗糙度的代号中数字书写的方向必须按机械制图中尺寸标注的规定，注意尺寸标注的“30º”禁区内应使用引线引出后标注。3、重复要素的表面（齿轮齿面、花键键槽表面），表面粗糙度的代号只标注一次。4、表面粗糙度的“其余”代号标注在图样的右上角。5.4.4表面粗糙度在零件图中的标注注意事项5.4.5表面粗糙度代（符）号在图样上的标注实例表面粗糙度代（符）号应注在可见轮廓线、尺寸界线或其延长线上，符号的尖端必须从材料外指向被注表面，数字及符号的注写方向必须与尺寸数字方向一致。图5-10表面粗糙度代号注法图5-11表面粗糙度标注示例图5-12中心孔、圆角、倒角的表面粗糙度标注示例图5-7所示为一减速箱中的输出轴，表面粗糙度的要求均已标注齐全。读图时注意以下几点：1、两个轴颈φ55j6与滚动轴承配合，参照表5-2、表5-5、表5-6及表7-7（见第七章），应选取Ra≤0.8μm，图中取Ra为0.8μm。2、φ55r6和φ45m6分别与齿轮和带轮相配合，参照表5-2、表5-5、表5-6，应选取Ra≤1.6μm，图中取Ra为1.6μm。3、φ62mm的左右两轴肩为止推面，分别对齿轮和滚动轴承起定位作用，参照表5-2、表5-5、表5-6及表7-7，应选取Ra≤3.2μm，图中取Ra为3.2μm。4、键槽两侧面一般是铣削加工，其精度较低，故选Ra为3.2μm。5、轴上其它非配合表面，如端面、键槽底面、φ52mm圆柱面等处，均属不太重要的表面，故选取Ra为6.3μm。本课小结国标规定了表面粗糙度符号、代号的特殊意义。表面粗糙度代（符）号在图样上的标注必须规范化。5.5表面粗糙度的检测（选学）1.比较法比较法是指将被测表面与已知高度特征参数值的粗糙度样板相比较,从而判断表面粗糙度的一种检测方