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第4章表面粗糙度及检测4.1概述4.1.1表面粗糙度的概念经过机械加工的零件表面，不可能是绝对平整和光滑的，实际上存在着一定程度宏观和微观几何形状误差。表面粗糙度是反映微观几何形状误差的一个指标，即微小的峰谷高低程度及其间距状况。表面粗糙度和宏观几何形状误差（形状误差）、波度误差的区别，一般以波距小于1mm为表面粗糙度；波距在1—10mm为波度；波距大于10mm属于形状误差，（国家尚无此划分标准，也有按波距λ和波峰高度h比值划分的，λ/h40属于表面粗糙度；λ/h=40—1000属于波度误差；λ/h1000为形状误差）见图4.1所示。4.1.2表面粗糙度对零件使用性能的影响1.对摩擦、磨损的影响表面越粗糙，零件表面的摩擦系数就越大，两相对运动的零件表面磨损越快；若表面过于光滑，磨损下来的金属微粒的刻划作用、润滑油被挤出、分子间的吸附作用等，也会加快磨损。实践证明，磨损程度和表面粗糙度关系见图4.2。2.对配合性质的影响对于有配合要求的零件表面，粗糙度会影响配合性质的稳定性。若是间隙配合，表面越粗糙，微观峰尖在工作时很快磨损，导致间隙增大；若是过盈配合，则在装配时零件表面的峰顶会被挤平，从而使实际过盈小于理论过盈量，降低联接强度。3.对腐蚀性的影响金属零件的腐蚀主要由于化学和电化学反应造成，如钢铁的锈蚀。粗糙的零件表面，腐蚀介质越容易存积在零件表面凹谷，再渗入(a)表面轮廓(b)表面波度(c)形状误差图4.1表面粗糙度概念图4.2磨损量和表面粗糙度关系金属内层，造成锈蚀。4.对强度的影响粗糙的零件表面，在交变载荷作用下，对应力集中很敏感，因而降低零件的疲劳强度。5.对结合面密封性的影响粗糙表面结合时，两表面只在局部点上接触，中间存在缝隙，降低密封性能。由此可见，在保证零件尺寸精度、形位公差的同时，应控制表面粗糙度。4.2表面粗糙度的评定4.2.1主要术语及定义1.取样长度l测量和评定表面粗糙度时所规定的一段基准长度，称为取样长度l，如图4.3所示。规定取样长度是为了限制和减弱宏观几何形状误差，特别是波度对表面粗糙度测量结果的影响。一般取样长度至少包含5个轮廓峰和轮廓谷，表面越粗糙，取样长度应越大。国家标准GB/T1031—1995《表面粗糙度参数及其数值》规定的取样长度和评定长度见表4-1。2.评定长度ln评定长度是指评定轮廓表面所必须的一段长度。由于被加工表面粗糙度不一定很均匀，为了合理、客观反映表面质量，往往评定长度包含几个取样长度。如果加工表面比较均匀，可取ln5l，若表面不均匀，则取ln5l，一般取ln=5l。具体数值见表4-1。表4-1取样长度和评定长度的选用值（摘自GB/T1031—1995）Ra/μmRz、Ry/μml/mmnl/mm（nl=5l）≥0.008～0.02＞0.02～0.10＞0.10～2.0＞2.0～10.0＞10.0～80.0≥0.025～0.10＞0.10～0.50＞0.50～10.0＞10.0～50.0＞50.0～3200.080.250.82.58.00.41.254.012.540.0注：azyRRR、、为粗糙度评定参数图4.3取样长度和评定长度3.轮廓中线（基准线）轮廓中线是评定表面粗糙度参数值大小的一条参考线。下面介绍两种轮廓中线：1)轮廓昀小二乘中线具有几何轮廓形状并划分轮廓的基准线，在取样长度内使轮廓上各点的轮廓偏距的平方和昀小，如图4.4所示。轮廓偏距是指轮廓线上的点到基准线的距离，如y1、y2、y3、…、yn。轮廓昀小二乘中线的数学表达式：∫ldxy02=昀小值2)轮廓算术平均中线具有几何轮廓形状，在取样长度内与轮廓走向一致的基准线，该线划分轮廓并使上下两部分的面积相等。如图4.5所示。即：F1+F3+…F2n-1=F2+F4+…F2n用昀小二乘法确定的中线是唯一的，但比较困难。算术平均法常用目测确定中线，是一种近似的图解，较为简便，所以常用它替代昀小二乘法，在生产中得到广泛应用。4.2.2表面粗糙度的评定参数1.轮廓算术平均偏差aR在取样长度内，轮廓偏距绝对值的算术平均值。见图4.5所示。图4.4轮廓最小二乘中线示意图图4.5轮廓算术平均Ra=l1∫ldxy0或近似为Ra=∑=niiyn11Ra参数能较充分反映表面微观几何形状，其值越大，表面越粗糙。2.微观不平度十点高度zR在取样长度内，五个昀大的轮廓峰高的平均值与五个昀大轮廓谷深的平均值之和，如图4.6所示，Rz的数学表达式为：Rz=51（∑=51ipiy+∑=51iviy）Rz值越大，表面越粗糙。由于测点少，不能充分、客观反映实际表面状况，但测量、计算方便，所以应用较多。3.轮廓最大高度yR在取样长度内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。见图4.7。图中Rp为轮廓昀大峰顶，Rm为轮廓昀大谷深，则轮廓昀大高度：Ry=Rp+Rm图4.7轮廓最大高度图4.6微观不平度十点高度Ry常用于不可以有较深加工痕迹的零件，或被测表面很小不宜用azRR、来评定的表面。4.2.3一般规定在常用的参数值范围内，优先选用aRRa。国标规定采用中线制评定表面粗糙度，粗糙度的评定参数一般从aR、zR、yR中选取，如果零件表面有功能要求时，除选用上述高度特征参数外，还可选用附加的评定参数如间距特征参数（轮廓单峰平均间距、轮廓微观不平度平均间距）和形状特征参数等。由于篇幅有限，在此不作介绍。aR、zR、yR参数见表4-2、4-3。表4-2轮廓算术平均偏差（μm）系列值补充系列系列值补充系列系列值补充系列系列值补充系列0.0120.0250.0500.1000.0080.0100.0160.0200.0320.0400.0630.0800.200.400.800.1250.1600.250.320.500.631.001.63.26.31.252.02.54.05.08.010.012.5255010016.02032406380表4-3微观不平度十点高度Rz、轮廓最大高度Ry的数值（μm）系列值补充系列系列值补充系列系列值补充系列系列值补充系列系列值补充系列0.0250.0320.200.1250.1600.250.321.63.21.252.02.512.52516.020322001251602503200.0500.1000.0400.0630.0800.400.80.500.631.06.34.05.08.010.0501004063804008005006301000注：优先选用系列值。4.3表面粗糙度符号及标注4.3.1表面粗糙度符号和代号GB/T131—93对表面粗糙度符号、代号及标注都做了规定。表4-4是表面粗糙度符号、意义及说明。表4-4表面粗糙度符号及意义符号意义基本符号，表示表面用任何方法获得。当不加注粗糙度参数值或有关说明（如表面处理、局部热处理状况等）时，仅适用于简化代号标注。基本符号加一短划，表示表面是用去除材料的方法获得。如车、铣、刨、磨、钻、剪切、抛光、腐蚀、电火花加工、气割等。基本符号加一小圆，表示表面是用不去除材料方法获得。如铸、锻、冲压变形、热轧、粉末冶金等。或者是用于保持原供应状况的表面（包括保持上道工序的状况）。在上述三个符号的长边上加一横线，用于标注有关参数和说明。在上述三个符号的长边上加一小圆，表示所有表面具有相同的表面粗糙度要求4.3.2表面粗糙度的标注对零件有表面粗糙度要求时，须同时给出表面粗糙度参数值和取样长度的要求。如果取样长度按表4-1标准值时，则可省略标注。表面粗糙度数值及其有关规定在符号中的注写位置见图4.8。图中a1、a2——粗糙度参数代号及数值（μm）；b——加工要求、镀涂、表面处理或其它说明等；c——取样长度（mm）或波纹度（μm）；d——加工纹理方向符号；e——加工余量（mm）；f——粗糙度间距参数值（mm）或轮廓支承长度率。表面粗糙度高度特征参数是基本参数，Ra值在标注时，只需标数值而不需标代号。而标注Rz、Ry值时，应在数值前加代号，如表4-5所示。表4-5中有关表面粗糙度参数的“上限值”（或“下限值”）和“昀大值”（或“昀小值”）的含义是不同的。“上限值”表示所有实测值中，允许有16%的实测值可以超过规定值；而“昀大值”表示不允许任何实测值超图4.8表面粗糙度代号注法过规定值。表4-5表面粗糙度高度参数值得标注示例及意义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6.3μm用任何方法获得的表面粗糙度，Ra的昀大值为6.3μm用去除材料方法获得的表面粗糙度，Ra的上限值为6.3μm用去除材料方法获得的表面粗糙度，Ra的昀大值为6.3μm用去除材料方法获得的表面粗糙度，Ra的上限值为6.3μm，Ra的下限值为3.2μm用去除材料方法获得的表面粗糙度，Ra的昀大值为6.3μm，Ra的昀小值为3.2μm用不去除材料方法获得的表面粗糙度，Ry的上限值为100μm用不去除材料方法获得的表面粗糙度，Ry的昀大值为100μm用去除材料方法获得的表面粗糙度，Ra的上限值为6.3μm，Rz的上限值为100μm用去除材料方法获得的表面粗糙度，Ra的昀大值为6.3μm，Rz的昀大值为100μm4.3.3表面粗糙度在图样上的标注方法图样上表面粗糙度符号一般标注在可见轮廓线、尺寸线或其引出线上；对于镀涂表面，可以标注在表示线（粗点划线）上；符号的尖端必须从材料外面指向实体表面，数字及符号的方向必须按图4.9a、b及图4.10规定要求标注。(a)螺纹、内孔的标注(b)不同方向表面的标注图4.9表面粗糙度标注4.4表面粗糙度数值的选择零件表面粗糙度不仅对其使用性能的影响是多方面的，而且关系到产品质量和生产成本。因此在选择粗糙度数值时，应在满足零件使用功能要求的前提下，同时考虑工艺性和经济性。在确定零件表面粗糙度时，除了有特殊要求的表面外，一般采用类比法选取。在选取表面粗糙度数值时，在满足使用要求的情况下，尽量选择大的数值，除此外，应考虑以下几个方面：1)同一零件，配合表面、工作表面的数值小于非配合表面、非工作表面的数值。2)摩擦表面、承受重载荷和交变载荷表面的粗糙度数值应选小值。3)配合精度要求高的结合面、尺寸公差和形位公差精度要求高的表面，粗糙度选小值。4)同一公差等级的零件，小尺寸比大尺寸，轴比孔的粗糙度值要小。5)要求耐腐蚀的表面，粗糙度值应选小值。6)有关标准已对表面粗糙度要求作出规定的应按相应标准确定表面粗糙度数值。表5-6、表5-7是常用表面粗糙度数值及加工和应用，以供参考。表4-6常用表面粗糙度推荐值表面特征Ra/μm不大于基本尺寸/mm公差等级表面到50大于50到500轴0.20.45孔0.40.8轴0.40.86孔0.4-0.80.8-1.6轴0.4-0.80.8-1.67孔0.81.6轴0.81.6经常拆卸零件的配合表面（如挂轮、滚刀等）8孔0.8-1.61.6-3.2图4.10花键、齿轮粗糙度标注表面特征Ra/μm不大于基本尺寸/mm公差等级表面到50大于50-120大于120-500轴0.1-0.20.40.45孔0.2-0.40.80.8轴0.40.81.66-7孔0.81.61.6轴0.80.8-1.61.6-3.28孔1.61.6-3.21.6-3.2轴1.6过盈配合的配合表面装配a）按机械压入法b）装配按热处理法—孔1.6-3.2径向跳动公差/mm2.546101625表面Ra/μm轴0.050.10.10.20.40.8精密定心用配合的零件表面孔0.10.20.20.40.81.6公差等级6-910-12液体湿摩擦条件表面Ra/μm不大于轴0.4-0.80.8-3.20.1-0.4滑动轴承的配合表面孔0.8-1.61.6-3.20.2-0.8表4-7表面粗糙度参数、加工方法和应用举例Ra/μm加工方法应用举例12.5-25粗车、粗铣、粗刨、钻、毛锉、锯断等粗加工非配合表面。如轴端面、倒角、钻孔、齿轮和带轮侧面、键槽底面、垫圈接触面及不重要的安装支承面6.3-12.5车、铣、刨、镗、钻、粗绞等半精加工表面。如轴上不安装轴承、齿轮等处的非配合