第13章表面粗糙度(252-264).doc

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第13章
表面粗糙度及其检测

本 章 要 点
表面粗糙度的基本概念，表面粗糙度的平定指标，表面粗糙度的选用方法及表面粗糙度的检测方法。

13.1 表面粗糙度及其评定
13.1.1 基本概念
用机械加工方法或利用其他方法获得的零件表面，总会存在着由较小间距和微小峰谷所组成的微量高低不平的痕迹，表述这些峰谷的高低程度和间距状况的微观几何形状特征的术语称为表面粗糙度。表面粗糙度主要是在加工过程中由刀具与被加工表面的摩擦、切削分离时表面金属层的塑性变形及工艺系统的高频振动等原因形成的。
表面粗糙度属于微观几何形状误差。事实上，加工后的零件表面并不是完全理想的平面，其截面轮廓形状由表面粗糙度、表面波度和形状误差叠加而成，如图13-1所示。目前，还没有划分上述三种误差的统一标准，通常可按相邻两波峰或两波谷之间的距离——波距λR的大小来划分：λR＜1mm的属于表面粗糙度(微观几何形状误差)；λR＝1mm～10mm呈周期性变化的属于表面波度(中间几何形状误差)；λR＞10mm且无明显周期性变化的属于形状误差(宏观几何形状误差)。
图13-1 零件的表面轮廓形状
表面粗糙度影响零件的使用性能，主要表现在以下几方面：
（1）对配合性质的影响 对于间隙配合，粗糙表面易磨损。孔、轴相对运动时，因配合表面间的有效接触面积小，单位压力大而会很快磨损，从而使配合间隙增大，引起配合性质的改变。对于过盈配合，在零件装配压人过程中，会使表面微观凸峰挤平而填人凹谷，减少了实际有效过盈，降低了连接强度。
（2）对摩擦磨损的影响 表面愈粗糙，摩擦系数就愈大，且两配合表面的实际有效接触面积也愈小，造成单位面积压力愈大，故表面更易磨损。但表面过于光滑，不利于贮存润滑油，易使工件表面形成半干摩擦或干摩擦，有时还会增加工件接触面的吸附力，反而使摩擦系数增大，加剧磨损。
（3）对耐腐蚀性的影响 粗糙表面的凹谷处容易积聚腐蚀性物质，造成金属表面锈蚀。凹谷愈深，零件耐腐蚀性愈差。
（4）对零件强度的影响 零件表面愈粗糙，凹痕愈深，对应力集中就愈敏感，在交变载荷作用下，零件疲劳破坏的可能性愈大。
此外，表面粗糙度还会影响结合的密封性、接触刚度、流体流动的阻力、测量精度以及机器、仪器的外观质量等。
13.1.2 基本术语
（1）取样长度
图13-2 取样长度和评定长度
取样长度是指用于判别和测量表面粗糙度时所规定的一段基准线长度。规定取样长度是为了限制和削弱表面波度对表面粗糙度测量结果的影响。取样长度过长，表面粗糙度测量值中可能含有表面波度的成分；取样长度过短，也不能确切反映表面粗糙度的实际情况，一般在取样长度范围内应包含5个以上的轮廓峰和轮廓谷，如图13-2所示。
一般情况下，当评定参数为轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz、轮廓最大高度Ry时，推荐按表13-1选择对应的取样长度值，此时在图样上可省略取样长度的标注。当有特殊要求时，应给出相应的取样长度值，并在图样上注出。
（2）评定长度
评定长度是用于评定表面粗糙度所必须的一段长度，它可以包括一个或几个取样长度，如图13-2所示。
由于被测表面上各处表面粗糙度的不均匀性，所以只根据一个取样长度的测量结果不能准确评定表面粗糙度，须连续取几个取样长度，测量后取其平均值作为测量结果。一般情况下，取，其值见表13-1。若被测表面比较均匀，可选；若被测表面均匀性差，可选。
（3）基准线m
基准线是用于评定表面粗糙度数值大小的一条参考线，其位置在被评定的轮廓中部，故又称轮廓中线，有以下两种：
1）轮廓最小二乘中线(简称中线)m 指在取样长度内，使轮廓上各点的轮廓偏距(轮廓上的各点至基准线的距离)的平方和为最小()的基准线，如图13-3所示。
表13-1 取样长度和评定长度的选用值
图13-3 轮廓最小二乘中线示意图
2）轮廓算术平均中线 指在取样长度内，划分实际轮廓为上、下两部分，且使上、下面积相等()的基准线，如图13-4所示。
轮廓最小二乘中线是很理想的基准线。但实际上很难找到它。故，可用轮廓算术平均中线代替最小二乘中线。当采用光学仪器测量时，通常用目测估计的办法来确定轮廓算术平均中线。
图13-4 轮廓的算术平均中线示意图
13.1.3 表面粗糙度的评定参数
表面粗糙度评定参数用来定量描述零件表面微观几何特征。为了满足对表面不同功能的要求，GB3505—83从表面微观几何特征的高度、间距和形状三个方面的特征规定了相应的评定参数。其中有三个基本参数(轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz和轮廓最大高度Ry)和三个附加参数(轮廓微观不平度的平均间距、轮廓的单峰平均间距和轮廓支撑长度率)。
（1）高度特征参数
1）轮廓算术平均偏差Ra 在取样长度内，轮廓偏距绝对值的算术平均值，称为轮廓算术平均偏差，如图13-5所示，其表达式为

或近似为

图13-5 轮廓算术平均偏差Ratio确定图解
2）微观不平度十点高度Rz 在取样长度内，5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和，称为微观不平度十点高度，如图13-6所示，其表达式为

式中，为第i个最大的轮廓峰高；为第i个最大的轮廓谷深。
图13-6 微观不平度十点高度Rz和轮廓最大高度Ry图解
对于同一表面轮廓，由于Rz值只反映取样长度内峰高和谷底的十个点，不能反映峰顶的尖锐或平钝的几何形状特性，所以Rz值不如Ra值那样能全面反映被测轮廓的微观几何性形状特性。
3）轮廓最大高度Ry 在取样长度内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离，称为轮廓最大高度，如图13-6所示。轮廓峰顶线和轮廓谷底线分别指在取样长度内，平行于中线并通过轮廓最高点和最低点的线。Ry的表达式为

式中，为轮廓最大峰高；为轮廓最大谷深。
Ｒy反映表面加工痕迹的深浅。
（2）间距特征参数
1）轮廓微观不平度平均间距Ｓm 在取样长度内，轮廓微观不平度间距Ｓmi的平均值称为微观不平度平均间距。轮廓微观不平度间距Ｓmi是指含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中线长度，如图13-7所示。Ｓm的表达式为

式中，n为在取样长度内轮廓微观不平度间距Ｓmi的个数。
图13-7 轮廓微观不平度间距和单峰间距的确定
2）轮廓单峰平均间距S 在取样长度内轮廓单峰间距Si的平均值称为轮廓单峰平均间距。所谓轮廓单峰间距Si是指两相邻轮廓单峰的最高点之间的距离在中线上投影的长度，如图13-8所示。S的表达式为

式中，n为在取样长度内单峰间距Si的个数。
轮廓微观不平度平均间距Ｓm和轮廓单峰平均间距S反映表面加工痕迹的细密程度。
（3）形状特征参数
微观不平度的形状特征用轮廓支承长度率表示，它是轮廓支承长度与取样长度之比，即

式中，n为取样长度内截线长度的个数。
图5—8 轮廓支承长度的确定
轮廓支承长度是指在取样长度内，一平行于中线的直线与轮廓相截所得到的各段截线长度之和，如图13-8所示。
截线与轮廓峰顶线之间的距离C叫水平截距。在同一轮廓上不同的C值所得到的值不同，值也不同。因此，值是对应于C值而给出的。标准规定，以百分率来表示，C值的单位可用或的百分数来表示。
轮廓支承长度率大的表面，接触刚度高，耐磨性好。
13.2 表面粗糙度的选用与检测
表面粗糙度值的各个评定参数和参数值的大小应根据零件的功能要求和经济性来选择。
13.2.1 评定参数的选用
在表面粗糙度的三类特征评定参数中，最常选用高度特征参数。只有在给出的高度特征参数不能满足零件的功能要求时，才附加地给出间距特征参数和形状特征参数。
（1）基本评定参数的选用
表面粗糙度高度特征参数是基本的评定参数，在图样上一般注出其中一个或两个。
Ra能客观、全面地反映被测轮廓高度方向的微观几何形状特征，在Ra＝0.025～6.3，Ｒz＝0.1～25的范围内，用触针式电动轮廓仪测量比较方便，应优先选用Ra。但由于触针式电动轮廓仪采用直接接触式测量方法，受其功能限制，对于太光滑和过于粗糙的表面，评定参数不宜选用Ra。故，在Ra＝0.008～0.020、Ｒz＝0.032～0.08或Ra＝6.3～100、Ｒz＝25～400范围内，用光切显微镜和干涉显微镜测Ｒz 较方便，多选用Ｒz 。
评定参数Ry反映表面轮廓的最大高度，但不涉及在最大峰高和最大谷底之间轮廓的变化，不能客观反映被测轮廓的微观几何性形状特性。对于被测狭小表面(如顶尖、切割刃等表面)，在一个取样长度内不足五个最大轮廓峰高和五个最大轮廓谷深，不适合用Ra或Ｒz,可选用Ry。对不允许出现较深加工痕迹和有疲劳强度要求的零件表面，应选用Ry，通常Ry与Ra联用。
（2）附加参数的选用
评定参数Ｓm、Ｓ和一般不能作为独立参数选用，仅在少数零件的重要表面有特殊使用要求时，才附加选用间距和形状特征参数来进一步控制表面质量。
Ｓm和Ｓ能直观地反映加工痕迹的疏密程度，与零件的功能有一定的关系。例如，为改善汽车外形薄钢板的可漆性，除规定高度参数Ra(0.9～1.3)外，还应规定间距参数Ｓ(0.13～0.23)；另外，对密封性要求高的表面、受交变载荷作用的应力界面，除选用Ra外，也要附加选用Sm或S。
由于 能直观反映实际接触面积的大小，它综合反映了峰高和间距的影响，而摩擦、磨损和接触刚度都与实际接触面积有关，因此，可作为零件表面耐磨性的指标。值越大，表面的承载能力及耐磨性等力学性能越好。
13.2.2 评定参数值及选用
表面粗糙度的评定参数值已经标准化，设计时应按GB／T1031—1995《表面粗糙度参数及其数值》规定的参数值系列选取，见表13-2～表13-5。
表13-2 轮廓算术平均偏差Ra 表13-3 微观不平度十点高度Rz、
的数值系列 轮廓最大高度Ry的数值系列
表13-4 轮廓微观不平度的平均间距Sm、轮廓 表13-5 轮廓支承长度率tp％的
单峰的平均间距S的数值系列 数值系列
表面粗糙度评定参数值的选用既要满足零件表面功能的要求，也要考虑到加工的经济性。一般来说，表面粗糙度数值越小，制造成本越高。因此，在满足使用性能要求的前提下，应尽可能选用较大的评定参数值。
确定零件表面粗糙度评定参数值时，除有特殊要求的表面外，类比法是通常采用的方法。一般可考虑按下述原则选用评定参数值。
（1）同一零件上，工作表面的表面粗糙度值应比非工作表面小。
（2）摩擦表面的表面粗糙度值小于非摩擦表面；滚动摩擦表面的表面粗糙度值小于滑动摩擦表面；运动速度高、单位压力大的摩擦表面，表面粗糙度值应小。
（3）承受交变动载荷的零件表面以及易引起应力集中的部位(圆角、沟槽等)，表面粗糙度值应小。
（4）配合性质要求稳定的较小间隙的间隙配合和承受重载荷的过盈配合的结合表面，应选用较小的表面粗糙度值。
（5）配合性质相同，零件尺寸越小时，表面粗糙度值应越小；同一公差等级，小尺寸比大尺寸、轴比孔的表面粗糙度值要小。
（6）配合零件的表面粗糙度值应与尺寸及形状公差相协调。通常尺寸及形状公差值小时，表面粗糙度值也小；尺寸公差较大的表面，其表面粗糙度值不一定也很大，如医疗器械、机床的手轮、手柄的表面，为了造型美观，操作舒适，都要求表面很光滑。
表13-6和表13-7分别列出了表面粗糙度值选用实例和孔、轴配合表面的表面粗糙度推荐值，供类比法选用时参考。
表13-6 表面粗糙度值的选用实例
续表13-6
表13-7 孔和轴的表面粗糙度推荐值
续表13-7
13.2.3 表面粗糙度符号、代号及标注
国标GB／T131—1993对表面粗糙度符号、代号及其标注方法作了的规定。
（1）表面粗糙度的符号
在图样上表面粗糙度的符号有五种，见表13-8。
表13-8 表面粗糙度符号及意义
（2）表面粗糙度代号及标注
表面粗糙度符号与表面粗糙度数值及其有关的规定项目构成表面粗糙度代号。表面粗糙度的代号及其标注如图13-9所示。
1）表面粗糙度基本参数的标注 a1处的高度参数值为上限值或最大值(后加max)；a2处的高度参数值为下限值或最小值(后加min)。当a2不标注时，则将a1注写在a2的位置上。高度参数Ra的符号可省略，而Rz和Ry的符号需注出。表面粗糙度高度参数注写示例及意义见表13-9。
图5—9 表面粗糙度的代号及其标注
a1、a2－粗糙度高度参数符号及其数值，；b－加工要求、镀锌或其他表面处理；
c－取样长度，mm,或波纹度，；d－加工纹理方向符号；e－加工余量,mm；
f－粗糙度间距特征参数或形状特征参数的符号和数值
表13-9 表面粗糙度高度参数注写示例及意义
表面粗糙度参数的“上限值”(或“下限值”)和“最大值”(或“最小值”)的含义不同。“上限值”表示所有测得值中允许16％的测得值超过规定值；而“最大值”表示不允许任何测得值超过规定值。
2）表面粗糙度附加参数的标注 在高度参数未标注时，附加参数不能单独标注。如图13-10(a)所示，表示Ｓm上限值为0.05mm；图中(b)表示Ｓm的最大值为0.05mm；图中(c)表示水平截距C在Ry的50％上，tp下限值为70％；图中(d)表示水平截距C在Ry的50％上，tp最小值为70％。
图13-10 表面粗糙度附加参数的标注
3）表面粗糙度其他要求的标注 取样长度按表13-1选取时，在图样上可省略标注，否则应按图13-11标注。图13-11(a)表示取样长度为2.5mm；图13-11(b)表示最后用磨削方法达到表面粗糙度要求，此项用文字标注；图13-11(c)表示表面加工总余量为3mm。
图5—11 表面粗糙度其他要求的标注
（3）表面粗糙度在图样上的标注
在零件图上，表面粗糙度符号、代号一般注在可见轮廓线、尺寸界限、引出线或它们的延长线上；符号的尖端必须从实体外指向实体表面；当零件的大部分表面具有相同的表面粗糙度要求时，对其中使用最多的一种代号可以统一注在图样的右上角，并加注“其余”两字。标注示例如图13-12所示。
图13-12表面粗糙度代号标注示例
13.2.4 表面粗糙度的测量
（1）比较法
比较法是将被测表面与已知高度参数值的表面粗糙度样块进行比较，用目测(可借助放大镜、比较显微镜)或凭检验者的触觉(用手摸或用指甲在表面划动)来判断表面粗糙度值的一种方法。表面粗糙度样块和被测零件的材料、表面几何形状及加工方法应尽量相同。
比较法属于表面粗糙度的综合评定方式，测量精度较低，但测量简便、迅速，故被工厂广泛使用。其测量范围一般为Ra＝0.1～50。
（2）光切法
光切法是利用光切原理测量表面粗糙度值的方法，常用仪器为光切显微镜(亦称双管显微镜)。测量的表征参数为Rz(或Ry)，测量的范围一般为Rz＝0.8～80。
（3）针描法
针描法又称感触法或触针法，它是利用触针在被测表面上轻轻划过，被测表面的微观不平使触针在垂直于表面轮廓方向上产生上下移动，将触针的移动量通过机械、电学、光学的转换，再经放大和积分运算，从仪器指示表直接读出粗糙度参数值或用记录仪描绘被测轮廓曲线的方法。针描法一般用于测量Ra＝0.025～3.2。
采用此法测量表面粗糙度的仪器称为轮廓仪。轮廓仪使用简便，效率高，可以测量内、外表面和曲面，但接触式触针轮廓仪不适合测量柔软的和易划伤的表面，这些表面可采用光触针式轮廓仪测量。
（4）干涉法
干涉法是利用光波干涉原理测量表面粗糙度的方法。根据该原理设计制造的仪器称为干涉显微镜，一般用于实验室中，干涉显微镜的测量范围为Rz＝0.025～0.8。
习 题
13-1 为什么规定了取样长度之后，还要规定评定长度？两者之间有什么关系？
13-2 表面粗糙度的评定参数有哪些？其检测方法主要有哪几种？各种方法的特点是什么？
13-3 试解释图13-13标注的表面粗糙度代号的含义。
图13-13 习题13-3图
13-4 试将下列的表面粗糙度要求标注在图13-14所示的零件图上。
（1）ΦＤ1孔的表面粗糙度参数Ra的上限值为3.2mm；
（2）ΦＤ2孔的表面粗糙度参数Ra值应在3.2～6.3范围内；
（3）凸缘右端面采用铣削加工，表面粗糙度参数Rz的上限值为12.5；
（4）Φd1和Φd2圆柱面表面粗糙度参数Ry的最大值为6.3；
（5）其余表面的表面粗糙度参数Ra的上限值为12.5。
图13-14 习题13-4图