1、第五章 表面粗糙度轮廓及其检测无论是切削加工的零件表面上，还是用铸、锻、冲压、热轧、冷轧等方法获得的零件表面上，都会存在着由间距很小的微小峰、谷所形成的微观几何误差，这用表面粗糙度轮廓表示。零件表面粗糙度轮廓对该零件的功能要求、使用寿命、美观程度都有重大的影响。为了正确地测量和评定零件表面粗糙度轮廓以及在零件图上正确地标注表面粗糙度轮廓的技术要求，以保证零件的互换性，我国发布了 GBT 35052000产品几何技术规范表面结构 轮廓法 表面结构的术语、定义及参数 、GBT106101998产品几何技术规范 表面结构 轮廓法评定表面结构的规则和方法 、GB T10311995表面粗糙度 参数及其
2、数值和 GBT1311993机械制图 表面粗糙度符号、代号及其注法等国家标准。1 表面粗糙度轮廓的基本概念一、表面粗糙度轮廓的界定为了研究零件的表面结构，通常用垂直于零件实际表面的平面与该零件实际表面相交所得到的轮廓作为评估对象。它称为表面轮廓，是一条轮廓曲线，如图 5-1 所示。任何加工后的表面的实际轮廓总是包含着表面粗糙度轮廓、波纹度轮廓和宏观形状轮 廓等构成的几何误差，它们叠加在同一表面上，如图 5-2 所示。粗糙度、波纹度、宏观形状通常按表面轮廓上相邻峰、谷间距的大小来划分：间距小于 1mm 的属于粗糙度；间距在11Omm 的属于波纹度；间距大于 10mm 的属于宏观形状。粗糙度叠加在
3、波纹度上，在忽略由于粗糙度和波纹度引起的变化的条件下表面总体形状为宏观形状，其误差称为形状误差。二、表面粗糙度轮廓对零件工作性能的影响1对耐磨性的影响相互运动的两个零件表面越粗糙，则它们的磨损就越快。这是因为这两个表面只能在轮廓的峰顶接触，当表面间产生相对运动时，峰顶的接触将对运动产生摩擦阻力，使零件表面磨损。2对配合性质稳定性的影响相互配合的孔、轴表面上的微小峰被去掉后，它们的配合性质会发生变化。对于过盈配合，由于压人装配时孔、轴表面上的微小峰被挤平而使有效过盈减小；对于间隙配合，在零件工作过程中孔、轴表面上的微小峰被磨去，使间隙增大，因而影响或改变原设计的配合性质。3对耐疲劳性的影响对于承
4、受交变应力作用的零件表面，疲劳裂纹容易在其微小谷底出现，这是因为在表面轮廓的微小谷底处产生应力集中，使材料的疲劳强度降低，导致零件表面产生裂纹而损坏。4对抗腐蚀性的影响在零件表面的微小谷的位置容易残留一些腐蚀性物质。由于腐蚀性物质与零件的材料不同，因而形成电位差，对零件表面产生电化学腐蚀。表面越粗糙，则电化学腐蚀就越严重。此外，表面粗糙度轮廓对机械联接的密封性和零件的美观等也有很大的影响。因此，在零件精度设计中，对零件表面粗糙度轮廓提出合理的技术要求是一项不可缺少的重要内容。2 表面粗糙度轮廓的评定零件在加工后的表面粗糙度轮廓是否符合要求；应由测量和评定它的结果来确定。测量和评定表面粗糙度轮廓
5、时，应规定取样长度、评定长度、中线和评定参数。当没有指定测量方向时，测量截面方向与表面粗糙度轮廓幅度参数的最大值相一致，该方向垂直于被测表面的加工纹理，即垂直于表面主要加工痕迹的方向。一、取样长度和评定长度1取样长度鉴于实际表面轮廓包含着粗糙度、波纹度和形状误差等三种几何误差，测量表面粗糙度轮廓时，应把测量限制在一段足够短的长度上，以限制或减弱波纹度、排除形状误差对表面粗糙度轮廓测量的影响。这段长度称为取样长度，它是用于判别被评定轮廓的不规则特征的 X 轴方向上(图 5-1)的长度，用符号 lr 表示，如图 5-3 所示。表面越粗糙，则取样长度 lr 就应越大。标准取样长度的数值见附表 5-1
6、。2评定长度由于零件表面的微小峰、谷的不均匀性，在表面轮廓不同位置的取样长度上的表面粗糙度轮廓测量值不尽相同。因此，为了更可靠地反映表面粗糙度轮廓的特性，应测量连续的几个取样长度上的表面粗糙度轮廓。这些连续的几个取样长度称为评定长度，它是用于判别被评定轮廓特征的 X 轴方向上(图 5-1)的长度，用符号 ln 表示，如图 5-3 所示。应当指出，评定长度可以只包含一个取样长度或包含连续的几个取样长度。标准评定长度为连续的 5 个取样长度。二、表面粗糙度轮廓的中线获得实际表面轮廓后，为了定量地评定表面粗糙度轮廓，首先要确定一条中线，它是具有几何轮廓形状并划分被评定轮廓的基准线。以中线为基础来计算
7、各种评定参数的数值。通常采用下列的表面粗糙度轮廓中线。1轮廓的最小二乘中线轮廓的最小二乘中线如图 5-4 所示。在一个取样长度 lr 范围内，最小二乘中线使轮廓上各点至该线的距离的平方之和 为最小，即： 。lr02dxZmincba2222轮廓的算术平均中线轮廓的算术平均中线如图 5-5 所示。在一个取样长度 lr 范围内，算术平均中线与轮廓走向一致，这条中线将轮廓划分为上、下两部分，使上部分的各个面积之和等于下部分的各个面积之和，即 。n1iiF三、表面粗糙度轮廓的评定参数为了定量地评定表面粗糙度轮廓，必须用参数及其数值来表示表面粗糙度轮廓的特征。鉴于表面轮廓上的微小峰、谷的幅度和间距的大小
8、是构成表面粗糙度轮廓的两个独立的基本特征，因此在评定表面粗糙度轮廓时，通常采用下列的幅度参数和间距参数。1轮廓的算术平均偏差(幅度参数)轮廓的算术平均偏差是指在一个取样长度 lr 范围内(图 5-4)，被评定轮廓上各点至中线的纵坐标值 Z(x)的绝对值的算术平均值，用符号 Ra 表示。它用公式表示为：(5-1)lr0dxZ)1Ra或近似表示为：(5-2)n1ii)(2轮廓的最大高度(幅度参数)参看图 5-6，在一个取样长度 lr 范围内轮廓上各个高极点至中线的距离叫做轮廓峰高，用符号 Zpi 表示，其中最大的距离叫做最大轮廓峰高 Rp(图中 Rp=Zp6)；轮廓上各个低极点至中线的距离叫做轮廓
9、谷深，用符号 Zvi 表示，其中最大的距离叫做最大轮廓谷深，用符号 Rv 表示(图中 Rv=Zv2)。轮廓的最大高度是指在一个取样长度 lr 范围内，被评定轮廓的最大轮廓峰高 Rp 与最大轮廓谷深 Rv 之和的高度，用符号 Rz 表示，即Rz=Rp+Rv (5-3)对同一表面，只标注 Ra 和 Rz 中的一个，切勿同时把两者都标注。3轮廓单元的平均宽度(间距参数)参看图 5-7，一个轮廓峰与相邻的轮廓谷的组合叫做轮廓单元，在一个取样长度 lr 范围内，中线与各个轮廓单元相交线段的长度叫做轮廓单元的宽度，用符号 Xsi 表示。轮廓单元的平均宽度是指在一个取样长度 lr 范围内所有轮廓单元的宽度
10、Xsi 的平均值，用符号 RSm 表示，即(5-4)m1iXsRS3 表面粗糙度轮廓的技术要求一、表面粗糙度轮廓技术要求的内容规定表面粗糙度轮廓的技术要求时，必须给出表面粗糙度轮廓幅度参数及允许值和测量时的取样长度值这两项基本要求，必要时可规定轮廓其他的评定参数(如 RSm)、表面加工纹理方向、加工方法或(和)加工余量等附加要求。如果采用标准取样长度，则在图样上可以省略标注取样长度值。表面粗糙度轮廓的评定参数及允许值的大小应根据零件的功能要求和经济性来选择。二、表面粗糙度轮廓评定参数的选择在机械零件精度设计中，通常只给出幅度参数 Ra 或 Rz 及允许值，根据功能需要，可附加选用间距参数或其他
11、的评定参数及相应的允许值。参数 Ra 的概念颇直观，Ra 值反映表面粗糙度轮廓特性的信息量大，而且 Ra 值用触针式轮廓仪测量比较容易。因此，对于光滑表面和半光滑表面，普遍采用 Ra 作为评定参数。但由于触针式轮廓仪功能的限制，它不宜测量极光滑表面和粗糙表面，因此对于极光滑表面和粗糙表面，采用 Rz 作为评定参数。三、表面粗糙度轮廓参数允许值的选择表面粗糙度轮廓参数允许值应从 GBT10311995 规定的参数值系列(见附表 5-2)中选取。一般来说，零件表面粗糙度轮廓参数值越小，它的工作性能就越好，使用寿命也越长。但不能不顾及加工成本来追求过小的参数值。因此，在满足零件功能要求的前提下，应尽
12、量选用较大的参数值，以获得最佳的技术经济效益。此外，零件运动表面过于光滑，不利于在该表面上储存润滑油，容易使运动表面间形成半干摩擦或干摩擦，从而加剧该表面磨损。表面粗糙度轮廓幅度参数允许值的选用原则如下：同一零件上，工作表面的粗糙度轮廓参数值通常比非工作表面小。但对于特殊用途的非工作表面，如机械设备上的操作手柄的表面，为了美观和手感舒服，其表面粗糙度轮廓参数允许值应予以特殊考虑。摩擦表面的粗糙度轮廓参数值应比非摩擦表面小。相对运动速度高、单位面积压力大、承受交变应力作用的表面的粗糙度轮廓参数允许值都应小。对于要求配合性质稳定的小间隙配合和承受重载荷的过盈配合，它们的孔、轴的表面粗糙度轮廓参数允
13、许值都应小。在确定表面粗糙度轮廓参数允许值时，应注意它与孔、轴尺寸的标准公差等级协调。这可参考表 5-1 所列的比例关系来确定。一般来说，孔、轴尺寸的标准公差等级越高，则该孔或轴的表面粗糙度轮廓参数值就应越小。对于同一标准公差等级的不同尺寸的孔或轴，小尺寸的孔或轴的表面粗糙度轮廓参数值应比大尺寸的小一些。凡有关标准业已对表面粗糙度轮廓技术要求作出具体规定的特定表面(例如，与滚动轴承配合的轴颈和外壳孔，见附表 6-2)，应按该标准的规定来确定其表面粗糙度轮廓参数允许值。对于防腐蚀、密封性要求高的表面以及要求外表美观的表面，其粗糙度轮廓参数允许值应小。确定表面粗糙度轮廓参数允许值，除有特殊要求的表
14、面外，通常采用类比法。表 5-2列出了各种不同的表面粗糙度轮廓幅度参数值的选用实例。4 表面粗糙度轮廓技术要求在零件图上标注的方法确定零件表面粗糙度轮廓评定参数及允许值和其他技术要求后，应按 GBT1311993 的规定，把表面粗糙度轮廓技术要求正确地标注在零件图上。一、表面粗糙度轮廓的符号和代号表面粗糙度轮廓各种不同的技术要求应该使用表面粗糙度轮廓符号和代号的形式标注 在零件图上。按照不同的需要，GBT 1311993 规定了三个表面粗糙度轮廓符号，见图5-8。其中，(a)图所示的基本符号，表示表面可用任何方法获得；(b)图所示的符号表示表面用去除材料的方法获得，例如车、铣、钻、刨、磨、抛光
15、、电火花加工、气割等方法获得的表面；(c)图所示的符号表示表面用不去除材料的方法获得，例如铸、锻、冲压、热轧、冷轧、粉末冶金等方法获得的表面，或表示保持原供应状况的表面(包括保持上道工序状况的表面)。在上述三个符号的长边上均可加一条横线，用于标注某些技术要求。在表面粗糙度轮廓符号的周围标注了评定参数的符号和允许值以及其他技术要求就构成了表面粗糙度轮廓代号，图 59 所示为典型的表面粗糙度轮廓代号和各项技术要求的标注位置。二、表面粗糙度轮廓代号的标注方法在零件图上，表面粗糙度轮廓符号周围一般只标注幅度参数 Ra 或 Rz 和允许值(单位为m)，而构成表面粗糙度轮廓代号。幅度参数的符号在前，允许值
16、在后，其标注位置在图5-9 所示的 a 处。但在采用幅度参数 Ra 时，不需标注该参数的符号，而只标注其允许值。表面粗糙度轮廓幅度参数允许值的给定分下列几种情况：给定上限值 这时，同一评定长度范围内幅度参数所有的实测值中，大于上限值的个数少于总数的 16，则认为合格。给定上限值和下限值 这时，同一评定长度范围内幅度参数所有的实测值中，大于上限值的个数少于总数的 16，且小于下限值的个数少于总数的 16，则认为合格。给定最大值 这时，在最大值后面增加标注一个“max”的标记，整个被测表面上幅度参数所有的实测值皆不大于允许值，则认为合格。给定最大值和最小值 这时，在最大值后面增加标注一个“max”
17、的标记，在最小值后面增加标注一个“min”的标记，整个被测表面上幅度参数所有的实测值皆在最大与最小允许值范围内，才认为合格。表面粗糙度轮廓幅度参数 Ra 值和 Rz 值标注示例见表 5-3。如果需要标注表面粗糙度轮廓的其他技术要求，则按图 5-9 所示的标注位置如下进行标注：b 处标注表面的最后一道工序的加工方法、镀涂或其他的表面处理方法。c 处标注非标准的取样长度(mm)。d 处标注加工纹理方向。加工纹理方向的符号及注法见图 5-10，倘若这些符号不能清楚地表明所要求的纹理方向，则应在图样上用文字说明。e 处标注加工余量(mm)。f 处标注间距参数的符号和允许值(mm)或其他评定参数的符号和
18、允许值。以上所述各项技术要求在零件图上标注的示例见图 5-11：最后用磨削的方法获得的表面的 Ra 的最大值为 1.6m，非标准的取样长度为 0.7mm，间距参数 RSm 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。在零件图上标注表面粗糙度轮廓代号时，该代号的尖端指向可见轮廓线、尺寸线、尺寸界线或它们的延长线上，并且必须从材料外指向零件表面。图 5-12 的(a)和(b)分别表示表面粗糙度轮廓代号在不同位置上的标注方法和在零件图上标注的示例。当零件某些表面具有相同的表面粗糙度轮廓技术要求时，它们的同一表面粗糙度轮廓代号应标注在零件图的右上角(在该代号的前面书写“其余”两字)
19、，如图 5-12b 所示，省略对这些表面进行分别标注。当零件所有的表面具有相同的表面粗糙度轮廓技术要求时，可以采用图 5-13a 所示的表面粗糙度轮廓特殊符号，即在图 5-8 所示三个符号的长边加一条横线，并且在长边与横线的拐角处加上一个小圆。标注示例见图 5-13b。5 表面粗糙度轮廓的检测表面粗糙度轮廓的检测方法主要有比较检验法、针描法、光切法和显微干涉法等几种。一、比较检验法比较检验法是指将被测表面与已知 Ra 值的表面粗糙度轮廓比较样块进行触觉和视觉比较的方法。所选用的样块和被测零件的加工方法必须相同，并且样块的材料、形状、表面色泽等应尽可能与被测零件一致。判断的准则是根据被测表面加工
20、痕迹的深浅来决定其表面粗糙度轮廓是否符合零件图上规定的技术要求。若被测表面加工痕迹的深度相当于或小于样块加工痕迹的深度，则表示该被测表面粗糙度轮廓幅度参数 Ra 的数值不大于样块所标记的 Ra 值。这种方法简单易行，但测量精度不高。触觉比较是指用手指甲感触来判别，适宜于检验 Ra 值为 1.2510m 的外表面。视觉比较是指靠目测或用放大镜、比较显微镜观察，适宜于检验 Ra 值为0.16100m 的外表面。二、针描法针描法是指利用触针划过被测表面，把表面粗糙度轮廓放大描绘出来，经过计算处理装置直接给出 Ra 值。采用针描法的原理制成的表面粗糙度轮廓量仪称为触针式轮廓仪，它适宜于测量 Ra 值为
21、 0.045.0m 的内、外表面和球面。参看图 5-14，量仪的驱动箱以恒速拖动传感器沿被测表面轮廓的 X 轴方向(图 5-1)移动，传感器测杆上的金刚石触针与被测表面轮廓接触，触针把该轮廓上的微小峰、谷转换为垂直位移，这位移经传感器转换为电信号，然后经检波、放大路线分送两路，其中一路送至记录器，记录出实际表面粗糙度轮廓；另一路经滤波器消除(或减弱)波纹度的影响，由指示表显示出 Ra 值。三、光切法光切法是指利用光切原理测量表面粗糙度轮廓的方法，属于非接触测量的方法。采用光切原理制成的表面粗糙度轮廓量仪称为光切显微镜(或称双管显微镜)，它适宜于测量 Rz值为 2.063m (相当于 Ra 值为
22、 03210m)的平面和外圆柱面。参看图 5-15，量仪有两个轴线相互垂直的光管，左光管为观察管，右光管为照明管。由光源 1 发出的光线经狭缝 2 后形成平行光束。该光束以与两光管轴线夹角平分线成 45的入射角投射到被测表面上，把表面轮廓切成窄长的光带。该被测轮廓峰尖与谷底之间的高度为 h。这光带以与两光管轴线夹角平分线成 45的反射角反射到观察管的目镜 3。从目镜 3 中观察到放大的光带影像(即放大的被测轮廓影像)，它的高度为 h。在一个取样长度范围内，找出同一光带所有的峰中最高的一个峰尖和所有的谷中最低的一个谷底，利用量仪测微装置测出该峰尖与该谷底之间的距离(h值)，把它换算为 h 值，来
23、求解 Rz 值。 四、显微干涉法显微干涉法是指利用光波干涉原理和显微系统测量精密加工表面粗糙度轮廓的方法，属于非接触测量的方法。采用显微干涉法的原理制成的表面粗糙度轮廓量仪称为干涉显微镜，它适宜测量 Rz 值 0.0631.0m (相当于 Ra 值为 0.010.16m)的平面、外圆柱面和球面。干涉显微镜的测量原理(图 5-16a)是基于由量仪光源 1 发出的一束光线，经量仪反射镜 2、分光镜 3 分成两束光线，其中一束光线投射到工件被测表面，再经原光路返回；另一束光线投射到量仪的标准镜 4，再经原光路返回。这两束返回的光线相遇迭加，产生干涉而形成干涉条纹，在光程差每相差半个光波波长处就产生一条干涉条纹。由于被测表面轮廓存在微小峰、谷，而峰、谷处的光程差不相同，因此造成干涉条纹的弯曲，如图 5-16b 所示。通过量仪目镜 5 观察到这些干涉条纹(被测表面粗糙度轮廓的形状)。干涉条纹弯曲量的大小反映了被测部位微小峰、谷之间的高度。在一个取样长度范围内，测出同一条干涉条纹所有的峰中最高的一个峰尖至所有的谷中最低的一个谷底之间的距离，求解 Rz 值。
