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1、第4章 表面粗糙度,4.1 概述 4.2 表面粗糙度的评定 4.3 表面粗糙度的选择 思考题与习题,4.1 概 述 4. 1. 1 表面粗糙度的概念 经过机械加工或用其他加工方法获得的零件表面，由于加工过程中的塑性变形、机床的高频振动以及刀具在加工表面留下的切削痕迹等原因，零件的表面不可能是绝对光洁的。在零件加工表面存在几何形状误差，零件加工表面形成的几何形状误差除表面粗糙度外，还有形状误差（宏观几何形状误差）和表面波度。 表面粗糙度是加工表面上具有的由较小间距和峰谷形成的微观几何形状特性，它是一种微观几何形状特性,也称为外观不平度,如图4-1示。表面粗糙度值越小，零件表面越光洁。 ,图4-1
2、 表面粗糙度 图4-2 零件表面的几何形状误差,表面粗糙度反映的是实际零件表面几何形状误差的微观特征，而形状误差表述的则是零件几何要素的宏观特征，介于两者之间的是表面波纹度。如图4-2所示，这3种误差通常以一定的波距和波高h之比来划分，一般/h比值大于1 000为形状误差，见图4-2（b），其中1mm；小于40为表面粗糙度，见图4-2（c），其中1mm10mm；介于两者之间的为表面波纹度，见图4-2（d），其中10mm。,4. 1. 2 表面粗糙度对互换性的影响 表面粗糙度对零件表面许多功能都有影响。其主要表现在以下几个方面： 1. 配合性质 对于有配合要求的零件表面，由于相对运动会导致微小的
3、波峰磨损，从而影响配合性质。,间隙配合：两个表面粗糙的零件在相对运动时会迅速磨损，造成间隙增大，影响配合性质。 过盈配合：在装配时，表面上微观凸峰极易被挤平，产生塑性变形，使装配后的实际有效过盈量减小，降低了联结强度。 过渡配合：零件多用压力及锤敲装配，表面粗糙度发生磨损，使配合变松，降低了定位和导向的精度。,2. 耐磨性 相互接触的表面由于存在微观几何形状误差，只能在轮廓峰顶处接触，实际有效接触面积减小，导致单位面积上压力增大，表面磨损加剧；但过于光（即表面粗糙度值过小）的零件表面，由于金属分子间的吸附作用，接触表面的润滑油被挤掉形成干摩擦，也会使摩擦系数增大而加剧磨损。 ,3. 耐腐蚀性
4、由于腐蚀性气体或液体容易积存在波谷底部， 腐蚀作用便从波谷向金属零件内部深入，造成锈蚀，因此零件表面越粗糙，波谷越深，腐蚀越严重。 ,4. 抗疲劳强度 零件粗糙表面的波谷处，在交变载荷、重载荷作用下易引起应力集中，使抗疲劳强度降低。 此外，表面粗糙度对接触刚度、结合面的密封性、零件的外观、零件表面导电性等都有影响。因此为保证零件的使用性能和互换性，在设计零件几何精度时必须提出合理的表面粗糙度要求。 ,4. 2 表面粗糙度的评定参数 我国现行的表面粗糙度标准有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（GB/T 35052009）、表面粗糙度 参数及其数值（GB/T103120
5、09）、机械制图 表面粗糙度符号、代号及其注法（GB/T 1312006）。,4. 2. 1 基本术语及定义 1. 实际轮廓 实际轮廓是指平面与实际表面相交所得的轮廓线，如图3-3所示。按相截方向不同，实际轮廓分为横向实际轮廓和纵向实际轮廓。,图4-3 形位公差框格,2.取样长度（lr） 取样长度（lr）是用于判别被评定轮廓的不规则特征的x轴方向上的长度，即具有表面粗糙度特征的一段基准线长度。x轴的方向与轮廓总的走向一致，一般应包括5个以上的波峰和波谷，如图4-4所示。规定和限制这段长度是为了限制和减弱表面波度对表面粗糙度测量结果的影响。,图4-4 取样长度和评定长度,3. 评定长度（ln）
6、评定长度是用于判别被评定轮廓的 x 轴方向上的长度。它可包括一个或几个取样长度，如图4-4所示。 由于零件表面粗糙度不一定均匀，在一个取样长度上往往不能合理地反映该表面粗糙度的特性，因此要取几个连续取样长度，一般取 ln = 5lr。 若被测表面比较均匀，可选 ln 5lr；若被测表面均匀性差或测量精度要求高，可选 ln 5lr。,4. 轮廓滤波器的截止波长 表面粗糙度等3类表面几何形状误差总是同时存在，并叠加在同一表面轮廓上。测量时会产生干扰，可利用轮廓滤波器过滤掉其他的几何形状误差，来呈现所需的几何形状误差。轮廓滤波器是能将表面轮廓分离成长波成分和短波成分的滤波器，它们对应抑制的波长称为截
7、止波长。长波滤波器是将大于其设定截止波长的部分过滤掉；短波滤波器是将小于其设定截止波长的部分过滤掉。,5. 轮廓中线 轮廓中线是具有几何轮廓形状并划分轮廓的基准线。它有轮廓的最小二乘中线和轮廓的算术平均中线两种。 1）轮廓的最小二乘中线（m） 轮廓的最小二乘中线是指在取样长度内，使轮廓线上各点轮廓偏距 zi 的平方和最小的线，即min( )，如图4-5所示。,图 4-5 轮廓的最小二乘中线,轮廓偏距 z 是指测量方向上，轮廓线上的点与基准线之间的距离，如图4-6所示。对实际轮廓来说， 基准线和评定长度内轮廓总的走向之间的夹角是很小的，故可认为轮廓偏距是垂直于基准线的。轮廓偏距有正、负之分：在基
8、准线以上, 轮廓线和基准线所包围的部分是材料的实体部分，这部分的 z 值为正； 反之为负。,图4-6 轮廓偏距,2）轮廓的算术平均中线 轮廓的算术平均中线是指在取样长度内划分实际轮廓为上、下两部分，且使两部分面积相等的基准线，如图4-7所示，用公式表示为 式中: Fi轮廓峰面积； 轮廓谷面积。,(4-1),图4-7 轮廓的算术平均中线,最小二乘中线从理论上讲是理想的、惟一的基准线，但在轮廓图形上确定最小二乘中线的位置比较困难，因此只用于精确测量。轮廓算术平均中线与最小二乘中线差别很小，通常用图解法或目测法就可以确定，故实际应用中常用轮廓的算术平均中线代替最小二乘中线。当轮廓很不规则时，轮廓的算
9、术平均中线不是惟一的。 ,4. 轮廓峰顶线 轮廓峰顶线是指在取样长度内，平行于基准线并通过轮廓最高点的线，如图4-8所示。 ,图4-8 轮廓峰顶线与轮廓谷底线,5. 轮廓谷底线 轮廓谷底线是指在取样长度内，平行于基准线并通过轮廓最低点的线， 如图4-8所示。 ,图4-9 轮廓算术平均偏差,图4-10 轮廓最大高度,2）轮廓最大高度（Rz） 轮廓最大高度是指在取样长度内，轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间的距离，如图4-10所示。 ,2. 间距参数 轮廓单元的平均宽度(RSm)：在取样长度内，轮廓单元宽度 XS 的平均值， 用公式表示为 式中, XSi第 i 个轮廓微观不平度的间距。 轮廓单元是指轮廓峰
10、和轮廓谷的组合宽度。轮廓单元宽度 XS 是指 x 轴线与轮廓单元相交线段的长度，如图4-11所示。,图4-11 轮廓单元宽度,3. 形状特性参数 轮廓支承长度率（Rmr ( c )）：在给定水平位置c 上，轮廓的实体材料长度 Ml ( c )与评定长度 ln 的比率，用公式表示为 ,轮廓的实体材料长度 Ml (c), 是指评定长度内， 一平行于 x 轴的直线从峰顶线向下移一水平截距 c 时， 与轮廓相截所得各段截线长度 bi 之和。 Rmr(c)值是对应于不同水平截距 c 而给出的。水平截距 c 是从峰顶线开始计算的, 它可用m或 Rz 的百分数表示。如图4-12所示， 给出 Rmr(c) 参
11、数时，必须同时给出轮廓水平截距 c 值。 ,图4-12 轮廓支承长度,4国标规定 国标规定采用中线制来评定表面粗糙度，粗糙度的评定参数一般从Ra、Rz中选取，参数值见表4-2、表4-3。表中的“第一系列”应得到优先选用 。,4.2.3 表面粗糙度的标注 国家标准GB/T 1312006对表面粗糙度的符号、 代号及其标注做了规定。 1 表面粗糙度的图形符号 代号 （1）表面粗糙度的基本图形符号和扩展图形符号。为了标注表面粗糙度轮廓各种不同的技术要求，GB/T 1312006规定了一个基本图形符号，如图4-13（a）所示；两个扩展图形符号，如图4-13（b）、图4-13（c）所示。, 基本图形符号
12、（a）表示表面可用任何加工方法获得。由两条不等长的与表面成60夹角的直线构成，如图4-13（a）所示。基本图形符号仅用于简化代号标注，没有补充说明时，不能单独使用。 扩展图形符号（b）表示指定表面是用去除材料的方法获得的。例如车、铣、钻、刨、磨、抛光、电火花加工、气割等方法。在基本图形符号上加一短横构成，如图4-13（b）所示。 扩展图形符号（c）表示指定表面是用不去除材料的方法获得的。例如铸、锻、冲压、热轧、冷轧、粉末冶金等方法。在基本图形符号上加一圆圈构成，如图4-13（c）所示。,图4-13 表面粗糙度基本图形符号与扩展图形符号,（2）表面粗糙度的完整图形符号。当要求标注表面粗糙度特征的
13、补充信息时，应在图4-13所示图形符号的长边端部加一条横线，构成表面粗糙度的完整图形符号，如图4-14所示。,图4-14 表面粗糙度完整图形符号,2 表面粗糙度的标注 （1）表面粗糙度图形符号的特征组成。当需要表示的加工表面对表面特征的其他规定有要求时，应在表面粗糙度符号的相应位置注上若干必要项目的表面特征规定。表面特征的各项规定在符号中的注写位置如图4-15所示。,图4-15 表面粗糙度特征的标注位置 a注写表面结构单一要求，包括粗糙度幅度参数代号（Ra、Rz）、参数极限值（单位为m）和传输带或取样长度（其标注顺序及规定如下：传输带数值/评定长度/幅度参数代号（空格）幅度参数数值）； b注写
14、第二个（或多个）表面结构要求，附加评定参数（如RSm，单位为mm）； c加工方法； d加工纹理方向的符号； e加工余量（mm）。,幅度参数的标注 表面粗糙度的幅度参数包括Ra和Rz。当选用Ra标注时，只需在图形符号中标出其参数值，可不标幅度参数代号；当选用Rz标注时，参数代号和参数值均应标出。表面粗糙度幅度参数标注示例（摘要GB/T 1312006）如图4-16所示。 参数值标注分为上限值标注和上、下限值标注两种形式。,图4-16 幅度参数值默认上限值的标注,极限值判断规则的标注。 按照GB/T 106102009的规定，可采用下列两种判断规则。 16%规则：16%规则是指在同一评定长度范围内
15、，幅度参数所有的实测值中，允许16%测得值超过规定值，则认为合格。16%规则是表面粗糙度轮廓技术要求中的默认规则。若采用，则图样上不须注出，如图4-16、图4-17所示。 最大规则：最大规则是在幅度参数符号Ra或Rz的后面标注一个“max”的标记。它表示整个所有实测值不得超过规定值，如图4-18所示。,图4-17 幅度参数上、下限值的标注,传输带和取样长度、评定长度的标注。需要指定传输带时，传输带（单位为mm）标注在幅度参数符号的前面，并用斜线“/ ”隔开，如图4-19所示。,图4-18 幅度参数最大规则的标注,图4-19 传输带的标注,表面纹理的标注。需要标注表面纹理及其方向时，则应采用规定
16、的符号（摘自GB/T 1312006）进行标注。表面纹理标注符号如图4-21所示。图4-21中纹理方向如下。,图4-21 常见的加工纹理方向符号,(a)纹理平行于视图所在的投影面； (b)纹理垂直于视图所在的投影面； (c) 纹理呈两斜向交叉方向； (d)纹理呈多方向； (e)纹理呈近似同心圆且圆心与表面中心相关； (f)纹理呈近似放射状且与表面中心相关； (g)纹理呈微粒、凸起、无方向。,间距、形状特征参数的标注。 若需要标注Rsm、Rmr（c）值时，将其符号注在加工纹理的旁边，数值写在代号的后面。图4-22表示用磨削的方法获得的表面的幅度参数Ra上限值为1.6m（采用最大原则），下限值为0.2m（默认16%规则），传输带皆采用 ，
