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1、第第22章章表面表面1第二章表面形貌、结构、性质与表面接触主讲：高诚辉主讲：高诚辉第第22章章表面表面2内容目录第一节第一节表面形貌、结构、性表面形貌、结构、性质质第二节第二节表面接触表面接触第第22章章表面表面3第一节表面形貌、结构、性质摩擦磨损是在相互接触的物体表面进行的，因此摩擦磨损是在相互接触的物体表面进行的，因此研究接触体摩擦表面的性质是研究摩擦磨损的基础。研究接触体摩擦表面的性质是研究摩擦磨损的基础。固体的表面性质主要包括两方面的内容，即表面形貌固体的表面性质主要包括两方面的内容，即表面形貌与表面组成。表面形貌着重研究表面的形状；表面组与表面组成。表面形貌着重研究表面的形状；表面组
2、成着重研究表面的结构及表面的物理、化学性质。成着重研究表面的结构及表面的物理、化学性质。一、一、固体表面几何形状固体表面几何形状二、二、金属的表面结构金属的表面结构三、三、金属的表面性质金属的表面性质第第22章章表面表面4一、固体表面几何形状实际表面：实际表面：指物体与周围介质分隔的表面。指物体与周围介质分隔的表面。几何表面：几何表面：则是理想表面。则是理想表面。宏观看来似乎是很光滑、很平整的零件加工表面，在显微镜下仔细观察时，却好似大地上布满了峡谷、高岗和山岳。这是因为在任何机器零件的表面，都是通过各种不同的方法加工而成的。由于加工过程中的刀痕，切屑分离时的塑性变形以及机床刀具工件系统的振动
3、等原因，造成实际表面与理想的绝对光滑、平整的表面存在一定的几何形状误差。第第22章章表面表面5一、固体表面几何形状因而从微观来看，所有被加工表面都如峰与谷那样起伏着。这种因加工而产生的形状误差，可分为宏观、中间和微观三种。1.宏观几何形状误差；2.中间几何形状误差表面波纹度；3.微观几何形状误差表面粗糙度。4.表面轮廓高度的分布5.支承面积曲线第第22章章表面表面61.宏观几何形状误差：宏观几何形状误差就是通常所说的表面形状宏观几何形状误差就是通常所说的表面形状误差。机器零件的表面大多数是由简单的平误差。机器零件的表面大多数是由简单的平面、圆柱面等组成。面、圆柱面等组成。按照我国制定的按照我国
4、制定的“表面形状和位置公差表面形状和位置公差”国国家标准有关规定，对于平面，其形状公差可家标准有关规定，对于平面，其形状公差可用不直度和不平度表示，对于圆柱面，其形用不直度和不平度表示，对于圆柱面，其形状公差可用不圆度、椭圆度、不柱度、不圆状公差可用不圆度、椭圆度、不柱度、不圆柱度来表示。柱度来表示。第第22章章表面表面71.宏观几何形状误差：不直度：不直度：是指实际直线是指实际直线(包括包括轴心线、母线等轴心线、母线等)出现的形状误出现的形状误差。可分为给定平面内的不直度差。可分为给定平面内的不直度，给定一个方向的不直度，在相，给定一个方向的不直度，在相互垂直的两个方向上的不直度和互垂直的两
5、个方向上的不直度和任意方向的不直度四种。图任意方向的不直度四种。图2121所示为给定平面内的不直度。所示为给定平面内的不直度。不平度：不平度：是评定整个平面上的是评定整个平面上的形状误差。它是包容实际表面，形状误差。它是包容实际表面，而且距离为最小的两平面间的距而且距离为最小的两平面间的距离离，见图，见图2222。第第22章章表面表面81.宏观几何形状误差：对圆柱形表面，在垂直于轴线的横剖面内最典型的误对圆柱形表面，在垂直于轴线的横剖面内最典型的误差有椭圆度和棱圆度，在通过轴线的纵剖面内，最典型差有椭圆度和棱圆度，在通过轴线的纵剖面内，最典型的误差有鼓形度、鞍形度、弯曲度和圆锥度等，见图的误差
6、有鼓形度、鞍形度、弯曲度和圆锥度等，见图2233。第第22章章表面表面9第第22章章表面表面102.中间几何形状误差表面波纹度：表面波纹度：表面波纹度：是零件表面周期性重复出现的一种几何形是零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差。波纹度有两个重要参线即波高和波距。状误差。波纹度有两个重要参线即波高和波距。表面波纹度的波距较长，一般取表面波纹度的波距较长，一般取111010毫米范围。图毫米范围。图2244，表示平面表面的波纹度。圆柱形表面的波纹度见图，表示平面表面的波纹度。圆柱形表面的波纹度见图2255。表面波纹度会减少零件实际支承表面面积，在动配合中。表面波纹度会减少零件实际支承表面面积，在
7、动配合中会引起磨损加剧。会引起磨损加剧。第第22章章表面表面113.微观几何形状误差表面粗糙度表面粗糙度：表面粗糙度：不像表面波纹度那样具有明显的周期性，不像表面波纹度那样具有明显的周期性，波距波高亦小，约波距波高亦小，约2800m2800m和和0.03400m0.03400m。表面粗糙表面粗糙度越低，则表面越光亮。度越低，则表面越光亮。表面微观几何形状误差的大小及其结构形状对机器零件表面微观几何形状误差的大小及其结构形状对机器零件的使用性能有很大的影响。表面越粗糙，实际有效接触表的使用性能有很大的影响。表面越粗糙，实际有效接触表面面积对理论接触表面面积的百分比就越小，实际有效接面面积对理论接
8、触表面面积的百分比就越小，实际有效接触表面面积就越小，则单位面积压力越大，故容易磨损。触表面面积就越小，则单位面积压力越大，故容易磨损。但表面过光，会增加零件接触表面之间的分子吸引力，也但表面过光，会增加零件接触表面之间的分子吸引力，也会使摩擦系数增大；增加磨损。会使摩擦系数增大；增加磨损。此外，表面微观不平度的条纹此外，表面微观不平度的条纹(加工痕迹加工痕迹)方向对摩擦也方向对摩擦也有重要影响。研究表明，当摩擦表面运动方向与加工痕迹有重要影响。研究表明，当摩擦表面运动方向与加工痕迹方向重合时，摩擦阻力最大，而当它们之间成一定角度或方向重合时，摩擦阻力最大，而当它们之间成一定角度或条纹无规则时
9、，摩擦阻力最小。条纹无规则时，摩擦阻力最小。第第22章章表面表面123.微观几何形状误差表面粗糙度（11）轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差RaRa在图在图2424中，从三维的表面形貌截取一横截面，就是中，从三维的表面形貌截取一横截面，就是二维的表面轮廓。轮廓的算术平均中线仍是一特定的线，二维的表面轮廓。轮廓的算术平均中线仍是一特定的线，它将轮廓图形划分为上下两部分，并使上面实体面积和下它将轮廓图形划分为上下两部分，并使上面实体面积和下面空间面积相等。面空间面积相等。表面粗糙度的评定指表面粗糙度的评定指标最常用的有轮廓算术标最常用的有轮廓算术平均偏差平均偏差RaRa和轮廓均方和轮廓均方根偏差根偏
10、差RqRq，此外还有微，此外还有微观不平度十点高度观不平度十点高度RzRz和和轮廓最大高度轮廓最大高度RyRy。第第22章章表面表面13（1）轮廓算术平均偏差Ra式中式中zzii以中线为起点度量出的廓形高度；以中线为起点度量出的廓形高度；nn在样品标准长度在样品标准长度ll内的测量次数。内的测量次数。用概率统计的表达方式为用概率统计的表达方式为式中式中ff(x)(x)轮廓图形的分布函数。标准长度轮廓图形的分布函数。标准长度ll随粗糙度而定，粗糙随粗糙度而定，粗糙度等级不同，度等级不同，ll值也不同，见下表值也不同，见下表。算术平均偏差的数学表达式为算术平均偏差的数学表达式为第第22章章表面表面
11、14表21Ra，Rz，Ry的取样长度l与评定长度ln的选用值第第22章章表面表面15（2）均方根偏差Rq均方根偏差均方根偏差RqRq为轮廓图形上各点和中线之间距离平方为轮廓图形上各点和中线之间距离平方的平均值的平方根。其数学表达式为的平均值的平方根。其数学表达式为用概率统计的表达方式为用概率统计的表达方式为可以看出均方根偏差给予离开平均线较远的点较大的可以看出均方根偏差给予离开平均线较远的点较大的比重，因此它更能高度地反映出粗糙度的情况。比重，因此它更能高度地反映出粗糙度的情况。RaRa与与RqRq的的关系为关系为RaRa0.8Rq0.8Rq。第第22章章表面表面16（3）微观不平度十点高度R
12、zRzRz是指在标准长度是指在标准长度ll内五个最高的轮廓峰高的平均值内五个最高的轮廓峰高的平均值与五个最低的轮廓谷深的平均值之和，其计算公式为与五个最低的轮廓谷深的平均值之和，其计算公式为式中：式中：hhpipi是第是第ii个最高的轮廓峰高；个最高的轮廓峰高；hhvivi是第是第ii个最低的轮廓谷深。个最低的轮廓谷深。若测量长度包括几个标准长度时，应取该测量长度内若测量长度包括几个标准长度时，应取该测量长度内所测得的几个所测得的几个RaRa或或RzRz的平均值作为某一表面的的平均值作为某一表面的RaRa或或RzRz。第第22章章表面表面17（4）轮廓最大高度RyRyRy是是指表面经常出现的微
13、观不平度的最大高度指表面经常出现的微观不平度的最大高度(如图如图2266所示所示)，即在标准取样长度内轮廓蜂顶，即在标准取样长度内轮廓蜂顶线和轮廓谷低线之间的距离，注意图中所示的个线和轮廓谷低线之间的距离，注意图中所示的个别偶然出现的特大高度别偶然出现的特大高度RR偶然偶然不能代表整个表面微不能代表整个表面微观几何特性。一般取若干段，求观几何特性。一般取若干段，求RyRy的的平均值。平均值。图26轮廓最大高度Ry第第22章章表面表面18注意：以上参数仅能说明表面以上参数仅能说明表面轮廓在高度方向的偏差，轮廓在高度方向的偏差，不能说明表面凸峰的形状不能说明表面凸峰的形状、大小和分布状况等特性、大
14、小和分布状况等特性。如图。如图2727所示的各种廓所示的各种廓形有形有相同的相同的RaRa值，但形状值，但形状却完全不同却完全不同。因此还需要。因此还需要有其它参数如微凸体的峰有其它参数如微凸体的峰顶曲率半径、微凸体的坡顶曲率半径、微凸体的坡度、密度以及支承度以及度、密度以及支承度以及支承面积等来加以描述。支承面积等来加以描述。图图2277具有相同具有相同RaRa的不同表面的不同表面第第22章章表面表面194.表面轮廓高度的分布表面微凸体高度的分布如图表面微凸体高度的分布如图2-8(a)2-8(a)所示，以表面轮廓中线所示，以表面轮廓中线为为xx轴，在标准长度轴，在标准长度ll内，每隔一定距离
15、内，每隔一定距离ll，测量轮廓图形距测量轮廓图形距参考中线的高度参考中线的高度ZZ11、ZZ22、ZZii，然后求出同一然后求出同一ZZ值的纵坐值的纵坐标数之和，也就是该高度的纵标频数。标数之和，也就是该高度的纵标频数。作出从作出从ZZmaxmax至至ZZmaxmax区间内的直区间内的直方图。由此直方图方图。由此直方图可大致画出全部纵可大致画出全部纵坐标高度分布曲线坐标高度分布曲线，如图，如图2-8(b)2-8(b)所示。所示。显然显然ll取得愈小，取得愈小，曲线的精确度愈高曲线的精确度愈高。图图2288微凸体高度分布曲线微凸体高度分布曲线aa微凸体高度分布；微凸体高度分布；bb微凸体高度分布
16、曲线微凸体高度分布曲线第第22章章表面表面204.表面轮廓高度的分布图图2-92-9为磨削表面的轮廓为磨削表面的轮廓高度分布曲线。曲线的横坐高度分布曲线。曲线的横坐标表示轮廓高度，纵坐标为标表示轮廓高度，纵坐标为该高度出现的频率数。该高度出现的频率数。大多数工件表面的轮廓大多数工件表面的轮廓高度分布曲线接近正态分布高度分布曲线接近正态分布，表面粗糙度愈低越接近正，表面粗糙度愈低越接近正态分布。态分布。正态分布曲线函数为正态分布曲线函数为:图图2299磨削表面的轮廓高度分布曲线磨削表面的轮廓高度分布曲线第第22章章表面表面214.表面轮廓高度的分布值的大小随加工方法而异。当值的大小随加工方法而异。当大时，轮廓高度分布大时，轮廓高度分布曲线较平缓，当曲线较平缓，当小时，曲线陡峭。小时，曲线陡峭。(z(z)也称为轮廓高度分布的概率密度函数。
