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1、第 4 章 表面粗糙度4.1 概述4.1.1 表面粗糙度的定义在机械加工过程中，由于刀具或砂轮切削后遗留的刀痕、切削过程中切屑分离时的塑性变形，以及机床的振动等原因，会使被加工零件的表面存在一定的几何形状误差。其中造成零件表面的凹凸不平，形成微观几何形状误差的较小间距（通常波距小于 1 mm）的峰谷，称为表面粗糙度。它与表面形状误差（宏观几何形状误差）和表面波度的区别，大致可按波距划分。通常波距在 110 mm 的属于表面波纹度，波距大于 10 mm 的属于形状误差，见图 4.1。图 4.1 表面几何形状误差分析4.1.2 表面粗糙度对机械零件使用性能的影响表面粗糙度对机械零件使用性能及其寿命
2、影响较大，尤其对在高温、高速和高压条件下工作的机械零件影响更大，其影响主要表现在以下几个方面：1对耐磨性的影响具有表面粗糙度的两个零件，当它们接触并产生相对运动时只是一些峰顶间的接触，从而减少了接触面积，比压增大，使磨损加剧。零件越粗糙，阻力就越大，零件磨损也越快。但需指出，零件表面越光滑，磨损量不一定越小。因为零件的耐磨性除受表面粗糙度影响外，还与磨损下来的金属微粒的刻划，以及润滑油被挤出和分子间的吸附作用等因素有关。所以，过于光滑表面的耐磨性不一定好。2对配合性质的影响对于间隙配合，相对运动的表面因其粗糙不平而迅速磨损，致使间隙增大；对于过盈配合，表面轮廓峰顶在装配时易被挤平，实际有效过盈
3、减小，致使连接强度降低。因此，表面粗糙度影响配合性质的可靠性和稳定性。3对抗疲劳强度的影响零件表面越粗糙，凹痕越深，波谷的曲率半径也越小，对应力集中越敏感。特别是当零件承受交变载荷时，由于应力集中的影响，使疲劳强度降低，导致零件表面产生裂纹而损坏。4对接触刚度的影响由于两表面接触时，实际接触面仅为理想接触面积的一部分。零件表面越粗糙，实际接触面积就愈小，单位面积压力增大，零件表面局部变形必然增大，接触刚度降低，影响零件的工作精度和抗振性。5对抗腐蚀性的影响粗糙的表面，易使腐蚀性物质存积在表面的微观凹谷处，并渗入到金属内部，致使腐蚀加剧。因此，提高零件表面粗糙度的质量，可以增强其抗腐蚀的能力。此
4、外，表面粗糙度大小还对零件结合的密封性；对流体流动的阻力；对机器、仪器的外观质量及测量精度等都有很大影响。为提高产品质量，促进互换性生产，适应国际交流和对外贸易，保证机械零件的使用性能，必须正确贯彻实施新的表面粗糙度标准。到目前为止，我国常用的表面粗糙度国家标准为 GB/T 35052000、GB/T 10311995、GB/T 13193 和 GB/T l06101998 等。4.2 表面粗糙度的评定4.2.1 基本术语由于加工表面的不均匀性，在评定表面粗糙度时，需要规定取样长度和评定长度等技术参数，以限制和减弱表面波纹度对表面粗糙度测量结果的影响。1 轮廓滤波器把轮廓分成长波和短波成分的滤
5、波器。2 c 滤波器确定粗糙度与波纹度成分之间相交界限的滤波器。3取样长度（lr）取样长度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，即测量或评定表面粗糙度时所规定的一段基准线长度，它至少包含 5 个以上轮廓峰和谷，如图 4.2 所示，取样长度 lr 在数值上与 c 滤波器的标志波长相等，X 轴的方向与轮廓走向一致。取样长度值的大小对表面粗糙度测量结果有影响。一般表面越粗糙，取样长度就越大。图 4.2 取样长度 lr 和评定长度 ln4评定长度（ln）评定长度是用于判别被评定轮廓的 X 轴方向上的长度。由于零件表面粗糙度不均匀，为了合理地反映其特征，在测量和评定时所规定的一段最小长
6、度称为评定长度（ln） 。一般情况下，取 ln = 5lr，称为“标准长度” ，如图 4.2 所示。如果评定长度取为标准长度，则评定长度不需在表面粗糙度代号中注明。当然，根据情况，也可取非标准长度。如果被测表面均匀性较好，测量时，可选 ln 5lr。5轮廓中线用轮廓滤波器 c 抑制了长波轮廓成分相对应的中线。轮廓中线是具有几何轮廓形状并划分轮廓的基准线，基准线有下列两种：(1) 轮廓最小二乘中线(m) 轮廓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 iZ的平方和为最小的线，即 lridxZ02为最小，轮廓偏距的测量方向 Z如图 4.3 所示。(2) 轮廓算术平均中线 轮廓算术平均中线
7、是指在取样长度内，划分实际轮廓为上、下两部分，且使上下两部分面积相等的线，即 2121 nnFF ，见图4.3。图 4.3 轮廓中线在轮廓图形上确定最小二乘中线的位置比较困难，可用轮廓算术平均中线代替，通常用目测估计确定算术平均中线。4.2.2 评定参数为了满足对零件表面不同的功能要求，国标 GBT 35052000 从表面微观几何形状幅度、间距和形状等三个方面的特征，规定了相应的评定参数。1幅度参数（高度参数）(1) 评定轮廓的算术平均偏差 Ra：在一个取样长度内纵坐标值 Z(x)绝对值的算术平均值，如图 4.4 所示，用 Ra 表示。即dxZlrRa0)(1(4.1)或近似为niiZRa1
8、(4.2)图 4.4 轮廓的算术平均偏差测得的 Ra 值越大，则表面越粗糙。Ra 能客观地反映表面微观几何形状误差，但因受到计量器具功能限制，不宜用作过于粗糙或太光滑表面的评定参数。(2) 轮廓的最大高度 Rz：在一个取样长度内，最大轮廓峰高 Zp 和最大轮廓谷深 Zv 之和的高度，如图 4.5 所示，用 Rz 表示。即ZvpRz (4.3)式中，Zp、Zv 都取正值。幅度参数（Ra、Rz）是标准规定必须标注的参数（二者只需取其一） ，故又称为基本参 数。2间距参数轮廓单元的平均宽度 RSm：在一个取样长度内轮廓单元宽度 Xs 的平均值，如图 4.5 所示，用 RSm 表示。即 miXsRS1
9、(4.4)图 4.5 轮廓的最大高度 图 4.6 轮廓单元的宽度3混合参数(形状参数)轮廓的支承长度率 Rmr(c)：在给定水平位置 C 上轮廓的实体材料长度材 Ml(c)与评定长度的比率，如图 4.7 所示，用 Rmr(c)表示，即ln)(cMRmr(4.5)所谓轮廓的实体材料长度 Ml(c)，是指在评定长度内，一平行于 X 轴的直线从峰顶线向下移一水平截距 c 时，与轮廓相截所得的各段截线长度之和，如图 4.7a 所示。即nii bbl 121)(4.6)轮廓的水平截距 c 可用微米或用它占轮廓最大高度百分比表示。由图 4.7a 可以看出，支承长度率是随着水平截距的大小而变化的，其关系曲线
10、称支承长度率曲线，如图 4.7b 所示。支承长度率曲线对于反映表面耐磨性具有显著的功效，即从中可以明显看出支承长度的变化趋势，且比较直观。a) b)图 4.7 支承比率曲线间距参数 RSm 与混合参数 Rmr(c)，相对基本参数而言，称为附加参数，其应用限于零件重要表面并有特殊使用要求时。4.2.3 评定参数的数值规定表面粗糙度的参数值已经标准化，设计时应按国家标准 GB/T10311995表面粗糙度参数及其数值规定的参数值系列选取。幅度参数值列于表 4.1 和表 4.2，间距参数值列于表 4.3，混合参数值列于表 4.4。表 4.1 Ra 的数值 (摘自 GB/T10311995) m0.0
11、12 0.050 0.20 0.80 3.2 12.5 500.025 0.100 0.40 1.60 6.3 25 100表 4.2 Rz 的数值 (摘自 GB/T10311995) m0.0250.0500.200.401.603.212.52510020080016000.100 0.80 6.3 50 400表 4.3 RSm 的数值 (摘自 GB/T10311995) m0.006 0.025 0.100 0.40 1.60 6.30.0125 0.050 0.20 0.80 3.2 12.5表 4.4 Rmr(c) (%)的数值 (摘自 GB/T10311995) m10 15 2
12、0 25 30 40 50 60 70 80 90注：选用 Rmr(c)时，必须同时给出轮廓水平截距 C 的数值。C 值多用 Rz 的百分数表示，其系列如下：5，10，15，20，25，30，40，50，60，70， 80，90。表 4.5 lr 和 ln 的数值 (摘自 GB/T10311995) Ra/m Rz/m lr/mm ln/mm(ln = 5lr) 0.0080.020.020.100.102.02.010.010.080.00.0250.100.100.500.5010.010.050.050.03200.080.250.82.58.00.41.254.012.540.0在一般
13、情况下测量 Ra 和 Rz 时，推荐按表 4.5 选用对应的取样长度及评定长度值，此时在图样上可省略标注取样长度值。当有特殊要求不能选用表 4.5 中数值时，应在图样上标注出取样长度值。4.3 表面粗糙度的标注图样上所标注的表面粗糙度符号、代号，是该表面完工后的要求。表面粗糙度的标注应符合国家标准 GB/T1311993 的规定。4.3.1 表面粗糙度的符号图样上表示的零件表面粗糙度符号及其说明，见表 4.6。若仅需要加工（采用去除材料的方法或不去除材料的方法）但对表面粗糙度的其他规定没有要求时，允许只注表面粗糙度符号。表 4.6 表面粗糙度符号 （摘自 GB/T1311993）符 号 意 义
14、 及 说 明基本符号，表示表面可用任何方法获得。当不加注粗糙度参数值或有关说明时，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。例如：车、铣、钻、磨、电加工等基本符号加一小圆，表示表面是用不去除材料的方法获得。例如：铸、锻、冲压变形、热轧、粉末冶金等或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均可加一横线，用于标注有关参数和说明在上述三个符号上均可加一小圆，表示所有表面具有相同的表面粗糙度要求4.3.2 表面粗糙度的代号及其注法表面粗糙度的代号、数值及其有关规定在符号中注写的位置，见图 4.8。当允许在表面粗糙度参数的所有实测值中超过规定值
15、的个数少于总数的 16时，应在图样上标注表面粗糙度参数的上限值或下限值。当要求在表面粗糙度参数的所有实测值中不得超过规定值时，应在图样上标注表面粗糙度参数的最大值或最小值。图 4.8 表面粗糙度代号注法1表面粗糙度基本参数的标注a1、a 2：粗糙度幅度参数代号及其数值(单位为m)；b：加工要求、镀覆、涂覆、表面处理或其它说明等；c：取样长度(单位为mm)或波纹度(单位为m)；d：加工纹理方向符号；e：加工余量(单位为mm)；f：粗糙度间距参数值(单位为mm)或轮廓支承长度率表面粗糙度幅度参数是基本参数，Ra 在代号中用数值表示，参数值前不标注参数代号Ra。Rz 的参数值前需标注出相应的参数代号 Rz。表面粗糙度幅度参数的各种标注方法及其意义见表 4.7。表 4.7 表面粗糙度幅度（高度）参数的标注 （摘自 GB/T1311993）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 3.2m用任
