机械制造技术课件：表面粗糙度及其测量

表面粗糙度及其测量9.1表面粗糙度评定参数9.2表面粗糙度的标注9.3表面粗糙度的测量9.4表面粗糙度的选择本章小结习题

9.1.1基本术语

1.轮廓滤波器

轮廓滤波器是把轮廓分成长波和短波成分的滤波器。在测量表面粗糙度、波纹度和原始轮廓的仪器中,使用三种滤波器,分别是λs、λc和λf滤波器,如图9－1所示。它们的传输特性相同,截止波长不同。λs是确定存在于表面上的粗糙度与比它更短的波的成分之间相交界限的滤波器;λc是确定粗糙度与波纹度成分之间相交界限的滤波器;λf是确定存在于表面上的波纹度与比它更长的波的成分之间相交界限的滤波器。

9.1表面粗糙度评定参数图9－1轮廓滤波器

2.表面轮廓

表面轮廓是指定平面与实际表面相交所得的轮廓,如图9－2所示。表面轮廓有原始轮廓(P轮廓)、粗糙度轮廓(R轮廓)、波纹度轮廓(W轮廓)三种。

原始轮廓是通过轮廓滤波器λs之后的总轮廓。粗糙度轮廓是对原始轮廓采用λc轮廓滤波器抑制长波成分以后形成的轮廓,是经过人为修正的轮廓,粗糙度轮廓是评定粗糙度轮廓参数的基础。图9－2表面轮廓

3.取样长度lr

取样长度是指在X轴方向上判别被评定轮廓不规则特征的长度,用代号lr表示。规定和选择这段长度是为了限制和减弱表面波纹度对表面粗糙度测量结果的影响。

通常采用一直角坐标体系来确定取样长度,其轴线形成一右旋笛卡儿坐标系,X轴与中线方向一致,Y轴也处于实际表面上,而Z轴则在从材料到周围介质的外延方向上。

取样长度在数值上同轮廓滤波器λc的截止波长相等。若取样长度过长,则表面粗糙度的测得值会把表面波纹度的成分包括进去;若取样长度过短,则测量时没有足够的峰和谷,不能反映表面粗糙度的实际情况。表面越粗糙,取样长度应越大,一个取样长度至少包含五个以上的轮廓峰和谷。国标规定的取样长度见表9－1。

4.评定长度ln

由于被测表面各处的粗糙度不可能均匀一致,若只取一个取样长度来评定该表面的粗糙程度,一般是不够客观的,通常需要取几个取样长度来评定,所以规定评定长度。评定长度是指用于评定被评定轮廓的X轴方向上的长度,它一般取5个取样长度。若被测表面均匀性好,则评定长度可小于5倍的取样长度;若均匀性差,则评定长度可大于5倍的取样长度。取样长度和评定长度关系如图9－3所示。图9－3取样长度和评定长度

5.中线

中线是具有几何轮廓形状并划分轮廓的基准线。表面粗糙度轮廓中线是用轮廓滤波器λc抑制了长波轮廓成分相对应的中线。中线的几何形状与工件表面几何轮廓的走向一致。中线是计算各种评定参数数值的基础,表面粗糙度轮廓中线包括下面两种:

(1)轮廓最小二乘中线。轮廓的最小二乘中线是指具有几何轮廓形状并划分轮廓的基准线。在取样长度内,使轮廓上各点到该基准线的距离的平方和为最小,如图9－4所示,即图9－4轮廓的最小二乘中线

(2)轮廓算术平均中线。轮廓算术平均中线是指具有几何轮廓形状,在一个取样长度范围内,划分实际轮廓为上、下两部分,且使上部分的面积之和与下部分的面积之和相等的基准线,如图9－5所示。最小二乘中线符合最小二乘原则,从理论上讲是理想的基准线,但在轮廓图形上确定最小二乘中线的位置比较困难,而算术平均中线与最小二乘中线的差别很小,故通常用算术平均中线来代替最小二乘中线。图9－5轮廓的算术平均中线

9.1.2评定参数

为了完善地评定实际轮廓,GB/T3505-2009用表面微观几何形状幅度、间距、曲线和相关参数等特征,规定了相应的评定参数。

1.轮廓的幅度参数

(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9－6所示,即图9－6轮廓算术平均偏差

(2)轮廓最大高度Rz:在一个取样长度内,最大轮廓峰高和最大轮廓谷深之和,如图9－7所示,即图9－7轮廓最大高度

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9－8所示,即图9－8轮廓单元的平均宽度

3.曲线和相关参数

(1)轮廓支承长度率Rmr(c):在给定水平截面高度c上,轮廓的实体材料长度l(c)与评定长度的比率,即

Rmr(c)对应于不同的c值,c值可用微米或c值与Rz值的百分比表示。

Rmr(c)是评定轮廓的曲线和相关参数,当c值一定时,Rmr(c)值越大,支承能力和耐磨性越好。

(2)轮廓的实体材料长度l(c):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面高度c时,与轮廓相截所得的各段截线长度之和,如图9－9(a)所示,即

轮廓支承长度率是随着水平截面高度c的大小而变化的,其关系曲线称为支承长度率曲线,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,如图9－9(b)所示。图9－9支承长度率曲线

4.表面粗糙度参数的数值

表面粗糙度参数值已经标准化,设计时应从国家标准GB/T1031-2009《产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》规定的参数值系列中选取。选取时应优先采用基本系列表中的数值,见表9－2~表9－4。

9.2表面粗糙度的标注

9.2.1表面粗糙度符号(1)基本图形符号:对表面粗糙度有要求的图形符号,如图9－10(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。图9－10基本图形符号和扩展图形符号

(2)扩展图形符号:对表面粗糙度有指定要求的图形符号。在基本图形符号上加一短横,如图9－10(b)所示,表示指定表面是用去除材料的方法获得的表面,如车、磨、刨、铣等机械加工。在基本图形符号上加一圆圈,如图9－10(c)所示,表示指定表面是用不去除材料的方法获得的,如铸、锻、冲压变性、热轧、冷轧、粉末冶金等。

(3)完整图形符号:对基本图形符号或扩展图形符号扩充后的图形符号。当要求标注表面粗糙度特征的补充信息时,在基本图形符号或扩展图形符号的长边上加一横线,如图9－11所示。图9－11完整图形符号

当在图样某个视图上构成封闭轮廓的各表面有相同的表面粗糙度要求时,应在完整图形符号上加以圆圈,标注在图样中工件的封闭轮廓线上,如图9－12所示。图9－12封闭轮廓相同表面粗糙度要求时的符号

表面粗糙度的图形符号及含义见表9－5。

9.2.2表面粗糙度代号及其标注

为了明确表面粗糙度要求,除了标注表面粗糙度参数和数值外,必要时应标注补充要求,补充要求包括传输带、取样长度、加工工艺、表面纹理及方向、加工余量等。有关表面粗糙度补充要求的各项规定应标注在符号中相应的位置,如图9－13所示。图9－13表面粗糙度代号及其标注

(1)位置a:注写表面粗糙度的单一要求,单一要求包括表面粗糙度参数代号、极限值、传输带或取样长度等。

(2)位置b:注写第二个表面粗糙度要求,注写方法同位置a,如果要注写第三个或更多个表面粗糙度要求,图形符号应在垂直方向扩大,以空出足够的空间。

(3)位置c:注写加工方法、表面处理、涂层或其他加工工艺要求等。

(4)位置d:注写表面纹理方向。

(5)位置e:注写加工余量。

1.极限值判断规则的标注

极限值判断规则的标注有两种:16%规则和最大规则。16%规则是指当参数的规定值为上限值时,如果所选参数在同一评定长度上的全部实测值中,大于图样或技术产品文件中规定值的个数不超过实测值总数的16%,则该表面合格;当参数的规定值为下限值时,如果所选参数在同一评定长度上的全部实测值中,小于图样或技术文件中规定值的个数不超过实测值总数的16%,则该表面合格。

最大规则是指检验时,在被检表面的全部区域内测得的参数值一个也不应超过图样或技术产品文件中的规定值。16%规则是所有表面粗糙度要求标注的默认规则,一般不标注代号,如图9－14(a)所示。如果最大规则应用于表面粗糙度要求,在参数代号后应加上“max”,如图9－14(b)所示。图9－14极限值的标注

16%规则和最大规则都是单向极限,单向极限默认的是参数的上限值。当需要标注参数的单向下限值时,应在参数代号前加L,如LRa0.8。在完整图形符号中表示双向极限时,上限值在上方用U表示,下限值在下方用L表示,如图9－14(c)所示。如果是同一个参数具有双向极限要求,在不致引起歧义的情况下,可以不加U、L。

2.传输带和取样长度的标注

传输带是两个定义的滤波器之间的波长范围。这意味着传输带就是评定时的波长范围。粗糙度轮廓传输带的截止波长值代号是λs和λc。λc表示取样长度。默认的传输带定义的截止波长值是λc=0.8mm和λs=0.0025mm。传输带标注包含滤波器截止波长,短波滤波器在前,长波滤波器在后,用连字号“”隔开,并标注在参数代号的前面,用斜线“/”与参数代号隔开,如图9－15(a)所示。在某些情况下,传输带中只标注两个滤波器中的一个。如果只标注一个滤波器,应该保留连字号“”来区分是短波滤波器还是长波滤波器,如图9－15(b)所示。图9－15传输带标注

3.表面粗糙度其他项目的标注

标注的参数代号、参数值和传输带只作为表面粗糙度要求,有时不一定能完全准确地表示表面功能。加工工艺在很大程度上决定了轮廓曲线的特征,因此一般应注明加工工艺、表面镀覆、表面纹理等,如图9－16所示。图9－16其他项目标注

表面纹理及其方向可用图9－17中规定的符号进行标注。图9－17加工纹理方向的符号及其标注图例

4.表面粗糙度在图样上的标注

在图样上标注表面粗糙度时,注写和读取方向与尺寸的注写和读取方向一致,一般标注在轮廓线或其延长线上,其符号从材料外指向并接触表面,有时也可用带箭头的指引线引出标出,如图9－18和9－19所示。图9－19表面粗糙度标注在延长线上

表面粗糙度要求有时也可标注在几何公差框格的上方,如图9－20所示。图9－20表面粗糙度标注在几何公差框格上方

圆柱和棱柱的表面粗糙度要求只标注一次。如果每个棱柱表面有不同的表面粗糙度要求,则应分别单独标注,如图9－21所示。图9－21表面粗糙度在圆柱和棱柱表面标注

由几种不同的工艺方法获得的同一表面,当需要明确每种工艺方法的表面粗糙度要求时,可按如图9－22所示的方法标注。图9－22同时给出镀覆前后的表面粗糙度要求的标注

5.表面粗糙度简化标注

如果在工件的大多数表面有相同的粗糙度要求,可简化标注。此时将不同的表面粗糙度要求直接标注在图形上,相同的表面粗糙度要求统一标注在图样的标题栏附近,并在其后面用圆括号给出无任何其他标注的基本符号,如图9－23(a)所示,或者在圆括号内给出不同的表面粗糙度要求,如图9－23(b)所示。图923表面粗糙度简化标注

当多个表面具有共同的表面粗糙度要求或图纸空间有限时,可用带字母的完整图形符号以等式的形式在图形或标题栏附近进行简化标注,如图9－24所示;或者只用表面粗糙度基本图形符号和扩展图形符号以等式的形式给出对多个表面共同的表面粗糙度要求,如图9－25所示。图9－24图纸空间有限时的简化标注图9－25表面粗糙度简化标注

常见表面粗糙度代号及含义见表9－6。

9.3表面粗糙度的测量

1.比较法比较法就是将被测零件表面与有一定评定参数的表面粗糙度标准样板,通过视觉、触觉或其他方法进行比较后,对被检表面的粗糙度作出评定的方法。使用时,样板的材料、表面形状、加工方法、加工纹理方向等应尽可能与被测表面一致,否则会产生较大的误差。

用比较法评定表面粗糙度虽然不能精确地得出被检表面的粗糙度数值,但由于器具简单、使用方便,且能满足一般的生产要求,故常用于生产现场,缺点是精度较低,只能做定性分析,表面粗糙度样板如图9－26所示。图9－26表面粗糙度样板

2.针描法

电动轮廓仪是按针描法评定表面粗糙度的一种典型仪器,该仪器可直接显示Ra值,适宜测量Ra为0.025~6.3μm。测量时,仪器的金刚石触针针尖与被测表面相接触,当触针以一定速度沿着被测表面移动时,微观不平的痕迹使触针做垂直于轮廓方向的上下运动,该微量移动通过传感器转化成电信号,再经过滤波器,将表面轮廓上属于形状误差和波纹度的成分滤去,留下只属于表面粗糙度的轮廓曲线信号,经放大器、计算器直接指示Ra值,也可经放大器驱动记录装置,画出被测的轮廓图形,如图9－27所示。图9－27针描法测量原理框图

3.光切法

光切法是利用“光切原理”来测量零件表面的粗糙度,使用的仪器是光切显微镜(又称双管显微镜),如图9－28所示。该仪器适宜于测量用车、铣、刨等加工方法所加工的金属零件的表面或外圆表面。光切法一般用于测量表面粗糙度的Rz参数,Rz参数测量范围为0.8~80μm。图9－28光切显微镜

4.干涉法

干涉法是利用光波干涉原理来测量表面粗糙度的,使用的仪器叫做干涉显微镜,如图9－29所示。图9－29干涉显微镜

在实际测量中,常常遇到某些既不能使用仪器直接测量,也不便于使用样板对比的表面,如深孔、盲孔、凹槽、内螺纹等。评定这些表面的粗糙度时,常采用印模法。印模法是利用一些无流动性和弹性的塑料材料,贴合在被测表面上,将被测表面的轮廓复制成模,然后测量印模,从而间接来评定被测表面的粗糙度。

9.4表面粗糙度的选择

1.评定参数的选择评定参数的选择应考虑零件使用功能的要求、检测的方便性及仪器设备条件等因素。国家标准规定,轮廓的幅度参数(如Ra和Rz)是必须标注的参数,而其他参数(如Rsm、Rmr)是附加参数。

一般情况下,选用Ra和Rz就可以满足要求。只有对一些重要表面有特殊要求时,如有涂镀性、抗腐蚀性、密封性要求时,就需要加选Rsm来控制间距的细密度;对表面的支承刚度和耐磨性有较高要求时,需加选Rmr控制表面的形状特征。在幅度参数中,Ra最常用。因为它能较完整、全面地表达零件表面的微观几何特征。国家标准推荐,在常用数值范围(Ra为0.025~6.3μm)内,应优先选用Ra参数,在常用数值范围内用电动轮廓仪能方便地测出Ra的实际值。Rz直观易测,用双管显微镜、干涉显微镜等可测得,但Rz反映轮廓情况不如Ra全面,往往用在小零件(测量长度很小)或表面不允许有较深的加工痕迹(防止应力过于集中)的零件。

2.参数值的选择

表面粗糙度参数值的选择原则是:在满足功能要求的前提下,尽量选择较大的表面粗糙度参数值(除Rmr外),以减小加工困难,降低生产成本。表面粗糙度参数值的选择通常采用类比法,具体选择时应注意以下几点:

(1)同一零件上工作表面比非工作表面粗糙度参数值小。

(2)摩擦表面比非摩擦表面、滚动摩擦表面比滑动摩擦表面的粗糙度参数值小。

(3)承受交变载荷的表面及易引起应力集中的部分(如圆角、沟槽等),粗糙度数值应小些。

(4)要求配合稳定可靠时,粗糙度参数值应小些。小间隙配合表面,受重载作用的过盈配合表面,其粗糙度参数值要小。

(5)表面粗糙度与尺寸公差、形状公