第四章 表面粗糙度及测量.ppt

1、第四章 表面粗糙度及测量,4. 1表面粗糙度对机械零件使用性能的影响 4. 2表面粗糙度的国家标准 4. 3表面粗糙度的选用 4. 4表面粗糙度的符号、代号及图样标注 4. 5表面粗糙度的检测,下一页,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产生微小的峰谷。这些微小峰谷的高低程度和间距状况构成了零件的微观几何形状特征，用表面粗糙度来表征。它是一种微观几何形状误差，也称微观不平度。表面粗糙度数值越小，则表面越光滑。 表面粗糙度与形状误差和表面波度是有区别的。通常波距(相邻两波峰或两波谷之间的距离)小于1 mm的属于

2、表面粗糙度，波距在1-10 mm的属于表面波度，波距大于10 mm的属于形状误差。如图4-1所示。,第四章 表面粗糙度及测量,下一页,上一页,表面粗糙度数值的大小直接影响产品的质量。因此，在保证零件尺寸、形状和位置精度的同时，对表面粗糙度要有相应的要求，特别是对高速度、高精度和密封要求较高的产品，更为重要。,返 回,上一页,第四章 表面粗糙度及测量,表面粗糙度对机械零件的耐磨性、配合性质、抗腐蚀性、疲劳强度及密封性都有很大影响，尤其对在高温、高速、高压条件下工作的机械零件影响更大。 一、对耐磨性的影响 表面越粗糙，则摩擦阻力就越大，零件的磨损也越快;表面过于光滑，由于磨损下来的金属微粒的磨划作

3、用以及润滑油被挤出和分子间的吸附作用，也会使摩擦阻力增加，表面磨损反而加剧。 实验证明，磨损量与表面粗糙度参数Ra之间的关系如图4-2所示。,下一页, 4. 1表面粗糙度对机械零件使用性能的影响,二、对配合性质的影响 对于有配合要求的零件表面，无论是哪种配合，表面粗糙度都影响配合性质的稳定性。对于间隙配合，表面越粗糙，就越易磨损，使得配合面之间的间隙增大，破坏原有的配合性质。对于过盈配合，由于零件表面凸凹不平，配合零件经过压装后，零件表面的峰顶会被挤平，减小了实际有效过盈，从而降低了联结强度。对于过渡配合，因多用压力及锤敲装配，表面粗糙度也会使配合变松。 三、对抗腐蚀性的影响,下一页,上一页,

4、 4. 1表面粗糙度对机械零件使用性能的影响,零件表面越粗糙，腐蚀性气体或液体越容易积存在凹谷底，腐蚀作用便从凹谷深人到金属内部。因此提高零件表面粗糙度质量，可以增强其抗腐蚀能力。 四、对抗疲劳强度的影响 零件在交变载荷、重载荷及高速工作条件下，表面越粗糙，对应力集中越敏感。特别是在交变载荷作用下，零件表面凹谷处容易产生应力集中而引起零件的损坏。对于承受交变载荷的零件，若提高其表面粗糙度质量，则可提高其抗疲劳强度。,下一页,上一页, 4. 1表面粗糙度对机械零件使用性能的影响,五、对结合密封性的影响 粗糙不平的两个结合表面，仅在局部点上接触必然产生缝隙，气体或液体通过接触面间的缝隙渗漏，影响密

5、封性。因此，提高零件表面粗糙度质量，可提高其密封性。 此外，表面粗糙度对接触刚度、产品外观及测量精度等都有很大影响。因此，为保证机械零件的使用性能，在设计零件时，除了要保证零件尺寸、形状和位置精度要求以外，必须提出合理的表面粗糙度要求。,返 回,上一页, 4. 1表面粗糙度对机械零件使用性能的影响,表面粗糙度国家标准由三个标准构成:GB3505-2000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/T1031-1995表面粗糙度、参数及其数值;GB/T 131-1993机械制图表面粗糙度符号、代号及其注法。 一、基本术语和定义 为了客观地评定表面粗糙度，首先要确定测量的长度

6、范围和方向，即评定基准，它包括取样长度、评定长度和基准线。 1.取样长度Lr,4. 2 表面粗糙度的国家标准,下一页,取样长度z:是指在测量和评定表面粗糙度时所取的一段与轮廓总的走向一致的长度。选择和规定取样长度的口的是为了限制和减小其他几何形状误差，特别是表面波纹度对表面粗糙度测量结果的影响。取样长度方向与轮廓走向一致。表面越粗糙，取样长度就应越大。在取样长度范围内，一般应包括五个以上的完整轮廓的峰和谷。如图4-3所示。国标规定的取样长度见表4-1。 2.评定长度La 一个零件的表面粗糙度不一定很均匀，在一个取样长度内不能完全合理地反应某一表面粗糙度的特性，规定在测量和评定表面粗糙度时的一段

7、表面长度，称为评定长度La，它可包括一个或几个取样长度，如图4-3所示。,4. 2 表面粗糙度的国家标准,下一页,上一页,一般取ln=5Lr，见表4-1。 3.基准线 基准线是指用以评定表面粗糙度参数的给定的一条参考线。基准线有以下两种: (1)轮廓最小二乘中线(简称中线)。在取样长度lr内，使轮廓线上各点至一条基准线的距离的平方和为最小，此基准线就是轮廓的最小二乘中线，如图4-4所示。它是根据实际轮廓用最小二乘法来确定的。 (2)轮廓的算术平均中线。在取样长度lr内划分实际轮廓为上下两部分，且使上部分所围面积之和与下部分所围面积之和相等的基准线就是轮廓的算术平均中线，如图4-5所示。,4.

8、2 表面粗糙度的国家标准,下一页,上一页,即 (4-1) 采用微机化表面粗糙度测量仪器测量时，很容易确定最小二乘中线的位置，故常使用最小二乘中线作为基准线;采用光学仪器测量时，通常用口测估计来确定轮廓的算术平均中线，并以此作为评定表面粗糙度数值的基准线。 二、评定参数 国家标准GB/T 3505-2000规定的评定表面粗糙度的参数有幅度参数、间距参数、混合参数以及曲线和相关参数等。 1.轮廓的幅度参数,4. 2 表面粗糙度的国家标准,下一页,上一页,(1)轮廓算术平均偏差Ra。轮廓算术平均偏差Ra是指在一个取样长度lr内，纵坐标y,绝对值的算术平均值，如图4-6所示。Ra数学表达式为 (4-2

9、) 测得的Ra值越大，则表面越粗糙。Ra能较全面客观地反映表面微观几何形状特征，是普遍采用的参数。 (2)轮廓的最大高度Rz。轮廓的最大高度Rz是指在取样长度z:内，最大轮廓峰高Zp和最大轮廓谷深Zv之和的高度，如图4-7所示。Rz的数学表达式为 Rz = Zp + Zv (4-3) Rz值越大，表面加工的痕迹越深。,4. 2 表面粗糙度的国家标准,下一页,上一页,由于Rz值是轮廓峰高和谷深垂直距离之和，所以它不能反映表面的全面几何特征。但对某些不允许出现较深加工痕迹，常在交变应力作用下的工作表面，如齿廓表面等，常标注Rz参数。 应注意的是在原国标GB/T 3503-1983中“轮廓的最大高度

10、”用符号Ry表示。 2.轮廓单元的平均宽度RSm 轮廓单元的平均宽度RSm是指在取样长度Lr内，轮廓单元宽度Xs的平均值，符号Rz用于表示“微观不平度十点高度”，如图4-8所示。RSm的数学表达式为 (4-4),4. 2 表面粗糙度的国家标准,下一页,上一页,RSm是评定轮廓的间距参数，其值越小，表示轮廓表面越细密，密封性越好。 3.轮廓的支承长度率Rmr(c) 轮廓的支承长度率Rmr(c)是指在给定水平位置。上轮廓的实体材料长度ML(c)与评定长度的比率。如图4-9所示。Rmr (c)的数学表达式为 (4-5) Ml(c)=Ml1+Ml2+Mln (4-6) 选用Rmr(c)值时必须同时给出

11、c值。c值可用m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一定时，Rmr (c)值越大，则支承能力和耐磨性越好。如图4-10所示。,4. 2 表面粗糙度的国家标准,下一页,上一页,在图样上给出表面粗糙度参数时一般只要求给出幅度参数。只有在对零件表面轮廓的细密度有严格要求时，才用RSm。若要求轮廓实际接触面积大或耐磨性好，则用Rmr(c)。 国家标准规定了表面粗糙度的参数值系列，如见表4-2、表4-3、表4-4及表4-5所示。,4. 2 表面粗糙度的国家标准,返 回,上一页,一、表面粗糙度评定参数的选用 国家标准规定，轮廓的幅度参数(如Ra或Rz)是必须标注的参

12、数，而其他参数(如RSm , Rmr (c )是附加参数。一般情况下，选用Ra或Rz就可以满足要求。RSm主要在涂漆性能，冲压成形时防止引起裂纹、抗振性、抗腐蚀性、减小流体流动摩擦阻力等要求时附加选用。Rmr(c)主要在表面承受重载和耐磨性、接触刚度要求高等场合才附加选用。 一般情况下可以从幅度参数Ra和Rz中选一个。国家标准推荐，在常用数值范围(Ra为0. 0256.3m)内应优先选用Ra参数。Ra值能用电动轮廓仪或表面粗糙度参数测量仪方便地测出，其测量范围为0. 02-8m。,下一页,4. 3 表面粗糙度的选用,Rz用于测量部位小，峰谷少或有疲劳强度要求的零件表面的评定。 二、表面粗糙度参

13、数数值的选用 表面粗糙度参数值的选用应按零件的功能要求和加工的经济性两者综合考虑后确定。即在满足使用性能要求的前提下，尽可能选用较大的粗糙度参数值，这样有利于降低制造成本，取得较好的经济效益。 表面粗糙度参数值可以按国家标准GB/T1031-1995表面粗糙度参数及其数值的规定选取。表面粗糙度基本参数的数值系列见表4-2表4-5。选用时应优先选用第1系列中的数值。 选用表面粗糙度参数值的方法通常采用类比法。,下一页,上一页,4. 3 表面粗糙度的选用,表4-6列出了轴和孔的表面粗糙度参数推荐值，表4 -7给出不同表面粗糙度的表面特征、经济加工方法及应用举例，可供选用时参考。 根据类比法初步确定

14、表面粗糙度参数值后，再对比工作条件，应用以下原则做适当调整: (1)同一零件上，工作表面的Ra或Rz数值比非工作表面要小; (2)运动速度高、单位面积压力大的摩擦表面，受交变应力作用的重要零件圆角、沟槽处，应有较小的表面粗糙度参数值; (3)配合性质要求稳定、小间隙配合和受重载的过盈配合应有较小的表面粗糙度参数值; (4)有防腐蚀、密封性要求和外表美观的表面，应有较小的表面粗糙度参数值;,下一页,上一页,4. 3 表面粗糙度的选用,(5)在确定表面粗糙度参数值时，应注意与尺寸公差和形位公差协调。参照表4-8。,返 回,上一页,4. 3 表面粗糙度的选用,国标GB/T131-1993规定了表面粗

15、糙度符号、代号及其在图样上的注法。它适用于机电产品图样及有关技术文件。其他图样和技术文件也可参照采用。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。 一、表面粗糙度符号 按照国标GB/T131-1993，在产品图样上表示零件表面粗糙度的符号有五种，见表4-9。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。,下一页,4. 4表面粗糙度的符号、代号及图样标注,二、表面粗糙度代号及标注 在表面粗糙度符号的基础上，标注上其他有关表面特征的符号即组成了表面粗糙度的代号。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，如图4

16、-11所示。 a1、a2粗糙度高度参数代号及其数值(单位为m)； b加工要求、镀覆、涂覆、表面处理或其他说明等; 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。,下一页,上一页,4. 4表面粗糙度的符号、代号及图样标注,三、表面粗糙度的标注示例 表面粗糙度参数的各种标注方法及其意义见表4-10，加工纹理方向符号见表4-11。Ra只标数值，本身符号不标。Rz除标注数值外还需在数值前标出相应的符号。在一个符号上可同时标出两个参数值。当允许在表面粗糙度参数的所有实测值中超过规定的个数少于总数

17、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。,下一页,上一页,4. 4表面粗糙度的符号、代号及图样标注,四、表面粗糙度图样上的标注 表面粗糙度符号、代号一般标注在可见轮廓线、尺寸界线、引出线或它们的延长线上。符号的尖端必须从材料外指向表面，如图4-12所示。带有横线的表面粗糙度符号应该按图4-13的规定进行标注。,返 回,上一页,4. 4表面粗糙度的符号、代号及图样标注,表面粗糙度的测量方法可分为:比较法、光切法、干涉法和针描法。 一、比较法 比较法是车间常用的方法。将被测表面与表

18、面粗糙度样板比较，用肉眼判断或借助于放大镜、比较显微镜比较;也可用手摸、指甲划动的感觉来判断被测表面粗糙度。表面粗糙度样板与工件的材料、形状、加工方法、加工纹理方向等应尽可能相同，否则将产生较大的误差。因此，最合理的办法是从一批加工零件中挑选出合乎要求的零件，作为比较检验的样板。 这种方法不能精确的得出被测表面的粗糙度数值，评定的准确性,下一页,4.5 表面粗糙度的检测,在很大程度上取决于检验人员的经验，但由于器具简单，使用方便，能满足一般的生产需要，故常用于生产现场中评定表面粗糙度参数值较大的表面。 二、光切法 光切法是应用光切原理测量表面粗糙度的一种测量方法。常用的仪器是光切显微镜(又称双

19、管显微镜)。光切法主要用于测量Rz值，其测量范围范围一般为Rz 0. 560m。这种仪器适宜测量用车、铣、刨等加工方法所加工的零件平面。 光切显微镜的工作原理如图4-14所示。,下一页,上一页,4.5 表面粗糙度的检测,根据光切原理设计的光切显微镜。由两个镜管组成，一个是投影照明镜管，另一个是观察镜管，两光管轴线互成900。在照明镜管中，光源发出的光线经聚光镜2、狭缝3及物镜4后，以45。的倾斜角照射在具有微小峰谷的被测工件表面上，形成一束平行的光带，表面轮廓的波峰在S点处产生反射，波谷在S点处产生反射。通过观察镜管的物镜，分别成像在分划板5上的a与a,点，从口镜中可以观察到一条与被测表面相似

20、的齿状亮带，通过口镜分划板与测微器，可以测出as之间的距离N，则被测表面的微观不平度的峰谷高度为 (4-7) 式中，v为观察镜管的物镜放大倍数。,下一页,上一页,4.5 表面粗糙度的检测,干涉法是利用光波干涉原理测量表面粗糙度的一种测量方法。常用的仪器是干涉显微镜，该仪器主要用于测量值，其测量范围为Rz 0. 05-0. 8 m，一般用于测量粗糙度值要求较低的表面。 四、针描法 针描法是一种接触式测量表面粗糙度的方法。测量原理为:利用仪器的触针在被测表面上轻轻划过，被测表面轮廓的会使触针作垂直于轮廓走向的运动，触针的位移通过传感器转化成电信号，经进一步处理后可得表面粗糙度的参数值。该方法测量快

21、速可靠，操作简便，易于实现自动测量和微机数据处理，但被测表面易被触针划伤。,下一页,上一页,4.5 表面粗糙度的检测,用针描法测量表面粗糙度时，常用的仪器是电动轮廓仪，该仪器可直接显示Ra值，适宜于测量Ra值0. 025-6. 3m。 图4-15是电感式轮廓仪的原理框图。传感器侧杆上的触针1与被测表面接触，当触针以一定的速度沿被测表面移动时，工件表面微观不平痕迹被传感器感受到并将其转化为电信号，电信号经过滤波处理，将表面轮廓上属于形状误差和波度的成分滤去，留下只属于表面粗糙度的轮廓曲线信号，经放大器、计算器直接指示出Ra值，也可经过放大器驱动记录装随着电子技术的进步，某些电动轮廓仪还可将表面粗糙度的凹凸不平作三维处理。,下一页,上一页,4.5 表面粗糙度的检测,测量时应在相互平行的多个截面上进行，通过模一数转换器，将模拟量转换为数字量，送人计算机进行数据处理，记录其三维放大图形，并求出等高线图形，从而更加合理地评定被测面的表面粗糙度。,返 回,上一页,4.5 表面粗糙度的检测,表4-1 取样长度lr和评定长度ln的选用值,返 回,表4-2 Ra的数值(摘自GB/T1031-1995),