整理第4章表面粗糙度.docx
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整理第4章表面粗糙度
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1mm）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1～10mm的属于表面波纹度，波距大于10mm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/T3505—2000、GB/T1031—1995、GB/T131—93和GB/Tl0610—1998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波器。
2．λc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λc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ln
4．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；若均匀性差，可选ln>5lr。
5．轮廓中线
用轮廓滤波器λc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
的平方和为最小的线，即
为最小，轮廓偏距的测量方向
如图4.3所示。
（2）轮廓算术平均中线轮廓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，且使上下两部分面积相等的线，即
，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GB／T3505—2000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
（4.1）
或近似为
（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
（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
（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
（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
（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/T1031—1995《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4.1Ra的数值（摘自GB/T1031—1995）µm
0.012
0.050
0.20
0.80
3.2
12.5
50
0.025
0.100
0.40
1.60
6.3
25
100
表4.2Rz的数值（摘自GB/T1031—1995）µm
0.025
0.050
0.20
0.40
1.60
3.2
12.5
25
100
200
800
1600
0.100
0.80
6.3
50
400
表4.3RSm的数值（摘自GB/T1031—1995）µm
0.006
0.025
0.100
0.40
1.60
6.3
0.0125
0.050
0.20
0.80
3.2
12.5
表4.4Rmr（c）（%）的数值（摘自GB/T1031—1995）µm
10
15
20
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4.5lr和ln的数值（摘自GB/T1031—1995）
Ra/µm
Rz/µm
lr/mm
ln/mm（ln=5lr）
≥0.008~0.02
>0.02~0.10
>0.10~2.0
>2.0~10.0
>10.0~80.0
≥0.025~0.10
>0.10~0.50
>0.50~10.0
>10.0~50.0
>50.0~320
0.08
0.25
0.8
2.5
8.0
0.4
1.25
4.0
12.5
40.0
在一般情况下测量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/T131—1993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/T131—1993）
符号
意义及说明
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。
第二节 安全预评价a1、a2：
粗糙度幅度参数代号及其数值（单位为µm）；
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µm）；
d：
加工纹理方向符号；
e：
加工余量（单位为mm）；
环境影响经济损益分析一般按以下四个步骤进行：
f：
粗糙度间距参数值（单位为mm）或轮廓支承长度率
4.选择评价方法
2.规划环境影响报告书的审查内容图4.8表面粗糙度代号注法
1.依法评价原则；1．表面粗糙度基本参数的标注
（1）基础资料、数据的真实性；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/T131—1993）
（6）生态保护措施能否有效预防和控制生态破坏。
代号
意义
4.选择评价方法代号
意义
用任何方法获得的表面粗糙度，Ra的上限值为3.2µm
（2）评价范围。
根据评价机构专业特长和工作能力，确定其相应的评价范围。
用任何方法获得的表面粗糙度，Ra的最大值为3.2µm
（4）是否满足环境功能区划和生态功能区划标准。
用去除材料方法获得的表面粗糙度，Ra的上限值为3.2µm
用去除材料方法获得的表面粗糙度，Ra的最大值为3.2µm
用不去除材料方法获得的表面粗糙度，Ra的上限值为3.2µm
用不去除材料方法获得的表面粗糙度，Ra的最大值为3.2µm
用去除材料方法获得的表面粗糙度，Ra的上限值为3.2µm，Ra的下限值为1.6µm
用去除材料方法获得的表面粗糙度，Ra的最大值为3.2µm，Ra的最小值为1.6µm
用任何方法获得的表面粗糙度，Rz的上限值为3.2µm
用任何方法获得的表面粗糙度，Rz的最大值为3.2µm
用去除材料方法获得的表面粗糙度，Rz的上限值为3.2µm，Rz的下限值为1.6µm
用去除材料方法获得的表面粗糙度，Rz的最大值为3.2µm，Rz的最小值为1.6µm
用去除材料方法获得的表面粗糙度，Ra的上限值为3.2µm，Rz的上限值为1.6µm
用去除材料方法获得的表面粗糙度，Ra的最大值为3.2µm，Rz的最大值为1.6µm
2．表面粗糙度附加参数的标注
表面粗糙度的间距参数和混合特性参数为附加参数，在幅度参数未标注时，附加参数不能单独标注。
若需要标注RSm值或Rmr（c）值时，数值写在相应代号的后面。
图4.9a为RSm上限值的标注示例；图4.9b为RSm最大值的标注示例；图4.9c为Rmr（c）的标注示例，表示水平
截距C在Rz的50％位置上，Rmr（c）为70％，此时Rmr（c）为下限值；图4.9d为Rmr（c）最小值的标注示例
a）b）c）d）
图4.9表面粗糙度附加参数标注
3．表面粗糙度其他项目的标注
若按标准规定选用对应的取样长度时，在图样上可省略标注，否则应按如图4.10a所示方法标注取样长度0.8mm。
若某表面的粗糙度要求由指定的加工方法（如铣削）获得时，可用文字标注在图4.8规定之处，见图4.10b。
若需要标注加工余量（设加工总余量为7mm），应将其标注在图4.8规定之处，见图4.10c。
若需要控制表面加工纹理方向时，可在图4.8的规定之处，加注加工纹理方向符号，见图4.10d。
标准规定了加工纹理方向符号，如表4.8所示。
a）b）c）d）
图4.10表面粗糙度其他项目标注
4.3.3表面粗糙度图样上的标注方法
表面粗糙度符号、代号一般注在可见轮廓线、尺寸线、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，见图4.11。
其中注在螺纹直径上的符号表示螺纹工作表面的粗糙度。
在同一图样上，每一表面一般只标注一次符号、代号，并尽可能靠近有关的尺寸线。
当零件所有表面具有相同的表面粗糙度要求时，其符号、代号可在图样的右上角统一标注，其符号、代号和文字说明的高度均应是图形上其他表面所注代号和文字的1.4倍。
当被测表面在不同方位且带有横线的表面粗糙度符号应该按图4.12的规定进行标注。
表4.8加工纹理方向的符号（摘自GB/T131—1993）
符号
示意图
符号
示意图
纹理平行于标注代号的视图投影面
纹理呈两相交的方向
纹理垂直于标注代号的视图投影面
纹理呈近似同心圆
注：
若表中所列符号不能清楚表明所要求的纹理方向，应在图样上用文字说明。
图4.11表面粗糙度标注典型图例图4.12表面粗糙度标注典型图例
4.4表面粗糙度的选用
4.4.1评定参数的选用
1．对幅度参数的选用
一般情况下可以从幅度参数Ra和Rz中任选一个，但在常用值范围内（Ra为0.025～6.3µm），优先选用Ra。
因为通常采用电动轮廓仪测量零件表面的Ra值，其测量范围为0.02～8µm。
Rz通常用光学仪器——双管显微镜或干涉显微镜测量。
粗糙度要求特别高或特别低（Ra<0.025µm或Ra>6.3µm）时，选用Rz。
Rz用于测量部位小、峰谷小或有疲劳强度要求的零件表面的评定。
图4.13微观形状对质量的影响
如图4.13中，三种表面的轮廓最大高度参数相同，而使用质量显然不同，由此可见，只用幅度参数不能全面反映零件表面微观几何形状误差。
2．对间距参数的选用
对附加评定参数RSm和Rmr（c），一般不能作为独立参数选用，只有少数零件的重要表面且有特殊使用要求时才附加选用。
RSm主要在对涂漆性能，冲压成形时抗裂纹、抗振、抗腐蚀、减小流体流动摩擦阻力等有要求时选用。
3．对混合参数的选用
支承长度率Rmr（c）主要在耐磨性、接触刚度要求较高等场合附加选用。
4.4.2参数值的选用
表面粗糙度参数值的选用原则是满足功能要求，其次是考虑经济性及工艺的可能性。
在满足功能要求的前提下，参数的允许值应尽可能大些（除Rmr（c）外）。
在工程实际中，由于表面粗糙度和功能的关系十分复杂，因而很难准确地确定参数的允许值，在具体设计时，一般多采用经验统计资料，用类比法来选用。
根据类比法初步确定表面粗糙度后，再对比工作条件做适当调整。
这时应注意下述一些原则：
（1）同一零件上，工作表面的Ra或Rz值比非工作表面小。
（2）摩擦表面Ra或Rz值比非摩擦表面小。
（3）运动速度高、单位面积压力大，以及受交变应力作用的重要零件的圆角沟槽的表面粗糙度要求应较高。
（4）配合性质要求高的配合表面（如小间隙配合的配合表面）、受重载荷作用的过盈配合表面的表面粗糙度要求应较高。
（5）在确定表面粗糙度参数值时，应注意它与尺寸公差和形位公差协调。
尺寸公差值和形位公差值越小，表面粗糙度的Ra或Rz值应越小，同一公差等级时，轴的粗糙度Ra或Rz值应比孔小。
（6）要求防腐蚀、密封性能好或外表美观的表面粗糙度要求应较高。
（7）凡有关标准已对表面粗糙度要求作出规定（如与滚动轴承配合的轴颈和外壳孔的表面粗糙度），则应按该标准确定表面粗糙度参数值。
通常尺寸公差、表面形状公差小时，表面粗糙度要求也高。
但表面粗糙度参数值和尺寸公差、表面形状公差之间并不存在确定的函数关系，如手轮、手柄的尺寸公差较大，但表面粗糙度要求却较高。
一般情况下，它们之间有一定的对应关系。
设表面形状公差值为T，尺寸公差值为IT，可参照以下对应关系：
若
，则
；
。
，
；
。
，
；
。
，
；
。
4.5表面粗糙度的测量
目前常用的表面粗糙度的测量方法主要有：
比较法、光切法、针描法、干涉法、激光反射法等。
1．比较法
比较法是将被测表面与已知其评定参数值的粗糙度样板相比较，如被测表面精度较高时，可借助于放大镜、比较显微镜进行比较，以提高检测精度。
比较样板的选择应使其材料、形状和加工方法与被测工件尽量相同。
比较法简单实用，适合于车间条件下判断较粗糙的表面。
比较法的判断准确程度与检验人员的技术熟练程度有关。
2．光切法
光切法是利用“光切原理”测量表面粗糙度的方法。
光切原理示意图如图4.14所示。
图4.14a表示被测表面为阶梯面，其阶梯高度为h。
由光源发出的光线经狭缝后形成一个光带，此光带与被测表面以夹角为45°的方向A与被测表面相截，被测表面的轮廓影像沿B向反射后可由显微镜中观察得到图4.14b。
其光路系统如图4.14c所示，光源l通过聚光镜2、狭缝3和物镜5，以45°角的方向投射到工件表面4上，形成一窄细光带。
光带边缘的形状，即光束与工件表面的交线，也就是工件在45°截面上的轮廓形状，此轮廓曲线的波峰在S1点反射，波谷在S2点反射，通过物镜5，分别成像在分划板6上的S1”和S2”点，其峰、谷影像高度差为h”。
由仪器的测微装置可读出此值，按定义测出评定参数Rz的数值。
按光切原理设计制造的表面粗糙度测量仪器称为光切显微镜（或双管显微镜）其测量范围Rz为0.8～80µm。
a）b）c）
图4.14光切法测量原理示意图
3．针描法
针描法是利用仪器的触针在被测表面上轻轻划过，被测表面的微观不平度将使触针作垂直方向的位移，再通过传感器将位移量转换成电量，经信号放大后送入计算机，在显示器上示出被测表面粗糙度的评定参数值。
也可由记录器绘制出被测表面轮廓的误差图形，其工作原理如图4.15所示。
图4.15针描法测量原理示意图
按针描法原理设计制造的表面粗糙度测量仪器通常称为轮廓仪。
根据转换原理的不同，可以有电感式轮廓仪、电容式轮廓仪、压电式轮廓仪等。
轮廓仪可测Ra、Rz、RSm及Rmr（c）等多个参数。
除上述轮廓仪外，还有光学触针轮廓仪，它适用于非接触测量，以防止划伤零件表面，这种仪器通常直接显示Ra值，其测量范围为（0.02～5）µm。
4．干涉法
干涉法是利用光波干涉原理测量表面粗糙度的方法。
根据干涉原理设计制造的仪器称为干涉显微镜，其基本光路系统如图4.16a所示。
由光源1发出的光线经平面镜5反射向上，至半透半反分光镜9后分成两束。
一束向上射至被测表面18返回，另一束向左射至参考镜13返回。
此两束光线会合后形成一组干涉条纹。
干涉条纹的相对弯曲程度反映被测表面微观不平度的状况，如图4.16b所示。
仪器的测微装置可按定义测出相应的评定参数Rz值，其测量范围为（0.025～0.8）µm。
a）b）
图4.16干涉法测量原理示意图
5．激光反射法
激光反射法的基本原理是用激光束以一定的角度照射到被测表面，除了一部分光被吸收以外，大部分被反射和散射。
反射光与散射光的强度及其分布与被照射表面的微观不平度状况有关。
通常，反射光较为集中形成明亮的光斑，散射光则分布在光斑周围形成较弱的光带。
较为光洁的表面，光斑较强、光带较弱且宽度较小；较为粗糙的表面则光斑较弱，光带较强且宽度较大。
6．三维几何表面测量
表面粗糙度的一维和二维测量，只能反映表面不平度的某些几何特征，把它作为表征整个表面的统计特征是很不充分的，只有用三维评定参数才能真实地反映被测表面的实际特征。
为此国内外都在致力于研究开发三维几何表面测量技术，现已将光纤法、微波法和电子显微镜等测量方法成功地应用于三维几何表面的测量。
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