1、互换性与测量技术,第5章 表面粗糙度与检测,5.1 概述,5.2 表面粗糙度的基本知识,5.3 表面粗糙度的选择,5.4 表面粗糙度的标注,5.5 表面粗糙度的检测,5.6 综合实训,误差产生的原因加工原理（工件与刀具相对位置）定位安装（定位元件和安装误差）机床（自身的制造、磨损、安装）刀具（磨损）调整（重新对刀、定位、夹紧）工艺系统的受力变形（切削力）工艺系统的热变形（切削热和摩擦热）内应力（毛坯、切削、冷加工）,表面粗糙度是指加工表面所具有的较小间距和微小峰谷的一种微观几何形状误差。它是在机械加工过程中，由于刀具或砂轮切削后留下的刀痕、切屑分离时的塑性变形、工艺系统的高频振动及刀具和被加工
2、表面摩擦等原因所产生的。,表面粗糙度与形状误差有何区别？,形状误差属于宏观几何形状误差。一般由机床、刀具、工件所组成的工艺系统的误差所造成的。而表面粗糙度属于微观几何形状误差。指加工后，刀具在工件表面留下的波峰和波长都很小的波形。,5.1 概述,表面粗糙度越小，表面越光滑。,三种误差,形状误差,表面波度误差,表面粗糙度,波距大于10 mm,波距在110 mm之间,波距小于1 mm,图5-1 某零件的三种误差,粗糙度轮廓,波纹度轮廓,宏观形状轮廓,实际表面轮廓,5.1 概述,表面粗糙度越小，表面越光滑。,下列论述正确的有()。A表面粗糙度属于表面微观性质的形状误差。B表面粗糙度属于表面宏观性质的
3、形状误差。C表面粗糙度属于表面波纹度误差。D经过磨削加工所得表面比车削加工所得表面的表面粗糙度值大。E介于表面宏观形状误差与微观形状误差之间的是波纹度误差。,AE,表面粗糙度对工件性能的影响有哪些？,表面粗糙度的主要表现,对零件耐磨性的影响,对零件配合性质的影响,对零件接触刚度的影响,表面粗糙度越大，配合面之间的有效接触面积越小，压强越大，磨损就越快；但如果表面粗糙度过小，不仅不利于润滑油的储存，还会加大金属分子间的吸附力，也会加快磨损,表面粗糙度会影响配合性质的稳定性。对于间隙配合，由于微观峰顶会在工作中迅速磨损，从而会使间隙增大；对于过盈配合，由于压入装配时微观峰顶会被挤平，从而会使实际过
4、盈量减小,两个零件上相互接触的表面粗糙度越大，其实际接触面积越小，单位面积受力越大，峰顶处的局部塑性变形越严重，接触刚度越低,对零件疲劳强度的影响,对零件耐蚀性的影响,对零件密封性的影响,粗糙的零件表面存在较大的微观凹谷，其对应力集中十分敏感，会降低零件的疲劳强度。对于承受交变载荷的零件，这种影响尤为显著,粗糙的零件表面，易于在表面微观凹谷处积聚腐蚀性气体和液体，并由此渗入内层，造成表面锈蚀，降低零件的抗腐蚀能力,粗糙表面结合时，两表面只在局部点上接触，无法严密贴合，气体或液体容易通过接触面间的微小缝隙发生渗漏,表面粗糙度值越小，则零件的()。A耐磨性好。B配合精度高。C抗疲劳强度差D传动灵敏
5、性差。E加工容易。,AB,5.2 表面粗糙度的基本知识,5.2.1 基本术语及定义,表面粗糙度的基本术语主要包括表面轮廓、取样长度lr、评定长度ln和基准线m等。,表面轮廓是指一个指定平面与实际表面相交所得的轮廓，如图5-2所示。,1表面轮廓,图5-2 表面轮廓,取样长度lr是指在X轴方向判别被评定轮廓不规则特征的长度。规定取样长度lr的目的是为了限制和减弱表面波度对表面粗糙度测量结果的影响：若lr过长，则表面粗糙度的测量值中可能含有表面波度的成分；若lr过短，则不能客观地反映表面粗糙度的实际情况。,如图5-3所示，取样长度lr应在轮廓总的走向上量取。在取样长度范围内，一般应包含5个以上的轮廓
6、峰和轮廓谷。表面越粗糙，取样长度lr应越长。,2取样长度lr,图5-3 取样长度和评定长度,取样长度lr的数值应从表5-1给出的数系中选取。,表5-1 取样长度lr的数值 单位：mm,评定长度ln是指用于评定被评定轮廓的X轴方向上的长度。由于零件表面存在不均匀性，为了合理、客观地反映表面质量，评定长度ln一般包含一个或几个取样长度lr。通常取ln5lr；若被测表面均匀性较好，可选ln5lr；若被测表面均匀性较差，可选ln5lr。,在评定长度ln内，根据取样长度lr进行测量，可得到一个或几个测量值，取其平均值作为表面粗糙度数值的可靠值。,3评定长度ln,基准线,轮廓最小二乘中线,轮廓算术平均中线
7、,简称为中线，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，轮廓线上各点到该线距离Zi的平方和为最小，如图5-4（a）所示，即：,轮廓算术平均中线是指具有几何轮廓形状，在取样长度内与轮廓走向一致，并划分轮廓为上下两部分，且使上下两部分面积相等的基准线，如图5-4（b）所示，即：,（a）（b）图5-4 基准线,在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其位置比较困难；而算术平均中线与最小二乘中线的差别很小，且可用目测方法确定，故通常用算术平均中线来代替最小二乘中线。当轮廓不规则时，算术平均中线不止一条，而最小二乘中线只有一条。,4基准线m,基准线m是指评定表
8、面粗糙度参数值大小的一条参考线。,规定取样长度和评定长度的目的是什么？,规定取样长度的目的是为了限制或减弱表面波度的影响；规定评定长度的目的是为了合理地反映轮廓的真实情况。,5.2.2 表面粗糙度的评定参数及其数值,国家标准GB/T 35052009规定的评定表面粗糙度的参数有：,幅度参数,轮廓算术平均偏差Ra,轮廓最大高度Rz,轮廓最大高度Rz是指在一个取样长度内，最大轮廓峰高Zpmax和最大轮廓谷深Zvmax之和，如图5-5所示，其表达式为：RzZpmaxZvmax,是指在一个取样长度内，纵坐标Z（x）绝对值的算术平均值，其表达式为：或近似为：,表5-2 轮廓算术平均偏差Ra的数值,图5-
9、5 轮廓最大高度,一般情况下，在测量Ra和Rz时，应按表5-4所示选用相应的取样长度lr和评定长度ln（表中ln5lr）。此时，取样长度值的标注在图样上或技术文件中可省略；当有特殊要求时，应给出相应的取样长度值，并在图样上或技术文件中注出。,表5-4 Ra、Rz与lr、ln的对应关系,表面粗糙度的主要评定参数有哪些？优先采用哪个评定参数？,表面粗糙度的主要评定参数有：轮廓算术平均偏差Ra；轮廓最大高度Rz。优先选用Ra。,5.3 表面粗糙度的选择,5.3.1 表面粗糙度评定参数的选择,1轮廓算术平均偏差Ra,由于Ra既能反映加工表面的微观几何形状特征，又能反映微观凸峰高度，且测量效率高，测量时
10、便于进行数据处理，因此，在幅度参数常用的参数值范围内（Ra为0.0256.3 m、Rz为0.125 m），推荐优先选用Ra值。,2轮廓最大高度Rz,Rz反映轮廓情况虽不如Ra全面、客观，但其概念简单，测量方便，同时也弥补了Ra不能测量极小表面的不足。因此，在零件加工表面过于粗糙（Ra6.3 m）、过于光滑（Ra0.025 m），或测量面积很小时，可以选用Rz值。,5.3.2 表面粗糙度评定参数值的选择,表面粗糙度评定参数值的选择原则是：在满足功能要求的前提下，尽量选用较大的参数允许值，以减小加工难度，降低生产成本。,在选择表面粗糙度评定参数值时，应根据国家标准GB/T 10312009规定的参
11、数值系列来选择。实际生产中，可参照一些经过验证的实例，用类比法来确定。根据类比法初步确定表面粗糙度后，再对比工作条件进行适当调整。调整时应考虑以下几点。同一零件上，工作表面的粗糙度值（评定参数值）比非工作表面的粗糙度值小。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值小。运动速度高、压强大、受交变载荷的零件表面及容易产生应力集中的沟槽、圆角部位等，表面粗糙度值应小些。,配合稳定性要求高的表面，如小间隙配合表面、受重载荷的过盈配合表面，表面粗糙度值应小些。表面粗糙度应与尺寸和形状公差相协调。例如，尺寸、形状公差小时，表面粗糙度也要小些；相同公差等级时，轴的表面粗糙度值应比孔要小些。密
12、封性、抗腐蚀性要求高的表面或外形要求美观的表面，表面粗糙度值要小些。凡有关标准已对表面粗糙度作出具体规定的，应按该标准的要求选择。,常用表面粗糙度的参数值及其加工方法和应用举例参见课本表5-7和表5-8。,课堂练习题,判断下列各对配合使用性能相同时，哪一个表面粗糙度的要求高？说明理由。1）50H7/f6与50H7/h6。2）20h7与80h7。3）20H7/e6与20H7/r6。4）30g6与30G6。,解：1）50H7/h6要求高些，因为它是小间隙配合，对表面粗糙度比大间隙配合的50H7/f6更敏感。2）20h7要求高些，因为80h7尺寸较大，加工更困难，因此应放松要求。3）20H7/r6要
13、求高些，因为是过盈配合，为了连接可靠、安全、应减小粗糙度，以避免装配时将微观不平的峰、谷挤平面减小实际过盈量。4）30g6要求高些，因为精度相同时，孔比轴难加工。,5.4 表面粗糙度的标注,5.4.1 表面结构的符号,表5-9 表面结构符号,在表面结构符号的基础上，注上其他有关表面特征的符号及数值，即组成了表面结构的代号。,一般情况下，在表面结构代号中，只注出表面结构评定参数代号及其允许值即可。但为了明确表面结构要求，必要时应注出补充要求。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。在完整符号中，对表面结构的单一要求和补充要求应标注在图5-9所示指定位置上。,5.4.2
14、 表面结构的代号,图5-9 补充要求的标注位置,表面结构代号的示例及含义如表5-11所示。,表5-11 表面结构代号的示例及含义,评定参数规定值的判断规则,16%规则,最大规则,运用最大规则时，被测整个表面上测得的参数值一个也不应超过给定的最大值，此时，应在参数代号后注写“max”,运用16%规则时，当被测表面测得的全部参数值中，超过规定值的个数不多于总个数的16%时，该表面是合格的。此时，应在图样上标注表面粗糙度参数的上、下极限值。当参数代号后未注写“max”时，均默认为应用16%规则,表面结构要求对每一个表面一般只标注一次，并尽可能注在相应的尺寸及其公差的同一视图上。,国标规定，表面结构的
15、注写和读取方向与尺寸的注写和读取方向一致。表面结构要求可标注在轮廓线上，其符号应从材料外指向并接触表面。必要时，表面结构符号也可用带箭头或黑点的指引线引出标注，如图5-10和5-11所示。,5.4.3 表面结构在图样和其他技术产品文件中的注法,1表面结构符号、代号的标注位置与方向,图5-10 表面结构要求在轮廓线上的标注 图5-11 用指引线引出标注表面结构要求,在不致引起误解的情况下，表面结构要求可以标注在给定的尺寸线上，如图5-12（a）所示；也可标注在几何公差框格的上方，如图5-12（b）和图5-12（c）所示。,（a）（b）（c）图5-12 表面结构要求标注在尺寸线上或公差框格上,在表
16、面结构要求可以直接标注在延长线上，或用带箭头的指引线从延长线上引出标注，如图5-13所示。,图5-13 表面结构要求标注在延长线上,圆柱和棱柱表面的表面结构要求只标注一次，如果每个棱柱表面都有不同的表面结构要求，则应分别标注，如图5-14所示。,图5-14 圆柱和棱柱表面结构要求的标注,2表面结构的简化注法,如果工件的多数（包括全部）表面具有相同的表面结构要求，则其表面结构要求可统一标注在图样的标题栏附近。此时，表面结构要求的符号后面应有：在圆括号内给出无任何其他标注的基本符号，如图5-15（a）所示；在圆括号内给出不同的表面结构要求，如图5-15（b）所示。,（1）有相同表面结构要求的简化注
17、法,（a）（b）图5-15 大多数表面有相同表面结构要求的简化注法,用带字母的完整符号的简化注法 可用带字母的完整符号，以等式的形式，在图形或标题栏附近，对有相同表面结构要求的表面进行简化标注，如图5-16所示。,（2）多个表面有共同表面结构要求的简化注法,图5-16 用带字母的完整符号的简化注法,图5-17 只用表面结构符号的简化注法,只用表面结构符号的简化注法可用表面结构符号，以等式的形式给出对多个表面共同的表面结构要求，如图5-17所示。,3两种或多种工艺共同获得的同一表面的注法,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结构要求时，可按图5-18所示进行标注。,图
18、5-18 同时给出镀覆前后的表面结构要求的注法,表面粗糙度标注说明：标注时将其标注在可见轮廓线、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被注表面；高度参数：当选用Ra时，只需在代号中标出其参数值，“Ra”本身可以省略；当选用Rz时，参数和参数值都应标出；,将表面粗糙度符号标注在图上，要求（1）用任何方法加工圆柱面d3，R a最大允许值为3.2m。（2）用去除材料的方法获得孔d1，要求R a最大允许值为3.2m。（3）用去除材料的方法获得表面a，要求Ry最大允许值为3.2m。（4）其余用去除材料的方法获得表面，要求R a允许值均为25m。,课堂练习题,指出图中标注中的错误，并
19、加以改正。,课堂练习题,课堂练习题,如图所示，零件的各加工面均由去除材料方法获得，将下列要求标注在图上。1）直径为50的圆柱外表面粗糙度Ra的上限值为3.2m；2）左端面的表面粗糙度Ra的上限值为1.6m；3）直径为50的圆柱的右端面的表面粗糙度Ra的上限值为3.2m；4）直径为20的内孔表面粗糙度Rz的上限值为0.8m，下限值为0.4m；5）螺纹工作面的表面粗糙度Ra的最大值为1.6m，最小值为0.8m；6）其余各加工面的表面粗糙度Ra的上限值为25m。,改 错,将表面粗糙度符号标注在图上，要求（1）用任何方法加工圆柱面d3，R a最大允许值为3.2m。（2）用去除材料的方法获得孔d1，要求
20、R a最大允许值为3.2m。（3）用去除材料的方法获得表面a，要求Ry最大允许值为3.2m。（4）其余用去除材料的方法获得表面，要求R a允许值均为25m。,5.5 表面粗糙度的检测,测量表面粗糙度参数值时，若图样上没有特别指明测量方向，则应在尺寸最大的方向上测量，通常在垂直于表面纹理方向的截面上测量。对没有一定纹理方向的表面，应在几个不同的方向上测量，取最大值为测量结果。此外，应注意测量时不要把表面缺陷（如气孔、划痕等）包含进去。,表面粗糙度的常用检测方法有比较法、光切法、干涉法和针描法等。,5.5.1 比较法,比较法是指将被测表面与已知高度特征参数值的表面粗糙度样板进行比较，通过肉眼观察、
21、手动触摸，或借助放大镜、显微镜等来判断被测表面粗糙度的一种检测方法。比较时，所用表面粗糙度样板的材料、形状、加工方法及纹理方向等应尽可能与被测表面相同，以减少检测误差。,比较法简单易行，适用于在车间条件下使用。但由于其评定结果的准确性很大程度上取决于检测人员的经验，因此仅适用于评定表面粗糙度要求不高的工件。,5.5.2 光切法,光切法是指应用“光切原理”来测量表面粗糙度的一种检测方法。常用的仪器为光切显微镜（又称为双管显微镜）。该仪器适用于测量用车、铣及刨等加工方法所获得金属零件的平面或外圆表面。光切显微镜主要用于测量轮廓最大高度Rz值。,5.5.3 干涉法,干涉法是指利用光波干涉原理测量表面
22、粗糙度的一种检测方法。利用此方法测量时，被测表面直接参与光路，用同一标准反射镜比较，以光波波长来度量干涉条纹的弯曲程度，从而测得该表面的粗糙度值。常用的仪器为干涉显微镜。干涉显微镜主要用于测量轮廓最大高度Rz值。,5.5.4 针描法,针描法又称为轮廓法，是指利用仪器的触针与被测表面接触，并使触针沿被测表面轻轻滑动来测量表面粗糙度的一种检测方法。常用的仪器是电动轮廓仪。,针描法测量表面粗糙度能够直接读出轮廓算术平均偏差Ra值，且能测量平面、轴、孔和圆弧面等各种形状的表面粗糙度。但由于触针要与被测表面可靠接触，需要适当的测量力，当测量材料较软或表面粗糙度值较小时，被测表面容易产生划痕。,5.6.1
23、 表面粗糙度的比较,1实训过程,判断下列每对配合（或工件）使用性能相同时，哪一个的表面粗糙度值应小些？为什么？60H7/f6与60H7/h6 30h7与90h7 30H7/e6与30H7/r6 40g6与40G6,60H7/h6的表面粗糙度值应小些，因为此配合为小间隙配合，而60H7/f6为大间隙配合，为保证配合的稳定性，小间隙配合的表面粗糙度值应小些。30h7的表面粗糙度值应小些，因为为保证表面粗糙度与尺寸相协调，尺寸小时，表面粗糙度值也要小些。30H7/r6的表面粗糙度值应小些，因为此配合为过盈配合，而30H7/e6为间隙配合，为保证配合的稳定性，过盈配合的表面粗糙度值应小些。,5.6 综合实训,2实训总结,40g6的表面粗糙度值应小些，因为相同公差等级时，轴的表面粗糙度值应比孔要小些。,通过对表面粗糙度的比较判断，掌握表面粗糙度的选择。,5.6.2 表面粗糙度的标注,图5-19 实训2图,2实训总结,根据题干要求，表面粗糙度的标注如图5-20所示。,通过对表面粗糙度进行标注，掌握表面粗糙度的标注方法。,1实训过程,图5-20 表面粗糙度的标注,
