公差配合與技術(shù)測量第4章

第4章表面粗糙度

4.1概述

4.2表面粗糙度的評定

4.3表面粗糙度檢測

4.4表面粗糙度的選擇

思考題與習(xí)題4.1概述4.1.1表面粗糙度的概念經(jīng)過機(jī)械加工或用其他加工方法獲得的零件表面，由于加工過程中的塑性變形、機(jī)床的高頻振動以及刀具在加工表面留下的切削痕跡等原因，零件的表面不可能是絕對光潔的。在零件加工表面存在幾何形狀誤差，零件加工表面形成的幾何形狀誤差除表面粗糙度外，還有形狀誤差（宏觀幾何形狀誤差）和表面波度。表面粗糙度是加工表面上具有的由較小間距和峰谷形成的微觀幾何形狀特性，它是一種微觀幾何形狀特性,也稱為外觀不平度,如圖4-1示。表面粗糙度值越小，零件表面越光潔。

圖4-1表面粗糙度圖4-2零件表面的幾何形狀誤差

表面粗糙度反映的是實(shí)際零件表面幾何形狀誤差的微觀特征，而形狀誤差表述的則是零件幾何要素的宏觀特征，介于兩者之間的是表面波紋度。如圖4-2所示，這3種誤差通常以一定的波距

和波高h(yuǎn)之比來劃分，一般

/h比值大于1

000為形狀誤差，見圖4-2（b），其中

≤1mm；小于40為表面粗糙度，見圖4-2（c），其中1mm≤

≤10mm；介于兩者之間的為表面波紋度，見圖4-2（d），其中

＞10mm。4.1.2表面粗糙度對互換性的影響表面粗糙度對零件表面許多功能都有影響。其主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.配合性質(zhì)對于有配合要求的零件表面，由于相對運(yùn)動會導(dǎo)致微小的波峰磨損，從而影響配合性質(zhì)。

間隙配合：兩個表面粗糙的零件在相對運(yùn)動時會迅速磨損，造成間隙增大，影響配合性質(zhì)。過盈配合：在裝配時，表面上微觀凸峰極易被擠平，產(chǎn)生塑性變形，使裝配后的實(shí)際有效過盈量減小，降低了聯(lián)結(jié)強(qiáng)度。過渡配合：零件多用壓力及錘敲裝配，表面粗糙度發(fā)生磨損，使配合變松，降低了定位和導(dǎo)向的精度。2.耐磨性相互接觸的表面由于存在微觀幾何形狀誤差，只能在輪廓峰頂處接觸，實(shí)際有效接觸面積減小，導(dǎo)致單位面積上壓力增大，表面磨損加劇；但過于光（即表面粗糙度值過小）的零件表面，由于金屬分子間的吸附作用，接觸表面的潤滑油被擠掉形成干摩擦，也會使摩擦系數(shù)增大而加劇磨損。3.耐腐蝕性由于腐蝕性氣體或液體容易積存在波谷底部，腐蝕作用便從波谷向金屬零件內(nèi)部深入，造成銹蝕，因此零件表面越粗糙，波谷越深，腐蝕越嚴(yán)重。4.抗疲勞強(qiáng)度零件粗糙表面的波谷處，在交變載荷、重載荷作用下易引起應(yīng)力集中，使抗疲勞強(qiáng)度降低。此外，表面粗糙度對接觸剛度、結(jié)合面的密封性、零件的外觀、零件表面導(dǎo)電性等都有影響。因此為保證零件的使用性能和互換性，在設(shè)計零件幾何精度時必須提出合理的表面粗糙度要求。4.2表面粗糙度的評定參數(shù)我國現(xiàn)行的表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)有《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范表面結(jié)構(gòu)輪廓法表面結(jié)構(gòu)的術(shù)語、定義及參數(shù)》（GB/T3505—2009）、《表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》（GB/T1031—2009）、《機(jī)械制圖表面粗糙度符號、代號及其注法》（GB/T131—2006）。4.2.1基本術(shù)語及定義

1.實(shí)際輪廓實(shí)際輪廓是指平面與實(shí)際表面相交所得的輪廓線，如圖4-3所示。按相截方向不同，實(shí)際輪廓分為橫向?qū)嶋H輪廓和縱向?qū)嶋H輪廓。

圖4-3形位公差框格2.取樣長度（lr）取樣長度（lr）是用于判別被評定輪廓的不規(guī)則特征的x軸方向上的長度，即具有表面粗糙度特征的一段基準(zhǔn)線長度。x軸的方向與輪廓總的走向一致，一般應(yīng)包括5個以上的波峰和波谷，如圖4-4所示。規(guī)定和限制這段長度是為了限制和減弱表面波度對表面粗糙度測量結(jié)果的影響。圖4-4取樣長度和評定長度3.評定長度（ln）評定長度是用于判別被評定輪廓的x軸方向上的長度。它可包括一個或幾個取樣長度，如圖5-2所示。由于零件表面粗糙度不一定均勻，在一個取樣長度上往往不能合理地反映該表面粗糙度的特性，因此要取幾個連續(xù)取樣長度，一般取ln

=5lr。若被測表面比較均勻，可選

ln＜5lr；若被測表面均勻性差或測量精度要求高，可選

ln

＞5lr。4.輪廓中線輪廓中線是具有幾何輪廓形狀并劃分輪廓的基準(zhǔn)線。它有輪廓的最小二乘中線和輪廓的算術(shù)平均中線兩種。

1）輪廓的最小二乘中線（m）輪廓的最小二乘中線是指在取樣長度內(nèi)，使輪廓線上各點(diǎn)輪廓偏距zi

的平方和最小的線，即min()，如圖4-5所示。圖4-5輪廓的最小二乘中線

輪廓偏距z

是指測量方向上，輪廓線上的點(diǎn)與基準(zhǔn)線之間的距離，如圖4-6所示。對實(shí)際輪廓來說，基準(zhǔn)線和評定長度內(nèi)輪廓總的走向之間的夾角α是很小的，故可認(rèn)為輪廓偏距是垂直于基準(zhǔn)線的。輪廓偏距有正、負(fù)之分：在基準(zhǔn)線以上,輪廓線和基準(zhǔn)線所包圍的部分是材料的實(shí)體部分，這部分的z值為正；反之為負(fù)。圖4-6輪廓偏距2）輪廓的算術(shù)平均中線輪廓的算術(shù)平均中線是指在取樣長度內(nèi)劃分實(shí)際輪廓為上、下兩部分，且使兩部分面積相等的基準(zhǔn)線，如圖4-7所示，用公式表示為

式中:Fi——輪廓峰面積；

——輪廓谷面積。(4-1)圖4-7輪廓的算術(shù)平均中線

最小二乘中線從理論上講是理想的、惟一的基準(zhǔn)線，但在輪廓圖形上確定最小二乘中線的位置比較困難，因此只用于精確測量。輪廓算術(shù)平均中線與最小二乘中線差別很小，通常用圖解法或目測法就可以確定，故實(shí)際應(yīng)用中常用輪廓的算術(shù)平均中線代替最小二乘中線。當(dāng)輪廓很不規(guī)則時，輪廓的算術(shù)平均中線不是惟一的。4.輪廓峰頂線輪廓峰頂線是指在取樣長度內(nèi)，平行于基準(zhǔn)線并通過輪廓最高點(diǎn)的線，如圖4-8所示。圖4-8輪廓峰頂線與輪廓谷底線5.輪廓谷底線輪廓谷底線是指在取樣長度內(nèi)，平行于基準(zhǔn)線并通過輪廓最低點(diǎn)的線，如圖4-8所示。4.2.2評定參數(shù)

1.幅度參數(shù)

1）輪廓算術(shù)平均偏差（Ra）輪廓算術(shù)平均偏差是指在一個取樣長度內(nèi),輪廓偏距z(x)絕對值的算術(shù)平均值，如圖4-9所示，用公式表示為或近似為

式中:z——輪廓偏距；

zi——第i點(diǎn)輪廓偏距（i=1，2，4,…n）。(4-2)(4-3)圖4-9輪廓算術(shù)平均偏差圖3-10輪廓最大高度2）輪廓最大高度（Rz）輪廓最大高度是指在取樣長度內(nèi)，輪廓峰頂線與輪廓谷底線之間的距離，如圖4-10所示。2.間距參數(shù)輪廓單元的平均寬度(RSm)：在取樣長度內(nèi)，輪廓單元寬度XS

的平均值，用公式表示為

式中,XSi——第i

個輪廓微觀不平度的間距。輪廓單元是指輪廓峰和輪廓谷的組合寬度。輪廓單元寬度XS是指x軸線與輪廓單元相交線段的長度，如圖4-11所示。圖4-11輪廓單元寬度3.形狀特性參數(shù)輪廓支承長度率（Rmr

(c)）：在給定水平位置c

上，輪廓的實(shí)體材料長度Ml(c)與評定長度ln

的比率，用公式表示為

輪廓的實(shí)體材料長度Ml(c),是指評定長度內(nèi)，一平行于x軸的直線從峰頂線向下移一水平截距c時，與輪廓相截所得各段截線長度bi

之和。

Rmr(c)值是對應(yīng)于不同水平截距c

而給出的。水平截距c

是從峰頂線開始計算的,它可用μm或Rz

的百分?jǐn)?shù)表示。如圖4-12所示，給出Rmr(c)參數(shù)時，必須同時給出輪廓水平截距

c

值。圖4-12輪廓支承長度4．國標(biāo)規(guī)定

國標(biāo)規(guī)定采用中線制來評定表面粗糙度，粗糙度的評定參數(shù)一般從Ra、Rz中選取，參數(shù)值見表4-2、表4-3。表中的“第一系列”應(yīng)得到優(yōu)先選用。4.2.3表面粗糙度的標(biāo)注

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T131—2006對表面粗糙度的符號、代號及其標(biāo)注做了規(guī)定。1表面粗糙度的圖形符號代號（1）表面粗糙度的基本圖形符號和擴(kuò)展圖形符號。為了標(biāo)注表面粗糙度輪廓各種不同的技術(shù)要求，GB/T131—2006規(guī)定了一個基本圖形符號，如圖4-13（a）所示；兩個擴(kuò)展圖形符號，如圖4-13（b）、圖4-13（c）所示。①基本圖形符號（a）表示表面可用任何加工方法獲得。由兩條不等長的與表面成60°夾角的直線構(gòu)成，如圖4-13（a）所示。基本圖形符號僅用于簡化代號標(biāo)注，沒有補(bǔ)充說明時，不能單獨(dú)使用。

②擴(kuò)展圖形符號（b）表示指定表面是用去除材料的方法獲得的。例如車、銑、鉆、刨、磨、拋光、電火花加工、氣割等方法。在基本圖形符號上加一短橫構(gòu)成，如圖4-13（b）所示。

③擴(kuò)展圖形符號（c）表示指定表面是用不去除材料的方法獲得的。例如鑄、鍛、沖壓、熱軋、冷軋、粉末冶金等方法。在基本圖形符號上加一圓圈構(gòu)成，如圖4-13（c）所示。

圖4-13表面粗糙度基本圖形符號與擴(kuò)展圖形符號

（2）表面粗糙度的完整圖形符號。當(dāng)要求標(biāo)注表面粗糙度特征的補(bǔ)充信息時，應(yīng)在圖4-13所示圖形符號的長邊端部加一條橫線，構(gòu)成表面粗糙度的完整圖形符號，如圖4-14所示。圖4-14表面粗糙度完整圖形符號2表面粗糙度的標(biāo)注（1）表面粗糙度圖形符號的特征組成。當(dāng)需要表示的加工表面對表面特征的其他規(guī)定有要求時，應(yīng)在表面粗糙度符號的相應(yīng)位置注上若干必要項(xiàng)目的表面特征規(guī)定。表面特征的各項(xiàng)規(guī)定在符號中的注寫位置如圖4-15所示。圖4-15表面粗糙度特征的標(biāo)注位置a—注寫表面結(jié)構(gòu)單一要求，包括粗糙度幅度參數(shù)代號（Ra、Rz）、參數(shù)極限值（單位為μm）和傳輸帶或取樣長度（其標(biāo)注順序及規(guī)定如下：傳輸帶數(shù)值/評定長度/幅度參數(shù)代號（空格）幅度參數(shù)數(shù)值）；b—注寫第二個（或多個）表面結(jié)構(gòu)要求，附加評定參數(shù)（如RSm，單位為mm）；c—加工方法；d—加工紋理方向的符號；e—加工余量（mm）。

幅度參數(shù)的標(biāo)注表面粗糙度的幅度參數(shù)包括Ra和Rz。當(dāng)選用Ra標(biāo)注時，只需在圖形符號中標(biāo)出其參數(shù)值，可不標(biāo)幅度參數(shù)代號；當(dāng)選用Rz標(biāo)注時，參數(shù)代號和參數(shù)值均應(yīng)標(biāo)出。表面粗糙度幅度參數(shù)標(biāo)注示例（摘要GB/T131—2006）如圖4-16所示。參數(shù)值標(biāo)注分為上限值標(biāo)注和上、下限值標(biāo)注兩種形式。

圖4-16幅度參數(shù)值默認(rèn)上限值的標(biāo)注

極限值判斷規(guī)則的標(biāo)注。

按照GB/T10610—2009的規(guī)定，可采用下列兩種判斷規(guī)則。

16%規(guī)則：16%規(guī)則是指在同一評定長度范圍內(nèi)，幅度參數(shù)所有的實(shí)測值中，允許16%測得值超過規(guī)定值，則認(rèn)為合格。16%規(guī)則是表面粗糙度輪廓技術(shù)要求中的默認(rèn)規(guī)則。若采用，則圖樣上不須注出，如圖4-16、圖4-17所示。最大規(guī)則：最大規(guī)則是在幅度參數(shù)符號Ra或Rz的后面標(biāo)注一個“max”的標(biāo)記。它表示整個所有實(shí)測值不得超過規(guī)定值，如圖4-18所示。

圖4-17幅度參數(shù)上、下限值的標(biāo)注

傳輸帶和取樣長度、評定長度的標(biāo)注。需要指定傳輸帶時，傳輸帶（單位為mm）標(biāo)注在幅度參數(shù)符號的前面，并用斜線“/

”隔開，如圖4-19所示。

圖4-18幅度參數(shù)最大規(guī)則的標(biāo)注圖4-19傳輸帶的標(biāo)注

表面紋理的標(biāo)注。需要標(biāo)注表面紋理及其方向時，則應(yīng)采用規(guī)定的符號（摘自GB/T131—2006）進(jìn)行標(biāo)注。表面紋理標(biāo)注符號如圖4-21所示。圖4-21中紋理方向如下。圖4-21常見的加工紋理方向符號(a)紋理平行于視圖所在的投影面；

(b)紋理垂直于視圖所在的投影面；

(c)紋理呈兩斜向交叉方向；

(d)紋理呈多方向；

(e)紋理呈近似同心圓且圓心與表面中心相關(guān)；

(f)紋理呈近似放射狀且與表面中心相關(guān)；

(g)紋理呈微粒、凸起、無方向。

間距、形狀特征參數(shù)的標(biāo)注。若需要標(biāo)注RSm、Rmr（c）值時，將其符號注在加工紋理的旁邊，數(shù)值寫在代號的后面。圖4-22表示用磨削的方法獲得的表面的幅度參數(shù)Ra上限值為1.6μm（采用最大原則），下限值為0.2μm（默認(rèn)16%規(guī)則），傳輸帶皆采用0.008—1mm，評定長度值采用默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)化值5個；附加了間距參數(shù)RSm0.05mm，加工紋理垂直于視圖所在的投影面。圖4-22表面粗糙度技術(shù)要求的標(biāo)注圖

加工余量的標(biāo)注。在零件圖上標(biāo)注的表面粗糙度輪廓技術(shù)要求都是針對完工表面的要求，因此不需要標(biāo)注加工余量。對于有多個加工工序的表面可以標(biāo)注加工余量，如圖4-23所示，車削工序的直徑方向加工余量為0.4mm。

圖4-23加工余量的標(biāo)注3表面粗糙度的標(biāo)注方法

（1）表面粗糙度符號、代號一般標(biāo)注在可見輪廓線、尺寸界線、引出線或它們的延長線上。符號的尖端必須從材料外指向表面，如圖4-24所示。（2）表面結(jié)構(gòu)要求可標(biāo)注在輪廓線上，其符號應(yīng)從材料外指向并接觸表面，如圖4-25所示。必要時，也可用帶箭頭或黑點(diǎn)的指引線引出標(biāo)注，如圖4-26所示。圖4-24表面結(jié)構(gòu)要求的注寫方向

圖4-25表面粗糙度代號在圖樣上的標(biāo)注圖4-26用指引線引出標(biāo)注表面的結(jié)構(gòu)要求（3）在不至引起誤解時，表面結(jié)構(gòu)要求可以注寫在給定的尺寸線上，如圖4-27所示。（4）表面結(jié)構(gòu)要求可以標(biāo)注在形位公差框格上方，如圖4-28所示。

圖4-27表面結(jié)構(gòu)注寫在尺寸線上圖4-28表面結(jié)構(gòu)標(biāo)注在形位公差框格上方（5）表面結(jié)構(gòu)要求可以直接標(biāo)注在延長線上，或用帶箭頭的指引線引出標(biāo)注，如圖4-29、圖4-30(p173)所示。

圖4-29表面結(jié)構(gòu)要求標(biāo)注在延長線上（6）簡化標(biāo)注。當(dāng)零件的某些表面或多數(shù)表面具有相同的技術(shù)要求時，對這些表面的技術(shù)要求可以用特定符號統(tǒng)一標(biāo)注在零件圖的標(biāo)題欄附近。該表面粗糙度要求符號后面應(yīng)有圓括號，說明該要求的適用范圍。如圖4-31（a）所示。

圖4-31形位公差值的附加符號4．GB/T131表面粗糙度新、舊版標(biāo)注的比較與區(qū)別(p173)。4.3表面粗糙度檢測常用的表面粗糙度的測量方法有比較法、光切法、光波干涉法和針描法。這些方法基本上用于測量表面粗糙度的幅度參數(shù)。（1）比較法。比較法是將被測零件表面與粗糙度樣板直接進(jìn)行比較的一種測量方法。它可以通過視覺、觸覺或借助放大鏡、比較顯微鏡，估計出表面粗糙度的值。這種方法多用于車間，評定一些表面粗糙度參數(shù)值較大的表面。這種方法精度較差，只能做定性分析比較。（2）光切法。光切法是利用光切原理，即光的反射原理測量表面粗糙度的一種方法。常用的儀器是光切顯微鏡（雙管顯微鏡），該儀器適宜測量車、銑、刨或其他類似加工方法所加工的零件平面或外圓表面。光切法主要用來測量粗糙度參數(shù)Rz的值，其測量范圍為0.8～50

μm。1．光源2．聚光鏡3．狹縫4．被測表面5．物鏡6．分劃板7．目鏡

圖4-32光切顯微鏡工作原理圖（3）光波干涉法。光波干涉法是利用光波的干涉原理測量表面粗糙度的方法。常用的儀器是干涉顯微鏡，適宜用來測量粗糙度參數(shù)Rz，測量范圍為0.05～0.8

μｍ。圖4-33光波干涉法測量原理圖（4）針描法。針描法的工作原理是利用金剛石觸針在被測表面上等速緩慢移動，被測表面的微觀不平度將使觸針作垂直方向的上下移動，該微量移動通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)過放大和處理，得到被測參數(shù)的相關(guān)數(shù)值。按針描法原理設(shè)計制造的表面粗糙度測量儀器通常稱為輪廓儀。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同，有電感式輪廓儀、電容式輪廓儀、電壓式輪廓儀等。還有光學(xué)觸針輪廓儀，它適用于非接觸測量，以防止劃傷零件表面。這種儀器通常直接顯示Ra值，其測量范圍為0.025～6.3

μm。1．電箱2．V形塊3．工作臺4．記錄器5．工件

6．觸針7．傳感器8．驅(qū)動箱9．指示表圖4-34電動輪廓儀4.4表面粗糙度的選擇選擇的原則是：在滿足零件表面使用功能的前提下，盡量使加工工藝簡單、生產(chǎn)成本降低，盡量選用較大的參數(shù)值。（1）參數(shù)的選擇。國家標(biāo)準(zhǔn)推薦優(yōu)先選用Ra參數(shù)，對于小表面零件和圓柱表面可選用Rz，例如頂尖、刀尖、鋼球和軸承滾道等的表面粗糙度選用Rz。（2