表面粗糙度的基本概念

项目4　
表面粗糙度

●项目概述

本项目是理解零件表面质量要求的重要部分。本项目讲解了表面粗糙度的概念、术语及评定参数，表面粗糙度的检测。要求学生理解零件的表面粗糙度质量要求，会使用量具仪器检测零件表面粗糙度。

●项目内容

表面粗糙度的概念、术语及评定参数，表面粗糙度的检测。

●项目目标

理解零件的表面粗糙度质量要求，会使用量具仪器检测零件表面粗糙度。

任务4.1　表面粗糙度的基本概念

●任务要求

1．理解表面粗糙度的概念以及对零件性能的影响。

2．掌握表面粗糙度的术语及评定参数。

●任务实施

4.1.1　表面粗糙度的概念

表面粗糙度反映的是零件被加工表面上的微观几何形状误差，是指加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。通常可按波形起伏间距λ和幅度h的比值来划分。比值小于40时，为表面粗糙度；比值范围为40～1000时，属表面波度；比值大于1000时，纳入形状误差考虑。加工误差示意图如图4．1所示。

图4.1　加工误差示意图

4.1.2　表面粗糙度对零件使用性能的影响

表面粗糙度对零件使用性能的影响主要有以下5个方面：

（1）对摩擦和磨损的影响

零件实际表面越粗糙，摩擦系数越大，加速磨损。

（2）对配合性质的影响

表面粗糙度会影响到配合性质的稳定性。对于间隙配合，会因表面粗糙很快磨损而使间隙增大；对于过盈配合，粗糙表面轮廓的峰顶在装配时被挤平，实际有效过盈减小，降低了联接强度。

（3）对疲劳强度的影响

表面越粗糙，表面微观不平度的凹谷一般就越深，应力集中更严重，零件在交变应力作用下，零件疲劳损坏的可能性就越大，疲劳强度就越低。

（4）对接触刚度的影响

表面越粗糙，其实际接触面积就越小，接触刚度降低，影响机器的工作精度和抗振性。

（5）对耐腐蚀性能的影响

粗糙的表面易使腐蚀性物质附着于表面的微观凹谷，并渗入金属内层，造成表面锈蚀。

此外，表面粗糙度对零件结合面的密封性能、外观质量和表面涂层的质量等都有很大的影响。因此，在所有零件加工图中，均提出了不同的表面粗糙度要求。

4.1.3　表面粗糙度基本术语及定义

（1）实际轮廓

实际轮廓是指平面与实际表面相交所得的轮廓线（见图4．2）。检测表面粗糙度时，要求在与加工纹理相垂直的实际轮廓上进行。

图4.2　实际轮廓

1—实际轮廓；2—零件表面；3—水平方向；4—假象截面

（2）取样长度l

取样长度是指用于判别具有表面粗糙度特征的一段基准线长度。在取样长度范围内，一般应包含至少5个轮廓峰和轮廓谷（见图4．3）。

（3）评定长度ln

评定长度是指评定轮廓表面粗糙度所必需的一段长度，一般为5倍取样长度（见图

4．3）。有关数值已经标准化。

图4.3　取样长度和评定长度

（4）基准线

用以评定表面粗糙度参数值大小的一条参考线，称为基准线。

①轮廓最小二乘中线。在取样长度内，使轮廓上各点至一条假想线距离平方和为最小。

②轮廓算术平均中线。在取样长度内，基准线使上下两部分面积之和相等。

轮廓中线如图4．4所示。

图4.4　轮廓中线

无论是最小二乘中线还是轮廓算术平均中线，它们的确定都比较困难。实测时，用目测法估计确定。

4.1.4　表面粗糙度评定参数

（1）高度特征参数——主参数

1）轮廓算术平均偏差Ra

在取样长度内，被测实际轮廓上各点至基准线距离yi的绝对值的算术平均值（见图4．5）。

2）微观不平度十点高度Rz

在取样长度内，被测实际轮廓上5个最大轮廓峰高的平均值与5个最大轮廓谷深的平均值之和（见图4．6）。

图4.5　轮廓算术平均偏差Ra

3）轮廓最大高度Ry

在取样长度内，轮廓峰顶线与轮廓谷底之间的距离（见图4．6）。

图4.6　微观不平度十点高度Rz和轮廓最大高度Ry

（2）间距特征、形状特征参数——附加参数

①轮廓微观不平度的平均间距Sm（见图4．7）。

②轮廓的单峰平均间距S（见图4．7）。

③轮廓支承长度率tp。

图4.7　附加评定参数

在3个附加评定参数中，Sm和S是属于间距特征参数，tp是属于形状特征参数。

4.1.5　评定参数及参数值的选择

（1）评定参数的选择

考虑目前检测技术、检测成本和满足使用要求的综合因素，标准提倡在主参数——高度参数中选取，而且优先选用Ra。工厂在用图纸的80%左右用Ra作为表面粗糙度检测参数。Rz值易于在光学仪器上测得，且计算方便，是测量超精加工表面较合适的参数。对要求抗疲劳强度的表面来说，宜采用Ra加Ry或Rz加Ry。此外，当被测表面很小（不足一个取样长度），不宜采用Ra或Rz来评定时，也可用参数Ry。

（2）参数值的选用

表面粗糙度参数值的选用原则是：首先满足功能要求，其次顾及经济合理性；在满足功能要求的前提下，参数的允许值应尽可能大。

表面粗糙度的评定参数值已经标准化。具体选用时，多用类比法来确定表面粗糙度的参数值（见表4．1—表4．3），即先根据经验统计资料初步选定表面粗糙度参数值，然后再对比工作条件作适当调整。

表4.1　轮廓算术平均偏差Ra的数值

表4.2　微观不平度十点高度Rz和轮廓最大高度Ry的数值

表4.3　Ra，Rz，Ry的取样长度与评定长度的选用

调整时，应考虑以下7点：

①同一零件上，工作表面的粗糙度值应比非工作表面小。

②摩擦表面的粗糙度值比非摩擦表面小，滚动摩擦表面的粗糙度值比滑动摩擦表面小。

③运动速度高、单位面积压力大的表面以及受交变应力作用的重要零件圆角、沟槽的表面粗糙度值都应要小。

④配合性质要求越稳定，粗糙度值应越小。配合性质相同时，小尺寸结合面的粗糙度值应比大尺寸小；同一公差等级时，轴的粗糙度值应比孔小。

⑤表面粗糙度参数值应与尺寸公差及形位公差协调。一般来说，尺寸公差和形位公差小的表面，其粗糙度的值也应小。

⑥防腐性、密封性要求高、外表美观等表面的粗糙度值应较小。

⑦凡有关标准已对表面粗糙度要求作出规定，则应按标准确定的表面粗糙度参数值选取。例如，与滚动轴承配合的轴颈和外壳孔、键槽、各级精度齿轮的主要表面等。

学习评价表

任务4.2　表面粗糙度代号及选用

●任务要求

1．理解零件表面粗糙度要求的含义。

2．会选用表面粗糙度。

●任务实施

4.2.1　表面粗糙度符号和代号

表面粗糙度符号和代号见表4．4。

表4.4　表面粗糙度代号及说明

4.2.2　表面粗糙度在图样上的标注

表面粗糙度代号在图样上一般标注于可见轮廓线上，也可标注于尺寸界限或其延长线上。符号的尖端应从材料的外面指向被注表面。表面粗糙度在图样上的标注示例如图4．8所示。

图4.8　表面粗糙度在图样上的标注示例

4.2.3　表面粗糙度代号标注的含义

表面粗糙度代号标注的含义见表4．5。

表4.5　表面粗糙度代号标注的含义

4.2.4　一般加工方法所能达到的Ra值

一般加工方法所能达到的Ra值见表4．6。

表4．6　一般加工方法所能达到的Ra值／μm

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任务4.3　表面粗糙度的检测

●任务要求

1．理解各种表面粗糙度检测仪器的原理和特点。

2．会选用仪器检测零件的表面粗糙度要求。

●任务实施

4.3.1　比较法

比较法是指被测表面与已知其高度参数值的粗糙度样板相比较，通过人的视觉或触觉，也可借助放大镜、显微镜来判断被测表面粗糙度值的一种检测方法。

样块列出各加工方法下几个常用的“Ra”值，辅以显微镜或放大镜与工件表面对比、观察判断被测表面粗糙度的合格性。目前是工厂最广泛使用的检测表面粗糙度方法。

比较法简单易行，检测成本低，但人为因素重，仅适用于评定表面粗糙度要求不高的工件。

4.3.2　光切法

光切法是利用光学原理测量表面粗糙度的一种方法。常用的仪器是光切显微镜（又称双管显微镜），如图4．9所示。该方法主要用于测量表面粗糙度的Rz，Ry值，其测量的范围通常为0．8～100μm。

4.3.3　干涉法

干涉法是利用光波干涉原理来测量表面粗糙度的一种方法。常用的仪器是干涉显微镜，如图4．10所示。该方法主要用于测量表面粗糙度的Rz，Ry值，其测量的范围通常为0．05～0．8μm。

图4.9　双管显微镜

1—光源；2—立柱；3—锁紧螺钉；4—微调手轮；5—粗调螺母；6—底座；7—工作台；8—物镜组；9—测微鼓轮；10—目镜；11—照相机插座

图4.10　6JA干涉显微镜

1—目镜；2—测微鼓轮；3—照相机；4，5，8，13（显微镜背面）—手轮；6—手柄；7—光源；9，10，11—滚花轮；12—工作台

4.3.4　轮廓法

轮廓法是一种接触式测量表面粗糙度的方法。最常用的仪器是电动轮廓仪。国产BCJ⁃2型电动轮廓仪如图4．11所示。

测量原理是：触针触摸工件表面，将所得信息传给传感器并变为电信号，经计算和放大处理由指示表直接显示“Ra”值。

图4.11　国产BCJ⁃2型电动轮廓仪

1—被测工件；2—触针；3—传感器；4—驱动箱；5—指示表；6—工作台；7—定位块

其特点是：理论上准确直接，但若触针尺寸太细与工件接触力不够难以摸准；若触针过粗，则易划伤工件表面，且不能触摸表面低谷。故其实用性差且测量成本高，难以用于实际。

学习评价表

实践与训练

一、填空题

1．表面粗糙度是指____________具有的____________和____________所组成的微观几何形状特性。

2．若过盈配合的孔、轴表面较粗糙，配合后的实际过盈量会__________，配合联接强度将__________。

3．取样长度用________表示，评定长度用_______表示。

4．评定表面粗糙度的主要参数是____、____和Ry，附加参数是____、____和Sm。

5．轮廓算术平均偏差用________表示；微观不平度十点高度用________表示，轮廓最大高度用__________表示，三者单位为__________。

6．Ra的数值越大，零件表面就越__________；反之，表面就越__________。

二、判断题（用“√”表示对，“×”表示错，填入括号内）

1．表面粗糙度的取样长度一般即为评定长度。　　　　　　　　　　　　　　　　　（　）

2．Ra测量方便，能充分反映表面微观几何形状高度的特征，是普遍采用的评定参数。（　）

3．零件的表面粗糙度数值越小，越易于加工。　　　　　　　　　　　　　　　　　（　）

4．一般情况下，零件尺寸公差及形位公差要求越高，表面粗糙度数值越小。　　　　（　）

三、选择题

1．表面粗糙度是（　）误差。

A．宏观几何形状　　

B．微观几何形状　　

C．宏观相互位置　　

D．微观相互位置

2．评定表面粗糙度的取样长度至少应包含（　）个峰谷。

A．3

B．5

C．8

3．评定表面粗糙度普遍采用（　）参数。

A．Ra

B．Rz

C．Ry

4．通常铣削加工可使零件表面粗糙度Ra值达到（　）。

A．12．5～1．6μm

B．6．3～0．8μm

C．12．5～0．8μm

D．1．6～0．1μm

5．零件“所有”或“其余”表面具有相同粗糙度要求时，应在图样（　）。

A．左上角统一标注

B．右上角统一标注

C．各表面分别标注

6．用切削法加工零件时，要求其表面的轮廓算术平均偏差值不大于3．2μm，应采用的表面粗糙度标注是（　）。

四、综合题

1．表面粗糙度对零件的功能有何影响？

2．表面粗糙度国家标准中规定了哪些评定参数？哪些是主要参数？它们各有什么特点？与之相应的有哪些测量方法和测量仪器？大致的测量范围是多少？