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
学习评价表
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?
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