南京理工大学互换性测量表面粗糙度

第第5章章 外表粗糙度及其检测外表粗糙度及其检测5.1 概述概述5.2 外表粗糙度的评定外表粗糙度的评定5.3 外表精度设计外表精度设计外表粗糙度的评定参数外表粗糙度的评定参数及其数值的选用及其数值的选用5.4 外表粗糙度符号、代号及其标注外表粗糙度符号、代号及其标注 5.5 外表粗糙度的检测外表粗糙度的检测放大放大hSHT/2刨削后的表面状态5.1 概 述5.1.1 外表粗糙度的概念 在切削加工过程中，由于遗留下来的刀痕、切削别离时塑性变形，刀具与已加工外表的摩擦以及系统振动等原因，在零件被加工外表上出现连续不断地间距较小，上下起伏的微小峰和谷。这些微小峰和谷的上下程度和间距状况称为外表粗糙度，又叫微观不平度。它是一种微观几何形状误差。外表越粗糙，表示微观几何形状误差越大。外表不平度通常按照波距的大小划分为三类误差：外表粗糙度、外表波度和外表上宏观形状误差。波距 10 mm的属于形状误差(宏观几何形状误差)图5.1 零件外表的几何形状误差外表粗糙度对零件使用性能的影响1)对摩擦和磨损的影响：粗糙的零件外表，会使支承面仅在实际轮廓外表的峰顶处相接触图a，实际接触面比理论的小得多。滑动时产生磨损曲线如图b。显然要提高零件的耐磨性必须设法减小零件的外表粗糙度延长正常磨损阶段。但是外表粗糙度过小，不利于储存润滑油，反而加剧了外表磨损。正常磨损阶段磨损初期阶段测量间隙初期磨损后的间隙t正常t初期(b)(a)图5.2 实际外表接触情况 图5.3 磨损量与Ra的关系2)对配合性质的影响：对有相对运动的间隙配合，外表越粗糙工件外表越易磨损，那么配合间隙很快扩大。对有连接强度要求的过盈配合：外表越粗糙越会减小配合的有效过盈，降低了配合件的连接强度。3)对抗腐蚀性的影响：外表越粗糙腐蚀介质越易在谷地聚集，并且渗入到零件的内部产生腐蚀破坏。此外，减小外表粗糙度，对增加零件连接的密封性和使零件美观性都有很大的影响。图5.4外表粗糙度对抗腐蚀性的影响4)对疲劳强度的影响：零件粗糙外表存在许多尖角缺口和裂纹，在受交变载荷时，他们都是引起应力集中的因素，将降低疲劳强度，增大零件破损的可能性。5)对接触刚度的影响 接触刚度影响零件的工作精度和抗振性。这是由于外表粗糙度使外表间只有一局部面积接触。一般情况下，实际接触面积只有公称接触面积的百分之几。因此，外表越粗糙受力后局部变形越大，接触刚度也越低。6)对结合面密封性的影响 粗糙的外表结合时，两外表只在局部点上接触，中间有缝隙，影响密封性。因此，降低外表粗糙度，可提高其密封性。7)对零件其他性能的影响 外表粗糙度对零件其他性能，如对测量精度、流体流动的阻力及零件外形的美观等都有很大的影响。1.实际轮廓：指平面与实际外表相交所得的轮廓线。通常指横向实际轮廓，即与加工纹理方向垂直的截面上的轮廓。5.2 外表粗糙度的评定5.2.1 根本术语和定义横向实际轮廓2.取样长度 l：用于判别和测量外表粗糙度使所规定的一段基准线长度。规定取样长度的目的是限定和削弱其他几何形状形状误差特别是外表纹理度对测量结果的影响。外表越粗糙取样长度越大。在取样长度范围内一般包括5个以上的轮廓峰和谷。选用值见表6-5。3.评定长度 ln：评定被测量轮廓所必须的一段长度，它包括一个或几个取样长度，一般取其平均值。它的选用见表65l：取样长度 ln：评定长度图5.5 取样长度与评定长度4 4、轮廓中线、轮廓中线 是评定外表粗糙度大小的一条参考线。它是具有与被测是评定外表粗糙度大小的一条参考线。它是具有与被测量外表几何形状相应的几何轮廓形状，并将被测量轮廓加以量外表几何形状相应的几何轮廓形状，并将被测量轮廓加以划分的线。划分的线。1 1轮廓的最小二乘中线：轮廓的最小二乘中线：在取样长度内，被测轮廓线上各点至一条假想线的在取样长度内，被测轮廓线上各点至一条假想线的距离的平方和为最小。这条基准线称为轮廓的最小二乘中线。距离的平方和为最小。这条基准线称为轮廓的最小二乘中线。2 2轮廓的算术平均中线：轮廓的算术平均中线：在取样长度内划分实际轮廓为上下两局部，且使上在取样长度内划分实际轮廓为上下两局部，且使上下两局部面积相等的线。由于最小二乘中线比较困难，常用下两局部面积相等的线。由于最小二乘中线比较困难，常用目测法确定轮廓的算术平均中线位置。目测法确定轮廓的算术平均中线位置。图5.6 轮廓中线5.2.2 外表粗糙度的评定参数国家标准规定：评定参数应从轮廓算术平均偏差国家标准规定：评定参数应从轮廓算术平均偏差(Ra)、微观、微观不平度十点高度不平度十点高度(Rz)、轮廓最大高度、轮廓最大高度(Ry)中选取。将轮廓中选取。将轮廓微观不平度的平均间距、轮廓单峰平均间距和轮廓支承长微观不平度的平均间距、轮廓单峰平均间距和轮廓支承长度率三个附加参数列于附录中。度率三个附加参数列于附录中。1.高度特征参数高度特征参数1轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差 Ra：在取样长度在取样长度l内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平均值的算术平均值 或或图5.7轮廓算术平均偏差 Ra确实定2微观不平度十点高度Rz：在取样长度内，5个最大的轮廓峰高平均值与5个最大的轮廓谷底深度平均值之和，称为微观不平度十点高度。3轮廓最大高度Ry：在取样长度内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离，称为轮廓最大高度图5.8 微观不平度十点高度Rz和轮廓最大高度Ry确实定2.间距特征参数间距特征参数 间距特征参数是沿着评定基准线方向测量的，能直接反映外表加工纹理的细密程度。1轮廓微观不平度的平均间距Sm：在取样长度上，轮廓微观不平度的间距Smi的平均值。Smi是指轮廓峰和相邻的轮廓谷在中线上的一段长度。2轮廓单峰平均间距S：在取样长度内，轮廓单峰间距的平均值Si。Si指两相邻单峰的在高点之间沿中线方向上的距离 图5.9 轮廓微观不平度平均间距Sm和轮廓单峰平均间距S确实定3.形状特征参数形状特征参数轮廓支承长度p：一根与中线平行且与轮廓峰顶线相距为C的线与轮廓峰相截所得到得各段截线bi 之和，称为轮廓支承长度。轮廓支承长度率tp：轮廓支承长度p与取样长度l之比即为轮廓支承长度率Sm、S、tp三个参数测量比较困难，只有少数零件的重要外表有特殊要求时才选用，而Ra、Rz及Ry是三个常用的根本参数。图5.11 支承长度率图示5.3 外表粗糙度的评定参数及其数值的选用5.3.1 评定参数及其数值的选择1、有关外表粗糙度高度参数Ra、Rz、Ry 的允许值，见表5.2和表5.3。在常用数值范围内(Ra=0.0256.3um，Rz=0.125um)优先选用Ra，一般选用第一数列。2、有关附加参数(Sm、S、tp)的允许值，见表5.4和表5.5 选用支承长度率tp时，必须同时给出轮廓水平截距C的数值。C多用Ry的百分数表示，其系列为5、10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、90%3、取样长度和评定长度的选用值列于表6-5。由于加工的不均匀性，其评定长度应根据不同的加工方法和相应的取样长度来确定，通常按表6-5选取。如被测面均匀性好可选用小于5l的长度，反之选用大于5l的长度。在新国家标准中(GB/T131-93)不划分粗糙度等级，只列出评定参数的允许值的数系。5.3.1 评定参数的选择 1.高度评定参数的选用 一般情况下可从高度参数Ra、Rz、Ry中任选一个，但在常用值范围内(为0.0256.3，为0.125)，应优先选用Ra，因为Ra能较充分合理地反映零件外表的粗糙度特征。Ra值通常用电动轮廓仪测量，测量效率高。对于特别粗糙或特别光洁的外表，考虑到工作和检测条件，可以选用Rz或Ry(Rz与Ry不能同时选用)。Rz通常用双管显微镜和干预显微镜测量，由于它只反映峰顶和谷底的几个点，反映出的信息不如Ra全面，且测量效率较低。测量部位小、峰谷少或有疲劳强度要求的零件外表可选用Ry作为评定参数。5.3.1 评定参数的选择 2.附加评定参数的选用 附加评定参数一般情况下不作为独立的参数选用，只有零件的外表有特殊使用要求时，仅用高度特征参数不能满足零件外表的功能要求，才在选用了高度参数的根底上，附加选用间距特征参数和形状特征参数。图5.11中，(b)、(c)、(d)三种外表的轮廓高度参数值相同，而密封性、光亮度和耐磨性却相差很大。可见，对有特殊要求的重要外表，只控制高度参数是不够的，还需控制间距特征参数或形状特征参数。一般情况下，对密封性、光亮度有特殊要求的外表，应选用附加参数Sm或S；对耐磨性有特殊要求的外表，应选用附加参数tp。5.3.2 评定参数值的选用 外表粗糙度评定参数选定后，应规定其允许值。外表粗外表粗糙度评定参数选定后，应规定其允许值。外表粗糙度参数值选用得适当与否，不仅影响零件的使用性能，糙度参数值选用得适当与否，不仅影响零件的使用性能，还关系到制造本钱。一般说来，外表粗糙度参数值愈小，还关系到制造本钱。一般说来，外表粗糙度参数值愈小，零件的工作性能愈好。零件的工作性能愈好。外表粗糙度的参数值已经标准化，设计时应按国家标准外表粗糙度的参数值已经标准化，设计时应按国家标准规定的参数系列选取。一般只规定上限值，必要时还要给规定的参数系列选取。一般只规定上限值，必要时还要给出下限值。出下限值。高度特征参数值高度特征参数值(第第1系列数值系列数值)见表见表5.2和表和表5.3，间距特，间距特征参数值见表征参数值见表5.4，形状特征参数值见表，形状特征参数值见表5.5。表表5.6和表和表5.7分别列出了外表粗糙度的外表特征、经济加分别列出了外表粗糙度的外表特征、经济加工方法、应用举例以及轴和孔的外表粗糙度参数推荐值，工方法、应用举例以及轴和孔的外表粗糙度参数推荐值，供选用时参考。供选用时参考。零件的外表粗糙度是一种重要的技术经济指标，它选择不仅要根据零件的工作条件和使用要求，同时还考虑实际工艺的可能性和经济性。具体选择时可参考一些经过验证的实例，用类比法确定一般选用原那么如下：1、同一零件上，工作外表的粗糙度值应小于非工作外表。2、摩擦外表的粗糙度值应小于非摩擦外表；滚动摩擦外表粗糙度值应小于滑动外表；运动速度越高、单位面积受的压力越大的外表粗糙度值应越小。3、受交变载荷时，特别是零件圆角、沟槽处的粗糙度值应该选用得小一些。5.3.2 评定参数值的选用 4、要求配合性质稳定可靠时，粗糙度数值应该小一些；配合间隙小的间隙配合外表以及要求连接可靠、受重载荷的过盈配合外表都应选用较小的粗糙度值。5、配合性质相同，零件尺寸越小，其粗糙度值应越小。同一精度等级，小尺寸比大尺寸、轴比孔的粗糙度要小。6、对于配合外表，其尺寸公差、形状公差、外表粗糙度应当协调，一般情况下有一定的对应关系，现推荐如下：设尺寸公差代号IT；形状公差代号t；外表粗糙度代号Ra、Rz假设 t=0.6IT 那么 Ra0.05IT Rz0.2IT t=0.4IT Ra0.025IT Rz0.1IT t=0.25IT Ra0.012IT Rz0.05IT t=0.25IT Ra0.15IT Rz0.6IT5.4 外表粗糙度的符号、代号及其标注5.4.1 外表粗糙度的符号、代号1.外表粗糙度的符号5.82、外表粗糙高度参数轮廓算术平均偏差Ra值的标注见表5.10 代号中用数值表示(单位为微米)，Ra代号可省略。图样上标注的外表粗糙参数为上限值或下限值，表示允许实测值中超过规定值的个数不大于15%。在图样上的外表粗糙参数后标注最大值或最小值，表示要求所有实测值中不得超过规定值。Ra3、外表粗糙度高度参数轮廓微观不平度十点高度Rz、轮廓最大高度Ry值(单位为微米)的标注见表5.10续表。参数值前需标注相应的参数代号。Rz Ry4.外表粗糙度的代号a1、a2 粗糙度高度参数代号及其数值(单位微米)b 加工要求、镀覆、涂覆、表面处理或其他说明 c 取样长度(单位毫米)或波纹度(单位微米)d 加工微理方向符号(见表69)e 加工余量(单位毫米)f 粗糙度间距参数值(单位毫米)或轮廓支承长度率。5、需要控制加工方向时，可在根本符号右侧加注相应的符号。5.9图5.14 Sm、tp参数值标注例如图5.15 附加要求的标注例如5.4.2 外表粗糙度要求的图样标注 外表粗糙度符号、代号一般注在图样外表粗糙度符号、代号一般注在图样的可见轮廓线、尺寸界限、引出线或它的可见轮廓线、尺寸界限、引出线或它们的延长线上，符号的尖端必须从材料们的延长线上，符号的尖端必须从材料外指向被测外表。代号中数字及符号的外指向被测外表。代号中数字及符号的注写方向，必须与尺寸数字方向一致，注写方向，必须与尺寸数字方向一致，如图如图5.16所示。当零件的大局部外表的所示。当零件的大局部外表的粗糙度值要求相同时，不必一一标注，粗糙度值要求相同时，不必一一标注，对其中使用最多的一种符号、代号可统对其中使用最多的一种符号、代号可统一注在图样的右上角，并加注一注在图样的右上角，并加注“其余其余两字，如图两字，如图5.17所示。所示。中心孔零件图轴套其余5.5 外表粗糙度的检测 零件完工后，其外表的粗糙度是否满足使用要求，需要零件完工后，其外表的粗糙度是否满足使用要求，需要进行检测。本节将介绍外表粗糙度检测的根本原那么和方进行检测。本节将介绍外表粗糙度检测的根本原那么和方法。法。5.5.1 检测的根本原那么检测的根本原那么1.测量方向的选择测量方向的选择 对于外表粗糙度，如未指定测量截面的方向时，那么应对于外表粗糙度，如未指定测量截面的方向时，那么应在高度参数最大值的方向进行测量，一般来说也就是在垂在高度参数最大值的方向进行测量，一般来说也就是在垂直于外表加工的纹理方向上测量。直于外表加工的纹理方向上测量。2.外表缺陷的摒弃外表缺陷的摒弃 外表粗糙度不包括气孔、砂眼、擦伤、划痕等缺陷。外表粗糙度不包括气孔、砂眼、擦伤、划痕等缺陷。3.测量部位的选择测量部位的选择 在假设干有代表性的区段上测量。在假设干有代表性的区段上测量。5.5.2 测量方法 外表粗糙度的常用检测方法有比较法、轮廓法、光切法、干预法、印模法等。1.用粗糙度样块比较比较法 用比较法检验外表粗糙度是生产车间常用的方法。它是将被测外表与粗糙度样块进行比较来评定外表粗糙度。比较法可用目测直接判断或借助于放大镜、显微镜比较或凭触觉、来判断外表粗糙度。2.用电动轮廓仪测量轮廓法 触针式电动轮廓仪是利用触针直接在被测外表上轻轻划过，从而测出值，测量值的范围一般为80.02。性能比较完善的电动轮廓仪可以测量 各参数。3.用光切显微镜测量光切法 光切显微镜又称双管显微镜。它可以测量，以及规那么外表(车、铣、刨等)的和S。测量的范围一般为600.6m。4.用干预显微镜测量干预法 干预显微镜是利用光波干预原理测量外表粗糙度。干预显微镜主要用来测量，两个参数。测量的范围一般为10.03m。5.对复制印模外表进行测量印模法 对于大零件的内外表，也有采用印模法进行测量的，即用石蜡、低熔点合金(锡铅等)或其他印模材料等将被测外表印模下来，然后对复制印模外表进行测量。由于印模材料不可能充满谷底，其测量值略有缩小，可查阅有关资料或自行实验得出修正系数，并在计算中加以修正。取样长度和评定长度图66轮廓的算术平均中线轮廓的算术平均中线返回返回图65轮廓的最小二乘法轮廓的最小二乘法返回返回图67轮廓算术平均偏差图轮廓算术平均偏差图返回返回或或图69轮廓最大高度轮廓最大高度返回返回图68微观不平度十点误差微观不平度十点误差返回返回图610外表粗糙度的间距参数外表粗糙度的间距参数返回返回图611轮廓支承长度轮廓支承长度返回返回