表面粗糙评定参数的选择PPT课件

5.1 概 述5. 1. 1 表面粗糙度的概念 经过机械加工或用其他加工方法获得的零件表面，由于加工过程中的塑性变形、机床的高频振动以及刀具在加工表面留下的切削痕迹等原因，零件的表面不可能是绝对光洁的。在零件加工表面存在几何形状误差，其中一种是由较小间距和微小峰谷形成的微观几何形状误差，即表面粗糙度。表面粗糙度值越小，零件表面越光洁。 第1页/共74页 零件加工表面形成的几何形状误差除表面粗糙度外，还有形状误差（宏观几何形状误差）和表面波度， 如图5-1所示。通常，按相邻两波峰或两波谷的波距来划分，波距大于10 mm的属于形状误差；波距小于1mm的属于表面粗糙度；波距介于110 mm之间的属于表面波度。 第2页/共74页图 5-1 零件表面的几何形状误差第3页/共74页5. 1. 2 表面粗糙度对互换性的影响 表面粗糙度对零件表面许多功能都有影响。其主要表现在以下几个方面： 1. 配合性质 对于有配合要求的零件表面，由于相对运动会导致微小的波峰磨损，从而影响配合性质。第4页/共74页 间隙配合：零件粗糙表面的波峰会很快磨去，导致间隙增大，影响原有的配合功能。 过盈配合：在装配零件时会将波峰挤平填入波谷，使实际有效过盈量减小，降低了联结强度。 过渡配合：零件会在使用和拆装过程中发生磨损，使配合变松，降低了定位和导向的精度。 第5页/共74页 2. 耐磨性 相互接触的表面由于存在微观几何形状误差，只能在轮廓峰顶处接触，实际有效接触面积减小，导致单位面积上压力增大，表面磨损加剧；但过于光（即表面粗糙度值过小）的零件表面，由于金属分子间的吸附作用，接触表面的润滑油被挤掉形成干摩擦，也会使摩擦系数增大而加剧磨损。 第6页/共74页 3. 耐腐蚀性 由于腐蚀性气体或液体容易积存在波谷底部， 腐蚀作用便从波谷向金属零件内部深入，造成锈蚀，因此零件表面越粗糙，波谷越深，腐蚀越严重。 第7页/共74页 4. 抗疲劳强度 零件粗糙表面的波谷处，在交变载荷、重载荷作用下易引起应力集中，使抗疲劳强度降低。 此外，表面粗糙度对接触刚度、结合面的密封性、零件的外观、零件表面导电性等都有影响。因此为保证零件的使用性能和互换性，在设计零件几何精度时必须提出合理的表面粗糙度要求。 第8页/共74页5. 2 表面粗糙度的评定参数 我国现行的表面粗糙度标准有产品几何技术规范表面结构 轮廓法 表面结构的术语、定义及参数（GB/T 35052000）、表面粗糙度 参数及其数值（GB/T10311995）、机械制图 表面粗糙度符号、代号及其注法（GB/T 1311993）。 第9页/共74页5. 2. 1 基本术语及定义 1. 取样长度（lr） 取样长度是用于判别被评定轮廓的不规则特征的 x 轴方向上的长度，即具有表面粗糙度特征的一段基准线长度。 x 轴的方向与轮廓总的走向一致，一般应包括5个以上的波峰和波谷， 如图5-2所示。规定和限制这段长度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。 第10页/共74页 2. 评定长度（ln） 评定长度是用于判别被评定轮廓的 x 轴方向上的长度。它可包括一个或几个取样长度，如图5-2所示。 由于零件表面粗糙度不一定均匀，在一个取样长度上往往不能合理地反映该表面粗糙度的特性，因此要取几个连续取样长度，一般取 ln = 5lr。 若被测表面比较均匀，可选 ln 5lr；若被测表面均匀性差或测量精度要求高，可选 ln 5lr。 第11页/共74页图 5-2 取样长度和评定长度第12页/共74页 3. 轮廓中线 轮廓中线是具有几何轮廓形状并划分轮廓的基准线。它有轮廓的最小二乘中线和轮廓的算术平均中线两种。 1）轮廓的最小二乘中线（m） 轮廓的最小二乘中线是指在取样长度内，使轮廓线上各点轮廓偏距 zi 的平方和最小的线，即min( )，如图5-3所示。 dxzilr20第13页/共74页图 5-3 轮廓的最小二乘中线第14页/共74页 轮廓偏距 z 是指测量方向上，轮廓线上的点与基准线之间的距离，如图5-4所示。对实际轮廓来说， 基准线和评定长度内轮廓总的走向之间的夹角是很小的，故可认为轮廓偏距是垂直于基准线的。轮廓偏距有正、负之分：在基准线以上, 轮廓线和基准线所包围的部分是材料的实体部分，这部分的 z 值为正； 反之为负。 第15页/共74页图 5-4 轮廓偏距第16页/共74页 2）轮廓的算术平均中线 轮廓的算术平均中线是指在取样长度内划分实际轮廓为上、下两部分，且使两部分面积相等的基准线，如图5-5所示，用公式表示为式中: Fi轮廓峰面积； 轮廓谷面积。niiniiFF11(5-1)iF第17页/共74页图 5-5 轮廓的算术平均中线第18页/共74页 最小二乘中线从理论上讲是理想的、惟一的基准线，但在轮廓图形上确定最小二乘中线的位置比较困难，因此只用于精确测量。轮廓算术平均中线与最小二乘中线差别很小，通常用图解法或目测法就可以确定，故实际应用中常用轮廓的算术平均中线代替最小二乘中线。当轮廓很不规则时，轮廓的算术平均中线不是惟一的。 第19页/共74页 4. 轮廓峰顶线 轮廓峰顶线是指在取样长度内，平行于基准线并通过轮廓最高点的线，如图5-6所示。 第20页/共74页图 5-6 轮廓峰顶线与轮廓谷底线第21页/共74页 5. 轮廓谷底线 轮廓谷底线是指在取样长度内，平行于基准线并通过轮廓最低点的线， 如图5-6所示。 第22页/共74页5. 2. 2 评定参数 1. 幅度参数 1） 轮廓算术平均偏差（Ra） 轮廓算术平均偏差是指在一个取样长度内, 轮廓偏距 z (x) 绝对值的算术平均值，如图5-7所示，用公式表示为 或近似为 式中: z轮廓偏距； zi第 i 点轮廓偏距（i=1，2，3, ）。 dxxzlrRlra01(5-2)niiaznR11(5-3)第23页/共74页图 5-7 轮廓算术平均偏差第24页/共74页 2）轮廓最大高度（Rz） 轮廓最大高度是指在取样长度内，轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间的距离，如图5-8所示。 第25页/共74页图 5-8 轮廓最大高度第26页/共74页 2. 间距参数 轮廓单元的平均宽度(RSm)：在取样长度内，轮廓单元宽度 XS 的平均值， 用公式表示为 式中, XSi第 i 个轮廓微观不平度的间距。 轮廓单元是指轮廓峰和轮廓谷的组合宽度。轮廓单元宽度 XS 是指 x 轴线与轮廓单元相交线段的长度，如图5-9所示。 misiXmRSm11(5-4)第27页/共74页图 5-9 轮廓单元宽度第28页/共74页 3. 形状特性参数 轮廓支承长度率（Rmr ( c )）：在给定水平位置c 上，轮廓的实体材料长度 Ml ( c )与评定长度 ln 的比率，用公式表示为 lnblncMlcRmrnii1(5-5)第29页/共74页 轮廓的实体材料长度 Ml (c), 是指评定长度内， 一平行于 x 轴的直线从峰顶线向下移一水平截距 c 时， 与轮廓相截所得各段截线长度 bi 之和。 Rmr(c)值是对应于不同水平截距 c 而给出的。水平截距 c 是从峰顶线开始计算的, 它可用m或 Rz 的百分数表示。如图5-10所示， 给出 Rmr(c) 参数时，必须同时给出轮廓水平截距 c 值。 第30页/共74页图 5-10 轮廓支承长度第31页/共74页 国家标准GB/T 10311995规定, 幅度参数是基本评定参数，而间距和形状特性参数为附加评定参数。 第32页/共74页5.3 表面粗糙度的标注 国家标准GB/T 1311993对表面粗糙度的符号、 代号及其标注做了规定。 5. 3. 1 表面粗糙度的基本符号 表面粗糙度的基本符号是由两条不等长且与被标注表面投影轮廓线成60，左、右倾斜的细实线组成的。第33页/共74页 图样上所标注的表面粗糙度符号、代号是该表面完工后的要求。有关表面粗糙度的各项规定应按功能要求给定。若仅需加工（采用去除材料的方法或不去除材料的方法）但对表面粗糙度的其他规定没有要求时，允许只注表面粗糙度符号，如表5-1所示。 第34页/共74页第35页/共74页5. 3. 2 表面粗糙度的代号及其标注 当需要表示的加工表面对表面特征的其他规定有要求时，应在表面粗糙度符号的相应位置注上若干必要项目的表面特征规定。表面特征的各项规定在符号中的注写位置如图5-11所示。 第36页/共74页图 5-11 表面粗糙度的代（符）号标注位置第37页/共74页 a1, a2粗糙度高度参数代号及其数值（m）； b加工方法，镀覆、涂覆、表面处理或其他说明等； c取样长度（mm）或波纹度（m）； d加工纹理方向的符号； e加工余量（mm）； f粗糙度间距参数值（mm）或支承长度率（%）。第38页/共74页 1. 幅度参数的标注 表面粗糙度幅度参数的标注及其意义示例见表5-2。 当选用 Ra 时，只需在代号中标出其参数，参数值前可不标参数代号；当选用 Rz 时，参数和参数值均应标出。 第39页/共74页 注：表面粗糙度参数的“上限值”（或“下限值”）和“最大值”（或“最小值”）的含义是不同的。 “上限值”（或“下限值”）表示表面粗糙度参数的所有实测值中允许16%测得值超过规定值；“最大值”（或“最小值”）表示所有实测值不得超过规定值。 第40页/共74页 2. 间距、形状特征参数的标注 若需要标注RSm、Rmr(c)值时，将其符号注在长边的横线下面，数值写在代号的后面。示例见表5-3。 第41页/共74页第42页/共74页 3. 其他要求表面粗糙度的标注 取样长度和评定长度应标注在符号长边的横线下面，如按国家标准推荐值选取，在图样上可省略标注取样长度值, 否则按图5-12（a）所示标注取样长度2.5。 若某表面粗糙度要求按指定加工方法获得， 可用文字标注, 如图5-12（b）所示。 若需标注加工余量，可在规定之处加注余量值, 如图5-12（c）所示。 若需控制表面加工纹理方向时，可在规定之处加注纹理方向符号, 如图5-12（d）所示。国家标准规定了常见的加工纹理方向符号，如表5-4所示。 第43页/共74页图 5-12 表面粗糙度的其他要求标注第44页/共74页第45页/共74页第46页/共74页5. 3. 3 表面粗糙度在图样上的标注 表面粗糙度符号、代号一般标注在可见轮廓线、 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表面，如图5-13所示。 第47页/共74页图 5-13 表面粗糙度代号在图样上的标注第48页/共74页 图1-3为一减速器输出轴表面粗糙度的标注实例。图中两轴颈55j6与 P0 级滚动轴承内圈相配合，配合精度要求很高，故相应表面粗糙度 Ra 选0.8 m。 两个有键槽的圆柱面，左边小圆柱面与带轮配合，而右边大圆柱面与齿轮配合，其配合精度要求较高，所以选表面粗糙度 Ra 不大于1.6 m。 两轴槽与键的两侧面配合，配合精度要求一般，故它的粗糙度参数 Ra 选3.2 m。 其余未标注表面的表面粗糙度 Ra 选6.3 m。 第49页/共74页5.4 表面粗糙度的选择5. 4. 1 表面粗糙度评定参数的选择 表面粗糙度评定参数中，Ra、Rz 两个幅度参数为基本参数，RSm、 Rmr(c)为两个附加参数。这些参数分别从不同角度反映了零件的表面特征，但都存在着不同程度的不完整性。因此，在选用时要根据零件的功能要求、材料性能、结构特点及测量条件等情况适当选择一个或几个评定参数。 第50页/共74页 (1) 如无特殊要求，一般仅选用幅度参数。 在 Ra = 0.0256.3 范围内，优先选用 Ra， 因为在该范围内用轮廓仪能很方便地测出 Ra 的实际值。 在 Ra 6.3 和 Ra0.025 范围内，即表面过于粗糙或太光滑时，用光切显微镜和干涉显微镜测很方便，多采用 Rz 。 当表面不允许出现较深加工痕迹，防止应力过于集中，要求保证零件的抗疲劳强度和密封性时，需选 Rz 。 第51页/共74页 (2) 附加参数一般不单独使用，对有特殊要求的少数零件的重要表面（如要求喷涂均匀、涂层有较好的附着性和光泽表面），需要控制 Rsm 数值；对于有较高支撑刚度和耐磨性的表面， 应规定Rmr(c)参数。 第52页/共74页5. 4. 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，不但与零件的使用性能有关，还与零件的制造及经济性有关。其选用的原则为：在满足零件表面功能的前提下，评定参数的允许值尽可能大（除Rmr(c)外），以减小加工难度，降低生产成本。 第53页/共74页 1. 选择方法 (1) 计算法：根据零件的功能要求，计算所评定参数的要求值，然后按标准规定选择适当的理论值。 (2) 试验法：根据零件的功能要求及工作环境条件，选用某些表面粗糙度参数的允许值进行试验，根据试验结果，得到合理的表面粗糙度参数值。 第54页/共74页 (3) 类比法：选择一些经过实验证明的表面粗糙度合理的数值，经过分析，确定所设计零件表面粗糙度有关参数的允许值。 目前用计算法精确计算零件表面的参数值还比较困难，而一般零件用试验法来确定表面粗糙度参数值成本昂贵，所以，具体设计时，多采用类比法确定零件表面的评定参数值。 第55页/共74页 2. 类比法选择的一般原则 (1) 在同一零件上工作表面比非工作表面粗糙度值小。 (2) 摩擦表面比非摩擦表面、滚动摩擦表面比滑动摩擦表面的表面粗糙度值小。 (3) 运动速度高、单位面积压力大、受交变载荷的零件表面，以及最易产生应力集中的部位（如沟槽、圆角、 台肩等），表面粗糙度值均应小些。 (4) 配合要求高的表面，表面粗糙度值应小些。具体选择可参看表5-5。 第56页/共74页第57页/共74页 (5）对防腐性能、密封性能要求高的表面，表面粗糙度值应小些。 (6）配合零件表面的粗糙度与尺寸公差、形位公差应协调。一般应符合：尺寸公差形位公差表面粗糙度。一般情况下，尺寸公差值越小，表面粗糙度值应越小；同一公差等级，小尺寸比大尺寸、轴比孔的表面粗糙度值应小些。 (7）还需考虑其它一些因素和要求，表5-6为应用举例，可供参考。 第58页/共74页5.5 表面粗糙度的测量 常用的表面粗糙度的测量方法有比较法、光切法、光波干涉法和针描法。这些方法基本上用于测量表面粗糙度的幅度参数。 第59页/共74页 1. 比较法 比较法是将被测零件表面与粗糙度样板直接进行比较的一种测量方法。它可以通过视觉、触觉或借助放大镜、比较显微镜，估计出表面粗糙度的值。这种方法多用于车间，评定一些表面粗糙度参数值较大的表面。精度较差，只能做定性分析比较。 第60页/共74页 2. 光切法 光切法是利用光切原理，即光的反射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（双管显微镜），该仪器适宜测量车、铣、刨或其他类似加工方法所加工的零件平面或外圆表面。光切法主要用来测量粗糙度参数 Rz 的值，其测量范围为0.850 m。 第61页/共74页 图5-14（a）表示被测表面为阶梯面，其阶梯高度为 h 。由光源发出的光线经狭缝后形成一个光带，此光带与被测表面以夹角为45的方向 A 与被测表面相截，被测表面的轮廓影像沿 B 向反射后可由显微镜中观察得到图5-14（b）。其光路系统如图5-14（c）所示，光源 1通过聚光镜 2、狭缝 3和物镜 5，以45角的方向投射到工件表面 4 上，形成一窄细光带。光带边缘的形状，即光束与工件表面的交线，也就是工件第62页/共74页在45截面上的轮廓形状，此轮廓曲线的波峰在 S1 点反射， 波谷在 S2 点反射，通过物镜 5，分别成像在分划板 6 上的 和 点，其峰、谷影像高度差为 h。 由仪器的测微装置可读出此值，按定义测出评定参数Rz 的数值。 1S 2S 第63页/共74页图 5-14 光切显微镜工作原理图第64页/共74页 3. 光波干涉法 光波干涉法是利用光波的干涉原理测量表面粗糙度的方法。常用的仪器是干涉显微镜，适宜用来测量粗糙度参数 Rz ，测量范围为0.050.8 。 干涉显微镜基本光路系统如图5-15（a）所示。由光源1发出的光线经平面镜 5 反射向上，至分光镜 9 后分成两束。一束向上射至被测表面 18 返回，另一束向左射至参考镜 13 返回。此两束光线会合后形成一组干涉条纹。干涉条纹的相对弯曲程度反映被测表面微观不平度的状况，如图5-15（b）所示。仪器的测微装置可按定义测出相应的评定参数 Rz 值。 第65页/共74页图 5-15 光波干涉法测量原理图第66页/共74页 4. 针描法 针描法是利用仪器的触针在被测表面上轻轻划过，被测表面的微观不平度将使触针作垂直方向的位移，再通过传感器将位移量转换成电量，经信号放大后送入计算机，在显示器上显示出被测表面粗糙度的评定参数值。也可由记录器绘制出被测表面轮廓的误差图形。 第67页/共74页 按针描法原理设计制造的表面粗糙度测量仪器通常称为轮廓仪。根据转换原理的不同，可以有电感式轮廓仪、电容式轮廓仪、电压式轮廓仪等。轮廓仪可测 Ra、Rz、RSm 及 Rmr(c) 等多个参数。 除上述轮廓仪外，还有光学触针轮廓仪，它适用于非接触测量，以防止划伤零件表面。这种仪器通常直接显示 Ra 值，其测量范围为0.0256.3 。 第68页/共74页第69页/共74页附表 5-4Rmr(c)(%)的数值（GB/T 10311995） 注：选用支承长度率时，必须同时给出轮廓水平截距 c 的数值。 c 值多用 Rz 的百分数表示，其系列有5%、 10%、 15%、 20%、 25%、 30%、 40%、 50%、 60%、 70%、 80%、 90%。 第70页/共74页第71页/共74页思考题与习题思考题与习题 5-1 表面粗糙度属于什么几何形状误差？ 对零件使用性能有哪些影响？ 5-2 什么是取样长度和评定长度 ？规定取样长度和评定长度有何意义？ 两者有什么关系？ 5-3 表面粗糙度的图样标注中，什么情况下要注出最大值、最小值？什么情况下注出评定参数的上限值、下限值？ 在图样上如何标注？第72页/共74页 5-4 在一般情况下， 45H7和8H7， 45H7和 45H6相比, 哪个应选用较小的表面粗糙度值？ 5-5 表面粗糙度常用测量方法有哪几种？各适宜测量哪些参数？第73页/共74页感谢您的观看。第74页/共74页