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表面粗糙度

表面粗糙度(surface roughness)是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度 。其两波峰或两波谷之间的距离(波距)很小(在1mm以下),它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小,则表面越光滑。

表面粗糙度一般是由所采用的加工方法和其他因素所形成的,例如加工过程中刀具与零件表面间的摩擦、切屑分离时表面层金属的塑性变形以及工艺系统中的高频振动等。由于加工方法和工件材料的不同,被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别。

表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系,对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。一般标注采用Ra。

相关的规范有“GB/T 1031-2009《表面结构 轮廓法 表面粗糙度参数及其数值》”和“GB/T 131-2006 (ISO 1302:2002)《表面结构的表示法》”。

为研究表面粗糙度对零件性能的影响和度量表面微观不平度的需要,从20年代末到30年代,德国、美国和英国等国的一些专家设计制作了轮廓记录仪、轮廓仪,同时也产生出了光切式显微镜和干涉显微镜等用 光学方法来测量表面微观不平度的仪器,给从数值上定量评定表面粗糙度创造了条件。从30年代起,已对表面粗糙度定量评定参数进行了研究,如美国Abbott就提出了用距表面轮廓峰顶的深度和支承长度率曲线来表征表面粗糙度。1936年出版了Schmaltz论述表面粗糙度的专著,对表面粗糙度的评定参数和数值的标准化提出了建议。

但粗糙度评定参数及其数值的使用,真正成为一个被广泛接受的标准还是从40年代各国相应的国家标准发布以后开始的。首先是美国在1940年发布了ASA B46.1国家标准,之后又经过几次修订,成为现行标准ANSI/ASME B46. 1-1988《表面结构表面粗糙度、表面波纹度和加工纹理》,该标准采用中线制,并将Ra作为主参数;接着前苏联在1945年发布了GOCT2789-1945《表面光洁度、表面微观几何形状、分级和表示法》国家标准,而后经过了3 次修订成为GOCT2789-1973《表面粗糙度参数和特征》,该标准也采用中线制,并规定了包括轮廓均方根偏差 即现在的Rq)在内的6个评定参数及其相应的参数值。另外,其它工业发达国家的标准大多是在50年代制定的, 如联邦德国在1952年2月发布了DIN4760和DIN4762有关表面粗糙度的评定参数和术语等方面的标准等。

轮廓算术平均偏差 Ra:在取样长度(lr)内轮廓偏距绝对值的算术平均值。在实际测量中,测量点的数目越多,Ra越准确。

轮廓最大高度 Rz:轮廓峰顶线和谷底线之间的距离。

在幅度参数常用范围内优先选用Ra 。在2006年以前国家标准中还有一个评定参数为“微观不平度十点高度”用Rz表示,轮廓最大高度用Ry表示,在2006年以后国家标准中取消了微观不平度十点高度,采用Rz表示轮廓最大高度。

用轮廓单元的平均宽度 Rsm 表示。在取样长度内,轮廓微观不平度间距的平均值。微观不平度间距是指轮廓峰和相邻的轮廓谷在中线上的一段长度。

用轮廓支承长度率Rmr(c) 表示,是轮廓支撑长度与取样长度的比值。轮廓支承长度是取样长度内,平行于中线且与轮廓峰顶线相距为c的直线与轮廓相截所得到的各段截线长度之和。

取样长度lr是评定表面粗糙度所规定一段基准线长度 。取样长度应根据零件实际表面的形成情况及纹理特征,选取能反映表面粗糙度特征的那一段长度,量取取样长度时应根据实际表面轮廓的总的走向进行。规定和选择取样长度是为了限制和减弱表面波纹度和形状误差对表面粗糙度的测量结果的影响。

评定长度ln是评定轮廓所必须的一段长度,它可包括一个或几个取样长度。由于零件表面各部分的表面粗糙度不一定很均匀,在一个取样长度上往往不能合理地反映某一表面粗糙度特征,故需在表面上取几个取样长度来评定表面粗糙度。评定长度ln一般包含5个取样长度lr。

基准线是用以评定表面粗糙度参数的轮廓中线 。基准线有下列两种:

轮廓的最小二乘中线:在取样长度内,轮廓线上各点的轮廓偏距的平方和为最小,具有几何轮廓形状。

轮廓的算术平均中线:在取样长度内,中线上下两边轮廓的面积相等。

理论上最小二乘中线是理想的基准线,但在实际应用中很难获得,因此一般用轮廓的算术平均中线代替,且测量时可用一根位置近似的直线代替。

表面粗糙度符号

国标规定表面粗糙度代号是由规定的符号和有关参数组成 。

1)表面粗糙度符号

按国标标准在图样上表示表面粗糙度的符号有五种,见右图。

2)表面粗糙度代号

表面粗糙度代号要求标注如:粗糙度参数值、测量时的取样长度值、加工纹理、加工方法等

表面粗糙度在图样上的标注

代号和参数的注写方向如图所示。当零件大部分表面具有相同的表面粗糙度时,对其中使用最多的一种符号、代号可统一标注在图样的右上角,并加注“其余”两字,统一标注的代号及文字高度,应是图形上其它表面所注代号和文字的1.4倍。

不同位置表面代号的注法,符号的尖端必须从材料外指向表面,代号中数字的方向与尺寸数字方向一致,如图所示。

见下表所示

表面特征

表面粗糙度(Ra)数值

加工方法举例

明显可见刀痕

Ra100、Ra50、Ra25、

粗车、粗刨、粗铣、钻孔

微见刀痕

Ra12.5、Ra6.3、Ra3.2、

精车、精刨、精铣、粗铰、粗磨

看不见加工痕迹,微辩加工方向

Ra1.6、Ra0.8、Ra0.4、

精车、精磨、精铰、研磨

暗光泽面

Ra0.2、Ra0.1、Ra0.05、

研磨、珩磨、超精磨、抛光

机床上,用普通刀具将工件尺寸加工到基本到位后,再用豪克能金属表面加工设备的豪克能刀具代替原普通刀具再加工一遍,即可使被加工工件表面粗糙度Ra值轻松达到0.2以下;且工件的表面显微硬度提高20-以上;并大大提高了工件的表面耐磨性和耐腐蚀性。

比较法测量简便,使用于车间现场测量,常用于中等或较粗糙表面的测量。方法是将被测量表面与标有一定数值的粗糙度样板比较来确定被测表面粗糙度数值的方法。 比较时可以采用的方法: Ra > 1.6μm 时用目测,Ra1.6~Ra0.4μm 时用放大镜,Ra < 0.4μm 时用比较显微镜。

比较时要求样板的加工方法,加工纹理,加工方向,材料与被测零件表面相同。

利用针尖曲率半径为2微米左右的金刚石触针沿被测表面缓慢滑行,金刚石触针的上下位移量由电学式长度传感器转换为电信号,经放大、滤波、计算后由显示仪表指示出表面粗糙度数值,也可用记录器记录被测截面轮廓曲线。一般将仅能显示表面粗糙度数值的测量工具称为表面粗糙度测量仪,同时能记录表面轮廓曲线的称为表面粗糙度轮廓仪。这两种测量工具都有电子计算电路或电子计算机,它能自动计算出轮廓算术平均偏差Ra,微观不平度十点高度Rz,轮廓最大高度Ry和其他多种评定参数,测量效率高,适用于测量Ra为0.025~6.3微米的表面粗糙度。

双管显微镜测量表面粗糙度,可用作Ry与Rz参数评定,测量范围0.5~50。

利用光波干涉原理 (见平晶、激光测长技术)将被测表面的形状误差以干涉条纹图形显示出来,并利用放大倍数高 (可达500倍)的显微镜将这些干涉条纹的微观部分放大后进行测量,以得出被测表面粗糙度。应用此法的表面粗糙度测量工具称为干涉显微镜。这种方法适用于测量Rz和Ry为 0.025~0.8微米的表面粗糙度。

表面粗糙度对零件使用情况有很大影响。一般说来,表面粗糙度数值小,会提高配合质量,减少磨损,延长零件使用寿命,但零件的加工费用会增加。因此,要正确、合理地选用表面粗糙度数值。 在设计零件时,表面粗糙度数值的选择,是根据零件在机器中的作用决定的。

总的原则是在保证满足技术要求的前提下,选用较大的表面粗糙度数值。具体选择时,可以参考下述原则:

(1)工作表面比非工作表面的粗糙度数值小。

(2)摩擦表面比不摩擦表面的粗糙度数值小。摩擦表面的摩擦速度越高,所受的单位压力越大,则应越高;滚动磨擦表面比滑动磨擦表面要求粗糙度数值小。

(3)对间隙配合,配合间隙越小,粗糙度数值应越小;对过盈配合,为保证连接强度的牢固可靠,载荷越大,要求粗糙度数值越小。一般情况间隙配合过盈配合粗糙度数值要小。

(4)配合表面的粗糙度应与其尺寸精度要求相当。配合性质相同时,零件尺寸越小,则应粗糙度数值越小;同一精度等级,小尺寸比大尺寸要粗糙度数值小,轴比孔要粗糙度数值小(特别是IT8~IT5的精度)。

(5)受周期性载荷的表面及可能会发生应力集中的内圆角、凹稽处粗糙度数值应较小。

表面粗糙度对零件的影响主要表现在以下几个方面:

1、影响耐磨性。表面越粗糙,配合表面间的有效接触面积越小,压强越大,摩擦阻力越大,磨损就越快。

2、影响配合的稳定性。对间隙配合来说,表面越粗糙,就越易磨损,使工作过程中间隙逐渐增大;对过盈配合来说,由于装配时将微观凸峰挤平,减小了实际有效过盈,降低了连接强度。

3、影响疲劳强度。粗糙零件的表面存在较大的波谷,它们像尖角缺口和裂纹一样,对应力集中很敏感,从而影响零件的疲劳强度。

4、影响耐腐蚀性。粗糙的零件表面,易使腐蚀性气体或液体通过表面的微观凹谷渗入到金属内层,造成表面腐蚀。

5、影响密封性。粗糙的表面之间无法严密地贴合,气体或液体通过接触面间的缝隙渗漏。

6、影响接触刚度。接触刚度是零件结合面在外力作用下,抵抗接触变形的能力。机器的刚度在很大程度上取决于各零件之间的接触刚度。

7、影响测量精度。零件被测表面和测量工具测量面的表面粗糙度都会直接影响测量的精度,尤其是在精密测量时。

此外,表面粗糙度对零件的镀涂层、导热性和接触电阻、反射能力和辐射性能、液体和气体流动的阻力、导体表面电流的流通等都会有不同程度的影响。

表面光洁度是表面粗糙度的另一称法。表面光洁度是按人的视觉观点提出来的,而表面粗糙度是按表面微观几何形状的实际提出来的。因为与国际标准(ISO)接轨,中国80年代后采用表面粗糙度而废止了表面光洁度。在表面粗糙度国家标准GB3505-83、GB1031-83颁布后,表面光洁度的已不再采用。

表面光洁度与表面粗糙度有相应的对照表。粗糙度有测量的计算公式,而光洁度只能用样板规对照。所以说粗糙度比光洁度更科学严谨。

光洁度

级别

(旧标)

粗糙度

Ra

(μm)

1

400~800

2

200~400

1)明显可见的刀痕 2)粗车、镗、刨、钻 3)粗加工后的表面,2焊接前的焊缝、粗钻孔壁等。

3

100~200

1)可见刀痕 2)粗车、刨、铣、钻 3)一般非结合表面,如轴的端面、倒角、齿轮及皮带轮的侧面、键槽的非工作表面,减重孔眼表面

4

50~100

1)可见加工痕迹 2)车、镗、刨、钻、铣、锉、磨、粗铰、铣齿 3)不重要零件的配合表面,如支柱、支架、外壳、衬套、轴、盖等的端面。紧固件的自由表面,紧固件通孔的表面,内、外花键的非定心表面,不作为计量基准的齿轮顶圈圆表面等

5

25~50

1)微见加工痕迹 2)车、镗、刨、铣、刮1~2点/cm^2、拉、磨、 锉、滚压、铣齿 3)和其他零件连接不形成配合的表面,如箱体、外壳、端盖等零件的端面。要求有定心及配合特性的固定支承面如定心的轴间,键和键槽的工作表面。不重要的紧固螺纹的表面。需要滚花或氧化处理的表面

6

12.5~25

1)看不清加工痕迹 2)车、镗、刨、铣、铰、拉、磨、滚压、刮1~2点/cm^2铣齿 3)安装直径超过80mm的G级轴承的外壳孔,普通精度齿轮的齿面,定位销孔,V型带轮的表面,外径定心的内花键外径,轴承盖的定中心凸肩表面

7

6.3~12.5

1)可辨加工痕迹的方向 2)车、镗、拉、磨、立铣、刮3~10点/cm^2、滚压 3)要求保证定心及配合特性的表面,如锥销与圆柱销的表面,与G级精度滚动轴承相配合的轴径和外壳孔,中速转动的轴径,直径超过80mm的E、D级滚动轴承配合的轴径及外壳孔,内、外花键的定心内径,外花键键侧及定心外径,过盈配合IT7级的孔(H7),间隙配合IT8~IT9级的孔(H8,H9),磨削的齿轮表面等

8

3.2~6.3

1)微辨加工痕迹的方向 2)铰、磨、镗、拉、刮3~10点/cm^2、滚压 3)要求长期保持配合性质稳定的配合表面,IT7级的轴、孔配合表面,精度较高的齿轮表面,受变应力作用的重要零件,与直径小于80mm的E、D级轴承配合的轴径表面、与橡胶密封件接触的轴的表面,尺寸大于120mm的IT13~IT16级孔和轴用量规的测量表面

9

1.6~3.2

1)不可辨加工痕迹的方向 2)布轮磨、磨、研磨、超级加工 3)工作时受变应力作用的重要零件的表面。保证零件的疲劳强度、防腐性和耐久性,并在工作时不破坏配合性质的表面,如轴径表面、要求气密的表面和支承表面,圆锥定心表面等。IT5、IT6级配合表面、高精度齿轮的表面,与G级滚动轴承配合的轴径表面,尺寸大于315mm的IT7~IT9级级孔和轴用量规级尺寸大于120~315mm的IT10~IT12级孔和轴用量规的测量表面等

10

0.8~1.6

1)暗光泽面 2)超级加工 3)工作时承受较大变应力作用的重要零件的表面。保证精确定心的锥体表面。液压传动用的孔表面。汽缸套的内表面,活塞销的外表面,仪器导轨面,阀的工作面。尺寸小于120mm的IT10~IT12级孔和轴用量规测量面等

11

0.4~0.8

12

0.2~0.4

13

0.1~0.2

14

<0.1

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