第三章表面粗糙度 零件或工件的表面是指物体与周围介质区分的物理边界，无论是切削加工的零件表面上 还是铸、锻、冲：、热轧、冷轧等方法获得的零件表面上，由加工形成的实际表面一般都存 在误差，对这种表面，按其特征可以分离为以下成分：微观儿何形状误差 表面粗糙度误 差，基本轮廊误差 -表面形状误差，中间几何形状误差 一表面波纹度误差及表面缺陷。 零件表面粗糙度轮廓对该零件的功能要求、使用寿命、关观程度都有重大的影响，故本 章重点介绍表面粗糙度的有关精度指标及其应用。涉及到的国家标准有： GB/T3505-1983《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》 GBT10610-1989《产品几何技术规范表面结构轮哪法评定表面结构的规则和方 法》 GBT131-1993《产品几何技术规范(GPS)技术产品文件中表面结物的标识法》 GBT3505-2000《产品儿何技术规范表面结构轮廓法表面结构的术语、定义及参 数》 GBT10610-1998《产品几何技术规范表面结构轮常法评定表面结构的规则和方 法》 GB/T131-2006《产品几何技术规范( PS)技术产品文件中表面结构的标识法》 T3505-2009产品几何技术规范(GPS)表面结构轮法术语、定义及表面 GBT10610-2009《产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法评定表面结构的规 则和方 由于 最新国家标准的 定与引旧国家标准中相应的规定变化较大，而旧国家标准目前在现 场仍有使用，故本章以最新国家标准为主，旧国家标准也加以说明。 第一节概述 一、表面质量的概念 表面质量是指零件已加工表面的质量（也称表面完整性）。它包括表面形貌、表层加工 硬化的程度和深度、表面残余应力的性质和大小。 1.表面形貌 零件的表面形貌，通常用垂直于零件实际表面的平面与该零件实际表面相交所得到的轮 廓作为评估对象。它称为表面轮廓，是一条轮廓曲线（见图31）。 影而轮 图3-1表轮席 任何加工后的表面的实轮常总是包含着表面粗糙度轮廓、波纹度轮廓和宏观形状轮廓 43
等构成的儿何误差，它们叠加在同一表面上（见图3-2）。粗糙度、波纹度、宏观形状通常按 表面轮廓上相邻峰、谷间距的大小来划分：间距小于1mm的属于粗糙度：间距在1-l0nmm 的属于波纹度：间距大于10m的属于宏观形状。粗糙度叠加在波纹度上，在忽略由于粗糙 度和波纹度引起的变化的条件下表面总体形状为宏观形状，其误差称为形状误差。 》yw实际表面轮南 表面粗度轮廓 方 波纹度轮病 宏观彩状轮喇 图32完上零件实际表轮的形状和组成成分 表面粗糙度是反映零件表面微 一个重装指标，它主要是由于加工过程 中刀具间的摩擦、切屑分出时工件表层金属的翔性变形以及工艺系统中的高频振动等因素造 成的。 2.表层加工硬化 表层加工硬化是指在切削过程中，由于刀具前刀面的推挤，以及后刀面的挤压与摩擦 工件已加工表面层的品粒发生很大的变形，致使其硬度比原来工件材料的硬度有显著提高的 现象。切削加工所造成的加工硬化，常常伴随着表面裂纹，因而降低了零件的玻劳强度和耐 麻性。另一方面，由于已加工表面产生硬化层，在下一步切削时，将加速刀具的磨损。一般 用加工硬化程度和加工硬化层深度米度量 3.表层残余应力 表层残余应力是指已加工零件在不受外力作用下，残留在零件一定深度表层里的应力， 它会影响零件表面质量和使用性能。若各部分的残余应力分布不均匀，还会使零件发生变形， 影响尺寸和形位精度。表层残余应力根据其性质又分为残余拉应力（又称残余张应力）和残 余压应力 因此，对于重要的零件，除限制表面形貌外，还要控制其表层加工硬化的程度和深度， 以及表层残余应力的性质和大小。但是，由于国家标准中没有明确规定有关加工硬化程度和 深度以及表面残余应力的性质和大小的评定指标，加之又可在工艺过程中对其进行控制，所 以，表层加工硬化程度和深度以及表层残余应力的性质和大小的有关内容将不作为本课程讨 论的重点」 二、表面粗糙度对零件使用性能的影响 表面粗糙度对机械零件的摩擦磨损、配合性质、耐磨蚀性、疲劳强度及结合密封性等都 有很大的影响： 1.对摩擦和磨损的影响 零件表面越粗樅，摩擦系数越大，且两配合表面间的实际有效接触面积越小，单位面积 压力越大，故吏易磨损。但是，表面过于光滑，不利于润滑油的贮存，易使工作面间形成半 干摩擦甚至干摩擦，反而使磨损加剧， 2.对配合性质的影响 表面粗糙度会影响配合性质的稳定性。对于间隙配合，由于表面越粗糙，就越易麻损， 从而会使工作过程中的间隙迅速增大，过早地失去配合精度：对于过盈配合，由于在压入装 配时，把粗糙表面的凸峰挤平，减小了实际过盈量，从而降低了联结的可靠性，同样不能保 44
证正常的工作。 3.委件强府的影向 粗糙的钢质零件表面，在交变载荷作用下，对应力集中很敏感，影响零件的疲劳强度 4.对抗腐蚀性的影响 表面越粗糙，则积聚在零件表面上的腐蚀性气体或液体也越多，月很容易通过表面的微 观凹谷渗入到金届内层，造成表面锈蚀。 5.对结合面密封性的影响 粗糙的表面结合时，两表面只在局部点上接触，中间有缝隙，影响密封性 可见，在设计零件时提出表面粗糙度的要求，是几何精度设计中不可缺少的一个方面 第二节表面粗糙度的评定参数 法确定表面结构（粗糙度、波纹度和原始轮廓） 的术语 这些参数涉及触针式仪器测量 的不同部分，表面粗糙度参数用首位字母R (Roughncss)表示，表面波纹度参数用首位字母W(Waveness)表示，原始轮廓用首位字 母P(Primary profile)表示。 一、术语及定义 (一)一般术语及定义 物体与周围介质分离的表面。工件的实际表面是由粗度、波纹度以及形状误差叠加而 形成的表面（见图33） 实际表面表面装较度形秋若 图33实际表而 图34表轮 2. 由面轮与史际表面必所有的轮席，实表面轮来由相甜度轮窝、波安度轮以及 形状轮廓叠加而成（见图34）。 3.取样长度r 鉴于实际表面轮廓包含者粗糙度、波纹度和形状误差等三种几何误差，测量表面粗糙度 轮廓时，应把测量限制在一段足够短的长度上，以限制或减弱波纹度、排除形状误差对表面 粗糙度轮廓测量的影响。这段长度称为取样长度，它是用于判别被评定轮廓的不规则特征的 X轴方向上（图3-1）的长度，用符号表示（见图3-5）。表面越粗糙，则取样长度r就应趣 大。 表面越粗糙，取样长度就应越大，因为表面越粗糙，波距也越大，较大的取样长度才能 反映一定数量的微量高低不平的痕迹。 标准取样长度的数伯见附表31。 4.评定长度m 由于零件表面的微小峰、谷的不均匀性，在表面轮廓不同位置的取样长度上的表面粗糙 45
度轮廓测量值不尽相同，在一个取样长度上往往不能合理地反映某一表面的粗糙度特征。因 此，为了更可靠地反映表面粗糙度轮廓的特性，应测量连续的几个取样长度上的表面粗糙度 轮廓。这些连续的几个取样长度称为评定长度，它是用于判别被评定轮廓特征的X轴方向 上（图3-1）的长度，用符号m表示（见图35） 应当指出，评定长度可以只包含一个取样长度或包含连续的几个取样长度。标准评定长 度为连续的5个取样长度。对均匀性好的表面，可少于5个，反之可多于5个，最后取各取 样长度内测得值的算术平均值作为测量结果。 中线 4wA 图35取样长度和评定长度 5轮廓中线 轮廓中线是评定表面粗糙度参数值大小的一条参考线。中线的几何形状与工件表面几何 轮廓的走向 中线包括最小一乘中线和算术平均中线 (1)轮廓最 轮廓的最小一乘中线是根据实际轮廓用最小一乘法确定的划分轮廓的基准线，即在取 样长度内，使被测轮廓上各点至一条假想线的距离的平方和Z衣为最小（图35），即 广2为最个，这条假想线洗是最小乘中线。 最小一乘中线符合最小一乘原则。从理论上讲，是很理想的基准线。但实际上很难确切 地找到它， 论家算人由条假相线将实轮常分成上下齿个部分，且使上部分面我 于下部分面积之和（图3-6，即∑下=∑厂，这条假想的线就是算术平均中线。 算术平均中线与最小一乘中线相差很小，故实用中常用它来代替最小一乘中线。通常用 目测估计的办法来确定它。 月 图3-5最小二乘中线 图36算术平均中线 (二)几何参数术语及定义 1.轮廓峰 轮廓与轮廓中线相交，相邻两交点之间的外凸（从材料到周边介质）轮廓部分（见图3-7）。 2.轮廓谷 轮廓与轮廓中线相交，相邻两父点之间的内凹（从周边介质到材料）轮廓部分（见图3-7）。 3.轮廓单元
相邻轮廓峰和轮廓谷的组合。 4.轮廓峰高2印 轮廓峰最高点至中线的距离（见图37）。 轮谷深 轮廓峰最低点至中线的距离（见图3-7）。 单元的峰高与谷深之和（见图3-7）。 轮 轮峰 图3-7波纹度轮峰和谷 图38轮廓最大峰高 二、表面粗糙度轮廓评定参数 1.表面粗糙度轮廓最大峰高p 在取样长度内，最高的轮廓峰至中线的距离。由图3-8可知，粗糙度轮廓最大峰高应为 式3-1。 Rp=max(Zp.) (3-1) 2。表面粗糙度轮廓最大谷深R 在取样长度内，最低的轮廓谷至中线的距离。由图3-9可知，粗糙度轮廓最大谷深应为 式3-2。 Rv=max (Zv (3-2) 图3-9轮哪最大谷深 图3-10轮常的最大高度 3.表面粗糙度轮廓的最大高度Rz 在取样长度内，轮廓的最大峰高与轮廓的最大谷深之和。由图3-10可知，粗粉度轮廓的 最大高度应为式33。 Rz Rp+Rv=max Zp,max Zv, (3-3) 4。表面粗整度轮豌的总高度R: 在评定长度内 ,轮廓的最大蜂高与轮廓的最大谷深之和。由于轮廓的总高度定义在评定 长度上而不是取 样长度 所以对于任何轮席总有：R12R2 5.表面粗糙度轮常算术平均偏 47
在取样长度内，轮廓纵坐标值Zx)绝对值的算术平均值，称为轮廓算术平均偏差（图 3-11),即 Ra=f Z()d (3-4) 取样长度 图3-山轮序的纵坐标 图312具有正负偏斜度的轮界 6.表面粗糙度轮席的均方根偏差R 在取样长度r内，轮廓纵坐标值Z)的均方根值（图3-11），即 c (3.5) 7.表面粗糙度轮常的偏斜度R改 在取样长度r内，轮璃纵坐标值Z)三次方的平均值与Rg的三次方的比值，即 =可fze] (3-6) 度用来表征轮分布的称度。如图312所示，如果表面含有较多的谷和较少的蜂， 轮席的偏 度轮廓的陡销度Rka 在取祥长度r内，轮廓纵坐标值Zx)四次方的平均值与Rg的四次方的比值，即 (3.7) 陡峭度用来描述纵坐标值概率来度函数的陡靖程度 9.表面粗糙度轮序单元的平均宽度RSm 在取样长度r内，轮廓单元宽度值X的平均值（如图313），即 RSm= (3.7) 10.表面粗糙度轮廓的支承长度率Rmre) Z()4 在给定的水平位置c上，轮廓的实体材料长度 M(c)与评定长度m的比率。如图314所示，在给 定水平位置c时，Rmr(C)=35%:当在给定水平位 置c,时，Rmr(c,)=100% 11.表面粗糙度轮廓的支承长度*曲线 表示轮常的支承长度率随水平位置变化的关系 曲线，如图314(b)所示。 图313波纹度轮廓单元宽度
1009% (a) 图314纶魔的支承长度图 第三节表面粗糙度参数的选用 一、表面粗糙度轮廓技术要求的内容 规定表面粗糙度轮廓的技术要求时，必须给出表面粗糙度轮廓幅度参数及允许值和测量 时的取样长度值这两项基本要求，必要时可规定轮廓其他的评定参数（如Sm)、表面加工 纹理方向、加工方法或（和）加工余量等附加要求。如果采用标准取样长度，则在图样上可 以省略标注取样长度值。 表面粗糙度轮廓的评定参数及允许值的大小应根据零件的功能姕求和经济性来选择。 二、表面粗糙度轮廓评定参数的选择 在机械零件精度设计中，通常只给出幅度参数Ra或及允许值 根据功能需要 平定参数及相应的允许值。参数Ra的概念额直观，Ra值反映专 廓特性的信息量 而且R值用触针式轮廓仪测量比较容易。因此，对于光 表面和斗 光滑表面，普遍采 三、表面粗糙度轮廓参数允许值的选择 表面粗糙度轮廓参数允许值应从GBT1031-1995规定的参数值系列（见附表3-2）中选 取。Ra、Rz、RSm的数值越大，则表面越粗糙。 一般来说，零件表面粗糙度轮廓参数值越小，它的工作性能就越好，使用寿命也越长」 但不能不及工成本来追求时小的参数值。因此，在黄足零件功能要求的前摄下，应尽量 洗用较大的多数值，以获得最住的技术经济效 。此外，零件运动表面过于光滑，不利于在 该表面上储存润滑油，容易使运动表面何形成半干摩擦或干摩，从而加剧该表面磨损 表面粗度评定参 1)同一无件 二作表面的粗糙度参 微估应出非 工作表面小 ,但对于特殊用途的引 械设备上的操作于柄的表面，为了美观和手感舒服， 其表面 (2)摩擦表面的粗糙度轮廓参数值应比非摩擦表面小，尤其是对滚动摩擦表面应更严 格 )速度越 单位面积压 则表面粗糙度要 应越严格 交变 (5)对于要求配合性质稳定的小间隙配合和承受重载荷的过盈配合，它们的孔、轴的 49
表面粗糙度轮廓参数允许值都应小。 (6)在确定表面粗糙度轮廓参数允许值时，应注意它与孔、轴尺寸的标准公差等级协 调。这可参考表3-1所列的比例关系来确定， 一般来说，孔、轴尺寸的标准公差等级越高， 则该孔或轴的表面粗糙度轮廓参数值就应越小。对于同一标准公差等级的不同尺寸的孔或 轴，小尺寸的孔或轴的表面粗糙度轮廓参数值应比大尺寸的小一些。在确定零件配合表面的 粗糙度时，应与其尺寸公差相协调。 表3表伽甜糙度轮廓度参数值与尺寸公差值、形状公差值的一般关系 表面粗结度轮克幅度参数值占尺寸公差值的百分比 形状公差：占尺寸公产 的百分比/T《%) Ra/T(%) Rx/T(%) 约25 ≤1.2 (7)凡有关标准业已对表面粗糙度轮廓技术要求作出具体规定的特定表面，应按该标 准的规定来确定其表面粗糙度轮廓参数允许值。 (8)对于防腐蚀、密封性要求高的表面以及要求外表美观的表面，其粗糙度轮廓参数 允许值应小。 出了表面阳度达用，表2给样 确定表面知度轮廊参数允午，除右特殊题求的表面外，通常采用类出。附表3. 可供设计时参 此外，还应考虑加工方法、应用场合等其他一些特殊因素和要求 评定参数值的规定及取样长度] 平定长度的洗用 表面粗树度各评定参数值的规定及取样长度 1) 规定 长度的选用要点如 求时 和测量时的取样长度肉项 基本 加 表面 糙度的评 面缺陷，如沟槽、气孔和划痕等 (3)对R和Rz参数值的选用见表3-2 (4 在测量参数Ra 和时，国家标准推荐核表33选用相应的取样长度和评定 度1。采用表中规定的取样长度时，在图样上可以省略取样长度值的标注。当有特殊要求 时，设计者可自行规定取样长度值，如被刺表面均匀性较好，测量时可选用小于表3-2所规 定的长度：均匀性较差的表面可选用大于表中规定的数值。 (5)轮郭单元的平均宽度RSm按表3-4选用. (6)轮廓的支承长度率Rmr(c)的数值按表3-5选用。选用Rmr()时必须同时给出水 平截距c值，它可用 或z的百分数表示。百分数系列如下：z的(5%、10%、15% 20%、25%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%) 尺寸公等级 T5 表2表血度与水寸公卷、形秋会的对应关东 公秋公 四 全18 0.2000 0.400-200.80040029 18-50 >50-120 120-500
至18 .0 6008060320600 18-50 30-120 604002026500020000500 120-50 12.56. 25 0 50.025.0100.050.0 形状公 表33r和/m的数值 Ra/m20.008-0.02>0.02-0.10>0.10-2.0>2.0-10.0>10.0-80.0 20.025-0.10>0.10-0.50>0.50-10.0>10.0-50.0>50.0-320 10 Ir/min 1n/mnn≈5lr） 0.4 1.25 12. 40.0 表34RSn的数值 02 0.05 0.8 125 表35Rmr(c)的数值 1015☐20☐25 3 ☐40 16001010 第四节表面粗糙度参数的标注 确定零件表面粗糙度轮廓评定参数及允许值和其他技术要求后，应按GB/T131-2006的 规定，把表面粗糙度轮廓技术要求正确地标注在零件图上。 一、表面粗糙度的符号、代号及符号周围有关的标注 表面粗糙度的符号及含义如表3-6所列 表36表向结枸符号、代号的含义(GBT131-2006) 符号 基本图形符号，未指定工艺方法的表面，当通过一个注释 解释时可单独使用 ，用去除材料方法获得的表面：仪当其含义 展图 号，不去除材料的表面，也可用于表示保持上 道工序形成的表面，不管这种状况是通过去除材料或不去除材 料形成 在上述三个符号的长边上均可加一横线，用于标注有关参 数和说明 在上述三个符号上均可加一小圈，表示所有表面具有相同 的表面粗糙度要求 有关表面粗糙度的各项参数在符号中的注写位置，如图3-15所示。图315为 GB/T131-2006规定的补充要求的注写位置。其中： 51
位置a:标注表面粗糙度参数代号、极限值和取样长度。为 了避免误解，在参数代号和极限值间应插入空格。取样长度后 应有一斜线“”，之后是表面粗糙度参数代号，最后是数值，如 表3-7所列 位置a和b:注写两个或多个表面粗糙度要求： d b 位置：注写加工方法、表面处理、涂层或其他加工工艺要 求等。如车、磨、镀等加工表面，如表3-8所列： 图3-15表向相糙度参极 位置d山：注写表面纹理和方向，如表3-8、表3-9所列： 的注写和置 位置©：注写加工余量，以毫米为单位给出数值，如表3-8 所列 表3-7表向结构代号(GBT131-2006) 符号 /Rg0.4 g/ 评定长度为5个取样长度（默认），“16%规则”（默认 Rz max 0.2 表示除材料，巾向上限值，粗糙度最大高度的最大值0,21， 评定为5个取样长度（默认） U Ra max 3.2 Q 24m, L Ra 0.8 (默认)，“最大规知”，下限值：算术平均差0,8m,评定长度为 5个取样长度（默认），“16%规则”（默认） 表3-7中的“16%”规则是所有表面结构婴求标注的默认规则 ,是指对于按一个参数 数都 过总数的16% 则该表面是 「给定表面参 场合，如果在 上的全部实测值中，小于图样或技术文件中规定值的 个数不超 的16%， 则该表面也是合格的 “最大规 是指检验时，若规定了参数的最大值要求(GB/T131),则在被检的整个 表面上测得的参数 一个也不应超过图样或技术文件中的规定值。为了指明参数的最大值， 应在参数符号后面增加一个“max”的标记。 表38带有补充注释的符号(GBT31-2006 符号 加上方法：洗削 表而致理：纹弹呈多方向 M 对投影视图上封闭的轮廓线所表示的个表向有相同的表向结构要求 加工余量3mm 木表所山的加山方法表致理和加余量仅作为示例：木表中的标注可以与表36中相应图形行号 52