學習情境4：表面粗糙度檢測任務1：識讀和標注表面粗糙度代號；任務2：選用和檢測表面粗糙。思考題與習題學習情境4：表面粗糙度檢測引言1.表面粗糙度的概念

經(jīng)過機械加工或用其他加工方法獲得的零件表面，由于加工過程中的塑性變形、機床的高頻振動以及刀具在加工表面留下的切削痕跡等原因，零件的表面不可能是絕對光潔的。在零件加工表面存在幾何形狀誤差，其中一種是由較小間距和微小峰谷形成的微觀幾何形狀誤差，即表面粗糙度。表面粗糙度值越小，零件表面越光潔。

零件加工表面形成的幾何形狀誤差除表面粗糙度外，還有形狀誤差（宏觀幾何形狀誤差）和表面波度，如圖4-1所示。通常，按相鄰兩波峰或兩波谷的波距來劃分，波距大于10mm的屬于形狀誤差；波距小于1mm的屬于表面粗糙度；波距介于1～10mm之間的屬于表面波度。圖4-2零件表面的幾何形狀誤差2.表面粗糙度對互換性的影響

表面粗糙度對零件表面許多功能都有影響。其主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）配合性質(zhì)對于有配合要求的零件表面，由于相對運動會導致微小的波峰磨損，從而影響配合性質(zhì)。2）耐磨性

相互接觸的表面由于存在微觀幾何形狀誤差，只能在輪廓峰頂處接觸，實際有效接觸面積減小，導致單位面積上壓力增大，表面磨損加劇；但過于光（即表面粗糙度值過小）的零件表面，由于金屬分子間的吸附作用，接觸表面的潤滑油被擠掉形成干摩擦，也會使摩擦系數(shù)增大而加劇磨損。

3）耐腐蝕性

由于腐蝕性氣體或液體容易積存在波谷底部，腐蝕作用便從波谷向金屬零件內(nèi)部深入，造成銹蝕，因此零件表面越粗糙，波谷越深，腐蝕越嚴重。4）抗疲勞強度

零件粗糙表面的波谷處，在交變載荷、重載荷作用下易引起應力集中，使抗疲勞強度降低。此外，表面粗糙度對接觸剛度、結(jié)合面的密封性、零件的外觀、零件表面導電性等都有影響。因此為保證零件的使用性能和互換性，在設(shè)計零件幾何精度時必須提出合理的表面粗糙度要求。一、任務描述及分析

表面粗糙度在零件幾何精度設(shè)計中是必不可少的，作為零件質(zhì)量評定指標也是十分重要的。在評定零件的表面質(zhì)量時，不僅要求零件具有一定的尺寸精度和形位精度，還應具有一定的表面粗糙度要求。而表面粗糙度要求是由圖樣上給出的表面粗糙度代號所規(guī)定的要求來控制的。因此，能正確地識讀表面粗糙度代號的含義就顯得十分重要。二、相關(guān)知識我國現(xiàn)行的表面粗糙度標準有《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范表面結(jié)構(gòu)輪廓法表面結(jié)構(gòu)的術(shù)語、定義及參數(shù)》（GB/T3505—2000）、《表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》（GB/T1031—1995）、《機械制圖表面粗糙度符號、代號及其注法》（GB/T131—1993）。

1.基本術(shù)語1）取樣長度（lr）

取樣長度是用于判別被評定輪廓的不規(guī)則特征的x軸方向上的長度，即具有表面粗糙度特征的一段基準線長度。x軸的方向與輪廓總的走向一致，一般應包括5個以上的波峰和波谷，如圖5-2所示。規(guī)定和限制這段長度是為了限制和減弱表面波度對表面粗糙度測量結(jié)果的影響。圖4-3取樣長度和評定長度3）輪廓中線

輪廓中線是具有幾何輪廓形狀并劃分輪廓的基準線。它有輪廓的最小二乘中線和輪廓的算術(shù)平均中線兩種。（1）輪廓的最小二乘中線（m）

輪廓的最小二乘中線是指在取樣長度內(nèi)，使輪廓線上各點輪廓偏距zi的平方和最小的線，即min（），如圖4-4所示。圖4-4輪廓的最小二乘中線圖4-5輪廓偏距

（2）輪廓的算術(shù)平均中線

輪廓的算術(shù)平均中線是指在取樣長度內(nèi)劃分實際輪廓為上、下兩部分，且使兩部分面積相等的基準線，如圖4-6所示，用公式表示為式中:Fi——輪廓峰面積；——輪廓谷面積。(5-1)圖4-6輪廓的算術(shù)平均中線4）輪廓峰頂線

輪廓峰頂線是指在取樣長度內(nèi)，平行于基準線并通過輪廓最高點的線，如圖4-7所示。圖4-7輪廓峰頂線與輪廓谷底線圖4-8輪廓算術(shù)平均偏差

（2）輪廓最大高度（Rz）

輪廓最大高度是指在取樣長度內(nèi)，輪廓峰頂線與輪廓谷底線之間的距離，如圖4-9所示。圖4-9輪廓最大高度2）間距參數(shù)

輪廓單元的平均寬度（RSm）：在取樣長度內(nèi)，輪廓單元寬度XS的平均值，用公式表示為式中,XSi——第i個輪廓微觀不平度的間距。

輪廓單元是指輪廓峰和輪廓谷的組合寬度。輪廓單元寬度XS是指x軸線與輪廓單元相交線段的長度，如圖4-10所示。圖4-10輪廓單元寬度3）形狀特性參數(shù)

輪廓支承長度率（Rmr

（c））：在給定水平位置c上，輪廓的實體材料長度Ml（c）與評定長度ln的比率，用公式表示為

輪廓的實體材料長度Ml（c）,是指評定長度內(nèi)，一平行于x軸的直線從峰頂線向下移一水平截距c時，與輪廓相截所得各段截線長度bi之和。Rmr（c）值是對應于不同水平截距c而給出的。水平截距c是從峰頂線開始計算的,它可用um或Rz的百分數(shù)表示。如圖4-11所示，給出Rmr（c）參數(shù)時，必須同時給出輪廓水平截距c值。圖4-11輪廓支承長度

國家標準GB/T1031—1995規(guī)定,幅度參數(shù)是基本評定參數(shù)，而間距和形狀特性參數(shù)為附加評定參數(shù)。3.表面粗糙度的標注

國家標準GB/T131—1993對表面粗糙度的符號、代號及其標注做了規(guī)定。1）表面粗糙度的基本符號

表面粗糙度的基本符號是由兩條不等長且與被標注表面投影輪廓線成60°，左、右傾斜的細實線組成的。

圖樣上所標注的表面粗糙度符號、代號是該表面完工后的要求。有關(guān)表面粗糙度的各項規(guī)定應按功能要求給定。若僅需加工（采用去除材料的方法或不去除材料的方法）但對表面粗糙度的其他規(guī)定沒有要求時，允許只注表面粗糙度符號，如表5-1所示。2）表面粗糙度的代號及其標注

當需要表示的加工表面對表面特征的其他規(guī)定有要求時，應在表面粗糙度符號的相應位置注上若干必要項目的表面特征規(guī)定。表面特征的各項規(guī)定在符號中的注寫位置如圖4-12所示。圖4-12表面粗糙度的代（符）號標注位置

a1，a2——粗糙度高度參數(shù)代號及其數(shù)值（um）；b——加工方法，鍍覆、涂覆、表面處理或其他說明等；c——取樣長度（mm）或波紋度（um）；d——加工紋理方向的符號；e——加工余量（mm）；f——粗糙度間距參數(shù)值（mm）或支承長度率（%）。（1）幅度參數(shù)的標注

表面粗糙度幅度參數(shù)的標注及其意義示例見表5-2。當選用Ra時，只需在代號中標出其參數(shù)，參數(shù)值前可不標參數(shù)代號；當選用Rz時，參數(shù)和參數(shù)值均應標出。

注：表面粗糙度參數(shù)的“上限值”（或“下限值”）和“最大值”（或“最小值”）的含義是不同的?！吧舷拗怠保ɑ颉跋孪拗怠保┍硎颈砻娲植诙葏?shù)的所有實測值中允許16%測得值超過規(guī)定值；“最大值”（或“最小值”）表示所有實測值不得超過規(guī)定值。

（2）間距、形狀特征參數(shù)的標注

若需要標注RSm、Rmr(c)值時，將其符號注在長邊的橫線下面，數(shù)值寫在代號的后面。示例見表5-3。（3）其他要求表面粗糙度的標注

取樣長度和評定長度應標注在符號長邊的橫線下面，如按國家標準推薦值選取，在圖樣上可省略標注取樣長度值,否則按圖4-13（a）所示標注取樣長度2.5。

若某表面粗糙度要求按指定加工方法獲得，可用文字標注,如圖4-13（b）所示。若需標注加工余量，可在規(guī)定之處加注余量值,如圖4-13（c）所示。若需控制表面加工紋理方向時，可在規(guī)定之處加注紋理方向符號,如圖4-13（d）所示。國家標準規(guī)定了常見的加工紋理方向符號，如表5-4所示。

圖4-13表面粗糙度的其他要求標注（4）表面粗糙度在圖樣上的標注

表面粗糙度符號、代號一般標注在可見輪廓線、尺寸界線、引出線或它們的延長線上。符號的尖端必須從材料外指向表面，如圖4-14所示。①當零件的大部分表面具有相同的表面粗糙度要求時，對其中使用最多的一種代（符）號可統(tǒng)一注在圖樣的右上角，并加注“其余”兩字，且是圖樣上其他代（符）號高度的1.4倍，如圖4-14（a）所示。②代號中數(shù)字注寫方向應與尺寸數(shù)字方向一致；傾斜表面的代號及數(shù)字標注方向應符合圖4-14（b）規(guī)定。③帶有橫線的表面粗糙度應按圖4-14（c）方式標注。④當?shù)胤姜M小不便標注時，可引出標注，如圖4-14（d）所示。⑤零件上重復要素（孔、槽、齒等）的表面只標注其中一個且連續(xù)表面只注一次，如圖4-14（e）。⑥

零件所在表面具有相同的表面粗糙度要求時，在右上角統(tǒng)一標注代號，如圖4-14（f）所示。圖4-14表面粗糙度代號在圖樣上的標注三、任務實施例1：在圖4-15中可以看到，除了標注有48f7和48k6等公差代號和如等形位公差的代號外，還標注有，，，等代號，而這些代號稱為表面粗糙度代號，其含義為：：表示用去除材料方法獲得的表面粗糙度，Ra的上限值為0.8um。

：表示用去除材料方法獲得的表面粗糙度，Ra的上限值為1.6um。：表示用去除材料方法獲得的表面粗糙度，Ra的上限值為3.2um。：表示用去除材料方法獲得的表面粗糙度，Ra的上限值為6.3um。：表示用去除材料方法獲得的表面粗糙度，Ra的上限值為12.5um。例2:解釋圖4-15齒輪軸中表面粗糙度代號的標注方法。1.63.26.30.81.63.26.312.5圖4-15齒輪軸任務2：選用和檢測表面粗糙度知識點：（1）類比法選用表面粗糙度參數(shù)值；（2）比較樣塊；（3）光切顯微鏡；（4）干涉顯微鏡；（5）電動輪廓儀；（6）手持式粗糙度儀。技能點：（1）合理選用表面粗糙度參數(shù)值；（2）運用表面粗糙度的檢測儀器進行檢測。一、任務描述及分析

在實際工作中，由于表面粗糙度和零件的功能關(guān)系十分復雜，很難全面而精細地按零件表面功能要求來準確地確定粗糙度的參數(shù)值。在選用時，要綜合考慮使用性能和經(jīng)濟性能兩方面的因素?？偟倪x用原則是：在滿足使用功能要求的前提條件下，參數(shù)值的允許值應盡可能大。本任務將針對減速器輸出軸表面粗糙度值的選用以及連桿軸頸表面粗糙度的檢測來了解表面粗糙度值選用和檢測。二、相關(guān)知識1.表面粗糙度的選擇1）表面粗糙度評定參數(shù)的選擇

表面粗糙度評定參數(shù)中，Ra、Rz

兩個幅度參數(shù)為基本參數(shù)，RSm、Rmr（c）為兩個附加參數(shù)。這些參數(shù)分別從不同角度反映了零件的表面特征，但都存在著不同程度的不完整性。因此，在選用時要根據(jù)零件的功能要求、材料性能、結(jié)構(gòu)特點及測量條件等情況適當選擇一個或幾個評定參數(shù)。

（1）如無特殊要求，一般僅選用幅度參數(shù)。

①在Ra=0.025～6.3um范圍內(nèi)，優(yōu)先選用Ra，因為在該范圍內(nèi)用輪廓儀能很方便地測出Ra

的實際值。在Ra＞6.3um和Ra＜0.025um范圍內(nèi)，即表面過于粗糙或太光滑時，用光切顯微鏡和干涉顯微鏡測很方便，多采用Rz。

②當表面不允許出現(xiàn)較深加工痕跡，防止應力過于集中，要求保證零件的抗疲勞強度和密封性時，需選Rz。

（2）附加參數(shù)一般不單獨使用，對有特殊要求的少數(shù)零件的重要表面（如要求噴涂均勻、涂層有較好的附著性和光澤表面），需要控制Rsm數(shù)值；對于有較高支撐剛度和耐磨性的表面，應規(guī)定Rmr（c）參數(shù)。

2）表面粗糙度評定參數(shù)值的選擇

表面粗糙度評定參數(shù)值的選擇，不但與零件的使用性能有關(guān)，還與零件的制造及經(jīng)濟性有關(guān)。其選用的原則為：在滿足零件表面功能的前提下，評定參數(shù)的允許值盡可能大（除Rmr（c）外），以減小加工難度，降低生產(chǎn)成本。

3）選擇方法

（1）計算法：根據(jù)零件的功能要求，計算所評定參數(shù)的要求值，然后按標準規(guī)定選擇適當?shù)睦碚撝怠＃?）試驗法：根據(jù)零件的功能要求及工作環(huán)境條件，選用某些表面粗糙度參數(shù)的允許值進行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，得到合理的表面粗糙度參數(shù)值。

（3）類比法：選擇一些經(jīng)過實驗證明的表面粗糙度合理的數(shù)值，經(jīng)過分析，確定所設(shè)計零件表面粗糙度有關(guān)參數(shù)的允許值。

目前用計算法精確計算零件表面的參數(shù)值還比較困難，而一般零件用試驗法來確定表面粗糙度參數(shù)值成本昂貴，所以，具體設(shè)計時，多采用類比法確定零件表面的評定參數(shù)值。

類比法選擇的一般原則：

（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、滾動摩擦表面比滑動摩擦表面的表面粗糙度值小。（3）運動速度高、單位面積壓力大、受交變載荷的零件表面，以及最易產(chǎn)生應力集中的部位（如溝槽、圓角、臺肩等），表面粗糙度值均應小些。（4）配合要求高的表面，表面粗糙度值應小些。具體選擇可參看表5-5。

（5）對防腐性能、密封性能要求高的表面，表面粗糙度值應小些。（6）配合零件表面的粗糙度與尺寸公差、形位公差應協(xié)調(diào)。一般應符合：尺寸公差>形位公差＞表面粗糙度。一般情況下，尺寸公差值越小，表面粗糙度值應越小；同一公差等級，小尺寸比大尺寸、軸比孔的表面粗糙度值應小些。（7）還需考慮其它一些因素和要求，表5-6為應用舉例，可供參考。

2.表面粗糙度的測量

常用的表面粗糙度的測量方法有比較法、光切法、光波干涉法和針描法。這些方法基本上用于測量表面粗糙度的幅度參數(shù)。1）比較法

比較法是將被測零件表面與粗糙度樣板直接進行比較的一種測量方法。它可以通過視覺、觸覺或借助放大鏡、比較顯微鏡，估計出表面粗糙度的值。這種方法多用于車間，評定一些表面粗糙度參數(shù)值較大的表面。精度較差，只能做定性分析比較。圖4-16粗糙度比較樣塊

用于比較法檢測零件的表面粗糙度。以已知高度參數(shù)值的表面粗糙度比較樣塊工作面上的粗糙度為標準，用視覺法或觸覺法與被測表面進行比較，以判定被測表面是否符合規(guī)定；用樣塊進行比較檢驗時，樣塊和被測表面的材料，加工方法應盡可能一致；樣塊比較簡單易行，適合生產(chǎn)現(xiàn)場使用。缺點是評定的可靠性很大程度上取決于檢驗人員的經(jīng)驗，所以僅使用于表面粗糙度要求不高的工件。2）光切法

光切法是利用光切原理，即光的反射原理測量表面粗糙度的一種方法。常用的儀器是光切顯微鏡（雙管顯微鏡），該儀器適宜測量車、銑、刨或其他類似加工方法所加工的零件平面或外圓表面。光切法主要用來測量粗糙度參數(shù)Rz的值，其測量范圍為0.8～50um。圖4-17光切顯微鏡

光切顯微鏡（雙管顯微鏡）是利用光切原理測量表面粗糙度的一種儀器。從目鏡觀察表面粗糙度輪廓圖像，用測微裝置測定高度參數(shù)Rz值和Ry值，測量范圍一般為Rz0.8~100um，必要時可通過測量描繪出輪廓圖像，或使用其照相裝置，將粗糙度輪廓圖像拍照下來，再近似評定Ra值。

圖4-18（a）表示被測表面為階梯面，其階梯高度為h。由光源發(fā)出的光線經(jīng)狹縫后形成一個光帶，此光帶與被測表面以夾角為45°的方向A與被測表面相截，被測表面的輪廓影像沿B向反射后可由顯微鏡中觀察得到圖4-18（b）。其光路系統(tǒng)如圖4-18（c）所示，光源1通過聚光鏡2、狹縫3和物鏡5，以45°角的方向投射到工件表面4上，形成一窄細光帶。光帶邊緣的形狀，即光束與工件表面的交線，也就是工件在45°截面上的輪廓形狀，此輪廓曲線的波峰在S1點反射，波谷在S2點反射，通過物鏡5，分別成像在分劃板6上的和點，其峰、谷影像高度差為h″。由儀器的測微裝置可讀出此值，按定義測出評定參數(shù)Rz的數(shù)值。圖4-18光切顯微鏡工作原理圖

3）光波干涉法

光波干涉法是利用光波的干涉原理測量表面粗糙度的方法。常用的儀器是干涉顯微鏡，適宜用來測量粗糙度參數(shù)Rz，測量范圍為0.05～0.8um。干涉顯微鏡基本光路系統(tǒng)如圖4-20（a）所示。由光源1發(fā)出的光線經(jīng)平面鏡5反射向上，至分光鏡9后分成兩束。一束向上射至被測表面18返回，另一束向左射至參考鏡13返回。此兩束光線會合后形成一組干涉條紋。干涉條紋的相對彎曲程度反映被測表面微觀不平度的狀況，如圖4-20（b）所示。儀器的測微裝置可按定義測出相應的評定參數(shù)Rz值。圖4-19干涉顯微鏡

干涉顯微鏡是利用光波干涉原理測量表面粗糙度的一種儀器。被測表面有一定的粗糙度就呈現(xiàn)出凹凸不平的峰谷狀干涉條紋的數(shù)目和峰谷的彎曲程度，即可計算出表面粗糙度的Ra值。必要時還可將干涉條紋的峰谷拍照下來評定。干涉法適用于精密加工的表面粗糙度測量。適合在計量室使用，測量范圍一般為Rz0.032~0.8um

。圖4-20光波干涉法測量原理圖

4）針描法

針描法是利用儀器的觸針在被測表面上輕輕劃過，被測表面的微觀不平度將使觸針作垂直方向的位移，再通過傳感器將位移量轉(zhuǎn)換成電量，經(jīng)信號放大后送入計算機，在顯示器上顯示出被測表面粗糙度的評定參數(shù)值。也可由記錄器繪制出被測表面輪廓的誤差圖形。

按針描法原理設(shè)計制造的表面粗糙度測量儀器通常稱為輪廓儀。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同，可以有電感式輪廓儀、電容式輪廓儀、電壓式輪廓儀等。輪廓儀可測Ra、Rz、RSm及Rmr(c)等多個參數(shù)。除上述輪廓儀外，還有光學觸針輪廓儀，它適用于非接觸測量，以防止劃傷零件表面。這種儀器通常直接顯示Ra值，其測量范圍為0.025～6.3μｍ。

圖1-3為一減速器輸出軸表面粗糙度的標注實例。圖中兩軸頸55j6與P0

級滾動軸承內(nèi)圈相配合，配合精度要求很高，故相應表面粗糙度Ra選0.8um。兩個有鍵槽的圓柱面，左邊小圓柱面與帶輪配合，而右邊大圓柱面與齒輪配合，其配合精度要求較高，所以選表面粗糙度Ra

不大于1.6um。兩軸槽與鍵的兩側(cè)面配合，配合精度要求一般，故它的粗糙度參數(shù)Ra選3.2um。其余未標注表面的表面粗糙度Ra選6.3um。三、任務實施1.減速器表面粗糙度值的選用圖4-21表面粗糙度代號在圖樣上的標注