項目四表面粗糙度及檢測

通過本項目的學習，需要掌握輪廓算術(shù)平均偏差和輪廓最大高度的概念、表面粗糙度符號及其含義；掌握表面粗糙度比較樣塊的使用方法，熟練使用表面粗糙度比較樣塊檢驗零件的表面質(zhì)量，并初步了解表面粗糙度的其它檢測方法。教學導讀1

要求學生掌握輪廓算術(shù)平均偏差、輪廓最大高度、表面粗糙度符號及其含義；掌握表面粗糙度術(shù)語、表面粗糙度標注和表面粗糙度的選擇，各種評定參數(shù)及其代號的表達，常用測量方法與計量儀器的工作原理。

表面粗糙度術(shù)語、評定參數(shù)與表面粗糙度的選擇、表面粗糙度的標注。學生需掌握知識點2重點和難點3第一部分

理論基礎(chǔ)知識4.1概述

機械零件的表面粗糙度對零件的使用性能有很大影響，也充分反映了機械產(chǎn)品的質(zhì)量。為了保證機械產(chǎn)品的使用性能，應該正確選擇表面粗糙度參數(shù)、正確標注，選定合理的參數(shù)評定方法。4.1.1表面粗糙度的概念

零件是由表面輪廓組成的。零件的表面輪廓是物體與周圍介質(zhì)區(qū)分的物理邊界。這些表面輪廓根據(jù)零件需要，有些需要加工，有些不需要加工。用機械加工或者其它方法獲得的零件表面，微觀上總會存在較小間距的峰谷痕跡，如圖4-1所示。表面粗糙度就是表述這些峰谷高低程度和間距狀況的微觀幾何形狀特性的指標。表面粗糙度對機械零件的使用性能、可靠性和壽命有著直接影響。（a）實際工作表面

（b）表面粗糙度（c）表面波紋度

（d）表面形狀誤差圖4-2表面結(jié)構(gòu)特征圖4.1.1表面粗糙度的概念4.1.2表面粗糙度對零件使用性能的影響

對于間隙配合的零件，表面越粗糙就越容易磨損，使間隙很快增大，甚至破壞配合性質(zhì)。特別是在小尺寸、髙精度的情況下，表面粗糙度對配合性質(zhì)的影響更大。對于過盈配合，表面粗糙會減小實際有效過盈，降低聯(lián)接強度。影響配合性質(zhì)14.1.2表面粗糙度對零件使用性能的影響影響零件的耐磨性2

兩個零件當它們接觸并產(chǎn)生相對運動時，零件工作表面之間的摩擦會增加能量的耗損，因為需要克服起伏不平的表面峰谷之間的阻力。圖4-3實際接觸表面

表面越粗糙，摩擦系數(shù)就越大，因摩擦而消耗的能量也就越大。同時，表面越粗糙，配合表面間的實際有效接觸面積越小，單位壓力越大，故更易磨損。4.1.2表面粗糙度對零件使用性能的影響影響零件的耐蝕性3

表面越粗糙，則積聚在零件表面上的腐蝕性氣體或液體也越多，而且會通過表面的微觀凹谷向零件表面層滲透，使腐蝕加劇。影響零件的疲勞強度4

微觀幾何形狀誤差的輪廓谷是造成應力集中的因素。零件越粗糙，對應力集中越敏感,特別是當零件承受交變載荷時，由于應力集中的影響，使疲勞強度降低，導致零件表面產(chǎn)生裂紋而損壞。4.1.2表面粗糙度對零件使用性能的影響影響機器或儀器的工作精度5

表面粗糙不平，摩擦系數(shù)大，磨損也大，不僅會降低機器或儀器零件運動的靈敏性，而且影響機器或儀器的工作精度。由于粗糙表面的實際有效接觸面積小，在相同載荷下接觸表面的單位面積壓力增大，使表面層的變形增大，即表面層的接觸剛度變差，影響機器或儀器的工作精度。因此，零件表面粗糙程度越小，機器或儀器的工作精度越高。4.1.3表面波紋度對零件性能的影響

表面波紋度對零件性能的影響除部分與表面粗糙度相同外，還有其自身的特點，特別是對某些產(chǎn)品性能的影響尤為突出。對于滾動軸承，其工作時產(chǎn)生振動的主要因素是表面波紋度。因為形狀誤差主要反映零件表面的低頻分量，而這些低頻分量對軸承振動的影響要遠遠小于高頻分量。滾珠的表面波紋度會使鋼球的單體振動值上升，從而使?jié)L動軸承的整體振動和噪聲增大。試驗表明，滾動軸承的振動和噪聲與零件的表面波紋度成正比，表面波紋度的大小直接影響滾動軸承的多項性能指標。將軸承滾道和滾動體的表面波紋度控制在一定范圍內(nèi)，對提高滾動軸承的精度和延長其使用壽命有著重要作用。4.2表面粗糙度的國家標準

國家對表面粗糙度標準進行了多次修訂，本項目以GB/T3505—2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）表面結(jié)構(gòu)輪廓法術(shù)語、定義及表面結(jié)構(gòu)參數(shù)》、GB/T1031—2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu)輪廓法表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》、GB/T131—2006《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)技術(shù)產(chǎn)品文件中表面結(jié)構(gòu)的表示法》等系列國家標準為基礎(chǔ)介紹，此外還簡要介紹國家標準GB/T3505—2009與GB/T131—2009的術(shù)語、定義的演變情況。4.2.1基本術(shù)語實際輪廓（或表面輪廓）1

零件的實際輪廓是指平面與提取(實際)表面相交所得的輪廓，可分為橫向?qū)嶋H輪廓和縱向?qū)嶋H輪廓。圖4-4零件的實際輪廓4.2.1基本術(shù)語取樣長度lr2

取樣長度是指用于判別具有表面粗糙度特征的一段基準線長度，如圖4-5所示。圖4-5取樣長度和評定長度4.2.1基本術(shù)語評定長度ln3

評定長度是指評定輪廓表面粗糙度所必需的一段長度。一般情況下，ln

=5lr。這樣規(guī)定是基于零件表面質(zhì)量的不均勻性，單一取樣長度上的測量和評定不足以反映整個零件表面的全貌。因此，需要在表面上取幾個取樣長度，測量后取其平均值作為測量結(jié)果。4.2.1基本術(shù)語基準線（中線m）4

用以測量或評定表面粗糙度數(shù)值大小的一條參考線稱為基準線，也叫中線?；鶞示€具有幾何輪廓形狀并劃分實際輪廓，在整個取樣長度內(nèi)與實際輪廓走向一致，基準線有輪廓最小二乘中線和輪廓算數(shù)平均中線兩種。(1)輪廓的最小二乘中線(2)輪廓的算數(shù)平均中線4.2.1基本術(shù)語基準線（中線m）4(1)輪廓的最小二乘中線（a）輪廓的最小二乘中線圖4-6中線

在取樣長度內(nèi)，使輪廓上各點至一條假想線距離的平方和

為最小。這條假想線就是輪廓的最小二乘中線m，如圖4-6（a）所示。

在取樣長度以內(nèi)，由一條假想線將實際輪廓分為上、下兩部分，而且使上部分面積之和等于下部分面積之和，即

。4.2.1基本術(shù)語基準線（中線m）4(2)輪廓的算數(shù)平均中線（b）輪廓的算數(shù)平均中線圖4-6中線這條假想線就是輪廓的算術(shù)平均中線，如圖4-6（b）所示。4.2.1基本術(shù)語在水平位置c上輪廓的實體材料長度Ml(c)5Ml(c)即在一個給定距離水平位置c上，用一條平行于中線的線與輪廓單元相截所獲得的各段截線長度之和，如圖4-7所示。圖4-7輪廓的實體材料長度4.2.1基本術(shù)語高度和間距辨別力6

高度和間距辨別力分別是指應計入被評定輪廓的輪廓峰和輪廓谷的最小高度和最小間距。輪廓峰和輪廓谷的最小高度通常用Rz或任一振幅參數(shù)的百分率來表示；最小間距則以取樣長度的百分率給出。4.2.2表面粗糙度的評定參數(shù)表面粗糙度的主參數(shù)1（1）輪廓的算術(shù)平均偏差Ra（幅度參數(shù)）（2）輪廓的最大高度Rz（幅度參數(shù)）4.2.2表面粗糙度的評定參數(shù)表面粗糙度的主參數(shù)1（1）輪廓的算術(shù)平均偏差Ra（幅度參數(shù)）

在一個取樣長度lr內(nèi)，輪廓上各點至基準線距離的絕對值的算術(shù)平均值，稱為輪廓的算術(shù)平均偏差Ra。輪廓的算術(shù)平均偏差Ra是與高度特性有關(guān)的幅度參數(shù)，如圖4-8所示。圖4-8輪廓的算數(shù)平均偏差4.2.2表面粗糙度的評定參數(shù)表面粗糙度的主參數(shù)1（2）輪廓的最大高度Rz（幅度參數(shù)）圖4-9輪廓的最大高度

在一個取樣長度lr內(nèi)，輪廓的峰頂線與輪廓谷底線之間的距離稱為輪廓的最大高度Rz，如圖4-9所示。4.2.2表面粗糙度的評定參數(shù)表面粗糙度的附加參數(shù)2（1）輪廓單元的平均寬度RSm（間距參數(shù)）（2）輪廓的支承長度率Rmr(c)（曲線參數(shù)）（3）輪廓單元的平均線高度Rc4.2.2表面粗糙度的評定參數(shù)表面粗糙度的附加參數(shù)2（1）輪廓單元的平均寬度RSm（間距參數(shù)）

輪廓單元是指一個輪廓峰和一個輪廓谷的組合。輪廓單元的平均寬度RSm是指在一個取樣長度lr內(nèi)，輪廓單元寬度Xs的平均值，如圖4-10所示。圖4-10輪廓單元的平均寬度RSm

輪廓的支承長度率是指在一個評定長度ln內(nèi)，給定水平截面高度c上的輪廓實體材料長度Ml(c)與評定長度ln的比值，如圖4-11所示。4.2.2表面粗糙度的評定參數(shù)表面粗糙度的附加參數(shù)2（2）輪廓的支承長度率Rmr(c)（曲線參數(shù)）圖4-11輪廓的支承長度率Rmr(c)4.2.2表面粗糙度的評定參數(shù)表面粗糙度的附加參數(shù)2（3）輪廓單元的平均線高度Rc

輪廓單元的平均線高度Rc是指在一個取樣長度lr內(nèi)，輪廓單元高度Zt的平均值，如圖4-13所示。圖4-13輪廓單元的平均線高度4.2.3表面粗糙度的選用

表面粗糙度的選用主要包括評定參數(shù)及其參數(shù)值的選擇兩個內(nèi)容。表面粗糙度評定參數(shù)的選擇1表面粗糙度參數(shù)值的選擇24.2.3表面粗糙度的選用表面粗糙度評定參數(shù)的選擇1

表面粗糙度評定參數(shù)的選擇主要從零件的使用功能要求、檢測的方便性以及儀器設(shè)備條件等因素綜合考慮選擇。（1）主參數(shù)（幅度參數(shù)）的選擇

表面粗糙度主參數(shù)（幅度參數(shù)）的選擇原則：確定表面粗糙度時在主參數(shù)（Ra、Rz）中選擇一個，優(yōu)先選擇Ra。4.2.3表面粗糙度的選用

由于幅度參數(shù)為主要評定參數(shù)，而輪廓單元的平均寬度等為附加參數(shù)，所以大部分零件的表面都應選擇幅度參數(shù)，只有少數(shù)零件的重要表面，有特殊使用要求時，才附加選擇輪廓單元的平均寬度參數(shù)等附加參數(shù)。表面粗糙度評定參數(shù)的選擇1（2）附加參數(shù)的選擇4.2.3表面粗糙度的選用表面粗糙度參數(shù)值的選擇2

選用表面粗糙度值時要遵循：在滿足零件使用功能的前提條件下，盡量選用較大的表面粗糙度參數(shù)值。在實際應用中，選用表面粗糙度值時應注意符合以下原則：（1）同一零件上，工作表面粗糙度值應小于非工作表面的粗糙度值；（2）摩擦表面粗糙度值應小于非摩擦表面的粗糙度值；（3）運動速度高、單位面積壓力大，以及受交變應力作用的鋼制零件圓角、溝槽處，應有較小的表面粗糙度值；（4）配合性質(zhì)要求高的配合表面，如小間隙配合表面、受重載荷作用的過盈配合表面，應有較小的表面粗糙度值；（5）一般尺寸精度和幾何精度要求高時，表面粗糙度值應相應取??；表4-6列出了在正常工藝條件下，表面粗糙度值與尺寸公差等級及幾何公差的關(guān)系；（6）要求防腐蝕、密封性能好或外觀美觀的表面，表面粗糙度值要求比較高；（7）已經(jīng)對表面粗糙度要求作出規(guī)定的，如滾動軸承配合的軸頸和外殼孔、鍵槽、各級精度齒輪的主要表面等，應按照標準規(guī)定的表面粗糙度參數(shù)值選用。4.2.3表面粗糙度的選用表面粗糙度參數(shù)值的選擇24.3表面粗糙度的標注

GB/T131—2006《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）技術(shù)產(chǎn)品文件中表面結(jié)構(gòu)的表示法》規(guī)定了表面粗糙度的符號、代號及其在圖樣上的標注方法。4.3.1表面粗糙度的符號

表面粗糙度的評定參數(shù)及其數(shù)值確定后，應按GB/T131—2006的規(guī)定，把表面粗糙度要求正確地標注在零件圖上。表面粗糙度符號見表4-9所示。當零件表面僅需加工（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它規(guī)定沒有要求時，允許在圖樣上只注表面粗糙度符號。4.3.1表面粗糙度的符號符號1表4-9表面粗糙度符號4.3.1表面粗糙度的符號表面粗糙度完整圖形符號的組成2

為了明確表面粗糙度要求，除了標注表面粗糙度的單一要求（表面粗糙度代號、數(shù)值、傳輸帶/取樣長度），必要時應標注補充要求，補充要求包括（加工工藝、表面紋理及方向、加工余量等）。（a）圖形符號的書寫比例（b）補充要求的注寫位置圖4-14表面粗糙度符號的比例及補充要求的注寫位置位置a注寫表面粗糙度的單一要求位置a和b注寫兩個或多個表面粗糙度要求位置c注寫加工方法位置d注寫表面紋理和方向位置e注寫加工余量4.3.1表面粗糙度的符號表面粗糙度完整圖形符號的組成24.3.1表面粗糙度的符號表面粗糙度完整圖形符號的組成24.3.1表面粗糙度的符號表面粗糙度完整圖形符號的組成2表4-11表面粗糙度完整圖形符號的的標注示例4.3.1表面粗糙度的符號表面粗糙度完整圖形符號的組成2表4-11表面粗糙度完整圖形符號的的標注示例4.3.1表面粗糙度的符號表面紋理的標注符號3表4-12加工紋理和方向的符號

（摘自GB/T131—2006）符號示例紋理平行于標注代號的視圖投影面4.3.1表面粗糙度的符號表面紋理的標注符號3表4-12加工紋理和方向的符號

（摘自GB/T131—2006）符號示例紋理垂直于標注代號的視圖投影面4.3.1表面粗糙度的符號表面紋理的標注符號3表4-12加工紋理和方向的符號

（摘自GB/T131—2006）符號示例×紋理呈兩相交的方向符號示例P紋理呈微粒、凸起、無方向4.3.1表面粗糙度的符號表面紋理的標注符號3表4-12加工紋理和方向的符號

（摘自GB/T131—2006）4.3.1表面粗糙度的符號表面紋理的標注符號3表4-12加工紋理和方向的符號

（摘自GB/T131—2006）符號示例M紋理呈多方向4.3.1表面粗糙度的符號表面紋理的標注符號3表4-12加工紋理和方向的符號

（摘自GB/T131—2006）符號示例c紋理呈近似同心圓4.3.1表面粗糙度的符號表面紋理的標注符號3表4-12加工紋理和方向的符號

（摘自GB/T131—2006）符號示例R紋理呈近似放射狀且與表面圓心相關(guān)4.3.2表面粗糙度在圖樣上的標注

表面粗糙度在圖樣上的標注，總的原則是根據(jù)GB/T4458.4的規(guī)定，使表面粗糙度的注寫和讀取方向與尺寸的注寫和讀取方向一致。表面粗糙度代號應標注在可見輪廓線、指引線、尺寸線或其延長線上，也可標注在幾何公差框格上。表面粗糙度符號的尖端從材料外指向零件表面。當零件大部分表面有相同的表面結(jié)構(gòu)要求時，則其表面粗糙度要求可統(tǒng)一標注在圖樣的右下角或標題欄附近。4.3.2表面粗糙度在圖樣上的標注標注在輪廓線上或指引線上1

表面粗糙度要求可標注在輪廓線上，其符號應從材料外指向并接觸表面，如圖4-15（a）所示。

必要時，表面粗糙度符號也可用帶箭頭或黑點的指引線引出標注，如圖4-15（b）、（c）所示。（b）標注在帶黑點的指引線上

（b）標注在帶箭頭的指引線上4.3.2表面粗糙度在圖樣上的標注標注在輪廓線上或指引線上1（a）標注在輪廓線上圖4-15表面粗糙度標注示例Ⅰ4.3.2表面粗糙度在圖樣上的標注標注在特征尺寸的尺寸線上2

在不致引起誤解時，表面粗糙度要求可以標注在給定的尺寸線上，如圖4-16（a）所示。（a）標注在尺寸線上（b）標注在幾何公差框格的上方圖4-16表面粗糙度標注示例Ⅱ4.3.2表面粗糙度在圖樣上的標注標注在幾何公差的框格上3

表面粗糙度要求可標注在幾何公差框格的上方，如圖4-16（b）所示。標注在圓柱和棱柱表面上4

圓柱和棱柱表面的表面粗糙度要求只標注一次。如果每個棱柱表面有不同的表面粗糙度要求時，則應分別單獨標注，如圖4-17所示。圖4-17表面粗糙度標注示例Ⅲ

表面粗糙度要求可以直接標注在輪廓線的延長線上，或用帶箭頭的指引線引出標注，如圖4-18所示。4.3.2表面粗糙度在圖樣上的標注標注在延長線上5（a）標注在延長線上（b）標注在帶箭頭的指引線上圖4-18表面粗糙度標注示例Ⅳ4.3.3表面粗糙度的簡化標注有相同表面粗糙度要求的簡化標注1

如果在工件的多數(shù)（或全部）表面有相同的表面粗糙度要求時，則其表面粗糙度要求可統(tǒng)一標注在圖樣的右下角或標題欄附近。此時（除全部表面有相同要求的情況外），表面粗糙度要求的符號后面應有（1）或（2）的內(nèi)容。其中，（1）在圓括號內(nèi)給出無任何其它標注的基本符號，如圖4-19（a）所示；（2）在圓括號內(nèi)給出不同的表面粗糙度要求，如圖4-19（b）所示。其它不同的表面粗糙度要求應直接標注在圖形中。4.3.3表面粗糙度的簡化標注有相同表面粗糙度要求的簡化標注1（a）

（b）圖4-19表面粗糙度要求的簡化標注Ⅰ4.3.3表面粗糙度的簡化標注多個表面有共同要求的表面粗糙度簡化標注2

當多個表面有共同要求的表面粗糙度，并且圖樣空間有限時，用帶字母的完整符號的簡化標注法，如圖4-20所示。圖4-20表面粗糙度要求的簡化標注Ⅱ4.3.3表面粗糙度的簡化標注只用表面粗糙度符號的簡化標注3

有時對工件未指定工藝方法，且零件有多個表面有相同的表面粗糙度要求時，可采用圖4-21（a）的標注方法；若零件表面要求去除材料，且多個表面有相同的表面粗糙度要求時，可采用圖4-21（b）的標注方法；若零件表面不允許去除材料，且多個表面有相同的表面粗糙度要求時，可采用圖4-21（c）的標注方法。（a）

（b）

（c）圖4-21表面粗糙度要求的簡化標注Ⅲ4.3.4多種工藝獲得的同一表面的表面粗糙度標注法

由兩種或兩種以上的不同工藝方法獲得的同一表面，當需要明確每種工藝方法的表面粗糙度要求時，可按圖4-22的方法標注。圖4-22多種工藝獲得的同一表面的表面粗糙度標注法4.3.5表面粗糙度圖形符號標注的演變表4-13表面粗糙度圖形符號標注的演變4.4表面粗糙度的檢測方法4.4.1比較法檢測原理1

比較法是指用已知其幅度參數(shù)值的表面粗糙度比較樣塊（如圖4-23所示），與被測實際表面相比較，通過人的視覺、觸覺等，靠感覺來判斷表面粗糙度的情況，亦可借助于放大鏡、顯微鏡來判斷被測表面粗糙度的一種檢測方法。這種方法不夠準確，經(jīng)驗因素較大，只能對表面粗糙度參數(shù)值較大的情況給個大概范圍的判斷。4.4.1比較法檢測方法2

將比較樣塊與零件靠近在一起，以比較樣塊工作面上的表面粗糙度為標準，觀察、比較被測零件表面是否達到相應比較樣塊的表面粗糙度，從而判斷被測零件表面的粗糙度是否符合規(guī)定。這種方法不能得出具體的表面粗糙度數(shù)值，只能檢測被測表面的粗糙度是否合格。圖4-23表面粗糙度比較樣塊（a）視覺法（b）觸覺法圖4-24比較法檢測表面粗糙度4.4.2光切法檢測原理1

光切法是利用光切原理來測量表面粗糙度的方法，適用于測量Rz值，測量范圍一般為0.5~60μm。在實驗室中用光切顯微鏡（圖4-25所示）或者雙管顯微鏡就可實現(xiàn)測量。光切法原理示意圖如圖4-26所示，其中圖4-26（a）表示被測表面為階梯面，其階梯高度為h。4.4.2光切法檢測方法2

測量時，將工件放在光切顯微鏡的工作臺上，被測表面向上放置，調(diào)節(jié)目鏡角度，使得由光源發(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，被測表面的輪廓像沿B向反射后可由顯微鏡中觀察得到如圖4-26（b）所示的圖像。4.4.2光切法檢測方法2圖4-25光切顯微鏡（a）（b）圖4-26光切法測量表面粗糙度原理4.4.3針描法（觸針法）檢測原理1

針描法又稱觸針法，是利用儀器的測針與被測表面相接觸，并使測針沿測量表面輕滑過的測量表面粗糙度的方法。采用這種方法應用最廣泛的儀器就是表面粗糙度輪廓儀，圖4-27為電動輪廓儀。它的特點是顯示數(shù)值直觀，可測量許多形狀的被測表面，測量時間小，方便快捷。4.4.3針描法（觸針法）檢測方法2

測量時，將觸針搭在工件上，與被測表面垂直接觸，利用驅(qū)動器以一定的速度拖動傳感器,如圖4-28所示。通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)電子裝置將該電信號加以放大、相敏檢波和功率放大后，推動自動記錄裝置，直接描繪出被測表面的放大圖形，按該圖形進行數(shù)據(jù)處理，即可得到Ra值或Rz值。這種儀器適用于測量0.025~5μm的Ra值。4.4.3針描法（觸針法）檢測方法2圖4-27電動輪廓儀圖4-28針描法測量表面粗糙度示意圖4.4.4顯微干涉法檢測原理1

如圖4-30（a）所示，由光源發(fā)出的光線經(jīng)平面鏡反射向上，至半透半反分光鏡后分成兩束，一束向上射至被測表面返回，另一束向左射至參考鏡返回。兩束光線之間存在著光程差，它們會合后產(chǎn)生光波干涉，形成一組干涉條紋，如圖4-30（b）所示。干涉條紋的彎曲程度反映了被測表面的微觀特征，它與被測表面微觀不平度的高度值存在著固定的比例關(guān)系，由儀器的測微裝置換算可得被測表面的Rz值。