公差第4章表面粗糙度及检测.docx
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公差第4章表面粗糙度及检测
第4章表面粗糙度及检测
学习目的和要求
1．掌握表面粗糙度的基本概念，了解其对机械零件使用功能的影响。
2．熟悉表面粗糙度评定参数的含义及应用场合。
3．掌握表面粗糙度的标注方法和意义。
4．初步掌握表面粗糙度的选用方法。
5．了解表面粗糙度常用的检测方法。
4．1概述
4．1．1表面粗糙度的概念
在切削加工过程中，由于刀具和被加工表面间的相对运动轨迹（即刀痕）、刀具和被加工表面间的摩擦、切削过程中切屑分离时表层金属材料的塑性变形以及工艺系统的高频振动等原因，零件表面会出现许多间距较小的、凹凸不平的微小的峰、谷。
这种零件被加工表面上的微观几何形状误差称为表面粗糙度。
为了适应生产的发展，有利于国际技术交流及对外贸易，我国参照ISO标准，陆续发布了GB/T3505—2000《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/T1031—1995《表面粗糙度参数及其数值》、GB/T131—1993《机械制图表面粗糙度符号、代号及其注法》等国家标准，取代原表面粗糙度国家标准GB3505—83、GB1031—83、GB131—83。
表面粗糙度不同于主要由机床、夹具、刀具几何精度以及定位夹紧方面的误差等因素引起的表面宏观几何形状误差，也不同于主要由机床、刀具、工件的振动、发热、回转不平衡
等因素造成的介于宏观和微观几何形图4-1加工误差示意图
状误差之间的表面波度。
a）表面实际轮廓b）表面粗糙度
目前还没有划分这三种形状误差c）表面波度d）形状误差
的统一标准，通常按波距或波距与波幅的比值来划分，如图4-1所示。
波距λ小于lmm的属于表面粗糙度；波距λ在1～10mm的属于表面波度；波距λ大于10mm的属于形状误差。
波距λ与波幅h的比值小于40时属于表面粗糙度；比值在40～1000时属于表面波度；比值大于1000时属于形状误差。
4．1．2表面粗糙度对零件使用性能的影响
表面粗糙度对零件使用性能的影响主要有以下几个方面：
1．对摩擦、磨损和接触变形的影响表面的凹凸不平使两表面接触时实际接触面积减小如图4-2所示，接触部分压力增加。
滑动时，两面的凸峰相互搓削，产生了摩擦阻力，造成了表面磨损。
表面越粗糙，接触面积越小，压力越大，接触变形越大，摩擦阻力增大，磨损也越快。
2．对配合性质的影响对于间隙配合，会因表面微观不平的峰尖在工作过程中很快磨掉而使间隙增大；对于过盈配合，表面轮廓的峰顶在装配时被挤平，使有效过盈减小，降低连接强度；对于过渡配合，表面粗糙度使配合变松。
3．对疲劳强度的影响承受疲劳载荷的零件，其破坏多半是因为应力集中产生了疲劳裂纹。
表面微观不平的凹痕越深，其底部曲率半径越小，则应力集中越严重，零件疲劳损坏的可能性越大，疲劳强度就越低。
4．对耐腐蚀性的影响腐蚀介质在表面凹谷聚集，不易清除，产生金属腐蚀。
表面越粗糙，凹谷越深，谷底越尖，零件抗腐蚀能力越差。
此外，表面粗糙度对零件结合面的密封性能图4-2实际接触面
、表面反射能力和外观质量等都有影响。
为保证产品质量，提高零件的使用寿命，降低生产成本，在设计零件时必须依据国家标准对其表面粗糙度提出合理的要求，即给出评定参数的允许值，并在生产中对给定参数进行检测。
4．2表面粗糙度的评定
4．2．1基本术语和定义
1．表面轮廓
表面轮廓是指平面与实际表面相交所得的轮廓。
按照相截方向的不同，它又可分为横向表面轮廓和纵向表面轮廓。
在评定或测量表面粗糙度时，除非特别指明，通常均指横向表面轮廓，即与加工纹理方向垂直的截面上的轮廓，如图4-3所示。
2．取样长度
r
取样长度是指用于判别被评定轮廓的不规则特征的一段长度，如图4-4所示。
规定取样长度的目的在于限制和减弱表面波度对表面粗糙度测量结果的影响。
取样长度应与表面粗糙度的要求相适应，见表4-1。
取样长度过短，不能反映表面粗糙度的实际情况；取样长度过长，表面粗糙度的测量值又会把表面波度的成分包括进去。
在取样长度范围内，一般应包5个以上的轮廓峰和轮廓谷。
3．评定长度
n
评定长度是指用于判别被评定轮廓表面粗图4-3实际轮廓
糙度所必须的一段长度，如图4-4所示。
1─横向轮廓2─平面
由于零件各部分的表面粗糙度不一定均匀，3─实际表面4─加工纹理方向
为了充分合理地反映表面的特性，通常取几个取样长度（测量后的算术平均值作为测量结果）来评定表面粗糙度，一般
n=5
r。
如被测表面均匀性较好，可选用小于5
r的评定长度；反之，可选用大于5
r的评定长度。
图4-4取样长度和评定长度
表4-1取样长度与评定长度的选用值（摘自GB／T103l一1995）
Ra/μm
Rz、Ry/μm
l/mm
ln（ln=5l）/mm
≥0.008～0.02
≥0.02～0.1
≥0.1～2.0
≥2.0～10.0
≥10.0～80.0
0.025～0.10
0.10～0.50
0.50～10.0
10.0～50.0
50.0～320
0.08
0.25
0.8
2.5
8.0
0.4
1.25
4.0
12.5
40.0
4．基准线（也称中线）
用以测量或评定表面粗糙度数值大小的一条参考线，基准线通常有以下两种：
（1）轮廓最小二乘中线在取样长度范围内，实际被测轮廓线上的各点至一条假想线的距离的平方和为最小，即∑
=Min，这条假想线就是最小二乘中线，如图4-5a）中的O1O1和O2O2所示。
（2）轮廓算术平均中线在取样长度内，由一条假想线将实际轮廓分成上、下两部分，而且使上部分面积之和等于下部分面积之和，即
。
这条假想线就是轮廓算术平均中线，如图4-5b）中的O1O1和O2O2所示。
图4-5轮廓中线
a）最小二乘中线b）算术平均中线
在轮廓图形上确定最小二乘中线的位置比较困难，在实际工作中可用算术平均中线代替最小二乘中线。
通常轮廓算术平均中线可用目测估计来确定。
4．2．2表面粗糙度的评定参数
为了满足表面不同功能的要求，表面粗糙度国家标准（GB／T1031一1995）从表面微观几何形状的高度、间距和形状三个方面的特征，相应地规定了表面轮廓的高度特征参数、间距特征参数和形状特征参数。
1．高度特征参数——主参数
（1）轮廓算术平均偏差Ra在取样长度内，被测表面轮廓上各点至基准线距离yi的绝对值的平均值，如图4-6所示。
用下式表示为
Ra=
（4-1）
或近似为Ra=
（4-2）
式中y（x）——表面轮廓上点到基准线的距离；
yi——表面轮廓上第i个点到基准线的距离；
——取样长度；n——取样数。
轮廓算术平均偏差Ra，意为平均偏距的绝对值；Ra越大，表面越粗糙。
Ra较全面地反映表面粗糙度的高度特征，概念清楚，检测方便，为当前世界各国普遍采用。
图4-6轮廓算术平均偏差
（2）微观不平度十点高度Rz在取样长度内，被测实际轮廓上5个最大轮廓峰高的平均值与5个最大轮廓谷深的平均值之和，如图4-7所示。
用下式表示为
Rz=
（4-3）
式中ypi——第i个最大轮廓峰高；
yvi——第i个最大轮廓谷深，谷深取成正值。
微观不平度十点高度Rz，意为平均高度；Rz越大，表面越粗糙。
Rz也是当前世界上用得较多的一个参数。
它的优点是易在光学仪器上测量，缺点是只考虑了峰顶和峰谷等有限的几个点，传递的信息有一定的局限性。
（3）轮廓最大高度Ry在取样长度内，轮廓的峰顶线与轮廓谷底线之间的距离。
用下式表示为
Ry=|ypmax|+|yvmax|（4-4）
图4-7高度特征参数
1一轮廓峰顶线2一轮廓谷底线
轮廓峰顶线和轮廓谷底线，分别指在取样长度
内，平行于基准线并通过轮廓最高点和最低点的线，如图4-7所示。
轮廓最大高度Ry，意为最大高度。
Ry虽只能说明在取样长度内轮廓上最突出的情况，但测量极为方便，对某些不允许出现较深加工痕迹的表面更具实用意义。
在评定表面粗糙度时，可在上述三个参数中选取。
标准推荐优先选用Ra。
在GB/T3505—2000中，只规定了Ra和Ry，取消了Rz。
但是，Ry是用Rz来表示的。
2．间距特征、形状特征参数——附加参数
（1）轮廓微观不平度的平均间距Sm在取样长度内，轮廓微观不平度间距Smi的平均值。
所谓轮廓微观不平度间距Smi，是指含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷一段中线的长度，如图4-8所示。
用下式表示为
Sm=
（4-5）
式中n——轮廓微观不平度间距个数；
Smi——第i个微观不平度间距。
图4-8轮廓间距参数
（2）轮廓的单峰平均间距S在取样长度内，轮廓的单峰间距Si的算术平均值。
所谓轮廓单峰间距Si，是指两相邻轮廓单峰最高点在中线上的投影长度，如图4-8所示。
用下式表示为
S=
（4-6）
式中n——轮廓单峰的个数；
Si——第i个轮廓单峰间距。
Sm和S能直观地反映加工痕迹的细密程度。
（3）轮廓的支承长度率tp在取样长度内，一平行于基准线的线与轮廓相截所得到的各段截线长度bi（图4-8）之和与取样长度
之比。
用下式表示为
tp=
（4-7）
tp对应于不同的水平截距而给出的。
tp能反映接触面积的大小。
tp越大，表面的承载能力及耐磨性越好。
在三个附加评定参数中，Smi和S是属于间距特征参数，tp属于形状特征参数。
4．2．3表面粗糙度国家标准
表面粗糙度的评定参数值已经标准化，设计时应根据国家标准规定的参数值系列选取。
国家标准GB/T1031—1995对参数系列值的规定有基本系列和补充系列，要求优先选用基本系列，见表4-2、表4-3、表4-4和表4-5。
表4-2轮廓算术平均偏差Ra的数值（单位：
um）
基本系列
0．012、0．025、0．05、0．1、0．2、0．4、0．8、1．6、3．2、6．3、12．5、25、50、100
补充系列
0．008、0．010、0．016、0．020、0．032、0。
．040、0．063、0．080、0．125、0．160、0．25、0．32、0．50、0．63、1．00、1．25、2．0、2．5、4．0、5．0、8．0、10．0、16．0、20、32、40、63、80
表4-3微观不平度十点高度Rz和轮廓最大高度Ry的数值（单位：
um）
基本系列
0．025、0．05、0．1、0．2、0．4、0．8、1．6、3．2、6．3、12．5、25、50、100、200、400、800、1600
补充系列
0．032、0．040、0．063、0．080、0．125、0．160、0．025、0．032、0．032、0．050、0．63、1．00、1．25、2．0、2．5、4．0、5．0、8．0、10．0、16．0、20、32．40、63、80、125、160、250、320、500、630、1000、1250
表4-4轮廓微观不平度的平均间距Sm、轮廓的单峰平均间距S的数值（单位：
mm）
基本系列
0．006、0．0125、0．025、0．050、0．1、0．2、0．4、0．8、1．6、3．2、6．3、12．5
表4-5轮廓支承长度率tp的数值
tp（%）
10
15
20
30
40
50
60
70
80
90
4．3表面粗糙度的符号及标注的意义
图样上给定的表面特征（符）号是对完成后表面的要求。
GB/T131—1993对表面粗糙度代（符）号及其标注作出了规定。
4．3．1表面粗糙度符号
表面粗糙度符号及其意义见表4-6。
表4-6表面粗糙度的符号
4．3．2表面粗糙度代号
由表面度符号及其他表面特征要求的标注，组成了表面粗糙度的代号。
表面特征各项规定在基本符号中注写的位置如图4-9所示。
图中各符号表示：
a——表面粗糙度高度参数允许值（um）。
b——加工方法，渡涂或其他表面处理；
c——取样长度（mm）；
d——加工文理方向符号（见表4-7）；
e——加工余量（mm）；
f——表征间距或形状特征的参数。
图4-9表面粗糙度参数的标注
高度参数选用Ra时，可以省略其代号而只标注允许值。
参数为Rz或Ry时，允许值前必须注出相应的参数符号。
如果取样长度按标准（表4-1）选用时，则可省略标注。
对其他附加要求，如加工方法、加工纹理方向、加工余量等附加参数，可图根据需要确定是否标注。
表4-7加工纹理方向符号
4．3．3表面粗糙度代（符）号在图样上的标注
表面粗糙度符号、代号一般注在可见轮廓线、尺寸界线或其延长线上，符号的尖端必须从材料外指向被注表面，数字及符号的注写方向必须与尺寸数字方向一致。
当零件大部分表面具有相同的表面粗糙度要求时，对其中使用最多的一种符号，代号可以统一注在图样的右上角，并加注“其余”两字。
表面粗糙度代号示例如表4-8所示。
表4-8表面粗糙度高度特性参数标注示例
表面粗糙度代（符）号标注示例如图4-10、4-11、4-12所示。
4．4表面粗糙度的选用
零件表面粗糙度选择是否恰当，不仅影响产品的使用性能，而且也直接关系到零件的加工工艺和制造成本。
选择表面粗糙度的总原则是：
首先满足使用性能要求，其次兼顾经济性，即在满足使用要求的前提下，尽量选用较大的表面粗糙度参数值。
1．表面粗糙度参数的选择
在选择表面粗糙度评定参数时，应能够充分合理地反映表面微观几何形状的真实情况。
图4-10表面粗糙度代号注法图4-11表面粗糙度标注示例
图4-12中心孔、键槽（工作面）、圆角、倒角的表面粗糙度可简化标注示例
对大多数表面来说，给出高度特征评定参数即可反映被测表面粗糙度的特征。
所以GB／T103l一1995规定，表面粗糙度参数应从高度特征参数Ra、Rz和Ry中选取。
附加参数只在高度特征参数不能满足表面功能要求时，才附加选用。
评定参数Ra能够较客观地反映表面微观几何形状特征，且所用仪器的测量方法比较简单，能连续测量，测量效率高。
因此，在常用的参数值范围（Ra为0．025～6．3um，Rz为0．1～25um）范围内，一般仅选用高度参数，且国标推荐优先选用Ra。
当零件材料较软时，不能选用Ra，因为Ra一般采用触针测量，材料较软时易划伤零件表面，且测量不准确。
评定参数Rz，仅考虑了峰顶和峰谷的几个点，故在反映微观几何形状特征方面不如Ra全面。
同时，Rz值测量结果因测量点的不同而有差异。
但Rz值易于在光学仪器上测得，且计算方便，因而是用得较多的参数。
当零件表面过于粗糙（Ra>6．3um）或太光滑（Ra<0．025um）时，可选用Rz。
评定参数Ry所反映的微观几何形状特征更不全面。
但由于Ry值测量极为简便，同时也弥补了Ra和Ry不能测量极小面积的不足。
Ry参数可以单独使用，也可以与Ra或Rz联合使用，以控制微观不平度谷深，从而控制表面微观裂纹。
特别是在对表面有疲劳强度要求时，宜采用Ry参数或Ry与Ra、Ry与Rz联合选用。
此外，当被测表面很小（不足一个取样长度）时，不宜采用Ra或Rz来评定时，也常用参数Ry。
表面粗糙度评定参数值应根据国家标准优先选用基本系列。
2．表面粗糙度参数值的确定
由于表面粗糙度和零件的性能关系非常复杂，在实际工作中，很难全面而精确地按零件表面性能要求来准确地确定表面粗糙度参数值，因此，具体选用时多用类比法来确定表面粗糙度的参数值。
按类比法选择表面粗糙度参数值时，可先根据经验资料初步选定表面粗糙度参数值，然后再对比工作条件作适当调整。
调整时主要考虑以下几点：
（1）同一零件上，工作表面的粗糙度参数值应小于非工作表面的粗糙度参数值。
（2）摩擦表面的粗糙度值应比非摩擦表面的粗糙度值小。
对有相对运动的工件表面，运动速度愈高，其表面粗糙度值也应愈小。
（3）受循环载荷的表面和易引起应力集中的部位（如圆角、沟槽等）粗糙度参数要小。
（4）配合性质要求越稳定，表面粗糙度值应越小。
配合性质相同时，尺寸愈小的结合面，表面粗糙度值也应越小。
同一精度等级，小尺寸比大尺寸、轴比孔的表面粗糙度值要小。
（5）尺寸公差、形状公差和表面粗糙度是在设计图样上同时给出的基本要求，三者互相存在密切联系，故取值时应相互协调，一般应符合：
尺寸公差>形状公差>表面粗糙度，表4-9列出了表面粗糙度与尺寸公差、形状公差的对应关系，供参考。
（6）要求防腐蚀、密封性能好或外表美观等表面的粗糙度值应较小。
（7）考虑加工方法确定表面粗糙度表面粗糙度与加工方法有密切的关系，在确定零件的表面粗糙度时，应考虑可能的加工方法，表4-9、4-10列出了表面粗糙度的表面特征、
表4-9表面粗糙度的表面特征、经济加工方法应用举例（单位：
um）
表面微观特征
Ra
Rz
加工方法
应用举例
粗
糙
表
面
可见
刀痕
＞20～40
＞80～160
粗车、粗刨、粗铣、钻、毛锉、锯断
半成品粗加工过的表面，非配合的加工表面，如轴端面、倒角、钻孔、齿轮和带轮侧面、键槽底面、垫圈接触面等
微见
刀痕
＞10～20
＞40～80
半
光
表
面
微见加
工痕迹
＞5～10
＞20～40
车、刨、铣、镗、钻、粗铰
轴上不安装轴承、齿轮处的非配合表面，紧固件的自由装配表面，轴和孔的退刀槽等
微见加
工痕迹
＞2.5～5
＞10～20
车、刨、铣、镗、磨、拉、粗刮、滚压
半精加工表面，箱体、支架、盖面、套筒等和其他零件结合而无配合要求的表面，需要发蓝的表面等
看不清
加工痕迹
＞1.25～2.5
＞6.3～10
车、刨、铣、镗、磨、拉、刮、压、铣齿
接近于精加工表面，箱体上安装轴承的镗孔表面，齿轮的工作面
光
表
面
可辨加工痕迹方向
＞0.6～1.25
＞3.2～6.3
车、镗、磨、拉、刮、精铰、磨齿、滚压
圆柱销、圆锥销、与滚动轴承配合的表面，卧式车床导轨面，内、外花键定心表面等
微辨加工痕迹方向
＞0.3～0.63
＞1.6～3.2
精铰、精镗、磨、刮、滚压
要求配合性质稳定的配合表面，工作时受交变应力的重要零件，较高精度车床的导轨面
不可辨
加工痕
迹方向
＞0.1～0.32
＞0.8～1.6
精磨、研磨、超精加工
精密机床主轴锥孔、顶尖圆锥面、发动机曲轴、凸轮轴工作表面、高精度齿轮齿面
极
光
表
面
暗光泽面
＞0.0～0.16
＞0.4～0.8
精磨、研磨、普通抛光
精密机床主轴轴径表面，一般量规工作表面，汽缸套内表面，活塞销表面等
亮光泽面
＞0.0～0.08
＞0.2～0.4
超精磨、精抛光、镜面磨削
精密机床主轴轴径表面，滚动轴承的滚珠，高压液压泵中柱塞和柱塞套配合表面
镜状
光泽面
＞0.01～0.04
＞0.05～0.2
镜面
≤0.01
≤0.05
镜面磨削、超精研
高精度量仪、量块的工作表面，光学仪器中的金属镜面
表4-10表面粗糙度Ra的推荐选用值（单位：
um）
应用场合
基本尺寸/mm
经常装拆零
件的配合表面
公差等级
≤50
＞50～120
＞120～500
轴
孔
轴
孔
轴
孔
IT5
≤0.2
≤0.4
≤0.4
≤0.8
≤0.4
≤0.8
IT6
≤0.4
≤0.8
≤0.8
≤1.6
≤0.8
≤1.6
IT7
≤0.8
≤1.6
≤1.6
IT8
≤0.8
≤1.6
≤1.6
≤3.2
≤1.6
≤3.2
过盈配合
压入
装配
IT5
≤0.2
≤0.4
≤0.4
≤0.8
≤0.4
≤0.8
IT6～IT7
≤0.4
≤0.8
≤0.8
≤1.6
≤1.6
IT8
≤0.8
≤1.6
≤1.6
≤3.2
≤3.2
热装
—
≤1.6
≤3.2
≤1.6
≤3.2
≤1.6
≤3.2
滑动轴承
的配合表面
公差等级
轴
孔
IT6IT9
≤0.8
≤1.6
IT10IT12
≤1.6
≤3.2
液体湿
摩擦条件
≤0.4
≤0.8
圆锥结合的工作面
密封结合
对中结合
其他
≤0.4
≤1.6
≤6.3
密封材料处
的孔、轴表面
密封形式
速度（m·s-1）
＜3
3～5
＞5
橡胶圈
密封
0.8～1.6（抛光）
0.4～0.8（抛光）
0.2～0.4（抛光）
毛毡密封
0.8～1.6（抛光）
迷宫式
3.2～6.3
涂油槽式
3.2～6.3
精密定心零
件的配合表面
IT5～IT8
径向跳动
2.5
4
6
10
16
25
轴
≤0.05
≤0.1
≤0.1
≤0.2
≤0.4
≤0.8
孔
≤0.1
≤0.2
≤0.2
≤0.4
≤0.8
≤1.6
V带和平带轮工作表面
带轮直径/mm
＜120
120～315
＞315
1.6
3.2
6.3
箱体分界面
（减速箱）
类型
有垫片
无垫片
需要密封
3.2～6.3
0.8～1.6
不需要密封
6.3～12.5
经济加工方法及应用举例，轴和孔表面粗糙度参数推荐值，供选取用时参考。
例题4-1判断下列每对配合（或工件）使用性能相同时，哪一个表面粗糙度要求高？
为什么？
（1）Ф50H7/f6和Ф50H7/h6
（2）Ф30h7和Ф90h7
（3）Ф40H7/e6和Ф40H7/r6（4）Ф60g6和Ф60G6
解：
（1）Ф50H7/h6要求高些，因为它是零间隙配合，对表面粗糙度比小间隙配合Ф50H7/f6更敏感。
（2）Ф30h7要求高些，因为Ф90h7尺寸较大，加工更困难，故应放松要求。
（3）Ф40H7/r6要求高些，因为是过盈配合，为连接可靠、安全，应减少粗糙度，以避免装配时将微观不平的峰、谷挤平而减少实际过盈量。
（4）Ф60g6要求高些，因为精度等级相同时，孔比轴难加工。
4．5表面粗糙度旧国家标准简介
零件表面质量在旧国家标准中用表面光洁度表示，例▽5、▽7。
数值愈大，表面愈光洁，表面粗糙度与表面光洁度的数值对照见表4-11。
4．6表面粗糙度的测量
测量表面粗糙度参数值时，若图样上无特别注明测量方向，则应在尺寸最大的方向上测量。
通常就是在垂直于加工纹理方向的截面上测量。
对无一定加工纹理方向的表面（如研磨、电火花等加工表面），应在几个不同的方向上测量，取最大值为测量结果。
此外，应注意测量时不要把表面缺陷（如气孔、划痕等）包含进去。
表4-11表面粗糙度新旧国标对照（um）
GB1031—68
的等级代号
Ra
Rz
GB1031—68
的等级代号
Ra
Rz
▽1
>40～80
320
▽8
>0．32～0．63
3．2
▽2
>20～40
160
▽9
>0．16～0．32
1．6
▽3
>10～20
80
▽10
>0．08～0．16
0．8
▽4
>5～10
40
▽11
>0．04～0．08
0．4
▽5
>2．5～5
20
▽12
>0．02～0．08
0．2
▽6
>1．25～2
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