《互换性与技术测量基础》课件04表面粗糙度及检测

项目四表面粗糙度及检测

通过本项目的学习，需要掌握轮廓算术平均偏差和轮廓最大高度的概念、表面粗糙度符号及其含义；掌握表面粗糙度比较样块的使用方法，熟练使用表面粗糙度比较样块检验零件的表面质量，并初步了解表面粗糙度的其它检测方法。教学导读1

要求学生掌握轮廓算术平均偏差、轮廓最大高度、表面粗糙度符号及其含义；掌握表面粗糙度术语、表面粗糙度标注和表面粗糙度的选择，各种评定参数及其代号的表达，常用测量方法与计量仪器的工作原理。

表面粗糙度术语、评定参数与表面粗糙度的选择、表面粗糙度的标注。学生需掌握知识点2重点和难点3第一部分

理论基础知识4.1概述

机械零件的表面粗糙度对零件的使用性能有很大影响，也充分反映了机械产品的质量。为了保证机械产品的使用性能，应该正确选择表面粗糙度参数、正确标注，选定合理的参数评定方法。4.1.1表面粗糙度的概念

零件是由表面轮廓组成的。零件的表面轮廓是物体与周围介质区分的物理边界。这些表面轮廓根据零件需要，有些需要加工，有些不需要加工。用机械加工或者其它方法获得的零件表面，微观上总会存在较小间距的峰谷痕迹，如图4-1所示。表面粗糙度就是表述这些峰谷高低程度和间距状况的微观几何形状特性的指标。表面粗糙度对机械零件的使用性能、可靠性和寿命有着直接影响。（a）实际工作表面

（b）表面粗糙度（c）表面波纹度

（d）表面形状误差图4-2表面结构特征图4.1.1表面粗糙度的概念4.1.2表面粗糙度对零件使用性能的影响

对于间隙配合的零件，表面越粗糙就越容易磨损，使间隙很快增大，甚至破坏配合性质。特别是在小尺寸、髙精度的情况下，表面粗糙度对配合性质的影响更大。对于过盈配合，表面粗糙会减小实际有效过盈，降低联接强度。影响配合性质14.1.2表面粗糙度对零件使用性能的影响影响零件的耐磨性2

两个零件当它们接触并产生相对运动时，零件工作表面之间的摩擦会增加能量的耗损，因为需要克服起伏不平的表面峰谷之间的阻力。图4-3实际接触表面

表面越粗糙，摩擦系数就越大，因摩擦而消耗的能量也就越大。同时，表面越粗糙，配合表面间的实际有效接触面积越小，单位压力越大，故更易磨损。4.1.2表面粗糙度对零件使用性能的影响影响零件的耐蚀性3

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，而且会通过表面的微观凹谷向零件表面层渗透，使腐蚀加剧。影响零件的疲劳强度4

微观几何形状误差的轮廓谷是造成应力集中的因素。零件越粗糙，对应力集中越敏感,特别是当零件承受交变载荷时，由于应力集中的影响，使疲劳强度降低，导致零件表面产生裂纹而损坏。4.1.2表面粗糙度对零件使用性能的影响影响机器或仪器的工作精度5

表面粗糙不平，摩擦系数大，磨损也大，不仅会降低机器或仪器零件运动的灵敏性，而且影响机器或仪器的工作精度。由于粗糙表面的实际有效接触面积小，在相同载荷下接触表面的单位面积压力增大，使表面层的变形增大，即表面层的接触刚度变差，影响机器或仪器的工作精度。因此，零件表面粗糙程度越小，机器或仪器的工作精度越高。4.1.3表面波纹度对零件性能的影响

表面波纹度对零件性能的影响除部分与表面粗糙度相同外，还有其自身的特点，特别是对某些产品性能的影响尤为突出。对于滚动轴承，其工作时产生振动的主要因素是表面波纹度。因为形状误差主要反映零件表面的低频分量，而这些低频分量对轴承振动的影响要远远小于高频分量。滚珠的表面波纹度会使钢球的单体振动值上升，从而使滚动轴承的整体振动和噪声增大。试验表明，滚动轴承的振动和噪声与零件的表面波纹度成正比，表面波纹度的大小直接影响滚动轴承的多项性能指标。将轴承滚道和滚动体的表面波纹度控制在一定范围内，对提高滚动轴承的精度和延长其使用寿命有着重要作用。4.2表面粗糙度的国家标准

国家对表面粗糙度标准进行了多次修订，本项目以GB/T3505—2009《产品几何技术规范（GPS）表面结构轮廓法术语、定义及表面结构参数》、GB/T1031—2009《产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》、GB/T131—2006《产品几何技术规范(GPS)技术产品文件中表面结构的表示法》等系列国家标准为基础介绍，此外还简要介绍国家标准GB/T3505—2009与GB/T131—2009的术语、定义的演变情况。4.2.1基本术语实际轮廓（或表面轮廓）1

零件的实际轮廓是指平面与提取(实际)表面相交所得的轮廓，可分为横向实际轮廓和纵向实际轮廓。图4-4零件的实际轮廓4.2.1基本术语取样长度lr2

取样长度是指用于判别具有表面粗糙度特征的一段基准线长度，如图4-5所示。图4-5取样长度和评定长度4.2.1基本术语评定长度ln3

评定长度是指评定轮廓表面粗糙度所必需的一段长度。一般情况下，ln

=5lr。这样规定是基于零件表面质量的不均匀性，单一取样长度上的测量和评定不足以反映整个零件表面的全貌。因此，需要在表面上取几个取样长度，测量后取其平均值作为测量结果。4.2.1基本术语基准线（中线m）4

用以测量或评定表面粗糙度数值大小的一条参考线称为基准线，也叫中线。基准线具有几何轮廓形状并划分实际轮廓，在整个取样长度内与实际轮廓走向一致，基准线有轮廓最小二乘中线和轮廓算数平均中线两种。(1)轮廓的最小二乘中线(2)轮廓的算数平均中线4.2.1基本术语基准线（中线m）4(1)轮廓的最小二乘中线（a）轮廓的最小二乘中线图4-6中线

在取样长度内，使轮廓上各点至一条假想线距离的平方和

为最小。这条假想线就是轮廓的最小二乘中线m，如图4-6（a）所示。

在取样长度以内，由一条假想线将实际轮廓分为上、下两部分，而且使上部分面积之和等于下部分面积之和，即

。4.2.1基本术语基准线（中线m）4(2)轮廓的算数平均中线（b）轮廓的算数平均中线图4-6中线这条假想线就是轮廓的算术平均中线，如图4-6（b）所示。4.2.1基本术语在水平位置c上轮廓的实体材料长度Ml(c)5Ml(c)即在一个给定距离水平位置c上，用一条平行于中线的线与轮廓单元相截所获得的各段截线长度之和，如图4-7所示。图4-7轮廓的实体材料长度4.2.1基本术语高度和间距辨别力6

高度和间距辨别力分别是指应计入被评定轮廓的轮廓峰和轮廓谷的最小高度和最小间距。轮廓峰和轮廓谷的最小高度通常用Rz或任一振幅参数的百分率来表示；最小间距则以取样长度的百分率给出。4.2.2表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的主参数1（1）轮廓的算术平均偏差Ra（幅度参数）（2）轮廓的最大高度Rz（幅度参数）4.2.2表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的主参数1（1）轮廓的算术平均偏差Ra（幅度参数）

在一个取样长度lr内，轮廓上各点至基准线距离的绝对值的算术平均值，称为轮廓的算术平均偏差Ra。轮廓的算术平均偏差Ra是与高度特性有关的幅度参数，如图4-8所示。图4-8轮廓的算数平均偏差4.2.2表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的主参数1（2）轮廓的最大高度Rz（幅度参数）图4-9轮廓的最大高度

在一个取样长度lr内，轮廓的峰顶线与轮廓谷底线之间的距离称为轮廓的最大高度Rz，如图4-9所示。4.2.2表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的附加参数2（1）轮廓单元的平均宽度RSm（间距参数）（2）轮廓的支承长度率Rmr(c)（曲线参数）（3）轮廓单元的平均线高度Rc4.2.2表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的附加参数2（1）轮廓单元的平均宽度RSm（间距参数）

轮廓单元是指一个轮廓峰和一个轮廓谷的组合。轮廓单元的平均宽度RSm是指在一个取样长度lr内，轮廓单元宽度Xs的平均值，如图4-10所示。图4-10轮廓单元的平均宽度RSm

轮廓的支承长度率是指在一个评定长度ln内，给定水平截面高度c上的轮廓实体材料长度Ml(c)与评定长度ln的比值，如图4-11所示。4.2.2表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的附加参数2（2）轮廓的支承长度率Rmr(c)（曲线参数）图4-11轮廓的支承长度率Rmr(c)4.2.2表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的附加参数2（3）轮廓单元的平均线高度Rc

轮廓单元的平均线高度Rc是指在一个取样长度lr内，轮廓单元高度Zt的平均值，如图4-13所示。图4-13轮廓单元的平均线高度4.2.3表面粗糙度的选用

表面粗糙度的选用主要包括评定参数及其参数值的选择两个内容。表面粗糙度评定参数的选择1表面粗糙度参数值的选择24.2.3表面粗糙度的选用表面粗糙度评定参数的选择1

表面粗糙度评定参数的选择主要从零件的使用功能要求、检测的方便性以及仪器设备条件等因素综合考虑选择。（1）主参数（幅度参数）的选择

表面粗糙度主参数（幅度参数）的选择原则：确定表面粗糙度时在主参数（Ra、Rz）中选择一个，优先选择Ra。4.2.3表面粗糙度的选用

由于幅度参数为主要评定参数，而轮廓单元的平均宽度等为附加参数，所以大部分零件的表面都应选择幅度参数，只有少数零件的重要表面，有特殊使用要求时，才附加选择轮廓单元的平均宽度参数等附加参数。表面粗糙度评定参数的选择1（2）附加参数的选择4.2.3表面粗糙度的选用表面粗糙度参数值的选择2

选用表面粗糙度值时要遵循：在满足零件使用功能的前提条件下，尽量选用较大的表面粗糙度参数值。在实际应用中，选用表面粗糙度值时应注意符合以下原则：（1）同一零件上，工作表面粗糙度值应小于非工作表面的粗糙度值；（2）摩擦表面粗糙度值应小于非摩擦表面的粗糙度值；（3）运动速度高、单位面积压力大，以及受交变应力作用的钢制零件圆角、沟槽处，应有较小的表面粗糙度值；（4）配合性质要求高的配合表面，如小间隙配合表面、受重载荷作用的过盈配合表面，应有较小的表面粗糙度值；（5）一般尺寸精度和几何精度要求高时，表面粗糙度值应相应取小；表4-6列出了在正常工艺条件下，表面粗糙度值与尺寸公差等级及几何公差的关系；（6）要求防腐蚀、密封性能好或外观美观的表面，表面粗糙度值要求比较高；（7）已经对表面粗糙度要求作出规定的，如滚动轴承配合的轴颈和外壳孔、键槽、各级精度齿轮的主要表面等，应按照标准规定的表面粗糙度参数值选用。4.2.3表面粗糙度的选用表面粗糙度参数值的选择24.3表面粗糙度的标注

GB/T131—2006《产品几何技术规范（GPS）技术产品文件中表面结构的表示法》规定了表面粗糙度的符号、代号及其在图样上的标注方法。4.3.1表面粗糙度的符号

表面粗糙度的评定参数及其数值确定后，应按GB/T131—2006的规定，把表面粗糙度要求正确地标注在零件图上。表面粗糙度符号见表4-9所示。当零件表面仅需加工（采用去除材料的方法或不去除材料的方法），但对表面粗糙度的其它规定没有要求时，允许在图样上只注表面粗糙度符号。4.3.1表面粗糙度的符号符号1表4-9表面粗糙度符号4.3.1表面粗糙度的符号表面粗糙度完整图形符号的组成2

为了明确表面粗糙度要求，除了标注表面粗糙度的单一要求（表面粗糙度代号、数值、传输带/取样长度），必要时应标注补充要求，补充要求包括（加工工艺、表面纹理及方向、加工余量等）。（a）图形符号的书写比例（b）补充要求的注写位置图4-14表面粗糙度符号的比例及补充要求的注写位置位置a注写表面粗糙度的单一要求位置a和b注写两个或多个表面粗糙度要求位置c注写加工方法位置d注写表面纹理和方向位置e注写加工余量4.3.1表面粗糙度的符号表面粗糙度完整图形符号的组成24.3.1表面粗糙度的符号表面粗糙度完整图形符号的组成24.3.1表面粗糙度的符号表面粗糙度完整图形符号的组成2表4-11表面粗糙度完整图形符号的的标注示例4.3.1表面粗糙度的符号表面粗糙度完整图形符号的组成2表4-11表面粗糙度完整图形符号的的标注示例4.3.1表面粗糙度的符号表面纹理的标注符号3表4-12加工纹理和方向的符号

（摘自GB/T131—2006）符号示例纹理平行于标注代号的视图投影面4.3.1表面粗糙度的符号表面纹理的标注符号3表4-12加工纹理和方向的符号

（摘自GB/T131—2006）符号示例纹理垂直于标注代号的视图投影面4.3.1表面粗糙度的符号表面纹理的标注符号3表4-12加工纹理和方向的符号

（摘自GB/T131—2006）符号示例×纹理呈两相交的方向符号示例P纹理呈微粒、凸起、无方向4.3.1表面粗糙度的符号表面纹理的标注符号3表4-12加工纹理和方向的符号

（摘自GB/T131—2006）4.3.1表面粗糙度的符号表面纹理的标注符号3表4-12加工纹理和方向的符号

（摘自GB/T131—2006）符号示例M纹理呈多方向4.3.1表面粗糙度的符号表面纹理的标注符号3表4-12加工纹理和方向的符号

（摘自GB/T131—2006）符号示例c纹理呈近似同心圆4.3.1表面粗糙度的符号表面纹理的标注符号3表4-12加工纹理和方向的符号

（摘自GB/T131—2006）符号示例R纹理呈近似放射状且与表面圆心相关4.3.2表面粗糙度在图样上的标注

表面粗糙度在图样上的标注，总的原则是根据GB/T4458.4的规定，使表面粗糙度的注写和读取方向与尺寸的注写和读取方向一致。表面粗糙度代号应标注在可见轮廓线、指引线、尺寸线或其延长线上，也可标注在几何公差框格上。表面粗糙度符号的尖端从材料外指向零件表面。当零件大部分表面有相同的表面结构要求时，则其表面粗糙度要求可统一标注在图样的右下角或标题栏附近。4.3.2表面粗糙度在图样上的标注标注在轮廓线上或指引线上1

表面粗糙度要求可标注在轮廓线上，其符号应从材料外指向并接触表面，如图4-15（a）所示。

必要时，表面粗糙度符号也可用带箭头或黑点的指引线引出标注，如图4-15（b）、（c）所示。（b）标注在带黑点的指引线上

（b）标注在带箭头的指引线上4.3.2表面粗糙度在图样上的标注标注在轮廓线上或指引线上1（a）标注在轮廓线上图4-15表面粗糙度标注示例Ⅰ4.3.2表面粗糙度在图样上的标注标注在特征尺寸的尺寸线上2

在不致引起误解时，表面粗糙度要求可以标注在给定的尺寸线上，如图4-16（a）所示。（a）标注在尺寸线上（b）标注在几何公差框格的上方图4-16表面粗糙度标注示例Ⅱ4.3.2表面粗糙度在图样上的标注标注在几何公差的框格上3

表面粗糙度要求可标注在几何公差框格的上方，如图4-16（b）所示。标注在圆柱和棱柱表面上4

圆柱和棱柱表面的表面粗糙度要求只标注一次。如果每个棱柱表面有不同的表面粗糙度要求时，则应分别单独标注，如图4-17所示。图4-17表面粗糙度标注示例Ⅲ

表面粗糙度要求可以直接标注在轮廓线的延长线上，或用带箭头的指引线引出标注，如图4-18所示。4.3.2表面粗糙度在图样上的标注标注在延长线上5（a）标注在延长线上（b）标注在带箭头的指引线上图4-18表面粗糙度标注示例Ⅳ4.3.3表面粗糙度的简化标注有相同表面粗糙度要求的简化标注1

如果在工件的多数（或全部）表面有相同的表面粗糙度要求时，则其表面粗糙度要求可统一标注在图样的右下角或标题栏附近。此时（除全部表面有相同要求的情况外），表面粗糙度要求的符号后面应有（1）或（2）的内容。其中，（1）在圆括号内给出无任何其它标注的基本符号，如图4-19（a）所示；（2）在圆括号内给出不同的表面粗糙度要求，如图4-19（b）所示。其它不同的表面粗糙度要求应直接标注在图形中。4.3.3表面粗糙度的简化标注有相同表面粗糙度要求的简化标注1（a）

（b）图4-19表面粗糙度要求的简化标注Ⅰ4.3.3表面粗糙度的简化标注多个表面有共同要求的表面粗糙度简化标注2

当多个表面有共同要求的表面粗糙度，并且图样空间有限时，用带字母的完整符号的简化标注法，如图4-20所示。图4-20表面粗糙度要求的简化标注Ⅱ4.3.3表面粗糙度的简化标注只用表面粗糙度符号的简化标注3

有时对工件未指定工艺方法，且零件有多个表面有相同的表面粗糙度要求时，可采用图4-21（a）的标注方法；若零件表面要求去除材料，且多个表面有相同的表面粗糙度要求时，可采用图4-21（b）的标注方法；若零件表面不允许去除材料，且多个表面有相同的表面粗糙度要求时，可采用图4-21（c）的标注方法。（a）

（b）

（c）图4-21表面粗糙度要求的简化标注Ⅲ4.3.4多种工艺获得的同一表面的表面粗糙度标注法

由两种或两种以上的不同工艺方法获得的同一表面，当需要明确每种工艺方法的表面粗糙度要求时，可按图4-22的方法标注。图4-22多种工艺获得的同一表面的表面粗糙度标注法4.3.5表面粗糙度图形符号标注的演变表4-13表面粗糙度图形符号标注的演变4.4表面粗糙度的检测方法4.4.1比较法检测原理1

比较法是指用已知其幅度参数值的表面粗糙度比较样块（如图4-23所示），与被测实际表面相比较，通过人的视觉、触觉等，靠感觉来判断表面粗糙度的情况，亦可借助于放大镜、显微镜来判断被测表面粗糙度的一种检测方法。这种方法不够准确，经验因素较大，只能对表面粗糙度参数值较大的情况给个大概范围的判断。4.4.1比较法检测方法2

将比较样块与零件靠近在一起，以比较样块工作面上的表面粗糙度为标准，观察、比较被测零件表面是否达到相应比较样块的表面粗糙度，从而判断被测零件表面的粗糙度是否符合规定。这种方法不能得出具体的表面粗糙度数值，只能检测被测表面的粗糙度是否合格。图4-23表面粗糙度比较样块（a）视觉法（b）触觉法图4-24比较法检测表面粗糙度4.4.2光切法检测原理1

光切法是利用光切原理来测量表面粗糙度的方法，适用于测量Rz值，测量范围一般为0.5~60μm。在实验室中用光切显微镜（图4-25所示）或者双管显微镜就可实现测量。光切法原理示意图如图4-26所示，其中图4-26（a）表示被测表面为阶梯面，其阶梯高度为h。4.4.2光切法检测方法2

测量时，将工件放在光切显微镜的工作台上，被测表面向上放置，调节目镜角度，使得由光源发出的光线经狭缝后形成一个光带，此光带与被测表面以夹角为45°的方向A与被测表面相截，被测表面的轮廓像沿B向反射后可由显微镜中观察得到如图4-26（b）所示的图像。4.4.2光切法检测方法2图4-25光切显微镜（a）（b）图4-26光切法测量表面粗糙度原理4.4.3针描法（触针法）检测原理1

针描法又称触针法，是利用仪器的测针与被测表面相接触，并使测针沿测量表面轻滑过的测量表面粗糙度的方法。采用这种方法应用最广泛的仪器就是表面粗糙度轮廓仪，图4-27为电动轮廓仪。它的特点是显示数值直观，可测量许多形状的被测表面，测量时间小，方便快捷。4.4.3针描法（触针法）检测方法2

测量时，将触针搭在工件上，与被测表面垂直接触，利用驱动器以一定的速度拖动传感器,如图4-28所示。通过传感器转换成电信号，再经电子装置将该电信号加以放大、相敏检波和功率放大后，推动自动记录装置，直接描绘出被测表面的放大图形，按该图形进行数据处理，即可得到Ra值或Rz值。这种仪器适用于测量0.025~5μm的Ra值。4.4.3针描法（触针法）检测方法2图4-27电动轮廓仪图4-28针描法测量表面粗糙度示意图4.4.4显微干涉法检测原理1

如图4-30（a）所示，由光源发出的光线经平面镜反射向上，至半透半反分光镜后分成两束，一束向上射至被测表面返回，另一束向左射至参考镜返回。两束光线之间存在着光程差，它们会合后产生光波干涉，形成一组干涉条纹，如图4-30（b）所示。干涉条纹的弯曲程度反映了被测表面的微观特征，它与被测表面微观不平度的高度值存在着固定的比例关系，由仪器的测微装置换算可得被测表面的Rz值。