《互换性与技术测量》-第5章

5.1表面结构的概念及标准体系5.1.1表面结构的概念机械零件的表面是指零件与周围介质隔离的边界，机械零件几何实体由几何表面封闭构成。经过机械加工过程得到的零件表面，由于加工系统等一系列不均匀性，其形成的几何特性一定为非理想几何状态。零件的表面结构（surfacetexture）反映出了零件表面的形状特征，是由实际表面的重复或偶然的偏差所形成的表面三维形貌，主要包括宏观尺度上的形状误差、微观尺度上的表面粗糙度、介于宏观微观之间的表面波纹度和表面缺陷。其中，表面缺陷是指偶然性表面结构，是在加工、储存和使用过程中，非故意或偶然生成的实际表面的单元体、不规则体或成组的单元体、不规则体。下一页返回5.1表面结构的概念及标准体系

形状误差、表面粗糙度与表面波纹度，通常由在表面轮廓截面上采用3种不同的波长（频率）范围的定义来划定（图5-1）。一般而言，波长小于1mm，大体呈周期变化的属于表面粗糙度范围；波长在1～10mm并呈周期性变化的属于表面波纹度范围；波长在10mm以上而无明显周期变化的属于表面形状误差的范围。实际零件的生产与制造，其表面形状误差、表面粗糙度及表面波纹度之间并没有确定的界限，它们通常与生成表面的加工工艺和工件的使用功能有关。从机械加工工艺系统的角度来看，形状误差产生的原因主要包括工艺系统本身所存在的几何误差及受力与受热等作用所产生的误差。上一页下一页返回5.1表面结构的概念及标准体系

表面波纹度主要是由在加工过程中加工系统的振动、发热，以及回转过程中的质量不均衡及刀具进给的不规则等原因形成的，具有较强的周期性，属于微观和宏观之间的几何误差。表面粗糙度主要是由加工过程中刀刃或磨粒在工件表面留下的痕迹、加工残留物、刀具和零件表面之间的摩擦、切屑分离时的塑性变形及工艺系统中存在的高频振动等原因所形成的，属于微观几何误差。表面粗糙度对零件的使用性能有着重要的影响，尤其对在高温、高速、高压条件下的机器（仪器）零件影响更大。它主要影响零件的摩擦与磨损、配合质量、抗疲劳强度、表面耐蚀性和密封性能等。上一页下一页返回5.1表面结构的概念及标准体系

此外，表面粗糙度还对零部件的结合密封性、机器的接触刚度、机械振动、光学性能及测量精度产生显著的影响。综上可知，零件的表面结构对于机器及零件使用功能的影响是多方面的，不同的表面结构特征对零件的不同使用功能及零件的配合都具有不同的影响。因此，零件设计过程中在保证尺寸、形状和位置等几何精度的同时，对表面粗糙度做出规范性的要求是十分必要的。5.1.2标准体系上一页下一页返回5.1表面结构的概念及标准体系

我国陆续颁布了一系列的表面粗糙度国家标准并不断修订，其中一些旧标准主要包括：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、代号及注法》、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/T7220—1987《表面粗糙度术语参数测量》。截至目前的现行国家标准主要包括：GB/T1031—2009《产品几何及其数值》、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》、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/T7220—2004《产品几何技术规范（GPS）表面结构轮廓法表面粗糙度术语参数测量》。上一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择5.2.1术语及定义国家标准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》规定了用轮廓法评定表面结构的术语及定义，本节依据该标准阐述表面轮廓结构及部分术语和定义。1．一般术语1）轮廓滤波器表面结构按照轮廓的波长可以划分为原始轮廓、粗糙度轮廓、波纹度轮廓3种轮廓。划分3种轮廓的基础是波长，每种轮廓定义在一定的波长范围内，这个波长范围称为该轮廓的传输带；传输带用截止短波波长值和截止长波波长值表示，如0.0025～0.8（单位为mm）。下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

在实际表面上测得粗糙度、波纹度和原始轮廓度参数数值时用的仪器为轮廓滤波器（profilefilter）。轮廓滤波器把轮廓分成长波成分和短波成分的滤波器。在测量粗糙度、波纹度和原始轮廓度的仪器中，通常使用3种滤波器，主要为λs轮廓滤波器、λc轮廓滤波器和λf轮廓滤波器，如图5-2所示。它们都具有规定的相同的传输特性，但截止波长不同。其中，λs轮廓滤波器是确定存在于表面上的粗糙度与比它更短的波的成分之间相交界限的滤波器；λc轮廓滤波器是确定粗糙度与波纹度成分之间相交界限的滤波器；而λf轮廓滤波器是确定存在于表面上的波纹度与比它更长的波的成分之间相交界限的滤波器。上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

原始轮廓：是对实际轮廓应用短波长滤波器λs之后的总的轮廓。粗糙度轮廓：是对原始轮廓应用λc轮廓滤波器抑制长波成分以后形成的轮廓。波纹度轮廓：是对原始轮廓应用λf和λc以后形成的轮廓，λf轮廓滤波器抑制长波成分，λc轮廓滤波器抑制短波成分。2）坐标系坐标系（coordinatesystem）是定义表面结构参数的坐标系。通常采用一个直角坐标系，其轴线形成一个笛卡儿坐标系，X轴与中线方向一致，Y轴也处于实际表面中，而Z轴则在从材料到周围介质的外延方向上。上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

3）实际表面实际表面（realsurface）是指物体与周围介质分离的表面。4）表面轮廓表面轮廓（surfaceprofile）是指一个指定平面与实际表面相交所得的轮廓。注：实际上，通常采用一条名义上与实际表面平行，并在一个适当方向上的法线来选择一个平面。5）原始轮廓原始轮廓（primaryprofile）是指通过λs轮廓滤波器后的总轮廓。原始轮廓是评定原始轮廓参数的基础。上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

6）粗糙度轮廓粗糙度轮廓（roughnessprofile）是对原始轮廓采用λc轮廓滤波器抑制长波成分以后形成的轮廓，是经过人为修正的轮廓。粗糙度轮廓的传输频带是由λs和λc轮廓滤波器来限定的。此外，粗糙度轮廓是评定粗糙度轮廓参数的基础。7）波纹度轮廓波纹度轮廓（wavinessprofile）是对原始轮廓应用λf和λc两个轮廓滤波器以后形成的轮廓，采用λf轮廓滤波器抑制长波成分，而采用λc轮廓滤波器抑制短波成分，这是经过人为修正的轮廓。值得注意的是，在用λf轮廓滤波器以前，应首先用最小二乘法的最佳拟合从总轮廓中提取标称的形状，并将形状从总轮廓中去除。上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

8）中线中线（meanline）是指具有几何轮廓形状并划分轮廓的基准线型。中线主要分为粗糙度轮廓中线（meanlinefortheroughnessprofile）、波纹度轮廓中线（meanlineforthewavinessprofile）和原始轮廓中线（meanlinefortheprimaryprofile）。粗糙度轮廓中线是指用λc轮廓滤波器所抑制的长波轮廓成分对应的中线。波纹度轮廓中线是指用λf轮廓滤波器所抑制的长波轮廓成分对应的中线。原始轮廓中线是指在原始轮廓上按照标称形状使用最小二乘法拟合确定的中线。上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

9）取样长度（lp、lx、lw）取样长度（samplinglength）是指在X轴方向判别被评定不规则特征的长度。评定粗糙度和波纹度轮廓的取样长度lr和lw在数值上分别与λf和λc轮廓滤波器截止波长相等。原始轮廓的取样长度lp等于评定长度。10）评定长度评定长度（evaluationlength）是指用于评定被评定轮廓X轴方向上的长度。注：评定长度包含一个或几个取样长度。上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

5.2.2表面轮廓参数定义1．幅度参数（峰和谷）1）最大轮廓峰高（Pp、Rp、Wp）最大轮廓峰高（maximumprofilepeakheight）是指在一个取样长度内，最大的轮廓峰高Zp（图5-7）。2）最大轮廓谷深（Pv、Rv、Wv）最大轮廓谷深（maximumprofilevalleydepth）是指在一个取样长度内，最大的轮廓谷深Zv（图5-8）。上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

3）轮廓最大高度（Pz、Rz、Wz）轮廓最大高度（maximumheightofprofile）是指在一个取样长度内，最大轮廓峰高与最大轮廓谷深之和（图5-9）。4）轮廓单元的平均高度（Pc、Rc、Wc）轮廓单元的平均高度（meanheightofprofileelements）是指在一个取样长度内轮廓单元高度Zt的平均值，如图5-10所示。在计算参数Pc、Rc、Wc时，需要判断轮廓单元的高度和间距。若无特殊规定，默认的高度分辨力应分别按Pz、Rz、Wz的10%选取。默认的间距分辨力应按取样长度的1%选取。上述两个条件都应满足。轮廓单元平均高度的计算式为上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

Pc、Wc可采用和Rc同样的方法定义。5）轮廓总高度（Pt、Rt、Wt）轮廓总高度（totalheightofprofile）是指在评定长度内最大轮廓峰高与最大轮廓谷深之和。由于Pt、Rt、Wt是在评定长度上而不是在取样长度上定义的，因此以下关系对任何轮廓都成立：Pt≥Pz；Rt≥Rz；Wt≥Wz在未规定的情况下，Pz和Pt是相等的，此时建议采用Pt幅值参数（纵坐标平均值）。2．幅度参数（纵坐标平均值）上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

1）评定轮廓的算术平均偏差（Pq、Rq、Wq）评定轮廓的算术平均偏差（arithmeticalmeandeviationoftheassessedprofile）是指在一个取样长度内纵坐标值Z(x)绝对值的算术平均值，即Pa、Wa可采用和Ra同样的方法定义。2）评定轮廓的均方根偏差（Pq、Rq、Wq）评定轮廓的均方根偏差（rootmeansquareslopeoftheassessedprofile）是指在一个取样长度内纵坐标值Z(x)绝对值的均方根值，即上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

Pa、Wa可采用和Ra同样的方法定义。2）评定轮廓的均方根偏差（Pq、Rq、Wq）评定轮廓的均方根偏差（rootmeansquareslopeoftheassessedprofile）是指在一个取样长度内纵坐标值Z(x)绝对值的均方根值，即Pq、Wq可采用和Rq同样的方法定义。上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

3）评定轮廓的偏斜度（Psk、Rsk、Wsk）评定轮廓的偏斜度（skewnessofassessedprofile）是指在一个取样长度内纵坐标值Z(x)三次方的平均值分别与Pq、Rq和Wq的三次方的比值，即Psk和Wsk可采用和Rsk同样的方法定义。Psk、Rsk、Wsk是纵坐标值概率密度函数的不对称性的测定，这些参数受独立的谷的影响很大。上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

4）评定轮廓的陡度（Pku、Rku、Wku）评定轮廓的陡度（kurtosisoftheassessedprofile）是指在取样长度内纵坐标Z(x)四次方的平均值分别与Pq、Rq和Wq的四次方的比值，即Pku与Wku可采用和Rku同样的方法定义，Pku、Rku和Wku是纵坐标值概率密度函数锐度的测定。上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

3．间距参数1）轮廓单元的平均宽度（Psm、Rsm、Wsm）轮廓单元的平均宽度（meanwidthoftheprofileelements）是指在一个取样长度内轮廓单元宽度Xs的平均值（图5-11），即Psm、Wsm可采用和Rsm同样的方法定义。上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

4．混合参数评定轮廓的均方根斜率（P.q、R.q、W.q）。评定轮廓的均方根斜率（rootmeansquareslopeoftheassessedprofile）是指在取样长度内纵坐标斜率dZ/dX的均方根值。5．曲线和相关参数1）轮廓支承长度率（Pmr(c)、Rmr(c)、Wmr(c)）轮廓支承长度率（materialratiooftheprofile）是指在给定水平截面高度c上轮廓的实体材料长度Ml(c)与评定长度的比率，即Pmr(c)、Wmr(c)可采用和Rmr(c)同样的方法定义。上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

2）轮廓支承长度率曲线轮廓支承长度率曲线（materialratiocurveoftheprofile（abbottfirestonecurve））是用来表示轮廓支承率随水平截面高度c变化关系的曲线（图5-12）。这个曲线可理解为在一个评定长度内，各个坐标值Z(x)采集累积的分布概率函数。3）轮廓水平截面高度差（Pδc、Rδc、Wδc）轮廓水平截面高度差（profilesectionheightdifference）是指给定支承率的两个水平截面之间的垂直距离，即Pδc、Wδc可采用和Rδc同样的方法定义。上一页下一页返回5.2表面结构参数及其数值的选择

4）相对支承长度率（Pmr、Rmr、Wmr）相对支承长度率（relativematerialratio）是指在一个轮廓水平截面Rδc确定的，与起始零位c0相关的支承长度率（图5-13）。式中，Pmr、Wmr可采用和Rmr同样的方法定义。5）轮廓幅度分布曲线轮廓幅度分布曲线（profileheightamplitudecurve）是指在评定长度内纵坐标Z(x)采样的概率密度函数（图5-14）。上一页返回5.3表面结构参数的测定国家标准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》已经取代了GB/T1031—1995，在原标准的基础上增加了标准前言，标准名称增加了引导要素“产品几何技术规范（GPS）”。根据GB/T3505—2009中对表面粗糙度参数和定义的规定，将原标准中的“轮廓最大高度”参数代号“Ry”改为“Rz”；将原标准中的“轮廓单元的平均宽度”参数代号“Sm”改为“Rsm”。根据GB/T3505—2009中对取样长度代号的规定，将原标准中的取样长度代号“l”改为“lr”。合理选取表面粗糙度参数值，对合理化零件的工作性能和加工成本具有重要的意义。下一页返回5.3表面结构参数的测定

5.3.1表面粗糙度的选择零件的表面粗糙度不仅仅对其使用性能的影响是多方面的，也关系到产品质量和生产成本。因此，在选择表面粗糙度参数值时，首先需要考虑满足零件使用功能的要求，其次要考虑工艺条件和经济条件。具体说来，需要遵循在满足功能要求的前提下，尽可能选用较大的表面粗糙度参数值，以便于加工和降低生产成本，获得最大的经济效益。在确定零件表面粗糙度参数值时，除特殊规定外，一般采用类比法选择。具体可以参照以下原则进行选用：上一页下一页返回5.3表面结构参数的测定

（1）在设计表面粗糙度参数值时，同一零件上的工作表面、配合表面的参数值要小于非工作表面和非配合表面的参数值。对于有摩擦的表面，摩擦表面应比非摩擦表面的粗糙度参数值小，滚动摩擦表面应比滑动摩擦表面的粗糙度参数值小。（2）表面承受重载荷及交变载荷的零件、容易引起应力集中的表面，其粗糙度参数值应选小些。（3）精度要求较高的结合面、尺寸公差和几何公差精度要求高的表面，其粗糙度参数值应选小些。对于配合性质要求稳定的小间隙配合和承受重载荷的过盈配合，相关的孔与轴的表面粗糙度参数值应较小。（4）要求耐腐蚀的表面、密封性要求高的表面、外观要求美观的表面等，其表面粗糙度参数值应选小些。上一页下一页返回5.3表面结构参数的测定

（5）凡是标准已经对表面粗糙度参数值要求做出规定的，如量规、齿轮、与滚动轴承相配合的轴颈等表面，应该按照相应的标准确定表面粗糙度参数值。表5-1和表5-2中给出了常用表面粗糙度推荐值及加工方法与应用举例，可以参考选用。5.3.2表面粗糙度的标注1．表面粗糙度符号和代号表面粗糙度的符号和意义见表5-3（参考GB/T131—2006）：上一页下一页返回5.3表面结构参数的测定

2．表面粗糙度的标注表面粗糙度数值及其规定符号在书写中的规定位置如图5-15所示。其中，a1、a2——表面粗糙度高度参数的代号及其数值（.m），一般只给出表面粗糙度的上限值。对于参数Ra直接标注数值，无须标注代号（代号Ra可省略）；对于参数Rz，应在参数前标注代号“Rz”。b——加工方法、镀涂、涂覆、表面处理及其他说明等。c——取样长度（mm，若按表选用的取样长度，可省略不标注）。d——加工纹理方向符号。e——加工余量（mm）。f——表面粗糙度宽度参数值（mm）或轮廓的支承长度率。上一页下一页返回5.3表面结构参数的测定

4．表面粗糙度轮廓代号在零件图上标注的规定和方法1）一般规定对零件任何一个表面的粗糙度轮廓技术要求一般只标注一次，并且用表面粗糙度轮廓代号（在周围注写了技术要求的完整图形符号）尽可能标注在注写了相应尺寸及极限偏差的同一视图上。除非另有说明，所标注的表面粗糙度轮廓技术要求是对完工零件表面的要求。此外，粗糙度代号上的各种符号和数字的注写和读取方向应与尺寸的注写和读取方向一致，并且粗糙度代号的尖端必须从材料外指向并接触零件表面。为了使图例简单，下述各个图例中的粗糙度代号上都只标注了幅度参数符号及上限值，其余的技术要求皆采用默认的标准化值。上一页下一页返回5.3表面结构参数的测定

2）常规标注方法（1）表面粗糙度轮廓代号可以标注在可见轮廓线或其延长线、尺寸界线上，可以用带箭头的指引线或带黑端点（它位于可见表面上）的指引线引出标注。图5-25为粗糙度代号标注在可见轮廓线或其延长线、尺寸界线和带箭头的指引线上。图5-26为粗糙度代号标注在轮廓线、轮廓线的延长线和带箭头的指引线上。图5-27为粗糙度代号标注在带黑端点的指引线上。（2）在不引起误解的前提下，表面粗糙度轮廓代号可以标注在特征尺寸的尺寸线上。例如，图5-28所示粗糙度代号标注在孔、轴的直径定形尺寸的尺寸线上和键槽的宽度定形尺寸的尺寸线上。上一页下一页返回5.3表面结构参数的测定

（3）粗糙度符号可以标注在几何公差框架的上方，如图5-29所示。3）简化标注的规定方法（1）当零件的某些表面（或多数表面）具有相同的表面粗糙度轮廓技术要求时，对这些表面的技术要求可以统一标注在零件图的标题栏附近，省略对这些表面进行分别标注。采用这种简化标注法时，除了需要标注相关表面统一技术要求的表面粗糙度代号以外，还需要在其右侧画一个圆括号，在此括号内标出一个图5-30所示的基本图形符号。标注示例见图5-30的右下角标注（它表示除了两个已标注粗糙度的表面以外的其余表面的粗糙度要求）和图5-33的标注。上一页下一页返回5.3表面结构参数的测定

（2）当零件的几个表面具有相同的粗糙度轮廓技术要求或粗糙度代号直接标注在零件某表面上受到空间限制时，可以用基本图形符号或只带一个字母的完整图形符号标注在零件的这些表面上，而在图形或标题栏附