表面粗度

表面粗度(surface roughness)是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度。其兩波峰或兩波谷之間的距離（波距）很小（在1mm以下），它屬於微觀幾何形狀誤差。表面粗糙度越小，則表面越光滑。

基本介紹

• 中文名：表面粗度
• 外文名：surface roughness
• 特點：肉眼是難以區別
• 相關參數：Ra，Ry，Rz，Sm，Rmax，Rt，tp
• 套用：粗糙度測量
• 屬性：微觀幾何形狀誤差

歷史

為研究表面粗糙度對零件性能的影響和度量表面微觀不平度的需要，從20年代末到30年代，德國、美國和英國等國的一些專家設計製作了輪廓記錄儀、輪廓儀，同時也產生出了光切式顯微鏡和干涉顯微鏡等用 光學方法來測量表面微觀不平度的儀器，給從數值上定量評定表面粗糙度創造了條件。從30年代起，已對表面粗糙度定量評定參數進行了研究，如美國Abbott就提出了用距表面輪廓峰頂的深度和支承長度率曲線來表征表面粗糙度。1936年出版了Schmaltz論述表面粗糙度的專著，對表面粗糙度的評定參數和數值的標準化提出了建議。

但粗糙度評定參數及其數值的使用，真正成為一個被廣泛接受的標準還是從40年代各國相應的國家標準發布以後開始的。首先是美國在1940年發布了ASA B46.1國家標準，之後又經過幾次修訂，成為現行標準ANSI/ASME B46. 1-1988《表面結構表面粗糙度、表面波紋度和加工紋理》，該標準採用中線制，並將Ra作為主參數；接著前蘇聯在1945年發布了GOCT2789-1945《表面光潔度、表面微觀幾何形狀、分級和表示法》國家標準，而後經過了3 次修訂成為GOCT2789-1973《表面粗糙度參數和特徵》，該標準也採用中線制，並規定了包括輪廓均方根偏差 即現在的Rq)在內的6個評定參數及其相應的參數值。另外，其它工業已開發國家的標準大多是在50年代制定的， 如聯邦德國在1952年2月發布了DIN4760和DIN4762有關表面粗糙度的評定參數和術語等方面的標準等。

評定參數

高度特徵參數

• 輪廓算術平均偏差Ra：在取樣長度（lr）內輪廓偏距絕對值的算術平均值。在實際測量中，測量點的數目越多，Ra越準確。
• 輪廓最大高度Rz：輪廓峰頂線和谷底線之間的距離。

在幅度參數常用範圍內優先選用Ra。在2006年以前國家標準中還有一個評定參數為“微觀不平度十點高度”用Rz表示，輪廓最大高度用Ry表示，在2006年以後國家標準中取消了微觀不平度十點高度，採用Rz表示輪廓最大高度。

間距特徵參數

用輪廓單元的平均寬度 Rsm表示。在取樣長度內，輪廓微觀不平度間距的平均值。微觀不平度間距是指輪廓峰和相鄰的輪廓谷在中線上的一段長度。

形狀特徵參數

用輪廓支承長度率Rmr(c)表示，是輪廓支撐長度與取樣長度的比值。輪廓支承長度是取樣長度內，平行於中線且與輪廓峰頂線相距為c的直線與輪廓相截所得到的各段截線長度之和。

評定依據

取樣長度

取樣長度lr是評定表面粗糙度所規定一段基準線長度。取樣長度應根據零件實際表面的形成情況及紋理特徵，選取能反映表面粗糙度特徵的那一段長度，量取取樣長度時應根據實際表面輪廓的總的走向進行。規定和選擇取樣長度是為了限制和減弱表面波紋度和形狀誤差對表面粗糙度的測量結果的影響。

評定長度

評定長度ln是評定輪廓所必須的一段長度，它可包括一個或幾個取樣長度。由於零件表面各部分的表面粗糙度不一定很均勻，在一個取樣長度上往往不能合理地反映某一表面粗糙度特徵，故需在表面上取幾個取樣長度來評定表面粗糙度。評定長度ln一般包含5個取樣長度lr。

基準線

基準線是用以評定表面粗糙度參數的輪廓中線。基準線有下列兩種：

• 輪廓的最小二乘中線：在取樣長度內，輪廓線上各點的輪廓偏距的平方和為最小，具有幾何輪廓形狀。
• 輪廓的算術平均中線：在取樣長度內，中線上下兩邊輪廓的面積相等。

理論上最小二乘中線是理想的基準線，但在實際套用中很難獲得，因此一般用輪廓的算術平均中線代替，且測量時可用一根位置近似的直線代替。

測量方法

比較法

比較法測量簡便，使用於車間現場測量，常用於中等或較粗糙表面的測量。方法是將被測量表面與標有一定數值的粗糙度樣板比較來確定被測表面粗糙度數值的方法。 比較時可以採用的方法: Ra > 1.6μm 時用目測，Ra1.6~Ra0.4μm 時用放大鏡，Ra < 0.4μm 時用比較顯微鏡。

比較時要求樣板的加工方法，加工紋理，加工方向，材料與被測零件表面相同。

觸針法

利用針尖曲率半徑為2微米左右的金剛石觸針沿被測表面緩慢滑行，金剛石觸針的上下位移量由電學式長度感測器轉換為電信號，經放大、濾波、計算後由顯示儀表指示出表面粗糙度數值，也可用記錄器記錄被測截面輪廓曲線。一般將僅能顯示表面粗糙度數值的測量工具稱為表面粗糙度測量儀，同時能記錄表面輪廓曲線的稱為表面粗糙度輪廓儀。這兩種測量工具都有電子計算電路或電子計算機，它能自動計算出輪廓算術平均偏差Ra，微觀不平度十點高度Rz，輪廓最大高度Ry和其他多種評定參數，測量效率高，適用於測量Ra為0.025～6.3微米的表面粗糙度。

光切法

雙管顯微鏡測量表面粗糙度，可用作Ry與Rz參數評定，測量範圍0.5~50。

干涉法

利用光波干涉原理 (見平晶、雷射測長技術)將被測表面的形狀誤差以干涉條紋圖形顯示出來，並利用放大倍數高 （可達500倍）的顯微鏡將這些干涉條紋的微觀部分放大後進行測量，以得出被測表面粗糙度。套用此法的表面粗糙度測量工具稱為干涉顯微鏡。這種方法適用於測量Rz和Ry為 0.025～0.8微米的表面粗糙度。

影響因素

表面粗度對零件的影響主要表現在以下幾個方面：

1、影響耐磨性。表面越粗糙，配合表面間的有效接觸面積越小，壓強越大，摩擦阻力越大，磨損就越快。

2、影響配合的穩定性。對間隙配合來說，表面越粗糙，就越易磨損，使工作過程中間隙逐漸增大；對過盈配合來說，由於裝配時將微觀凸峰擠平，減小了實際有效過盈，降低了連線強度。

3、影響疲勞強度。粗糙零件的表面存在較大的波谷，它們像尖角缺口和裂紋一樣，對應力集中很敏感，從而影響零件的疲勞強度。

4、影響耐腐蝕性。粗糙的零件表面，易使腐蝕性氣體或液體通過表面的微觀凹谷滲入到金屬內層，造成表面腐蝕。

5、影響密封性。粗糙的表面之間無法嚴密地貼合，氣體或液體通過接觸面間的縫隙滲漏。

6、影響接觸剛度。接觸剛度是零件結合面在外力作用下，抵抗接觸變形的能力。機器的剛度在很大程度上取決於各零件之間的接觸剛度。

7、影響測量精度。零件被測表面和測量工具測量面的表面粗糙度都會直接影響測量的精度，尤其是在精密測量時。

此外，表面粗糙度對零件的鍍塗層、導熱性和接觸電阻、反射能力和輻射性能、液體和氣體流動的阻力、導體表面電流的流通等都會有不同程度的影響。