培训教材-表面粗糙度计量.doc
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1、第一章 外表粗糙度的根本概念外表粗糙度所描述的是一种形状其复杂的三维空间曲面,它对机械和仪器的性能有重要的作用,特别是对高速、高压和重载荷条件下工作的机器和高精度运动的部件作用更大。对机械零件必须进展粗糙度测量。第一节 零件外表的几何形状误差人们通常把外表几何形状的偏差分解成为粗糙度(微观的)、波纹度(中间的)和形状误差(宏观的),分别进展评定与控制。图1-1-1为某一截面轮廓上几类几何状偏差与其又叠加在一起的示例。如图1-1-1所示,假如单纯从几何形状去分析,其曲折不平的高度有时没有很大差异,主要区别在于不平度的间距不一样。各种大小不同的制作以与加工方法的差异,使三类几何形状偏差的间距值的变
2、化X围很宽,例如有的大型零件的外表波纹度和粗糙度的间距可能比小零件本身的长度还要大,因此难以提出确切的、统一的分 界值。所以要把综合为一体的外表几 图1-1-1 各类几何形状何形状偏差分成三类,是由于它们各自形成的原因以与对零件使用 偏差的示意图功能的影响都各有特点,因此从这个意义上把三者区别开来才具有实际作用,但这不能定量地用一个(间距)数值简单地将其分类。一、微观形状误差(外表粗糙度)外表粗糙度是由加工方法固有的内在作用所产生,是制件加工过程中由实际加工介质切削刀、磨料、喷等在完工外表上留下的微观不平度。例如,切削过程中的残留面积、切屑分裂时材料的 性变形、刀具对制作外表的磨擦造成的灼伤和
3、刀瘤等因素,在加工后外表上形成各种形式不平的微细加工痕迹。采用不同的工艺方法和条件便构成特定的外表微观几何结构。外表粗糙度以往曾称作外表光洁度,但这个名称有时容易和外表光泽反射能力等其他外表特性相混淆,因而目前国内外已普遍采用外表粗糙度这一名称。)。二、中间形状误差(外表波纹度)一般称为外表度,简称波度。它具有较明显的周期性的波距(见图4-1-1c中的)和波高,只是在高速切削(主要是磨削)条件下才有时呈现,是由加工系统(机床一工件一刀具)中的振动所造成的,常见于滚动轴承的套圈等零件。三、宏观形状误差简称形状误差。它产生的原因是加工机床和工夹具本身有形状和位置误差,还有加工中的力变形和热变形以与
4、较大的振动等。零件上的直线不直,平面不平,圆截面不圆,都属此类误差。 相互位置误差与宏观形状误差无论产生的原因还是对零件与机器的影响,都有许多相近之处,故合称为。形位误差。其准确度的国家标准,也是同一标准,即“形状和位置公差。形位误差影响零件的配合性质和密封性,加剧磨损,降低连接强度和接触刚度,直接影响整机的工作准确度和寿命。 三种类型的外表几何形状偏差的一般数值X围,列于表1-1-1供参考,由表可见它们是相互交织重叠的,不可能用单一的数值将其区分开。表1-1-1 三类几何形状偏差的不平度间距和高度的一般X围外表几何形状偏差的类型代号不平度间距S不平度高度形状误差几毫米至几十米至几毫米外表波纹
5、度0.5300mm0.1500外表粗糙度零点几微米至几毫米至几百微米第二节 外表粗糙度的评定基准和参数我国的外表粗糙度国家标准规定的最根本的粗糙度参数有三个,附加参数有三个,都是在1983年颁布,并于1985年开始实施的。其中与测量最密切相关的是GBl031-83外表粗糙度参数与其数值,它取代了旧的国家标准,内容与国际标准ISO 468-82根本上一样。另外两个国家标准主要是规定许多术语定义和介绍代号,以与图纸标注方法。1995年制订了国家标准GBJ 1031-95代替了GBl031-83。下面仅就与测量有关的主要内容进展介绍。 一、评定基准外表粗糙度误差的随机性很强,一般是用规定的评定参数来
6、评定和控制。规定的评定参数要先确定评定基准。图1-2-1 轮廓的二乘中线一中线制(制)中线制是以中线为基准线评定轮廓的计算制。中线有两种给出方式:1轮廓的最小二乘中线(简称中线)具有几何轮廓形状并划分轮廓的基准线,在取样长度内使轮廓上各点的轮廓偏距的平方和为最小。参见图1-2-2。中线的形状应该与被测外表的几何轮廓形状一致,如直线、圆弧线、渐开线等。按照最小二乘法原理所求得的中线的方向和位置都是唯一的,只是在轮廓曲线记录图上计算求解中线的工作量较大。2轮廓的算术平均中线具有几何轮廓形状并在取样长度内与轮廓走向一致的基准线,在取样长度内由该线划分轮廓使上下两边的面积相等。参见图1-2-2。 用算
7、术平均法给出的这条上下 图1-2-2轮廓的算术平均中线两边面积相等的中心线不是唯一的。对明显的周期轮廓,中线走向比拟确定,易于取得和最小二乘中线相近的结果。当轮廓曲线形状不规如此和轮廓走向不清晰时,能绘出一簇不同的两边面积相等的中心线,其中只有一条与最小二乘中线相重合。规定算术平均中线是为了便于用图解法近似地确定最小二乘中线的位置。在实用中,假如处理得当,对评定参数结果的影响很小。(二)包络线制(E制)用一个已定半径的球在被测外表上滚动,把这个滚球球心的运动轨迹向被测轮廓移动一个半径,便构成这条截面轮廓曲线的包络线,参见图1-2-3。以包络线为基准线,测量出包络线到实际轮廓上各点的距离,计算得
8、到各种参数,用这种方式来说事实上外表粗糙度称作包络线制。由于至今仍没有按包络线制实现直接测量的仪器,故包络线制长期未得到公认和应用。据分析,对于常用机加工方式所产生的外表,在限定条件下(主要是取样长度和滚球圆心半 径),用中线制或包络线制所测得的最大峰高只有很小的差 图1-2-3 包络线异。目前,绝大多数国家(包括我国)都是采用中线制评定外表粗糙度。(三)确定中线的方法按中线制计测外表粗糙度参数时,中线确实定可以归纳为两类情况:一类是在记录的轮廓图形上绘制中线;另一类是由测量中仪器的模拟电路或软件确定中线,并直接给出外表糊糙度参数。1在轮廓图上绘制中线如果所记录的轮廓图是未经电气滤波的原始轮廓
9、图形,如此必须按规定在取样长度的X围内绘制中线;如果轮廓图是经过高通滤波器所获得的,是已经滤了波的粗糙度轮廓图形,如此可在评定长度内确定中线。绘制的方法有两种:(1)目测方向法:对于测定,和参数,由于计算数值时并不需要预先确定中线相对于轮廓曲线的纵坐标位置,因而在选定的图形长度X围内只要目测中线的方向,使其平行于这一段轮廓的走向,以此作为横坐标轴,即可求得各参数值。(2)均分法:对于某些需要确定中线的位置才能进一步计算数值的参数,如此需采取把连续轮廓离散化的形式进展计算。如图1-2-4所示,在选定的记录图形长度内,按下式确定点和的坐标:式中:轮廓图中离散采样间隔的点数;离散采样间隔,;轮廓图的
10、水平放大率;轮廓图中各离散采样点的纵坐标值。连接点和并延长获得的一条直线即为中线。2在测量仪器中确定中线对于 用电子模拟滤波器的外表粗糙度测量 仪,中线是由仪器中的RC滤波电路直接给出。 在带微机的测量仪器中,被测轮廓已由连续的轮廓信号转换为离散的数字信息。从而可按最小二乘原理,编制相应的程序来确定中线,参图1-2-4,即: 图 1-2-4 均分法绘制中线式中,取样长度的中心。系数与角由下面两公式确定:式中:离散采样点上的轮廓纵坐标值;纵坐标个数;在选定的长度X围内的采样点数;采样间隔。 二、取样长度和评定长度(一)取样长度在评定外表粗糙度时,如果选择的取样长度不同(见图1-2-5中的,和),
11、就会 得到不同的高度数值(,和)。因此 图1-2-5 几何滤波作用的示例以中线制评定外表粗糙度各种参数的定义,都明确是在取样长度内计算的结果。而且标准中规定:当提出外表粗糙度要求时,必须同时给出粗糙度参数值和测定时的取样长度值两项根本要求。这种用几何学的方法达到滤除波纹度的手段,称作几何滤波,其作用见图1-2-5。在触针式外表轮廓仪中如此采用电气滤波的方式来实现,电滤波器的截止频率是由截止波长(亦称切除长度)导出,它与取样长度采用一样的数值。由于实际加丁外表的不平度轮廓形状千变万化,其波距和粗距都有较宽的X围,用某个单一的取样长度值作为所有加工外表的粗糙度和波纹度的界限是不可能的。一般应参照制
12、件外表的加工方式和粗糙度参数值的大小,选择符合标准系列的适宜的取样长度值。为了控制粗糙度测量结果中波纹度附加进去的成分不超过一定限度,取样长度不能太长,由此确定了它的上限。试验明确,对大多数试样来说,取样长度为波距的1/3时,所造成的波纹度被计人粗糙度的数值一般不大于波高值的10。所以在一般情况下可选定取样长度的上限(最大值)不大于1/3的波距。另一方面,又要保证在取样长度内求得的外表粗糙度数值,能充分反映外表粗糙度的特征,取样长度也不能太短。分析明确:对于较规如此的外表轮廓,取样长度假如包含五个以上的粗糙度间距,所求得的粗糙度数值将稳定在2以内;再由滤波器的传输特性来看,当截止波长至少大于五
13、倍粗距时,引起的信号衰减才会小于2;对于参数来说,取样长度内至少应含有五个峰和谷。因此,要选定取样长度的下限(最小值)应不小于五倍粗距。国家标准GBT 103l一95中给出了国际上通用的取样长度系列值(即,和)。取样长度的数值应从这个系列中选取。在国家标准中还给出对应于和参数值X围所推荐的取样长度选用值,如表1-2-1和表1-2-2所示。如按表中选用推荐的取样长度值,如此在图样上或技术文件中可以省略取样长度的标注。1-2-1 的取样长度和评定长度的选用值(0.0080.02)(0.020.1)(0.12.0)(2.010.0)(10.080.0)表1-2-2 的取样长度评定长度选用值(0.02
14、50.10)(0.100.5)(0.5010.0)(10.050.0)(50320)二评定长度在某外表的一个取样长度区段内测得的外表粗糙度参数值,可能和相邻的另一段取样长度内所测结果相近;而另一外表上相邻两段取样长度内的测量结果也许相差较大,这说明各种加工外表的粗糙度均匀性不一样。显然,如果外表粗糙度均匀性比拟好,在一个取样长度内测量,便能获得可信赖的结果;假假如外表的均匀性较差,如此必须在较长的包含几个取样长度段的X围内测量,然后取其平均值,才能代表这一外表的粗糙度特性。因此要选定一个适宜的最小外表段长度评定长度,使能获得可信的测量结果,这可通过概率统计的方法进展分析。国家标准GBT1031
15、-95推荐一般可选用五倍的取样长度,如表1-2-1和表1-2-2所示。 这和触针式轮廓仪的国家标准中规定的测量行程长度一致。通过对加工纹理比拟规如此和不规如此的外表分析的结果,按取样长度分类,建议按 表1-2-3选取评定长度。表1-2-3 评定长度的选取X围 加工外表类型取样长度评定长度车、铣、刨等较规如此外表精车、磨、精刨等加工外表研磨、精磨等不规如此外表1326617对加工外表的粗糙度均匀性较好的外表,或者对粗糙度测量准确度要求不高时,评定长度可选用所列X围的较小值。对于粗糙度均匀性甚差的外表,或者当测量准确度要求较高时,评定长度可采用所列X围的较大值。当利用光学仪器测量或用轮廓图计算外表
16、粗糙度参数值时,参照以上原如此,通常可选取较小的评定长度。三、评定外表粗糙度的参数目前通用的定量评价外表粗糙度的参数,是在一个截面轮廓上用中线为基准线进展计算的。对于这一平面坐标的轮廓图形,可以量取纵坐标得到微观不平度的高度参数,由横坐标可以测得微观不平度的间距参数,以与反映轮廓形状特征的参数。由于加工外表轮廓形状十分复杂,在不同场合下使用的制件对外表特征的控制要求具有多重性,同时还由于测量仪器的开展,特别是计算机的应用,使以往模拟电路难以处理的参数被重新考虑,因此可应用的表征参数和统计函数的数量显著地增加了。(一)有关的根本术语为了阐述各种粗糙度评定参数,将有关的根本术语列于表1-2-4。表
17、1-2-4 外表粗糙度评定的根本术语序号术 语表征符号定 义示 意 图1取样长度用于判别具有外表粗糙度特征的一段基准线长度,规定和选择这段长度是为了限制和减弱外表波度对外表粗糙度测量结果的影响,取样长度在轮廓总的走向上量取。 2评定长度或为可靠地确定外表粗糙度特性所必须的一段长度,在这个长度上确定该外表轮廓的粗糙度数值,评定长度可包含一个或几个取样长度。3轮廓偏距在测量方向上,轮廓上的点至基准线(中线)之间的距离,轮廓偏距应在测量轮廓方向上量取,如示意图所示,对实际轮廓来说,中线和评定长度内轮廓总的走向之间的夹角。是很小的,因此垂直于中线测得的轮廓偏距与垂直于轮廓总的走向所测得的轮廓偏距之差可
18、忽略不计。故对实际外表来说,可认为轮廓偏距是垂直于中线的。4轮廓峰轮廓与中线相交,连接两相邻交点向外(从材料到周围介质)的轮廓局部。序号术 语表征符号定 义示 意 图5轮廓谷轮廓与中线相交,连接两相邻交点向内(从周围介质到材料)的轮廓局部。6轮廓微观不平度的间距含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中线长度。7轮廓峰顶线在取样长度内平行于中线并通过轮廓最高点的线。8轮廓谷底线在取样长度内平行于中线并通过轮廓最低点的线9轮廓的单谷两相邻轮廓最低点之间的轮廓局部。10轮廓的单谷两相邻轮廓最高点之间的轮廓局部。11轮廓的单峰间距两相邻单峰的最高点之间的距离投影在中线上的长度。12轮廓水平截距轮廓峰顶线和平
19、行它并与轮廓相交的截线之间的距离,它可用微米或轮廓最大高度的百分数表示。 (二)各种参数的定义1与微观不平度高度特性有关的外表粗糙度参数微观不平度的高度参数一直是世界各国广泛应用的评定外表粗糙度的主要参数。常见的高度参数的定义列于表1-2-5。表1-2-5 微观不平度的高度参数序号术语表征符号定 义示 意 图1轮廓最大峰高在取样长度内从轮廓峰顶线至中线的距离。见表1-1-5序号7图2轮廓最大谷深在取样长度内从轮廓谷底线至中线的距离。3轮廓最大峰高在取样长度内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离评定长度内轮廓峰谷间的最大高度。见表1-1-5序号7图4微观不平度十点高度在取样长度内五个最大的轮廓高的平
20、均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和日本国标中定义为在取样长度内第三个最高的峰顶至第三个最深的谷底之间的距离。5微观不平度十点高度五个连续取样长度中的的平均值,在德国标准中用来等效于6轮廓算术平均偏差在取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值 或近似为7轮廓均方根偏差在取样长度内轮廓偏距的均方根值或近似为2与微观不平度间距特性有关的外表粗糙度参数微观不平度的间距参数反映了外表加工纹路的细密度。在评定微观不平度高度数值的同时附加这种参数,便构成对外表轮廓的二维控制,能更好地反映外表的特性。有关间距参数的定义列于表1-2-6。表1-2-6 微观不平度的间距参数名 称表征符号定 义 和 图 示轮廓微观不
21、平度的平均间距在取样长度内轮廓微观不平度间距的平均值轮廓的单峰平均间距在取样长度内轮廓的单峰间距的平均值轮廓峰的密度单位长度内的轮廓峰数,在取样长度内的计算式为轮廓的均匀方根波长乘以轮廓均方根偏差与轮廓均方根斜率之比 轮廓的平均波长乘以算术平均偏差与算术平均斜率之比 轮廓长度比轮廓展开长度与取样长度之比注;1)是在评定长度内所计算的轮廓峰的个数。2)和,是考虑了所有单峰和单谷的相对幅度和各自空间频率的间距尺度。计算式中的和的定义见表1-2-7序号1,2。3与微观不平度形状特性有关的外表粗糙度参数 综合反映微观不平度轮廓形状参数的定义列于表1-2-7。 表1-2-7 微观不平度的轮廓形状参数序号
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