零件表面粗糙度的设计选择

来源:用户上传      作者: 萧时诚

　　摘要： 本文分析了表面粗糙度对机械零件使用性能的影响，阐述了零件表面粗糙度的设计选择方法，探讨了表面粗糙度参数值与公差等级的对应关系和轮廓的算术平均偏差Ra的快速标注，供设计时参考。
　　关键词： 零件 表面粗糙度 选择
　　
　　1.表面粗糙度的定义与评定
　　
　　表面粗糙度是指零件被加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。由于机械加工过程中刀具和零件表面间的摩擦、切屑分离时表面金属的塑性变形以及工艺系统的高频振动等原因，会使被加工零件的表面存在一定的微观几何形状误差。国家标准GB/T3505-2000规定了用轮廓法确定表面结构的术语和定义，根据波距的大小，可以划分三种不同的表面结构误差形态，即波距大于10mm、无周期性变化的为形状误差，波距在1-10mm之间、呈周期性变化的为表面波纹度误差，波距小于1mm、呈周期性变化的为表面粗糙度误差。或用一定的波距与波高之比来划分三类表面结构误差，即比值大于1000为形状误差，比值介于40-1000之间为表面波纹度误差，比值小于40为表面粗糙度误差。同时，形状误差、表面波纹度和粗糙度的概念也会受到工件尺寸大小的影响，大型零件的波纹度常常大于微小工件的整体尺寸，自然也大于微小工件的形状误差。在表面结构的三类参数中，表面粗糙度更多地被用于表征零件的表面质量。
　　由于加工表面的不均匀性，在评定表面粗糙度时，需要规定取样长度和评定长度等技术参数，以限制和减弱表面波纹度对表面粗糙度测量结果的影响。为了满足对零件表面不同的功能要求，国家标准GB/T3505-2000根据表面微观几何形状幅度、间距和形状等三个方面的特征，规定了相应的评定参数，即幅度参数（高度参数）、间距参数和混合参数（形状参数）。其中幅度参数包括：①评定轮廓的算术平均偏差Ra。即在取样长度内，轮廓偏距绝对值的算术平均值，Ra能客观反映表面微观几何形状误差，测得的Ra值越大，则表面越粗糙。②轮廓最大高度Rz。即在取样长度内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离，它在评定某些不允许出现较大的加工痕迹的零件表面时有实用意义。幅度参数（Ra、Rz）是标准规定必须标注的参数，又称基本参数，本文主要讨论基本参数Ra对于零件使用性能的影响，Ra的设计选择和快速标注。
　　
　　2.表面粗糙度对零件使用性能的影响
　　
　　机械零件的破坏，一般总是从表面层开始的。产品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取决于零件表面层的质量［１］。表面粗糙度对机械零件使用性能及其寿命影响较大，尤其对在高温、高速和高压条件下工作的机械零件影响更大［２］，其影响主要表现在以下几个方面：
　　2.1对耐磨性的影响
　　具有表面粗糙度的两个零件，当它们接触并产生相对运动时，最初只是一些峰顶间的接触，实际接触面积远小于理论接触面积，单位面积压力增大，使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏，引起严重磨损，缩短使用寿命。零件实际表面越粗糙，摩擦阻力就越大，两个相互运动的表面磨损就越快，传动效率越低。一般来说表面粗糙度值愈小，其耐磨性愈好。但零件表面越光滑，磨损量不一定越小。因为零件的耐磨性除受表面粗糙度影响外，还与磨损下来的金属微粒的刻划以及润滑油被挤出和分子间的吸附作用等因素有关。如果表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。因此，接触面的粗糙度有一个最佳值，其值与零件的工作情况有关，工作载荷加大时，初期磨损量增大，表面粗糙度最佳值也应加大。
　　2.2对配合性质的影响
　　表面粗糙度会影响到机械工作精度，粗糙的表面单位面积压力大，配合面变形也大，机械刚度降低，影响工作精度。对间隙配合，会因表面微观不平度的峰尖在工作过程中很快磨损而使间隙增大，会改变配合性质，降低机械的精密度，对过盈配合，粗糙表面轮廓的峰尖在装配时被挤平，实际有效过盈减小，致使连接强度降低。因此，表面粗糙度影响配合性质的可靠性和稳定性。
　　2.3对抗疲劳强度的影响
　　金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面和表面冷硬层下面，因此零件的表面粗糙度对疲劳强度影响很大。零件表面越粗糙，表面凹痕越深，波谷的曲率半径也越小，对应力集中越敏感，应力集中就会越严重。零件在交变应力的作用下，产生疲劳裂纹，零件疲劳损坏的可能性就越大，疲劳强度就越低。
　　2.4对接触刚度的影响
　　两表面接触时，实际接触面仅为理想接触面积的一部分。零件表面越粗糙，表面间的实际接触面积就越小，单位面积压力就越大，这就会使峰顶的局部塑性变形加剧，接触刚度降低，影响零件的工作精度和抗振性。
　　2.5对抗腐蚀性的影响
　　零件的耐腐蚀性能在很大程度上取决于表面粗糙度，表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多，并渗入到金属内部，致使腐蚀加剧，造成表面锈蚀，抗蚀性就愈差。
　　此外，表面粗糙度还对零件结合面的密封性、流体流动的阻力、机器和仪器的外观质量及测量精度等都有很大影响。为提高产品质量，保证机械零件的使用性能，设计时必须合理选择零件表面粗糙度参数值。
　　
　　3.零件表面粗糙度的设计选择
　　
　　机械零件表面粗糙度是检验零件表面质量的主要依据。在机械产品设计中，表面粗糙度参数值的选择，是根据零件在机器中的作用决定的，它选择的合理与否，直接关系到产品的质量、使用寿命和生产成本。常用的零件表面粗糙度选择方法有计算法、试验法和类比法三种，其中应用最普遍的是类比法。
　　表面粗糙度的评定参数值已经标准化，设计时应优先选择Ra数值为：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，常用的参数值范围Ra为0.025-6.3um，Rz为0.10-25um，标准推荐优先选用Ra参数。一般选择的原则有以下几个方面：
　　①在满足功能要求的情况下，尽量选用较大的表面粗糙度参数值。②同一零件上，工作表面的Ra值比非工作表面小。③摩擦表面的Ra值比非摩擦表面小。④运动速度高、单位面积压力大的表面以及受交变应力作用的重要零件的圆角沟槽的表面Ra值要小。⑤配合性质越稳定，其配合的表面Ra值应越小；配合性质相同时，小尺寸结合面的Ra值应比大尺寸结合面小；同一公差等级时，轴的Ra值应比孔的小。⑥表面粗糙度参数值应与尺寸公差及形位公差协调，尺寸公差值和形位公差值越小的表面，Ra值应越小。⑦要求防腐蚀、密封性能好或外表美观的表面粗糙度值应较小。⑧凡有关标准已对表面粗糙度要求作出规定（如与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），则应按该标准确定的表面粗糙度参数值［２］。
　　在通常情况下，选用表面粗糙度参数值必须与公差等级相适应，即零件尺寸公差要求越小，零件的表面粗糙度值也越小，但是它们之间又不存在固定的函数关系，如一些机器、仪器上的手柄、手轮，以及卫生设备、食品机械上的某些机械零件的修饰表面，它们的表面加工要求很光滑，表面粗糙度要求高，但其尺寸公差要求却很低［３］。一般情况下，公差等级与表面粗糙度数值之间有一定的对应关系。设表面形状公差值为T，尺寸公差值为IT，可参照以下对应关系：若T≈0.6IT，则Ra≤0.05IT；若T≈0.4IT，则Ra≤0.025IT；若T≈0.25IT，则Ra≤0.012IT。

　　在实际工作中，对于不同类型的机器，其零件在相同尺寸公差的条件下，对表面粗糙度的要求是有差别的，这就是配合的稳定性问题。在机械零件的设计和制造过程中，对于不同类型的机器，其零件的配合稳定性和互换性的要求是不同的。在现有的机械零件设计手册中，反映的主要有以下三种类型：①精密机械，对配合的稳定性要求很高，如精密仪器、仪表、精密量具的表面、极重要零件的摩擦面，如汽缸的内表面、精密机床的主轴颈、坐标镗床的主轴颈等，表面粗糙度Ra≤0.1um。②普通的精密机械，对配合的稳定性要求较高，要求有很好密合的接触面，如机床、工具、与滚动轴承配合的表面、锥销孔，还有相对运动速度较高的接触面，如滑动轴承的配合表面、齿轮的轮齿工作面等，表面粗糙度Ra≤0.4um。③通用机械，没有相对运动的零件接触面，如箱盖、套筒，要求紧贴的表面、键和键槽的工作面；相对运动速度不高的接触面，如支架孔、衬套、带轮轴孔的工作表面、减速器、普通精度齿轮的齿面、定位销孔、V型带轮的表面等，表面粗糙度Ra≤1.6um。
　　
　　4.零件表面粗糙度的快速标注
　　
　　表面粗糙度一般标注在可见轮廓线、尺寸界线、引出线或其延长线上，符号的尖端须从材料外指向表面。当零件的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。表面粗糙度代号中数字及符号的方向有特殊的规定，粗糙度代号中数字的方向是尺寸数字的方向相同。
　　零件表面的功用不同，所需的表面粗糙度参数值也不一样，零件图上要标注表面粗糙度代号，用以说明该表面完工后须达到的表面特性。由于AutoCAD并未提供现成的工具，可在AutoCAD中自己制作带属性的表面粗糙度图块，实现粗糙度的快速标注。在AutoCAD中单击Draw绘图菜单，从下拉菜单中找到Block块，单击Define Attributes属性定义，在属性定义Attribute Definition对话框中定义水平向上、水平向下和非去除材料表面粗糙度符号三种属性，使用Wblock写块命令创建一系列表面粗糙度的图块Ra1、Ra2、Ra0，保存为图块文件后方便调用，最后用Insert插入块命令将Ra图块插入到标注位置，并给出相应的属性值，完成粗糙度的标注。
　　
　　5.结论
　　
　　表面粗糙度影响零件的表面质量、使用性能和零件寿命，在设计工作中，表面粗糙度的选择必须从实际出发，全面衡量零件的表面功能和工艺经济性，才能作出合理的选择。为了降低成本，减少加工难度，选择表面粗糙度参数值的总原则是：在满足零件表面使用功能的前提下，尽量选择较大的表面粗糙度参数值，用类比法使零件表面粗糙度的设计选择更准确、更合理。
　　
　　参考文献：
　　［1］寇元哲.影响机械加工表面质量的因素分析［J］.甘肃科技，2007，（07）：98-100.
　　［2］胡凤兰.互换性与技术测量基础［M］.北京：高等教育出版社，2005.2：106-116.
　　［3］丁晓东.零件表面加工质量及其粗糙度的选择［J］.机械工业标准化与质量，2007，（7）：37-41.

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