零件表面粗糙度的設計選擇

摘要： 本文分析了表面粗糙度對機械零件使用性能的影響，闡述了零件表面粗糙度的設計選擇方法，探討了表面粗糙度參數值與公差等級的對應關系和輪廓的算術平均偏差Ra的快速標注，供設計時參考。

關鍵詞： 零件 表面粗糙度 選擇

1.表面粗糙度的定義與評定

表面粗糙度是指零件被加工表面上具有的較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特性。由于機械加工過程中刀具和零件表面間的摩擦、切屑分離時表面金屬的塑性變形以及工藝系統的高頻振動等原因，會使被加工零件的表面存在一定的微觀幾何形狀誤差。國家標準GB/T3505-2000規定了用輪廓法確定表面結構的術語和定義，根據波距的大小，可以劃分三種不同的表面結構誤差形態，即波距大于10mm、無周期性變化的為形狀誤差，波距在1-10mm之間、呈周期性變化的為表面波紋度誤差，波距小于1mm、呈周期性變化的為表面粗糙度誤差。或用一定的波距與波高之比來劃分三類表面結構誤差，即比值大于1000為形狀誤差，比值介于40-1000之間為表面波紋度誤差，比值小于40為表面粗糙度誤差。同時，形狀誤差、表面波紋度和粗糙度的概念也會受到工件尺寸大小的影響，大型零件的波紋度常常大于微小工件的整體尺寸，自然也大于微小工件的形狀誤差。在表面結構的三類參數中，表面粗糙度更多地被用于表征零件的表面質量。

由于加工表面的不均勻性，在評定表面粗糙度時，需要規定取樣長度和評定長度等技術參數，以限制和減弱表面波紋度對表面粗糙度測量結果的影響。為了滿足對零件表面不同的功能要求，國家標準GB/T3505-2000根據表面微觀幾何形狀幅度、間距和形狀等三個方面的特征，規定了相應的評定參數，即幅度參數（高度參數）、間距參數和混合參數（形狀參數）。其中幅度參數包括：①評定輪廓的算術平均偏差Ra。即在取樣長度內，輪廓偏距絕對值的算術平均值，Ra能客觀反映表面微觀幾何形狀誤差，測得的Ra值越大，則表面越粗糙。②輪廓最大高度Rz。即在取樣長度內輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離，它在評定某些不允許出現較大的加工痕跡的零件表面時有實用意義。幅度參數（Ra、Rz）是標準規定必須標注的參數，又稱基本參數，本文主要討論基本參數Ra對于零件使用性能的影響，Ra的設計選擇和快速標注。

2.表面粗糙度對零件使用性能的影響

機械零件的破壞，一般總是從表面層開始的。產品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取決于零件表面層的質量［１］。表面粗糙度對機械零件使用性能及其壽命影響較大，尤其對在高溫、高速和高壓條件下工作的機械零件影響更大［２］，其影響主要表現在以下幾個方面：

2.1對耐磨性的影響

具有表面粗糙度的兩個零件，當它們接觸并產生相對運動時，最初只是一些峰頂間的接觸，實際接觸面積遠小于理論接觸面積，單位面積壓力增大，使實際接觸面積處產生塑性變形、彈性變形和峰部之間的剪切破壞，引起嚴重磨損，縮短使用壽命。零件實際表面越粗糙，摩擦阻力就越大，兩個相互運動的表面磨損就越快，傳動效率越低。一般來說表面粗糙度值愈小，其耐磨性愈好。但零件表面越光滑，磨損量不一定越小。因為零件的耐磨性除受表面粗糙度影響外，還與磨損下來的金屬微粒的刻劃以及潤滑油被擠出和分子間的吸附作用等因素有關。如果表面粗糙度值太小，潤滑油不易儲存，接觸面之間容易發生分子粘接，磨損反而增加。因此，接觸面的粗糙度有一個最佳值，其值與零件的工作情況有關，工作載荷加大時，初期磨損量增大，表面粗糙度最佳值也應加大。

2.2對配合性質的影響

表面粗糙度會影響到機械工作精度，粗糙的表面單位面積壓力大，配合面變形也大，機械剛度降低，影響工作精度。對間隙配合，會因表面微觀不平度的峰尖在工作過程中很快磨損而使間隙增大，會改變配合性質，降低機械的精密度，對過盈配合，粗糙表面輪廓的峰尖在裝配時被擠平，實際有效過盈減小，致使連接強度降低。因此，表面粗糙度影響配合性質的可靠性和穩定性。

2.3對抗疲勞強度的影響

金屬受交變載荷作用后產生的疲勞破壞往往發生在零件表面和表面冷硬層下面，因此零件的表面粗糙度對疲勞強度影響很大。零件表面越粗糙，表面凹痕越深，波谷的曲率半徑也越小，對應力集中越敏感，應力集中就會越嚴重。零件在交變應力的作用下，產生疲勞裂紋，零件疲勞損壞的可能性就越大，疲勞強度就越低。

2.4對接觸剛度的影響

兩表面接觸時，實際接觸面僅為理想接觸面積的一部分。零件表面越粗糙，表面間的實際接觸面積就越小，單位面積壓力就越大，這就會使峰頂的局部塑性變形加劇，接觸剛度降低，影響零件的工作精度和抗振性。

2.5對抗腐蝕性的影響

零件的耐腐蝕性能在很大程度上取決于表面粗糙度，表面粗糙度值愈大，則凹谷中聚積腐蝕性物質就愈多，并滲入到金屬內部，致使腐蝕加劇，造成表面銹蝕，抗蝕性就愈差。

此外，表面粗糙度還對零件結合面的密封性、流體流動的阻力、機器和儀器的外觀質量及測量精度等都有很大影響。為提高產品質量，保證機械零件的使用性能，設計時必須合理選擇零件表面粗糙度參數值。

3.零件表面粗糙度的設計選擇

機械零件表面粗糙度是檢驗零件表面質量的主要依據。在機械產品設計中，表面粗糙度參數值的選擇，是根據零件在機器中的作用決定的，它選擇的合理與否，直接關系到產品的質量、使用壽命和生產成本。常用的零件表面粗糙度選擇方法有計算法、試驗法和類比法三種，其中應用最普遍的是類比法。

表面粗糙度的評定參數值已經標準化，設計時應優先選擇Ra數值為：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，常用的參數值范圍Ra為0.025-6.3um，Rz為0.10-25um，標準推薦優先選用Ra參數。一般選擇的原則有以下幾個方面：

①在滿足功能要求的情況下，盡量選用較大的表面粗糙度參數值。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運動速度高、單位面積壓力大的表面以及受交變應力作用的重要零件的圓角溝槽的表面Ra值要小。⑤配合性質越穩定，其配合的表面Ra值應越??；配合性質相同時，小尺寸結合面的Ra值應比大尺寸結合面?。煌还畹燃墪r，軸的Ra值應比孔的小。⑥表面粗糙度參數值應與尺寸公差及形位公差協調，尺寸公差值和形位公差值越小的表面，Ra值應越小。⑦要求防腐蝕、密封性能好或外表美觀的表面粗糙度值應較小。⑧凡有關標準已對表面粗糙度要求作出規定（如與滾動軸承配合的軸頸和外殼孔、鍵槽、各級精度齒輪的主要表面等），則應按該標準確定的表面粗糙度參數值［２］。

在通常情況下，選用表面粗糙度參數值必須與公差等級相適應，即零件尺寸公差要求越小，零件的表面粗糙度值也越小，但是它們之間又不存在固定的函數關系，如一些機器、儀器上的手柄、手輪，以及衛生設備、食品機械上的某些機械零件的修飾表面，它們的表面加工要求很光滑，表面粗糙度要求高，但其尺寸公差要求卻很低［３］。一般情況下，公差等級與表面粗糙度數值之間有一定的對應關系。設表面形狀公差值為T，尺寸公差值為IT，可參照以下對應關系：若T≈0.6IT，則Ra≤0.05IT；若T≈0.4IT，則Ra≤0.025IT；若T≈0.25IT，則Ra≤0.012IT。

在實際工作中，對于不同類型的機器，其零件在相同尺寸公差的條件下，對表面粗糙度的要求是有差別的，這就是配合的穩定性問題。在機械零件的設計和制造過程中，對于不同類型的機器，其零件的配合穩定性和互換性的要求是不同的。在現有的機械零件設計手冊中，反映的主要有以下三種類型：①精密機械，對配合的穩定性要求很高，如精密儀器、儀表、精密量具的表面、極重要零件的摩擦面，如汽缸的內表面、精密機床的主軸頸、坐標鏜床的主軸頸等，表面粗糙度Ra≤0.1um。②普通的精密機械，對配合的穩定性要求較高，要求有很好密合的接觸面，如機床、工具、與滾動軸承配合的表面、錐銷孔，還有相對運動速度較高的接觸面，如滑動軸承的配合表面、齒輪的輪齒工作面等，表面粗糙度Ra≤0.4um。③通用機械，沒有相對運動的零件接觸面，如箱蓋、套筒，要求緊貼的表面、鍵和鍵槽的工作面；相對運動速度不高的接觸面，如支架孔、襯套、帶輪軸孔的工作表面、減速器、普通精度齒輪的齒面、定位銷孔、V型帶輪的表面等，表面粗糙度Ra≤1.6um。

4.零件表面粗糙度的快速標注

表面粗糙度一般標注在可見輪廓線、尺寸界線、引出線或其延長線上，符號的尖端須從材料外指向表面。當零件的大部分表面具有相同的表面粗糙度要求時，對其中使用最多的一種代號可以統一注在圖樣的右上角，并加注“其余”兩字。表面粗糙度代號中數字及符號的方向有特殊的規定，粗糙度代號中數字的方向是尺寸數字的方向相同。

零件表面的功用不同，所需的表面粗糙度參數值也不一樣，零件圖上要標注表面粗糙度代號，用以說明該表面完工后須達到的表面特性。由于AutoCAD并未提供現成的工具，可在AutoCAD中自己制作帶屬性的表面粗糙度圖塊，實現粗糙度的快速標注。在AutoCAD中單擊Draw繪圖菜單，從下拉菜單中找到Block塊，單擊Define Attributes屬性定義，在屬性定義Attribute Definition對話框中定義水平向上、水平向下和非去除材料表面粗糙度符號三種屬性，使用Wblock寫塊命令創建一系列表面粗糙度的圖塊Ra1、Ra2、Ra0，保存為圖塊文件后方便調用，最后用Insert插入塊命令將Ra圖塊插入到標注位置，并給出相應的屬性值，完成粗糙度的標注。

5.結論

表面粗糙度影響零件的表面質量、使用性能和零件壽命，在設計工作中，表面粗糙度的選擇必須從實際出發，全面衡量零件的表面功能和工藝經濟性，才能作出合理的選擇。為了降低成本，減少加工難度，選擇表面粗糙度參數值的總原則是：在滿足零件表面使用功能的前提下，盡量選擇較大的表面粗糙度參數值，用類比法使零件表面粗糙度的設計選擇更準確、更合理。

參考文獻：

［1］寇元哲.影響機械加工表面質量的因素分析［J］.甘肅科技，2007，（07）：98-100.

［2］胡鳳蘭.互換性與技術測量基礎［M］.北京：高等教育出版社，2005.2：106-116.

［3］丁曉東.零件表面加工質量及其粗糙度的選擇［J］.機械工業標準化與質量，2007，（7）：37-41.