谈机械加工影响表面粗糙度的工艺因素

    关俊英

    摘要：本文论述了影响加工件表面粗糙度的几个因素，提出了具体的方法。

    关键词：粗糙度；表面；刀削

    从影响表面粗糙度的成因可以看出，影响表面粗糙度的因素可以分为三类：第一类，与切削刀具有关；第二类，与工件材质有关；第三类，与加工条件有关。

    1 切削加工影响表面粗糙度的因素

    1．1 切削用量切削参数选择的不同对表面粗糙度影响较大，应引起足够的重视。

    切削速度在一定速度范围内，塑性材料容易产生积屑瘤或鳞刺，所以应避开这个积屑瘤区，如用中、低速容易形成积屑瘤。

    切削深度切削深度对表面粗糙度基本上没有影响，但过小的切削深度将在刀尖圆弧下挤压过去，形成附加的塑性变形，增大表面粗糙度值。

    进给量 减小进给量可减小残留面积高度，但过小的进给量将使切屑厚度太薄。当厚度小于刃口圆弧半径时，会引起薄层切削打滑，产生附加表面粗糙度。

    1．2刀刃在工件表面留下的残留面积被加工表面上残留的面积愈大，获得表面将愈粗糙。用单刃刀切削时，残留面积只与进给量f 、刀尖圆弧半径ro及刀具的主偏角kr、副偏角k1r 有关。

    减小进给量f，减小主偏角、副偏角，增大刀尖圆角半径，都能减小残留面积的高度H ，也就降低了零件的表面粗糙度值。

    进给量f对表面粗糙度影响较大，但f值较低时，虽然有利于表面粗糙度值的降低，但影响生产率。增大刀尖圆角半径ro，有利于表面粗糙度值的降低。但刀尖圆角半径的增加，会引起吃刀抗力的增加，而吃刀抗力过大会造成工艺系统的振动。减小主、副偏角，均有利于表面粗糙度值的降低。但在精加工时，主、副偏角对表面粗糙度值的影响较小。

    1．3工件材料的性质 塑性材料与脆性材料对表面粗糙度都有较大的影响。

    积屑瘤的影响（塑性材料） 在一定的切削速度范围内加工塑性材料时，由于前刀面的挤压和摩擦作用，使切屑的底层金属流动缓慢而形成滞留层，此时切屑上的一些小颗粒就会黏附在前刀面的的刀尖处，形成硬度很高的楔状物，称为积屑瘤。积屑瘤的硬度可达工件硬度的2～3.5倍，它可代替切削刃进行切削，由于积屑瘤的存在，使刀具上的几何角度发生了变化，切削厚度也随之增大，因此将会在已加工表面上切出沟槽。积屑瘤生成以后，当切屑与积屑瘤的摩擦力大于积屑瘤与前刀面的冷焊强度或受到振动、冲击时，积屑瘤会脱落，又会逐渐形成新的积屑瘤。由此可见，积屑瘤的生成、长大和脱落，使切削发生波动，并严重影响工件的表面质量。脱落的积屑瘤碎片，还会在工件的已加工表面上形成硬点，因此，积屑瘤是增大表面粗糙度值的不可忽视的因素。

    鳞刺的影响在已加工表面产生鳞片状毛刺，称作磷刺。磷刺也是增大表面粗糙度值的一个重要因素。形成磷刺的原因是由于切屑在前刀面的摩擦和冷焊作用，使切屑在前刀面上产生周期性停留，从而挤拉已加工表面。这种挤拉作用，严重时会使表面出现撕裂现象。

    脆性材料加工脆性材料时切屑呈不规则的碎粒状，加工表面往往出现微粒蹦碎痕迹，留下许多麻点，增大表面粗糙度值。

    1．4工艺系统的高频振动工艺系统的高频振动，使工件和刀尖的相对位置发生微幅振动，使表面粗糙度值加大。

    1．5切削液切削液在加工过程中具有冷却、润滑和清洗作用，能降低切削温度和减轻前、后刀面与工件的摩擦，从而减小切削过程中的塑性变形并抑制积屑瘤和鳞刺的生长，对降低表面粗糙度值有很大作用。

    2磨削加工影响表面粗糙的因素

    磨削时，砂轮线速度比较高，砂轮表面有无数颗磨粒，每颗磨粒相当于一个刀刃，磨粒大多数为负前角，单位切削力比较大，故切削温度较高，磨削点附近的瞬时温度可高达800～1000℃。这样高的温度常引起被磨削表面烧伤，使工件变形和产生裂纹。同时，由于磨粒大多数为负前角，且磨削厚度很小，所以加工时大多数磨粒只在工件表面挤压而过，工件材料受到塑性挤压，沿磨粒两旁产生塑性流动，划出无数的细微沟槽，磨削温度又较高，更加剧塑性变形，进一步使表面粗糙度值增大。

    影响磨削粗糙度的因素很多，主要有：

    砂轮的线速度随着砂轮线速度的增加，在同一时间里参与切削的磨粒数也增加，每颗磨粒切去的金属厚度减小，残留面积也减小，而且高速磨削可减少材料的塑性变形，使表面粗糙度值降低。

    工件的线速度 在其他磨削条件不变的情况下，随工件线速度的降低，每颗磨粒每次接触工件时切削厚度减少，残留面积也小，因而表面粗糙度值低。但工件线速度过低时，工件与砂轮接触的时间长，传到工件上的热量增多，甚至会造成工件表面金属微熔，反而使表面粗糙度值增大，而且还增加表面烧伤的可能性。因此，通常取工件线速度等于砂轮线速度的1/60。

    纵向进给量 采用纵磨法磨削时，随纵向进给量的增加，表面粗糙度值也增加。

    光磨的次数 光磨次数多，表面粗糙度值降低。光磨系无进给磨削，是提高磨削表面质量的重要手段之一，砂轮的粒度越细，光磨的效果越好。

    砂轮的性质对表面粗糙度的影响

    砂轮的粒度 粒度越细，则砂轮单位面积上的磨粒越多，每颗磨粒切去的金属厚度越少，刻痕也细，表面粗糙度值就低。但粒度过细切屑容易堵塞砂轮，使工件表面温度增高，塑性变形增大，表面粗糙度值反而增加。同时还容易引起烧伤，所以常用的砂轮粒度在80号以内。

    砂轮的硬度 砂轮太软，则磨粒容易脱落，有利于保持砂轮的锋利，但很难保证砂轮的等高性。砂轮如果太硬，磨钝了的磨粒不易脱落，会加剧与工件表面的挤压和摩擦作用，造成工件表面温度升高，塑性变形增大，并且还容易使工件产生表面烧伤。所以砂轮的硬度以适用为好，主要根据工件的材料和硬度选择。

    砂轮的修整砂轮使用一段时间后就必须进行修整，及时修整砂轮有利于获得锋利和等高的微刃，修整砂轮还能增加砂轮的切屑刃个数，这些均有利于降低工件的表面粗糙度值。

    工件材料的影响工件材料的性质对表面粗糙度影响也大，太软、太硬、太韧的材料都不容易磨光。这是因为材料太硬时，磨粒很快钝化，从而失去切削能力；材料太软时砂轮又容易被堵塞；而韧性太大且导热性差的材料又容易使磨粒早期崩落，这些都不利于获得低的表面粗糙度值。

    此外，切削液的选择与净化、磨床的性能等对磨削表面粗糙度均有不同程度的影响，是不可忽视的因素。