机械加工表面粗糙度及其影响因素.docx

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机械加工表面粗糙度及其影响因素

题目机械加工表面粗糙度及其影响因素

摘要：

在现代工业生产中，许多制件的表面被加工而具有特定的技术性能特征，诸如：

制件表面的耐磨性、密封性、配合性质、传热性、导电性以及对光线和声波的反射性，液体和气体在壁面的流动性、腐蚀性，薄膜、集成电路元件以及人造器官的表面性能，测量仪器和机床的精度、可靠性、振动和噪声等等功能，而这些技术性能的评价常常依赖于制件表面特征的状况，也就是与表面的几何结构特征有密切联系。

因此，控制加工表面质量的核心问题在于它的使用功能，应该根据各类制件自身的特点规定能满足其使用要求的表面特征参量。

不难看出，对特定的加工表面，我们总希望用最（或比较）恰当的表面特征参数去评价它，以期达到预期的功能要求；同时我们希望参数本身应该稳定，能够反映表面本质的特征，不受评定基准及仪器分辨率的影响，减少因对随机过程进行测量而带来参数示值误差。

关键词：

　机械加工表面粗糙度表面质量物理因素

Abstract:

Inmodernindustrialproductioninmanypartsofthesurfaceprocessingtechnologyandwithspecificperformancecharacteristics,Suchas:

partsofthesurfacewearresistance,tightness,withnature,heat,electricalconductivityandthereflectionoflightandsoundwaves,liquidsandgasesinthewallofliquidity,corrosive,film,integratedcircuitcomponentsandman-madeOrganofthesurface,measuringinstrumentsandmachinetoolaccuracy,reliability,vibrationandnoise,etc.functions,Thesetechnicalperformanceevaluationisoftendependentonthesurfacecharacteristicsofthesituationinparts,thatis,thegeometricstructureandsurfacecharacteristicsarecloselylinked.Therefore,thesurfacequalitycontrolprocessisthecoreissueoftheuseofitsfunctions,shouldbebasedonvariouspartsofthecharacteristicsofitsprovisionstomeettherequirementsoftheuseofsurfacefeaturesoftheSenate.Itiseasytosee,theprocessingofspecificsurface,wehopetousethemost（orcomparison）appropriatetothesurfacecharacteristicsofparameterstoassessit,withaviewtoachievethedesiredfunctionalrequirementsatthesametimewehopethattheparametersoftheirownshouldbestable,toreflectthenatureofthesurfacecharacteristics,Nottoinformthebaselineandequipmentresolutionoftheimpactandreducetherandomprocessofmeasuringparametersbroughtindicationerror.

Keywords:

　Machiningsurfaceroughnesssurfacequalityphysicalfactors

1.绪论…………………………………………………………………………………1

1.1机械加工表面粗糙度历史…………………………………………………………1

1.2表面粗糙度标准中的基本参数定义…………………………………………………1

2.精密加工表面性能………………………………………………………………………3

2.1精密加工表面性能评价的内容及其迫切性…………………………………………3

3.机械加工表面质量…………………………………………………………………………3

3．1机械加工表面定义………………………………………………………………3

3．2表面粗糙度产生的原因……………………………………………………………3

3．3机械加工表面质量对机械使用性能的影响………………………………………6

3．4影响粗糙度的因素……………………………………………………………7

3．5表面粗糙度理论的新进展…………………………………………………………9

3.6研究加工精度的方法…………………………………………………………………13

4.结论语……………………………………………………………………………………14

参考文献…………………………………………………………………………………15

致谢…………………………………………………………………………………16

1.绪论

1.1机械加工表面粗糙度历史

表面粗糙度标准的提出和发展与工业生产技术的发展密切相关，它经历了由定性评定到定量评定两个阶段。

表面粗糙度对机器零件表面性能的影响从1918年开始首先受到注意，在飞机和飞机发动机设计中，由于要求用最少材料达到最大的强度，人们开始对加工表面的刀痕和刮痕对疲劳强度的影响加以研究。

但由于测量困难，当时没有定量数值上的评定要求，只是根据目测感觉来确定。

在20世纪20～30年代，世界上很多工业国家广泛采用三角符号（▽）的组合来表示不同精度的加工表面。

为研究表面粗糙度对零件性能的影响和度量表面微观不平度的需要，从20年代末到30年代，德国、美国和英国等国的一些专家设计制作了轮廓记录仪、轮廓仪，同时也产生出了光切式显微镜和干涉显微镜等用光学方法来测量表面微观不平度的仪器，给从数值上定量评定表面粗糙度创造了条件。

从30年代起，已对表面粗糙度定量评定参数进行了研究，如美国的Abbott就提出了用距表面轮廓峰顶的深度和支承长度率曲线来表征表面粗糙度。

1936年出版了Schmaltz论述表面粗糙度的专著，对表面粗糙度的评定参数和数值的标准化提出了建议。

但粗糙度评定参数及其数值的使用，真正成为一个被广泛接受的标准还是从40年代各国相应的国家标准发布以后开始的。

1.2表面粗糙度标准中的基本参数定义

随着工业的发展和对外开放与技术合作的需要，我国对表面粗糙度的研究和标准化愈来愈被科技和工业界所重视，为迅速改变国内表面粗糙度方面的术语和概念不统一的局面，并达到与国际统一的作用，我国等效采用国际标准化组织（ISO）有关的国际标准制订了GB3505-1983《表面粗糙度术语表面及其参数》。

GB3505专门对有关表面粗糙度的表面及其参数等术语作了规定，其中有三个部分共27个参数术语：

与微观不平度高度特性有关的表面粗糙度参数术语。

其中定义的常用术语为：

轮廓算术平均偏差Ra、轮廓均方根偏差Rq、轮廓最大高度Ry和微观不平度十点高度Rz等11个参数。

与微观不平度间距特性有关的表面粗糙度参数术语。

其中有轮廓微观不平度的平均间距Sm、轮廓峰密度D、轮廓均方根波长q以及轮廓的单峰平均间距S等共9个参数。

与微观不平度形状特性有关的表面粗糙度参数术语。

这其中有轮廓偏斜度Sk、轮廓均方根斜率q和轮廓支承长度率tp等共5个参数。

2.精密加工表面性能

2.1精密加工表面性能评价的内容及其迫切性

表面粗糙度参数这一概念开始提出时就是为了研究零件表面和其性能之间的关系，实现对表面形貌准确的量化的描述。

随着加工精度要求的提高以及对具有特殊功能零件表面的加工需求，提出了表面粗糙度评价参数的定量计算方法和数值规定，同时这也推动了国家标准及国际标准的形成和发展。

在现代工业生产中，许多制件的表面被加工而具有特定的技术性能特征，诸如：

制件表面的耐磨性、密封性、配合性质、传热性、导电性以及对光线和声波的反射性，液体和气体在壁面的流动性、腐蚀性，薄膜、集成电路元件以及人造器官的表面性能，测量仪器和机床的精度、可靠性、振动和噪声等等功能，而这些技术性能的评价常常依赖于制件表面特征的状况，也就是与表面的几何结构特征有密切联系。

因此，控制加工表面质量的核心问题在于它的使用功能，应该根据各类制件自身的特点规定能满足其使用要求的表面特征参量。

不难看出，对特定的加工表面，我们总希望用最（或比较）恰当的表面特征参数去评价它，以期达到预期的功能要求；同时我们希望参数本身应该稳定，能够反映表面本质的特征，不受评定基准及仪器分辨率的影响，减少因对随机过程进行测量而带来参数示值误差。

但是从标准制定的特点和内容上我们容易发现，随着现代工业的发展，特别是新型表面加工方法不断出现和新的测量器具及测量方法的应用，标准中的许多参数已无法适应现代生产的需求，尤其是在一些特殊加工场合，如精加工时，用不同方法加工得到的Ra值相同（或很相近）的表面就不一定会具有相同的使用功能，可见，此时Ra值对这类表面的评定显得无能为力了，而且传统评定方法过于注重对高度信息做平均化处理，而几乎忽视水平方向的属性，未能反映表面形貌的全面信息。

工业生产的飞速发展迫切需要更加行之有效且适应性更强的表面特征评价参数的出现，为解决这一矛盾，各国的许多学者都在这方面加大研究力度，以期在不远的将来制订出一套功能特性显著的参数。

另一方面，为了防止“参数爆炸”，同时也防止大量相关参数的出现，要做到用一个参数来评价多个性能特性，用数量很少的一组参数实现对表面的本质特征的准确描述。

3.机械加工表面质量

　机械加工后零件表面层的微观几何结构及表层金属材料性质发生变化的情况。

经机械加工后的零件表面并非理想的光滑表面，它存在着不同程度的粗糙波纹、冷硬、裂纹等表面缺陷。

虽然只有极薄的一层（0.05～0.15mm），但对机器零件的使用性能有着极大的影响；零件的磨损、腐蚀和疲劳破坏都是从零件表面开始的，特别是现代化工业生产使机器正朝着精密化、高速化、多功能方向发展，工作在高温、高压、高速、高应力条件下的机械零件，表面层的任何缺陷都会加速零件的失效。

因此，必须重视机械加工表面质量。

3.1机械加工表面质量的含义

机器零件的加工质量不仅指加工精度，还包括加工表面质量，它是零件加工后表面层状态完整性的表征。

机械加工后的表面，总存在一定的微观几何形状的偏差，表面层的物理力学性能也发生变化。

因此，机械加工表面质量包括加工表面的几何特征和表面层物理力学性能两个方面的内容。

3.1.1加工表面的几何特征

加工表面的微观几何特征主要包括表面粗糙度和表面波度两部分组成，如图5—1所示。

表面粗糙度是波距L小于1mm的表面微小波纹；表面波度是指波距L在1～20mm之间的表面波纹。

通常情况下，当L/H（波距/波高）﹤50时为表面粗糙度，L/H=50～1000时为表面波度。

　表面粗糙度表面粗糙度主要是由刀具的形状以及切削过程中塑性变形和振动等因素引起的，它是指已加工表面的微观几何形状误差。

　表面波度主要是由加工过程中工艺系统的低频振动引起的周期性形状误差（图5—1中L2/H2），介于形状误差（L1/H1﹥1000）与表面粗糙度（L3/H3﹤50）之间。

3.1.2加工表面层的物理力学性能

　表面层的物理力学性能包括表面层的加工硬化、残余应力和表面层的金相组织变化。

机械零件在加工中由于受切削力和热的综合作用，表面层金属的物理力学性能相对于基本金属的物理力学性能发生了变化。

图5—2a所示为零件表面层沿深度方向的变化。

最外层生成有氧化膜或其他化合物，并吸收、渗进气体粒子，称为吸附层。

吸附层下是压缩层，它是由于切削力的作用造成的塑性变形区，其上部是由于刀具的挤压摩擦而产生的纤维层。

切削热的作用也会使工件表面层材料产生相变及晶粒大小变化。

表面层的加工硬化

表面层的加工硬化一般用硬化层的深度和硬化程度N来评定：

　　N=[（H-H0）/H0]×l00％

　　式中H——加工后表面层的显微硬度；

　　H0——原材料的显微硬度。

表面层金相组织的变化

在加工过程（特别是磨削）中的高温作用下，工件表层温度升高，当温度超过材料的相变临界点时，就会产生金相组织的变化，大大降低零件使用性能，这种变化包括晶粒大小、形状、析出物和再结晶等。

金相组织的变化主要通过显微组织观察来确定。

表面层残余应力

在加工过程中，由于塑性变形、金相组织的变化和温度造成的体积变化的影响，表面层会产生残余应力。

目前对残余应力的判断大多是定性的，它对零件使用性能的影响大小取决于它的方向、大小和分布状况。

通过详细分析切削加工工件时，工件已加工表面粗糙度产生的各种原因，并对产生表面粗糙度的因素逐一分析，从而找出减小表面粗糙度的具体措施，为提高工件的表面质量提供了理论依据。

3.2表面粗糙度产生的原因

3.2.1几何因素

由于刀具切削刃的几何形状、几何参数、进给运动及切削刃本身的粗糙度等原因，未能将被加工表面上的材料层完全干净地去除掉（只有当刀具上带有刀具的副偏角k'r=0的修光刃、且进给量小于修光刃宽度时，理论上才不产生残留面积），在已加工表面上遗留下残留面积，残留面积的高度构成了表面粗糙度Rz。

当f≤2rsin'r，残留面积是由圆弧过渡刃构成。

此时

式中：

f——进给量，mm/r；

r——刀尖圆弧半径。

当2rsin'r≤f≤（r/sin'r）[1-cos（r+'r]，残留面积是由刀尖圆弧过渡刃和直线副切削刃构成。

此时

Rz=r[1-sin（'r+）]×1,000

sin=1-（f/r）sin'r

式中r，'r——刀具的主偏角、副偏角。

当f>（r/sin'r）[1-cos（r+'r）]，残留面积是由刀尖圆弧过渡刃和二直线主、副切削刃构成。

此时

当r→0时，残留面积是由主、副2条直线切削刃构成。

此时

刀具切削刃的粗糙度由于直接复映在加工表面上，所以刀具切削刃的粗糙度值，应低于加工表面要求的粗糙度值。

实际上加工表面的粗糙度总是大于按以上计算的残留面积的高度，只有切削脆性材料或高速切削塑性材料时，实际加工表面的粗糙度才比较接近残留面积的高度，说明影响表面粗糙度的还有其他原因。

3.2.2积屑瘤

积屑瘤的产生，是由于切屑在切削过程中的塑性流动及刀具与切屑的外摩擦超过了内摩擦，在刀具和切屑间很大的压力作用下造成切削底层与刀具前面发生冷焊。

积屑瘤对表面粗糙度的影响有两方面：

①它能刻划出纵向的沟纹来;②它还会在破碎脱落时沾附在已加工表面上。

其主要原因是:

当积屑瘤处在生长阶段时，它与前刀面的粘结比较牢，因此积屑瘤在已加工表面上刻划纵向沟纹的可能性大于对已加工表面的沾附。

当积屑瘤处于最大范围以及消退阶段，它已经不很稳定。

这时它一方面虽然还时而刻划沟纹，但更多的是沾附在已加工表面上。

3.2.3鳞刺

鳞刺是指已加工表面上鳞片状的毛刺，是用高速钢刀具低速切削时，经常见到的一种现象。

鳞刺一般是在积屑瘤增长阶段的前期里形成的。

甚至在没有积屑瘤的时候，以及在更低一些的切削速度范围内也有鳞刺发生。

刀具的后角小的时候特别容易产生鳞刺。

鳞刺对已加工表面质量有严重的影响，它往往使表面粗糙度等级降低2～4级。

鳞刺的成因是前刀面上摩擦力的周期变化造成的。

3.2.4振动

切削过程中如果有振动，表面粗糙度就会显著变大。

振动是由于径向切削力Fr太大，或工件系统的的刚度小而引起的。

3.2.5其他因素

副切削刃对残留面积的挤压，使残留面积向与进给相反方向变形，使残留面积顶部歪斜而产生毛刺，加大了表面粗糙度。

过渡刃圆弧部分的切削厚度是变化的，近刀尖处的切削厚度很小。

当进给量小于一定限度后，这部分的切削厚度小于刃口圆弧所能切下的最小厚度时，就有部分金属未能切除，就会使表面粗糙度增大。

切削脆性材料时，产生崩碎切屑，切屑崩碎时的裂缝深人到已加工表面之下，使粗糙度增大。

此外，排屑状况、机床设备的精度和刚度等，也会影响已加工表面的表面粗糙度。

3.3机械加工表面质量对机器使用性能的影响

3.3.1表面质量对耐磨性的影响

表面粗糙度对耐磨性的影响

一个刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间，最初阶段只在表面粗糙的的峰部接触，实际接触面积远小于理论接触面积，在相互接触的峰部有非常大的单位应力，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。

零件磨损一般可分为三个阶段，初期磨损阶段、正常磨损阶段和剧烈磨损阶段。

表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。

一般说表面粗糙度值愈小，其磨损性愈好。

但表面粗糙度值太小，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加大。

表面冷作硬化对耐磨性的影响

加工表面的冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。

但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。

3.3.2表面质量对疲劳强度的影响

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，因此零件的表面质量对疲劳强度影响很大。

表面粗糙度对疲劳强度的影响

在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。

表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏底能力就愈差。

3.4影响粗糙度的因素

3.4.1刀具方面

几何参数刀具几何参数中对表面粗糙度影响最大的是刀尖圆弧半径r、副偏角'r和修光刃。

刀尖圆弧半径r对表面粗糙度有双重影响：

r增大时，残留高度减小，另一方面变形将增加。

由于前一种影响较大，所以当刀尖圆弧半径r增大时，表面粗糙度将降低。

因此在刚度允许的条件下，增大刀尖圆弧半径r是降低表面粗糙度的好方法。

副偏角'r愈小，表面粗糙度愈低。

但减小副偏角容易引起振动，故减小副偏角，必须视机床系统的刚度而定。

当'r大到一定值时，副刃就不参与残留面积的组成，再增大'r，也不会使表面粗糙度值增加。

采用一段长度稍大于进给量的修光刃（修光刃上'r=0）是降低表面粗糙度的有效措施，利用增加修光刃来消除残留面积是实际加工工件中常常采用的方法。

前角0对表面粗糙度没有直接的影响，由于0大时对抑制积屑瘤和鳞刺有利，且增大了。

可使刃口圆弧半径r减小，所以在中、低速范围内适当增大0可有利于减小表面粗糙度。

当v>50m/min时，0就基本上不产生影响。

刀具的刃磨质量

刀刃前、后刀面，切削刃本身的粗糙度值直接影响被加工面的粗糙度。

一般来说，刀刃前、后刀面的粗糙度应比加工面要求的粗糙度小1～2级。

刀具的材料刀具材料与被加工材料金属分子的亲和力大时，被加工材料容易与刀具粘结而生成积屑瘤和鳞刺，且被粘结在刀刃上的金属与被加工表面分离时还会形成附加的粗糙度。

因此凡是粘结情况严重，摩擦严重的，表面粗糙度都大;反之如果粘结和摩擦不严重的，表面粗糙度都小。

3.4.2切削条件

切削速度v加工塑性材料时，切削速度对积屑瘤和鳞刺的影响非常显著。

切削速度较低易产生鳞刺，低速至中速易形成积屑瘤，粗糙度也大。

避开这个速度区域，表面粗糙度值会减小。

加工脆性材料时，因为一般不会形成积屑瘤和鳞刺，所以切削速度对表面粗糙度基本无影响。

由此可见，用较高的切削速度，既可提高生产率，同时又可使加工表面粗糙度较小。

所以最重要的是发展各种新刀具材料和相应的新刀具结构，以便有可能采用更高的切削速度。

进给量f从几何因素中可知，减小进给量f可以降低残留面积的高度。

同时也可以降低积屑瘤和鳞刺的高度，因而减小进给量可以使表面粗糙度值减小。

但进给量减小到一定值时，再减小，塑性变形要占主导地位，粗糙度值不会明显下降。

当进给量更小时，由于塑性变形程度增加，粗糙度反而会有所上升。

切削深度ap一般来说，切削深度对加工表面粗糙度的影响是不明显的，在实际工作中可以忽略不计。

但当ap<0.02～0.03mm时，由于刀刃不是绝对尖锐而是有一定的圆弧半径，这时正常切削就不能进行，常挤压滑过加工表面而切不下切屑而将在加工表面上引起附加的塑性变形，从而使加工表面粗糙度增大。

所以切削加工不能选用过小的切削深度。

但过大的切削深度也会因切削力、切削热剧增而影响加工精度和表面质量。

切削液切削液的冷却和润滑作用，能减小切削过程的界面摩擦，降低切削区温度，从而减少了切削过程的塑性变形并抑制积屑瘤和鳞刺的生长，因此对减小加工表面粗糙度有利。

3.4.3被加工材料

一般来说，材料韧性越好，塑性变形倾向越大，在切削加工中，表面粗糙度就越大。

被加工材料对表面粗糙度的影响与其金相组织状态有关。

3.4.4工艺系统的精度和刚度

加工后的表面粗糙度要低，必须有高运动精度的机床和高刚度的工艺系统，有较强的抗振性，否则即使有很好的刀具，选择最佳的切削用量也很难获得高质量的加工表面。

3.4.5降低表面粗糙度的措施

如果已加工表面的走刀痕迹比较清楚，说明影响表面粗糙度的主要因素是几何因素，就应该首先考虑减小残留面积高度。

减小残留面积高度的方法，首先是改变刀具的几何参数，增大刀尖圆弧半径r和减小副偏角'r。

采用带有'r=0的修光刃的刀具或宽刃精刨刀、精车刀是生产中降低加工表面粗糙度所采用的方法。

不论是增大r、减小'r，或用宽刃刀都要注意避免振动。

减小进给量f，也能有效地减小残留面积高度，但减小进给量f会降低生产率，所以只有在改变刀具的几何参数后会引起振动或其它不良影响时才考虑减小进给量f。

如果已加工表面出现鳞刺或切削速度方向有积屑瘤引起的沟槽，那么就应从消灭积屑瘤和鳞刺着手。

可采取用更低或较高的切削速度，并配合较小的进给量，可有效地抑制积屑瘤和鳞刺的生长。

在中、低速切削时加大前角0，同时适当增大一些后角对抑制积屑瘤和鳞刺有一定的效果。

改用润滑性能良好的切削液，必要时对工件先进行正火、调质等热处理，以提高硬度，降低塑性和韧性。

3.5表面粗糙度理论的新进展

表面形貌评定的核心在于特征信号的无失真提取和对使用性能的量化评定，国内外学者在这一方面做了大量工作，提出了许多分离与重构方法。

随着当今微机处理技术、集成电路技术、机电一体化技术等的发展，出现了用分形法、Motif法、功能参数集法、时间序列技术分析法、最小二乘多项式拟合法、滤波法等各种评定理论与方法