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摘要
随着现代制造业的发展，越来越多的设备被运用到制造业中，而制造业也需要越来越多的设备来满足发展。
但无论加工技术如何改进，它们始终都是在为一个目标服务，那就是工件的加工质量。
本文对加工质量中的表面粗糙度进行了较为详细的解说。
并对使其下降的原因和如何预防进行了分析。
关键词：
刀具;
振动;
切削液;
1表面粗糙度的介绍
1.1表面粗糙度的定义
中文名称：
表面粗糙度英文名称：
surfaceroughness定义：
评定加工过的材料表面由峰、谷和间距等构成的微观几何形状误差的物理量。
常用评定参数可分为高度参数、间距参数和形状参数（综合参数）三个系列。
图1.1
1.2表面粗糙度对零件使用的影响及主要表现
表面粗糙度对零件使用情况有很大影响。
一般说来，表面粗糙度数值小，会提高配合质量，减少磨损，延长零件使用寿命，但零件的加工费用会增加。
因此，要正确、合理地选用表面粗糙度数值。
在设计零件时，表面粗糙度数值的选择，是根据零件在机器中的作用决定的。
总的原则是：
在保证满足技术要求的前提下，选用较大的表面粗糙度数值。
具体选择时，可以参考下述原则：
（1）工作表面比非工作表面的粗糙度数值小。
（2）摩擦表面比不摩擦表面的粗糙度数值小。
摩擦表面的摩擦速度越高，所受的单位压力越大，则应越高；
滚动磨擦表面比滑动磨擦表面要求粗糙度数值小。
（3）对间隙配合，配合间隙越小，粗糙度数值应越小；
对过盈配合，为保证连接强度的牢固可靠，载荷越大，要求粗糙度数值越小。
一般情况间隙配合比过盈酝合粗糙度数值要小。
（4）配合表面的粗糙度应与其尺寸精度要求相当。
配合性质相同时，零件尺寸越小，则应粗糙度数值越小；
同一精度等级，小尺寸比大尺寸要粗糙度数值小，轴比孔要粗糙度数值小（特别是IT8～IT5的精度）。
（5）受周期性载荷的表面及可能会发生应力集中的内圆角、凹稽处粗糙度数值应较小。
主要表现在以下几个方面：
1）表面粗糙度影响零件的耐磨性。
表面越粗糙，配合表面间的有效接触面积越小，压强越大，磨损就越快。
2）表面粗糙度影响配合性质的稳定性。
对间隙配合来说，表面越粗糙，就越易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大；
对过盈配合来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有效过盈，降低了联结强度。
3）表面粗糙度影响零件的疲劳强度。
粗糙零件的表面存在较大的波谷，它们像尖角缺口和裂纹一样，对应力集中很敏感，从而影响零件的疲劳强度。
4）表面粗糙度影响零件的抗腐蚀性。
粗糙的表面，易使腐蚀性气体或液体通过表面的微观凹谷渗入到金属内层，造成表面腐蚀。
5）表面粗糙度影响零件的密封性。
粗糙的表面之间无法严密地贴合，气体或液体通过接触面间的缝隙渗漏。
6）表面粗糙度影响零件的接触刚度。
接触刚度是零件结合面在外力作用下，抵抗接触变形的能力。
机器的刚度在很大程度上取决于各零件之间的接触刚度。
7）影响零件的测量精度。
零件被测表面和测量工具测量面的表面粗糙度都会直接影响测量的精度，尤其是在精密测量时。
此外，表面粗糙度对零件的镀涂层、导热性和接触电阻、反射能力和辐射性能、液体和气体流动的阻力、导体表面电流的流通等都会有不同程度的影响。
2刀具对表面粗糙度的影响
2.1积削瘤和切削热
在说刀具对表面粗糙度的影响之前，我们有必要了解一下积削瘤和切削热。
1在金属切削过程中，常常有一些从切削和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成一个非常坚硬的金属堆积物，其硬度是工件材料硬度的2—3倍，能够代替刀刃进行切削，并且以一定的频率生长和脱落。
这种堆积物称为积削瘤。
它的作用：
1、保护刀具。
2、增大前角。
3、增大切削厚度4、增大已加工表面的粗糙度。
5、通常有减少刀具磨损，提高刀具寿命作用（如果积削瘤频繁脱落反而降低刀具寿命）。
显然，积削瘤有利有弊。
粗加工时，对精度和表面粗糙度要求不高，如果积削瘤能稳定生长，则可以代替刀具进行切削，保护了刀具，同时减少了切削变形。
精加工时，则绝对不希望积削瘤的出现。
2切削金属时，由于切屑剪切变形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都转变为热，这种热叫切削热。
使用切削液时，刀具、工件和切屑上的切削热主要由切削液带走；
不用切削液时，切削热主要由切屑、工件和刀具带走或传出，其中切屑带走的热量最大，传向刀具的热量虽小，但前面和后面上的温度却影响着切削过程、工件的表面质量和刀具的磨损情况，所以了解切削温度的变化规律是十分必要的。
2.2刀具几何参数的影响
1.前角前角增大，切削变形和摩擦产生的热量减小，切削温度下降。
但如果前角过大，刀具的散热体积减小，切削温度反而上升。
前角是车刀切削部分的一个最主要的角度，车刀是否锋利主要取决于前角的大小，一般在加大前角时，可以减小切屑变形，减少切屑和前刀面的摩擦，使切削力降低，切削起来很轻快。
增大前角还可以使车刀前刀面上承受切削力的位置后移，改善刀刃受力情况的同时还可以抑制积屑瘤的产生。
减小前角可增强刀尖强度，但切屑变形和切削力都会增大。
+前角的选择主要根据以下原则：
（1）加工塑性材料时，前角应取较大值；
加工脆性材料时，应选用较小的前角。
（2）工件材料的强度、硬度较低时，选用较大的前角；
反之，选用较小的前角。
（3）刀具材料坚韧性好时前角应选大些（如高速钢车刀）；
刀具材料坚韧性差时前角应选小些（如硬质合金车刀）。
（4）粗加工和断续切削时应选较小的前角；
精加工时应选较大的前角。
（5）机床、夹具、工件、刀具系统刚性差时应选较大的前角。
2.主偏角主偏角减小，刀刃工作长度和刀尖角增加，刀头散热体积增大，改善了散热条件，使切削温度下降。
主偏角是一个重要的角度，它对车刀的耐用度有很大的影响。
它的变化直接影响到切削厚度o<
与切削宽度《J。
的大小。
增大主偏角，切削厚度增大，切削宽度减小，切屑容易折断。
相反，减小主偏角时，切削刃单位长度上的负荷减轻，由于主切削刃工作长度增长，刀尖角增大，改善了刀具散热条件，提高了刀具的耐用度。
改变主偏角的大小，可改变径向力F，和轴向力F，的大小。
主偏角增大时，厂减小，不易产生震动。
常用的车刀主偏角有45‘、60‘、75‘、90‘几种。
主偏角的选择主要根据以下几点原则：
（1）工件材料越硬，应选取较小的主偏角。
（2）刚性差的工件（如细长轴）应选较大的主偏角，减小径向切削分力。
（3）在机床、夹具、工件、刀具系统刚性较好的情况下，主偏角应尽可能选小一些。
3.副偏角减少副切削刃与工件已加工表面间的摩擦。
较小的副偏角可显著地减少车削后的残留面积，减小工件的表面粗糙度。
但是减小副偏角会增加切削面积，容易引起振动，只有当工件、车刀、夹具和机床有足够的刚性时，才能取较小的副偏角。
有时为了得到光洁的工件表面，采用宽刃大走刀来进行精车，如果进给量小于刀刃宽度那么它的副偏角就等于零。
副偏角的选取主要根据以下原则：
（1）工件、车刀、夹具及机床系统的刚性好，可选较小的副偏角。
（2）精加工刀具应选较小的副偏角。
（3）加工高硬度材料或断续切削时，应选较小的副偏角，以提高刀尖强度。
4.刀尖角影响刀尖强度和散热性能。
实际工作中一般会磨一个过渡刃。
过渡刃的作用主要是提高刀尖强度和改善散热条件。
车削时，刀尖处的主副切削刃都参加切削，切削力和切削热最集中，温度最高，因此刀尖处的磨损最为严重。
加工中心而当刀尖处磨有过渡刃后，就能显著改善刀尖处的切削性能，提高车刀的耐用度。
过渡刃的形状有直线形和圆弧形（即刀尖圆弧半径r（）两种，前者因呈直线形，其偏角大小通常均取主偏角的一半左右，过渡刃长度为0.5—2mm。
而后者不但能提高车刀的耐用度，还可减少车削后的残留面积，降低工件已加工表面粗糙度；
但刀尖圆弧半径r《不宜过大，加工中心否则会引起振动如高速钢前角可比硬质合金刀具有所不同。
5.主后角减少车刀主后面和工件过渡表面间的摩擦。
后角大，相对的摩擦可以减少，车削时较轻快，车刀的磨损也比较慢。
但后角选得过大，车刀的楔角会显著减小，使车刀的强度大大降低，容易崩刃；
同时车刀刀刃的散热条件变差，磨损加剧。
后角的选择主要根据以下原则：
（1）加工硬度高、机械强度大及脆性材料时，应选较小的后角。
加工硬度低、机械强度小及塑性材料时，应选较大的后角。
（2）粗加工时应选取较小后角，精加工时应选取较大后角。
采用负前角车刀时，后角应选大些。
（3）工件与车刀的刚性差时应选较小的后角。
（4）高速车削时，应选较小的后角。
6.副后角减少车刀副后面和工件已加工表面间的摩擦。
7.刃倾角控制排屑方向。
当刃倾角为负值时，可增加刀头强度，并在车刀受冲击时保护刀尖。
刃倾角是一个重要的角度，它与切屑流向及刀具的强度有密切的关系。
当刃倾角为正值时，切屑流向工件待加工表面；
当刃倾角为负值时，切屑流向工件已加工表面；
当刃倾角为零时，切屑基本上垂直于主切削刃方向卷曲流出或呈直线状排出。
刃倾角为负值时，刀尖位于主切削刃的最低点。
切削时离刀尖较远的切削刃先接触工件，而后逐渐切人。
这样可使刀尖免受冲击，车削平稳，有利于保护刀尖，提高刀具的耐用度。
刃倾角的选择主要根据以下几点原则：
（1）一般粗车时（指工件圆整、被切层均匀），选取稍偏于负值的刃倾角（0°
—-3°
）；
精车时，应选取负值的刃倾角（-3°
—-
8°
）。
（2）强力车削时，选取负值的刃倾角（-5°
—-10°
冲击负荷大的断续车削时，应选取较大负值的刃倾角（-10°
以上）。
（3）加工高硬材料时，应选取负值的刃倾角，以提高刀尖强度。
硬质合金外圆车刀切削部分几何角度的标注
a）车刀切削部分几何角度的标注b）车刀外形图
图2.1
2.3刀具材料的影响
2.3.1刀具材料的基本性能
刀具材料是指刀具切削部分的材料。
金属切削时，刀具切削部分直接和工件及切削相接触，承受很大的压力、较高的温度、剧烈的摩擦和冲击等作用，为了适应如此频繁的切削负荷、恶劣的工作条件，保证工件质量，刀具材料应具备以下基本性能。
1高硬度
要对工件进行切削加工，刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，否则在高温高压下，就不能保持刀具锋利的几何形状，所以，高硬度是刀具材料最基本的性能。
2良好的耐磨性
耐磨性是指刀具材料抵抗摩擦和磨损的能力，是刀具材料应具备的主要条件之一。
耐磨性与硬度有密切关系，一般来说，材料的硬度越高，耐磨性也越好。
3足够的强度和韧性
在切削加工中，刀具切削部分的材料要承受各种应力、冲击载荷和振动。
为防止刀具变形、崩刃和断裂，刀具材料必须具有足够的强度和韧性。
通常用材料的抗弯强度和冲击韧性来表示。
4高耐热性
耐热性是指刀具材料在高温下仍能保持常温时的硬度、耐磨性、强度和韧性的能力，一般用红硬性或高温硬度表示。
刀具材料耐热性越好，表明刀具材料在高温时抗塑性变形和抗磨损的能力越强。
5良好的导热性
导热性是指刀具传导切削热的能力。
导热性越好，切削时产生的热量越容易传导出去，有利于降低切削温度和减轻刀具的磨损，提高刀具寿命。
6良好的工艺性和经济性
为了便于刀具的制造，刀具切削部分材料应具有良好的加工性能和热处理性能，即具有良好的可加工性能、可磨削性能、高温塑性、锻造性、焊接性及热处理工艺性等。
2.3.2刀具材料的种类及常用刀具材料
目前金属切削加工中应用的刀具材料，碳素工具钢已基本淘汰，合金工具钢也很少使用，所使用的道具材料主要分为高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石5类。
其主要物理力学性能如下表。
表2.1
我国目前应用最多的刀具材料是高速钢和硬质合金，其次是超硬材料和陶瓷材料。
高速钢是高速工具钢的简称，又叫锋钢、白钢，是在钢中加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。
表中列出了几种常见的高速钢的力学性能。
表2.2
硬质合金是用粉末冶金的方法制成的，它是由高硬度、高熔点的金属碳化物（碳化钨
WC、碳化钛TiC等）的微粉和金属黏结剂（钴Co、钼Mo等），在高压下压制成形，并在1500摄氏度的高温下烧结而成。
国际标准ISO将硬质合金分为P、K、M3大类，该3大类硬质合金的主要成分都是碳化钨，故又称碳化钨基硬质合金。
K类相当于我国的钨钴类硬质合金，代号YG，适用于加工短切削的黑色金属、有色金属和非金属材料，外包装用红色标志。
P类相当于我国的钨钛钴类硬质合金，代号YT，适用于加工长切削的黑色金属，外包装用蓝色标志。
M类相当于我国的钨钛钽钴类硬质合金，代号YW，适用于加工长、短切削的黑色金属和有色金属，外包装用黄色标志。
表2.3
3振动对表面粗糙度的影响
3.1振动的概念及危害
3.1.1概念
机械加工过程中，切削中会发生振动，这种振动主要是由于工艺系统刚度不足所引起的。
会破坏工件与刀具之间的正常运动轨迹，使加工表面产生振痕，将严重影响零件的表面质量和使用性能。
动态变载荷使刀具极易磨损，机床连接特性遭到破坏，缩短了刀具和机床的使用寿命。
当振动严重时，使加工过程无法进行。
为了减少振动，有时不得不降低切削用量，而使生产率下降。
各种切削和磨削过程都会发生振动，当速度高、金属切除率大时会产生较强烈的振动。
3.1.2振动的分类
工艺系统的振动可分为三种类型：
自由振动、受迫振动和自激振动。
a、自由振动：
当系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，仅靠弹性恢复力来维持的振动成为自由振动。
在切削过程中，由于材料硬度不均或工件表面有缺械加工的影响不大。
b、强迫振动：
是一种在工艺系统内部或外部周期性干扰力持续作用下，系统被破产生的振动。
c、自激振动：
系统在没有受到外界周期性干扰力作用下产生的持续振动称为自激振动。
维持这种振动的交变力是由振动系统在自身运动中激发出来的。
3.1.3机械加工过程中振动的危害
（1）影响零件的尺寸和位置精度及加工表面粗糙度当振动频率较高时会产生微观不平度，振动频率较低时会产生波度。
（2）影响生产效率机械加工过程一旦产生振动，就要减小切削用量，使得机床刀具性能得不到充分发挥，从而限制生产效率的提高。
（3）影响刀具寿命振动将使加工系统持续承受动态交变载荷作用，刀具极易磨损，甚至崩刃，特别像硬质合金，陶瓷等韧性差的刀具更是如此。
（4）影响机床、夹具的使用寿命振动会使机床、夹具的零部件的连接产生松动，间隙加大，接触刚度减小，精度降低，使用寿命缩短。
（5）产生噪声污染机械加工中的振动所引起的噪声有害与操作者的健康。
3.2机械加工过程中振动的防止方法
3.2.1减小强迫振动的途径
（1）对高速回转（600r/min以上）的零件进行平衡或设置自动平衡装置。
或采用减震装置。
（2）调整轴承及镶条等处的间隙，改变系统的固有频率，使其偏离激振频率：
调整运动参数，可能引起强迫振动的振源频率，远离机床加工薄弱的固有频率。
（3）提高传动装置的稳定性，如果在车床或磨床上采用少接头。
无接头皮带，传动皮带应选择长短一致。
用斜齿轮代替直齿轮，在主轴上安装飞轮等。
（4）在紧密磨床上用叶泵代替齿轮泵，在液压系统中采用缓冲装置等以消除运动冲击。
（5）将高精度的机床的动力源于机床本体分制在两个基础上以实现隔振。
常用隔振材料及隔振器有橡胶隔振器，泡沫橡胶，毛粘等。
（6）适当选择砂轮的硬度，粒度和组织，减轻砂轮堵塞，减小磨削力的波动。
（7）按均匀铣削条件适当选择铣刀直径，齿数和螺旋角；
增加铣刀齿数，以顺铣代替逆铣；
采用等距刀齿结构，破坏干扰力的周期性。
（8）刮研接触面，提高接触刚度，采用跟刀架，中心架等增强工艺系统刚度，选择较好的砂轮架导轨形式。
（9）采用粘结构的基础件及薄壁的封砂的床身等，增强阻尼，提高抗震能力。
（10）隔离外来振动的影响，采用隔离措施，如在磨床砂轮电动机底座和垫纸板之间垫上具有弹性的木板或硬胶皮等。
3.2.2自激振动的控制
自激振动主要受切削过程的工艺系统内部因素的影响。
主要影响因素有切削用量，刀具几何参数和切削过程中的阻尼等。
通过合理控制这些因素，就能减小或消除自激振动。
1、尽量减小重叠系数u重叠系数u直接影响再生效的大小。
重叠系数取决于加工方法，刀具的几何形状，切削用量。
图3-1中列出了两种加工方式的u值。
车螺纹时，u=0，工艺系统不会再生型自激振动产生，切断工件）时，u=1，再生效应最大。
对于一般外圆，纵向车削时，u=0到1，此时应通过改变切削用量和刀具几何形状，使u尽量减小，以提高切削的稳定。
2、合理选择刀具几何参数刀具几何参数中队振动影响最大的主偏角kr和r0.主偏角增大，则垂直于表面的切削分力减小，故不易产生振动。
当kr=90度时，振幅最小。
前角越大，切削力越小，振幅也越小。
图3.1所示为前角对振幅的影响。
适当的增大前角，主偏角，能减小Fy从而减小振幅，后角可尽量减小，但精加工中由于切削深度较小，后角较小时，刀刃不容易切入工件，且使刀具后面与加工表面间的间隙加剧，反而容易引起自振，通常在刀具的住后面上磨出一段后角为负的窄棱面，如图3.2所示，这样可以增大工件和后刀面之间的摩擦阻尼，起到很好的减震效果。
图3.1图3.2
3、合理选择切削用量图3.3中是切削速度与振幅的关系曲线。
从图中可以看出，在低速或高速切削时，振动较小。
图3.4图3.5时进给量和切削深度与振幅之间的关系曲线。
它们表明，选较大的进给量和较小的切削深度有利于减小振动。
采用高速切削或低速可以避免自激振动。
增大进给量可使振幅减小，在加工表面粗糙度允许的情况下，可以选取较大的进给量避免自激振动。
切削深度增大，切削宽度也增大，振动增强，选择切削深度时一定要考虑切削宽度对振动的影响。
图3.3图3.4
图3.5
4、提高工艺系统的刚度首先是提高机床的抗振性能。
例如外圆磨床的主轴系统要适当的减小轴承的间隙，滚动轴承要加适当的预紧力，以增强接触刚度。
工件与刀具的抗振性能成为系统薄弱环节时，应用细长刀杆加工孔时，要采用中间导向支撑来提高刀具的抗振性能等等。
5、采用减振装置在采用上述措施后仍然不能达到减振目的时，可考虑使用减振装置。
常用减振装置有阻尼减振器和冲击减振器：
a.阻尼减振器它利用固体和液体的摩擦阻尼来消耗振动的能量。
如机床主轴系统中附加阻尼减振器，它相当于间隙很大的滑动轴承，通过阻尼套和阻尼间隙中粘性油的阻尼作用来减振。
b.冲击减振器它是由一个与振动系统刚性相关的壳体和一个在壳体内自由冲击的质量块所组成的。
当系统振动时，自由质量块所组成的。
当系统振动时，自由质量块反复冲击振动系统，消耗振动的能量，以达到减振效果.
（6）合理安排机床—工件—刀具的相对位置
合理振型藕合自激振动原理，刚度比及方向的合理选择可以提高抗振性，抑制自激振动。
另外，车削加工时，工件的正转与反转对振动的影响往往不同，在很多情况下，工件反转切削时，其切削力方向往往与系统的高刚度方向一致，因此切削的稳定性较好。
4切削液对表面粗糙度的影响
4.1切削液的概述
切削液（cuttingfluid,coolant）是一种用在金属切、削、磨加工过程中，用来冷却和润滑刀具和加工件的工业用液体,切削液由多种超强功能助剂经科学复合配伍而成，同时具备良好的冷却性能、润滑性能、防锈性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀释特点。
金属切削加工中，常用的切削液分为3大类：
水溶液、乳化液和切削油。
合理地选择和使用切削液，可以改善刀具与工件、切削之间的摩擦状况，降低切削力和切削温度，减少刀具磨损，从而提高刀具耐用度，改善以加工表面质量和提高加工精度。
4.2切削液的作用
1润滑作用
金属切削加工液（简称切削液）在切削过程中的润滑作用，可以减小前刀面与切屑，后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部分润滑膜，从而减小切削力、摩擦和功率消耗，降低刀具与工件坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的切削加工性能。
在磨削过程中，加入磨削液后，磨削液渗入砂轮磨粒－工件及磨粒－磨屑之间形成润滑膜，使界面间的摩擦减小，防止磨粒切削刃磨损和粘附切屑，从而减小磨削力和摩擦热，提高砂轮耐用度以及工件表面质量。
2冷却作用
切削液的冷却作用是通过它和因切削而发热的刀具（或砂轮）、切屑和工件间的对流和汽化作用把切削热从刀具和工件处带走，从而有效地降低切削温度，减少工件和刀具的热变形，保持刀具硬度，提高加工精度和刀具耐用度。
切削液的冷却性能和其导热系数、比热、汽化热以及粘度（或流动性）有关。
水的导热系数和比热均高于油，因此水的冷却性能要优于油。
3清洗作用
在金属切削过程中，要求切削液有良好的清洗作用。
除去生成切屑、磨屑以及铁粉、油污和砂粒，防止机床和工件、刀具的沾污，使刀具或砂轮的切削刃口保持锋利，不致影响切削效果。
对于油基切削油，粘度越低，清洗能力越强，尤其是含有煤油、柴油等轻组份的切削油，渗透性和清洗性能就越好。
含有表面活性剂的水基切削液，清洗效果较好，因为它能在表面上形成吸附膜，阻止粒子和油泥等粘附在工件、刀具及砂轮上，同时它能渗入到粒子和油泥粘附的界面上，把它从界面上分离，随切削液带走，保持切削液清洁。
4防锈作用
在金属切削过程中，工件要与环境介质及切削液组分分解或氧化变质而产生的油泥等腐蚀性介质接触而腐蚀，与切削液接触的机床部件表面也会因此而腐蚀。
此外，在工件加工后或工序之间流转过程中暂时存放时，也要求切削液有一定的防锈能力，防止环境介质及残存切削液中的油泥等腐蚀性物质对金属产生侵蚀。
特别是在我国南方地区潮湿多雨季节，更应注意工序间防锈措施。
5其
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