工件表面粗糙度的问题解析

黄莉

（河池市职业教育中心学校，广西 河池 547000）

在机械加工过程中，由于切削分离时的塑性变形、工艺系统的振动、刀具与已加工表面间的摩擦等因素影响，使加工后的工件表面，总会存在许多高低不平的微小峰谷，这些零件被加工表面上的微观几何形状误差，称为表面粗糙度。

1 产生的原因

切削加工时，虽然刀具表面和刀刃都磨得很光，但已加工表面粗糙度却远远大于刀具表面的粗糙度。其产生的原因可归纳如下。

1.1 几何因素所产生的粗糙度

这主要决定于残留面积的高度。

1.2 切削过程不稳定因素所产生的粗糙度

其中包括积屑瘤、麟刺、切削变形、刀具的边界磨损、刀刃与工件相对位置变动等。

（1）残留面积。切削时，由于刀具与工件的相对运动及刀具几何形状的关系，有一小部分金属未被切下来，而残留在已加工表面上，称为残留面积，其高度直接影响已加工表面的横向粗糙度。

（2）积屑瘤。当切削塑性金属时，常在靠近切削刃及刀尖的前刀面上，产生积屑瘤，积屑瘤的硬度很高，在相对稳定时，可以代替切削刃进行切削。由于积屑瘤会伸出切削刃及刀尖之外，从而产生一定的过切量∞，加以积屑瘤的形状不规则，因此切削刃上各点积屑瘤的过切量不一致，从而在加工表面上沿着切削速度方向，刻划出一些深浅和宽度不同的纵向沟纹。其次，积屑瘤作为整体来说，虽然它的底部相对比较稳定，但它的顶部常是反复成长与分裂。分裂的积屑瘤一部分，附在切屑底部而排出；另一部分，则留在已加工表面上形成鳞片状毛刺；同时积屑瘤顶部的不稳定又使切削力波动而有可能引起振动。因此进一步使加工表面粗糙度增大。所以可以说，除了残留面积所形成的已加工表面粗糙度之外，要算积屑瘤的成长与分裂，对表面粗糙度的影响最为严重。

（3）鳞刺。鳞刺就是已加工表面上出现的鳞片状的毛刺。在较低及中等的切削速度下，用高速钢、硬质合金或陶瓷刀具切削低碳钢、中碳钢、鉻钢、不锈钢、铝合金及铜合金等塑性材料时，无论是车、刨、插、钻、拉、滚齿、插齿及螺纹切削等工序中，都可能出现鳞刺。鳞刺的晶粒和基体材料的晶粒相互交错，鳞刺与基体材料之间没有分界线。鳞刺的出现，使已加工表面的粗糙程度增加；因此，它是塑性金属切削加工中获得良好加工品质的一个障碍。在切削塑性材料时，无论有无积屑瘤，都有可能产生鳞刺。

（4）切削过程中的变形。在挤裂或单元切屑的形成过程中，由于切屑单元带有周期性的断裂，这种断裂要深入到切削表面以下，从而在加工表面上留下挤裂的痕迹而成为波浪形。而在崩碎切屑的形成过程中，从主切削刃处开始的裂纹，在接近主应力方向斜着向下延伸形成过切。因此，造成加工表面的凹凸不平。其次，由于在切削刃两端没有来自侧面的约束力，因此，在切削刃两端的已加工表面及待加工表面处，工件材料被挤压而产生隆起，从而使表面粗糙度进一步增大。

（5）刀具的边界磨损。刀具磨损后，有时会在副后面上产生沟槽形边界磨损，从而在已加工表面上形成锯齿状的凸出部分。因此，使加工表面粗糙度增大。

（6）刀刃与工件相对位置变动。由于机床主轴轴承回转精度不高，及各滑动导轨面的形状误差等，使运动机构发生跳动，材料的不均匀性及切屑的不连续等，造成的切削过程波动，均会使刀具、工件间的位移发生变化，从而使切削厚度、切削宽度或切削力度发生变化。因此，在很多情况下，这些不稳定因素会在加工系统中诱发起自激振动，使相对位置变化的振幅更加扩大，以致影响到背吃刀量的变化，从而使表面粗糙度增大。

由上述分析可知，要减小表面粗糙，必须减小残留面积、消除积屑瘤和鳞刺，减小工件材料的塑性变形及切削过程中的振动等。

在切削加工中，若发现工件表面粗糙度值达不到图样要求时，应先仔细观察和分析影响工件表面粗糙度值的表面形成，并找出主要影响因素，从而有针对性地加以解决。

2 表面粗糙度差的表现及应对方法

2.1 减小残留面积高度

减小主偏角、副偏角和进给量及增大刀尖圆弧半径，都可以减小残留面积高度，具体实施时应注意：

（1）一般减小副偏角Kr'。尤其是使用Kr'=0°的修光刃，对减小表面粗糙度甚为有效。但修光刃不能过长，否则会引起振动，反而使表面粗糙度增大。一般只要比进给量稍大一些即可。此外，有修光刃的刀具，必须在安装时保证修光刃与已加工表面平行，否则效果不佳。

（2）适当增大刀尖圆弧半径。但如果机床刚性不足，刀尖圆弧半径过大，会使径向径力Fy'增大而产生振动，反而使表面粗糙度值增大。

（3）减小进给量。不仅可以减小残留面积，而且可以减小积屑瘤和鳞刺的高度，故可以减小加工表面粗糙度。

（4）提高切削速度。可以使积屑瘤和麟刺减小甚至消失，并可减小工件材料的塑性变形，因而可以减小表面粗糙度。

2.2 避免积屑瘤和鳞刺的产生

可用改变切削速度的方法，来抑制积屑瘤的产生。如果用高速钢车刀，应降低切削速度Vc＜5m/min，并浇注切削液；用硬质合金车刀时，应提高切削速度C，避免最容易产生积屑瘤的中速范围，Vc=15～30m/min。

刀具前角r。一般对粗糙度的影响不大，但对于塑性大的材料，在保证刀刃强度的前提下，增大车刀前角，能有效地抑制积屑瘤和鳞刺的生成。

刀面及切削刃的表面粗糙度，对工件表面粗糙度有直接影响。由于刀具表面粗糙度的减小，有利于减小摩擦，从而可抑制积屑瘤和鳞刺的生成。因此，刀具前刀面与后面的粗糙度，必须小于工件所要求的表面粗糙度；并且最好不要大于Ra1.25μm，否则会显著降低刀具耐用度。

2.3 避免摩擦亮斑

工件在车削时，已加工表面出现亮斑或亮点，切削时又有噪声，说明刀具已严重磨损。磨钝的切削刃，将工件表面挤压出亮痕，使表面粗糙度变大，这时应及时重磨或换刀。

2.4 防止切屑拉毛已加工表面

表面切屑拉毛工件，会在已加工表面出现不规则的较浅划痕，为此应选用正倾刃角的车刀。使切屑流向工件待加工表面，并采取合适的断屑措施。

2.5 防止和消除振纹

车削时，由于工艺系统的振动，而使工件表面出现周期性的横向或纵向的振纹。为此应从以下几个方面加以防止：

（1）机床方面。调整主轴间隙，提高轴承精度。调整中、小滑板镶条，使间隙＜0.04mm。并保证移动平稳、轻便。选用功率适宜的车床，增强车床安装的稳固性。

（2）刀具方面。合理选择刀具几何参数，经常保持切削刃光洁、锋利。增加刀柄的截面积，减小刀柄伸出长度，以提高其刚性。

（3）工件方面。增强工件的安装刚性。

（4）切削方面。选用较小的切削深度和进给量，改变或较低切削速度。

2.6 合理选择切削液保证充分冷却润滑

采用高效切削液，可以减小工件材料的变形和摩擦。而且是抑制积屑瘤和鳞刺的产生，减小表面粗糙度的有效措施。但随着切削速度的提高，其效果将随之减小。

3 结束语

表面粗糙度值的大小，对工件的耐磨性、耐腐蚀性、疲劳强度、配合性质等都有很大的影响。本文对表面粗糙度的概念、产生的原因，影响表面粗糙度的因素，减小表面粗糙度值所采取的措施等问题进行了一些探讨，并藉以探索提高工件加工质量及效率的途径。

[1]陈日矅.金属切削原理[M].武汉：华中理工大学出版社，1993.

[2]周泽华.金属切削理论[M].北京：机械工业出版社，1992.

[3]金属切削的理论与实践编委会.金属切削的理论与实践[M].北京：人民出版社，1979.

[4]陈日矅.刀刃不平度及刃口园半径的起始值在薄切削的效应问题[J].工具技术，1980，（1）：10-18.

[5]机械工程手册编辑委员会.机械工程手册（第46篇金属切削方法）[M].北京：机械工业出版社，1981.