表面粗糙度產生原因及影響因素的分析與控制

李志江

（徐州技師學院，江蘇 徐州 221151）

表面粗糙度是指零件表面上具有的較小間距和峰谷所形成的微觀幾何形狀誤差，是在機械加工中，因切削刀痕、表面撕裂擠壓、振動和磨擦等因素，在被加工表面上留下的間距很小的微觀起伏。表面粗糙度是零件表面品質的重要技術指標，在設計每一個零件時，都要按照使用要求規定相應的等級，制造零件時必須予以保證。筆者謹就表面粗糙度對零件使用性能的影響及其產生的原因、影響因素與控制措施等相關問題略作闡述，以供同行參考。

1 表面粗糙度對零件使用性能的影響

1.1 對配合性質的影響

對于配合零件來說，無論是間隙配合、過渡配合還是過盈配合，如果表面加工得過于粗糙，零件裝配后，實際接觸面積減少，就會削弱接觸強度。

對于間隙配合，由于表面粗糙度將使配合間隙在初期磨損階段便迅速增大，從而改變應有的配合性質，很可能在機器未進入正常的工作狀態前就已漏氣、漏油或晃動而不能正常工作。所以在配合間隙要求很小、很精密的情況下，不僅要保證配合表面有較高的尺寸精度、形狀精度，還應保證有較小的表面粗糙度。

對過盈配合來說，零件在裝配過程中，配合表面的凸峰被擠平，使實際有效過盈減少，從而降低了配合表面的連接強度。

1.2 對零件耐磨性的影響

零件的耐磨性主要與磨擦副的材料和潤滑條件有關，但在這些條件一定的前提下，表面粗糙度對磨擦面的磨損影響極大，并不是表面粗糙度越細就越耐磨。實驗證明，存在某個最佳點，此點對應的粗糙度是零件最耐磨的粗糙度，具有這樣粗糙度的零件，其初期磨損量最小。

如摩擦載荷加重或潤滑條件惡化時，最佳粗糙度隨之逐漸變差。在一定的工作條件下，如果兩個接觸表面太粗糙，往往先在一些凸峰頂部接觸，因此，實際接觸面積遠遠小于理論接觸面積，將使實際壓強增大，粗糙不平的凸峰互相嚙合、擠裂和切斷加劇，將產生彈性變形、塑性變形及剪切等現象，磨損也就加劇。

表面粗糙度過細，也會導致磨損加劇，因為表面太光滑時，金屬原子的吸附力加大，接觸表面間的潤滑油層被擠掉而形成干摩擦，使金屬表面發熱產生膠合，從而損壞表面。

1.3 對耐腐蝕性的影響

零件在潮濕的空氣中或在腐蝕介質中工作時，會發生化學腐蝕或電化學腐蝕。由于表面粗糙度的凹谷處容易因腐蝕性介質存在而發生化學腐蝕，或在表面粗糙度的凸峰間容易產生電化學作用而引起電化學腐蝕。表面越粗糙，腐蝕越嚴重，因此，減小表面粗糙度值，就可以提高零件的耐腐蝕性。

1.4 對零件疲勞強度的影響

在交變載荷的作用下，零件表面的微觀高低不平和表面的缺陷會引起應力集中，在微觀低凹點的應力易于超出疲勞極限而出現疲勞裂縫。實驗表明，對于承受交變載荷的零件，減少表面粗糙度值可使疲勞強度提高。

2 表面粗糙度產生的原因

2.1 殘留面積

工件的已加工表面是由刀具的主、副切削刃切削后形成的。兩條切削刃在已加工表面上留下的痕跡如圖1所示。

圖1 切削刃殘留面積

這些在已加工表面上未切去部分的截面積，稱為殘留面積。它是影響表面粗糙度的基本因素，由圖1 a可知，當刀尖圓角半徑re=0時殘留面積

由圖1 b可知，當刀尖圓角半徑re≠0時，

在實際的切削過程中，切削刃的表面粗糙度也會反映在工件已加工表面上。此外，切削刃還會殘留面積，實際表面粗糙度的最大值往往大于殘留面積高度，只有高速切削塑性材料才較接近。為了減小殘留面積高度，在公式H=f2/8 re中應增大re和減小f。

但增大re會使吃刀抗力Fp增大，且易引起振動，只有在機床－刀具－工件系統剛度足夠時才能采用。

硬質合金刀具在切削高速鋼的情況下，當進給量f小于一定限度后，實際表面粗糙度反而降低。這是由于圓弧刃切削厚度是變化的，近副切削刃處，切削厚度比刃口圓弧半徑re小得多，以至于有部分金屬未被切除，擠在副后刀面與已加工表面之間，劇烈硬化，使副后刀面磨損成溝槽，切削一段時間后，甚至可出現幾條溝槽，其間距等于進給量。

2.2 積屑瘤

用低速及中速（v＜80m/min）切削一般鋼料或其他塑性材料時，由于切屑的滯流層強烈粘附在前刀面上，停留不動，與切屑間產生相對運動而形成積屑瘤。積屑瘤的硬度高，能代替刀具進行切削。積屑瘤長成時，會伸出刀刃及刀尖之外，改變了原來的切削深度及切削厚度，因而影響了工件的尺寸精度。由于積屑瘤前端各點伸出刀刃的距離不相等，因而在加工表面上刻劃出縱向犁溝，降低了已加工表面的粗糙度。積屑瘤破碎后，犁溝突然中止，積屑瘤的碎片鑲在犁溝的終點處，在已加工表面上形成硬點。

積屑瘤的高度與切削溫度有密切關系，如車削中碳鋼時，前刀面平均溫度約在300℃時，積屑瘤長得最高，一般當平均溫度大于500℃時，積屑瘤消失。切削速度對切削溫度影響最大，因而在某一適中的切削速度范圍內，積屑瘤長得最大，進給量、前角等影響切削溫度及切屑與前刀面的接觸長度，因而也影響積屑瘤。切削厚度大時，積屑瘤的高度增大。前角大時，積屑瘤的高度減小；材料硬度低、塑性大時，積屑瘤高度增大。潤滑性能優良的切削液，可減小甚至會消除積屑瘤；刀具材料和工件材料之間的粘結性差，則不易生成積屑瘤。

2.3 鱗刺

在比較低的速度下切削塑性金屬時，在已加工表面上經常有鱗片狀毛刺出現，俗稱鱗刺。鱗刺的形成過程一般可分為4個階段。

（1）抹拭階段。切屑以剛切離的新鮮表面抹拭去摩擦面上有潤滑作用的吸附膜，摩擦系數逐漸增大，為這兩種相摩擦材料的粘附創造條件。

（2）導裂階段。由于抹拭的結果，強烈的摩擦“制動”作用，使靠近前刀面的切屑滯流層中最底層停留在前刀面上。由于切屑流動受到阻礙，使變形區應力劇增。結果在刀刃的前下方，切屑與加工表面之間出現一裂口，即所謂導裂。

（3）層積階段。切屑在前刀面上停留，便以其圓鈍的外形不斷擠壓切削層，使切削層中受到擠壓的金屬轉變為切屑，并逐層地積聚在原切屑的下方。因而隨著層積過程的發展，切削厚度逐漸增大，切削力也隨之增大。

（4）刮成階段。當層積金屬達到一定厚度時，推動切屑沿前刀面流出的分力，便可增加到克服刀具與切屑粘附力的程度，于是切屑又重新開始沿前刀面流出，同時刀刃便刮出鱗刺頂部。這樣，一個鱗刺的形成過程便告結束，又開始另一鱗刺的形成過程。

鱗刺因塑性變形而硬化，由于它是因切屑滯流或停留，導致切削應力的變化，引起工件材料的撕裂和剪切，故其表面微觀特征是鱗片狀的凹凸不平，其分布近似于沿整個刀刃寬度，并垂直于切削速度方向。

2.4 切削過程的塑性變形

切削鋼件時，被切削的金屬粘結在刃口圓弧半徑前，這層粘結的金屬與已加工表面分離時形成粗糙度。粘結情況與切削速度和刃口半徑有關。切削速度越高，粘結越輕；圓弧半徑越小，粘結越輕，越容易獲得較好的表面粗糙度。

切削脆性材料如鑄鐵時，由于其中含有石墨，強度低，由此產生裂紋，形成不規則崩碎狀切屑。這些裂縫深入到已加工表面之下，就會影響表面粗糙度。

2.5 刀刃與工件相對位置變動

機床主軸回轉精度不高，各滑動導軌面的形狀誤差與潤滑狀況不良，材料性能的不均勻性，切屑的不連續性等，都會使刀具與工件間已調好的相對位置發生附加的微量變化，從而引起切削厚度、切削寬度或切削力發生變化，甚至誘發自激振動，使表面粗糙度數值增大。如果機床－刀具－工件系統剛度不夠時，則表面粗糙度將顯著惡化。

3 影響因素及控制措施

3.1 切削用量

（1）切削速度。切削速度是影響加工表面品質的一個重要因素，其對表面粗糙度的影響比較復雜。以切削普通碳鋼為例，一般情況下速度較低時易產生鱗刺，并開始形成積屑瘤；中速時積屑瘤高度達到最大值。故在低速、中速時加工表面品質較低。為此，常輔以增大前角、選用較小進給量、提高刀具刃磨品質和使用性能良好的切削液等來提高加工表面品質。

當切削速度越高，切削過程中切屑和加工表面層的塑性變形的程度越小，加工后表面粗糙度值也就越小。實驗證明，產生積屑瘤的臨界速度將隨加工材料、切削液及刀具狀況等條件的不同而不同。

（2）進給量。進給量越小，表面殘留面積越低，表面粗糙度越小。在高速區，利用小進給量來提高加工表面品質是一個較為有效的措施；在中速區，為了抑制積屑瘤，應選取較大進給量，但還應配合選用較小的副偏角或磨出修光刃，以達到減小殘留面積高度的目的；在低速區，減小進給量后，能減小或抑制積屑瘤、鱗刺和冷硬等現象產生。但進給量不宜過小，否則，會加劇刃口圓弧半徑對加工表面的擠壓，增加冷硬程度和表層殘余應力，所以在生產中使用硬質合金刀具切削時，進給量f≥0.15 mm/r。

（3）背吃刀量。一般情況下，背吃刀量ap對加工表面粗糙度的影響是不明顯的。但當ap＜0.02～0.03 mm時，由于刀刃不可能刃磨的絕對尖銳，而具有一定的刃口半徑，正常切削就不能維持，常出現擠壓、打滑和周期性地切入加工表面，從而使表面粗糙度值增大。為降低加工表面粗糙度值，應根據刀具刃口刃磨的鋒利情況，選取相應的背吃刀量。

3.2 刀具幾何參數

（1）刃傾角。增大刃傾角λs對降低表面粗糙度值有利。因為λs增大，實際工作前角也隨之增大，切削過程中的金屬塑性變形程度隨之下降，于是切削力F也明顯下降，這會顯著地減輕工藝系統的振動，從而使加工表面的粗糙度值減小。

（2）主偏角、副偏角。減少刀具的主偏角Kr、副偏角Kr′以及增大刀尖圓弧半徑rε，可減小切削殘留面積，使其表面粗糙度值減小。

（3）前角。增大刀具的前角使刀具易于切入工件，塑性變形小，有利于減小表面粗糙度值。但當前角太大，刀刃有嵌入工件的傾向，反而使表面變粗糙。

（4）后角。當前角一定時，后角越大，切削刃鈍圓半徑越小，刀刃越鋒利；同時，還能減小后刀面與加工表面間的摩擦和擠壓，有利于減小表面粗糙度值。但后角太大削弱了刀具的強度，容易產生切削振動，使表面粗糙度值增大。

3.3 刀具材料

由于刀具材料的化學成分不同，刀具硬度及刀具刃磨后的粗糙度不同，刀具材料與被加工材料金屬分子的親合程度不同，刀具前后刀面與切屑和加工表面間的摩擦系數等均有所不同，所以加工出的工件表面粗糙度會有很大差異。

3.4 工件材料

同一把刀具加工不同的金屬材料，表面粗糙度會有所不同，因此，要提高表面粗糙度，還應以不同的材料采取不同的措施。熱處理工藝是改善工件材料性能，減小其表面粗糙度值的有效措施。為此對工件進行正火或回火處理后再加工，能使加工表面粗糙度值明顯減小。

3.5 切削液

切削液的冷卻和潤滑作用，均對減小加工表面的粗糙度值有利，其中更直接的是潤滑作用，當切削潤滑液中含有表面活性物質如硫、氯等化合物時，潤滑性能增強，能使切削區金屬材料的塑性變形程度下降，從而減小了加工表面的粗糙度值。

3.6 振動

工藝系統振動分為受迫振動和自激振動。強迫振動是由外界周期性作用力引起的，例如機床主軸的徑向跳動、安裝誤差造成離心力等。對于這種振動，只要找到振源，進行必要調整和修理就可以了。

自激振動是由于切削過程中作用力的變動而引起的，它和系統自身有關。例如機床間隙過大、切屑與刀具間磨擦力變化、積屑瘤不穩定導致切削厚度變化等。對于這類振動要從機床－刀具―工件等整個系統著手進行解決。

4 結束語

雖然表面粗糙度產生的原因很多，影響的因素很多，但只要對癥下藥，認真對待，嚴格控制，表面粗糙度質量一定會得到提高。

[1]何兆鳳.公差配合與技術測量（第二版）［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2001.

[2]肖慶中.金屬切削原理與刀具（第二版）［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2001.

[3]機械工程手冊編輯委員會.機械工程手冊［M］.北京：機械工業出版社，1983.

[4]馮高頭，高學平.常見粗糙度缺陷的原因分析與排除［J］.機械工人，2002，(2)：61-62.