淺析表面粗糙度的優(yōu)化及解決措施

張璇

摘要：表面粗糙度對零件使用情況有很大影響。一般說來，表面粗糙度數(shù)值小，會提高配合質(zhì)量，減少磨損，延長零件使用壽命，但零件的加工費(fèi)用會增加。因此，要正確、合理地選用表面粗糙度數(shù)值。在設(shè)計(jì)零件時(shí)，表面粗糙度數(shù)值的選擇，是根據(jù)零件在機(jī)器中的作用決定的。本文對表面粗糙度的影響因素進(jìn)行了分析，降低表面粗糙度是獲得好的工件表面的前提條件，并簡介了幾種降低表面粗糙度的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：表面粗糙度；切削參數(shù)；優(yōu)化方案

一、背景

隨著近幾年工業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)械制造行業(yè)面臨著諸多的市場競爭。主要體現(xiàn)在航空航天、汽車制造業(yè)、高端裝備制造業(yè)等。許多年以來，機(jī)加工行業(yè)一直被認(rèn)為是高質(zhì)量、高精度的生產(chǎn)方式，因此被各行各業(yè)廣泛應(yīng)用于精加工，并且目前已經(jīng)成為權(quán)衡一個(gè)國家強(qiáng)與弱以及機(jī)械工業(yè)化水平的重要象征，在工業(yè)生產(chǎn)中有著非常重要的地位。

對于數(shù)控銑削加工的研究，很多研究工作都是圍繞如何提高工件表面質(zhì)量、如何提高加工效率、如何降低加工成本這三個(gè)方面開展的。其中最受大眾關(guān)注的就是如何滿足客戶對于產(chǎn)品表面質(zhì)量的要求。降低產(chǎn)品的加工成本，并且保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量能夠?yàn)榭蛻魩砭薮蟮氖找妗Ｈ欢S著科技的不斷進(jìn)步，工業(yè)水平的不斷提高，在汽車模具、航空航天、精密儀器等領(lǐng)域中，出現(xiàn)了各種形狀不規(guī)則曲面并且產(chǎn)品外形也越來越復(fù)雜，因此也就對機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)條件及加工要求越來越嚴(yán)格。對于客戶的高質(zhì)量的要求中，較多主要集中在產(chǎn)品的質(zhì)量以及表面條件，尤其是產(chǎn)品的性能、外觀、可靠性，這些都會受到產(chǎn)品表面粗糙度的影響。

本文通過對表面粗糙度的優(yōu)化分析后，闡述了提高表面粗糙度的措施。

二、表面粗糙度的優(yōu)化分析方法

權(quán)衡銑削加工的一個(gè)重要指標(biāo)就是表面粗糙度，它除了會影響產(chǎn)品的外觀之外還對零件與其他對象接觸時(shí)的密封性、磨損量有重要影響。所以，設(shè)計(jì)出合理計(jì)算表面粗糙度值的方法先得尤為重要，下面列舉幾種較為常見的粗糙度評定參數(shù)，如圖2-1所示。

1.各種粗糙度的簡介

（1）表面算術(shù)平均高度 Sa

以 Ra（線的算術(shù)平均高度）為基準(zhǔn)面進(jìn)行擴(kuò)展，評定區(qū)域內(nèi)工件表面偏離基準(zhǔn)面的算術(shù)平均值，該參數(shù)一般用于評估表面粗糙度時(shí)。

（2）輪廓算術(shù)平均偏差

輪廓算術(shù)平均偏差是指在選取的某個(gè)取樣長度之間的區(qū)間內(nèi)，選取測量的某對應(yīng)的輪廓線上每個(gè)點(diǎn)與對應(yīng)基準(zhǔn)線的間隔長度的算術(shù)平均值，即是以下公式為：

（3）微觀波動曲線十個(gè)點(diǎn)的最大高度

在取樣長度中取輪廓峰高的五個(gè)最大值，然后再求其五個(gè)的平均值；另外再取對應(yīng)取樣長度的五個(gè)最大的輪廓谷深的數(shù)值，同樣再求其五個(gè)數(shù)值的平均值。最終這兩個(gè)平均值相加求和，即下面的公式：

2、加工參數(shù)的優(yōu)化分析方法

目前對于加工參數(shù)化方法的研究發(fā)展現(xiàn)狀，國內(nèi)和國外對于數(shù)控加工切削參數(shù)的優(yōu)化分析方法都有了很大的發(fā)展與進(jìn)步。一下對于基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法、田口實(shí)驗(yàn)法和遺傳算法進(jìn)行了分析與概括。

（1）基于 BP（back-propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network）是生理學(xué)上現(xiàn)實(shí)人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制和功能，是通過一些理論抽象、簡化和仿真對信息處理系統(tǒng)的一些基本特征進(jìn)行了表達(dá)。從系統(tǒng)的方面來看，ANN 是一個(gè)由極其較大數(shù)量的神經(jīng)元通過非常豐富且完美的連接的過程，組成了自適應(yīng)非線性動態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有真實(shí)人腦中各種基本的特征：具有存儲序列分布性和較大的容錯(cuò)能力；較大程度上可以并行處理的效能；自學(xué)性、自組織性以及自適應(yīng)性；可以解決一些關(guān)于復(fù)雜的環(huán)境信息、未明的知識背景信息和推理規(guī)則不太清楚的難題。

（2）田口實(shí)驗(yàn)法

田口實(shí)驗(yàn)法是一種高效率、低成本的質(zhì)量工程方法，該方法著重強(qiáng)調(diào)提高產(chǎn)品質(zhì)量并不僅僅是通過簡單的檢查與測驗(yàn)來判斷產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)異，而更為重要的是通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。田口法實(shí)驗(yàn)是由日本知名的工程管理專家、統(tǒng)計(jì)學(xué)家，田口玄一博士所創(chuàng)立的。日本視他研究的中心理論為國家的瑰寶。雖然在歐美等其他的發(fā)達(dá)國家擁有非常先進(jìn)技術(shù)的器材設(shè)備和較好的原產(chǎn)品材料，但是在使用和加工過程中仍然受到了非常嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

（3）遺傳算法

美國 Michigan 大學(xué)的教授 Holland和他的學(xué)生們在對生物模擬技術(shù)有了一定得靈感與啟示，提出了一種基于生物一定進(jìn)化進(jìn)制的、具有遺傳特性并且也可以優(yōu)化相對比較復(fù)雜系統(tǒng)的自動適應(yīng)概率的優(yōu)化方法，此稱之為遺傳算法。此種方法對未來的發(fā)展是較為快速的，因?yàn)檫@種算法能夠成為一種兼有較為高效率和實(shí)用性的優(yōu)化技術(shù)，目前得到了國內(nèi)外許多研究人員的關(guān)注。

三、降低表面粗糙度的措施

1.選擇合理的切削用量

切削速度對于工件表面的粗糙度有著重要的影響，通常高速切削或者降低速切削時(shí)，不會有機(jī)機(jī)屑瘤的產(chǎn)生，因此獲得的表面粗糙度的值相對較小。容易出現(xiàn)鱗刺和積屑瘤的情況是在切削速度為20-50m/min，加工塑性材料時(shí)，加之切削分離時(shí)的撕裂及擠壓變形的作用，更加使得表面粗糙度惡化。其次，適當(dāng)?shù)慕档瓦M(jìn)給量F也將減小表面粗糙的數(shù)值。除此之外，背吃刀量也對表面粗糙度有一定程度的影響。一般刀刃不可能絕對的尖銳，而是具有一定的刃口半徑，因此就會出現(xiàn)擠壓、打滑及周期性的切入工件表面，從而增大了表面粗糙值。因此，應(yīng)根據(jù)刃口的鋒利情況選擇對應(yīng)的背吃刀量，從而降低表面粗糙度的值。

2.選擇合理的刀具幾何參數(shù)

首先，傾角的增大有利于降低表面粗糙度的數(shù)值。實(shí)際工作前角會隨著傾角的增大而增大，因此金屬在切削過程中的塑性變形程度會隨之下降，從而切削力F也隨之下降，減小了工藝系統(tǒng)的震動，工件表面的粗糙度減小。其次，為了減小塑性變形，增大刀具的前角使用，使刀具易于切入工件，從而有利于減少表面粗糙度的數(shù)值。最后，當(dāng)前角一定時(shí)適當(dāng)加大后角，切削刃鈍圓半徑越小，刀刃越鋒利，從而減少了與加工表面間的摩擦與擠壓，有利于減小表面粗糙度的數(shù)值。

3.選擇合適的切削液和刀具材料

切削液的潤滑和冷卻作用均對減小工件表面粗糙度的數(shù)值。此外，在加工時(shí)刀具的刀面粗糙度及硬度的保持對表面粗糙度也有重要影響。

四、總結(jié)

本文首先對于粗糙度的概念做了簡介，而后對各種不同粗糙度提出了三種加工參數(shù)的優(yōu)化方法，即基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法、田口實(shí)驗(yàn)法、遺傳算法。最后提出了降低表面粗糙度的三種措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 周濟(jì)，周艷紅.數(shù)控加工技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社，2002.

[2] 胡澤華. 高性能五軸聯(lián)動數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2012.

（作者單位：天津市中天海河職業(yè)培訓(xùn)學(xué)院）