切削加工表面完整性

郭大光

摘 要：零件表面經過加工后，看起來很光滑，但經過放大觀察呈現出凹凸不平。表面粗糙度是零件在加工過程中由于不同的加工方法、機床與工具的精度、振動及磨損等因素在加工表面形成的具有較小間距和峰谷的微觀不平狀況，屬于微觀幾何誤差。零件表面功用不同，零件所需表面參數值也不一樣。零件圖上要標注表面粗糙度代號，用以說明該表面完工后需要達到的表面特性。

表面粗糙度一般由采用的加工方法和其他因素所形成，加工方法和工件材料不同，被加工表面留下痕跡的深淺、疏密、形狀和紋理都有差別[1]。表面粗糙度與機械零件的配合性質、耐磨性、疲勞強度、接觸剛度、振動和噪聲等有密切關系，尤其對機械產品的使用壽命和可靠性有重要影響。

關鍵詞：切削加工 表面粗糙度 測試與方法

切削加工中影響表面粗糙度的因素

切削加工中表面粗糙度的影響因素可歸納為三個方面：切削過程中刀刃在工件表面留下的殘留面積；切削過程中塑性變形及積屑瘤和鱗刺生成的影響；切削過程中刀與工件相對位置的微幅振動。

1加工表面粗糙的原因

（1）殘留面積：殘留面積是刀具的主、副切削刃切削后，殘留在已加工表面上的一些尚未被切去的面積。

鱗刺：用高速刀具低速或中速切削塑料金屬材料時，如低碳鋼、中碳鋼、不銹鋼、鋁合金等，常在已加工表面上產生魚鱗片狀的毛刺，成為鱗刺。出現鱗刺會顯著增大已加工表面的表面粗糙度。如圖2- 2鱗刺剖面的顯微圖片所示，鱗刺的表面微觀結構為鱗片狀，有一定高度，鱗片分布近似于整個刀刃寬度，其寬度近似垂直于切削速度方向。

（2）積屑瘤：在切削加工過程中，如圖圖2- 3 刀片積屑瘤形貌所示，當產生積屑瘤時，其突出部分能代替切削刃進入攻堅，在已經加工的表面上畫出深淺不一的溝紋，當積屑瘤脫落時，部分積屑瘤碎片粘附在已加工的表面上，形成細小毛刺，造成表面粗糙度增大。

（3）振動：在切削加工時，由于工藝系統產生周期性振動，使得已加工表面出現條痕或波紋痕跡，使表面粗糙度值明顯增大。

2影響切削表面粗糙度的因素

凡是影響殘留面積、積屑瘤、鱗刺、振動的因素都影響加工表面的粗糙度。

（1）切削用量：進給兩對殘留面積的影響最大，進給兩減小，殘留面積減小。切削塑性金屬時，當切削速度很低或很高時，表面粗糙度值較小，這是因為低俗時積屑瘤不易產生；切削速度較高時，塑性變形減小，可消除鱗刺的產生。在切削脆性材料時，切削速度的影響較小，因為材料變形小，故而表面粗糙度值也減小。

（2）刀具幾何參數：刀具的刀劍圓尖半徑、主偏角和副偏角對殘留面積和振動有較大的影響，一般當刀尖圓弧半徑增大，主偏角和副偏角減小時，表面粗糙度值小，但如果機床剛度低，刀尖圓弧半徑過大或主偏角過小，會由于切削力增大而產生振動，使得表面粗糙度值增大。

（3）刀具材料：刀具的材料不同，刃口圓弧半徑的大小和保持鋒利的時間是不同的，高速鋼刀具刃可以磨的很鋒利，但保持的時間較短，所以在低速切削時表面粗糙度值較小。硬質合金刀具刃磨后刃口圓弧半徑較大，在高速度下切削表面粗糙度值較小。

（4）工作材料：加工塑性材料時，工件材料的塑性越低，硬度越高，則出現積屑瘤、鱗刺。冷硬的現象減小，表面粗糙度值越小。因此高碳鋼、中碳鋼、調質鋼就愛工后表面粗糙度值比低碳鋼小，加工鑄鐵時，由于切屑呈崩碎型，故而在同樣加工條件下，切削鑄鐵的表面粗糙度值比鋼大。

3表面粗糙度的評定

表面粗糙度的測試方法主要是采用中線評價法。工程應用中表面粗糙度參數主要從下列三項中選取。

（1）輪廓算數平均偏差Ra

在取樣長度內，沿測量方向（y方向）的輪廓線上的點與基準線l之間距離絕對值的算術平均值：

（3）輪廓最大高度Ry

在取樣長度內，輪廓最高峰頂線和最低谷底線之間的距離。

為研究表面粗糙度對零件性能的影響和度量表面微觀不平度的需要，從20世紀20年代末到30年代，德國、美國和英國等國的一些專家設計制作了輪廓記錄儀、輪廓儀，同時研制出了光切式顯微鏡和干涉顯微鏡等用光學方法來測量表面微觀不平度的儀器，為從數值上定量評定表面粗糙度創造力條件[2]。

選取基準線是測量粗糙度的研究，基準線是用以評定表面粗糙度參數給定的先，它是表面粗糙度二維評定的基準。基準線有下列兩種：一是輪廓的最小二乘中線。具有幾何輪廓形狀并劃分輪廓的基準線，在取樣長度內使輪廓線上各點的輪廓偏距的平方和為最小。二是輪廓的算術平均中線。具有幾何輪廓形狀在取樣長度內與輪廓走向一致的基準線。在高度特性參數常用的參數值范圍內（Ra為0.025μm～6.3μm，Rz為0.1～25μm）優先選用Ra。

4表面粗糙度的測試

表面粗糙度測試方法較多，工程中應用較多的主要是比較法、光切法、觸針法和干涉法。科學研究中，除了可以采用輪廓儀外，還可以采用原子力顯微鏡分析和掃描電子顯微鏡分析等方法來測定表面粗糙度形貌。

4.1比較法

比較法是將被測量表面與標有一定數值的粗糙度樣塊進行比較，來確定被測表面的粗糙度數值的方法。將表面粗糙度比較樣塊根據視覺和觸覺與被測表面比較，判斷被測表面粗糙度相當于哪一種數值，或測量其反射光強變化來評定表面粗糙度。樣塊是一套具有平面或圓柱表面的金屬塊，表面經過磨、車、鏜、銑、刨等切削加工，電鑄或其他鑄造工藝等加工而具有不同的表面粗糙度。現在已經有多種加工狀態下標準比較樣塊的組合，如圖2- 4所示。

利用樣塊根據視覺和觸覺評定表面粗糙度的方法雖然簡便，但不精準，需要一定的經驗度才能做出較好的判斷。比較法要求樣板的加工方法、加工紋理、加工方向、材料與被測零件表面相同。比較法特點是測量簡便，可直接使用于車間現場測量，常常用于中等或較粗糙表面的測量。

4.2光切法測表面粗糙度

光切法是讓光線通過狹縫投射到被測表面上并與表面形成輪廓曲線，測量曲線可測得表面粗糙度（如圖2- 5），光經過聚光鏡、狹縫、右邊的物鏡1后，以45°的角度經過狹縫投射到被測表面，形成被測表面的截面輪廓圖形，通過左邊的物鏡2將圖形放大后投射到測量板上。利用測微目鏡和讀數鼓輪顯讀出h值，計算后得出H值。該方法適用于測量Rz和Ry為0.5～100μm的表面粗糙度，需要人工取點，測量效率低。

4.3觸針法測表面粗糙度

觸針法中，通常利用針尖曲率半徑為2μm左右（可換直徑不同的觸針）的金剛石觸針[3]沿著被測表面緩慢滑行，金剛石觸針的上下位移量由傳感器轉換成電信號，經果放大、濾波和計算，通過記錄器將被測表面輪廓曲線記錄下來或者從顯示儀器中讀取表面粗糙度額值。僅僅能顯示表面粗糙度數值的測量儀叫做表面粗糙度測量儀，如圖2- 6所示。

這兩種測量工具一般可計算輪廓算術平均偏差Ra，微觀不平度十點高度Rz、輪廓最大高度Ry和其他多種評定參數，測量效率高，一般可測量的表面粗糙度算術平均偏差范圍為0.025～6.3μm。

4.4干涉法測表面粗糙度

干涉法利用光波干涉原理將被測表面的不平整形成干涉條紋通過儀器顯示并放大后測量，可得到被測表面粗糙度。這種測量方法用的儀器叫干涉顯微鏡。這種方法可測量的表面粗糙度為Rz和Ry約0.025～0.8μm。目前已研發出的白光干涉三維形貌儀，是根據光學干涉原理研制開發的超精密表面輪廓測量儀器。照明光束經半反半透分光鏡分為兩束光，分別投射到樣品表面和參考鏡表面。從兩個表面反射的兩束光經過分光鏡后合成一束光，并由成像系統在相機感光面形成兩個疊加的像。兩束光相互干涉會導致相機感光面觀察到明暗間隔的干涉條紋，根據干涉條紋明暗度以及干涉條紋出現的位置解析出被測樣品的高度，換算成表面粗糙度。

對比這幾類光學分析法，總結出以下特點：

1、掃描電子顯微鏡分析方法只能獲得二維形貌，原子力顯微分析可以獲得二維和三維形貌；

2、原子力顯微分析除了獲得表面形貌外還可獲得原子排列信息；

3、掃描電子顯微鏡分析方法除了獲得表面形貌信息外，在帶有能譜儀配件下還能做化學成分定量分析。

改善加工措施

切削加工表面粗糙度的影響因素主要可以分為三個方面：一是切削刀具參數的影響因素，即刀具與被切材料之間的摩擦等留下不平整；二是工件材料的物理性質影響，主要有切削加工過程時由于材料的特征性質和切削參數的選擇會導致在工件已加工表面產生一些如積屑瘤、鱗刺和振動等導致表面不平整的因素；三是工藝、切削參數、切削液的選用也對粗糙度有很大影響。

根據材料切削加工中三類表面粗糙度影響因素，提出以下的改善措施：

1） 恰當調整刀具的幾何參數，合理調整刀具的刃傾角度、主偏角、副偏角和刀尖圓弧半徑。

2） 選擇合理的切削用量、進給量，合適的切削深度和速度。

3） 選擇合適的切削液，切削液的潤滑作用可以降低表面粗糙度值。

4） 刀具的選擇對工件材料表面粗糙度影響也很大。相同的切削條件，高速刀和硬質合金刀具切削加工表面粗糙度不同。

5）提高切削加工系統的剛度可以改善振動。

6） 針對材料的物理特性，可通過熱處理改善材料的加工狀態后再繼續加工。

總結

本論文從表面粗糙度的影響因素、表面粗糙度的評定、表面粗糙度的測試以及加工方式的改善來論述表面粗糙度的研究現狀。細分了表面粗糙度的各類影響因素，論述了表面粗糙度的各類評定因子，對比分析了各類表面粗糙度測試方法的特征和優缺點，根據表面粗糙度的影響因素，列舉了改善加工的方式。

參考文獻：

[1] 梅超. 大口徑多光譜變焦光學系統雜散光分析與抑制技術研究[D]. 中國科學院研究生院（西安光學精密機械研究所）， 2014.

[2] 范興國. 成形磨削表面粗糙度的實驗研究[D]. 湖南大學， 2005.

[3] 姚靈. 觸針式儀器評定制件表面粗糙度的規則與方法[J]. 宇航計測技術，1997，04：23-26.