金屬及加工表面粗糙度的影響因素

耿建紅

摘要：對于金屬加工來說，金屬表面的平整度和粗糙度的參差不齊會直接影響金屬的加工質量。為了做到精益求精，近年來，以上各種缺陷問題的發生機理和改進方法在不停地研究中得到了完善。金屬表面的粗糙程度是決定金屬表面質量是否達標的關鍵，對于金屬接觸面的摩擦力、密封情況、旋轉構件工作強度以及金屬表面的美觀情況等有著各種各樣的影響。因為，在金屬的實際加工過程中，工具選擇、工藝手法、潤滑程度等很多原因都能夠導致金屬表面有著參差不齊的粗糙度，從而就造成了無法出廠使用、最終報廢的情況，這就需要對金屬表面粗糙度的各種影響因素進行分析。

關鍵詞：金屬加工;表面粗糙度;影響因素

中圖分類號：TH161+.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0095-02

1? 影響金屬表面粗糙度的各種因素

1.1 切削加工對于金屬表面粗糙度的影響

根據幾何結構進行分析可知，在刀具對金屬進行切割的時候，會在金屬的表面留下刀具所殘留的切削面積，而這切削所留下的就是刀具的形狀復刻。這個殘留的切削面積大小是由于用力的角度、進給量和刀尖半徑導致的。對于刀具的選擇，它的寬窄、尺寸、形狀都會以不同程度對金屬加工的表面粗糙度造成影響。

根據金屬加工的物理因素進行分析可知，在加工過程中，使用刀具的刀尖半徑和道具組合的元件對刀具造成的擠壓和磨損等都會使得金屬表面發生各種形變，從而造成金屬表面更加粗糙。當一些速度不夠快的、由不銹鋼等材料制成的刀具材料對金屬進行切割時，由于刀具擠壓所帶來的塑性形變以及道具使用不當，都會在金屬表面產生積屑瘤和鱗刺，從而加大金屬表面的粗糙度。

在選擇工具材料時，韌性越好的材料，對金屬造成的塑性變形越大，就會導致金屬表面更加粗糙。在對比較脆的金屬材料進行加工時，該種材料的碎屑會有很多，相應的，金屬表面的麻點就會越來越多，從而使得金屬表面更加粗糙。在進行精加工時，切的深度越小，刀具的使用就更不好把握，就也會在一定程度上影響表面的粗糙程度。

因此，在金屬表面進行加工作業時影響金屬表面粗糙度的工藝因素主要有：

①切削用量帶來的影響。在一定的加工范圍內，切削速度v會增加積屑瘤和鱗刺的數量;而進給量f的降低能夠減少金屬表面殘留面積的厚度。因此，適度合理的切削用量是降低粗糙度的一個關鍵。

②幾何參數和作業材料帶來的影響。各項數據表明，在切削使用條件不變時，使用硬質的合金工具會比高速的鋼刀帶來的金屬表面粗糙度更小，而使用金剛石的車刀進行加工時，不宜造成積屑瘤，也就不會造成很大的粗糙表面。刀具的圓弧半徑r？著、刀具的主偏角Kγ和刀具的副偏角k'γ都會影響金屬表面的殘留面積。因此在進行加工作業時，要適度降低r？著、Kγ和k'γ，從而降低金屬表面的粗糙度。而適度增加前角γ，能夠有效抑制積屑瘤和鱗刺的發生，從而降低金屬表面的粗糙程度。

此外，刀具前角也會對金屬表面粗糙度造成影響。道具前腳主要指切削刃選定點的正交平面內前刀角與基面之間的夾角。前角有正負之分，是切削刀具重要的幾何參數之一，它決定切削刃的鋒利程度和強度，直接影響刀具耐用度和被加工表面的粗糙度。 為消除其他因數的干擾，在本單元試驗中選 用的刀具具有相同的刀尖圓弧半徑（0.2mm），其它的工作角度也都相同。刀具前角分別取0°、5°、10°、15°，其實驗結果可建立刀具前角和表面粗糙度的關系圖，如圖1所示。

③切削液帶來的影響。在加工金屬的過程中，選擇合適的切削液，可以冷卻金屬的加工溫度，潤滑金屬的加工，從而減少刀具與金屬的摩擦，進而降低加工過程中帶來的塑性形變，減少積屑瘤和鱗刺的發生，從而大幅度降低金屬表面的粗糙度。

1.2 磨削加工對于金屬表面粗糙度的影響

由于砂輪的運動滑擦、切劃所造成的金屬表面粗糙可以根據單位面積上的刻痕進行判斷，刻痕越細膩均勻，金屬表面的粗糙程度就越低。切削加工帶來的影響，不僅是幾何結構的原因，還有塑性形變等物理原因的影響。金屬加工表面的經常性擠壓所帶來的的塑性變形也會因為加工過程中的過高溫度而大幅度提升金屬表面的粗糙程度。

因此，影響金屬表面粗糙度的磨削加工原因主要有：

①砂輪粒度、硬度帶來的影響。砂輪的粒度也會對金屬表面粗糙程度造成影響。金屬表面的磨粒越多，粒度的程度越細致，金屬表面加工留下的刻痕就會愈加致密，從而使得金屬表面粗糙程度降低。此外，砂輪的硬度也會對金屬表面的粗糙度造成影響，砂輪的硬度適度，會在磨粒鈍化使其自覺及時脫落，從而對新露出來的磨礪進行加工。以上，就是金屬具有的“自礪性”。要注意砂輪不能使用過度，所以要注意在日常作業中進行及時、有效的檢修，從而去掉已經被鈍化的魔粒，這樣做可以確保砂輪擁有正常的微刃性和等高性。

②工件材料帶來的影響。不同工件材料，他們在塑性、導熱性、硬度和韌性上有很大區別，因此，工件材料的選擇也會對金屬表面的粗糙度造成影響。比如，過硬會鈍化磨粒，過軟會堵塞砂輪;又比如，韌性大的會增加金屬表面粗糙度，導熱性能差的也是如此。

③磨削用量帶來的影響。砂輪提速，可以通過減少塑性形變而降低金屬的表面粗糙度，這是因為，砂輪提速會導致磨削表面不能及時塑性變形。若想要增加粗糙度，可以通過增加磨削深度和加工速度進行。我們也可以通過使用更大的磨削深度去改進磨削效率，但要注意在降低表面粗糙時應該使用小的磨削深度進行。

④磨削液及其它原因帶來的影響。除了工藝因素，還可以借助磨削液。磨削液具有很好的效果，可以降低磨削溫度、減弱磨削力、減小砂輪的磨損程度。也就是說通過磨削液，改善了工藝手段，從而去影響金屬加工的表面粗糙度。

2? 金屬加工表面層的物理力學性能帶來的影響

在金屬表面進行切削時，由于切削力和切削熱的共同作用，金屬表面的物理力學性能會隨之發生改變。物理力學性能的改變，會通過影響金屬表面硬度等，影響金屬表面的粗糙程度。然而，塑性形變、切削熱等也會因為金屬切削帶來的變化愈加嚴重，所以在磨削加工之后，金屬加工表面層的物理力學性能的改變會越來越大。

2.1 金屬表面層的冷作硬化

①金屬表面層的冷作硬化。在進行金屬加工時，切削的力度會導致金屬發生塑性形變，金屬晶粒會隨著切削變化，甚至可能會有晶粒破碎的現象產生，這一類現象會使得金屬表面的強度和硬度不斷增加，而這一現象就是廣為熟知的在金屬表面發生的冷作硬化。這一性質，會增大金屬的變形阻力，改變金屬表面的物理性質。

冷作硬化后，金屬表面會產生不穩定的高能位，而這種變化，會驅使金屬從不穩定的狀態向穩定的狀態過渡，這就是我們所說的弱化。溫度的增長和降低、溫度所持續的時間、溫度強化的程度等，都會影響金屬的弱化作用。正是由于在金屬加工過程中，冷作硬化和弱化帶來的力和熱會同時起作用，所以，最終的金屬性質是由他們共同決定的。

②主要影響冷作硬化的因素。刀具材料刀尖的半徑越大，對金屬表面的擠壓力就會越大，冷作硬化的程度就會提高;而刀具材料的前角越大，對金屬的塑性形變會有減小作用，從而降低冷硬程度;在切削時，切削速度越大，加工作業時間越短，會導致塑性形變的深度越小，進而導致冷硬層深度減小，然而，速度越快溫度上升也越快，又會帶來冷作硬化的恢復，因此，這就形成了一種相互制約的作用。

2.2 金屬表面層金相組織的變化

切削產生的熱量，會傳遞給金屬表面，使其溫度升高，當金屬表面的溫度超過了金相組織溫度，金屬表面的金相組織就會發生改變。然而，這大部分的熱量都隨著碎屑轉移了，因此對金屬加工的影響并不大。然而，磨削會產生非常大的瞬時溫度，最高能夠達到1000℃，這就會導致金屬表面的金相組織改變，從而帶來表面殘余的拉應力，形成一些細微的裂紋，從而降低金屬表層的硬度，使得金屬的物理力學性能變差，這就是所謂的磨削燒傷現象。

2.2.1 磨削燒傷的類別

①淬火燒傷。當磨削區溫度大于相變溫度時，使用冷卻液的極速制冷，會導致金屬表面產生二次淬火，而金屬表層下的內層，由于制冷沒有表層快，回火組織的溫度就會更高，這種磨削帶來的燒傷即為淬火燒傷。②回火燒傷。當磨削區溫度低于相變溫度卻大于馬氏體的轉變溫度時，會導致金屬表面的回火馬氏體就會變為低硬度的回火組織，這種磨削帶來的燒傷是回火燒傷。③退火燒傷。當磨削區溫度大于相變溫度，但是進行磨削的區域卻并未進入冷卻液，這就導致金屬表面形成了退火組織，從而使得金屬表面的硬度大幅度降低，這種磨削帶來的燒傷是退火燒傷。

2.2.2 引起磨削燒傷的主要因素

①砂輪的硬度過高、砂輪粒度過細，以及砂輪與工作的接觸面積太大都會引起磨削燒傷。②磨削時沒有恰當選擇冷卻方式，導致冷卻液進入磨削區十分困難，就不會達到有效的冷卻目標，從而引起磨削燒傷。③砂輪作業速度過高、磨削深度過大等都會增加磨削燒傷。④加工元件的導熱系數不夠高、磨削區的磨削溫度過高，就會引起磨削燒傷。

2.3 表面層殘余應力

金屬經過表面加工后會有殘余應力。改善金屬表面的耐磨性質，提高疲勞強度的是殘余壓應力;減弱耐磨性質，降低疲勞強度的是殘余拉應力。

殘余應力的產生原因：①熱塑性變形。金屬進行切削，會產生熱量，越高的切削溫度，就會帶來越大的金屬表層塑性形變，從而增大殘余拉應力。②冷塑性變形。切削力會使得金屬表面產生冷塑性變形，此外，切削刀具帶來的擠壓，會讓金屬表層向兩側伸展，但卻限制了里層金屬的延展，于是就產生了殘余壓應力。③金相組織。金相組織不同，密度也有不同，也會產生殘余壓應力。

3? 結語

通過分析影響金屬加工表面粗糙程度，能夠極大的規范技術工種在加工中的手法，有助于準確無誤的生產。此外，還有利于排查金屬加工中存在的各種問題，對于金屬加工作業的品質提高有重要意義。

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