影响加工表面粗糙度的因素及改善措施

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影响加工表面粗糙度的因素及改善措施

一、切削加工中影响表面粗糙度的因素

　　机械加工中，形成表面粗糙度的主要原因可归纳为三个方面：一是刀刃和工件相对运动轨迹所形成的残留面积——几何因素；二是加工过程中在工件表面产生的塑性变形、积屑瘤、鳞刺和振动等物理因素；三是与加工工艺相关的工艺因素。

# X% n7 d$ v; o' b　　1.几何因素
* V, s$ V8 m4 d* c2 w9 |) w

　　在理想切削条件下，由于切削刃的形状和进给量的影响，在加工表面上遗留下来的切削层残留面积就形成了理论表面粗糙度。

                              

　　由图 5— 3中的关系可得：

　  刀尖圆弧半径为零时，

    刀尖圆弧半径为 rε时，

　　由上式可见，进给量 f、刀具主偏角 Кr、副偏角 Кr'越大、刀尖圆弧半径 rε越小，则切削层残留面积就越大，表面就越粗糙。以上两式是理论计算结果，称为理论粗糙度。切削加工后表面的实际粗糙度与理论粗糙度有较大的差别，这是由于存在着与被加工材料的性能及与切削机理有关的物理因素的缘故。

　　2.物理因素

　　切削过程中由于刀具的刃口圆角及后刀面的挤压与摩擦使金属材料发生塑性变形，从而使理论残留面积挤歪或沟纹加深，促使表面粗糙度恶化。在加工塑性材料而形成带切屑时，在前刀面上容易形成硬度很高的积屑瘤。它可以代替前刀面和切削刃进行切削，是刀具的几何角度、背吃刀量发生变化。其轮廓很不规则，因而使工件表面上出现深浅和宽窄不断变化的刀痕，有些积屑瘤嵌入工件表面，增加了表面粗糙度。

　　切削加工时的振动，使工件表面粗糙度值增大，有关切削加工时振动的内容将在本章第四节加以说明。

　3.工艺因素

+ T5 |! O% u% R/ Y! S　　与表面粗糙度有关的工艺因素有：切削用量、工件材质及与切削刀具有关的因素。

$ X. _) V  F$ k6 m7 G& _7 t5 I　　二、
( ]# Y1 ]0 @, Q/ ]8 p& R( s+ P降低表面粗糙度值的工艺措施

　　由于表面粗糙度的成因与切削刀具之间的特殊关系，现就切削加工和磨削加工分别叙述降低表面粗糙度值的工艺措施。

　　1．选择合理的切削用量

/ z! m  D4 I7 Y. }' P. r　　（1）
* L! P, q+ Z" O, K/ F( \- t" F切削速度

　　切削速度对表面粗糙度的影响比较复杂，一般情况下在低速或高速切削时，不会产生积屑瘤，故加工后表面粗糙度值较小。在切削速度为 20～ 50m/min加工塑性材料（如低碳钢、铝合金等）时，常容易出现积屑瘤和鳞刺，再加上切屑分离时的挤压变形和撕裂作用，使表面粗糙度更加恶化。切削速度 v越高，切削过程中切屑和加工表面层的塑性变形的程度越小，加工后表面粗糙度值也就越小。

% q9 Q* Y! f. e3 O! D　　实验证明，产生积屑瘤的临界速度将随加工材料、切削液及刀具状况等条件的不问而不同。由此可见，用较高的切削速度，既可使生产率提高又可使表面粗糙度值变小。所以不断地创造条件以高提切削速度，一直是提高工艺水平的重要方向。其中发展新刀具材料和采用先进刀具结构，常可使切削速度大为提高。

　　（2）进给量 f

　　在粗加工和半精加工中，当 f＞ O． 15mm /r时，进给量 f大小决定了加工表面残留面积的大小，因而，适当地减少进给量 f将使表面粗糙度值减少。

% p0 y+ Z0 E: d/ @　　（3）背吃刀量 a p

　　一般地说背吃刀量 a p对加工表面粗糙度的影响是不明显的。但当 a p＜ 0.02～ 0 .03 mm时，由于刀刃不可能刃磨的绝对尖锐而具有一定的刃口半径，正常切削就不能维持，常出现挤压，打滑和周期性地切入加工表面，从而使表面粗糙度值增大。为降低加工表面粗糙度值，应根据刀具刃口刃磨的锋利情况选取相应的背吃刀量。

　　

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0 ?  [2 e5 J6 B. n8 ?　　2. 选择合理的刀具几何参数

　　（1）
增大刃倾角λ s对降低表面粗糙度值有利。因为λ s 增大，实际工作前角也随之增大，切削过程中的金属塑性变形程度随之下降，于是切削力 F 也明显下降，这会显著地减轻工艺系统的振动，而从使加工表面的粗糙度值减小。

　　（2）减少刀具的主偏角 Kr和副偏角 Kr′和增大刀尖圆弧半径 r ε，可减小切削残留面积，使其表面粗糙度值减小。

　　（3）增大刀具的前角使刀具易于切入工件，塑性变形小有利于减小表面粗糙度值。但当前角太大，刀刃有嵌入工件的倾向，反而使表面变粗糙。

  |) t( I# w* B" E" N　　（4）当前角一定时，后角越大，切削刃钝圆半径越小，刀刃越锋利；同时，还能减小后刀面与加工表面间的摩擦和挤压，有利于减小表面粗糙度值。但后角太大削弱了刀具的强度，容易产生切削振动，使表面粗糙度值增大。

　　3.改善工件材料的性能

$ ^3 Z. Y- W: ^, p4 ~0 O: M　　采用热处理工艺以改善工件材料的性能是减小其表面粗糙度值的有效措施。例如，工件材料金属组织的晶粒越均匀，粒度越细，加工时越能获得较小的表面粗糙度值。为此对工件进行正火或回火处理后再加工，能使加工表面粗糙度值盼显减小。

　　4.选择合适的切削液

　　切削液的冷却和润滑作用均对减小加工表面的粗糙度值有利，其中更直接的是润滑作用，当切削润滑液中含有表面活性物质如硫、氯等化合物时，润滑性能增强，能使切削区金属材料的塑性变形程度下降，从而减小了加工表面的粗糙度值。

) }( {# {* F  `7 n) \　　5.选择合适的刀具材料
, R( b& v' J2 o. k" ?$ z- \0 T

; ?2 [4 j5 s& \6 H# \8 z$ E7 k' }　　不同的刀具材料，由于化学成分的不同，在加工时刀面硬度及刀面粗糙度的保持性，刀具材料与被加工材料金属分子的亲合程度，以及刀具前后刀面与切屑和加工表面间的摩擦系数等均有所不同。

　　6.防止或减小工艺系统振动

0 R8 R7 p4 j: `2 G　　工艺系统的低频振动，一般在工件的加工表面上产生表面波度，而工艺系统的高频振动将对加工的表面粗糙度产生影响。为降低加工的表面粗糙度值，则必须采取相应措施以防止加工过程中高频振动的产生。

7 s* V/ s1 A" X4 G; o9 @- H( m. B　　三、磨削加工中影响表面粗糙度的因素及其改善的工艺措施
5 S/ g! m  |* o8 i1 F

1 e8 K. y) y# z( F; E/ y　　磨削加工表面粗糙度的形成，与磨削过程中的几何因素、物理因素和工艺系统振动等有关。从纯几何角度考虑，可以认为在单位加工面积上，由磨粒的刻划和切削作用形成的刻痕数越多、越浅，则表面粗糙度值越小。或者说，通过单位加工面积的磨粒数越多，表面粗糙度值越小。由上述可知，影响磨削加工表面粗糙度有如下因素。

　1.磨削用量

0 G; V. B& J" s) X8 W　　（1）提高砂轮速度 Vc

　　砂轮速度 Vc 越高，通过单位加工面积的磨粒数越多，表面粗糙度值越小。

　　（2）降低工件速度 V 工

: Z7 T/ |) u2 C* p" {　　工件速度 V 工越低，砂轮相对工件的进给量 f越小，则磨后的表面粗糙度值越小。

　　（3）选择小的磨削深度 ap

　　由于磨削深度 ap对加工表面粗糙度有较大的影响，在精密磨削加工的最后几次走刀总是采用极小的磨削深度。实际上这种极小的磨削深度不是靠磨头进给获得，而是靠工艺系统在前几次进给走刀中磨削力作用下的弹性变形逐渐恢复实现的，在这种情况下的走刀常称为空走刀或无进给磨削。精密磨削的最后阶段，一般均应进行这样的几次空走刀，以便得到较小的表面粗糙度值。增加无进给磨削次数可使表面粗糙度值由 Ra0.005μm降到 0.04μm以下。采用细粒度磨轮需进行 20—30次无进给磨削才能使加工表面的值降到 Ra 0.0lμm以下的镜面要求。

) A8 l" f8 R1 Y　　2.砂轮

/ u4 u6 ~) {0 p( y3 O　　（1）选择适当粒度的砂轮

% e# M2 k# B% D" C" h8 v2 U. n　　砂轮粒度对加工表面粗糙度有影响，砂轮越细磨削表面粗糙度
9 D; G5 D: c1 Q1 D1 {& P$ T. F$ I$ d值越小。但砂轮太细。只能采用很小的磨削深度 (a p＝ 0.0025mm以下 )，还需时间很长的空走刀，否则砂轮易被堵塞。造成工件烧伤。为此，一般磨削所采用的砂轮粒度号都不超过 80号，常用的是 40～ 60号。

4 d+ I; L0 y- t; k4 ~　　（2）精细修整砂轮工作表面

( ~' T2 F% u. \& J. s% R% }　　当在磨削加工的最后几次走刀之前，对砂轮进行一次精细修整，使每个磨粒产生多个等高的微刃，从而使工件的 Ra值降低。

5 `' t5 a7 S2 B6 K% I　　此外，在磨削加工过程中，切削液的成分和洁净程度、工艺系统的抗振性能等对加工表面粗糙度的影响也很大，亦是不容忽视的因素。