工件表面粗糙度的問題解析

黃莉

（河池市職業教育中心學校，廣西 河池 547000）

在機械加工過程中，由于切削分離時的塑性變形、工藝系統的振動、刀具與已加工表面間的摩擦等因素影響，使加工后的工件表面，總會存在許多高低不平的微小峰谷，這些零件被加工表面上的微觀幾何形狀誤差，稱為表面粗糙度。

1 產生的原因

切削加工時，雖然刀具表面和刀刃都磨得很光，但已加工表面粗糙度卻遠遠大于刀具表面的粗糙度。其產生的原因可歸納如下。

1.1 幾何因素所產生的粗糙度

這主要決定于殘留面積的高度。

1.2 切削過程不穩定因素所產生的粗糙度

其中包括積屑瘤、麟刺、切削變形、刀具的邊界磨損、刀刃與工件相對位置變動等。

（1）殘留面積。切削時，由于刀具與工件的相對運動及刀具幾何形狀的關系，有一小部分金屬未被切下來，而殘留在已加工表面上，稱為殘留面積，其高度直接影響已加工表面的橫向粗糙度。

（2）積屑瘤。當切削塑性金屬時，常在靠近切削刃及刀尖的前刀面上，產生積屑瘤，積屑瘤的硬度很高，在相對穩定時，可以代替切削刃進行切削。由于積屑瘤會伸出切削刃及刀尖之外，從而產生一定的過切量∞，加以積屑瘤的形狀不規則，因此切削刃上各點積屑瘤的過切量不一致，從而在加工表面上沿著切削速度方向，刻劃出一些深淺和寬度不同的縱向溝紋。其次，積屑瘤作為整體來說，雖然它的底部相對比較穩定，但它的頂部常是反復成長與分裂。分裂的積屑瘤一部分，附在切屑底部而排出；另一部分，則留在已加工表面上形成鱗片狀毛刺；同時積屑瘤頂部的不穩定又使切削力波動而有可能引起振動。因此進一步使加工表面粗糙度增大。所以可以說，除了殘留面積所形成的已加工表面粗糙度之外，要算積屑瘤的成長與分裂，對表面粗糙度的影響最為嚴重。

（3）鱗刺。鱗刺就是已加工表面上出現的鱗片狀的毛刺。在較低及中等的切削速度下，用高速鋼、硬質合金或陶瓷刀具切削低碳鋼、中碳鋼、鉻鋼、不銹鋼、鋁合金及銅合金等塑性材料時，無論是車、刨、插、鉆、拉、滾齒、插齒及螺紋切削等工序中，都可能出現鱗刺。鱗刺的晶粒和基體材料的晶粒相互交錯，鱗刺與基體材料之間沒有分界線。鱗刺的出現，使已加工表面的粗糙程度增加；因此，它是塑性金屬切削加工中獲得良好加工品質的一個障礙。在切削塑性材料時，無論有無積屑瘤，都有可能產生鱗刺。

（4）切削過程中的變形。在擠裂或單元切屑的形成過程中，由于切屑單元帶有周期性的斷裂，這種斷裂要深入到切削表面以下，從而在加工表面上留下擠裂的痕跡而成為波浪形。而在崩碎切屑的形成過程中，從主切削刃處開始的裂紋，在接近主應力方向斜著向下延伸形成過切。因此，造成加工表面的凹凸不平。其次，由于在切削刃兩端沒有來自側面的約束力，因此，在切削刃兩端的已加工表面及待加工表面處，工件材料被擠壓而產生隆起，從而使表面粗糙度進一步增大。

（5）刀具的邊界磨損。刀具磨損后，有時會在副后面上產生溝槽形邊界磨損，從而在已加工表面上形成鋸齒狀的凸出部分。因此，使加工表面粗糙度增大。

（6）刀刃與工件相對位置變動。由于機床主軸軸承回轉精度不高，及各滑動導軌面的形狀誤差等，使運動機構發生跳動，材料的不均勻性及切屑的不連續等，造成的切削過程波動，均會使刀具、工件間的位移發生變化，從而使切削厚度、切削寬度或切削力度發生變化。因此，在很多情況下，這些不穩定因素會在加工系統中誘發起自激振動，使相對位置變化的振幅更加擴大，以致影響到背吃刀量的變化，從而使表面粗糙度增大。

由上述分析可知，要減小表面粗糙，必須減小殘留面積、消除積屑瘤和鱗刺，減小工件材料的塑性變形及切削過程中的振動等。

在切削加工中，若發現工件表面粗糙度值達不到圖樣要求時，應先仔細觀察和分析影響工件表面粗糙度值的表面形成，并找出主要影響因素，從而有針對性地加以解決。

2 表面粗糙度差的表現及應對方法

2.1 減小殘留面積高度

減小主偏角、副偏角和進給量及增大刀尖圓弧半徑，都可以減小殘留面積高度，具體實施時應注意：

（1）一般減小副偏角Kr'。尤其是使用Kr'=0°的修光刃，對減小表面粗糙度甚為有效。但修光刃不能過長，否則會引起振動，反而使表面粗糙度增大。一般只要比進給量稍大一些即可。此外，有修光刃的刀具，必須在安裝時保證修光刃與已加工表面平行，否則效果不佳。

（2）適當增大刀尖圓弧半徑。但如果機床剛性不足，刀尖圓弧半徑過大，會使徑向徑力Fy'增大而產生振動，反而使表面粗糙度值增大。

（3）減小進給量。不僅可以減小殘留面積，而且可以減小積屑瘤和鱗刺的高度，故可以減小加工表面粗糙度。

（4）提高切削速度。可以使積屑瘤和麟刺減小甚至消失，并可減小工件材料的塑性變形，因而可以減小表面粗糙度。

2.2 避免積屑瘤和鱗刺的產生

可用改變切削速度的方法，來抑制積屑瘤的產生。如果用高速鋼車刀，應降低切削速度Vc＜5m/min，并澆注切削液；用硬質合金車刀時，應提高切削速度C，避免最容易產生積屑瘤的中速范圍，Vc=15～30m/min。

刀具前角r。一般對粗糙度的影響不大，但對于塑性大的材料，在保證刀刃強度的前提下，增大車刀前角，能有效地抑制積屑瘤和鱗刺的生成。

刀面及切削刃的表面粗糙度，對工件表面粗糙度有直接影響。由于刀具表面粗糙度的減小，有利于減小摩擦，從而可抑制積屑瘤和鱗刺的生成。因此，刀具前刀面與后面的粗糙度，必須小于工件所要求的表面粗糙度；并且最好不要大于Ra1.25μm，否則會顯著降低刀具耐用度。

2.3 避免摩擦亮斑

工件在車削時，已加工表面出現亮斑或亮點，切削時又有噪聲，說明刀具已嚴重磨損。磨鈍的切削刃，將工件表面擠壓出亮痕，使表面粗糙度變大，這時應及時重磨或換刀。

2.4 防止切屑拉毛已加工表面

表面切屑拉毛工件，會在已加工表面出現不規則的較淺劃痕，為此應選用正傾刃角的車刀。使切屑流向工件待加工表面，并采取合適的斷屑措施。

2.5 防止和消除振紋

車削時，由于工藝系統的振動，而使工件表面出現周期性的橫向或縱向的振紋。為此應從以下幾個方面加以防止：

（1）機床方面。調整主軸間隙，提高軸承精度。調整中、小滑板鑲條，使間隙＜0.04mm。并保證移動平穩、輕便。選用功率適宜的車床，增強車床安裝的穩固性。

（2）刀具方面。合理選擇刀具幾何參數，經常保持切削刃光潔、鋒利。增加刀柄的截面積，減小刀柄伸出長度，以提高其剛性。

（3）工件方面。增強工件的安裝剛性。

（4）切削方面。選用較小的切削深度和進給量，改變或較低切削速度。

2.6 合理選擇切削液保證充分冷卻潤滑

采用高效切削液，可以減小工件材料的變形和摩擦。而且是抑制積屑瘤和鱗刺的產生，減小表面粗糙度的有效措施。但隨著切削速度的提高，其效果將隨之減小。

3 結束語

表面粗糙度值的大小，對工件的耐磨性、耐腐蝕性、疲勞強度、配合性質等都有很大的影響。本文對表面粗糙度的概念、產生的原因，影響表面粗糙度的因素，減小表面粗糙度值所采取的措施等問題進行了一些探討，并藉以探索提高工件加工質量及效率的途徑。

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