切削加工表面完整性

郭大光

摘 要：零件表面经过加工后，看起来很光滑，但经过放大观察呈现出凹凸不平。表面粗糙度是零件在加工过程中由于不同的加工方法、机床与工具的精度、振动及磨损等因素在加工表面形成的具有较小间距和峰谷的微观不平状况，属于微观几何误差。零件表面功用不同，零件所需表面参数值也不一样。零件图上要标注表面粗糙度代号，用以说明该表面完工后需要达到的表面特性。

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，被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别[1]。表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，尤其对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。

关键词：切削加工 表面粗糙度 测试与方法

切削加工中影响表面粗糙度的因素

切削加工中表面粗糙度的影响因素可归纳为三个方面：切削过程中刀刃在工件表面留下的残留面积；切削过程中塑性变形及积屑瘤和鳞刺生成的影响；切削过程中刀与工件相对位置的微幅振动。

1加工表面粗糙的原因

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

鳞刺：用高速刀具低速或中速切削塑料金属材料时，如低碳钢、中碳钢、不锈钢、铝合金等，常在已加工表面上产生鱼鳞片状的毛刺，成为鳞刺。出现鳞刺会显著增大已加工表面的表面粗糙度。如图2- 2鳞刺剖面的显微图片所示，鳞刺的表面微观结构为鳞片状，有一定高度，鳞片分布近似于整个刀刃宽度，其宽度近似垂直于切削速度方向。

（2）积屑瘤：在切削加工过程中，如图图2- 3 刀片积屑瘤形貌所示，当产生积屑瘤时，其突出部分能代替切削刃进入攻坚，在已经加工的表面上画出深浅不一的沟纹，当积屑瘤脱落时，部分积屑瘤碎片粘附在已加工的表面上，形成细小毛刺，造成表面粗糙度增大。

（3）振动：在切削加工时，由于工艺系统产生周期性振动，使得已加工表面出现条痕或波纹痕迹，使表面粗糙度值明显增大。

2影响切削表面粗糙度的因素

凡是影响残留面积、积屑瘤、鳞刺、振动的因素都影响加工表面的粗糙度。

（1）切削用量：进给两对残留面积的影响最大，进给两减小，残留面积减小。切削塑性金属时，当切削速度很低或很高时，表面粗糙度值较小，这是因为低俗时积屑瘤不易产生；切削速度较高时，塑性变形减小，可消除鳞刺的产生。在切削脆性材料时，切削速度的影响较小，因为材料变形小，故而表面粗糙度值也减小。

（2）刀具几何参数：刀具的刀剑圆尖半径、主偏角和副偏角对残留面积和振动有较大的影响，一般当刀尖圆弧半径增大，主偏角和副偏角减小时，表面粗糙度值小，但如果机床刚度低，刀尖圆弧半径过大或主偏角过小，会由于切削力增大而产生振动，使得表面粗糙度值增大。

（3）刀具材料：刀具的材料不同，刃口圆弧半径的大小和保持锋利的时间是不同的，高速钢刀具刃可以磨的很锋利，但保持的时间较短，所以在低速切削时表面粗糙度值较小。硬质合金刀具刃磨后刃口圆弧半径较大，在高速度下切削表面粗糙度值较小。

（4）工作材料：加工塑性材料时，工件材料的塑性越低，硬度越高，则出现积屑瘤、鳞刺。冷硬的现象减小，表面粗糙度值越小。因此高碳钢、中碳钢、调质钢就爱工后表面粗糙度值比低碳钢小，加工铸铁时，由于切屑呈崩碎型，故而在同样加工条件下，切削铸铁的表面粗糙度值比钢大。

3表面粗糙度的评定

表面粗糙度的测试方法主要是采用中线评价法。工程应用中表面粗糙度参数主要从下列三项中选取。

（1）轮廓算数平均偏差Ra

在取样长度内，沿测量方向（y方向）的轮廓线上的点与基准线l之间距离绝对值的算术平均值：

（3）轮廓最大高度Ry

在取样长度内，轮廓最高峰顶线和最低谷底线之间的距离。

为研究表面粗糙度对零件性能的影响和度量表面微观不平度的需要，从20世纪20年代末到30年代，德国、美国和英国等国的一些专家设计制作了轮廓记录仪、轮廓仪，同时研制出了光切式显微镜和干涉显微镜等用光学方法来测量表面微观不平度的仪器，为从数值上定量评定表面粗糙度创造力条件[2]。

选取基准线是测量粗糙度的研究，基准线是用以评定表面粗糙度参数给定的先，它是表面粗糙度二维评定的基准。基准线有下列两种：一是轮廓的最小二乘中线。具有几何轮廓形状并划分轮廓的基准线，在取样长度内使轮廓线上各点的轮廓偏距的平方和为最小。二是轮廓的算术平均中线。具有几何轮廓形状在取样长度内与轮廓走向一致的基准线。在高度特性参数常用的参数值范围内（Ra为0.025μm～6.3μm，Rz为0.1～25μm）优先选用Ra。

4表面粗糙度的测试

表面粗糙度测试方法较多，工程中应用较多的主要是比较法、光切法、触针法和干涉法。科学研究中，除了可以采用轮廓仪外，还可以采用原子力显微镜分析和扫描电子显微镜分析等方法来测定表面粗糙度形貌。

4.1比较法

比较法是将被测量表面与标有一定数值的粗糙度样块进行比较，来确定被测表面的粗糙度数值的方法。将表面粗糙度比较样块根据视觉和触觉与被测表面比较，判断被测表面粗糙度相当于哪一种数值，或测量其反射光強变化来评定表面粗糙度。样块是一套具有平面或圆柱表面的金属块，表面经过磨、车、镗、铣、刨等切削加工，电铸或其他铸造工艺等加工而具有不同的表面粗糙度。现在已经有多种加工状态下标准比较样块的组合，如图2- 4所示。

利用样块根据视觉和触觉评定表面粗糙度的方法虽然简便，但不精准，需要一定的经验度才能做出较好的判断。比较法要求样板的加工方法、加工纹理、加工方向、材料与被测零件表面相同。比较法特点是测量简便，可直接使用于车间现场测量，常常用于中等或较粗糙表面的测量。

4.2光切法测表面粗糙度

光切法是让光线通过狭缝投射到被测表面上并与表面形成轮廓曲线，测量曲线可测得表面粗糙度（如图2- 5），光经过聚光镜、狭缝、右边的物镜1后，以45°的角度经过狭缝投射到被测表面，形成被测表面的截面轮廓图形，通过左边的物镜2将图形放大后投射到测量板上。利用测微目镜和读数鼓轮显读出h值，计算后得出H值。该方法适用于测量Rz和Ry为0.5～100μm的表面粗糙度，需要人工取点，测量效率低。

4.3触针法测表面粗糙度

触针法中，通常利用针尖曲率半径为2μm左右（可换直径不同的触针）的金刚石触针[3]沿着被测表面缓慢滑行，金刚石触针的上下位移量由传感器转换成电信号，经果放大、滤波和计算，通过记录器将被测表面轮廓曲线记录下来或者从显示仪器中读取表面粗糙度额值。仅仅能显示表面粗糙度数值的测量仪叫做表面粗糙度测量仪，如图2- 6所示。

这两种测量工具一般可计算轮廓算术平均偏差Ra，微观不平度十点高度Rz、轮廓最大高度Ry和其他多种评定参数，测量效率高，一般可测量的表面粗糙度算术平均偏差范围为0.025～6.3μm。

4.4干涉法测表面粗糙度

干涉法利用光波干涉原理将被测表面的不平整形成干涉条纹通过仪器显示并放大后测量，可得到被测表面粗糙度。这种测量方法用的仪器叫干涉显微镜。这种方法可测量的表面粗糙度为Rz和Ry约0.025～0.8μm。目前已研发出的白光干涉三维形貌仪，是根据光学干涉原理研制开发的超精密表面轮廓测量仪器。照明光束经半反半透分光镜分为两束光，分别投射到样品表面和参考镜表面。从两个表面反射的两束光经过分光镜后合成一束光，并由成像系统在相机感光面形成两个叠加的像。两束光相互干涉会导致相机感光面观察到明暗间隔的干涉条纹，根据干涉条纹明暗度以及干涉条纹出现的位置解析出被测样品的高度，换算成表面粗糙度。

对比这几类光学分析法，总结出以下特点：

1、扫描电子显微镜分析方法只能获得二维形貌，原子力显微分析可以获得二维和三维形貌；

2、原子力显微分析除了获得表面形貌外还可获得原子排列信息；

3、扫描电子显微镜分析方法除了获得表面形貌信息外，在带有能谱仪配件下还能做化学成分定量分析。

改善加工措施

切削加工表面粗糙度的影响因素主要可以分为三个方面：一是切削刀具参数的影响因素，即刀具与被切材料之间的摩擦等留下不平整；二是工件材料的物理性质影响，主要有切削加工过程时由于材料的特征性质和切削参数的选择会导致在工件已加工表面产生一些如积屑瘤、鳞刺和振动等导致表面不平整的因素；三是工艺、切削参数、切削液的选用也对粗糙度有很大影响。

根据材料切削加工中三类表面粗糙度影响因素，提出以下的改善措施：

1） 恰当调整刀具的几何参数，合理调整刀具的刃倾角度、主偏角、副偏角和刀尖圆弧半径。

2） 选择合理的切削用量、进给量，合适的切削深度和速度。

3） 选择合适的切削液，切削液的润滑作用可以降低表面粗糙度值。

4） 刀具的选择对工件材料表面粗糙度影响也很大。相同的切削条件，高速刀和硬质合金刀具切削加工表面粗糙度不同。

5）提高切削加工系统的刚度可以改善振动。

6） 针对材料的物理特性，可通过热处理改善材料的加工状态后再继续加工。

总结

本论文从表面粗糙度的影响因素、表面粗糙度的评定、表面粗糙度的测试以及加工方式的改善来论述表面粗糙度的研究现状。细分了表面粗糙度的各类影响因素，论述了表面粗糙度的各类评定因子，对比分析了各类表面粗糙度测试方法的特征和优缺点，根据表面粗糙度的影响因素，列举了改善加工的方式。

参考文献：

[1] 梅超. 大口徑多光谱变焦光学系统杂散光分析与抑制技术研究[D]. 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）， 2014.

[2] 范兴国. 成形磨削表面粗糙度的实验研究[D]. 湖南大学， 2005.

[3] 姚灵. 触针式仪器评定制件表面粗糙度的规则与方法[J]. 宇航计测技术，1997，04：23-26.