表面粗糙度及其影响因素

表面粗糙度及其影响因素

一、切削加工中影响表面粗糙度的因素

影响表面粗糙度的因素主要有几何因素和物理因素。

１．几何因素：

式中 f ——进给量。

Kr ——主偏角。

Kr’——副偏角

考虑刀尖圆弧角：

式中 f ——进给量。

r ——刀尖圆弧半径。

如图11-8、9所示，用刀尖圆弧半径r＝0的车刀纵车外圆时，每完成一单位进给量f后，留在已加工表面上的残留面积，它的高度Rmax即为理论粗糙度的轮廓最大高度Ry。

图11- 8 图11- 9

图11- 10 加工后表面实际轮廓和理论轮廓

切削加工后表面粗糙度的实际轮廓形状，一般都与纯几何因素所形成的理论轮廓有较大的差别，如图11-10。这是由于切削加工中有塑性变形发生的缘故。

生产中，若使用的机床精度高和材料的切削加工性好，选用合理的刀具几何形状、切削用量和在刀具刃磨质量高、工艺系统刚性足够情况下，加工后表面实际粗糙度接近理论粗糙度，这样减小表面粗糙度数值、提高加工表面质量的措施，主要是减小残留面积的高度Ry。

２.物理因素

多数情况下是在已加工表面的残留面积上叠加着一些不规则的金属生成物、粘附物或刻痕。形成它们的原因有积屑瘤、鳞刺、振动、摩擦、切削刃不平整、切屑划伤等。

３.积屑瘤的影响

积屑瘤的生成、长大和脱落将严重影响工件表面粗糙度。

同时，由于部分积屑瘤碎屑嵌在工件表面上，在工件表面上形成硬质点。见图11-11。

图11- 11 图11- 12

鳞刺的影响鳞刺的出现，使已加工表面更为粗糙不平。

鳞刺的形成分为：

抹拭阶段：前一鳞刺已经形成，新鳞刺还未出现；而切屑沿着前刀面流出，切屑以刚切离的新鲜表面抹拭刀——屑摩擦面，将摩擦面上有润滑作用的吸附膜逐渐拭净，以致摩擦系数逐渐增大，并使刀具和切屑实际接触面积增大，为这两相摩擦材料的冷焊创造条件，如图11-12(a)。

导裂阶段：由于在第一阶段里，切屑将前刀面上的摩擦面抹拭干净，而前刀面与切屑之间又有巨大的压力作用着，于是切屑与刀具就发生冷焊现象，切屑便停留在前刀面上，暂时不再沿前刀面流出。这时切屑代替前刀面进行挤压，刀具只起支撑切削的作用。其特点是在切削刃前下方，切屑与加工表面之间出现一裂口。如图11-12(b)。

层积阶段：由于切削运动的连续性，切屑一旦停留在前刀面上，便代替刀具继续挤压切削层，使切削层中受到挤压的金属转变为切屑。而这部分新成为切屑的金属，只好逐层的积聚在起挤压作用的那部分切屑的下方。；这些金属一旦积聚并转化为切屑，便立即参与挤压切削层的工作；同时，随着层积过程的发展，切削厚度将逐渐增大，切削力也随之增大，如图11-12(c)。

刮成阶段：由于切削厚度逐渐增大，切削抗力也随之增大，推动切屑沿前刀面流出的分力Fy也增大。当层积金属达到一定厚度后，Fy力便也随之增大到能够推动切屑重新流出的程度，于是切屑又重新开始沿前刀面流出，同时对切削刃便刮出鳞刺的顶部，如图11-12(d)。至此，一个鳞刺的形成过程便告结束。紧接着，又开始另一个新鳞刺的形成过程。如此周而复始，在工件加工表面上便不断地生成一系列鳞刺。

振动的影响切削加工时，在工件与刀具之间经常发生振动，使工件表面粗糙度值增大。

从物理因素看，要降低表面粗糙度主要应采取措施减少加工时的塑性变形，避免产生积屑瘤和鳞刺。对此起主要作用的影响因素有切削速度、被加工材料的性质及刀具的几何形状、材料和刃磨质量。

①切削速度的影响：

图11- 13

图11-13描述了加工塑性材料时不同的切削速度对表面粗糙度的影响，实线表示只受塑性变形影响的情况，虚线表示只受积屑瘤与鳞刺影响的情况。

在实际切削时，选择低速宽刀精切和高速精切，往往可以得到较小的表面粗糙度值。

②工件材料性质的影响：

一般韧性较大的塑性材料，加工后表面粗糙度值较大，而脆性材料加工后易得到较小的表面粗糙度值。为了减小加工表面粗糙度值，常在切削加工前对材料进行调质或正火处理，以获得均匀细密的晶粒组织和较高的硬度。

③刀具几何形状、材料、刃磨质量的影响：

适当增大前角，有利于减小表面粗糙度值。前角太大，表面粗糙度值将会增加。

当前角一定时，后角越大，切削刃钝圆半径越小，刀刃越锋利；增大后角还能减小后刀面与已加工表面间的摩擦和挤压。这样都有利于减小加工表面粗糙度值。但后角太大时，积屑瘤易于流到后刀面；同时，后角大容易产生切削振动，因而使加工表面粗糙度值反倒增加。

从几何因素来看，增加刀尖圆弧半径r会减小加工表面粗糙度值。

主偏角Kr和副偏角Kr’ Kr和Kr’减小，可减小加工表面粗糙度值。

刀具材料中热硬性高的材料耐磨性好，易于保持刃口的锋利。摩擦系数小的材料有利于排屑。与被加工材料亲合力小的材料不易产生积屑瘤和鳞刺。因此，硬质合金刀具优于高速钢，高速钢刀具优于碳素工具钢，而金刚石刀具、立方氮化硼刀具又优于硬质合金。

刀具的前刀面、后刀面本身的表面粗糙度值越小，则被加工表面的粗糙度值也越小。刀具刃口越锋利、刃口平刃性越好，则切出的工件表面粗糙度值也就越小。

④冷却润滑的影响

切削液的冷却和润滑作用能减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，使切削区金属表面的塑性变形程度下降，抑制鳞刺和积屑瘤的产生，因此可大大减小加工表面粗糙度值。

二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素

磨削加工时磨粒很钝，常具有很大的负前角，会使加工表面产生严重的塑性变形，形成沟槽和隆起，增大了表面粗糙度，见图11-14。

图11- 14

1．磨削用量

图11- 15

1)砂轮速度v砂轮提高v砂轮可以增加在工件单位面积上的刻痕，使工件表面塑性变形和沟槽两侧塑性隆起残留量小，磨削表面粗糙度值可以显著减小。见图11-15。

2)工件速度v工件在其他条件不变的情况下，v工件提高，磨粒单位时间内在工件表面上的刻痕数减小，因而将增大磨削表面粗糙度值。

3)磨削深度ap ap增加，磨削过程中磨削力及磨削温度都增加，磨削表面塑性变形程度增大，从而增大表面粗糙度值。为提高磨削效率，一般开始采用较大的磨削深度，后期采用较小的ap或进行无进给磨削(光磨)，以使磨削表面粗糙度值减小。

2．砂轮的特性

①粒度：

砂轮粒度愈细，则砂轮单位面积上磨粒数愈多，工件表面上刻痕密而细，则表面粗糙度值愈小。粒度过细时，砂轮易堵塞，切削性能下降，表面粗糙度值反而会增大，同时还会引起磨削烧伤。

②砂轮的硬度：

砂轮的硬度是指磨粒受磨削力后从砂轮上脱落的难易程度。硬度应大小合适，砂轮太硬，磨粒钝化后仍不易脱落，使工件表面受到强烈摩擦和挤压作用，塑性变形程度增加，表面粗糙度值增大或使磨削表面产生烧伤。砂轮太软，磨粒易脱落，常会产生磨损不均匀现象，从而使磨削表面粗糙度值增大。

③砂轮的修整：

修整砂轮是改善磨削表面粗糙度的重要因素，砂轮的修整质量与所用修整工具、修整砂轮的纵向进给量等有密切关系。砂轮的修整是用金刚石除去砂轮外层已钝化的磨粒，使磨粒切削刃锋利，降低磨削表面的表面粗糙度值。另外，修整砂轮的纵向进给量越小，修出的砂轮上的切削微刃越多，等高性越好，从而获得较小的表面粗糙度值。砂轮修整得越好，磨出工件的表面粗糙度值越小。

3.冷却

图11- 16

图11- 17

图11- 18

如图11-16所示，切削液不易进入磨削区AB，烧伤早巳发生。因此采取有效的冷却方法。

常见的冷却方法有：

在砂轮上安装带有空气挡板的切削液喷嘴，如图11-17所示。采用内冷却砂轮如图11-18所示，将切削液引入砂轮的中心腔内。由于离心力的作用，切削液再经过砂轮内部4的孔隙从砂轮四周的边缘甩出，因此切削液可直接进入磨削区，发挥有效的冷却作用。

采用高压大流量切削液这样既增强了冷却效果，又有利于冲掉砂轮表面上的磨屑，防止砂轮堵塞。

采用浸油砂轮

三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

1．表面层的加工硬化

机械加工中，工件表面层金属受切削力的作用，产生塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生滑移剪切，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，引起表面层的强度和硬度增加，塑性降低，物理性能（如密度、导电性、导热性等）也有所变化，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化或强化。

加工硬化的评定指标有三项，见图11-19：

①表面层的显微硬度 HV0

②硬化层深度 h

③硬化程度 N

式中 HV0——工件原表面层的显微硬度。

图11- 19 切削加工后表面层的冷硬

影响加工硬化的因素：

切削力愈大，塑性变形愈大，硬化程度愈大，硬化层深度也愈大。

a.刀具

刀具的刃口圆角和后刀面的磨损量越大，冷作硬化程度也越大。见图11-20。

b.切削用量

当进给量f、背吃刀量ap增加，都会起增大切削力的作用，使加工硬化严重。

当变形速度很快(即切削速度很高)时，塑性变形可能跟不上，这样塑性变形将不充分，因此硬化层深度和硬化程度都减小。见图11-21 。

c.工件材料

工件材料的硬度越低，塑性越大时，冷作硬化程度也越大。

图11- 20刀具的刃口圆角对冷作硬化的影响图11- 21切削速度与进给量对冷作硬化的影响

2.表面层的金相变化与磨削烧伤

在磨削加工时，磨粒的切削、刻划和滑擦作用，以及大多数磨粒的负前角切削和很高的磨削速度，会使得加工表面层有很高的温度，当温升达到相变临界点时，表层金属就会发生金相组织变化，从而使表面层强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹。这种现象被称为磨削烧伤。

①烧伤的形式：

a.退火烧伤：

在磨削时，如果工件表面层温度超过相变临界温度Ac3，则马氏体转变为奥氏体，如果此时无冷却液，表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。工件干磨时易发生这种烧伤。

b.回火烧伤：

磨削时，工件表面温度未达到相变温度AC3 （一般中碳钢为7200C），但超过马氏体的转变温度（一般中碳钢为3000C），这时马氏体组织将转变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，此现象称为回火烧伤。

c.淬火烧伤：

磨削时，如果工件表面层温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。若此时有充分的冷却液，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，只有几个微米厚；其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极强，表面层总的硬度是降低的，这种现象被称为淬火烧伤。

磨削时表面出现的黄、褐、紫、青等烧伤色是工件表面在瞬时高温下产生的氧化膜颜色，相当于钢在回火时的颜色。

②影响磨削烧伤的因素

磨削烧伤与温度有十分密切的关系。

a.磨削用量

当磨削深度增大时，工件表面及表面下不同深度的温度都将提高，容易造成烧伤。

工件速度增大时，磨削区表面温度会增高，可减轻烧伤。但提高工件速度导致表面粗糙度值变大，可提高砂轮速度V砂轮。

当工件纵向进给量f增大时，工件表面及表面下不同深度的温度都将降低，故可减轻烧伤。但f增大会导致工件表面粗糙度值变大，因而，可采用较宽的砂轮来弥补。

b.工件材料

工件材料硬度高、强度高、韧性和密度大都会使磨削区温度升高，因而容易产生磨削烧伤。导热性能比较差的材料，如耐热钢、轴承钢、不锈钢等，在磨削时也容易产生烧伤。

c.砂轮特性

d.冷却

3.加工表面层的残余应力

机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处就会产生互相平衡的弹性应力。这种应力即为表面层的残余应力。表面残余应力的产生，有以下三种原因。

a.冷态塑性变形

图11－23 热应力在切削力的作用下，已加工表面受到强烈的塑性变形，表面层金属体积发生变化，此时里层金属受到切削力的影响，处于弹性变形的状态下。切削力去除后，里层金属趋向复原，但受到已产生塑性变形的表面层的限制，回复不到原状，因而在表面层产生残余应力。一般说来，表面层在切削时受刀具后刀面的挤压和摩擦影响较大，其作用使表面层产生伸长塑性变形，表面积趋向增大，但受到里层的限制，产生了残余压应力，里层则产生残余拉应力与其相平衡。图11- 24

b.热态塑性变形

表面层在切削热的作用下产生热膨胀，此时基体温度较低，因此表面层热膨胀受基体的限制产生热压缩应力。当表面层的温度超过材料的弹性变形范围时，就会产生热塑性变形（在压应力作用下材料相对缩短）。当切削过程结束，温度下降至与基体温度一致时，因为表面层已产生热塑性变形，但受到基体的限制产生了残余拉应力，里层则产生了压应力。

c.局部金相组织变化：

切削或磨削过程中，若工件被加工表面温度高于材料的相变温度，则会引起表面层的金相组织变化。

不同的金相组织有不同的密度，如马氏体密度ρM＝7.75/cm3，奥氏体密度ρA＝7.96/cm3，珠光体密度ρP ＝7.78/cm3，铁素体密度ρF＝7.88/cm3。当金相组织变化时，由于密度不同，体积会发生变化。如果表层金属膨胀则残余应力为压应力(-)，反之，如果表层金属体积缩小则产生残余拉应力(+)。

实际机械加工后的表面层残余应力是上述三方面原因产生残余应力的综合结果。