加工表面粗糙度的成因及其影响因素分...

摘要

表面粗糙度是指零件表面上具有较小间距和微小峰谷所组成的微观几何形状特征。它主要是由机械加工形成的（表面粗糙度、表面波纹度、表面缺陷、表面几何形状）,直接影响机械零件的配合性质，表面的耐磨性、抗腐蚀性、疲劳强度、密封性、导热性及使用寿命。

首先，对表面粗糙度的基础知识进行了简要介绍；其次，着重分析了影响零件表面粗糙度的因素及其影响规律和趋势；在此基础上，探寻改善和提高表面粗糙度的措施和方法；最后，举例说明表面粗糙度的一些选择和测量。关键词: 粗糙度相关分析控制

目录

第一章绪论 (2)

1.1表面粗糙度概述 (2)

1.1.1表面粗糙度概念 (2)

1.1.2表面粗糙度产生原因 (2)

1.2表面粗糙度国内外研究现状 (2)

1.3表面粗糙度研究的目的及意义 (4)

第二章表面粗糙度的影响因素分析 (5)

2.1表面粗糙度的标准 (5)

2.2表面粗糙度的因素 (6)

2.2.1 刀具方面 (6)

2.2.2切削条件 (7)

2.3表面粗糙度的选择原则 (8)

第三章表面粗糙度的成因及其改善措施 (15)

3.1控制目的 (15)

3.2切削加工时表面粗糙度的成因与控制 (15)

3.2.1形成原因 (15)

3.2.2 控制措施 (20)

第四章结论 (24)

谢辞 (25)

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参考文献 (26)

第一章绪论

1.1表面粗糙度概述

1.1.1表面粗糙度概念

表面粗糙度是指零件表面上具有较小间距和微小峰谷所组成的微观几何形状特征。它主要是由机械加工形成的（表面粗糙度、表面波纹度、表面缺陷、表面几何形状）,直接影响机械零件的配合性质，表面的耐磨性、抗腐蚀性、疲劳强度、密封性、导热性及使用寿命。因此，表面粗糙度是评定机器和机械零件量的重要指标之一，是机械零件的生产、加工和验收过程中一项必不可少的质量标准。

1.1.2表面粗糙度产生原因

在加工过程中，由于刀具与制件表面之间的摩擦、切削或压制时的塑性变形，以及工艺系统中高频振动等因素的作用，使被加工表面产生微观几何变形。

1.2表面粗糙度国内外研究现状

从近年来国内外发表的有关粗糙度方面的论文来看，数量成指数地增加.这表明表面粗糙度测量和表征技术的研究一直处于上升趋势，一方面是由于商用仪器(如:STM、AFM和光学扫描干涉仪等)的发展以及计算机运算能力、控制技术的提高;另一方面是由于尖端技术、国防工业和精密工程等对零件的表

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面质量提出了越来越高的要求。

表面粗糙度的表征参数都是在某一法向截面所截得的轮廓线上进行评定，只反映高度和横向距离之间的关系，属于‘二维’评定.当表面粗糙度在一小面积区域内评定时，还有纵向距离关系，这就属于‘三维’评定.近年来研制了许多三维表面微观形貌测量仪，才使得在局部表面上三维评定表面粗糙度成为可行，而且国际上方兴未艾。

最近,国内外在表征和研究表面粗糙度等方面越来越多地使用分形几何理论这一有力的数学工具。研究表明很多种机加工表面呈现出随机性、多尺度性和自仿射性,即具有分形的基本特征,因而使用分形几何来研究表面形貌将是合理地、有效地。确定分形的重要参数有分形维数D和特征长度A,它们可以衡量机加工表面轮廓的不规则性,理论上不随取样长度变化和仪器分辨率变化,并能反映表面形貌本质的特征,能够提供传统的表面粗糙度评定参数(如Ra、Ry、Rz等)所不能提供的信息。美国TopoMetrix公司生产的扫描探针显微镜(SPM)软件体系中,已将分形维数作为评价表面微观形貌的参数之一。

随着超光滑表面的粗糙度数值接近纳米级甚至埃级，不同测量方法的测量结果不一致性对表面特征的评价影响越来越大。为此，美国国家标准和技术研究院制作了一组尺寸范围从29nm一152um的标准台阶高度样块，其‘标准’值取决于本身的实际尺寸.另外还建立了一组高精度标准样块，其尺寸用三种不同的方法校准，如相移干涉显微镜、校准原子力显微镜(C一AFM)和高分辨力的触针式仪器。如果用这些不同的方法测量台阶高度的精确值，能取得好的一致性，则样块台阶高度将作为精密校准的基准。

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1.3表面粗糙度研究的目的及意义

随着现代化工业生产的不断发展，对产品的质量提出了越来越高的要求.如既要求产品具有长的和没有麻烦的使用寿命，又要利于能源的再利用和环境保护，保证产品的三个阶段.制造—使用—垃圾/再循环，协调发展.各制造商竞相生产具有优势性的零缺陷产品，以增强其市场的竞争能力，对零件表面的物理和几何性能提出了非常苛刻的要求.这就使仪器制造商生产性能更好、更全面，精度更高的检测设备。在飞速发展的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然会对零件表面粗糙度提出更高的要求，元器件的智能化、小型化、高集成、高密度存储和超快传输等要求材料的尺寸越来越小。零件表面粗糙度无疑是研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象。

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第二章表面粗糙度的影响因素分析

2.1表面粗糙度的标准

为了统一指标、统一方法和统一标准,各国都制定了相应的标准。我国的表面粗糙度标准制定工作是从50年代开始的,经过几十年的研究发展,已由当初单纯解决图样标准的统一问题开始,逐步完善修订为现在的GB/T 1031《表面粗糙度参数及其数值》、GB/T 131《机械制图表面粗糙度符号、代号及其注法》、GB 3505《表面粗糙度术语表面及其参数》等系列标准,而成为我国重要的工业基础标准之一,并为其他产品标准及相关标准所引用。GB/T 1031-1995(代替GB 1031-83)规定了表面粗糙度的参数和数值系列,GB/T 131-93(代替GB 131-83)又规定了图样上表面粗糙度的标注方法及代号的含义,只要正确使用这些标准,表面粗糙度要求在图样上是十分清楚的。

但是在其他有关标准及一些技术文件中需要对零件作出表面粗糙度要求时,由于标准和技术文件的编写特点,大多采用文字叙述等加以规定。这些表述如果不正确,会给理解和执行标准带来麻烦,同时影响到标准自身的质量。目前我国评定表面粗糙度的参数，根据《GB/T1031-1995表面粗糙度参数及其数值》规定，表面粗糙度参数首先从三项高度参数—轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz和轮廓最大高度Ry中选取。根据表面功能的需要，在高度参数不能满足要求的情况下，可选用轮廓微观不平度的平均间距Sm、轮廓的单峰平均间距S和轮廓支承长度率Tp。对表面粗糙度有要求的表面须给出高度参数值和评定时的取样长度。间距参数Sm、S和形状特性参数Tp一般不单独使用，常作为补充参数与高度参数共同控制零件的表面粗糙度。

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2.2表面粗糙度的因素

2.2.1 刀具方面

(1)刀具几何参数

刀具几何参数中对表面粗糙度影响最大的是刀尖圆弧半径、副偏角和修光刃。刀尖圆弧半径对表面粗糙度有很大影响:半径增大时，残留面积减小，另一方面变形将增加。

由于前一种变形影响较大，所以当刀尖圆弧半径增大时，表面粗糙度将降低。因此在刚度允许的条件下.增大刀尖圆弧半径是降低表面粗糙度的好方法。

副偏角越小，表面粗糙度越低。

但减小副偏角容易引起振动，故减小副偏角，必须视机床系统的刚度而定。

当副偏角达到一定值时，再增大半径，也不会使表面粗糙度值增加。

采用一段长度稍大于进给量的修光刃是降低表面粗糙度的有效措施，利用增加修光刃来消除残留面积是实际加工工件中常常采用的方法。

前角对表面粗糙度没有直接的影响，对抑制积屑瘤和麟刺有利，可使刃口回弧半径减小，所以在中、低速范围内适当增大可有利于减小表面粗糙度。

(2)刀具的刃磨质量

刀刃前、后刀面，切削刃本身的粗糙度值直接影响被加工面的粗糙度。一般来说，刀刃前、后刀面的粗糙度比加工面要求的粗糙度小l一2级。

(3)刀具的材料

刀具材料与被加工材料金属分子的亲和力大时，被加工材料容易与刀具

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而生成粘结积屑瘤和鳞刺，且被粘结在刀刃上的金属与被加工表面分离时还会形成附加的粗糙度。

因此凡是粘结情况严重或摩擦严重的，表面粗糙度都大;反之如果粘结和摩擦不严重的，表面粗糙度都小。

2.2.2切削条件

(1)切削速度

加工塑性材料时，切削速度对积屑瘤和麟刺的影响非常显若。切削速度较低易产生幼刺，低速至中速易形成积屑瘤，粗糙度也大。避开这个速度区域，表面粗糙度值会减小。

加工脆性材料时.因为一般不会形成积屑瘤和鳞刺，所以切削速度对表面粗糙度无影响。

由此可见，用较高的切削速度，既可提高生产率，同时又可使加工表面粗糙度较小。

所以最重要的是发展各种新刀的材料和相应的新刀具结构，以便有可能采用更高的切削速度。

(2)进给量

从几何因素中可知，减小进给量可以降低残留面积的高度。同时也可以降低积屑瘤和麟刺的高度，因而减小进给量可以使表面粗糙度值减小。

但进给量减小到一定值时，塑性变形要占主导地位，粗糙度值不会明显下降。当进给量更小时，由于塑性变形程度增加，粗糙度反而会有所上升。

(3)切削深度

一般来说，切削深度对加工表面粗粗度的影响是不明显的，在实际工作

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中可以忽略不计。

但当切削深度在0.02到0.03之间时，由于刀刃不是绝对尖锐而是有一定的圈弧半径，这时正常切削就不能进行，常挤压绕过加工表面而切不下圆周将在加工表面上引起附加的扭性变形.从而使加工表面粗糙度增大。

所以切削加工不能选用过小的切削深度。但过大的切削深度也会因切削力、切削热剧增而形响加工精度和表面质量。

(4)切削液

切削液的冷却和润滑作用，能减小切削过程的界面摩擦，降低切削粗糙度，从而减少了切削过程的塑性变形并抑制积屑瘤和鳞刺的生长，因此对减小加工表面粗糙度有利。

(5)被加工材料

一般来说，材料韧性越好，塑性变形倾向越大，在切削加工中，表面粗糙度就越大。被加工材料对表面粗糙度的影响与其金相组织状态有关。

2.3表面粗糙度的选择原则

1.选择原则

（1）在满足表面工作要求的情况下，尽量选大值。

（2）同一零件上，工作表面粗糙度值低于非工作表面粗糙度值。

（3）摩擦表面粗糙度值低于非摩擦表面粗糙度值。

（4）受循环负荷的表面及易引起应力集中的表面粗糙度值要小。

（5）配合性质稳定性要求高的结合表面，粗糙度值要小。对动配合，配合间隙小的表面，粗糙度值要小；对静配合，要求连接牢固可靠，承受载荷

大时粗糙度值要小。

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（6）配合性质相同，零件尺寸越小则粗糙度值越小；同一公差等级，小尺寸比大尺寸的粗糙度值要小，轴比孔的粗糙度值要小。

2.常用的选择零件表面粗糙度的方法及弊病

在机械零件设计工作中粗糙度的选择方法有3种，即计算法、试验法和类比法。

应用最普遍的是类比法，此法虽简便、迅速、有效，但需要有充足的参考资料。

目前，设计中最常用的是与公差等级相适应的表面粗糙度，即计算法。

通常情况下，机械零件尺寸公差要求越小，机械零件的表面粗糙度值也越小，但它们之间又不存在固定的函数关系。

如一些机器、仪器上的手柄、手轮以及卫生设备、食品机械上的某些机械零件的修饰表面，它们的表面要求加工得很光滑（即表面粗糙度要求很高），但其尺寸公差要求却很低。

3.按零件类型及公差等级选择零件表面粗糙度

在实际工作中，对于不同类型的机器，其零件在相同尺寸公差的条件下，对表面粗糙度的要求是有差别的，原因是在机械零件的设计和制造过程中，对于不同类型的机器，其零件的配合稳定性和互换性的要求是不同的。

因此，我们把粗糙度的选择同零件类型联系起来更趋于合理。机械零件设计手册中把零件分为精密机械零件、普通精密机械零件及通用机械零件3种类型。

在此我们通过对机械设计手册中的相关数值进行统计分析，将旧的表面粗糙度国标(GB1031—68)转换为参照采用国际标准ISO颁布的新国标(GB1031

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—83)，采用优先选用的评定参数，即轮廓算术平均偏差值Ra＝(1)/(l)∫l0｜y｜dx。并采用Ra优先选用的第一系列数值，推导出表面粗糙度Ra与尺寸公差IT之间的有关关系式为：

第1类：Ra≥1.6Ra≤0.008×IT

Ra≤0.8Ra≤0.010×IT

第2类：Ra≥1.6Ra≤0.021×IT

Ra≤0.8Ra≤0.018×IT

第3类：Ra≤0.042×IT

并将上述3种关系式列表，如表1、表2、表3所示。

表1用于精密机械零件

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表2用于普通精密机械零件

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表3用于通用机械零件

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第1类主要用于精密机械，对配合的稳定性要求很高，要求零件在使用过程中或经多次装配后，其零件的磨损极限不超过零件尺寸公差值的10%，这主要应用在精密仪器、仪表、精密量具的表面、极重要零件的摩擦面，如汽缸的内表面、精密机床的主轴颈、坐标镗床的主轴颈等。

第2类主要用于普通的精密机械，对配合的稳定性要求较高，要求零件的磨损极限不超过零件尺寸公差值的25%，要求有很好密合的接触面，其主要应用在如机床、工具、与滚动轴承配合的表面、锥销孔，还有相对运动速度较高的接触面如滑动轴承的配合表面、齿轮的轮齿工作面等。

第3类主要用于通用机械，要求机械零件的磨损极限不超过尺寸公差值的50%，没有相对运动的零件接触面，如箱盖、套筒，要求紧贴的表面、键和键槽的工作面；相对运动速度不高的接触面，如支架孔、衬套、带轮轴孔的工作表面、减速器等等。

在机械零件设计工作中，按尺寸公差选择表面粗糙度数值时，应当根据不同类型的机器，选择相应的表值。

需要说明的是，表中Ra采用第1系列值，而旧的国标Ra的极限值为第2系列值，换算时会遇到数值上靠和下靠的问题。我们在表中表值采用上靠，因为这有利于提高产品质量，个别值采用下靠。

在设计中，表面粗糙度的选择归根到底还是必须从实际出发，全面衡量零件的表面功能和工艺经济性，才能作出合理的选择。

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第三章表面粗糙度的成因及其改善措施

3.1控制目的

表面粗糙度对零件的摩擦系数、密封性、耐磨性、抗腐蚀性、疲劳强度、接触刚度、配合性质以及导热、导电性能等均有影响，所以合理控制零件的表面粗糙度，对提高产品性能具有至关紧要的作用。

3.2切削加工时表面粗糙度的成因与控制

3.2.1形成原因

物理因素即非正常原因造成的表面粗糙度。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：

（1）积屑瘤积屑瘤的产生，是由于在切削过程中切屑的塑性流动及刀具与切屑的外摩擦超过了内摩擦，在刀具和切屑间很大的压力作用下造成切削底层与刀具前面发生冷焊。积屑瘤对表面粗糙度的影响有两方面：①它能刻划出纵向的沟纹来；②它还会在破碎脱落时沾附在已加工表面上。其主要原因是：当积屑瘤在生长阶段时，它与前刀面的粘结比较牢，因此积屑瘤在已加工表面上刻划纵向沟纹的可能性大于对已加工表面的沾附。当积屑瘤处于最大范围以及消退阶段，它已经不很稳定，这时它一方面虽然还时而刻划沟纹，但更多的是沾附在已加工表面上。

在一定的切削速度范围内，新生的切屑底层金属与前刀面发生强烈的挤压和摩擦，破坏了前刀面的氧化膜和吸附膜，使其与前刀面的接触面积逐渐增大。同时在巨大的压力作用下切屑底层的流动速度较切屑的上层金属缓慢

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的多，并将沿前刀面产生很大的变形，即出现滞流现象。

此外，压力作用将使切屑底层金属填满前刀面的微观凹谷，发生冷焊。冷焊层具有较大的强度和硬度，能抵抗切削力作用而不致从前刀面上脱落，形成第一层积屑瘤。由于切屑还在继续流动，因而与第一层积屑瘤接触的一层金属又产生很大的变形并冷焊层积在第一层积屑瘤上面。这样不断冷焊层积，积屑瘤不断长大。当积屑瘤长到一定高度时，由于积屑瘤改变了前刀面的实际形状，使切屑与前刀面的接触条件和受力情况发生变化，积屑瘤不再继续生长，一个完整的机屑瘤便形成了。积屑瘤包覆着切削刃和前刀面的一部分，一旦形成便替代切削刃和前刀面进行切削，从而切削刃和前刀面得到了积屑瘤的保护。但是积屑瘤存在的稳定性较差，常因冷焊结的破裂而把刀具前刀面近刀尖处的金属带走一部分，反而加剧了刀具的磨损。

（2）鳞刺鳞刺是指已加工表面上鳞片状的毛刺。鳞刺的成因是在切削过程中，切屑与前刀面产生严重摩擦条件下出现的粘结现象，在堆积的粘结层挤压下，加剧了金属层的塑性变形，致使刀刃前方的加工表面上产生导裂，当切削力超过粘结力时，切屑流出并被切离，而导裂层残留在巳加工表面上形成鳞刺。鳞刺对已加工表面质量有严重的影响，它往往使表面粗糙度等级降低2～4级。

（3）振动切削过程中如果有振动，加工表面会出现振纹，表面粗糙度就会显著变大。振动是由于径向切削力Fr太大，或工件系统的的刚度小而引起的。切削过程中产生振动使加工表面产生振纹。振纹呈纵向分布，横向分布或斜向分布。振动波形高低与振动的振幅、振纹的密度和振动的频率有关。振动不仅对刀具的磨损有很大影响，还恶化了加工表面质量。振动有自激振

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动和强迫振动。自激振动是由于切削过程中的作用力的变动而引起的。例如切削与刀具间的摩擦力变化、刀具磨损产生作用力、机屑瘤不稳定导致切削厚度的变化等。强迫振动是由外界的周期性作用力引起的，例如，机床运动的不平稳、安装误差造成离心力作用、滑动导轨的形状误差、工件材质的不均匀、间断切削和崩碎切削作用等。

（4）其他因素除上述以外，造成巳加工表面粗糙不平的原因还有：刀具后刀面磨损造成的挤压和摩擦痕迹；刀刃上缺陷复映在加工表面上的沟痕；被切屑拉毛和刮伤痕迹等。

切削加工时，由于刀具切削刃的几何形状、几何参数、进给运动及切削刃本身的粗糙度等原因，未能将被加工表面上的材料层完全干净地去除掉，在已加工表面上遗留下残留面积，残留面积的高度构成了表面粗糙度Ra。

图1车刀纵车外圆

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图2车刀纵车外圆r=0

图3车刀纵车外圆r>0

如图1和图2所示，用刀尖圆弧半径e 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△abc ，它的高度Rmax 即为理论粗糙度的轮廓最大高度Ry ，由上图可知

Y R =max R =

'

r r ctgk ctgk f

+ (1)

并由残留面积△abc 计算出ｆ长度内轮廓算术平均偏差R 为：

max

||||2()4

d R adc bdc adc R f f ?+??=

== (2)

上式表明，残留面积为三角形时，理论粗糙度的轮廓算术平均偏差R 是残留

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面积高度Rmax 的1/4。

如图3，用刀尖圆弧半径e r ＞0的车刀纵车外圆时留下的残留面积，它的高度Rmax 为：

2

max

8e e

f R r r =≈

……………………………………………………(3) 经推算得轮廓算术平均偏差R ′为

2

0.321d e

f R r =

………………………………………………………………(4) 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r ε越小，则切削层残留面积就越大，R 值也越大，零件加工表面就越粗糙。以上式是理论计算结果，称为理论粗糙度。实际上加工表面的粗糙度总是大于按以上计算的残留面积的高度，只有切削脆性材料或高速切削塑性材料时，实际加工表面的粗糙度才比较接近残留面积的高度，这说明影响表面粗糙度的还有其它原因。

表面粗糙度对零件使用性能的影响，零件表面越粗糙，配合表面间的实际有效接触面积越小，单位面积压力增大，表面易磨损。但过于光滑的表面不利于润滑油的储存，还会增加两表面的分子吸附作用，磨损也会加剧。具有粗糙度的两表面贴合时，往往是凸峰顶部先接触。

因此，实际接触面积大大小于理论接触面积，粗糙度越大，实际接触面积越小。在初期磨损阶段，因零件表面有较多的尖峰，实际接触面积极小，因而磨损较快。随着磨损的加大，实际接触面积逐渐增大，单位面积载荷逐渐下降，磨损过程减缓而趋向稳定，进入正常磨损阶段。最后磨损继续发展，实际接触面积越来越大，产生了金属分子间的亲和力，使表面容易咬焊，从

而进入急剧磨损阶段。

3.2.2 控制措施

1.合理选择切削用量

（1）切削速度。切削速度v是影响表面粗糙度的一个重要因素。加工塑性材料如普通碳钢时，切削速度较低易产生鳞刺，低速至中速易形成积屑瘤，粗糙度也大。避开这个速度区域，表面粗糙度值会减小。

加工脆性材料时，因为一般不会形成积屑瘤和鳞刺，所以切削速度对表面粗糙度基本无影响。由此可见，用较高的切削速度，既可提高生产率，同时又可使加工表面粗糙度较小。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。进给量f越小，表面残留面积高度越低，因此，表面粗糙度越小。在高速区，利用减小进给量来提高加工表面质量是一个较为有效的措施；在中速区，为了抑制积屑瘤，应选取较大的进给量，但还应配合选用较小副偏角Kr′或磨出修光刃，以达到减小残留面积高度的目的；在低速区，适当地减小进给量后能减少或抑制积屑瘤、鳞刺等现象产生，使表面粗糙度值减少。

2.合理选择刀具几何参数

（1）前角和后角。适当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。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，

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