郭大光

摘 要：零件表面經(jīng)過(guò)加工后，看起來(lái)很光滑，但經(jīng)過(guò)放大觀察呈現(xiàn)出凹凸不平。表面粗糙度是零件在加工過(guò)程中由于不同的加工方法、機(jī)床與工具的精度、振動(dòng)及磨損等因素在加工表面形成的具有較小間距和峰谷的微觀不平狀況，屬于微觀幾何誤差。零件表面功用不同，零件所需表面參數(shù)值也不一樣。零件圖上要標(biāo)注表面粗糙度代號(hào)，用以說(shuō)明該表面完工后需要達(dá)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，被加工表面留下痕跡的深淺、疏密、形狀和紋理都有差別[1]。表面粗糙度與機(jī)械零件的配合性質(zhì)、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、接觸剛度、振動(dòng)和噪聲等有密切關(guān)系，尤其對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命和可靠性有重要影響。

關(guān)鍵詞：切削加工 表面粗糙度 測(cè)試與方法

切削加工中影響表面粗糙度的因素

切削加工中表面粗糙度的影響因素可歸納為三個(gè)方面：切削過(guò)程中刀刃在工件表面留下的殘留面積；切削過(guò)程中塑性變形及積屑瘤和鱗刺生成的影響；切削過(guò)程中刀與工件相對(duì)位置的微幅振動(dòng)。

1加工表面粗糙的原因

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

鱗刺：用高速刀具低速或中速切削塑料金屬材料時(shí)，如低碳鋼、中碳鋼、不銹鋼、鋁合金等，常在已加工表面上產(chǎn)生魚(yú)鱗片狀的毛刺，成為鱗刺。出現(xiàn)鱗刺會(huì)顯著增大已加工表面的表面粗糙度。如圖2- 2鱗刺剖面的顯微圖片所示，鱗刺的表面微觀結(jié)構(gòu)為鱗片狀，有一定高度，鱗片分布近似于整個(gè)刀刃寬度，其寬度近似垂直于切削速度方向。

（2）積屑瘤：在切削加工過(guò)程中，如圖圖2- 3 刀片積屑瘤形貌所示，當(dāng)產(chǎn)生積屑瘤時(shí)，其突出部分能代替切削刃進(jìn)入攻堅(jiān)，在已經(jīng)加工的表面上畫(huà)出深淺不一的溝紋，當(dāng)積屑瘤脫落時(shí)，部分積屑瘤碎片粘附在已加工的表面上，形成細(xì)小毛刺，造成表面粗糙度增大。

（3）振動(dòng)：在切削加工時(shí)，由于工藝系統(tǒng)產(chǎn)生周期性振動(dòng)，使得已加工表面出現(xiàn)條痕或波紋痕跡，使表面粗糙度值明顯增大。

2影響切削表面粗糙度的因素

凡是影響殘留面積、積屑瘤、鱗刺、振動(dòng)的因素都影響加工表面的粗糙度。

（1）切削用量：進(jìn)給兩對(duì)殘留面積的影響最大，進(jìn)給兩減小，殘留面積減小。切削塑性金屬時(shí)，當(dāng)切削速度很低或很高時(shí)，表面粗糙度值較小，這是因?yàn)榈退讜r(shí)積屑瘤不易產(chǎn)生；切削速度較高時(shí)，塑性變形減小，可消除鱗刺的產(chǎn)生。在切削脆性材料時(shí)，切削速度的影響較小，因?yàn)椴牧献冃涡?，故而表面粗糙度值也減小。

（2）刀具幾何參數(shù)：刀具的刀劍圓尖半徑、主偏角和副偏角對(duì)殘留面積和振動(dòng)有較大的影響，一般當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑增大，主偏角和副偏角減小時(shí)，表面粗糙度值小，但如果機(jī)床剛度低，刀尖圓弧半徑過(guò)大或主偏角過(guò)小，會(huì)由于切削力增大而產(chǎn)生振動(dòng)，使得表面粗糙度值增大。

（3）刀具材料：刀具的材料不同，刃口圓弧半徑的大小和保持鋒利的時(shí)間是不同的，高速鋼刀具刃可以磨的很鋒利，但保持的時(shí)間較短，所以在低速切削時(shí)表面粗糙度值較小。硬質(zhì)合金刀具刃磨后刃口圓弧半徑較大，在高速度下切削表面粗糙度值較小。

（4）工作材料：加工塑性材料時(shí)，工件材料的塑性越低，硬度越高，則出現(xiàn)積屑瘤、鱗刺。冷硬的現(xiàn)象減小，表面粗糙度值越小。因此高碳鋼、中碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼就愛(ài)工后表面粗糙度值比低碳鋼小，加工鑄鐵時(shí)，由于切屑呈崩碎型，故而在同樣加工條件下，切削鑄鐵的表面粗糙度值比鋼大。

3表面粗糙度的評(píng)定

表面粗糙度的測(cè)試方法主要是采用中線評(píng)價(jià)法。工程應(yīng)用中表面粗糙度參數(shù)主要從下列三項(xiàng)中選取。

（1）輪廓算數(shù)平均偏差Ra

在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，沿測(cè)量方向（y方向）的輪廓線上的點(diǎn)與基準(zhǔn)線l之間距離絕對(duì)值的算術(shù)平均值：

（3）輪廓最大高度Ry

在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓最高峰頂線和最低谷底線之間的距離。

為研究表面粗糙度對(duì)零件性能的影響和度量表面微觀不平度的需要，從20世紀(jì)20年代末到30年代，德國(guó)、美國(guó)和英國(guó)等國(guó)的一些專家設(shè)計(jì)制作了輪廓記錄儀、輪廓儀，同時(shí)研制出了光切式顯微鏡和干涉顯微鏡等用光學(xué)方法來(lái)測(cè)量表面微觀不平度的儀器，為從數(shù)值上定量評(píng)定表面粗糙度創(chuàng)造力條件[2]。

選取基準(zhǔn)線是測(cè)量粗糙度的研究，基準(zhǔn)線是用以評(píng)定表面粗糙度參數(shù)給定的先，它是表面粗糙度二維評(píng)定的基準(zhǔn)。基準(zhǔn)線有下列兩種：一是輪廓的最小二乘中線。具有幾何輪廓形狀并劃分輪廓的基準(zhǔn)線，在取樣長(zhǎng)度內(nèi)使輪廓線上各點(diǎn)的輪廓偏距的平方和為最小。二是輪廓的算術(shù)平均中線。具有幾何輪廓形狀在取樣長(zhǎng)度內(nèi)與輪廓走向一致的基準(zhǔn)線。在高度特性參數(shù)常用的參數(shù)值范圍內(nèi)（Ra為0.025μm～6.3μm，Rz為0.1～25μm）優(yōu)先選用Ra。

4表面粗糙度的測(cè)試

表面粗糙度測(cè)試方法較多，工程中應(yīng)用較多的主要是比較法、光切法、觸針?lè)ê透缮娣??？茖W(xué)研究中，除了可以采用輪廓儀外，還可以采用原子力顯微鏡分析和掃描電子顯微鏡分析等方法來(lái)測(cè)定表面粗糙度形貌。

4.1比較法

比較法是將被測(cè)量表面與標(biāo)有一定數(shù)值的粗糙度樣塊進(jìn)行比較，來(lái)確定被測(cè)表面的粗糙度數(shù)值的方法。將表面粗糙度比較樣塊根據(jù)視覺(jué)和觸覺(jué)與被測(cè)表面比較，判斷被測(cè)表面粗糙度相當(dāng)于哪一種數(shù)值，或測(cè)量其反射光強(qiáng)變化來(lái)評(píng)定表面粗糙度。樣塊是一套具有平面或圓柱表面的金屬塊，表面經(jīng)過(guò)磨、車、鏜、銑、刨等切削加工，電鑄或其他鑄造工藝等加工而具有不同的表面粗糙度?，F(xiàn)在已經(jīng)有多種加工狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)比較樣塊的組合，如圖2- 4所示。

利用樣塊根據(jù)視覺(jué)和觸覺(jué)評(píng)定表面粗糙度的方法雖然簡(jiǎn)便，但不精準(zhǔn)，需要一定的經(jīng)驗(yàn)度才能做出較好的判斷。比較法要求樣板的加工方法、加工紋理、加工方向、材料與被測(cè)零件表面相同。比較法特點(diǎn)是測(cè)量簡(jiǎn)便，可直接使用于車間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，常常用于中等或較粗糙表面的測(cè)量。

4.2光切法測(cè)表面粗糙度

光切法是讓光線通過(guò)狹縫投射到被測(cè)表面上并與表面形成輪廓曲線，測(cè)量曲線可測(cè)得表面粗糙度（如圖2- 5），光經(jīng)過(guò)聚光鏡、狹縫、右邊的物鏡1后，以45°的角度經(jīng)過(guò)狹縫投射到被測(cè)表面，形成被測(cè)表面的截面輪廓圖形，通過(guò)左邊的物鏡2將圖形放大后投射到測(cè)量板上。利用測(cè)微目鏡和讀數(shù)鼓輪顯讀出h值，計(jì)算后得出H值。該方法適用于測(cè)量Rz和Ry為0.5～100μm的表面粗糙度，需要人工取點(diǎn)，測(cè)量效率低。

4.3觸針?lè)y(cè)表面粗糙度

觸針?lè)ㄖ?，通常利用針尖曲率半徑?μm左右（可換直徑不同的觸針）的金剛石觸針[3]沿著被測(cè)表面緩慢滑行，金剛石觸針的上下位移量由傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)果放大、濾波和計(jì)算，通過(guò)記錄器將被測(cè)表面輪廓曲線記錄下來(lái)或者從顯示儀器中讀取表面粗糙度額值。僅僅能顯示表面粗糙度數(shù)值的測(cè)量?jī)x叫做表面粗糙度測(cè)量?jī)x，如圖2- 6所示。

這兩種測(cè)量工具一般可計(jì)算輪廓算術(shù)平均偏差Ra，微觀不平度十點(diǎn)高度Rz、輪廓最大高度Ry和其他多種評(píng)定參數(shù)，測(cè)量效率高，一般可測(cè)量的表面粗糙度算術(shù)平均偏差范圍為0.025～6.3μm。

4.4干涉法測(cè)表面粗糙度

干涉法利用光波干涉原理將被測(cè)表面的不平整形成干涉條紋通過(guò)儀器顯示并放大后測(cè)量，可得到被測(cè)表面粗糙度。這種測(cè)量方法用的儀器叫干涉顯微鏡。這種方法可測(cè)量的表面粗糙度為Rz和Ry約0.025～0.8μm。目前已研發(fā)出的白光干涉三維形貌儀，是根據(jù)光學(xué)干涉原理研制開(kāi)發(fā)的超精密表面輪廓測(cè)量?jī)x器。照明光束經(jīng)半反半透分光鏡分為兩束光，分別投射到樣品表面和參考鏡表面。從兩個(gè)表面反射的兩束光經(jīng)過(guò)分光鏡后合成一束光，并由成像系統(tǒng)在相機(jī)感光面形成兩個(gè)疊加的像。兩束光相互干涉會(huì)導(dǎo)致相機(jī)感光面觀察到明暗間隔的干涉條紋，根據(jù)干涉條紋明暗度以及干涉條紋出現(xiàn)的位置解析出被測(cè)樣品的高度，換算成表面粗糙度。

對(duì)比這幾類光學(xué)分析法，總結(jié)出以下特點(diǎn)：

1、掃描電子顯微鏡分析方法只能獲得二維形貌，原子力顯微分析可以獲得二維和三維形貌；

2、原子力顯微分析除了獲得表面形貌外還可獲得原子排列信息；

3、掃描電子顯微鏡分析方法除了獲得表面形貌信息外，在帶有能譜儀配件下還能做化學(xué)成分定量分析。

改善加工措施

切削加工表面粗糙度的影響因素主要可以分為三個(gè)方面：一是切削刀具參數(shù)的影響因素，即刀具與被切材料之間的摩擦等留下不平整；二是工件材料的物理性質(zhì)影響，主要有切削加工過(guò)程時(shí)由于材料的特征性質(zhì)和切削參數(shù)的選擇會(huì)導(dǎo)致在工件已加工表面產(chǎn)生一些如積屑瘤、鱗刺和振動(dòng)等導(dǎo)致表面不平整的因素；三是工藝、切削參數(shù)、切削液的選用也對(duì)粗糙度有很大影響。

根據(jù)材料切削加工中三類表面粗糙度影響因素，提出以下的改善措施：

1） 恰當(dāng)調(diào)整刀具的幾何參數(shù)，合理調(diào)整刀具的刃傾角度、主偏角、副偏角和刀尖圓弧半徑。

2） 選擇合理的切削用量、進(jìn)給量，合適的切削深度和速度。

3） 選擇合適的切削液，切削液的潤(rùn)滑作用可以降低表面粗糙度值。

4） 刀具的選擇對(duì)工件材料表面粗糙度影響也很大。相同的切削條件，高速刀和硬質(zhì)合金刀具切削加工表面粗糙度不同。

5）提高切削加工系統(tǒng)的剛度可以改善振動(dòng)。

6） 針對(duì)材料的物理特性，可通過(guò)熱處理改善材料的加工狀態(tài)后再繼續(xù)加工。

總結(jié)

本論文從表面粗糙度的影響因素、表面粗糙度的評(píng)定、表面粗糙度的測(cè)試以及加工方式的改善來(lái)論述表面粗糙度的研究現(xiàn)狀。細(xì)分了表面粗糙度的各類影響因素，論述了表面粗糙度的各類評(píng)定因子，對(duì)比分析了各類表面粗糙度測(cè)試方法的特征和優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)表面粗糙度的影響因素，列舉了改善加工的方式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梅超. 大口徑多光譜變焦光學(xué)系統(tǒng)雜散光分析與抑制技術(shù)研究[D]. 中國(guó)科學(xué)院研究生院（西安光學(xué)精密機(jī)械研究所）， 2014.

[2] 范興國(guó). 成形磨削表面粗糙度的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 湖南大學(xué)， 2005.

[3] 姚靈. 觸針式儀器評(píng)定制件表面粗糙度的規(guī)則與方法[J]. 宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，1997，04：23-26.