职称论文2012

1、表面粗糙度对零件性能影响及其控制摘要：机械零件的破坏，一般总是从表面层开始的。产品的性能，尤其是它的可靠性、耐久性和工作过程中的配合质量、运动精度、工作寿命在很大程度上取决于零件表面层的粗糙度。因此，掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，运用这些规律来控制加工过程，最终达到改善表面质量、提高产品使用性能至关重要。关键词：表面粗糙度；机械加工；影响；控制 表面粗糙度是反映零件表面微观几何形状误差一个重要指标，是检验零件表面质量的主要依据，它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，因此弄清粗糙度产生的原因、分析影响粗糙度的因素，从而控制

2、表面粗糙度是机械加工中不可忽略的重要问题。1.机械加工表面粗糙度对零件性能的影响1.1表面粗糙度对耐磨性的影响表面粗糙度对耐磨性的影响一个刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间，最初阶段只在表面粗糙的的峰部接触，实际接触面积远小于理论接触面积，在相互接触的峰部有非常大的单位应力，使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏，引起严重磨损。零件磨损一般可分为三个阶段，初期磨损阶段、正常磨损阶段和剧烈磨损阶段。表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说表面粗糙度值愈小，其磨损性愈好。但表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。因此，接触面的粗糙度有一个最

3、佳值，其值与零件的工作情况有关，工作载荷加大时，初期磨损量增大，表面粗糙度最佳值也加大。1.2表面粗糙度对疲劳强度的影响表面粗糙度对疲劳强度的影响在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏底能力就愈差。1.3表面粗糙度对零件耐腐蚀性的影响表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多。抗蚀性就愈差。表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。 1.4表面粗糙度对零件工作过程中的配合质量的影响对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质。对于

4、过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度。1.5表面粗糙度对运动精度及工作寿命的影响表面粗糙度达不到规定的要求，不仅会降低运动精度，而且由于粗糙的表面会带来实际接触面接的减小，从而降低零件间的接触刚度，引起振动，并降低机器工作精度的持久性，也降低零件的使用寿命。2.表面粗糙度产生的原因在加工过程中，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。多数情况下是在巳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：

5、2.1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；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，

6、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

7、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。2.2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24级。2.3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

8、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。2.4其他因素 除上述以外，造成巳加工表面

9、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 图2车刀纵车外圆r=0图3车刀纵车外圆r0如图1和图2所示，用刀尖圆弧半径=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=(1)并由残留面积abc计算出长度内轮廓算术平均偏差R为

10、：(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是残留面积高度Rmax的1/4。如图3，用刀尖圆弧半径0的车刀纵车外圆时留下的残留面积，它的高度Rmax为：(3)经推算得轮廓算术平均偏差R为(4)由上式可见，进给量f、刀具主偏角r、副偏角r越大、刀尖圆弧半径r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。3.影响表面粗糙度的因素3.1切削加工影

11、响表面粗糙度的因素（1） 刀具几何形状的复映刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状时刀具几何形状的复映。减小进给量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度。此外，适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度。（2） 工件材料的性质加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。加工脆性材料时，其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。（3）切削速度的影响：图4图4描述了加工塑性材料时不同的切削速度对表面粗糙

12、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。（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。23.2磨削加工影响表面粗糙度的因素正像切削加工时表面粗糙度的形成过程一样，磨削加工表面粗糙度的形成也时由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。影响磨削表面粗糙的主要因素有：砂轮的粒度砂轮的硬度砂轮的修整磨削速度磨削径向进给量与光磨次数工件圆周进给速度与轴向进给量冷却

13、润滑液。4 .表面粗糙度的控制措施4.1.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。3（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

14、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。4.2.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，使表面粗糙度值增大。（2）主、副偏角和刀尖圆弧半

15、径。减少刀具的主偏角Kr和副偏角Kr和增大刀尖圆弧半径r，可减小切削残留面积，使其表面粗糙度值减小。（3）刃倾角。大刃倾角s刀具能较明显地降低表面粗糙度。由于刃倾角s增大，实际工作前角也随之增大。切削过程中的金属塑性变形程度随之下降，于是切削力F也明显下降，这会显著地减轻工艺系统的振动，而从使加工表面的粗糙度值减小。4.3.选择合适的刀具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粘结而生成积屑瘤和鳞刺，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，摩擦严重的，表面粗糙度都大；反之，表面粗糙度都小。如涂层硬质合金和陶瓷材料在高温时，刀

16、面上形成氧化保护膜，它能减少与加工表面间的摩擦系数，故有利于加工表面粗糙度的降低。4.4.改善工件材料的性能一般来说，工件材料的强度、硬度和导热系数对切削温度的影响很大。因为单位切削力是影响切削温度的重要因素，而工件材料的强度、硬度又直接决定了单位切削力，所以，工件材料的强度、硬度高时，产生的切削热多，切削温度升高。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。因此，必要时对工件先进行正火、调质等热处理，以提高硬度，降低塑性和韧性，切削过程中积屑瘤、粘屑影响小，以改善工件材料的性能也是加工时减小其表面粗糙度值的有效措施。4.5.选择合适的切削液正确选用切削液能显著地减小表面粗

17、糙度。因切削液的冷却和润滑作用，能减小切削过程的界面摩擦，降低切削区温度，从而减少了切削过程中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。切削液的冷却作用主要是通过热的传导作用带走大量的切削热，降低切削温度，提高刀具的耐用度，减少工件、刀具的热膨胀，提高加工精度。在切削速度高，刀具、工件材料导热性差，而热膨胀系数又较大的情况下，切削液的冷却作用尤为重要。切削液的冷却性能决定于它的导热系数、比容、汽化热、汽化速度以及流量、流速等。水的导热系数为油的3-5倍，比热约大一倍，故其冷却性能最好。切削液的润滑作用是使工件、刀具、切屑间形成边界润滑摩擦条件，通过切削液的渗透，在刀具与

18、切屑、工件的接触面上形成吸附粘膜，减少金属与金属直接接触面积，降低摩擦系数和摩擦力，减少切削变形，因而起到润滑作用。同时还可以抑制积屑瘤的生长，减小加工表面粗糙度值，减少切削力，降低切削温度，提高刀具耐用度。切削速度对切削温度的影响最大，而且还能影响切削液的渗透的时间，所以，它对切削液的润滑效果有很大的影响。一般说来，切削速度越高，切削液的润滑效果越低。然而，切削速度高时，主要考虑切削液的冷却作用，这对降低切削温度、提高刀具的耐用度将有显著效果。切削液的润滑效果还与它的切削条件有关。例如，切削厚度越大，工件材料强度越高，润滑效果就越差。为了防止工件、机床、刀具受周围介质腐蚀，要求切削液具有良好的防锈作用。防锈作用取决于切削液的本身性能。防锈的添加剂可在金属表面吸附或化合，形成保护膜，防止与腐蚀介质接触而起到防锈作用。金属切削过程中，有时产