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浅析如何提高机械加工表面粗糙度
作者： 姚瑞
摘 要：表面粗糙度是机械加工中衡量加工质量的重要因素。表面粗糙度对零件和机器有着重要的意义，但由于工件材料、切削加工方式、表面硬化等原因，造成了表面粗糙度值提高。为此本文通过工艺规程、刀具参数、强化方式等不同角度，来阐述提高表面加工质量的方法。
关键词：表面粗糙度 表面质量 机械加工
中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（a）-0124-01
表面质量是衡量机械加工零件加工质量的重要组成部分。机器故障的产生多数是单个零件或部件丧失其使用性能引起的，生产实践和研究表明，这部分的故障大多是由零件表面磨损、疲劳破坏和腐蚀引起的。因此，正确理解零件表面质量意义、了解影响加工表面质量的各种工艺因素、合理改善其表面质量，对机械加工提高产品的质量有着重要的意义。
1 表面加工粗糙度问题的表现形式
耐磨性：表面粗糙度值越小，其耐磨性也就越好。但是表面粗糙度值如果太小，反而润滑油不易储存，接触面容易出现份子粘结，导致摩擦力的增加。
机械疲劳强度：在交变载荷的破坏作用下，金属很容易产生疲劳破坏，而疲劳破坏产生往往是从金属的冷作硬化层下和零件表面上开始发生的。
腐蚀性：表面粗糙度对零件的腐蚀性能在很大程度上有决定性的作用。表面粗糙度值越大，则抗腐蚀性能则越差。
配合零件之间的连接强度：表面粗超度直接影响着零件间的连接强度，在间隙配合中，大的表面粗糙度会严重影响配合性能，导致增加磨损量、间隙随之变大。
2 表面加工粗糙度问题的导致因素
2.1 工件材料性能
塑性金属材料在加工的过程中，刀具挤压金属材料，使其产生塑性变形，切屑和工件分离是由于刀具外力的挤压，表面出现撕裂现象，这严重影响表面粗糙度。伴随着工件材料韧性的提高，在切屑过程中材料的塑性变形也就越大，加工表面粗糙度也就越差。脆性材料在加工时，所切削形成的铁屑为颗粒状，在切屑崩碎的过程中，加工表面容易产生细小的坑点，提高表面粗糙度值。
2.2 刀具切削加工
在普通刀具在切屑过程中，切削表面势必会产生残留面积，残留面积的高度则是影响加工表面粗糙度的主要因素。在整个加工过程中，刀具的进给量、主偏角、副偏角、圆弧半径则是造成切削残留面积的主要因素。
砂轮磨削加工过程中，砂轮上硬质颗粒断裂后形成微刃，其分布情况和外形对表面粗糙度有着直接的影响。因为磨削加工表面是大量微刃在金属表面切削出细小的切削痕迹构成的，所形成的切削痕迹越细小、越密集则表面粗糙度就越好，相反切削痕迹粗大、分布疏散，则表面粗糙度越差。
2.3 表面冷作硬化
在普通刀具切削或砂轮磨削过程中，表面层金属由于刀具外在切削力和材料本身的塑性，使其晶格产生剪切、滑移、拉长、扭曲、破碎，宏观的表现特点则是材料表面层变硬，屈服点提高，延生率降低。
2.4 表层组织变化
如热处理的原理一样，机械加工时表切削表面会产生大量的热量，这些热量会使已加工表面温度升高，当温度超过该加工金属的相变温度，金属表层的金相组织将会产生变化，伴随的工件或刀具的旋转，改组织变化部分又会急速的冷却，表面形成类似淬火的组织，这种现象被称为“风淬”。而在砂轮磨削加工时，同样的效果也会产生，表面层的强度和硬度会降低，并会产生残余应力、细微裂纹，这种现象被称之为“磨削烧伤”。
2.5 机械加工振动
机械加工时产生振象是我们极其不愿意看到的有害现象，它会导致切削刀具与被加工材料之间出现相对位置的移动，而导致表面出现振动的痕迹，这些痕迹将严重的影响工件的表面粗糙度和使用性能。
3 表面加工粗糙度问题的解决措施
3.1 制定科学的工艺规程
科学的工艺规程是保证加工质量的基础依据。好的工艺规程的主要特点是工艺流程短、能够准确的定位、尽量考虑将定位基准和设计基准重合。如果定位基准与设计基准两个基准不重合，定位基准选择加工质量高的表面作为参考面；如果有几个设计准都集中在一个面上，可选用组要设计基准作为定位基准，甚至可以补充必要的工艺台或工艺孔，保证工件加工表面质量符合要求；尽量避免工件多次装夹，如果有条件可使用专用夹具来保证加工质量。
在加工方法的选择中，特别要注意零件关键表面的最终工序加工方法，因为机器零部件的使用性能和留在工作表面的最终工序残余应力息息相关。关键零件的最终加工方法选择的表面工作，部分主要工作表面的最终加工方法选择，必须考虑该工件可能出现的的破坏形态和零件工作表面的具体工作条件
3.2 采用专门的强化工艺
对于一些零件，可以采用滚压、碾光、喷丸等表面强化工艺，来提高其表面强度和防腐蚀性能。因为这些加工手段可以是加工工件表面层产生残余压应力和冷作硬化，同时还可以消除磨削所残留的应力，降低表面粗糙度。但是值得注意的是，在采用滚压、碾光、喷丸等强化加工工艺师一定要很好的控制工艺参数，否则容易出现表面过度硬化，导致其完全丧失塑性，严重会导致裂纹和材料表皮脱落。
3.3 选择合理的切削参数
合理的刀具角度、切削速度、切削深度、进给速度的选取，可有效的降低理论加工残余面积的高度、减小切屑瘤参数的可能性。选择小进给量和较大的刀具刀尖圆弧半径，可有效的改善表面粗糙度。利用宽刃刀尖低速切削和普通刀具高速切削都可以得到较好的表面粗糙度。在一定范围内适度增加刀具前角和后角，提高刀具的整体刃磨质量都能较好的提高表面粗糙度。
3.4 减少加工中振动现象
在控制和减少加工振动时，要首先判断振动的运动规律和产生原因。机床加工振动主要分为两大类，一类为强迫振动，另一类为自激振动。强迫振动是指振动过程频率随着干扰频率的改变而变，干扰作用消失其也随之消失。而自激振动则是在没有相对的外力干扰情况下产生的振动。
如果是强迫振动，这可采用减少回转件不平衡、提高设备精度、调节系统固有频率、远离干扰源等方法来控制。如果是自激振动则应该合理的选择切削用量、合理选用刀具几何角度、增加减震装置、提高设备抗震性能等方法来控制。
总而言之，表面质量和零件性能是紧密相关的，在零件加工中，一定要按照工艺要求高质量完成零件的表面加工任务，但是也不能过分的追求零件的表面质量，要综合考虑零件的成本，以免造成不必要的经济损失。
作者： 姚瑞
摘 要：表面粗糙度是机械加工中衡量加工质量的重要因素。表面粗糙度对零件和机器有着重要的意义，但由于工件材料、切削加工方式、表面硬化等原因，造成了表面粗糙度值提高。为此本文通过工艺规程、刀具参数、强化方式等不同角度，来阐述提高表面加工质量的方法。
关键词：表面粗糙度 表面质量 机械加工
中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（a）-0124-01
表面质量是衡量机械加工零件加工质量的重要组成部分。机器故障的产生多数是单个零件或部件丧失其使用性能引起的，生产实践和研究表明，这部分的故障大多是由零件表面磨损、疲劳破坏和腐蚀引起的。因此，正确理解零件表面质量意义、了解影响加工表面质量的各种工艺因素、合理改善其表面质量，对机械加工提高产品的质量有着重要的意义。
1 表面加工粗糙度问题的表现形式
耐磨性：表面粗糙度值越小，其耐磨性也就越好。但是表面粗糙度值如果太小，反而润滑油不易储存，接触面容易出现份子粘结，导致摩擦力的增加。
机械疲劳强度：在交变载荷的破坏作用下，金属很容易产生疲劳破坏，而疲劳破坏产生往往是从金属的冷作硬化层下和零件表面上开始发生的。
腐蚀性：表面粗糙度对零件的腐蚀性能在很大程度上有决定性的作用。表面粗糙度值越大，则抗腐蚀性能则越差。
配合零件之间的连接强度：表面粗超度直接影响着零件间的连接强度，在间隙配合中，大的表面粗糙度会严重影响配合性能，导致增加磨损量、间隙随之变大。
2 表面加工粗糙度问题的导致因素
2.1 工件材料性能
塑性金属材料在加工的过程中，刀具挤压金属材料，使其产生塑性变形，切屑和工件分离是由于刀具外力的挤压，表面出现撕裂现象，这严重影响表面粗糙度。伴随着工件材料韧性的提高，在切屑过程中材料的塑性变形也就越大，加工表面粗糙度也就越差。脆性材料在加工时，所切削形成的铁屑为颗粒状，在切屑崩碎的过程中，加工表面容易产生细小的坑点，提高表面粗糙度值。
2.2 刀具切削加工
在普通刀具在切屑过程中，切削表面势必会产生残留面积，残留面积的高度则是影响加工表面粗糙度的主要因素。在整个加工过程中，刀具的进给量、主偏角、副偏角、圆弧半径则是造成切削残留面积的主要因素。
砂轮磨削加工过程中，砂轮上硬质颗粒断裂后形成微刃，其分布情况和外形对表面粗糙度有着直接的影响。因为磨削加工表面是大量微刃在金属表面切削出细小的切削痕迹构成的，所形成的切削痕迹越细小、越密集则表面粗糙度就越好，相反切削痕迹粗大、分布疏散，则表面粗糙度越差。
2.3 表面冷作硬化
在普通刀具切削或砂轮磨削过程中，表面层金属由于刀具外在切削力和材料本身的塑性，使其晶格产生剪切、滑移、拉长、扭曲、破碎，宏观的表现特点则是材料表面层变硬，屈服点提高，延生率降低。
2.4 表层组织变化
如热处理的原理一样，机械加工时表切削表面会产生大量的热量，这些热量会使已加工表面温度升高，当温度超过该加工金属的相变温度，金属表层的金相组织将会产生变化，伴随的工件或刀具的旋转，改组织变化部分又会急速的冷却，表面形成类似淬火的组织，这种现象被称为“风淬”。而在砂轮磨削加工时，同样的效果也会产生，表面层的强度和硬度会降低，并会产生残余应力、细微裂纹，这种现象被称之为“磨削烧伤”。
2.5 机械加工振动
机械加工时产生振象是我们极其不愿意看到的有害现象，它会导致切削刀具与被加工材料之间出现相对位置的移动，而导致表面出现振动的痕迹，这些痕迹将严重的影响工件的表面粗糙度和使用性能。
3 表面加工粗糙度问题的解决措施
3.1 制定科学的工艺规程
科学的工艺规程是保证加工质量的基础依据。好的工艺规程的主要特点是工艺流程短、能够准确的定位、尽量考虑将定位基准和设计基准重合。如果定位基准与设计基准两个基准不重合，定位基准选择加工质量高的表面作为参考面；如果有几个设计准都集中在一个面上，可选用组要设计基准作为定位基准，甚至可以补充必要的工艺台或工艺孔，保证工件加工表面质量符合要求；尽量避免工件多次装夹，如果有条件可使用专用夹具来保证加工质量。
在加工方法的选择中，特别要注意零件关键表面的最终工序加工方法，因为机器零部件的使用性能和留在工作表面的最终工序残余应力息息相关。关键零件的最终加工方法选择的表面工作，部分主要工作表面的最终加工方法选择，必须考虑该工件可能出现的的破坏形态和零件工作表面的具体工作条件
3.2 采用专门的强化工艺
对于一些零件，可以采用滚压、碾光、喷丸等表面强化工艺，来提高其表面强度和防腐蚀性能。因为这些加工手段可以是加工工件表面层产生残余压应力和冷作硬化，同时还可以消除磨削所残留的应力，降低表面粗糙度。但是值得注意的是，在采用滚压、碾光、喷丸等强化加工工艺师一定要很好的控制工艺参数，否则容易出现表面过度硬化，导致其完全丧失塑性，严重会导致裂纹和材料表皮脱落。
3.3 选择合理的切削参数
合理的刀具角度、切削速度、切削深度、进给速度的选取，可有效的降低理论加工残余面积的高度、减小切屑瘤参数的可能性。选择小进给量和较大的刀具刀尖圆弧半径，可有效的改善表面粗糙度。利用宽刃刀尖低速切削和普通刀具高速切削都可以得到较好的表面粗糙度。在一定范围内适度增加刀具前角和后角，提高刀具的整体刃磨质量都能较好的提高表面粗糙度。
3.4 减少加工中振动现象
在控制和减少加工振动时，要首先判断振动的运动规律和产生原因。机床加工振动主要分为两大类，一类为强迫振动，另一类为自激振动。强迫振动是指振动过程频率随着干扰频率的改变而变，干扰作用消失其也随之消失。而自激振动则是在没有相对的外力干扰情况下产生的振动。
如果是强迫振动，这可采用减少回转件不平衡、提高设备精度、调节系统固有频率、远离干扰源等方法来控制。如果是自激振动则应该合理的选择切削用量、合理选用刀具几何角度、增加减震装置、提高设备抗震性能等方法来控制。
总而言之，表面质量和零件性能是紧密相关的，在零件加工中，一定要按照工艺要求高质量完成零件的表面加工任务，但是也不能过分的追求零件的表面质量，要综合考虑零件的成本，以免造成不必要的经济损失。