表面粗糙度产生的原因

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1、表面粗糙度产生的原因1. 几何因素 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(只有当刀具上带有刀具的副偏角K；=0的修光刃、且进给量小于修光刃宽 度时，理论上才不产生残留面积)，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 Rz 。当fS2r sinK残留面积是由圆弧过渡刃构成。此时r式中：f进给量，mm/r；r 刀尖圆弧半径。8当2rsinK f(r /sinK)1-cos(k+k)，残留面积是由刀尖圆弧过渡刃和二直线主、畐U切削刃构成。此时Kr1Rzf-r (tanrr rI+tan)xlOOOK

2、cotK +K22rr当r一0时，残留面积是由主、副2条直线切削刃构成。此时8fR=X1000cotK +Krr刀具切削刃的粗糙度由于直接复映在加工表面上，所以刀具切削刃的粗糙度值，应低于加工表面要求的 粗糙度值。 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，说明影响表面粗糙度的还有其他原因。2. 积屑瘤积屑瘤的产生，是由于切屑在切削过程中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：它 能刻划出纵向

3、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:当积屑瘤处在生长 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。3. 鳞刺 鳞刺是指已加工表面上鳞片状的毛刺，是用高速钢刀具低速切削时，经常见到的一种现象。鳞刺一般是 在积屑瘤增长阶段的前期里形成的。甚至在没有积屑瘤的时候，以及在更低一些的切削速度范围内也有 鳞刺发生。刀具的后角小的时候特别容易产生鳞刺。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

4、24级。鳞刺的成因是前刀面上摩擦力的周期变化造成的。4. 振动切削过程中如果有振动，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。5. 其他因素 副切削刃对残留面积的挤压，使残留面积向与进给相反方向变形，使残留面积顶部歪斜而产生毛刺，加 大了表面粗糙度。过渡刃圆弧部分的切削厚度是变化的，近刀尖处的切削厚度很小。当进给量小于一定 限度后，这部分的切削厚度小于刃口圆弧所能切下的最小厚度时，就有部分金属未能切除，就会使表面 粗糙度增大。切削脆性材料时，产生崩碎切屑，切屑崩碎时的裂缝深人到已加工表面之下，使粗糙度增 大。此外，排屑状况、机床设备的精度和刚度等，也

5、会影响已加工表面的表面粗糙度。2 影响粗糙度的因素1. 刀具方面a. 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r、副偏角Kr和修光刃。 r刀尖圆弧半径r对表面粗糙度有双重影响：r增大时，残留高度减小，另一方面变形将增加。由于前一种影响较大，所以当刀尖圆弧半径r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r是降低表面粗糙度的好方法。副偏角kr愈小，表面粗糙度愈低。但减小副偏角容易引起振r动，故减小副偏角，必须视机床系统的刚度而定。当大到一定值时，副刃就不参与残留面积的组成， 再增大K；,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（修光刃上

6、K；=0）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。前角丫。 对表面粗糙度没有直接的影响，由于Y0大时对抑制积屑瘤和鳞刺有利，且增大了。可使刃口圆弧半径r &减小，所以在中、低速范围内适当增大To可有利于减小表面粗糙度。当v50m/min时，y0就基本上 不产生影响。b. 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 糙度应比加工面要求的粗糙度小12级。c. 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

7、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;反之如果粘结和摩擦不严重的，表面粗糙度都小。2. 切削条件a. 切削速度 v 加工塑性材料时，切削速度对积屑瘤和鳞刺的影响非常显著。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。所以最重要的是发 展各种新刀具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。b. 进给量 f从几何因素中可知，减小进

8、给量f可以降低残留面积的高度。同时也可以降低积屑瘤和鳞刺的高度，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，再减小，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。c. 切削深度 app一般来说，切削深度对加工表面粗糙度的影响是不明显的，在实际工作中可以忽略不计。但当ap0.0 20.03mm 时，由于刀刃不是绝对尖锐而是有一定的圆弧半径，这时正常切削就不能进行，常挤压 滑过加工表面而切不下切屑而将在加工表面上引起附加的塑性变形，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

9、削力、切削热剧增而影响加工精度和表 面质量。d. 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，降低切削区温度，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。3. 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。4. 工艺系统的精度和刚度 加工后的表面粗糙度要低，必须有高运动精度的机床和高刚度的工艺系统，有较强的抗振性，否则即使 有很好的刀具，选择最佳的切削用量也很难获得高质量的加工表面。3 降低表面粗糙度的措施如果已加工表面的走刀痕迹比较清楚，说明影响

10、表面粗糙度的主要因素是几何因素，就应该首先考虑减小残留面积高度。减小残留面积高度的方法，首先是改变刀具的几何参数，增大刀尖圆弧半径r和减小副偏角Kro采用带有K；=0的修光刃的刀具或宽刃精刨刀、精车刀是生产中降低加工表面粗糙度所采用 的方法。不论是增大r、减小Kr,或用宽刃刀都要注意避免振动。减小进给量f,也能有效地减小残留r面积高度，但减小进给量f会降低生产率，所以只有在改变刀具的几何参数后会引起振动或其它不良影 响时才考虑减小进给量 fo如果已加工表面出现鳞刺或切削速度方向有积屑瘤引起的沟槽，那么就应从消灭积屑瘤和鳞刺着手。可 采取用更低或较高的切削速度，并配合较小的进给量，可有效地抑制积

11、屑瘤和鳞刺的生长。在中、低速 切削时加大前角丫0,同时适当增大一些后角对抑制积屑瘤和鳞刺有一定的效果。改用润滑性能良好的切 削液，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。在现场工作中若发现零件表面粗糙度达不到技术要求，应先观察和分析表面粗糙度大的现象和原因，找出其主 要的影响因素，再提出解决方法。1、残留面积高度高（如图 5 （a）（1）当工艺系统刚性好时，由图1可知：减小主偏角和副偏角即可减小残留面积。且减小副偏角对减小表面粗 糙度效果更明显。（2）当机床的刚性较好时，可增大刀尖的圆角半径。减小进给量。2、工件表面旌毛刺（如图 5（b）工件表面产生毛刺一般是因为积屑

12、瘤和鳞刺引起的。这时可用改变切削速度的方法来抑制积屑瘤和鳞刺的 产生。如果用高速钢刀来时应降低切削速度（V5m/min=，并加注切削液；而用YT15刀切削时应提高切削速 度。采用高效切削液（极压切削液，10%12%极压乳化液和离子切削液）。刀具严重磨损和切削刃表面粗糙度大都会使工件表面产生毛刺。因此，应尽量减小前、后刀面的表面粗糙 度，经常保持刀具锋利。切削加工前对工件进行适当处理，使工件具有适宜的金相组织，低碳钢、低合金钢中应有铁素体加低碳马氏体、 索氏体或片状珠光体。3、磨损亮斑工件表面产生亮斑或亮点，切削时又有噪音，说明刀具严重磨损，磨钝的切削刃将工件表面挤压出发亮的 痕迹。使表面粗糙度

13、变大。这时应及时进行刃磨或换刀。4、切屑拉毛（如图 5（c） 被切屑拉毛的工件表面一般是无规则的很浅的划痕。这时应选用正的刃倾角车刀，使切屑流向工件待加工表面，并采用卷屑或断屑措施。5、振纹（如图 5（d） 机床方面：调整主轴间隙，提高轴承精度；调整滑板塞铁，使间隙小于0.04mm并使移动平稳轻便。 刀 具方面：合理选择刀具几何参数，经常保持切削刃光洁和锋利。增加刀具装夹刚性。工件方面：增加工件 的装夹刚性，避免悬伸太长。 切削用量方面：选用较小的切削深度和进给量，改变或降低切削速度超精密切削的主要目的是要切下一层极薄的金属层，与普通切削相比，刀具前刀面参与切削部分面积减小，而刀刃附近区域却要

14、承担大部分的切削工作，这对所选择的刀具材料提出了更高的要求。另外，背吃刀量从几微 米减小到一微米以下时，车刀的尖端会受到很大的应力作用，从而在单位面积上会产生很大的热量，使刀具尖 端局部区域达到极高的温度。切削时采用的背吃刀量越小，就越要求使用的刀具耐热性能高、耐磨性强和硬度 高，而金刚石刀具恰恰能够满足上述要求。因此，金刚石刀具被普遍认为是超精密加工最为理想的刀具。在超 精密加工中，刀具的几何形状、振动、刀具的磨损、机床的几何运动精度和工件材料的变形等因素对超精密车 削表面粗糙度具有显著的影响。1 刀具几何形状对表面粗糙度的影响刀具的切削部分包括：前刀面、后刀面、刀具的圆弧半径及刃口半径等要

15、素，各种要素的不同组合形成不同的切削形态。在切削过程中，刀具切削部分的形态直接影响着切削过程的稳定性和表面质量。理想状态下，采用圆弧刃金刚石刀具进行超精密车削加工软金属时，在工件加工表面形成轮廓峰和轮廓谷，它们之间图1 理想状图态2下超形精成密的车表削面模微型观形貌的距离，被称为理论粗糙度（见图1）,其大小等于f2/8R（f为进给量，R为刀具圆弧半径）。超精密车削模型如 图 2 所示，在超精密切削塑性金属时，主切削刃和前刀面的主要任务是去除金属，切削层在前刀面的挤压作用 下发生剪切滑移和塑性变形，然后形成切屑沿前刀面流出。前刀面的形状直接影响塑性变形的程度、切屑的卷 曲形式和切屑刀具之间的摩擦特性，并直接对切削力、切削温度、切屑的折断方式和加工表面质量造成显著影 响。主切削刃是前刀面和后刀面的交线。实际上前刀面和后刀面的交线不可能为理想直线，而是一微观交接的 曲线。该曲线的形状可以近似用与其在不同位置的法平面相交成交线的平均曲率半径来