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第1页目录第一章绪论.............................21.1表面粗糙度概述.........................21.1.1表面粗糙度概念.......................21.1.2表面粗糙度产生原因.....................21.2表面粗糙度国内外研究现状..................21.3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................52.1表面粗糙度的标准.......................52.2表面粗糙度的因素.......................62.2.1刀具方面...........................62.2.2切削条件...........................72.3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.............153.1控制目的............................153.2切削加工时表面粗糙度的成因与控制.............153.2.1形成原因...........................153.2.2控制措施...........................20第四章结论.............................24谢辞.................................25第2页参考文献...............................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第3页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。第4页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。第5页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/T1031《表面粗糙度参数及其数值》、GB/T131《机械制图表面粗糙度符号、代号及其注法》、GB3505《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/T1031-1995(代替GB1031-83)规定了表面粗糙度的参数和数值系列,GB/T131-93(代替GB131-83)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。第6页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第7页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，在实际工作第8页中可以忽略不计。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。第9页（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