影响切削加工表面粗糙度的因素

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对于“以车代磨”方案设计积累的关于提高加工表面光洁度经验，现从刀具材质、刀具的几何参数、切削用量等因素分析加工表面粗糙度，分享如下，抛砖引玉。 一，粗糙度的定义： 经机械加工后的零件表面，不可能是绝对平整和光滑的，实际上存在着一定程度宏观和微观几何形状误差，一般用粗糙度值来表示，所以表面粗糙度是反映微观几何形状误差的一个指标，表面粗糙度值即微小的峰谷高低程度及其间距状况。以前，加工表面粗糙度被称为表面光洁度，其表示方式和数值换算如下表： 表面粗糙度作为表面质量的一项重要衡量指标，不仅直接决定了机械产品的外观精美程度，而且对机器的装配质量以及零件的使用寿命都有着很大的影响。 二、刀具对表面粗糙度的影响 （1）刀具几何参数 刀具几何参数中对表面粗糙度影响较大的是主偏角kr、副偏角kr'和刀尖圆弧半径re。当主、副偏角小时，已加工表面残留面积的高度亦小，因而可减小表面粗糙度；副偏角越小，表面粗糙度越低，但减小副偏角容易引起震动，故减小副偏角，要根据机床的刚性而定。刀尖圆弧半径re对表面粗糙度的影响：在刚度允许的情况下re增大时，表面粗糙度将降低，增大re是降低表面粗糙度的好方法。因此减少主偏角kr、副偏角kr’以及增大刀尖圆弧半径r，均可减小残留面积的高度，从而降低表面租糙度。 以解决难加工材料切削和高速切削问题知名的华菱超硬刀具，“对于刀尖圆弧角的选择建议依据加工工件的刚性和粗糙度要求选择，如果刚性好，尽量选择大的圆弧角，不但可提高加工效率，亦可提高加工表面光洁度；但镗孔时或者切削细长轴或薄壁零件时因为系统刚性差，常选用较小的刀尖圆弧半径”，其刀具工程师做刀具选型方案时如是说。具体的刀尖圆弧角与粗糙度值参见后文（走刀量、刀尖圆弧角、加工表面粗糙度三者的关系）。 （2）刀具材料 当刀具材料与被加工材料金属分子亲和力大时，被加工材料容易与刀具粘结而生成积屑瘤和鳞刺，因此凡是粘结严重的，摩擦严重的，表面粗糙度就大，反之就小。加工同样的工件，不同的刀具材料获得不同的表面粗糙度，例如加工铸铁件，硬质合金刀片很难达到ra1.6的粗糙度；而bn-s30牌号或bn-k20牌号的立方氮化硼由于刀具材料摩擦系数低，而且高温热稳定性和耐磨性优异，所以加工铸铁粗糙度完全可以达到ra0.8-ra1.6，如下图： （3）刀具磨损 刀具的磨损分为三个阶段:初期磨损、正常磨损和剧烈磨损。由于刀具表面会存在一些毛刺和不规则的微凸体、微裂痕等,所以在切削的初期阶段,磨损比较剧烈,造成了表面粗糙度变化幅度大；之后进入正常磨损,切削过程比较平稳,因此表面粗糙度变化幅度减小；随着磨损量的增大,刀具进入剧烈磨损阶段,刀具后刀面磨损率急剧上升,系统又趋向于不稳定,振动随之增大,表面粗糙度的变化幅度也急剧上升。 二、切削用量对表面粗糙度的影响 （1）切削速度v的影响 加工塑性材料时，切削速度避开低速和中速区域，就减少了鳞刺和积屑瘤的产生，表面粗糙度就会降低，为什么淬火后的钢件可以用bn-h10或bn-h20牌号超硬刀具实现以车代磨，而且线速度越高，精车后的粗擦度越低的原因。而加工脆性材料时，一般不会产生积屑瘤和鳞刺，所以对粗糙度的影响不大。 （2）进给量f的影响 减小进给量可以降低残留面积的高度，因而可以减小表面粗糙度。但当进给量减小到一定值时再减小，表面粗糙度不会明显下降，当进给量更小时，粗糙度会反而上升。 （3）切削深度的影响 一般来说，切削深度对表面粗糙度的影响不大，在实际工作中可以忽略不计，也可以选用小的切削厚度。减小工件振动，降低表面粗糙度。 三 、走刀量、刀尖圆弧角、粗糙度三者的关系 粗加工时按刀尖圆弧半径选择刀具最大走刀量，或通过经验公式计算刀具走刀量；精加工时按工件表面粗糙度要求计算精加工走刀量。 四、其他因素对表面粗糙度的影响 （1）工件材料性质的影响 一般加工塑性材料时，由于刀具对加工表面的挤压和摩擦，会产生塑性变形，最后导致表面粗糙度值较大；而脆性材料加工时塑性变形小，容易达到表面粗糙度的要求。为了减小加工表面粗糙度值，常在切削加工前对材料进行调质或正火处理，以获得均匀细密的晶粒组织和较高的硬度。 （2）切削液的影响 选用合理的切削液，可以减少切屑、刀具、工件接触面间的摩擦 ，降低切削区温度，使切削区金属表面的塑性变形程度下降，抑制积屑瘤的产生，因此可大大减小表面粗糙度值。