淺談表面粗糙度的影響因素及預(yù)測(cè)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

姜鑫旭 趙辛藝

【摘 要】表面粗糙度對(duì)零件的使用和壽命有很大影響，正確、合理地選用表面粗糙度數(shù)值，可以減少零件的加工費(fèi)用，提高零件的使用壽命。做好表面粗糙度的影響因素個(gè)預(yù)測(cè)研究，對(duì)提高工件的生產(chǎn)效率，豐富切削理論，具有重大的意義。

【關(guān)鍵詞】表面粗糙度;影響因素;表面粗糙度預(yù)測(cè)

表面粗糙度是指表面的微觀幾何形狀的立體性和間距性。表面粗糙度對(duì)零件的使用和壽命有很大影響，正確、合理地選用表面粗糙度數(shù)值，可以減少零件的加工費(fèi)用，提高零件的使用壽命。例如淬硬鋼塑料模具的高速銑削加工就是通過銑削加工的相關(guān)參數(shù)設(shè)置控制好加工件的表面粗糙度、進(jìn)而獲得較好的加工表面質(zhì)量直接進(jìn)行使用，避免了對(duì)部件進(jìn)行表面處理加工，這樣提高了工件的加工效率、減少污染、節(jié)省能源，對(duì)加工件表面粗糙度的預(yù)測(cè)和控制已成為我國模具制造業(yè)重點(diǎn)研究和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此做好表面粗糙度的預(yù)測(cè)和控制研究，對(duì)提高工件的生產(chǎn)效率，豐富切削理論，具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。如何建立精確的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，提高加工效率，縮減加工成本，是國內(nèi)、外研究人員的努力方向，并且已經(jīng)為之奮斗，本文簡(jiǎn)要介紹了目前國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的研究成果和發(fā)展方向。

1表面粗糙度的產(chǎn)生機(jī)制及其影響因素

1.1表面粗糙度的產(chǎn)生機(jī)制

在進(jìn)行切削加工時(shí)，刀具和工件之間一定有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且它們的形狀多樣，這就造成了被加工件表面不能被完整的切除，遺留下來的這部分稱之為殘留面積，其幾何形狀直接影響已加工表面的粗糙度。

1.2 影響表面粗糙度的因素

通過查閱資料，切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響很大，但是不同的實(shí)驗(yàn)表明，切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響程度不同，無法確定主要因素。一般遵循以下規(guī)律：表面粗糙度首先隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而不斷增大，然后隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小;表面粗糙度都隨著每齒進(jìn)給量的不斷增加呈上升趨勢(shì);隨著切削深度的增大，加工表面的粗糙度先減小后增大。

張宏基等在給定高速銑削工藝參數(shù)范圍內(nèi)通過對(duì) AM50A 鎂合金已加工表面粗糙度測(cè)量，研究了銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律。研究表明，在銑削深度和進(jìn)給速度一定的情況下隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大 AM50A 鎂合金表面質(zhì)量變好，隨著進(jìn)給速度增大，AM50A 鎂合金銑削表面質(zhì)量變差。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速大于 12 000 r / min、銑削深度小于 0.2 mm、進(jìn)給速度小于 400 mm/min 的情況下，得到的表面質(zhì)量較好。蔡明等研究了單晶鋁微尺度銑削的表面質(zhì)量，研究表明，對(duì)其表面質(zhì)量的影響從大到小為：主軸轉(zhuǎn)速>進(jìn)給速度>銑削深度;得到的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：主軸轉(zhuǎn)速為 36000r/min，銑削深度為 10μm，進(jìn)給速度為 80μm/s，此時(shí)單晶鋁的表面質(zhì)量最好。分別得到主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度和進(jìn)給速度對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律。孫士雷等進(jìn)行了高溫合金 GH4169高速銑削表面粗糙度的研究，結(jié)果表明，影響表面粗糙度的主要因素依次為銑削深度、每齒進(jìn)給量、銑削速度;隨著銑削速度的增加，加工表面粗糙度逐漸減小，而隨著銑削深度和每齒進(jìn)給量的增加，加工表面粗糙度逐漸變大。張燦果等進(jìn)行了高速銑削淬硬鋼表面粗糙度的研究，結(jié)果表明被加工零件表面粗糙度受進(jìn)給量影響最大，其次是切削速度，影響最小的是切削深度。

K.S.Bansode等通過RSM法研究了MQL工藝下OHNS鋼高速銑削表面粗糙度，結(jié)果表明，隨著切削速度的增加，表面光潔度提高。Bheem Singh Rajpoot等研究了工藝參數(shù)對(duì)端部銑削加工產(chǎn)生的表面粗糙度指標(biāo)的影響，結(jié)果表明，切削速度對(duì)表面粗糙度參數(shù)影響不大。Kamal Othman等研究了超共晶鋁硅A390在高速銑削中的表面粗糙度，結(jié)果表明，對(duì)表面粗糙度有重要影響的因素有切削速度和進(jìn)給速度。Amit Moray等研究了銑削加工過程中切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響，結(jié)果表明，表面粗糙度隨進(jìn)給深度和切削深度的增加而增大，但隨切削速度的增加而減小。

2.表面粗糙度預(yù)測(cè)的研究進(jìn)展

切削過程具有復(fù)雜性和不確定性，建立的模型對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行了較大的簡(jiǎn)化處理，但是在加工前能對(duì)形成的結(jié)果能有一個(gè)大致的了解，再結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，提高模型的預(yù)測(cè)精度。

2.1表面粗糙度的預(yù)測(cè)

王素玉等基于概率統(tǒng)計(jì)和回歸分析原理，以軸向切深、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、徑向切深4個(gè)參數(shù)建立了表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，并對(duì)回歸方程和回歸系數(shù)分別進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明，所建兩個(gè)預(yù)測(cè)模型的精準(zhǔn)度很高，基本符合實(shí)際。石文天等基于二階響應(yīng)曲面法建立了表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，采用最小二乘估計(jì)得出回歸系數(shù)，對(duì)回歸方程進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明，二次響應(yīng)曲面法預(yù)測(cè)模型回歸顯著，置信度高，可以用于進(jìn)行加工前的切削參數(shù)選擇，以達(dá)到對(duì)表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制的目的。陳濤等運(yùn)用反應(yīng)曲面法（RSM）建立了硬態(tài)切削表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，并進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果表明，二次模型和一次模型都能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)表面粗糙度，但是二次模型預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)精度更高。李國發(fā)等建立了外圓縱向磨削表面粗糙度的進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，結(jié)果表明，基于進(jìn)化計(jì)算的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以克服單純使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易陷入局部極小值等問題，預(yù)測(cè)精度較高，對(duì)提高外圓縱向磨削加工的自動(dòng)化程度具有重要的意義。吳德會(huì)將一種基于最小二乘支持向量機(jī)的預(yù)測(cè)模型引入銑削加工領(lǐng)域，結(jié)果表明，基于最小二乘支持向量機(jī)方法建模速度快、預(yù)測(cè)精度高、適合加工表面粗糙度預(yù)測(cè)。

NSK Reddy等利用響應(yīng)面法建立了表面粗糙度預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，并采用遺傳算法對(duì)表面粗糙度模型進(jìn)行了優(yōu)化。這種方法有助于獲得最佳的刀具幾何形狀和干燥銑削的切削條件。NSK Reddy等在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法（RSM）建立了基于加工參數(shù)的一階和二階數(shù)學(xué)模型，用于表面粗糙度的預(yù)測(cè)。通過卡方檢驗(yàn)，驗(yàn)證了所選優(yōu)化模型的有效性。通過方差分析，確定了這些參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響。利用遺傳算法對(duì)表面粗糙度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了優(yōu)化。該程序給出了表面粗糙度的最小值及其各自的最佳條件。MRG Krishna等利用神經(jīng)解包建立了多感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。采用遺傳算法的思想對(duì)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重因子進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)果比較表明，所建立的模型在適當(dāng)誤差范圍內(nèi)。Manabe等通過考慮表面粗糙度的有限元模擬，模擬了兩階段微深拉深過程中刀具表面粗糙度對(duì)拉深杯表面質(zhì)量的影響。P Mu?oz-Escalona等建立了方形鑲齒銑削加工表面粗糙度預(yù)測(cè)的幾何模型。該模型是基于對(duì)加工表面留下的刀具痕跡的幾何分析。結(jié)果表明，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，所建立的模型在預(yù)測(cè)表面粗糙度方面具有良好的性能，準(zhǔn)確率接近98%。

3.結(jié)語

表面粗糙度的相關(guān)研究方方面面，表征方式和方法各式各樣，預(yù)測(cè)方法層出不窮，但是研究的核心基本沒有改變，預(yù)測(cè)的結(jié)果還是與實(shí)際有所差異，今后的努力方向是，突破現(xiàn)有瓶頸，建立一種高精準(zhǔn)的模型，更加貼合實(shí)際，從而指導(dǎo)設(shè)置更加精準(zhǔn)的加工參數(shù)，以獲取高質(zhì)量的加工表面，提高加工生產(chǎn)效率，豐富切削相關(guān)理論。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張宏基，葛媛媛，唐虹，史耀耀，李增生.高速銑削工藝參數(shù)對(duì)AM50A鎂合金銑削力和表面形貌的影響[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，36（01）：124-131.

（作者單位：佳木斯大學(xué)）