金屬及加工表面粗糙度的影響因素

耿建紅

摘要：對于金屬加工來說，金屬表面的平整度和粗糙度的參差不齊會(huì)直接影響金屬的加工質(zhì)量。為了做到精益求精，近年來，以上各種缺陷問題的發(fā)生機(jī)理和改進(jìn)方法在不停地研究中得到了完善。金屬表面的粗糙程度是決定金屬表面質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵，對于金屬接觸面的摩擦力、密封情況、旋轉(zhuǎn)構(gòu)件工作強(qiáng)度以及金屬表面的美觀情況等有著各種各樣的影響。因?yàn)?，在金屬的?shí)際加工過程中，工具選擇、工藝手法、潤滑程度等很多原因都能夠?qū)е陆饘俦砻嬗兄鴧⒉畈积R的粗糙度，從而就造成了無法出廠使用、最終報(bào)廢的情況，這就需要對金屬表面粗糙度的各種影響因素進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：金屬加工;表面粗糙度;影響因素

中圖分類號：TH161+.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0095-02

1? 影響金屬表面粗糙度的各種因素

1.1 切削加工對于金屬表面粗糙度的影響

根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，在刀具對金屬進(jìn)行切割的時(shí)候，會(huì)在金屬的表面留下刀具所殘留的切削面積，而這切削所留下的就是刀具的形狀復(fù)刻。這個(gè)殘留的切削面積大小是由于用力的角度、進(jìn)給量和刀尖半徑導(dǎo)致的。對于刀具的選擇，它的寬窄、尺寸、形狀都會(huì)以不同程度對金屬加工的表面粗糙度造成影響。

根據(jù)金屬加工的物理因素進(jìn)行分析可知，在加工過程中，使用刀具的刀尖半徑和道具組合的元件對刀具造成的擠壓和磨損等都會(huì)使得金屬表面發(fā)生各種形變，從而造成金屬表面更加粗糙。當(dāng)一些速度不夠快的、由不銹鋼等材料制成的刀具材料對金屬進(jìn)行切割時(shí)，由于刀具擠壓所帶來的塑性形變以及道具使用不當(dāng)，都會(huì)在金屬表面產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，從而加大金屬表面的粗糙度。

在選擇工具材料時(shí)，韌性越好的材料，對金屬造成的塑性變形越大，就會(huì)導(dǎo)致金屬表面更加粗糙。在對比較脆的金屬材料進(jìn)行加工時(shí)，該種材料的碎屑會(huì)有很多，相應(yīng)的，金屬表面的麻點(diǎn)就會(huì)越來越多，從而使得金屬表面更加粗糙。在進(jìn)行精加工時(shí)，切的深度越小，刀具的使用就更不好把握，就也會(huì)在一定程度上影響表面的粗糙程度。

因此，在金屬表面進(jìn)行加工作業(yè)時(shí)影響金屬表面粗糙度的工藝因素主要有：

①切削用量帶來的影響。在一定的加工范圍內(nèi)，切削速度v會(huì)增加積屑瘤和鱗刺的數(shù)量;而進(jìn)給量f的降低能夠減少金屬表面殘留面積的厚度。因此，適度合理的切削用量是降低粗糙度的一個(gè)關(guān)鍵。

②幾何參數(shù)和作業(yè)材料帶來的影響。各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，在切削使用條件不變時(shí)，使用硬質(zhì)的合金工具會(huì)比高速的鋼刀帶來的金屬表面粗糙度更小，而使用金剛石的車刀進(jìn)行加工時(shí)，不宜造成積屑瘤，也就不會(huì)造成很大的粗糙表面。刀具的圓弧半徑r？著、刀具的主偏角Kγ和刀具的副偏角k'γ都會(huì)影響金屬表面的殘留面積。因此在進(jìn)行加工作業(yè)時(shí)，要適度降低r？著、Kγ和k'γ，從而降低金屬表面的粗糙度。而適度增加前角γ，能夠有效抑制積屑瘤和鱗刺的發(fā)生，從而降低金屬表面的粗糙程度。

此外，刀具前角也會(huì)對金屬表面粗糙度造成影響。道具前腳主要指切削刃選定點(diǎn)的正交平面內(nèi)前刀角與基面之間的夾角。前角有正負(fù)之分，是切削刀具重要的幾何參數(shù)之一，它決定切削刃的鋒利程度和強(qiáng)度，直接影響刀具耐用度和被加工表面的粗糙度。 為消除其他因數(shù)的干擾，在本單元試驗(yàn)中選 用的刀具具有相同的刀尖圓弧半徑（0.2mm），其它的工作角度也都相同。刀具前角分別取0°、5°、10°、15°，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可建立刀具前角和表面粗糙度的關(guān)系圖，如圖1所示。

③切削液帶來的影響。在加工金屬的過程中，選擇合適的切削液，可以冷卻金屬的加工溫度，潤滑金屬的加工，從而減少刀具與金屬的摩擦，進(jìn)而降低加工過程中帶來的塑性形變，減少積屑瘤和鱗刺的發(fā)生，從而大幅度降低金屬表面的粗糙度。

1.2 磨削加工對于金屬表面粗糙度的影響

由于砂輪的運(yùn)動(dòng)滑擦、切劃所造成的金屬表面粗糙可以根據(jù)單位面積上的刻痕進(jìn)行判斷，刻痕越細(xì)膩均勻，金屬表面的粗糙程度就越低。切削加工帶來的影響，不僅是幾何結(jié)構(gòu)的原因，還有塑性形變等物理原因的影響。金屬加工表面的經(jīng)常性擠壓所帶來的的塑性變形也會(huì)因?yàn)榧庸み^程中的過高溫度而大幅度提升金屬表面的粗糙程度。

因此，影響金屬表面粗糙度的磨削加工原因主要有：

①砂輪粒度、硬度帶來的影響。砂輪的粒度也會(huì)對金屬表面粗糙程度造成影響。金屬表面的磨粒越多，粒度的程度越細(xì)致，金屬表面加工留下的刻痕就會(huì)愈加致密，從而使得金屬表面粗糙程度降低。此外，砂輪的硬度也會(huì)對金屬表面的粗糙度造成影響，砂輪的硬度適度，會(huì)在磨粒鈍化使其自覺及時(shí)脫落，從而對新露出來的磨礪進(jìn)行加工。以上，就是金屬具有的“自礪性”。要注意砂輪不能使用過度，所以要注意在日常作業(yè)中進(jìn)行及時(shí)、有效的檢修，從而去掉已經(jīng)被鈍化的魔粒，這樣做可以確保砂輪擁有正常的微刃性和等高性。

②工件材料帶來的影響。不同工件材料，他們在塑性、導(dǎo)熱性、硬度和韌性上有很大區(qū)別，因此，工件材料的選擇也會(huì)對金屬表面的粗糙度造成影響。比如，過硬會(huì)鈍化磨粒，過軟會(huì)堵塞砂輪;又比如，韌性大的會(huì)增加金屬表面粗糙度，導(dǎo)熱性能差的也是如此。

③磨削用量帶來的影響。砂輪提速，可以通過減少塑性形變而降低金屬的表面粗糙度，這是因?yàn)椋拜喬崴贂?huì)導(dǎo)致磨削表面不能及時(shí)塑性變形。若想要增加粗糙度，可以通過增加磨削深度和加工速度進(jìn)行。我們也可以通過使用更大的磨削深度去改進(jìn)磨削效率，但要注意在降低表面粗糙時(shí)應(yīng)該使用小的磨削深度進(jìn)行。

④磨削液及其它原因帶來的影響。除了工藝因素，還可以借助磨削液。磨削液具有很好的效果，可以降低磨削溫度、減弱磨削力、減小砂輪的磨損程度。也就是說通過磨削液，改善了工藝手段，從而去影響金屬加工的表面粗糙度。

2? 金屬加工表面層的物理力學(xué)性能帶來的影響

在金屬表面進(jìn)行切削時(shí)，由于切削力和切削熱的共同作用，金屬表面的物理力學(xué)性能會(huì)隨之發(fā)生改變。物理力學(xué)性能的改變，會(huì)通過影響金屬表面硬度等，影響金屬表面的粗糙程度。然而，塑性形變、切削熱等也會(huì)因?yàn)榻饘偾邢鲙淼淖兓訃?yán)重，所以在磨削加工之后，金屬加工表面層的物理力學(xué)性能的改變會(huì)越來越大。

2.1 金屬表面層的冷作硬化

①金屬表面層的冷作硬化。在進(jìn)行金屬加工時(shí)，切削的力度會(huì)導(dǎo)致金屬發(fā)生塑性形變，金屬晶粒會(huì)隨著切削變化，甚至可能會(huì)有晶粒破碎的現(xiàn)象產(chǎn)生，這一類現(xiàn)象會(huì)使得金屬表面的強(qiáng)度和硬度不斷增加，而這一現(xiàn)象就是廣為熟知的在金屬表面發(fā)生的冷作硬化。這一性質(zhì)，會(huì)增大金屬的變形阻力，改變金屬表面的物理性質(zhì)。

冷作硬化后，金屬表面會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的高能位，而這種變化，會(huì)驅(qū)使金屬從不穩(wěn)定的狀態(tài)向穩(wěn)定的狀態(tài)過渡，這就是我們所說的弱化。溫度的增長和降低、溫度所持續(xù)的時(shí)間、溫度強(qiáng)化的程度等，都會(huì)影響金屬的弱化作用。正是由于在金屬加工過程中，冷作硬化和弱化帶來的力和熱會(huì)同時(shí)起作用，所以，最終的金屬性質(zhì)是由他們共同決定的。

②主要影響冷作硬化的因素。刀具材料刀尖的半徑越大，對金屬表面的擠壓力就會(huì)越大，冷作硬化的程度就會(huì)提高;而刀具材料的前角越大，對金屬的塑性形變會(huì)有減小作用，從而降低冷硬程度;在切削時(shí)，切削速度越大，加工作業(yè)時(shí)間越短，會(huì)導(dǎo)致塑性形變的深度越小，進(jìn)而導(dǎo)致冷硬層深度減小，然而，速度越快溫度上升也越快，又會(huì)帶來冷作硬化的恢復(fù)，因此，這就形成了一種相互制約的作用。

2.2 金屬表面層金相組織的變化

切削產(chǎn)生的熱量，會(huì)傳遞給金屬表面，使其溫度升高，當(dāng)金屬表面的溫度超過了金相組織溫度，金屬表面的金相組織就會(huì)發(fā)生改變。然而，這大部分的熱量都隨著碎屑轉(zhuǎn)移了，因此對金屬加工的影響并不大。然而，磨削會(huì)產(chǎn)生非常大的瞬時(shí)溫度，最高能夠達(dá)到1000℃，這就會(huì)導(dǎo)致金屬表面的金相組織改變，從而帶來表面殘余的拉應(yīng)力，形成一些細(xì)微的裂紋，從而降低金屬表層的硬度，使得金屬的物理力學(xué)性能變差，這就是所謂的磨削燒傷現(xiàn)象。

2.2.1 磨削燒傷的類別

①淬火燒傷。當(dāng)磨削區(qū)溫度大于相變溫度時(shí)，使用冷卻液的極速制冷，會(huì)導(dǎo)致金屬表面產(chǎn)生二次淬火，而金屬表層下的內(nèi)層，由于制冷沒有表層快，回火組織的溫度就會(huì)更高，這種磨削帶來的燒傷即為淬火燒傷。②回火燒傷。當(dāng)磨削區(qū)溫度低于相變溫度卻大于馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致金屬表面的回火馬氏體就會(huì)變?yōu)榈陀捕鹊幕鼗鸾M織，這種磨削帶來的燒傷是回火燒傷。③退火燒傷。當(dāng)磨削區(qū)溫度大于相變溫度，但是進(jìn)行磨削的區(qū)域卻并未進(jìn)入冷卻液，這就導(dǎo)致金屬表面形成了退火組織，從而使得金屬表面的硬度大幅度降低，這種磨削帶來的燒傷是退火燒傷。

2.2.2 引起磨削燒傷的主要因素

①砂輪的硬度過高、砂輪粒度過細(xì)，以及砂輪與工作的接觸面積太大都會(huì)引起磨削燒傷。②磨削時(shí)沒有恰當(dāng)選擇冷卻方式，導(dǎo)致冷卻液進(jìn)入磨削區(qū)十分困難，就不會(huì)達(dá)到有效的冷卻目標(biāo)，從而引起磨削燒傷。③砂輪作業(yè)速度過高、磨削深度過大等都會(huì)增加磨削燒傷。④加工元件的導(dǎo)熱系數(shù)不夠高、磨削區(qū)的磨削溫度過高，就會(huì)引起磨削燒傷。

2.3 表面層殘余應(yīng)力

金屬經(jīng)過表面加工后會(huì)有殘余應(yīng)力。改善金屬表面的耐磨性質(zhì)，提高疲勞強(qiáng)度的是殘余壓應(yīng)力;減弱耐磨性質(zhì)，降低疲勞強(qiáng)度的是殘余拉應(yīng)力。

殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因：①熱塑性變形。金屬進(jìn)行切削，會(huì)產(chǎn)生熱量，越高的切削溫度，就會(huì)帶來越大的金屬表層塑性形變，從而增大殘余拉應(yīng)力。②冷塑性變形。切削力會(huì)使得金屬表面產(chǎn)生冷塑性變形，此外，切削刀具帶來的擠壓，會(huì)讓金屬表層向兩側(cè)伸展，但卻限制了里層金屬的延展，于是就產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。③金相組織。金相組織不同，密度也有不同，也會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

3? 結(jié)語

通過分析影響金屬加工表面粗糙程度，能夠極大的規(guī)范技術(shù)工種在加工中的手法，有助于準(zhǔn)確無誤的生產(chǎn)。此外，還有利于排查金屬加工中存在的各種問題，對于金屬加工作業(yè)的品質(zhì)提高有重要意義。

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