表面粗糙度對(duì)工件使用性能的影響分析

李景才

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 商丘 476000)

金屬材料在切削過(guò)程中會(huì)發(fā)生機(jī)床振動(dòng)、刀具振動(dòng)、受熱變形、塑性和彈性變性、零件加工表面與切屑之間摩擦、切削熱導(dǎo)致工件和機(jī)床的膨脹變形、刀具與工件之間的摩擦等，最終導(dǎo)致加工出的零件表面總存在著較小間距的波峰和波谷。[1](凸起的部分稱(chēng)為峰，凹下去的部分稱(chēng)為谷)而這些峰和谷構(gòu)成的微量高低不平的微觀印跡，就叫做表面粗糙度。若是粗加工，這些痕跡用眼睛就能直接看得出來(lái)。若是精加工，用眼睛看是十分平整和光滑的，若用放大鏡或?qū)I(yè)儀器進(jìn)行觀察，能夠看到錯(cuò)綜復(fù)雜的加工紋理(如圖1所示)。這些加工紋理對(duì)零件的使用性能的影響是非常大的。

圖1 工件宏觀及微觀表面

1對(duì)零件配合性質(zhì)的影響

工件之間的配合種類(lèi)，可分為間隙配合、過(guò)渡配合和過(guò)盈配合，也就是俗稱(chēng)的松配合，滑配合和緊配合。間隙配合主要應(yīng)用于活動(dòng)連接或經(jīng)常拆卸的場(chǎng)合，過(guò)盈配合一般應(yīng)用于一經(jīng)安裝不允許拆卸的場(chǎng)合，過(guò)渡配合一般應(yīng)用于有同軸度和對(duì)中性要求的場(chǎng)合。

工件組合裝配時(shí)，如果工件表面粗糙度較大，過(guò)盈量又較小，經(jīng)過(guò)配合安裝后，剛開(kāi)始使用時(shí)，零件在機(jī)械設(shè)備中是能夠正常發(fā)揮作用，設(shè)備整體是能夠正常運(yùn)行的。但是，時(shí)間稍長(zhǎng)，由于表面粗糙度過(guò)大，輪廓峰在各種力的綜合作用下漸漸被壓平。所以本就過(guò)盈量很小的過(guò)盈配合可能就會(huì)向間隙配合方向發(fā)展，使原本的配合性質(zhì)徹底改變，影響連接副的連接強(qiáng)度和設(shè)備的整體穩(wěn)定性。[2]零件在機(jī)械設(shè)備中的功能也不能正常發(fā)揮，設(shè)備整體運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律和工件的使用壽命也將改變。例如，φ18K7/f6是發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷(xiāo)與活塞銷(xiāo)孔之間的過(guò)渡配合。其配合公差帶圖如圖2所示。

圖2 φ18K7/f6的配合公差帶圖

通過(guò)公差帶圖可知，軸與孔之間的最大間隙是0.017mm，最大過(guò)盈量0.012mm。過(guò)盈量0.012mm，這樣的過(guò)盈值相對(duì)來(lái)講是比較小的。在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，活塞在連桿的帶動(dòng)下在缸筒內(nèi)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，活塞銷(xiāo)是活塞和連桿的連接紐帶，做著力的傳遞，工作環(huán)境非常惡劣，同時(shí)承受著非常大的沖擊載荷。如果配合性質(zhì)由過(guò)盈配合轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙配合，由于沖擊力和間隙的存在，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)發(fā)出異響，出現(xiàn)抖動(dòng)，造成噪音過(guò)大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整體壽命，所以，表面粗糙度對(duì)工件配合性質(zhì)的影響較大。

2表面粗糙度對(duì)摩擦磨損的影響

機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的磨擦副從投入使用到完全失去功能，摩擦副的整個(gè)生命周期(如圖3所示)共經(jīng)過(guò)三個(gè)重要階段，即初期磨損階段、正常磨損(使用)階段和急劇磨損階段。零部件在各階段的磨損過(guò)程都是不同的，都有其自身特征。表面粗糙度對(duì)初期磨損階段的影響也是很大的，這是因?yàn)闊o(wú)論采用什么樣的機(jī)械加工方法，零部件的表面都會(huì)有不同程度的微觀的波峰和波谷的表面產(chǎn)生，而這些微觀的波峰和波谷就是摩擦學(xué)中所說(shuō)的微凸體。[2]經(jīng)過(guò)組裝形成的摩擦副，看似是面與面的接觸，實(shí)則是微凸體與微凸體之間的接觸。當(dāng)摩擦副受力以后，這些微凸體在外力作用下受到壓力、沖擊力等多方面的力，會(huì)產(chǎn)生彈性和塑形變形甚至?xí)斐晌⑼贵w斷裂，直至微凸體被磨平，初期磨損也就落下了帷幕，所以初期磨損時(shí)摩擦副的磨損量是非常大的。磨擦副的初始磨擦度越低，工件內(nèi)部的接觸壓力減小，機(jī)械磨損程度就越小。初始粗糙度提高，接觸壓力也提高，彼此之間的摩擦力變大，為了克服摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)工件表面起伏不平的峰谷之間的摩擦阻力，需要增大由于磨擦帶來(lái)的能量消耗，同時(shí)工件之間的磨損速度也急劇上升。當(dāng)零件構(gòu)成相對(duì)運(yùn)動(dòng)副以后，若構(gòu)成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)工件的粗糙度都偏大或二者之中有一個(gè)粗糙度值較大時(shí)，二者的接觸可能由理想的面接觸，變成線接觸或點(diǎn)接觸。彼此間的接觸面積減小，實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于理想接觸面積，承載能力就會(huì)下降，造成彼此間的單位壓力增大，從而造成磨損加劇。兩個(gè)相互配合的零件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，零件表面的凸起部分，尤其是硬度相對(duì)較高的零件的凸起部分，就相當(dāng)于用諸多微小的切削刃來(lái)切削對(duì)方。從而對(duì)另一個(gè)工件的表面產(chǎn)生嚴(yán)重的微觀切削，產(chǎn)生大量的微小切屑，勢(shì)必使對(duì)方的磨損加劇。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件之間還會(huì)發(fā)生撞擊，在沖擊載荷作用下，這些微小凸起部分會(huì)發(fā)生彈性變形和塑性變形，這些微小變形在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)造成剪切破壞。這些凸起部分彼此會(huì)被撞平、撞裂或者是撞斷，斷下的部分會(huì)滯留于摩擦副中充當(dāng)磨料，從而加劇了相對(duì)運(yùn)動(dòng)副之間的磨損。相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件本身的粗糙度值較低時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩工件之間的接觸面積增大，承載能力增強(qiáng)。金屬斷裂的分量就相對(duì)減少，發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)兩工件之間被切削下來(lái)充當(dāng)磨料的金屬微粒數(shù)量也將下降，磨損率也將變小，使零部件的使用壽命延長(zhǎng)，降低了因磨損而出故障的停機(jī)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)了工件的全生命周期。

圖3 零件的全生命周期圖

零件的表面粗糙度值也不能過(guò)小，如果表面粗糙度值過(guò)小，潤(rùn)滑油則不宜儲(chǔ)存其中。相互接觸的兩零件彼此之間不能形成油膜，油膜主要是在相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間起著隔離作用，避免兩工件直接接觸而加劇磨損，同時(shí)油膜還起著隔絕空氣中的氧氣與工件接觸、避免工件氧化的作用。所以，若彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩工件表面粗糙度值過(guò)小，相互接觸的兩工件彼此之間形不成所需要的油膜，接觸面之間就容易造成接觸部分的金屬相互粘連，磨損反而會(huì)加劇。有些場(chǎng)合，比如機(jī)床的導(dǎo)軌副之間的接觸是采用刮研的方式，使導(dǎo)軌副之間呈多點(diǎn)接觸，點(diǎn)與點(diǎn)之間的凹坑處可以儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，有利于使彼此之間形成油膜，使摩擦系數(shù)降低。其實(shí)每一個(gè)磨擦副都有一個(gè)適合自身的表面粗糙度值，使得磨擦副有良好的綜合力學(xué)性能。工件表面粗糙度值的高低是根據(jù)工件的實(shí)際工作狀況、工作載荷的大小、工作載荷的性質(zhì)，綜合考慮之后才能最終決定的。

3表面粗糙度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

所謂疲勞強(qiáng)度，是指材料在無(wú)限次交變載荷作用下，而不被破壞的最大應(yīng)力，也稱(chēng)之為疲勞極限。一般情況下，鋼在承受交變載荷作用下而產(chǎn)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱(chēng)為鋼的疲勞強(qiáng)度。[3]實(shí)際上，金屬并不能承受無(wú)限次的交變載荷作用。

事故統(tǒng)計(jì)中，疲勞斷裂引起的事故約占事故總量的86.73%。由于零件在出現(xiàn)疲勞斷裂以前沒(méi)有任何明顯的征兆(明顯的裂紋、變形)，所以疲勞斷裂經(jīng)常會(huì)釀成重大災(zāi)難。二戰(zhàn)中，20架在空中執(zhí)行任務(wù)的“惠靈頓號(hào)”重型轟炸機(jī)在毫無(wú)征兆的情況下發(fā)生墜機(jī)，這在當(dāng)時(shí)引起極大恐慌。最后，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，是由于飛機(jī)在飛行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸發(fā)生疲勞斷裂造成的。2005年5月中旬，中國(guó)臺(tái)灣華航班機(jī)由于飛機(jī)尾部發(fā)生疲勞斷裂在空中解體，造成機(jī)上二百多人全部遇難的悲劇。這些悲劇的發(fā)生，幕后黑手全部都是疲勞斷裂(見(jiàn)圖4、5)。

圖4 航空發(fā)動(dòng)機(jī)疲勞斷裂的葉片

被加工過(guò)的零件表面粗糙度的值越大，表面缺陷就越多，微觀不平的峰谷差值就越大。交變載荷應(yīng)力也就越集中。應(yīng)力的集中，就會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋，從而降低零件的疲勞強(qiáng)度，最終零件因疲勞斷裂而失效。零件表面裂紋的出現(xiàn)時(shí)間以及裂紋增長(zhǎng)到足以讓零件失效的時(shí)間，是由零件的材料和應(yīng)力場(chǎng)來(lái)決定的。零件材料的應(yīng)力場(chǎng)與零件的表面粗糙度關(guān)系密切，表面粗糙度值較大，則出現(xiàn)裂紋的時(shí)間就越早，零件發(fā)生疲勞斷裂的時(shí)間就越早。零件的表面粗糙度值越低，表面光潔度越高，出現(xiàn)表面缺陷的概率就越小，其疲勞強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)提高，造成疲勞損壞的時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)，零件的使用壽命就會(huì)增加。

圖5 疲勞斷裂的飛機(jī)引擎

4表面粗糙度對(duì)零件剛度的影響

剛度是材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力，是材料在外力作用下產(chǎn)生彈性變形的難易程度的表征。[4]在宏觀范圍內(nèi)，剛度是零件荷載與位移成正比的比例系數(shù)，引起單位位移所需要的力。接觸剛度，是零件結(jié)合面在外力作用下抵抗接觸變形的能力。零件表面粗糙度值越大，表明其微觀峰谷值就越大，兩個(gè)零件的實(shí)際接觸面積將遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)的理論接觸面積，零件表面壓強(qiáng)(單位面積上所受的力)提高。零件微觀峰頂處的局部變形在力的作用下會(huì)增加，兩零件的實(shí)際接觸剛度降低，從而影響零件的工作精度和抗震性能。

5對(duì)零件的抗腐蝕性的影響

表面粗糙度值較大的零件，其微觀凹谷處易存積雜質(zhì)，這些雜質(zhì)中不可避免的會(huì)夾雜一些腐蝕性物質(zhì)(如圖6所示)。日積月累，這些腐蝕性物質(zhì)將通過(guò)分子運(yùn)動(dòng)進(jìn)入金屬內(nèi)部，造成零件的銹蝕。零件的微觀尖峰處和有裂紋缺陷的表面腐蝕就更為明顯。此外，金屬表面層的殘余應(yīng)力對(duì)零部件的耐腐性也有一些負(fù)面影響，當(dāng)金屬表面殘余應(yīng)力為拉力時(shí)，會(huì)加劇零件的腐蝕。

圖6 工件表面凹谷處的夾雜物

6對(duì)密封性能的影響

表面粗糙度直接影響零部件組合后的密封性能，如果零件的表面粗糙度值較大，其微觀的峰谷值會(huì)很大，因?yàn)榘纪共黄降谋韺記](méi)法互相緊緊貼合，因此機(jī)器型腔內(nèi)的液態(tài)物質(zhì)和氣體將穿過(guò)接觸面間的空隙，造成跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象。

另外，表面粗糙度對(duì)零件尺寸測(cè)量的準(zhǔn)確度、形狀、電鍍、表面涂層、導(dǎo)熱性、接觸阻力、接觸壓力、表面反射能力和反射特性、氣體與液體之間的流動(dòng)阻力、以及導(dǎo)體與表面電流的流通狀況，都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。[5]

7表面粗糙度的改善措施

在現(xiàn)代化的加工中影響機(jī)械加工表面粗糙度的各種因素，通常認(rèn)為主要有如下幾方面:工件表面層的物理化學(xué)因素、切削液、零件的幾何形狀、工件表面層的熱力學(xué)原因、刀具因素、背吃刀量的大小、切削速度的高低、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量的大小、機(jī)床的振動(dòng)、刀具振動(dòng)以及工件振動(dòng)等。[6]

物理原因:在切削過(guò)程中，由于刀具設(shè)計(jì)制造都是存在圓角的，使得工件的已加工表面出現(xiàn)了彈性和塑性變形，從而造成工件表面粗糙度值的增大。當(dāng)用帶有圓角的刀具加工脆性材料時(shí)，就會(huì)生成大量崩碎的切屑，崩碎切屑飛落時(shí)會(huì)在工件的已加工表面上留下撞擊痕跡，生成很多微細(xì)的坑穴，從而造成零件表面粗糙度的增加；在加工塑形較大的材料時(shí)，在切削刀具上容易產(chǎn)生積屑瘤，積屑瘤會(huì)增加切削刀具的強(qiáng)度，但是會(huì)使工件的表面粗糙度值下降。一定注意，不要為最后一刀加工留有太少的余量，如果加工剩余量太少，切削過(guò)程中容易造成間歇切入、切出和打滑現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的出現(xiàn)同樣會(huì)使工件的表面粗糙度增加，影響到工件的表面質(zhì)量。

振動(dòng)原因:在機(jī)械加工的過(guò)程中，因?yàn)楣ぜ牧?、刀具以及機(jī)械本身強(qiáng)度不夠或由于其他某些因素形成振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)形成后，會(huì)在工件表層形成振紋，振紋的出現(xiàn)會(huì)使工件工件的表面粗糙度值增加。

由上述分析得出，提高工件表面表面質(zhì)量可以重點(diǎn)考慮以下各方面要素:工件的熱處理方式，工件的加工方式，刀具的材質(zhì)、刀具的切削參數(shù)、機(jī)床的綜合力學(xué)性能、切削液等。

7.1刀具方面

在工件加工過(guò)程中，刀具的作用是切除毛坯上的多余材料。為保證切削效率和工件的質(zhì)量有必要選取合適的刀具切削幾何參數(shù)。如加大刀具刃傾角，則刀具的實(shí)際工作提前角將相應(yīng)增大，這樣將會(huì)降低切削中的工件的塑形和彈性變形，其表面粗糙度值也會(huì)減小；除了加大刀具刃傾角的值以外，還可采用減小刀具切削的主偏角、副偏角、提高刃尖圓弧半徑的方法來(lái)提高零件的外觀品質(zhì)；此外，切削用的刀具本身材質(zhì)的選用也非常關(guān)鍵，在選擇刀具之前必須要考察刀具本身的材質(zhì)。如果選擇不當(dāng)，由于刀具本身材質(zhì)和工件材質(zhì)在特定條件下親和程度很大，會(huì)附著在刀具切削刃上，比如鎢鈷鈦類(lèi)合金刀具加工具有鈦含量的工件時(shí)，由于鈦的親和力較強(qiáng)，會(huì)發(fā)生鈦元素親和現(xiàn)象，刀具中的鈦元素會(huì)被切屑帶走而造成金屬鈦流失，加劇刀具的磨損，從而使工件的表面微觀峰谷的值增大，而造成表面粗糙度值增加。經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，切削條件相同的情況下，高速鋼刀具切削過(guò)的工件表面粗糙度的值大于硬質(zhì)合金鋼刀具切削后的表面粗糙度的值。

7.2通過(guò)改善切削用量提高工件表面粗糙度

工件在切削過(guò)程中，切削用量(進(jìn)給量、背吃刀量、切削速度)對(duì)工件工件的加工效率、表面質(zhì)量的影響是很大的。在車(chē)削外圓時(shí)，主軸旋轉(zhuǎn)一周，刀具的切削刃相對(duì)于工件在進(jìn)給方向的移動(dòng)距離稱(chēng)為進(jìn)給量。進(jìn)給增大，切削效率提高，刀具壽命會(huì)減少，表面粗糙度一般會(huì)隨進(jìn)給量的增加而增加。所以進(jìn)給量的大小直接影響到工件的加工效率和工件的表面粗糙度。在切削用量三要素中，進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響是舉足輕重的，所以在切削加工中進(jìn)給量參數(shù)的選擇顯得尤為重要。進(jìn)給量與表面粗糙度關(guān)系如圖7所示：

圖7 進(jìn)給量與表面粗糙度關(guān)系曲線圖

切削速度和工件表面質(zhì)量之間同樣存在著密不可分的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證明，合理選擇切削速度既能提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本，又能降低表面粗糙度。

在切削用量三要素中，背吃刀量是指已加工表面和待加工表面之間的垂直距離。當(dāng)背吃刀量的數(shù)值低于一定值時(shí)，切削刃與工件之間將會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)切削現(xiàn)象，即切削刃與工件之間呈周期性切入、切出，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)切削刃與工件之間的打滑現(xiàn)象，這種周期性的切入、切出、打滑會(huì)使工件的表面粗糙度增加，所以，在切削加工時(shí)，一定要選擇合適的背吃刀量，切忌過(guò)小，尤其是給精加工留的余量不能太小。

7.3通過(guò)改善工件材料性能來(lái)改善表面粗糙度

為了消除由于應(yīng)力而產(chǎn)生的切削變形對(duì)加工質(zhì)量的影響，工件通常要先進(jìn)行去除應(yīng)力熱處理以后再進(jìn)行切削加工。經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火、回火或正火等熱處理工序以后工件的金屬元素的分布會(huì)更均勻，晶粒會(huì)進(jìn)一步得到細(xì)化，所以，工件經(jīng)過(guò)熱處理以后再進(jìn)行切削加工，切削出的工件表面粗糙度值會(huì)更低，表面質(zhì)量會(huì)更好。

7.4通過(guò)選擇切削液改善表面粗糙度

工件表面質(zhì)量與切削液的選擇也存在著十分重要的關(guān)系，在金屬切削加工過(guò)程中切削液起著潤(rùn)滑、防銹、冷卻等作用。切削液的冷卻和潤(rùn)滑作用對(duì)零件的表面質(zhì)量影響較大，有了切削液的存在使切削過(guò)程中的潤(rùn)滑性能增加，工件的塑性變形程度減小，由于切削液還具有冷卻作用，加工過(guò)程中的熱脹變形會(huì)減小很多，從而使得零件的表面粗糙度值減小。故在機(jī)械加工中，為了增加加工過(guò)程中切削液的潤(rùn)滑性能，精加工一般使用豆油、煤油、硫化油等作切削液，降低工件的表面粗糙度，提高被加工工件的表面質(zhì)量。

7.5在加工中要防止振動(dòng)的產(chǎn)生

在切削過(guò)程中機(jī)床、工件和刀具無(wú)論哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)振動(dòng)，都會(huì)使工件加工表面上產(chǎn)生振紋，這些振紋直接影響工件的加工表面質(zhì)量。為避免因振動(dòng)出現(xiàn)的振紋，一般采取的方案包括：控制工件伸出卡盤(pán)的長(zhǎng)度，伸出長(zhǎng)度越短其剛性越好；如果必須伸出長(zhǎng)度較長(zhǎng)，切削時(shí)必須采用跟刀架；盡可能縮短刀具的使用長(zhǎng)度，刀具伸出越長(zhǎng)其剛性就越差；減小激振力；采取其他防振保護(hù)措施。

7.6盡可能減少工件殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力對(duì)零部件機(jī)械性能的主要影響，不但表現(xiàn)在零件的彈性和塑型變形、耐疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕性能上，而且對(duì)工件的尺寸誤差、形狀誤差、位置誤差和表面粗糙度的影響也較大。因此，所采取的改進(jìn)對(duì)策主要有:合理選用切削用量；改變冷卻方式；合理選用刀具材料和刀具角度；及時(shí)對(duì)刀具進(jìn)行修整和更換。

綜上所述，表面粗糙度對(duì)工件配合性質(zhì)、工件耐磨性能、工件的疲勞破壞、表面剛性、耐腐性、工件的密閉性、導(dǎo)熱性、抗腐蝕性、導(dǎo)電性等各方面的特性，都是有一定影響的。在現(xiàn)實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)中，通過(guò)選擇正確的切削刀具材料和刀具的幾何角度參數(shù)、提高工件材質(zhì)的機(jī)械性能、合理選擇適當(dāng)?shù)目拐袷侄?、科學(xué)合理使用切削液等措施，來(lái)提高工件的表面粗糙度，收到了較好的加工效果。