金属及加工表面粗糙度的影响因素

耿建红

摘要：对于金属加工来说，金属表面的平整度和粗糙度的参差不齐会直接影响金属的加工质量。为了做到精益求精，近年来，以上各种缺陷问题的发生机理和改进方法在不停地研究中得到了完善。金属表面的粗糙程度是决定金属表面质量是否达标的关键，对于金属接触面的摩擦力、密封情况、旋转构件工作强度以及金属表面的美观情况等有着各种各样的影响。因为，在金属的实际加工过程中，工具选择、工艺手法、润滑程度等很多原因都能够导致金属表面有着参差不齐的粗糙度，从而就造成了无法出厂使用、最终报废的情况，这就需要对金属表面粗糙度的各种影响因素进行分析。

关键词：金属加工;表面粗糙度;影响因素

中图分类号：TH161+.14                                文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）06-0095-02

1  影响金属表面粗糙度的各种因素

1.1 切削加工对于金属表面粗糙度的影响

根据几何结构进行分析可知，在刀具对金属进行切割的时候，会在金属的表面留下刀具所残留的切削面积，而这切削所留下的就是刀具的形状复刻。这个残留的切削面积大小是由于用力的角度、进给量和刀尖半径导致的。对于刀具的选择，它的宽窄、尺寸、形狀都会以不同程度对金属加工的表面粗糙度造成影响。

根据金属加工的物理因素进行分析可知，在加工过程中，使用刀具的刀尖半径和道具组合的元件对刀具造成的挤压和磨损等都会使得金属表面发生各种形变，从而造成金属表面更加粗糙。当一些速度不够快的、由不锈钢等材料制成的刀具材料对金属进行切割时，由于刀具挤压所带来的塑性形变以及道具使用不当，都会在金属表面产生积屑瘤和鳞刺，从而加大金属表面的粗糙度。

在选择工具材料时，韧性越好的材料，对金属造成的塑性变形越大，就会导致金属表面更加粗糙。在对比较脆的金属材料进行加工时，该种材料的碎屑会有很多，相应的，金属表面的麻点就会越来越多，从而使得金属表面更加粗糙。在进行精加工时，切的深度越小，刀具的使用就更不好把握，就也会在一定程度上影响表面的粗糙程度。

因此，在金属表面进行加工作业时影响金属表面粗糙度的工艺因素主要有：

①切削用量带来的影响。在一定的加工范围内，切削速度v会增加积屑瘤和鳞刺的数量;而进给量f的降低能够减少金属表面残留面积的厚度。因此，适度合理的切削用量是降低粗糙度的一个关键。

②几何参数和作业材料带来的影响。各项数据表明，在切削使用条件不变时，使用硬质的合金工具会比高速的钢刀带来的金属表面粗糙度更小，而使用金刚石的车刀进行加工时，不宜造成积屑瘤，也就不会造成很大的粗糙表面。刀具的圆弧半径r？着、刀具的主偏角Kγ和刀具的副偏角k'γ都会影响金属表面的残留面积。因此在进行加工作业时，要适度降低r？着、Kγ和k'γ，从而降低金属表面的粗糙度。而适度增加前角γ，能够有效抑制积屑瘤和鳞刺的发生，从而降低金属表面的粗糙程度。

此外，刀具前角也会对金属表面粗糙度造成影响。道具前脚主要指切削刃选定点的正交平面内前刀角与基面之间的夹角。前角有正负之分，是切削刀具重要的几何参数之一，它决定切削刃的锋利程度和强度，直接影响刀具耐用度和被加工表面的粗糙度。 为消除其他因数的干扰，在本单元试验中选 用的刀具具有相同的刀尖圆弧半径（0.2mm），其它的工作角度也都相同。刀具前角分别取0°、5°、10°、15°，其实验结果可建立刀具前角和表面粗糙度的关系图，如图1所示。

③切削液带来的影响。在加工金属的过程中，选择合适的切削液，可以冷却金属的加工温度，润滑金属的加工，从而减少刀具与金属的摩擦，进而降低加工过程中带来的塑性形变，减少积屑瘤和鳞刺的发生，从而大幅度降低金属表面的粗糙度。

1.2 磨削加工对于金属表面粗糙度的影响

由于砂轮的运动滑擦、切划所造成的金属表面粗糙可以根据单位面积上的刻痕进行判断，刻痕越细腻均匀，金属表面的粗糙程度就越低。切削加工带来的影响，不仅是几何结构的原因，还有塑性形变等物理原因的影响。金属加工表面的经常性挤压所带来的的塑性变形也会因为加工过程中的过高温度而大幅度提升金属表面的粗糙程度。

因此，影响金属表面粗糙度的磨削加工原因主要有：

①砂轮粒度、硬度带来的影响。砂轮的粒度也会对金属表面粗糙程度造成影响。金属表面的磨粒越多，粒度的程度越细致，金属表面加工留下的刻痕就会愈加致密，从而使得金属表面粗糙程度降低。此外，砂轮的硬度也会对金属表面的粗糙度造成影响，砂轮的硬度适度，会在磨粒钝化使其自觉及时脱落，从而对新露出来的磨砺进行加工。以上，就是金属具有的“自砺性”。要注意砂轮不能使用过度，所以要注意在日常作业中进行及时、有效的检修，从而去掉已经被钝化的魔粒，这样做可以确保砂轮拥有正常的微刃性和等高性。

②工件材料带来的影响。不同工件材料，他们在塑性、导热性、硬度和韧性上有很大区别，因此，工件材料的选择也会对金属表面的粗糙度造成影响。比如，过硬会钝化磨粒，过软会堵塞砂轮;又比如，韧性大的会增加金属表面粗糙度，导热性能差的也是如此。

③磨削用量带来的影响。砂轮提速，可以通过减少塑性形变而降低金属的表面粗糙度，这是因为，砂轮提速会导致磨削表面不能及时塑性变形。若想要增加粗糙度，可以通过增加磨削深度和加工速度进行。我们也可以通过使用更大的磨削深度去改进磨削效率，但要注意在降低表面粗糙时应该使用小的磨削深度进行。

④磨削液及其它原因带来的影响。除了工艺因素，还可以借助磨削液。磨削液具有很好的效果，可以降低磨削温度、减弱磨削力、减小砂轮的磨损程度。也就是说通过磨削液，改善了工艺手段，从而去影响金属加工的表面粗糙度。

2  金属加工表面层的物理力学性能带来的影响

在金属表面进行切削时，由于切削力和切削热的共同作用，金属表面的物理力学性能会随之发生改变。物理力学性能的改变，会通过影响金属表面硬度等，影响金属表面的粗糙程度。然而，塑性形变、切削热等也会因为金属切削带来的变化愈加严重，所以在磨削加工之后，金属加工表面层的物理力学性能的改变会越来越大。

2.1 金属表面层的冷作硬化

①金属表面层的冷作硬化。在进行金属加工时，切削的力度会导致金属发生塑性形变，金属晶粒会随着切削变化，甚至可能会有晶粒破碎的现象产生，这一类现象会使得金属表面的强度和硬度不断增加，而这一现象就是广为熟知的在金属表面发生的冷作硬化。这一性质，会增大金属的变形阻力，改变金属表面的物理性质。

冷作硬化后，金属表面会产生不稳定的高能位，而这种变化，会驱使金属从不稳定的状态向稳定的状态过渡，这就是我们所说的弱化。温度的增长和降低、温度所持续的时间、温度强化的程度等，都会影响金属的弱化作用。正是由于在金属加工过程中，冷作硬化和弱化带来的力和热会同时起作用，所以，最终的金属性质是由他们共同决定的。

②主要影响冷作硬化的因素。刀具材料刀尖的半径越大，对金属表面的挤压力就会越大，冷作硬化的程度就会提高;而刀具材料的前角越大，对金属的塑性形变会有减小作用，从而降低冷硬程度;在切削时，切削速度越大，加工作业时间越短，会导致塑性形变的深度越小，进而导致冷硬层深度减小，然而，速度越快温度上升也越快，又会带来冷作硬化的恢复，因此，这就形成了一种相互制约的作用。

2.2 金属表面层金相组织的变化

切削产生的热量，会传递给金属表面，使其温度升高，当金属表面的温度超过了金相组织温度，金属表面的金相组织就会发生改变。然而，这大部分的热量都随着碎屑转移了，因此对金属加工的影响并不大。然而，磨削会产生非常大的瞬时温度，最高能够达到1000℃，这就会导致金属表面的金相组织改变，从而带来表面残余的拉应力，形成一些细微的裂纹，从而降低金属表层的硬度，使得金属的物理力学性能变差，这就是所谓的磨削烧伤现象。

2.2.1 磨削烧伤的类别

①淬火烧伤。当磨削区温度大于相变温度时，使用冷却液的极速制冷，会导致金属表面产生二次淬火，而金属表层下的内层，由于制冷没有表层快，回火组织的温度就会更高，这种磨削带来的烧伤即为淬火烧伤。②回火烧伤。当磨削区温度低于相变温度却大于马氏体的转变温度时，会导致金属表面的回火马氏体就会变为低硬度的回火组织，这种磨削带来的烧伤是回火烧伤。③退火烧伤。当磨削区温度大于相变温度，但是进行磨削的区域却并未进入冷却液，这就导致金属表面形成了退火组织，从而使得金属表面的硬度大幅度降低，这种磨削带来的烧伤是退火烧伤。

2.2.2 引起磨削烧伤的主要因素

①砂轮的硬度过高、砂轮粒度过细，以及砂轮与工作的接触面积太大都会引起磨削烧伤。②磨削时没有恰当选择冷却方式，導致冷却液进入磨削区十分困难，就不会达到有效的冷却目标，从而引起磨削烧伤。③砂轮作业速度过高、磨削深度过大等都会增加磨削烧伤。④加工元件的导热系数不够高、磨削区的磨削温度过高，就会引起磨削烧伤。

2.3 表面层残余应力

金属经过表面加工后会有残余应力。改善金属表面的耐磨性质，提高疲劳强度的是残余压应力;减弱耐磨性质，降低疲劳强度的是残余拉应力。

残余应力的产生原因：①热塑性变形。金属进行切削，会产生热量，越高的切削温度，就会带来越大的金属表层塑性形变，从而增大残余拉应力。②冷塑性变形。切削力会使得金属表面产生冷塑性变形，此外，切削刀具带来的挤压，会让金属表层向两侧伸展，但却限制了里层金属的延展，于是就产生了残余压应力。③金相组织。金相组织不同，密度也有不同，也会产生残余压应力。

3  结语

通过分析影响金属加工表面粗糙程度，能够极大的规范技术工种在加工中的手法，有助于准确无误的生产。此外，还有利于排查金属加工中存在的各种问题，对于金属加工作业的品质提高有重要意义。

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