摘要:分析金属表面加工中表面粗糙度缺陷产生的机理，对刀痕粗糙、鳞刺现象、划伤和拉毛、刀花不匀、高频振纹等表面粗糙度缺陷，从机床和刀具方面给出排除方法。

    关键词:金属表面加工 表面粗糙度  产生机理 排除方法
    表面粗糙度是指零件表面的微观几何形状误差，是零件表面质量的重要技术指标。它不仅影响美观，而且对零件接触面的摩擦、运动面的磨损、贴合面的密封、配合面的可靠性、旋转件的疲劳强度以及抗腐蚀性能等都有影响。设计每一个零件时，都是按照使用要求确定其表面粗糙度等级的，制造零件时也必须予以保证。但在零件加工过程中，往往由于机床、刀具、夹具、工艺、润滑、冷却及工件的结构、材料等因素的影响，使零件表面的粗糙度产生这样或那样的缺陷，其中常见的有：刀痕粗糙、鳞刺现象、划伤拉毛、刀花不匀、高频振纹等。这些缺陷的存在，往往使零件的表面粗糙度达不到规定的要求，严重时甚至还会导致零件报废，因此必须采取相应措施加以解决。
    一、刀痕粗糙
    1．机理
    刀痕清晰、均匀，但刀痕较粗，这种粗糙度缺陷常在加大切削进给量时产生。这是由于切削运动与刀具几何形状，使得有一小部分金属未被切除下来而残留在已加工表面上，形成了所谓的“残留面积”，俗称刀痕，其高度越大，零件表面的微观几何形状误差就越大，已加工表面的粗糙度值就越高。
    以车削外圆为例，图l为当进给量等于f刀尖圆弧半径r=0时的残留面积及其高度示意图(Kr为主偏角，Kr’，为副偏角)，设此时残留面积的高度为R1，如果把进给量，减小一半，其他参数不变，刀痕就变成了图2的形式，显然残留面积的高度R2也相应地减小一半，已加工表面的粗糙度值也就随之相应降低了。将刀尖圆弧半径由零变为r，刀痕就变成了图3所示形式，若进给量较小，使残留面积纯粹由两段圆弧构成时（即不含有副切削刃的直线部分），其高度R3就进一步减小了。

    2．解决方法
    (1)在切削时，尽可能选择较小的进绐量。但也要注意，若进给量太小，刀具又钝，切削不能顺利进行，反倒会影响粗糙度。
    (2)在刃磨刀具时，适当增大刀尖圆弧半径。（但刀尖圆弧半径也不宜过大，否则将导致机床及工艺系统产生振动，而引发工件表面产生振纹，反倒会使粗糙度增大；若刀刃圆弧半径大于切削深度，刀具又钝，刀刃会在工件表面打滑而影响工件表面的粗糙度。）
    (3)适当减小主、副偏角，也有一定效果。
    二、鳞刺现象
    1．机理
    在较低的切削速度下，用高速钢或硬质合金刀具切削塑性金属材料时，在已加工表面上常会出现一种鳞片状的裂口和毛刺，称这种现象为鳞刺现象（有的称之为“撕裂”）。在拉削、插削、滚齿、螺纹车削、板牙攻螺纹等，经常会出现这种现象。
    由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程中的变形程度也就不同，因而所产生的切屑种类也就多种多样。归纳起来，大致可分为四种形态，即带状切屑、挤裂切屑、单元切屑及崩碎切屑（图4）。当用低速度、小前角刀具切削塑性材料而形成挤裂切屑或单元切屑时，刀与屑间的摩擦力将发生周期性变化，促使切屑在前刀面上周期性地停留，代替刀具推挤切削层，造成金属的积聚，使已加工表面出现拉应力而发生断裂，并使切削厚度向切削线以下增大，从而导致已加工表面产生鳞片状的凹凸不平。

    鳞刺是切削过程中变形与摩擦的产物。它产生于刀与工件接触区，且与刀和屑接触摩擦密切相关。因此，解决鳞刺现象便可以从减小刀与屑、刀与工件间的摩擦人手，使挤裂切屑或单元切屑转化为带状切屑。
    2．解决方法
    (1)选择合适的切削速度。鳞刺现象是在特定的切削速度范围内产生的，大于或小于这个范围，都可以抑制其产生。如车削45号钢零件时，要避免出现鳞刺现象，或者采用很低的切削速度，如宽刀刃精车时；或者采用很高的切削速度，如精细车削时；而不采用中等速度。铣削的情况与车削相似。
    (2)尽可能减小切削厚度。切削加工时，切削层厚度越大，切屑与刀具前面之间的压力就越大，当形成挤裂切屑或单元切屑时，引起已加工表面上产生导裂的拉应力就越大，鳞刺现象就越容易产生，且鳞刺的高度随着切削厚度的增大而增大。所以在精加工时，余量尽可能要留得小些。
    (3)采用润滑性能较好的切削液。润滑性能较好的切削液，能够减小刀与屑和刀与工件间的摩擦，因此能抑制鳞刺现象的产生。如在低速精车螺纹时常用乳化液润滑，钳工用板牙攻制螺杆时也常用润滑油润滑。但在切削速度不高、切削厚度不大的情况下，采用含有氯化石蜡的切削液比采用乳化油或机油更能抑制鳞刺现象的产生。
    (4)合理选择刀具的角度。精加工时由于进给量小，进刀深度也较小，应选取较大的前角，以使刃口锋利。增大前角能减小切屑变形，减小切削力，可以抑制鳞刺现象。磨削时零件表面出现鱼鳞形痕迹，就是因为砂轮的切削刃不锋利而发生“啃住”现象，解决方法就是将砂轮修整锋利。
    (5)改善工件材料的切削加工性。材料的切削加工性又称可切削性。可以针对工件加工中产生的鳞刺现象，对材料进行热处理，如45号钢经调质处理后，在较高的切削速度下切削，生成鳞刺的高度最小。
    三、划伤和拉毛
    划伤和拉毛也是较常见的粗糙度缺陷。如精车外圆时出现的凸起、硬点或周向犁沟；孔加工中的内表面划伤；齿轮加工中的“啃齿”现象；磨削加工的拉毛等。可以根据划伤拉毛痕迹的分布规律，查找产生原因，制订排除措施。
    痕迹分布有规律的划伤与拉毛，一般都是机床的原因。如在车床上精车外圆时，圆周表面上在固定点或者周期性的出现凸台或凹痕。若在固定点出现凸台或凹痕，则可能是床身导轨的固定位置或齿条表面有碰伤、凸起，或是齿条接缝不良；若是周期性地出现凸台或凹痕，则可能是车床的传动系统有故障如主轴箱，溜板箱、进给箱内的轴弯曲、齿轮啮合不良或损坏等。滚齿加工中出现的“啃齿”，往往是滚刀主轴系统的齿轮、轴和轴承有故障或是刀架垂直进给不稳定，如垂直进给丝杠弯曲、液压平衡系统或立柱导轨系统调整不合适等。机床的故障处理之后，这类划伤拉毛就可以消除。
    痕迹分布没有规律的划伤与拉毛，一般都与切屑、刀具、切削液有关。如精车外圆时出现的无规则带状切屑，有时就很容易划伤已加工表面，这时可在刀具前面上磨卷屑槽或装断屑压板。在孔加工中，特别是深孔加工中，由于排屑不畅而使切屑划伤内表面，更是常见现象。磨削中的工件表面拉毛，就是脱落的磨粒或磨屑所致，其原因或者是砂轮选择不合适，或者是切削液不清洁。
    加工表面出现的“犁沟”现象也是最常见的无规则划伤，这是刀具的前面上产生的积屑瘤造成的。当切屑底层金属与刀具前面发生冷焊而停留在刀具前面上时，刀具的前面上将产生积屑瘤，这时积屑瘤将代替切削刃切削工件。在切削刃上不同位置的各点，积屑瘤的伸出量是不一致的，而且轮廓也非常的不规则，因而在已加工表面上沿着切削刃相对于工件运动方向上将切出一道道深浅不同、宽窄不一的“犁沟”。积屑瘤的产生与脱落是随机的，所以这种犁沟也是时隐时现地没有规律。但只要有积屑瘤，就会有犁沟出现。比如：车削外圆时，车刀上产生积屑瘤，已加工表面上将产生周向犁沟；拉削圆孔，键槽时，拉刀上产生积屑瘤，已加工表面上常出现平行于轴线的犁沟；孔加工时铰刀上产生积屑瘤，孔壁上将产生螺旋形犁沟。不管什么样的犁沟出现，都会严重影响零件表面的粗糙度。抑制积屑瘤产生的有效方法是采用润滑性能好的切削液，或者选用合适的切削用量。
    四、刀花不匀
    刀花不匀实际上是指在已加工表面上遗留下的刀具切削痕迹不均匀，出现这种缺陷的原因主要还是机床问题。比如：机床的工作台或刀架出现了爬行必然会引起走刀不均匀。当进给量减小时，刀的痕迹必然要细密，已加工表面的粗糙度值就低；当进给量大时，刀具的痕迹变粗稀，已加工表面的粗糙度值就高。磨床的刀具（砂轮）虽有一定的宽度，但工作台的爬行同样会引起刀花不匀。当工作台运行得慢（或停顿）时，磨削相当于无进给磨削，而无进给磨削则会大大降低零件表面粗糙度；当工作台运行快时，不会出现无进给磨削。所以，尽管磨床的刀具（砂轮）比其他机床的刀具刃宽，磨床的爬行同样会出现刀花不匀。
    在磨削外圆时，零件的已加工表面有时会出现螺旋线形痕迹，这也是常见的刀花不匀的缺陷，产生这种缺陷的主要原因是砂轮母线的直线度误差较大，有凸凹现象。磨削时，砂轮和工件仅是部分接触，这样就容易在工件表面留下螺旋线痕迹，其螺距等于磨削中的纵进给量或与纵向进给量成比例。
    影响砂轮母线直线度的原因是机床砂轮主轴的旋转精度。当砂轮主轴翘头或低头时，砂轮的回转轴线与工作台移动方向就不平行，修整砂轮时，金刚刀就会把砂轮的圆周表面修成凹形（图5），而金刚刀尖端又往往不是对准砂轮中心；金刚刀尖移动轨迹与工件的轴心线不等高，结果凹形砂轮只有两边的边缘与工件接触，所以磨削时容易在工件表面形成螺旋线形痕迹。

    床身横向导轨与纵向导轨不垂直，砂轮架前后移动时，砂轮主轴中心线的方向将发生偏斜（图6），这样，砂轮圆周表面与工作台移动方向就不平行，使砂轮单边接触工作，也容易使已加工表面上产生螺旋线形痕迹。

    五、高频振纹
    机床、刀具、工件所构成的整个工艺系统的振动，对零件表面的粗糙度也影响极大。其中工艺系统的低频振动一般在工件表面上产生波纹度，而工艺系统高频振动产生的振纹则属粗糙度范畴。消除高频振纹的主要方法是找出振源，消除振动，或把振动减至允许的范围内。工艺系统的振动可区分为受迫振动和自激振动。
    受迫振动是由于受周期性外力的作用而产生的振动。比如：旋转零件不平衡引起的振动，机床传动系统在传递运动中的冲击引起的振动等。对于这样的振动，只要找出振源，对机床进行必要的调整和修理，振动消除了，振纹也就消失了。机床附近若有振动较大的设备，比如：冲锻设备、刨床等，也能引起工艺系统产生受迫振动，只要采取必要的防范措施，如做防震沟或装减振装置，也能取得一定效果。
    自激振动则是系统运动自身激发的振动，最常见的自激振动是切削自振。由于切削自振是在切削过程中产生的，所以消除这类振动必须从涉及机床、刀具、工件的整个工艺系统着手，比如：改变切削用量、合理选择刀具的几何参数、合理夹持刀具和工件、调整机床间隙、提高机床的抗振性等。