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表界面 表面粗糙度
表界面 表面粗糙度
表面粗糙度是对工件质量进行评估的重要指标之一，对于其在使用过程中的配合质量、运动精度以及耐磨损性等都有着不容忽视的影响，因此，想要保证工件的加工质量，就必须采取有效措施，降低表面粗糙度。
表面粗糙度一般是由所采用的加工方法和其他因素所形成的，例如加工过程中刀具与零件表面间的摩擦、切屑分离时表面层金属的塑性变形以及工艺系统中的高频振动等。由于加工方法和工件材料的不同，被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别。
表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。一般标注采用Ra。
一、接触式测量方法
接触式测量方法指的是，在测量设备中的探测位置会直接与表面接触，可以帮助人们获取被测表面的信息。但是这种测量方式不适用于刚性强度偏高、容易发生磨损的表面。
1、比较测量方法
在车间普遍应用的测量方法是比较法。比较法指的是将对比粗糙度样板与被测表面进行比较，测量人员直接用手的触摸来确定表面的粗糙度，或者通过肉眼观察，也可以使用放大镜、比较显微镜来对比。通常情况下，当粗糙度评定参数值偏高时，可以运用比较法，但是很可能造成很大的误差。
2、印模法
印模法指的是采用一些塑性材料当做块状印模，然后将其与被测表面互相贴合，再取下时，印模上会出现表面的具体轮廓，测量人员可以开始测量印模的表面，这种方式可以获取部件的表面粗糙度。一些规模大的零件内表面测量工作无法通过设备来完成，可以使用印模法来实现。然而印模法也存在一定缺陷，它的准确性不强，而且操作过程很复杂。
3、触针法
触针法的另一种名称是针描法。这种方法是在被测表面上放置一根很尖的触针，测量过程中需要垂直放置，使触针做横向移动。根据被测表面的轮廓，触针会自行做垂直起伏运动。把触针所做的位移活动利用电路转变为电信号后，可以将其方法，分析与计算后就可以获取表面粗糙度的指数。
触针法主要包括感应式、压电式以及电感式等几种方法。这种测量仪器具有较高的准确性与可靠性，操作简单，功能稳定，在测量过程中形成的Z大的分辨力是几纳米。
但是触针法也存在一定的缺陷，而且无法通过其他方式来弥补。从理论上来说，只有当触针达到半径为零的位置时，其运动才可以准确地体现表面的真实轮廓信息。然而，针尖的面积太小，既有可能会损坏被测表面，还容易使触针的磨损程度加大，这会直接影响到测量水平与测量速度。
而且，在控制测量力的过程中，不仅需要确保针头与被测表面之间的完全接触，还需要保护部件表面与针头不发生损坏。因此，精密仪器中光滑的表面，磁盘检测位置等方面都会受到阻碍，因此需要进行一些非接触式的测量工作。
二、非接触式测量方法
非接触式测量方式指的是，在被测表面没有受到损坏的情况下，间接获取表面的轮廓信息的一种测量方式。这种测量方式的优势在于可以实现被测表面与测量设备探测位置不直接接触，这样有利于维护测量设备，也在很大程度上避免了测量误差的出现。
1、光切法
光切法的具体含义是，运用光切原理来获取表面粗糙度的测量方式。它是指在一定角度中把一束平行光带投在表面上，光带和表面互相交叉的曲线会体现出被测表面的微观几何形状。这种方法有利于改善部件表面微小峰谷中存在的测量问题，防止直接与被测表面接触。
由于它采用了光切原理，所以可测表面的轮廓峰谷的Z大和Z小高度，要受物镜的景深和鉴别率的限制。峰谷高度超出一定的范围，就不能在目镜视场中成清晰的真实图像，导致无法测量或者测量误差很大。但由于该方法成本低、易于操作，所以被广泛应用。
2、光学传感器法
光学传感器法是在光学三角测距法的原理上提出来的，装置主要有两部分构成，有两个位置敏感探测器(PSD)和激光器组成的对称三角测距器及两个光电二极管组成的光传感器。
由PSD探测到携带被测物体表面信息的光信号，输出两路信号(Td和Sc1);光电二极管探测到的光信号后输出一路模拟电压信号(Sc2)，然后利用PSD和光电二极管探测到的信号与被测物表面粗糙度的关系就可以确定被测物体表面的粗糙度。该方法采用技术较成熟的光学三角法，比较容易实现，但是测量精度不高。
3、新型检测法
随着三维技术逐渐引入到表面粗糙度检测中，新的仪器和检测手段也层出不穷，科技的提高是表面粗糙度测试水平进步的一大保证。为了更好的测量表面的三维现状图，就必须加强电子显微镜的测量精确度和加入三维检测技术，这是目前表面粗糙度检测技术亟待解决的问题和发展方向。
如果分辨率不高就无法捕捉到工件上细微的痕迹以及细小的线纹。电动轮廓仪能够很好地满足新型检测法，灵敏度高的同时测头的尺寸正好能检测到细小的纹路。
Ramax/μm | 表面特征 | 加工方法 | 常用类型 |
0.0063 | 雾状表面 | - | 块规的工作表面，高精度测量仪器的测量面，高精度仪器摩擦机构的支承表面。 |
0.012 | 雾状镜面 | - | 仪器的测量表面和配合表面，尺寸超过100mm的块规工作面。 |
0.025 | 镜面光泽面 | - | 高压柱塞泵中柱塞和柱塞套的配合表面，中等精度仪器零件配合表面。 |
0.05 | 亮光泽面 | - | 保证高气密性的接合表面，如活塞、柱塞和汽缸内表面。摩擦离合器的摩擦表面。对同轴度有精确要求的轴和孔。滚动导轨中的钢球或滚子和高速摩擦的工作表面。 |
0.1 | 暗光泽面 | 超级加工 | 工作时承受较大变应力作用的重要零件的表面。保证精确定心的锥体表面。液压传动用的孔表面。汽缸套的内表面，活塞销的外表面，仪器导轨面，阀的工作面。 |
0.2 | 不可辩加工痕迹方向 | 布轮磨、磨、研磨、超级加工 | 工作时承受变应力的重要零件表面，保证零件的疲劳强度、防蚀性及耐久性，并在工作时不破坏配合性质的表面，如轴颈表面、要求气密的表面和支承表面、圆锥定心表面等。 |
0.4 | 微辨加工痕迹方向 | 铰、磨、镗、拉、刮3～10点/cm2、滚压 | 要求长期保持配合性质稳定的配合表面，孔配合表面，精度较高的轮齿表面，受变应力作用的重要零件，与直径小于80mm的E、D级轴承配合的轴颈表面，与橡胶密封件接触的表面。 |
0.8 | 可辨加工痕迹方向 | 车、磨、立铣、刮3～10点/cm2、镗、拉、滚压 | 要求保证定心及配合特性的表面，如锥销与圆柱销的表面，与G级精度滚动轴承相配合的轴颈和外壳孔，中速转动的轴颈，直径超过80mm的E、D级滚动轴承配合的轴颈及外壳孔，内、外花键的定心内径，外花键键侧及定心外径。 |
1.6 | 看不清加工痕迹 | 车、镗、拉、磨、铣、铰、刮1～2点/cm2、磨、滚压 | 安装直径超过80mm的G级轴承的外壳孔，普通精度齿轮的齿面，定位销孔，V带轮的表面，外径定心的内花键外径，轴承盖的定ZX凸肩表面等。 |
3.2 | 微见加工痕迹 | 车、镗、刨、铣、铰、拉、磨、滚压、刮1～2点/cm2、铣齿 | 与其他零件连接不形成配合的表面，如箱体、外壳、端盖等零件的端面。要求有定心及配合特性的固定支承面，如定心的轴肩，键和键槽的工作表面。不重要的紧固螺纹的表面。需要滚花或氧化处理的表面等。 |
6.3 | 可见加工痕迹 | 车、镗、刨、钻、铣、磨、锉、粗铰、铣齿 | 不重要的非配合表面，如支柱、支架、外壳、衬套、轴、盖等的端面。紧固件的自由表面，紧固件通孔的表面，内、外花键的非定心表面，不作为计量基准的齿轮顶圆表面等。 |
12.5 | 可见刀痕 | 粗车、刨、钻、铣 | 一般非结合表面，如轴的端面、倒角、齿轮及带轮的侧面、键槽的非工作表面，减重孔眼表面等。 |
25 | 明显可见刀痕 | 粗车、镗、钻、刨 | 粗制后所得到的粗加工面，焊接前的焊缝、粗钻孔壁等。 |
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1、刀具因素
刀具是机械加工中的关键，其几何形状会在一定程度上影响表面粗糙度。在实际加工过程中，通过适当增大切削刀具前角的方式，能够对工件的表面粗糙度进行显著改善，但是如果缺乏有效控制，导致前角过大，则可能会使得表面粗糙度增大。
在对前角进行固定后，通过增大后角的方式，可以提升刀具刃面的锋利程度，同样可以降低表面粗糙度，而一旦后角过大，则积屑瘤的存在会改变切削刀具几何角度及背吃刀量，引发切削振动，或者残留在工件表面，影响其表面粗糙度。
2、切削用量
切削用量参数的选择在很大程度上影响着表面粗糙度。在切削加工过程中，一般情况下，低速切削加工容易在工件表面产生积屑瘤，进而导致工件表面粗糙度的增加，应该尽量避开相应的切削速度区域。
切削深度基本上不会对工件的表面粗糙度造成影响，但是如果切削深度过小，则可能会对使得刀尖圆弧对工件产生挤压，引发工件的塑性变形，进而增加表面粗糙度的数值。通过减小进给量的方式，能够减小残留面积的高度，不过如果进给量过小，会导致切削厚度的减少，若其数值小于刃口圆弧半径，则在切削加工中可能会出现切削打滑的情况，进而引发附加表面粗糙度。
3、残余应力
切削加工过程中，工件表面的金属层内会产生相应的塑性变形，导致表面比容的增大，与里层金属之间的冲突会在工件中产生残余拉应力。同时，加工过程中会产生大量的热能，导致金属表面温度急剧升高，与内部形成较大的温差，同样会产生残余应力，导致工件表面粗糙度的增大。
4、工件材料
工件自身材料的性质同样会对机械加工中的表面粗糙度产生影响，在设定好的速度范围内，对塑性材料进行切削加工时，前刀面与工件之间的挤压作用和摩擦作用会使得切屑的底层金属流动减缓，形成滞留层，冷却后会形成金属颗粒，黏附在刀尖位置，形成坚硬的楔状物，即通常所说的积屑瘤。而积屑瘤的存在会导致刀具几何角度的变化，增加切削厚度，进而在已经加工完成的工件表面切出相应的沟槽。
不仅如此，积屑瘤产生后，会与切屑产生摩擦，如果摩擦力超过积屑瘤与前刀面的冷焊强度，或者受到剧烈震动和冲击，积屑瘤会脱落，然后继续形成。在这种循环下，切削加工会出现很大的波动，影响工件的表面质量。另外，脱落的积屑瘤还可能附着在工件表面，留下颗粒状金属碎屑，进一步增大表面粗糙度的数值。
5、切削液
在对工件进行切削加工中，切削液能够起到冷却、清洗以及润滑的作用，从而显著降低切削温度，削弱前后刀面与工件之间的摩擦力，减少切削过程中产生的塑形变形，并对切屑进行及时清洗，YZ积屑瘤和鳞刺的产生，切实保证工件的加工质量。
6、振动因素
在机械加工的过程中，受各种因素的影响，工件与刀具之间可能会产生振动，进而对工艺系统正常的切削加工过程造成干扰，在工件的表面产生振纹，进而降低工件的加工精度以及表面质量。
1、对配合性质的影响
加工表面的粗糙度是相互接触的表面仅有很少的实际接触面积，如精车后的表面仅有10%~15%能相互接触，因此影响零件的配合性质。在过盈配合中如表面粗糙度较大，由于装配时峰顶部分被剪切挤平，减小了实际过盈量，会降低配合件的联接强度。
在间隙配合中过大的表面粗糙度值，使表面峰顶部分产生很大的切应力，在开始运转时即被剪断，产生很大的初期磨损量，增大实际配合间隙。
2、对零件耐磨性的影响
零件的耐磨性与零件的表面粗糙度值的大小有密切的关系。零件的精度是否达到等级要求，不但要求零件的尺寸精度、形位公差精度等级等符合要求外，Z关键是零件表面粗糙度值符合精度等级要求，零件表面粗糙度值越小，零件接触面就越大，零件耐磨性越好，零件的使用寿命就越长，经济耐用。
3、对零件疲劳强度的影响
在交变载荷作用下，零件表面粗糙、有划痕及微裂纹等缺陷，容易引起应力集中，产生和加剧疲劳裂纹，导致疲劳破坏。因此，减小表面粗糙度值，对于提高承受交变载荷的零件疲劳强度效果比较显著。
4、对表面耐腐蚀性的影响
表面粗糙值大，有腐蚀作用的物质越容易渗透到表面的微细裂纹中，或附着在零件表面上，零件的抗腐蚀性就越差，也就越容易腐蚀。而经过精磨、研磨及抛光的表面不易腐蚀。
在零件加工过程中，残留面积、积屑瘤、鳞刺和振动，以及残余应力等因素，严重影响了已加工零件表面质量。这些因素中包括切削用量、刀具几何参数、工件材料、和切削液等。
1、选择合适的切削速度
切削速度是影响零件加工表面的质量一个重要因素，在低速时容易产生鳞刺，并形成积屑瘤。在中等速度时积屑瘤达到Z大时，影响了零件表面粗糙度，因此，选用较小进给量，提高刀具刃磨品质和使用性能良好的切削液等条件的配合，才能提高零件表面质量。
2、选择合适的进给量
进给量越小，表面残留面积高度越低，表面粗糙度值越小。在较高的切削速度，利用减小进给量，来提高加工表面质量是一个较为有效的措施。在中等的切削速度，为了YZ积屑瘤，应选用较大进给量，配合选用较大副偏角或磨出修光刃，达到减小零件表面粗糙度的目的。
3、选择合适刀具几何角度
增大前角和后角，能减小切削时塑性变形，减小后刀面与加工表面摩擦，对积屑瘤、鳞刺影响较小，在加工过程中，选取较大前角刀具，刃口锋利，有助于零件表面质量提高。
4、采用润滑性较好的切削液
切削液主要用来减小切削过程中的摩擦和降低切削温度，合理使用切削液，对提高刀具耐用度和加工零件表面质量，加工精度起重要作用。切削液渗透到刀具、切屑、零件表面之间形成润滑膜，在加工零件过程中，能够提高零件表面加工质量。例如在加工不锈钢、螺纹加工、铣削中，宜选用硫化油的切削液，能提高刀具耐用度和降低零件表面粗糙度值，能有效YZ鳞刺现象的产生。
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