影響表面加工質量的因素

1 刀具幾何形狀對表面粗糙度的影響

在切削過程中，數控刀具幾何參數的不同組合形成不同的切削形態。直接影響切削過程的穩定性和表面質量。理想狀態下，采用圓弧刃金剛石刀具進行超精密車削加工軟金屬時，在工件加工表面形成輪廓峰和輪廓谷，它們之間的距離，被稱為理論粗糙度，其大小等于f2/8R(f為進給量，R為刀具圓弧半徑)。

在超精密切削塑性金屬時，主切削刃和前刀面的主要任務是去除金屬，切削層在前刀面的擠壓作用下發生剪切滑移和塑性變形，然后形成切屑沿前刀面流出。前刀面的形狀直 接影響塑性變形的程度、切屑的卷曲形式和切屑刀具之間的摩擦特性，并直接對切削力、切削溫度、切屑的折斷方式和加工表面質量造成顯著影響。主切削刃是前刀 面和后刀面的交線。實際上前刀面和后刀面的交線不可能為理想直線，而是一微觀交接的曲線。該曲線的形狀可以近似用與其在不同位置的法平面相交成交線的平均 曲率半徑來反映，稱其為刃口半徑ρ。切削時刃前區的應力狀態十分復雜，應力集中造成金屬中位錯集中，導致金屬產生塑性變形和滑移分離，一部分金屬成為切屑 沿前刀面流出，另一部分金屬經后刀面熨壓留在已加工表面。因為兩部分金屬運動方向不同，必然使刀具刃口前金屬呈拉伸狀態，拉應力使刃前區金屬的抗剪能力下 降，在刀刃的直接作用下，金屬產生滑移分離。刃口半徑越小，應力越集中，變形越容易，切削力越小，加工表面質量越好。也就是說刃口半徑對切削過程有較大影 響，同時對切削力、切削溫度和切屑變形系數都有不同程度的影響。因此，提高刀具的鋒銳程度，可減小刀具對金屬的擠壓力，使金屬的變形程度降低，減緩金屬的 冷作硬化，有助于提高切削過程的穩定性，改善加工表面質量和延長刀具的使用壽命。

2 最小切削厚度對表面粗糙度的影響

除了機床本身的性能以外，使用刀具切削刃有效地切除工件材料時，最小切削厚度(MTC)的可控性和重復性是影響加工精度的主要因素。MTC 不僅可以反映切削刃的納米級微觀結構，還可以反映出刀具和工件材料之間的相互作用狀態。最小切削厚度被定義為能夠從工件材料上有效地去除金屬的最小厚度。 切削厚度越小，工件材料抵抗塑性變形的能力越強，刀具和材料原子之間的相互作用力越弱。當金剛石刀具刃口半徑為幾個納米的特定切削環境下，最終可達到的加 工精度與最小切削厚度為同一個數量級。日本學者在高穩定的機床上使用特制的金剛石刀具切削單晶銅，獲得了非常微細的切屑，并使最小切削厚度可以達 到$%&。最小切削厚度這個變量隨著刀具的幾何形狀和切削條件的不同而變化。美國和日本有關專家通過實驗研究發現：金剛石刀具的刃口半徑r對最小 切削厚度有顯著的影響，當車削鋁合金的時候，最小切削厚度大約為所采用刀具刃口半徑的0.3～0.6 倍，這個比值隨著被加工材料和切削條件(如進給量和刀具的圓弧半徑)的不同而略有差異。

3 金屬變形對表面粗糙度的影響 

金屬切削加工過程非常復雜，加工后形成的表面粗糙度與工件的材料、刀具的幾何形狀、潤滑方法以及選用的切削深度密切相關。剪切、滑移和斷裂被認為是影響切屑形成的幾個主要因素。超精密切削時只要有切屑產生，就可以把該過程模型化為材料沿著與水平面傾斜一定角度的平面被刀具剪切的過程，在已加工表面上形成 的峰、谷高度隨刀具刃口鋒銳輪廓的變化而變化。

另外，工件材料對金剛石車削加工表面粗糙度有顯著的影響，在一般車削加工中經常 忽略材料晶體微觀結構的影響，而金剛石車削中材料對表面粗糙度的影響卻不容忽視。例如：某種材料的彈性模量主要依賴于單晶體的晶向，雖然銅、鋁同樣是軟金 屬，但它們的硬度卻有較大差異。在同樣條件下切削上述兩種金屬時，切削狀態不同，產生切削力的大小也會有所不同。另外，被加工材料的純度、材質是否均勻以 及晶體的晶向各異性都會對加工表面質量產生重要影響。

4 切削用量對表面粗糙度的影響

在 113m/min≤V≤314m/min，1.8μm/r≤f≤5.0μm/r，1.50μm≤ap≤6.00μm的條件下，建立金剛石車刀車削鋁合金表 面粗糙度的預測模型，(V：切削速度，f：進給量，ap：背吃刀量)，從中可以看出各種切削參數對表面粗糙度值的影響。

在上述 的條件下，從預測模型可反映出：隨著切削速度的增加，表面粗糙度值略微減小，這種變化主要受機床動態特性的影響。當 f=5.0μm/r，ap=6.00μm時，表面粗糙度的變化范圍僅為2nm左右，因此說切削速度對表面粗糙度基本無影響。金剛石車削銅合金時也能夠得到 同樣的結論。當切削速度為314m/min、進給量為5μm/r時，背吃刀量小于6μm時，對加工表面粗糙度基本無影響。 當切削速度為314m/min、背吃刀量為6μm時，可知小進給量可得到小的表面粗糙度值。但是由于最小切削厚度的存在，實測的表面粗糙度值往往要比理論 粗糙度值大幾倍。

5 振動對表面粗糙度的影響

盡管超精密車床具有很高的剛度，但振動仍然是影響表面 粗糙度的主要因素之一。超精密機床通常都有很高的固有頻率，在超精密加工過程中，實際的工藝系統是一個非常復雜的振動系統，系統中的振動使工件與刀具之間 的相對位置發生了微幅變動，最終使工件表面粗糙度增大、表面質量降低。有關學者通過研究發現：機床主軸的振動、導軌的振動以及刀具的振動都具有高頻率、小 振幅的特征，積屑瘤、外界干擾、機床剛性不足以及高速旋轉部件不平衡也會引起切削振動，最終導致加工表面微觀特征的改變。