金属加工|表面粗糙度知识解读

金属加工|表面粗糙度知识解读

2022-01-04 17:08:45 0

来源:中国先进制造技术论坛


表面粗糙度对大部分参与滑动接触的表面而言是非常重要的。因为磨损的原始速率及持续的性质等因素高度依赖这一特性。这些表面一般是承重面,而且需标识粗糙度已确保预计用途的适用性。


许多零部件需要具有特定的表面加工结果,以便达成所要求的功能。例如烤漆前的汽车车体或曲轴或凸轮轴上的颈轴承。我们先了解一下什么是表面粗糙度。

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粗糙度的概念


零件经过加工后,由于刀具、积屑瘤和鳞刺等给工件表面造成或大或小的波峰与波谷。这些峰谷的高低程度很小,通常只有放大才能看见。这种微观几何形状特征,称为表面粗糙度。

表面粗糙度(Surface Roughness)就是我们日常测量中所说的面粗糙度,可以理解为在加工产品过程中细小间距和微小峰谷的不平整度。


通常被定义为两个波峰值或者两个波谷指之间的微小距离(波距),在一般情况下波距都在1mm以内或者更小,也可定义为微观轮廓的测量,俗称微观误差值


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粗糙度的评定参数


以Ra\Rz\Ry三种代号加数字来表示,机械图纸中都会有相应的表面质量要求,一般是工件表面粗糙度Ra<0.8um的表面时称作:镜面。

其加工后的表面质量直接影响被加工件的物理、化学及力学性能。产品的工作性能、可靠性、寿命在很大程度上取决于主要零件的表面质量。一般而言,重要或关键零件的表面质量要求都比普通零件要高。这是因为表面质量好的零件会在很大程度上提高其耐磨性、耐蚀性和抗疲劳破损能力。


镜面——是金属切削加工的理想境界,是提高机械部件使用寿命的最有效手段。

镜面——是机械切削加工后,得到非常好粗糙度的传统代名词,能清晰倒影出物品影像的金属表面。

无论用何种金属加工方法加工,在零件表面总会留下微细的凸凹不平的刀痕,出现交错起伏的峰谷现象,粗加工后的表面用肉眼就能看到,精加工后的表面用放大镜或显微镜仍能观察到。这就是零件加工后的表面粗糙度,过去称为表面光洁度。国家规定表面粗糙度的参数由高度参数、间距参数和综合参数组成。

获得镜面的机械加工方法有:去除材料方式、无切削方式(滚压加工)。

去除材料加工方式有:磨削、研磨、抛光、电火花。

无切削加工方式有:滚压(采用镜面工具)、挤压。

零件图除了图形、尺寸这外,还必须有制造零件应达到的一些质量要求,一般称为技术要求。技术要求的内容通常有:表面粗糙度、尺寸公差、形状和位置公差、材料及其热处理 、表面处理等。

加工方法对照

表面特征

表面粗糙度(Ra)数值

加工方法举例

明显可见刀痕Ra100,Ra50,Ra25粗车,粗刨,粗铣,钻孔
微见刀痕Ra12,5,Ra6,3,Ra3,2精车,精刨,精铣,粗铰,粗磨
看不见加工痕迹,微辩加工方向Ra1,6,Ra0,8,Ra0,4精车,精磨,精铰,研磨
暗光泽面Ra0,2,Ra0,1,Ra0,05研磨,珩磨,超精磨,抛光


轮廓算术平均偏差Ra:在取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值


微观不平度十点高度Rz:在取样长度l内5个最大的轮廓峰高的平均值与 5个最大的轮廓谷深的平均值之和


轮廓最大高度Ry:在取样长度L内轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间的距离


我们一般评价粗糙度会有基准线
基准线以上最高点我们叫波峰点
基准线以下最低点叫波谷点
那么波峰和波谷之间的高度我们用Z来表示,
加工产品的微观纹理的间距我们用S来表示。

通常情况下S值的大小在国家检定标准里给了相关的定义:

S<1mm 定义为表面粗糙度
1≤S≤10mm 定义为表面波纹度

中国国家计量检定标准中规定:通常情况下用VDI3400、Ra,、Rmax这三个参数来评价检定表面粗糙度,计量单位通常用μm表示。

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粗糙度的测量和标注

用电子仪器或光学仪器测量出Ra、Rz和Ry的数值即可定量评定表面粗糙度。在实际生产中,经常凭人的视觉和触感并用样块与被加工表面相比较来鉴定其粗糙度。

  

标注方法:在零件图上用符号标注加工表面的特征。为基本符号,单独使用这一符号是没有意义的,加注参数值时表示表面可用任何方法获得。

图5 表面粗糙度符号

图6 表面粗糙度符号画法

(2)糙度数值及其有关规定在符号中的注写位置,如图5所示,标注方法如下: 1)采用表面粗糙度参数值Ra时,省略符号Ra,只将其数值注写在表面粗糙度符号上方,单位为微米(FM),如图7。

图7 表面粗糙度值注法

2)彩表面粗糙度的其他参数,如轮廓最大高度Rz时,需在其参数值前注出相应的符号,单位为微米(FM),见图8。

图8 其它表面粗糙度值注法

3)若需要表示取样长度、指定的加工方法,镀覆其他表面处理的要求,或控制加工纹理方向时,其注法如图9。

图9 取样长度、指定的加工方法、镀覆或其他表面处理的要求和控制表面加工纹理方向的注法

(二) 表面粗糙度代号在图样上的注法,见图10。

图10 表面粗糙度在图样中的注法


Ra定义为曲线平均算术偏差(平均粗糙度),

Rz的定义为不平度平均高度,
Ry定义为最大高度。
微观轮廓的最大高度差Ry在其他也使用Rmax来表示。
Ra、Rmax的具体关系还请参考下面的表格:


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各种机械加工工艺获得粗糙度等级


关于表面粗糙度的数值和表面特征、获得方法、应用举例请参见下表

表面粗糙度的测量常用方法简介

1、比较法

将表面粗糙度比较样块(简称样块)根据视觉和触觉与被测表面比较,判断被测表面粗糙度相当于那一数值,或测量其反射光强变化来评定表面粗糙度(见激光测长技术)。

样块是一套具有平面或圆柱表面的金属块,表面经磨、车、镗、铣、刨等切削加工,电铸或其他铸造工艺等加工而具有不同的表面粗糙度。

有时可直接从工件中选出样品经过测量并评定合格后作为样块。利用样块根据视觉和触觉评定表面粗糙度的方法虽然简便,但会受到主观因素影响,常不能得出正确的表面粗糙度数值。

2、触针法

利用针尖曲率半径为 2微米左右的金刚石触针沿被测表面缓慢滑行,金刚石触针的上下位移量由电学式长度传感器转换为电信号,经放大、滤波、计算后由显示仪表指示出表面粗糙度数值,也可用记录器记录被测截面轮廓曲线。

一般将仅能显示表面粗糙度数值的测量工具称为表面粗糙度测量仪,同时能记录表面轮廓曲线的称为表面粗糙度轮廓仪(简称轮廓仪)这两种测量工具都有电子计算电路或电子计算机,它能自动计算出轮廓算术平均偏差Rα,微观不平度十点高度RZ,轮廓最大高度Ry和其他多种评定参数,测量效率高,适用于测量Rα为0.025~6.3微米的表面粗糙度。

3、光切法

光线通过狭缝后形成的光带投射到被测表面上,以它与被测表面的交线所形成的轮廓曲线来测量表面粗糙度。

由光源射出的光经聚光镜、狭缝、物镜1后,以45°的倾斜角将狭缝投影到被测表面,形成被测表面的截面轮廓图形,然后通过物镜 2将此图形放大后投射到分划板上。

利用测微目镜和读数鼓轮,先读出h值,计算后得到H 值。应用此法的表面粗糙度测量工具称为光切显微镜。它适用于测量RZ和Ry为0.8~100微米的表面粗糙度,需要人工取点,测量效率低。

4、干涉法

利用光波干涉原理 (见平晶、激光测长技术)将被测表面的形状误差以干涉条纹图形显示出来,并利用放大倍数高 (可达500倍)的显微镜将这些干涉条纹的微观部分放大后进行测量,以得出被测表面粗糙度。

应用此法的表面粗糙度测量工具称为干涉显微镜。这种方法适用于测量Rz和Ry为 0.025~0.8微米的表面粗糙度。

触针法示意
表面粗糙度测量机是以安装高敏感性金刚石测针划过表面,就像是留声机的拾音器一样。再将大柜规模波纹以及轮廓的小波长粗糙度从较长波长中分离出来,即测量仪做电子过滤。


测针式表面粗糙度测量仪的构成示意图:


测针形状种类:


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表面粗糙度对机械零件使用性能的影响


表面粗糙度对零件质量有很大的影响,主要集中在对零件的耐磨性、配合性质、抗疲劳强度、工件精度及抗腐蚀性上。


5.1、对摩擦和磨损的影响。


表面粗糙度对零件磨损的影响,主要体现在峰顶与峰顶上,两个零件相互接触,实际上是部分峰顶的接触,接触处压强很高,能使材料产生塑形流动。表面越粗糙,磨损越严重。


5 .2 对配合性质的影响。


两构件配合,无非两种形式,过盈配合和间隙配合。对于过盈配合,由于在装配时,表面的峰顶被挤平,致使过盈量减小,降低了构件的连接强度;对于间隙配合,随着峰顶不断被磨平,其间隙程度会变大。因此,表面粗糙度影响配合性质的稳定性。


5 .3 对抗疲劳强度的影响。


零件表面越粗糙,凹痕越深,波谷的曲率半径也越小,对应力集中越敏感。因此,零件表面粗糙度越大,其应力集中越敏感,其承受抗疲劳强就越低。


5.4 对抗腐蚀性的影响。


零件的表面粗糙越大,即其波谷就越深。这样,灰尘、变质的润滑油、酸性的和碱性的腐蚀性物质就容易积存在这些凹谷处,并渗透到材料的里层,加剧零件的腐蚀。因此,降低表面粗糙度,可以增强零件的抗腐蚀性。


还有对密封性、接触刚度、测量精度……镀涂层、导热性和接触电阻、反射能力和辐射性能、液体和气体流动的阻力、导体表面电流的流通等都会有不同程度的影响。


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提升表面光洁度的方法


主要分为两大种:增加相应的工艺和在原有的工艺上改进


增加相应的工艺:增加抛光、磨削、刮研、滚压等工序,不仅能提高光洁度还能提升精度;另外国内外都有的超声滚压技术结合金属塑性流动性,区别于传统滚压的冷作硬化,能提升粗糙度2-3个等级,还有改善材料综合性能特点。


超声滚压——网络配图

原有工艺上的改进:


6.1 合理选择切削速度。


切削速度V 是影响表面粗糙度的一个重要因素。加工塑性材料,如中、低碳钢时,较低的切削速度易产生鳞刺,中速易形成积屑瘤,这会增大粗糙度。避开这个速度区域,表面粗糙度值会减小。所以不断地创造条件以提高切削速度,一直是提高工艺水平的重要方向。


6.2 合理选择进给量。


进给量的大小直接影响工件的表面粗糙度,一般情况下,进给量越小,表面粗糙度就越小,工件表面越光洁。


6.3  合理选择刀具几何参数。

前角和后角。


增大前角,能使材料被切削时挤压变形和摩擦减小,也使总切削抗力减小,利于排屑。


当前角一定时,后角越大,切削刃钝圆半径越小,刀刃越锋利;此外,还能减小后刀面与已加工表面和过渡表面的摩擦和挤压,有利于减小表面粗糙度值。


增大刀尖圆弧半径r,可使其表面粗糙度值减小;减少刀具的副偏角Kr,也可使其表面粗糙度值减小。


6.4  选择合适的刀具材料。


应选择导热性能好的刀具,以便及时传递切削热,降低切削区塑形变形。


此外,刀具应具有良好的化学性能,防止刀具与被加工材料产生亲和作用,亲和力过大时,极易产生积屑瘤和鳞刺,造成表面粗糙度过大。


如在其表层涂硬质合金或陶瓷材料,切削时时,刀面上形成氧化保护膜,它能降低与加工表面间的摩擦系数,故有利于提高表面光洁度。


6.5  改善工件材料的性能。


材料的韧性决定着其塑性,韧性好其塑性变形的可能性就大,机械加工时,零件表面粗糙度就越大。


6.6  选择合适的切削液。


正确选用切削液能显著地减小表面粗糙度。

切削液具有冷却、润滑、排屑与清洗作用。

可以减小工件、刀具和切屑之间的摩擦,带走大量的切削热,降低切削区温度,及时排掉细小切屑。


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