淺析表面粗糙度的優(yōu)化及解決措施

張璇

摘要：表面粗糙度對零件使用情況有很大影響。一般說來，表面粗糙度數(shù)值小，會提高配合質(zhì)量，減少磨損，延長零件使用壽命，但零件的加工費用會增加。因此，要正確、合理地選用表面粗糙度數(shù)值。在設計零件時，表面粗糙度數(shù)值的選擇，是根據(jù)零件在機器中的作用決定的。本文對表面粗糙度的影響因素進行了分析，降低表面粗糙度是獲得好的工件表面的前提條件，并簡介了幾種降低表面粗糙度的優(yōu)化方案。

關鍵詞：表面粗糙度；切削參數(shù)；優(yōu)化方案

一、背景

隨著近幾年工業(yè)的不斷發(fā)展，機械制造行業(yè)面臨著諸多的市場競爭。主要體現(xiàn)在航空航天、汽車制造業(yè)、高端裝備制造業(yè)等。許多年以來，機加工行業(yè)一直被認為是高質(zhì)量、高精度的生產(chǎn)方式，因此被各行各業(yè)廣泛應用于精加工，并且目前已經(jīng)成為權衡一個國家強與弱以及機械工業(yè)化水平的重要象征，在工業(yè)生產(chǎn)中有著非常重要的地位。

對于數(shù)控銑削加工的研究，很多研究工作都是圍繞如何提高工件表面質(zhì)量、如何提高加工效率、如何降低加工成本這三個方面開展的。其中最受大眾關注的就是如何滿足客戶對于產(chǎn)品表面質(zhì)量的要求。降低產(chǎn)品的加工成本，并且保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量能夠為客戶帶來巨大的收益。然而，隨著科技的不斷進步，工業(yè)水平的不斷提高，在汽車模具、航空航天、精密儀器等領域中，出現(xiàn)了各種形狀不規(guī)則曲面并且產(chǎn)品外形也越來越復雜，因此也就對機械制造業(yè)的生產(chǎn)條件及加工要求越來越嚴格。對于客戶的高質(zhì)量的要求中，較多主要集中在產(chǎn)品的質(zhì)量以及表面條件，尤其是產(chǎn)品的性能、外觀、可靠性，這些都會受到產(chǎn)品表面粗糙度的影響。

本文通過對表面粗糙度的優(yōu)化分析后，闡述了提高表面粗糙度的措施。

二、表面粗糙度的優(yōu)化分析方法

權衡銑削加工的一個重要指標就是表面粗糙度，它除了會影響產(chǎn)品的外觀之外還對零件與其他對象接觸時的密封性、磨損量有重要影響。所以，設計出合理計算表面粗糙度值的方法先得尤為重要，下面列舉幾種較為常見的粗糙度評定參數(shù)，如圖2-1所示。

1.各種粗糙度的簡介

（1）表面算術平均高度 Sa

以 Ra（線的算術平均高度）為基準面進行擴展，評定區(qū)域內(nèi)工件表面偏離基準面的算術平均值，該參數(shù)一般用于評估表面粗糙度時。

（2）輪廓算術平均偏差

輪廓算術平均偏差是指在選取的某個取樣長度之間的區(qū)間內(nèi)，選取測量的某對應的輪廓線上每個點與對應基準線的間隔長度的算術平均值，即是以下公式為：

（3）微觀波動曲線十個點的最大高度

在取樣長度中取輪廓峰高的五個最大值，然后再求其五個的平均值；另外再取對應取樣長度的五個最大的輪廓谷深的數(shù)值，同樣再求其五個數(shù)值的平均值。最終這兩個平均值相加求和，即下面的公式：

2、加工參數(shù)的優(yōu)化分析方法

目前對于加工參數(shù)化方法的研究發(fā)展現(xiàn)狀，國內(nèi)和國外對于數(shù)控加工切削參數(shù)的優(yōu)化分析方法都有了很大的發(fā)展與進步。一下對于基于神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)化方法、田口實驗法和遺傳算法進行了分析與概括。

（1）基于 BP（back-propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡的方法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡（Artificial Neural Network）是生理學上現(xiàn)實人腦神經(jīng)網(wǎng)絡的機制和功能，是通過一些理論抽象、簡化和仿真對信息處理系統(tǒng)的一些基本特征進行了表達。從系統(tǒng)的方面來看，ANN 是一個由極其較大數(shù)量的神經(jīng)元通過非常豐富且完美的連接的過程，組成了自適應非線性動態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有真實人腦中各種基本的特征：具有存儲序列分布性和較大的容錯能力；較大程度上可以并行處理的效能；自學性、自組織性以及自適應性；可以解決一些關于復雜的環(huán)境信息、未明的知識背景信息和推理規(guī)則不太清楚的難題。

（2）田口實驗法

田口實驗法是一種高效率、低成本的質(zhì)量工程方法，該方法著重強調(diào)提高產(chǎn)品質(zhì)量并不僅僅是通過簡單的檢查與測驗來判斷產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)異，而更為重要的是通過實驗設計。田口法實驗是由日本知名的工程管理專家、統(tǒng)計學家，田口玄一博士所創(chuàng)立的。日本視他研究的中心理論為國家的瑰寶。雖然在歐美等其他的發(fā)達國家擁有非常先進技術的器材設備和較好的原產(chǎn)品材料，但是在使用和加工過程中仍然受到了非常嚴格的質(zhì)量控制。

（3）遺傳算法

美國 Michigan 大學的教授 Holland和他的學生們在對生物模擬技術有了一定得靈感與啟示，提出了一種基于生物一定進化進制的、具有遺傳特性并且也可以優(yōu)化相對比較復雜系統(tǒng)的自動適應概率的優(yōu)化方法，此稱之為遺傳算法。此種方法對未來的發(fā)展是較為快速的，因為這種算法能夠成為一種兼有較為高效率和實用性的優(yōu)化技術，目前得到了國內(nèi)外許多研究人員的關注。

三、降低表面粗糙度的措施

1.選擇合理的切削用量

切削速度對于工件表面的粗糙度有著重要的影響，通常高速切削或者降低速切削時，不會有機機屑瘤的產(chǎn)生，因此獲得的表面粗糙度的值相對較小。容易出現(xiàn)鱗刺和積屑瘤的情況是在切削速度為20-50m/min，加工塑性材料時，加之切削分離時的撕裂及擠壓變形的作用，更加使得表面粗糙度惡化。其次，適當?shù)慕档瓦M給量F也將減小表面粗糙的數(shù)值。除此之外，背吃刀量也對表面粗糙度有一定程度的影響。一般刀刃不可能絕對的尖銳，而是具有一定的刃口半徑，因此就會出現(xiàn)擠壓、打滑及周期性的切入工件表面，從而增大了表面粗糙值。因此，應根據(jù)刃口的鋒利情況選擇對應的背吃刀量，從而降低表面粗糙度的值。

2.選擇合理的刀具幾何參數(shù)

首先，傾角的增大有利于降低表面粗糙度的數(shù)值。實際工作前角會隨著傾角的增大而增大，因此金屬在切削過程中的塑性變形程度會隨之下降，從而切削力F也隨之下降，減小了工藝系統(tǒng)的震動，工件表面的粗糙度減小。其次，為了減小塑性變形，增大刀具的前角使用，使刀具易于切入工件，從而有利于減少表面粗糙度的數(shù)值。最后，當前角一定時適當加大后角，切削刃鈍圓半徑越小，刀刃越鋒利，從而減少了與加工表面間的摩擦與擠壓，有利于減小表面粗糙度的數(shù)值。

3.選擇合適的切削液和刀具材料

切削液的潤滑和冷卻作用均對減小工件表面粗糙度的數(shù)值。此外，在加工時刀具的刀面粗糙度及硬度的保持對表面粗糙度也有重要影響。

四、總結(jié)

本文首先對于粗糙度的概念做了簡介，而后對各種不同粗糙度提出了三種加工參數(shù)的優(yōu)化方法，即基于神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)化方法、田口實驗法、遺傳算法。最后提出了降低表面粗糙度的三種措施。

參考文獻

[1] 周濟，周艷紅.數(shù)控加工技術[M].國防工業(yè)出版社，2002.

[2] 胡澤華. 高性能五軸聯(lián)動數(shù)控關鍵技術研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2012.

（作者單位：天津市中天海河職業(yè)培訓學院）