浅谈影响机械加工表面质量的工艺因素及其控制措施

　　
　　
　　〔摘要〕机械产品的使用性能的提高和使用寿命的增加与组成产品的零件加工质量密切相关，零件的加工质量是保证产品质量基础。衡量零件加工质量好坏的主要指标有：加工精度和表面粗糙度。本文主要通过对零件表面粗糙度、零件表面层的物理力学性能（加工硬化、残余应力、金相组织的变化与磨削烧伤）等因素的分析和研究，来提高机械加工表面质量的工艺措施。
　　〔关键词〕表面质量；工艺因素；机械加工；控制措施
　　随着现代机器制造工业的飞速发展，一些重要的零件必须在高速、高温、高压和重载的条件下工作，对其表面质量提出更高的要求。但是，任何机械加工方法所获得的已加工表面都不可能达到理想状态，总会存在一定程度的微观几何形状误差、划痕、裂纹、表面金相组织变化和表面残余应力等缺陷，这些缺陷会影响零件的使用性能、寿命、可靠性。因此，机械加工既要保证零件的尺寸、形状和位置精度，又要保证机械加工表面质量。
　　1 机械加工表面质量对零件使用性能的影响
　　在机械加工中，零件的加工表面产生微观不平、残余应力等各种缺陷，虽然仅存于零件极薄的表面层中，却严重影响着机械零件的精度、耐磨性、配合性、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而进一步影响机械的使用性能和使用寿命。
　　1.1表面质量对耐磨性的影响
　　零件的耐磨性不仅与材料、润滑条件有关，而且还与零件的表面质量有关。当两个表面接触时，开始时接触表面实际上是一些凸峰顶部接触，实际接触面积是理论接触面积的一小部分。在外力的作用下，凸峰接触部分将产生很大的压强，当零件作相对运动时，接触处的部分凸峰就会产生塑性变形被磨掉。实验证明，表面越粗糙，凸峰处压力越大，磨损加快；表面粗糙度值小，零件接触面积大，耐磨性就好。若表面粗糙度值过小，将使紧密接触的两个光滑表面间的贮油能力变差，润滑条件恶化，变成干摩擦，加剧磨损。所以，并不是表面粗糙度值越小越耐磨，表面粗糙度与初期磨损量之间存在一个最佳值。
　　1.2表面质量对零件抗腐蚀性能的影响
　　当零件在有腐蚀性介质的环境下工作时，腐蚀性介质容易吸附和积聚在粗糙表面的谷处，并通过微细裂纹向内渗透。实践证明，表面粗糙度越高，零件的腐蚀作用越强烈。此外，表面残余应力对零件的耐腐蚀性也有较大的影响。残余压应力使零件表面紧密，阻碍腐蚀性物质进入，可增强零件耐腐蚀性；而残余拉应力则可降低耐腐蚀性。因此，减小零件表面粗糙度、使表面具有适当的残余应力和加工硬化，均可提高抗腐蚀性能。
　　1.3表面质量对零件疲劳强度的影响
　　在交变载荷作用下，零件表面微观不平、划痕等都会引起应力集中而产生疲劳裂纹造成零件的疲劳破坏。实验表明，对于承受交变载荷的零件，减小其容易产生应力集中部位（如圆角、沟槽处）的表面粗糙度，可以明显提高零件的疲劳强度。另外，当表面层残余应力为拉应力时，在拉力作用下，会使表面的裂纹扩大而降低疲劳强度；而残余压应力则可以延缓疲劳裂纹扩展，提高零件疲劳强度。表面层的加工硬化能阻碍疲劳裂纹的出现，但硬化程度过大反而会降低疲劳强度。
　　1.4表面质量对配合性质的影响
　　对于间隙配合，如果表面太粗糙，会使配合表面很快磨损而增大配合间隙，降低配合精度，特别对于液压系统、气压系统的元件，会使泄露量增大，造成机器不能正常工作；对于过盈配合而言，如果表面粗糙度值过大，装配时配合表面的波峰会被挤平，减小了实际过盈量，降低了配合件的连接强度，从而影响了配合的可靠性。因此，有配合要求的表面一般都要求有适当小的表面粗糙度，配合要求越高，要求配合的表面粗糙度值越小。
　　2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及控制措施
　　2.1切削加工
　　影响表面粗糙度的主要工艺因素
　　（1） 刀具的几何参数、材料和刃磨质量
　　刀具的几何参数中对表面粗糙度影响最大主要是副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径。在一定的条件下，减小副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径都可以降低表面粗糙度。在同样条件下，硬质合金刀具加工的表面粗糙度值低于高速钢刀具，而金刚石、立方氮化硼刀具又优于硬质合金，但由于金刚石与铁族材料亲和力大，故不宜用来加工铁族材料。另外，刀具的前、后刀面、切削刃本身的粗糙度直接影响加工表面的粗糙度，因此，提高刀具的刃磨质量，使刀具前后刀面、切削刃的粗糙度值应低于工件的粗糙度值。
　　(2)切削条件
　　与切削条件有关的工艺因素，包括切削用量、冷却润滑情况。中、低速加工塑性材料时，容易产生积屑瘤和鳞刺，所以，提高切削速度，减少积屑瘤和鳞刺，减小零件已加工表面粗糙度值；对于脆性材料，一般不会形成积屑瘤和鳞刺，所以，切削速度对表面粗糙度基本上无影响。进给速度增大，塑性变形也增大，表面粗糙度值增大，所以，减小进给速度可以减小表面粗糙度值，但是，进给量减小到一定值时，粗糙度值不会明显下降。正常切削条件下，切削深度对表面粗糙度影响不大，因此，机械加工时不能选用过小的切削深度。
　　合理选用切削液，对工件起到冷却、润滑作用，减少被加工材料的变形和摩擦，降低切削区温度，抑制积屑瘤和鳞刺的生成，是减少表面粗糙度值有效途径。
　　(3) 工艺系统的精度和刚度
　　要想获得很小表面粗糙度，要求工艺系统具有足够的运动精度和刚度。
　　2.2磨削加工
　　影响磨削加工表面粗糙度的工艺因素
　　(1) 砂轮
　　1） 粒度磨粒越细，单位面积上的磨粒数越多，刻划沟痕越细密，表面粗糙度越小。但磨粒过细，砂轮易堵塞，磨削性能下降，磨削力和磨削温度下降，反而增大表面粗糙度，甚至出现烧伤现象。
　　2） 硬度砂轮的硬度要适中，太软，磨粒易脱落，使粗糙度增加；太硬，磨钝了的磨粒又不易脱落，堵塞砂轮，增加工件材料的塑性变形，也会使工件表面变粗糙。
　　3） 砂轮修整砂轮磨钝后必须进行认真修整，目的是使砂轮具有正确的几何形状和锐利刀刃。砂轮修整的质量越好，砂轮的表面磨粒的等高性越好，磨削出表面粗糙度值越小。
　　（2）磨削用量
　　1）砂轮转速提高砂轮转速，可以减小表面粗糙度。
　　2）工件转速增大工件转速，塑性变形增加，表面粗糙度值也增加。
　　3）工件材料若工件的材料硬度太高，磨粒易磨钝，不易提高表面质量；若工件材料的塑性、韧性较大，变形大，易堵塞砂轮，也得不到较小表面粗糙度值。
　　2.3减小机械加工表面粗糙度的加工方法
　　（1）超精密切削
　　超精密切削是指加工精度高于亚微米（0.1um）级，表面粗糙度值Ra在0.025um以下的切削加工方法。单晶金刚石车刀是目前应用最广泛的超精密切削刀具材料，常用来加工铜、铝或其它有色金属材料，获得超精密表面。
　　（2）超精加工
　　超精加工是一种由切削过程过渡到摩擦抛光过程的加工方法，能获得较高加工表面粗糙度（Ra=0.01~0.1um）。目前，超精加工广泛用于曲轴、凸轮轴、刀具、轴承、精密量仪及电子仪器等精密零件。
　　（3）珩磨
　　珩磨是利用珩磨工具（细粒度油石或油条）对工件表面施加一定的压力，同时作相对旋转和往复直线运动，切削工件上极小余量精加工方法。目前广泛应用于中小批生产中孔的精加工，加工孔的范围很大，直径从几毫米到1米，长度从10毫米到20米，珩磨后的工件表面粗糙度值控制在0.025~0.2mm之间，圆度和圆柱度在0.003~0.005mm之间。
　　(4)研磨
　　研磨是用研磨工具（研棒或研套）和研磨剂从工件表面上研去一层极薄金属的精加工方法，能获得很高表面质量和加工精度。研磨后的工件尺寸和形状误差可达0.1~0.3mm,表面粗糙度Ra可以达到0.01~0.04mm。
　　(5)抛光
　　抛光加工是用涂敷有抛光膏的布轮、皮轮等软性工具，利用机械、化学或电化学作用去除工件表面微观不平处的峰顶，以获得光亮、平整表面的加工方法。抛光加工多用于要求很低表面粗糙度、尺寸精度要求不太严格的场合。
　　3 影响零件表面层物理力学性能的工艺因素及控制措施
　　机械加工过程中，在切削力和切削热的作用下，工件表面一定深度内的表面层材料沿径向产生剪切滑移，晶格扭曲，晶粒拉长并纤维化，金相组织发生变化，导致材料物理、机械性能不同于基体材料，形成变质层（加工硬化、残余应力、金相组织变化等），从而影响零件表面质量。
　　3.1表面层的加工硬化
　　表面层的加工硬化程度取决于产生塑性变形时力、变形速度和变形温度。试验证明，力越大，塑性变形就越大，产生的加工硬化也越大；变形速度越大，塑性变形就越不充分，产生硬化程度相应减小；变形温度高，则硬化程度减小。因此，提高切削速度、减小进给量和背吃刀量，都可以减小切削变形和切削力，减轻加工硬化；增大刀具前角和后角、减小刃口钝圆半径，提高刀具的锋利性，可以减小挤压变形和切削力，从而减轻加工硬化；另外，合理
　　用切削液、减小刀具后刀面与加工表面间摩擦,同样降低加工硬化程度。各种机械加工方法加工钢件时表层加工硬化情况如表1。
　　           表1各种机械加工方法加工钢件时表层加工硬化情况
　          　　
　　3.2表面残余应力
　　机械加工后，工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化三者综合作用结果。切削加工时主要由冷态塑性变形引起的残余应力，磨削加工时主要是热态塑性变形和金相组织变化引起体积变化而产生的残余应力。总之，凡能减小塑性变形和降低切削或磨削温度的因素，都可以减少零件表层残余应力。
　　3.3表面层的金相组织变化——磨削烧伤
　　机械加工中，因变形和摩擦所消耗的能量大部分转变为切削热，当切削区温度达到临界点（727℃）时，表层金属会发生金相组织变化。只有磨削加工，由于磨削速度高，磨削厚度小，磨粒负前角切削等原因，产生的热量比切削加工大得多，磨削区温度很高（工件表面层温度达900℃以上），容易引起金相组织变化，导致强度和硬度下降，产生残余应力，出现微观裂纹，严重时产生烧伤现象。
　　影响磨削烧伤的因素：
　　（1）磨削用量当磨削深度增大时，工件表层的温度则明显增加，易引起烧伤或加剧烧伤，故磨削深度不能太大；同时提高工件转速和砂轮转速，既可以减轻工件表面的烧伤，又可以提高生产率；增大工件的纵向进给速度，磨削区表面温度降低，烧伤减小，为了弥补纵向进给速度增大而导致表面粗糙度值增大，可采用较宽砂轮进行磨削加工。
　　（2）砂轮特性为了降低磨削区温度，减轻烧伤，应采用硬度较软、组织疏松、粗粒度及结合剂弹性好的砂轮。
　　（3）冷却方法采用切削液能有效地降低切削区温度，可以避免烧伤。目前，通用的冷却方法效果较差，实际上没有多少切削液进入磨削区，比较最有效的冷却方法有内冷却、高压大流量冷却法、喷雾冷却润滑法和浸油砂轮等。
　　4结束语
　　只有了解和掌握影响机械加工表面质量的因素，才能在生产实践中，采取相应的工艺措施，减少零件因表面质量缺陷而引起的加工质量问题，从而提高机械产品的使用性能、寿命和可靠性。
　　参考文献
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