淺談提高機械加工中表面質量的方法

任文源

（太原重型機械集團齒輪傳動分公司，山西 太原 030024）

在機械加工過程中影響表面質量的因素是很復雜的，為了獲得所要求的表面質量，就必須對加工方法、切削參數進行適當的控制。譬如：承受高應力交變載荷的零件需要控制受力表面不產生裂紋和殘余拉應力；軸承溝道為了提高它的接觸疲勞強度必須控制表面不產生磨削燒傷和微觀裂紋；經過磨齒加工后的齒輪齒軸表面也必須光滑無燒傷和裂紋；塊規應主要保證其尺寸精度及穩定性，故應嚴格控制表面粗糙度和殘余應力。所以在加工時必須選用合適的工藝，嚴格控制表面質量。

1 磨削參數的合理設置，砂輪規格的科學選用

磨削是一種很重要的加工工藝，它既可用于粗糙度磨削代替光整加工，又可用作高效磨削，使粗加工、精加工同時完成。但它也是一種影響因素眾多、對產品表面質量有很大影響的工藝方法。因此在磨削加工過程中應重點注意控制磨削用量。磨削既能細化工件表面粗糙度，又能引起表面燒傷。而磨削表面的粗糙度大小和是否產生磨削燒傷主要受磨削參數的影響，要獲得高的表面質量，必須合理控制磨削參數。

砂輪的粒度對表面粗糙度有較大影響，磨粒越小，加工表面的表面粗糙度也越小。要獲得較細的表面粗糙度，應選擇磨粒號較大的砂輪。但隨磨粒號的增大，產生磨削燒傷的可能性也會增大。為防止工件燒傷，只能采用很小的磨削深度，且需要時間很長的空走刀，使磨削效率下降。為此，砂輪磨粒號常選用46～60號。尤其在磨齒加工工藝中尤為明顯，例如：在使用NILES ZE800S加工模數為14，齒數為24的齒軸時使用Norton粒度為60的砂輪進行磨削加工，結果齒面光潔度提高了，但齒面有50%左右燒糊，尤其在靠近齒根附近。修整砂輪，從降低粗糙度考慮砂輪應修整的細些，但是卻常引起表面的燒傷；為了避免工件燒傷，工件速度常選的較大，但又會增大表面粗糙度和引起顫振；采用小磨削用量卻又降低了生產效率；而且不同的材料其磨削性能也不一樣。因此，光憑經驗或靠加工手冊常不能全面地保證加工質量。生產中比較可行的辦法是通過試驗來確定磨削用量。可先按初步選定的磨削用量磨削試件，然后通過檢查試件的金相組織變化和測定表面層的微觀硬度變化，就可知道磨削表面層熱損傷情況，據此調整磨削用量。

另外還有靠控制磨削溫度來保證工件質量的方法：利用夾在砂輪間的銅或鋁箔作為熱電偶的一極，在磨削過程中連續測量磨削區的溫度然后控制磨削用量。

2 采用超精加工、珩磨等光整加工方法作為終加工工序

超精加工，珩磨等都是利用磨條以一定的壓力在工件的被加工表面上，并做相對運動以降低工件的粗糙度和提高精度的工藝方法，一般用于粗糙度Ra＜0.08 um的表面的加工，由于切削速度低、磨削壓強小，所以加工時產生很少熱量，不會產生熱損傷，并具有殘余壓應力，如果加工余量合適還可以去除磨削加工變質層。

采用超精加工、珩磨工藝雖然比直接采用精磨達到要求的粗糙度要多一道工序，但由于這些加工方法都是靠加工表面自身定位進行加工的，因而機床結構簡單，精度要求不高，而且大多設計成多工位機床，并能進行多機床操作，所以生產效率較高，加工成本較低。

（1）超精加工。用細粒度的磨料以一定壓力壓在旋轉的工件表面上，并在軸向作往復震蕩進行微量切除的光整加工方法，它常用于加工內外圓柱、圓錐面和滾動軸承套圈的溝道。超精加工后表面容易形成油膜，提高潤滑效果，因此耐磨性好。

（2）珩磨。與超精加工類似，只是使用的工具不同以及運動方式不同，珩磨頭帶有若干塊細粒度的靠機械或液壓的作用漲緊和施加壓力在工件表面上，并相對工件左旋轉與往復運動，結果在工件表面上形成由螺旋線交叉而成的網狀紋路。近年來采用了人造金剛石，立方氮化硼（CBN）磨料制作的磨條，效率顯著提高，而且加工后表面不產生變質層。

（3）研磨。將研磨劑涂敷或澆注在研具與工件間，工件與夾具在一定壓力下作不斷變更方向的相對運動，在磨粒的作用下逐步刮擦并微量切除工件表面的很薄的金屬層。此方法可適用于各種表面的加工，粗糙度Ra可達0.01 um～0.16 um，精度可達5級以上。研磨劑一般采用煤油、潤滑油或油脂與研磨粉混合而成，研具一般采用比工件軟的材料制成。通常研磨效率較低，且要求工人的技術熟練程度較高。

（4）拋光。是利用布輪、布盤等軟的研具涂上拋光膏拋光工件的表面，靠拋光膏的機械刮擦和化學作用去掉表面粗糙度的峰頂，使表面獲得光澤鏡面。拋光時一般去不掉余量，所以不能提高工件的精度甚至還會損壞原有精度。經拋光的表面能減小殘余拉應力值。

3 采用噴丸、滾壓、輾光等表面強化工藝

對于承受高應力、交變載荷的零件可以采用采用噴丸、滾壓、輾光等表面強化工藝使表面層產生殘余壓應力和冷作硬化并降低表面粗糙度，同時消除了磨削等工序的殘余拉應力，因此，可以大大提高疲勞強度及抗應力腐蝕性能。借助強化工藝還可以用次等材料代替優等材料，節約貴重材料。但采用強化工藝時注意不要造成過度硬化，否則會使表面層完全失去塑性性質甚至引其顯微裂紋和材料剝落，帶來不良后果。因此采用強化工藝必須很好地控制工藝參數以獲得要求的強化表面。

（1）噴丸。是利用壓縮空氣和離心力將大量直徑細小的丸粒高速向零件表面噴射的方法，可以適用于任何形狀的零件。噴丸的結果在表面層產生很大的塑性變形，造成表面的冷作硬化及殘余壓應力，噴丸后零件的使用壽命可提高數倍至數十倍。噴丸在磨削、電鍍等工序后進行可以有效地消除這些工序帶來的有害的殘余拉應力。當粗糙度要求較小時，也可在噴丸強化后再進行小余量的磨削但要注意控制磨削時的溫度，以免影響強化效果。

（2）滾壓、輾光。用工具鋼制成的鋼滾輪或鋼珠在零件表面上進行滾壓、輾光，使表面層材料產生塑性流動，從而形成新的光潔表面，粗糙度Ra值可從1.6 um降低至0.1 um，表面硬化深度達0.2 mm～1.5 mm，硬化程度達到10%～40%。該方法由于使用簡單，一般就在普通車床上裝上滾壓工具即可進行加工，應用廣泛。

隨著科學技術的不斷飛速發展，近年來采用了金剛石工具輾光工件表面的新方法，效果更為顯著。由于金剛石的物理力學性能高，且與金屬配合時，摩擦因數小，所以消耗的動力和能量小，生產效率和表面質量高。金剛石輾光后表面產生壓應力，工件疲勞強度顯著提高。