淺談影響機械加工表面質量的因素及措施

摘要：機械產品的使用性能的提高和使用壽命的增加與組成產品的零件加工質量密切相關，零件的加工質量是保證產品質量基礎。本文通過對零件表面粗糙度、零件表面層的物理力學性能等因素的分析和研究，來提高機械加工表面質量的工藝措施。

關鍵詞：表面質量；工藝；機械加工

1. 機械加工表面質量及其影響因素

機械加工表面的質量，主要體現在兩個方面：一是由于加工過程中的產生表面塑性變形，引起的冷作硬化現象，因切削熱導致的表面金相組織變化以及殘余應力等物理機械性能的變化；二是零件加工表面存在表面粗糙度、波度等表面幾何形狀誤差。

表面粗糙度可以分為縱向粗糙度和橫向粗糙度，也即零件表面存在著微觀不平度，將沿切削速度方向的粗糙度稱為縱向粗糙度，把垂直于切削速度方向的粗糙度稱為橫向粗糙度。一般說來，橫向粗糙度較大，這主要是由刀具幾何因素和切削因素兩方面共同作用形成的，縱向粗糙度則是由切削因素形成[1]。而工件—刀具—機床系統的振動也常是引起粗糙度的重要因素。

在理想切削狀態下，刀具相對于工件作進給運動時，在已加工表面上遺留下來的切削層殘留面積，形成理論粗糙度，其最大高度可由刀具形狀和進給量的幾何關系求得。

在切削速度較低的情況下切削塑性材料時，易于產生刀瘤與鱗刺，而鱗刺與刀瘤會使工件的表面粗糙度嚴重惡化。在加工塑性材料時，刀瘤與鱗刺是影響粗糙度的主要因素。

刀瘤是切削過沖中底層切屑與刀具前面發生冷焊作用形成的附著于刀尖上切屑堆塊。在切屑過程中，刀瘤不斷形成，長大，然后粘附在切屑上被帶走或留在工件上[2]。刀瘤是不穩定的，它有時會伸出至刀尖之外，且形狀不規則，使加工表面上形成深度與寬窄不一樣的刀痕，大大增加了表面的粗糙度。

鱗刺是已加工表面上出現的鱗狀毛刺般缺陷。切屑與刀具前面之間的摩擦和冷焊作用產生周期性地滯留在刀尖上，代替刀具推擠切削層，使工件和切削層之間產生撕裂現象。如此連續發生，就在加工表面上出現一系列的鱗刺，構成加工表面的縱向粗糙度。

2. 影響加工表面粗糙度的工藝因素及控制措施

2.1 .磨削加工

2.1.1.砂輪

粒度：磨粒越細，單位面積上的磨粒數越多，刻劃溝痕越細密，表面粗糙度越小。但磨粒過細，砂輪易堵塞，磨削性能下降，磨削力和溫度下降，反而增大表面粗糙度，甚至出現燒傷現象。

硬度：砂輪的硬度要適中，太軟，磨粒易脫落，使粗糙度增加；太硬，磨鈍了的磨粒又不易脫落，堵塞砂輪，增加工件材料的塑性變形，也會使工件表面變粗糙。

砂輪修整：砂輪磨鈍后必須進行認真修整，目的是使砂輪具有正確的幾何形狀和銳利刀刃。砂輪修整的質量越好，砂輪的表面磨粒的等高性越好，磨削出的表面粗糙度值越小。

2.1.2.磨削用量

砂輪轉速：提高砂輪轉速，可以減小表面粗糙度

工件轉速：增大工件轉速，塑性變形增加，表面粗糙度值也增加；

工件材料：若工件的材料硬度太高，磨粒易磨鈍，不易提高表面質量；若工件材料的塑性、韌性較大，變形大，易堵塞砂輪，也得不到較小表面粗糙度值。

2.2. 切削加工

2.2.1.切削條件

與切削條件有關的工藝因素，包括冷卻潤滑、切削用量等情況。中、低速加工塑性材料時，容易產生積屑瘤和鱗刺，所以，提高切削速度，減小零件已加工表面粗糙度值[3]。對于脆性材料，通常不會形成積屑瘤和鱗刺，因而，切削速度對表面粗糙度基本上無影響。正常切削條件下，切削深度對表面粗糙度影響不大，因此，機械加工時不能選用過小的切削深度。

2.2.2.刀具的幾何參數

在一定條件下，減小刀具的副偏角、主偏角、刀尖圓弧半徑都可以降低表面粗糙度。在同樣條件下，硬質合金鋼刀具加工的表面粗糙度值低于高速鋼刀具。刀具的前、后刀面、切削刃本身的粗糙度直接影響加工表面的粗糙度，因此，提高刀具的刃磨質量，使刀具前后刀面、切削刃的粗糙度值應低于工件的粗糙度值[4]。

2.3. 減小機械加工表面粗糙度的加工方法

2.3.1.超精密切削

超精密切削指的是加工精度高于亞微米級，表面粗糙度值在0.025微米以下的切削加工方法。單晶金剛石車刀是目前應用最廣泛的超精密切削刀具材料。

2.3.2.超精加工

超精加工是一種由切削過沖過渡到摩擦拋光過沖的加工方法，能獲得較高加工表面粗糙度。目前，超精加工廣泛用于軸承、精密量儀及電子儀器等精密零件。

2.3.3.研磨

研磨是用研磨工具盒研磨劑從工件表面上研去一層極薄金屬的精加工方法，能獲得很高表面質量和加工精度。

3. 影響零件表面層物理力學性能的工藝因素及控制措施

機械加工過程中，在切削力和切削熱的作用下，工件表面一定深度內的表面層材料沿徑向產生剪切滑移，品格扭曲，品粒拉長并纖維化，金相組織發生變化，導致材料物理、機械性能不同于基體材料，形成變質層，從而影響零件表面質量。

3.1. 表面殘余應力

機械加工后，工件表面的殘余應力是冷態塑性變形、熱態塑性變形和金相組織變化三者綜合作用結果。切削加工時主要由冷態塑性變形引起的殘余應力、磨削加工時主要是熱態塑性變形和金相組織變化引起體積變化而產生的殘余應力[5]。總之，只要是能減小塑性變形和降低切削和磨削溫度的因素，都可以減小零件表層殘余應力。

3.2. 表面層的加工硬化

表面層的加工硬化程度取決于產生塑性變形是力、變形速度和變形溫度。試驗證明，力越大，塑性變形越大，產生的加工硬化也就越大，變形速度越大，塑性變形就越不充分，產生硬化程度相應減小；變形溫度高，則硬化程度減小。因此，提高切削速度、減小進給量和背吃刀量，都可以減小切削變形和切削力，減輕加工硬化；增大刀具前角和后角、減小刃口鈍圓半徑，提高刀具的鋒利性，可以減小擠壓變形和切削力，從而減輕加工硬化。

4. 結語

只有了解和掌握影響機械加工表面質量的因素，才能在生產實踐中，采取相應的工藝措施，減少零件因表面質量缺陷而引起的加工質量問題，從而提高機械產品的使用性能、壽命和可靠性。

參考文獻：

[1]陳彥華. 機械加工表面質量的影響因素[J]. 中國新技術新產品，2009（24）.

[2]鄭玉皎. 機械加工表面質量及影響因素探析[J]. 裝備制造技術，2009（4）.

[3]劉瑞芬. 對機械加工表面質量的分析[J]. 河北冶金，2006（8）.

[4]高波. 機械制造基礎[M]. 大連理工大學出版社，2006.

[5]朱鵬超. 數控加工技術[M]. 高等教育出版社，2007.