探析影響機械加工表面質量因素

雷超帆　李明軒　張加特

摘 要：在機械加工中，有很多因素影響工件表面質量，如何使工件的表面質量達到要求，如何減小各因素對工件表面質量的影響，就成為加工前必須考慮的問題，通過對影響機械加工表面質量的因素進行分析，并提出提高工件表面質量的措施。

關鍵詞：機械加工；表面質量；因素

1 基本概念

我們先來了解幾個概念

機械加工：廣意的機械加工就是凡能用機械手段制造產品的過程；狹意的是用車床、銑床、鉆床、磨床、沖壓機、壓鑄機機等專用機械設備制作零件的過程。

零件的失效：指零件喪失了原有的使用性能。

磨削燒傷：在磨削加工中，由于多數磨粒為負前角切削，磨削溫度很高，產生的熱量遠遠高于切削時的熱量，而且磨削熱有60～80%傳給工件，所以極容易出現金相組織的轉變，使得表面層金屬的硬度和強度下降，產生殘余應力甚至引起顯微裂紋，這種現象稱為磨削燒傷。

冷作硬化：通過冷加工而是零件表面產生的表面應力，使零件的表面比加工前的表面硬度耐磨性等有所提高。

殘余應力：金屬加工過程中由于不均勻的應力場、應變場、溫度場和組織不均勻性，在變形后的變形體內保留下來的應力。

2 影響工件表面質量的因素

2.1 加工過程對表面質量的影響

2.1.1工藝系統的振動對工件表面質量的影響

在機械加工過程中工藝系統有時會發生振動，即在刀具的切削刃與工件上正在切削的表面之間除了名義上的切削運動之外，還會出現一種周期性的相對運動。振動使工藝系統的各種成形運動受到干擾和破壞，使加工表面出現振紋，增大表面粗糙度值，惡化加工表面質量。

2.1.2刀具參數、材料和刃磨質量對表面質量的影響

刀具的幾何參數中對表面粗糙度影響最大主要是副偏角、主偏角、刀尖圓弧半徑。在一定的條件下，減小副偏角、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，硬質合金刀具加工的表面粗糙度值低于高速鋼刀具，而金剛石、立方氮化硼刀具又優于硬質合金，但由于金剛石與鐵族材料親和力大，故不宜用來加工鐵族材料。另外，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的1～2級。

2.1.3切削液對表面質量的影響

切削液的冷卻和潤滑作用能減小切削過程中的界面摩擦，降低切削區溫度，使切削層金屬表面的塑性變形程度下降，抑制積屑瘤和鱗刺的產生，在生產中對于不同材料合理選用切削液可大大減小工件表面粗糙度。

2.1.4工件材料對表面質量的影響

工件材料的性質：加工塑性材料時，由刀具對金屬的擠壓產生了塑性變形，加之刀具迫使切屑與工件分離的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韌性越好，金屬的塑性變形越大，加工表面就愈越粗糙。加工脆性材料時其切屑呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點使表面粗糙。一般韌性較大的塑性材料，加工后表面粗糙度較大，而韌性較小的塑性材料，加工后易得到較小的表面粗糙度。對于同種材料，其晶粒組織越大，加工表面粗糙度越大。因此，為了減小加工表面粗糙度，常在切削加工前對材料進行調質或正火處理，以獲得均勻細密的晶粒組織和較高的硬度。

2.1.5切削條件對工件表面質量的影響

與切削條件有關的工藝因素，包括切削用量、冷卻潤滑情況。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，可以減少積屑瘤和鱗刺，減小零件已加工表面粗糙度值；對于脆性材料，一般不會形成積屑瘤和鱗刺，所以，切削速度對表面粗糙度基本上無影響。進給速度增大，塑性變形也增大，表面粗糙度值增大，所以，減小進給速度可以減小表面粗糙度值，但是，進給量減小到一定值時，粗糙度值不會明顯下降。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。

2.1.6切削速度對表面粗糙度的影響

一般在粗加工選用低速車削，精加工選用高速車削可以減小表面粗糙度。在中速切削塑性材料時，由于容易產生積屑瘤，且塑性變形較大，因此加工后零件表面粗糙度較大。通常采用低速或高速切削塑性材料，可有效地避免積屑瘤的產生，這對減小表而粗糙度有積極作用。

2.1.7磨削加工對表面質量的影響

（1）砂輪的影響

砂輪的粒度越細，單位面積上的磨粒數越多，在磨削表面的刻痕越細，表面粗糙度越小；但若粒度太細，加工時砂輪易被堵塞反而會使表面粗糙度增大，還容易產生波紋和引起燒傷。砂輪的硬度應大小合適，其半鈍化期愈長愈好；砂輪的修整質量越高，砂輪表面的切削微刃數越多、各切削微刃的等高性越好，磨削表面的粗糙度越小。

（2）磨削用量的影響

增大砂輪速度，單位時間內通過加工表面的磨粒數增多，每顆磨粒磨去的金屬厚度減少，工件表面的殘留面積減少；同時提高砂輪速度還能減少工件材料的塑性變形，這些都可使加工表面的表面粗糙度值降低。

（3） 工件材料

工件材料的硬度、塑性、導熱性等對表面粗糙度的影響較大。塑性大的軟材料容易堵塞砂輪，導熱性差的耐熱合金容易使磨料早期崩落，都會導致磨削表面粗糙度增大。

另外，由于磨削溫度高，合理使用切削液既可以降低磨削區的溫度，減少燒傷，還可以沖去脫落的磨粒和切屑，避免劃傷工件，從而降低表面粗糙度值。

2.2 使用過程中影響表面質量的因素

2.2.1耐磨性對表面質量的影響

每個剛加工好的摩檫副的兩個接觸表面之間最初階段在表面粗糙的峰部觸，實際接觸面積遠小于理論接觸面積，在相互接觸的部有非常大的單位應力，使實際接觸面積處產生塑性變形、彈性變形和峰部之間的剪切破壞，引起嚴重磨損。

2.2.2疲勞強度對表面質量的影響

在交變載荷作用，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應力集中產生疲勞紋。表面粗糙度值愈大，表面的紋痕愈深，紋底半徑愈小，抗疲勞破壞的能力就愈差。

2.2.3耐蝕性對表面質量的影響

零件的耐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，則凹谷中聚積腐蝕性物質就愈多。抗蝕性就愈差。表面層的殘余拉應力會產生應力腐蝕開裂，降低零件的耐磨性，而殘余壓應力則能防止應力腐蝕開裂。

工件的表面質量與其使用性能密切相關，工件的使用性能是以保證機器正常工作為前提的設計要求。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。