影響加工表面質量的因素分析

李祝慶

【摘 要】機械加工后的零件表面實際上不是理想的光滑表面，它存在著不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂紋等表面缺陷。筆者根據在化工設備制造企業從事產品開發和設計的多年經驗，對機械加工中出現的一些表面質量問題不斷進行分析和總結，就影響機械加工表面質量的因素進行分析和提出一些改進措施，希望對工程實踐有一定的指導作用。

【關鍵詞】機械加工 表面質量 影響因素 改進措施

機械加工表面質量，是指零件在機械加工后加工面的微觀不平度，也叫粗糙度，被加工件的物理、化學及力學性能直接受加工后的表面影響。質量零件的機械加工質量不僅指加工精度，而且包括加工表面質量。機械加工后的零件表面實際上不是理想的光滑表面，它存在著不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂紋等表面缺陷。雖然只有極薄的一層（幾微米～幾十微米），但都錯綜復雜地影響著機械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蝕性和疲勞強度等，從而影響產品的使用性能和壽命，因此必須加以足夠的重視。

一、影響機械加工表面質量的因素

1.表面質量對產品性能的影響

零件的磨損過程：起始磨損——正常磨損——快速磨損。表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙度太大，接觸表面的實際壓強增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加劇；表面粗糙度太小，也會導致磨損加劇。因為表面太光滑，存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發生分子粘結而加劇磨損。表面粗糙度的最佳值與機器零件的工作情況有關，載荷加大時，磨損曲線向上、向右移動，最佳表面粗糙度值也隨之右移。紋理方向與運動方向相同時，耐磨性較好。加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因為它使摩擦副表面層金屬的顯微硬度提高，塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高，這是因為過分的冷作硬化，將引起金屬組織過度“疏松”，在相對運動中可能會產生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。

2.表面質量對疲勞強度的影響

（1）表面粗糙度對零件疲勞強度的影響

表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差，對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應力集中，產生疲勞裂紋。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差。

（2）表面層冷作硬化與殘余應力對零件疲勞強度的影響

適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強度。殘余應力有拉應力和壓應力之分，殘余拉應力容易使已加工表面產生裂紋并使其擴展，而降低疲勞強度殘余壓應力則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應力，延緩疲勞裂紋的擴展，從而提高零件的疲勞強度。

（3）表面質量對零件配合質量的影響

表面粗糙度對零件配合精度的影響：表面粗糙度較大，則降低了配合精度。表面殘余應力對零件工作精度的影響： 表面層有較大的殘余應力，就會影響它們精度的穩定性。

（4）表面質量對零件耐腐蝕性能的影響

a. 表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響

零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質，凹谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。因此減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。

b. 表面殘余應力對零件耐腐蝕性能的影響

零件表面殘余壓應力使零件表面緊密，腐蝕性物質不易進入，可增強零件的耐腐蝕性，而表面殘余拉應力則降低零件耐腐蝕性。表面質量對零件使用性能還有其他方面的影響：如減小表面粗糙度可提高零件的接觸剛度、密封性和測量精度；對滑動零件，可降低其摩擦系數，從而減少發熱和功率損失。

二、影響表面粗糙度的因素

1.切削加工影響表面粗糙度的因素

（1）刀具幾何形狀的復映

刀具相對于工件做進給運動時，在加工表面留下了切削層殘留面積，其形狀是刀具幾何形狀的復映。減小進給量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圓弧半徑，均可減小殘留面積的高度。此外，適當增大刀具的前角以減小切削時的塑性變形程度，合理選擇潤滑液和提高刀具刃磨質量以減小切削時的塑性變形和抑制刀瘤、鱗刺的生成，也是減小表面粗糙度值的有效措施。

（2）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。工件材料韌性愈好，金屬的塑性變形愈大，加工表面就愈粗糙。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，使表面質量下降。

（3）切削用量

切削用量是切削時各運動參數的總稱，包括切削速度、進給量和背吃刀量（切削深度）。

2.磨削加工影響表面粗糙度的因素

正像切削加工時表面粗糙度的形成過程一樣，磨削加工表面粗糙度的形成也是由幾何因素和表面金屬的塑性變形來決定的。影響磨削表面粗糙的主要因素有：砂輪的粒度；砂輪的硬度；砂輪的修整；磨削速度；磨削徑向進給量與光磨次數；工件圓周進給速度與軸向進給量；冷卻潤滑液。

三、影響加工表面層物理機械性能的因素

在切削加工中，工件由于受到切削力和切削熱的作用，使表面層金屬的物理機械性能產生變化，最主要的變化是表面層金屬顯微硬度的變化、金相組織的變化和殘余應力的產生。

四、提高機械加工工件表面質量的措施

1.制定合理的工藝規程

制訂科學合理的工藝規程是保證工件表面質量的基礎，科學合理的工藝規程是加工工件的方法依據。只有制訂了科學合理的工藝規程，才能為加工工件表面質量滿足要求提供科學合理的方法依據，使加工工件表面質量滿足要求成為可能。

2. 合理地選擇切削參數

選擇合理的切削參數可以有效抑制積屑瘤的形成，降低理論加工殘留面積的高度，保證加工工件的表面質量。切削參數的選擇主要包括切削刀具角度的選擇、切削速度的選擇和切削深度及進給速度的選擇等。

3. 合理地選擇切削液

選擇合理的切削液可以改善工件與刀具間的摩擦系數，可降低切削力和切削溫度，從而減輕刀具的磨損，以保證工件的加工質量。

4. 工件主要工作表面最終工序加工方法

工件主要工作表面最終工序加工方法的選擇至關重要，因為最終工序在該工作表面留下的殘余應力將直接影響機器零件的使用性能。

五、結論

當零件表面存在殘余應力時，它的疲勞強度會有明顯的下降，尤其對應力集中或在有腐蝕性介質中工作的零件影響較為明顯。所以，在機械加工時應盡量避免或減小殘余應力。

另外，生產中改善表面層材質變化常用的方法是滾壓、擠（脹）孔、噴丸強化、金剛石壓光等冷壓方式。這些方法在實踐的生產應用中極大地提高了機械加工零件的表面質量，提高了產品的工作性能、可靠性和壽命。

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，因此在加工工件過程中，我們還應從經濟效益等多方面考慮，既保證工件表面的加工質量，又避免增大零件的制造成本，造成不必要的損失。

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