淺析提高機械加工表面質量的措施

吳秀艷 卑喜敏

摘 要：筆者首先分析了機械加工表面質量對產品性能的影響，然后探討了影響機械加工表面質量的因素，最后提出了提高加工表面質量的措施。

關鍵詞：機械加工；表面質量；措施

1 機械加工表面質量對產品性能的影響

1.1 表面質量對耐磨性的影響

表面粗糙度對零件表面磨損的影響很大。一般說表面粗糙度值愈小，其磨損性愈好。但表面粗糙度值太小，潤滑油不易儲存，接觸面之間容易發生分子粘接，磨損反而增加。因此，接觸面的粗糙度有一個最佳值，其值與零件的工作情況有關，工作載荷加大時，初期磨損量增大，表面粗糙度最佳值也加大。

1.2 表面質量對疲勞強度的影響

金屬受交變載荷作用后產生的疲勞破壞往往發生在零件表面和表面冷硬層下面，因此，零件的表面質量對疲勞強度影響很大。表面粗糙度值愈大，抗疲勞破壞的能力就愈差。

1.3 表面質量對耐蝕性的影響

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，抗蝕性就愈差。

1.4 表面質量對配合質量的影響

表面粗糙度值的大小將影響配合表面的配合質量。對于間隙配合，粗糙度值大會使磨損加大，間隙增大，破壞了要求的配合性質。對于過盈配合，裝配過程中一部分表面凸峰被擠平，實際過盈量減小，降低了配合件間的連接強度。

2 影響機械加工表面質量的因素

2.1切削加工

刀具幾何形狀的復映刀具相對于工件作進給運動時，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。

2.2表面層冷作硬化

機械加工過程中因切削力作用產生的塑性變形，使品格扭曲、畸變，晶粒間產生剪切滑移，品粒被拉長和纖維化，甚至破碎，這些都會使表面層金屬的硬度和強度提高，這種現象稱為冷作硬化，或稱為強化。表面層金屬強化的結果，會增大金屬變形的阻力，減小金屬的塑性，金屬的物理性質也會發生變化。被冷作硬化的金屬處于高能位的不穩定狀態，只要一有可能，金屬的不穩定狀態就要向比較穩定的狀態轉化，這種現象稱為弱化。 弱化作用的大小取決于溫度的高低、溫度持續時間的長短和強化程度的大小。由于金屬在機械加工過程中同時受到力和熱的作用，因此，加工后表層金屬的最后性質取決于強化和弱化綜合作用的結果。評定冷作硬化的指標有三項，即表層金屬的顯微硬度HV、硬化層深度h和硬化程度N。

2.3表面層材料金相組織變化

當切削熱使被加工表面的溫度超過相變溫度后，表層金屬的金相組織將會發生變化。當被磨工件表面層溫度達到相變溫度以上時，表層金屬發生金相組織的變化，使表層金屬強度和硬度降低，并伴有殘余應力產生，甚至出現微觀裂紋，這種現象稱為磨削燒傷。在磨削淬火鋼時，可能產生以下三種燒傷：一是回火燒傷。如果磨削區的溫度未超過淬火鋼的相變溫度，但已超過馬氏體的轉變溫度，工件表層金屬的回火馬氏體組織將轉變成硬度較低的回火組織（索氏體或托氏體），這種燒傷稱為回火燒傷。二是淬火燒傷。如果磨削區溫度超過了相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬發生二次淬火，使表層金屬出現二次淬火馬氏體組織，其硬度比原來的回火馬氏體的高，在它的下層，因冷卻較慢，出現了硬度比原先的回火馬氏體低的回火組織（索氏體或托氏體），這種燒傷稱為淬火燒傷。三是退火燒傷。如果磨削區溫度超過了相變溫度，而磨削區域又無冷卻液進入，表層金屬將產生退火組織，表面硬度將急劇下降，這種燒傷稱為退火燒傷。

2.4表面層殘余應力

表面殘余應力產生的原因。一是切削時在加工表面金屬層內有塑性變形發生，使表面金屬的比容加大，由于塑性變形只在表層金屬中產生，而表層金屬的比容增大，體積膨脹，不可避免地要受到與它相連的里層金屬的阻止，因此就在表面金屬層產生了殘余應力，而在里層金屬中產生殘余拉應力。二是切削加工中，切削區會有大量的切削熱產生。三是不同金相組織具有不同的密度，亦具有不同的比容，如果表面層金屬產生了金相組織的變化，表層金屬比容的變化必然要受到與之相連的基體金屬的阻礙，因而就有殘余應力產生。

零件主要工作表面最終工序加工方法的選擇至關重要，選擇零件主要工作表面最終工序加工方法，須考慮該零件主要工作表面的具體工作條件和可能的破壞形式。在交變載荷作用下，機器零件表面上的局部微觀裂紋，會因拉應力的作用使原生裂紋擴大，最后導致零件斷裂。從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，該表面最終工序應選擇能在該表面產生殘余壓應力的加工方法。

3 提高加工表面質量的措施

3.1 刀具方面

為了減少殘留面積，刀具應采用較大的刀尖圓弧半徑、較小的副偏角或合適的修光刃或寬刃精刨刀、精車刀等。選用與工件材料適應性好的刀具材料，避免使用磨損嚴重的刀具，這些均有利于減小表面粗糙度。

3.2工件材料方面

工件材料性質中，對加工表面粗糙度影響較大的是材料的塑性和金相組織。對于塑性大的低碳鋼、低合金鋼材料，預先進行正火處理以降低塑性，切削加工后能得到較小的粗糙度。工件材料應有適宜的金相組織（包括狀態、晶粒度大小及分布）。

3.3切削條件方面

以較高的切削速度切削塑性材料可抑制積屑瘤出現，減小進給量，采用高效切削液，增強工藝系統剛度，提高機床的動態穩定性，都可獲得好的表面質量。

3.4加工方法方面

主要是采用精密、超精密和光整加工。選用較小的徑向進給量，選用較大的砂輪速度和較小的軸向進給速度，工件速度應該低些，采用細粒度砂輪；精細修整砂輪工作表面，使砂輪上磨粒鋒利，也可達到較好的磨削效果。選擇適宜的磨削液能獲得低粗糙度表面。

3.5減少加工表面層變形強化和殘余應力也能提高加工表面質量

合理選擇刀具的幾何形狀，采用較大的前角和后角，并在刃磨時盡量減小其切削刃刃口半徑；使用刀具時，應合理限制其后刀面的磨損寬度；合理選擇切削用量，采用較高的切削速度和較小的進給量；加工時采用有效的切削液等，可減少加工表面層變形強化。

當零件表面存在殘余應力時，其疲勞強度會明顯下降，特別是對有應力集中或在有腐蝕性介質中工作的零件，影響更為突出。為此，應盡可能在機械加T中減小或避免產生殘余應力。但是，影響殘余應力產生的因素較為復雜?？偟恼f來，凡能減小塑性變形和降低切削溫度的因素都能使已加工表面的殘余應力減小。

此外，生產中常采用滾壓、擠（脹）孔、噴丸強化、金剛石壓光等冷壓加工方法來改善表面層材質的變化。通過這些措施在生產實踐中的應用，大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、壽命。

參考文獻

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