金屬加工表面質量的影響因素及改進措施

劉曉敏/天津職業大學

金屬加工表面質量的影響因素及改進措施

劉曉敏/天津職業大學

機械加工表面質量，是指零件在機械加工后被加工面的微觀不平度，也叫粗糙度，其加工后的表面質量直接影響被加工件的物理、化學及力學性能。分析機械加工過程中影響加工表面質量的各種工藝因素，改善表面質量、提高產品使用性能具有重要的意義

粗糙度；機械加工工藝；金屬切削

1.表面質量的含義

任何機械加工的表面，不可能是理想的光滑表面，總是存在一定的微觀幾何形狀誤差。表面材料在加工時受切削力、切削熱的影響，也會使原有的物理-機械性能發生變化。表面質量包括：

（1）加工表面粗糙度。是指加工表面的較小間距和微小峰谷的微觀幾何形狀誤差。

（2）表面層的物理——機械性能變化。物理-機械性能變化主要有以下三個方面的內容：

①表面層的冷作硬化。在機械加工過程中，工件表面層金屬產生了強烈的塑性變化，使表層的強度和硬度都有所提高，稱表面冷作硬化。

②表面層殘余應力。在切削加工過程中，由于切削變形和切削熱的影響，在加工表面會產生殘余應力，如果殘余應力超過材料的屈服強度，就會產生表面裂紋，表面的微觀裂紋將給零件帶來嚴重的隱患。

③表面層金相組織的變化。工件表面經磨削精加工時，磨削產生的高溫，會燒壞工作表面，使淬火鋼件表面退火，引起表層金屬發生相變,將大大降低表面層的物理-機械性能。

2.機械加工表面質量對機器使用性能的影響

2.1對耐磨性的影響

（1）表面粗糙度對零件表面磨損的影響。表面粗糙度值愈小，其耐磨損性愈好。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。

（2）表面冷作硬化對耐磨性的影響。加工表面的冷作硬化一般可使耐磨性提高。但過分的冷作硬化將引起金屬組織過度疏松，甚至出現裂紋和表層金屬的剝落，使耐磨性下降。

2.2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。

（1）表面粗糙度對疲勞強度的影響。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）殘余應力、冷作硬化對疲勞強度的影響。表面層殘余拉應力，將使疲勞裂紋擴大，加速疲勞破壞；而表面層殘余壓應力，能夠阻止疲勞裂紋的擴展，延緩疲勞破壞的產生；表面冷硬化一般伴有殘余壓應力的產生，可以防止裂紋產生并阻止已有裂紋的擴展，對提高疲勞強度有利。

2.3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，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。

2.4對配合質量的影響

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，降低了配合件間的聯接強度。

3.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。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 vf、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。

（2）工件材料的性質。加工塑性材料時，由于刀具對金屬的擠壓，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。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，使表面粗糙度增大。

（3）磨削加工影響表面粗糙度的因素。

①砂輪的粒度與硬度。砂輪硬度應適當，應使磨粒鈍后會及時脫落，露出新的磨粒來繼續切削，即具有良好的“自礪性”。

②砂輪的修整。砂輪應及時修整，以去除已鈍化的磨粒，保證砂輪具有微刃性和等高性。

③磨削速度、徑向進給量、光磨次數、工件圓周進給速度與軸向進給量。減小磨削用量和提高砂輪速度，可以增加工件單位面積上的刻痕數，同時可降低因塑性變形造成的表面粗糙度。

④切削液。切削液對加工過程起冷卻和潤滑作用，能降低切削區的溫度，減少刀刃與工件的摩擦。

⑤工件材質。工件材料的硬度、塑性、韌性和導熱性能等，對表面粗糙度有顯著的影響。工件材料太硬時，磨粒易鈍化；太軟時，砂輪易堵塞；韌性大和導熱性能差的材料，使磨粒早期崩落，而破壞了微刃的等高性，因而均使表面粗糙度增高。

4.影響加工表面層物理機械性能的因素

4.1冷作硬化及其因素

（1）金屬的冷作硬化。在機械加工過程中，因切削力作用產生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產生剪切滑移，晶粒被拉長和纖維化，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。

（2）影響冷作硬化的主要因素。切削刃鈍圓半徑增大，塑性變形加劇，導致冷硬增強。刀具后刀面磨損增大，塑性變形增大，導致冷硬增強。切削速度增大，塑性變形擴展深度減小，冷硬層深度減小。進給量增大，冷硬作用加強。工件材料的塑性愈大，冷作硬化現象就愈嚴重。

4.2表面層材料金相組織的變化

（1）磨削燒傷。當被磨工件表面層的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。

（2）表面層殘余應力。在切削力作用下，表面層受拉應力作用，產生伸長塑性變形，表面積趨向增大，里層處于彈性變形狀態下。當切削力去除后，里層金屬趨向復原，但受到表面層的限制，恢復不到原狀，因而在表面層產生殘余壓應力，里層則為拉應力與之相平衡。

（3）熱塑性變形的影響。表面層在切削熱的作用下產生熱膨脹，此時基體溫度較低，因此表面層熱膨脹受基體的限制產生熱壓縮應力。當表面層的溫度超過材料的彈性變形范圍時，就會產生熱塑性變形。當切削過程結束，溫度下降至與基體溫度一致時，因為表面層已產生熱塑性變形，但受到基體的限制產生了殘余拉應力，里層則產生了壓應力。

（4）金相組織變化的影響。切削時產生的高溫，會引起表面層的相變。表面層體積膨脹時，因受到基體的限制，產生了壓應力。反之，表面層體積縮小，則產生拉應力。

5.結束語

機械加工表面對機器零件的使用性能如耐磨性、接觸剛度、疲勞強度、配合性質、抗腐蝕性能及精度的穩定性等有很大的影響，因此對機器零件的重要表面應提出一定的表面質量要求。影響表面質量的因素是多方面的，應該綜合考慮各方面的因素，對表面質量根據需要提出比較經濟適用性的要求。

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