探析影響機(jī)械加工表面質(zhì)量因素

李洋 吳圣佑 徐偉 劉昊銘

摘 要：在機(jī)械加工中，有很多因素影響工件表面質(zhì)量，如何使工件的表面質(zhì)量達(dá)到要求，如何減小各因素對(duì)工件表面質(zhì)量的影響，就成為加工前必須考慮的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)影響機(jī)械加工表面質(zhì)量的因素進(jìn)行分析，并提出提高工件表面質(zhì)量的措施。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工；表面質(zhì)量；因素

一、基本概念

我們先來(lái)了解幾個(gè)概念

機(jī)械加工：廣意的機(jī)械加工就是凡能用機(jī)械手段制造產(chǎn)品的過(guò)程；狹意的是用車床、銑床、鉆床、磨床、沖壓機(jī)、壓鑄機(jī)機(jī)等專用機(jī)械設(shè)備制作零件的過(guò)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(shù)磨粒為負(fù)前角切削，磨削溫度很高，產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于切削時(shí)的熱量，而且磨削熱有60～80%傳給工件，所以極容易出現(xiàn)金相組織的轉(zhuǎn)變，使得表面層金屬的硬度和強(qiáng)度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力甚至引起顯微裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。

冷作硬化：通過(guò)冷加工而是零件表面產(chǎn)生的表面應(yīng)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(yīng)力：金屬加工過(guò)程中由于不均勻的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)和組織不均勻性，在變形后的變形體內(nèi)保留下來(lái)的應(yīng)力。

二、影響工件表面質(zhì)量的因素

1.加工過(guò)程對(duì)表面質(zhì)量的影響

（1）工藝系統(tǒng)的振動(dòng)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響

在機(jī)械加工過(guò)程中工藝系統(tǒng)有時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，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(yùn)動(dòng)之外，還會(huì)出現(xiàn)一種周期性的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)使工藝系統(tǒng)的各種成形運(yùn)動(dòng)受到干擾和破壞，使加工表面出現(xiàn)振紋，增大表面粗糙度值，惡化加工表面質(zhì)量。

（2）刀具參數(shù)、材料和刃磨質(zhì)量對(duì)表面質(zhì)量的影響

刀具的幾何參數(shù)中對(duì)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(zhì)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(yōu)于硬質(zhì)合金，但由于金剛石與鐵族材料親和力大，故不宜用來(lái)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(zhì)量，使刀具前后刀面、切削刃的粗糙度值應(yīng)低于工件的粗糙度值的1～2級(jí)。

（3）切削液對(duì)表面質(zhì)量的影響

切削液的冷卻和潤(rùn)滑作用能減小切削過(guò)程中的界面摩擦，降低切削區(qū)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(chǎn)生，在生產(chǎn)中對(duì)于不同材料合理選用切削液可大大減小工件表面粗糙度。

（4）工件材料對(duì)表面質(zhì)量的影響

工件材料的性質(zhì)：加工塑性材料時(shí)，由刀具對(duì)金屬的擠壓產(chǎn)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(shí)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(diǎn)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(duì)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(duì)材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理，以獲得均勻細(xì)密的晶粒組織和較高的硬度。

（5）切削條件對(duì)工件表面質(zhì)量的影響

與切削條件有關(guān)的工藝因素，包括切削用量、冷卻潤(rùn)滑情況。中、低速加工塑性材料時(shí)，容易產(chǎn)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(duì)于脆性材料，一般不會(huì)形成積屑瘤和鱗刺，所以，切削速度對(duì)表面粗糙度基本上無(wú)影響。進(jìn)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(jìn)給速度可以減小表面粗糙度值，但是，進(jìn)給量減小到一定值時(shí)，粗糙度值不會(huì)明顯下降。正常切削條件下，切削深度對(duì)表面粗糙度影響不大，因此，機(jī)械加工時(shí)不能選用過(guò)小的切削深度。

（6）切削速度對(duì)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(shí)，由于容易產(chǎn)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(chǎn)生，這對(duì)減小表而粗糙度有積極作用。

（7）磨削加工對(duì)表面質(zhì)量的影響

①砂輪的影響

砂輪的粒度越細(xì)，單位面積上的磨粒數(shù)越多，在磨削表面的刻痕越細(xì)，表面粗糙度越小；但若粒度太細(xì)，加工時(shí)砂輪易被堵塞反而會(huì)使表面粗糙度增大，還容易產(chǎn)生波紋和引起燒傷。砂輪的硬度應(yīng)大小合適，其半鈍化期愈長(zhǎng)愈好；砂輪的修整質(zhì)量越高，砂輪表面的切削微刃數(shù)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(shí)間內(nèi)通過(guò)加工表面的磨粒數(shù)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(shí)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(dǎo)熱性等對(duì)表面粗糙度的影響較大。塑性大的軟材料容易堵塞砂輪，導(dǎo)熱性差的耐熱合金容易使磨料早期崩落，都會(huì)導(dǎo)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(qū)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.使用過(guò)程中影響表面質(zhì)量的因素

（1）耐磨性對(duì)表面質(zhì)量的影響

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

（2）疲勞強(qiáng)度對(duì)表面質(zhì)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(yīng)力集中產(chǎn)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。

（3）耐蝕性對(duì)表面質(zhì)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(zhì)就愈多。抗蝕性就愈差。表面層的殘余拉應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，降低零件的耐磨性，而殘余壓應(yīng)力則能防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

（作者單位：武漢科技大學(xué)國(guó)際學(xué)院）