機械加工表面質量對零件使用性能的影響及提高機械加工工件表面質量的措施

陳濤

【摘 要】在機械加工中，零件的加工表面產生微觀不平、殘余應力等各種缺陷，雖然僅存于零件極薄的表面層中，卻嚴重影響著機械零件的精度、耐磨性、配合性、抗腐蝕性和疲勞強度等，從而進一步影響機械的使用性能和使用壽命。

【關鍵詞】機械加工；零件；表面質量

一、表面質量對零件耐磨性的影響

零件的耐磨性是零件的一項重要性能指標，當摩擦副的材料、潤滑條件和加工精度確定之后，零件的表面質量對耐磨性將起著關鍵性的作用。由于零件表面存在著表面粗糙度，當兩個零件的表面開始接觸時，接觸部分集中在其波峰的頂部，因此實際接觸面積遠遠小于名義接觸面積，并且表面粗糙度越大，實際接觸面積越小。在外力作用下，波峰接觸部分將產生很大的壓應力。當兩個零件作相對運動時，開始階段由于接觸面積小、壓應力大，在接觸處的波峰會產生較大的彈性變形、塑性變形及剪切變形，波峰很快被磨平，即使有潤滑油存在，也會因為接觸點處壓應力過大，油膜被破壞而形成干摩擦，導致零件接觸表面的磨損加劇。當然，并非表面粗糙度越小越好，如果表面粗糙度過小，接觸表面間儲存潤滑油的能力變差，接觸表面容易發生分子膠合、咬焊，同樣也會造成磨損加劇。

表面層的冷作硬化可使表面層的硬度提高，增強表面層的接觸剛度，從而降低接觸處的彈性、塑性變形，使耐磨性有所提高。但如果硬化程度過大，表面層金屬組織會變脆，出現微觀裂紋，甚至會使金屬表面組織剝落而加劇零件的磨損。

二、表面質量對零件疲勞強度的影響

表面粗糙度對承受交變載荷的零件的疲勞強度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度波谷處容易引起應力集中，產生疲勞裂紋。并且表面粗糙度越大，表面劃痕越深，其抗疲勞破壞能力越差。

表面層殘余壓應力對零件的疲勞強度影響也很大。當表面層存在殘余壓應力時，能延緩疲勞裂紋的產生、擴展，提高零件的疲勞強度；當表面層存在殘余拉應力時，零件則容易引起晶間破壞，產生表面裂紋而降低其疲勞強度。

表面層的加工硬化對零件的疲勞強度也有影響。適度的加工硬化能阻止已有裂紋的擴展和新裂紋的產生，提高零件的疲勞強度；但加工硬化過于嚴重會使零件表面組織變脆，容易出現裂紋，從而使疲勞強度降低。

三、表面質量對零件耐腐蝕性能的影響

表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響很大。零件表面粗糙度越大，在波谷處越容易積聚腐蝕性介質而使零件發生化學腐蝕和電化學腐蝕。

表面層殘余壓應力對零件的耐腐蝕性能也有影響。殘余壓應力使表面組織致密，腐蝕性介質不易侵入，有助于提高表面的耐腐蝕能力；殘余拉應力的對零件耐腐蝕性能的影響則相反。

四、表面質量對零件間配合性質的影響

相配零件間的配合性質是由過盈量或間隙量來決定的。在間隙配合中，如果零件配合表面的粗糙度大，則由于磨損迅速使得配合間隙增大，從而降低了配合質量，影響了配合的穩定性；在過盈配合中，如果表面粗糙度大，則裝配時表面波峰被擠平，使得實際有效過盈量減少，降低了配合件的聯接強度，影響了配合的可靠性。因此，對有配合要求的表面應規定較小的表面粗糙度值。

在過盈配合中，如果表面硬化嚴重，將可能造成表面層金屬與內部金屬脫落的現象，從而破壞配合性質和配合精度。表面層殘余應力會引起零件變形，使零件的形狀、尺寸發生改變，因此它也將影響配合性質和配合精度。

五、表面質量對零件其他性能的影響

如對間隙密封的液壓缸、滑閥來說，減小表面粗糙度Ra可以減少泄漏、提高密封性能；較小的表面粗糙度可使零件具有較高的接觸剛度；對于滑動零件，減小表面粗糙度Ra能使摩擦系數降低、運動靈活性增高，減少發熱和功率損失；表面層的殘余應力會使零件在使用過程中繼續變形，失去原有的精度，機器工作性能惡化等。

總之，提高加工表面質量，對于保證零件的使用性能、提高零件的使用壽命是十分重要的。

六、提高機械加工工件表面質量的措施

（1）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。對科學合理的工藝規程的要求是工藝流程要短，定位要準確，選擇定位基準時盡量使定位基準與設計基準重合。

（2）合理的選擇切削參數是保證加工質量的關鍵。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。試驗證明，主偏角、副偏角及刀尖圓弧半徑對零件表而粗糙度都有直接影響。在進給量一定的情況下，減小主偏角和副偏角，或增大刀尖圓弧半徑，可減小表面粗糙度。另外，適當增大前角和后角，可減小切削變形和前后刀面間的摩擦，抑制積屑瘤的產生也可減小表面粗糙度。比如在加工塑性材料時若選擇較大前角的刀具可以有效抑制積屑瘤的形成，這是因為刀具前角增大時，切削力減小，切削變形小，刀具與切屑的接觸長度變短，減小了積屑瘤形成的基礎。

（3）合理的選擇切削液是保證加工工件表面質量的必要條件。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的選擇至關重要。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。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。

也可以在加工過程中通過改變某些量來提高表面粗糙度。1）在精加工時，應選擇較小的進給量f、較小的主偏角kr和副偏角kr、較大的刀尖圓弧半徑rε，以得到較小的表面粗糙度。2）加工塑性材料時，采用較高的切削速度可防止積屑瘤的產生，減小表面粗糙度。3）根據工件材料、加工要求，合理選擇刀具材料，有利于減小表面粗糙度。4）適當的增大刀具前角和刃傾角，提高刀具的刃磨質量，降低刀具前、后刀面的表面粗糙度均能降低工件加工表面的粗糙度。5）對工件材料進行適當的熱處理，以細化晶粒，均勻晶粒組織，可減小表面粗糙度。6）選擇合適的切削液，減小切削過程中的界面摩擦，降低切削區溫度，減小切削變形，抑制鱗刺和積屑瘤的產生，可以大大關小表面粗糙度。

【參考文獻】

[1]寇元哲，影響機械加工表面質量的因素分析[J].甘肅科技，2007，7

[2]李兆銓，周明研。機械制造基礎（上冊）。中國水利水電出版社，2005

[3]高波，機械制造基礎。大連理工大學出版社，2006

[4]于駿一，鄒青，機械制造基礎，機械工業出版社2004