金屬加工表面質(zhì)量的影響因素及改進(jìn)措施

姜 瑋

（蘇州技師學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

金屬加工表面是產(chǎn)品整體質(zhì)量的重要組成部分，保證金屬加工表面的水準(zhǔn)不僅能夠提升產(chǎn)品的應(yīng)用性能更能夠提升產(chǎn)品的可靠程度以及使用壽命，進(jìn)而提升整體產(chǎn)品在整個(gè)國(guó)內(nèi)行業(yè)包括國(guó)際行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，所以做好金屬加工表面質(zhì)量勢(shì)在必行。

1 金屬加工表面質(zhì)量及其影響因素

1.1 金屬加工表面質(zhì)量

粗糙度是衡量金屬加工表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，是指金屬零件在加工后表面層的微觀不平度，一般情況來(lái)說(shuō)，粗糙度越高，金屬加工表面質(zhì)量越低。這種粗糙度可能是因?yàn)榍懈畹任锢碜饔煤螽a(chǎn)生的小型不規(guī)則誤差也有可能是金屬在加工過(guò)程中受到切削熱后原有屬性發(fā)生變化而產(chǎn)生的。金屬加工制品的損害普遍從其表層開(kāi)始，優(yōu)質(zhì)的表面質(zhì)量可以有效提升金屬原件的抗磨損能力和耐腐蝕性，提高使用壽命。金屬原件加工表面質(zhì)量的影響因素有很多方面，但主要方面有兩個(gè)，一是零件在進(jìn)行加工的時(shí)候用刀具或其他供給側(cè)進(jìn)行打磨時(shí)產(chǎn)生的波峰與波谷，雖然這種粗糙度可能很小，但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍然不可忽略;二是金屬表層在經(jīng)過(guò)金屬加工后會(huì)產(chǎn)生的物理性質(zhì)變化，一般是金屬受到熱切削或其他加工后表面強(qiáng)度和硬度發(fā)生的一系列變化[1]。

1.2 金屬加工表面質(zhì)量影響因素

影響金屬加工表面質(zhì)量的因素有很多，按照性質(zhì)劃分主要有以下三種：

（1）切削力和切削熱。切削加工時(shí)金屬零件加工過(guò)程中極為重要和常見(jiàn)的工序。金屬零件往往會(huì)因?yàn)榍邢鞴ば虍a(chǎn)生的殘余應(yīng)力發(fā)生一系列變化，包括金相組織的改變和表面層硬度以及平整度的改變，比如所謂的冷作硬化，就是指金屬原件在加工過(guò)程中阻力變大，表面層物理特性發(fā)生變化，可塑性降低而硬強(qiáng)度加大的現(xiàn)象。而由于切削工藝產(chǎn)生的切削熱又會(huì)在達(dá)到一定程度后降低金屬零件表層的強(qiáng)度和硬度。

（2）系統(tǒng)化誤差，工藝選擇不匹配。系統(tǒng)化誤差又稱(chēng)原始誤差，是指在工藝調(diào)整上具有的原始誤差和在基礎(chǔ)原理上具有的原始誤差兩種。調(diào)整上的誤差是指在加工過(guò)程中采用了不合適的加工設(shè)備、刀具刀刃以及選擇了不恰當(dāng)?shù)慕饘僭牧隙a(chǎn)生的失誤，這種誤差可以根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)前檢查進(jìn)行降低。如在金屬切割過(guò)程中金屬表面留下痕跡一般為刀具的原性形態(tài)，如果刀具使用不恰當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致金屬的塑性變形異常明顯，由于摩擦產(chǎn)生的撕裂增大，表面粗糙度更高。而原理誤差是指采用了相似輪廓的刀具或者相似運(yùn)動(dòng)而形成的偏差。這種偏差主要受到金屬零件的加工手段、加工工藝以及設(shè)備的先進(jìn)影響。

（3）殘余應(yīng)力及熱塑性變形。在切削力的作用下，金屬零件表層發(fā)生了塑性變形而導(dǎo)致內(nèi)外部金屬層之間在表面產(chǎn)生離層狀態(tài)和切削熱導(dǎo)致的內(nèi)外層金屬比容差異都是導(dǎo)致殘余應(yīng)力出現(xiàn)的主要原因。這種殘余應(yīng)力大小在不同密度的金屬上表現(xiàn)不同，但是無(wú)論是何種金屬都會(huì)受到這種分離摩擦的影響進(jìn)而降低金屬加工表面質(zhì)量。另外同樣是在切削熱的作用下產(chǎn)生的較大的熱壓縮應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致金屬中的晶粒分子出現(xiàn)位移，進(jìn)一步導(dǎo)致晶粒纖維化或者變形，使金屬原件在加工后出現(xiàn)熱塑性變形，這都會(huì)影響金屬加工的表面質(zhì)量。

無(wú)論是我們提到的這些主要影響金屬加工表面質(zhì)量的因素還是那些未被贅述的因素，都是我們?cè)诮饘偌庸み^(guò)程中無(wú)法避免的問(wèn)題，所以如何采取有效的措施提升金屬加工表面質(zhì)量、提高零件性能、延長(zhǎng)零件使用壽命、改善當(dāng)今金屬加工面臨的問(wèn)題、在整個(gè)金屬加工行業(yè)內(nèi)都十分值得關(guān)注[2]。

2 金屬加工表面質(zhì)量的影響

2.1 金屬加工表面質(zhì)量對(duì)于產(chǎn)品耐磨性的影響

金屬零件的磨損是指金屬零件由于摩擦而產(chǎn)生的表面材料的損失，而產(chǎn)品的耐磨性正是指機(jī)械產(chǎn)品對(duì)抗零件磨損的能力，大部分器械都是因?yàn)槌^(guò)了零件的磨損度而被淘汰，所以如果機(jī)械產(chǎn)品能過(guò)提高耐磨性將有效延長(zhǎng)其使用壽命。通常來(lái)說(shuō)產(chǎn)品的表面粗糙度越小，其耐磨損性能越好，但是在具體應(yīng)用過(guò)程中我們并不能意味的通過(guò)減低其粗糙度而提高產(chǎn)品的耐磨性，因?yàn)閷?duì)金屬加工零件的粗糙度在不同器械或者不同應(yīng)用范圍內(nèi)有不同的要求，比如在機(jī)械領(lǐng)域，過(guò)小的粗糙度反而會(huì)不利于機(jī)器的潤(rùn)滑，降低潤(rùn)滑油在金屬零件表面的滯留和保護(hù)作用，引起適得其反的效果。

2.2 金屬加工表面質(zhì)量對(duì)機(jī)器抗疲勞度的影響

金屬制品的表面層和冷硬層下層會(huì)在交變荷載的作用下產(chǎn)生疲勞損壞，而零件的加工表面質(zhì)量正是金屬制品抗疲勞性高低的主要影響條件。

（1）粗糙度對(duì)機(jī)器抗疲勞度的影響。金屬零件在經(jīng)過(guò)交變荷載作用后會(huì)把殘存的應(yīng)力集中在金屬零件切削過(guò)程產(chǎn)生的波谷中，從而使金屬零件產(chǎn)生疲勞裂紋。如果金屬表面的粗糙度越高，則產(chǎn)生的裂紋越深，金屬機(jī)械的抗疲勞性也就越低。

（2）殘存應(yīng)力和冷作硬化對(duì)機(jī)器抗疲勞度的影響。如果金屬零件表面存在拉應(yīng)力的作用，就睡加深疲勞裂紋的長(zhǎng)度和深度;而如果金屬零件表面殘存的是壓應(yīng)力則會(huì)阻止疲勞裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)大，提升機(jī)器的康疲勞度，所以殘存應(yīng)力對(duì)機(jī)器疲勞度的影響要在具體情況下加以分析。而金屬表面的冷作硬化一般都是伴隨著壓應(yīng)力的產(chǎn)生，對(duì)于提高康疲勞度有積極作用。

2.3 金屬加工表面質(zhì)量對(duì)機(jī)器耐蝕性以及配合質(zhì)量的影響

金屬表面的粗糙度越大，金屬零件的耐腐蝕性往往越差，另外，表面粗糙度也會(huì)對(duì)其配合質(zhì)量產(chǎn)生影響。粗糙度的提升會(huì)使金屬零件的磨損程度提高，磨損程度越大，機(jī)器各部之間的配合間隙就會(huì)越大，而過(guò)大的合作間隙就會(huì)降低配合各部之間負(fù)荷強(qiáng)度。

3 金屬加工表面質(zhì)量的改進(jìn)措施探析

3.1 完善工藝流程和切削條件

完善和創(chuàng)新加工流程是開(kāi)展機(jī)械加工的前提條件，是改進(jìn)金屬加工表面質(zhì)量的總體規(guī)劃。在制定金屬零件的工藝制作流程時(shí)，要把設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)相結(jié)合，做到定位準(zhǔn)確，工藝精湛，保證操作流程的精準(zhǔn)性和可控性、裝夾定位，為加工操作提供完善的方案和手段，只要這樣才能夠保證金屬加工表面質(zhì)量的提升，做出符合客戶要求的產(chǎn)品。加工工藝的成熟能夠有效降低原件在切割或者其他操作過(guò)程中受到的破壞，因?yàn)樵跊](méi)有特殊要求的情況下一次成型的產(chǎn)品往往比經(jīng)過(guò)多次打磨的產(chǎn)品擁有更高的光滑度和耐磨性。

現(xiàn)代金屬零件的加工削切主要是由專(zhuān)用的及其設(shè)備來(lái)完成，所以所謂提供良好的削切條件就是為相關(guān)機(jī)器設(shè)備設(shè)置準(zhǔn)確的切割參數(shù)并制定完善的工序流程，只有這樣才能防止金屬零件在加工過(guò)程中由于切割條件而產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題，縮小理論粗糙度和實(shí)際粗糙度的距離，符合金屬加工要求。對(duì)削切參數(shù)的設(shè)置主要包括削切速度、削切深度、刀具角度以及進(jìn)給速度等方面。對(duì)于金屬塑性材料加工切割時(shí)，可以通過(guò)改建刀具前角降低金屬表面質(zhì)量發(fā)生問(wèn)題的可能性。因?yàn)榈毒咔敖堑脑龃髸?huì)將且學(xué)歷降低，從而降低金屬表面的變形程度，提升表面質(zhì)量。另外，在加工過(guò)程中要重視對(duì)積屑瘤的清理，過(guò)量的積屑會(huì)導(dǎo)致零件表面的光滑度大幅度降低。完善的工序流程不但可以改善整批產(chǎn)品的質(zhì)量而且由于金屬加工表面層質(zhì)量主要是在最后一步確定，所以在制定工藝流程時(shí)尤其要考慮最終工序前金屬零件表面發(fā)破損程度和可接受的殘余應(yīng)力等條件，以防金屬零件在最后一步出現(xiàn)問(wèn)題。

3.2 降低系統(tǒng)化誤差，進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化

在加工過(guò)程中通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)的加工技術(shù)和國(guó)外先進(jìn)手段，利用誤差預(yù)防技術(shù)和補(bǔ)償方案可以提高零件的加工品質(zhì)，降低原始誤差對(duì)零件加工表面質(zhì)量的影響，而且增進(jìn)的工藝精準(zhǔn)性可以有效地預(yù)防誤差過(guò)大，原始材料浪費(fèi)等現(xiàn)象。另外，通過(guò)采用先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備可以對(duì)切割加工過(guò)程進(jìn)行更精準(zhǔn)的把握和調(diào)控，提高零件的加工制造能力和產(chǎn)成品的質(zhì)量，將原始誤差勻化轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)變以往加工過(guò)程中對(duì)金屬表面造成的損傷。雖然在金屬加工過(guò)程中系統(tǒng)化誤差是客觀存在的，但是適當(dāng)?shù)奶嵘O(shè)備和工藝仍是可以有效降低誤差的重要途徑，也對(duì)提升金屬表面質(zhì)量有著非凡的影響。

3.3 選擇合適性能的加工材料

原始材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)對(duì)于其表面質(zhì)量有著源發(fā)性影響。原材料的固有熱塑性變形能力和金相組織情況是影響產(chǎn)品表面質(zhì)量的關(guān)鍵性因素，所以在選擇原材料時(shí)要充分考慮其這兩方面的特性，必要時(shí)將其作為選擇指標(biāo)。如果制作的金屬零件需要以和鋼材料和低碳材料為原料，則需要在加工之前就通過(guò)正火處理等工藝對(duì)其進(jìn)行降塑操作，因?yàn)檫@一類(lèi)材料具有較高的可塑性，如果不進(jìn)行正確的處理就會(huì)導(dǎo)致金屬零件具有較高的變形度和粗糙度，不利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。此外對(duì)于特殊要求和特殊處理的原件，還要充分考慮其金相組織特質(zhì)是否合適、晶粒大小和晶粒分布等因素，這些都是影響產(chǎn)成品表面質(zhì)量的重要原因。其次，在選擇原材料時(shí)要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求做出判斷，并不是各項(xiàng)指標(biāo)都高或者都低的材料是最好的。

3.4 選擇合適的切削刀具和其他工具

切削過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和以及切削熱導(dǎo)致的金屬零件熱塑性變形是影響金屬加工表面質(zhì)量的最為重大的原因之一。合適的刀具在加工過(guò)程中不但能夠提高生產(chǎn)的精準(zhǔn)度，而且可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整幾何參數(shù)前角，以此來(lái)增加或降低刀具面和金屬面的接觸面積，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，使用刀具取角時(shí)，前角度數(shù)一般為7度，后角則需要根據(jù)職業(yè)判斷或者具體要求進(jìn)行調(diào)整。在選擇刀具時(shí)要充分考慮以下7個(gè)方面即:刀具精度、修光刃鋒利程度、刀尖圓弧半徑、副偏角度、刀具與加工材料性質(zhì)是否相似、刀具是否滿足加工要求以及刀具導(dǎo)熱性，在充分考慮了這些條件后我們?cè)趯?shí)際操作時(shí)再根據(jù)實(shí)際情況有所側(cè)重。除上述條件以外，在選擇刀具和其他工具時(shí)也要關(guān)注其化學(xué)性，以防出現(xiàn)刀具和金屬原件發(fā)生親和作用，產(chǎn)生大量的積屑和鱗刺，以至于降低金屬加工表面質(zhì)量。

3.5 降低殘余應(yīng)力和表面層熱變形

根據(jù)論文前述我們可知?dú)堄鄳?yīng)力和金屬表面層的熱變形對(duì)金屬加工表面質(zhì)量有著一定的影響，所以在加工過(guò)程中，我們往往采用加強(qiáng)金屬表面性能、加強(qiáng)材料化學(xué)物理性能自己使用切削液等方式來(lái)降低金屬零件表面的殘余應(yīng)力。其中選用正確合適的切削液并且在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行加入和補(bǔ)充可以起到很大的潤(rùn)滑冷卻、清洗排屑作用，在減少金屬零件和刀具之間的摩擦并且能夠帶走大部分的切削熱。加強(qiáng)材料本身的性能一般都是在加工進(jìn)行前對(duì)金屬材料進(jìn)行一定的技術(shù)操作，改善其表面層的性質(zhì)，以此來(lái)提高金屬材料在加工過(guò)程中面對(duì)殘余壓力的能力。在近年來(lái)，通過(guò)運(yùn)用特殊的冷壓制造工藝來(lái)改善零件表面層性質(zhì)的做法也已經(jīng)被普遍應(yīng)用，這種工藝通過(guò)降低產(chǎn)生切削熱有效的改善了金屬表面層的熱變形和和可塑性的提升，在提高金屬零件表面質(zhì)量上取得了良好的使用效果。

3.6 創(chuàng)新加工模式不斷探索研究

所以工藝的發(fā)展都離不開(kāi)新型的加工方式和創(chuàng)新。所以要想在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上提升金屬加工表面質(zhì)量就要不斷的進(jìn)行新的嘗試和創(chuàng)意，從不同的角度來(lái)看待、解決問(wèn)題。同時(shí)要不斷的汲取新鮮的知識(shí)和工藝，結(jié)合時(shí)代發(fā)展，比如將加工管控和計(jì)算機(jī)輔助程序相結(jié)合，保證高精細(xì)管理。另外探索創(chuàng)新的加工工藝能夠提高工作效率并且能為我國(guó)的金屬加工行業(yè)帶來(lái)新的朝氣和發(fā)展方向，這是機(jī)械加工行業(yè)的未來(lái)發(fā)展使命。

4 結(jié)語(yǔ)

金屬加工表面質(zhì)量受到加工機(jī)械、加工工藝以及金屬材料本身等多方面因素影響，所以要想提高金屬加工的表面質(zhì)量就要從多角度多方面出發(fā)，在加工工藝和加工機(jī)械方面要盡量減少摩擦、降低殘余應(yīng)力和不必要的破壞;在金屬本身性質(zhì)上要進(jìn)行定向優(yōu)化，增強(qiáng)金屬表面穩(wěn)定性，并且選擇合適的金屬材料進(jìn)行加工。只有這樣才能達(dá)到加工目標(biāo)，提升產(chǎn)品的表面質(zhì)量，進(jìn)而提升產(chǎn)品整體的優(yōu)越性和競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)乃至行業(yè)帶來(lái)廣闊的市場(chǎng)前景。