機械加工過程中金屬材料表面質量及精度控制方法

張立榮，孟祥海，張 偉

社會生產環境的變化，使得當前各行各業都在逐步向著自動化、機械化、信息化的方向發展，各類交通運輸工具、設備等都需要大量的金屬材料和零件進行生產加工。所以要保證機械設備的質量，就需要以加工合格的材料零件作為基礎保障。現階段重要的材料零件加工辦法都是通過機床切削加工的方法，來消除材料多余的部分獲得設計好的零件形狀，而加工時對于表面質量和精度的控制對于零件加工的整體質量都會有十分重要的影響，所以下文就主要分析關于材料零件加工中的表面質量控制問題。

1 機械加工的相關內容概述

1.1 材料表面質量

機械加工中的材料表面質量，一般是指在加工后，零件表面所呈現出的物理形狀和特征，材料零件表層上微觀幾何結構的變化和材料性質的變化是否滿足加工的需求。雖然肉眼看去，加工材料可能較為平滑，但是從微觀層面上觀看，材料表面并不像看上去的平整光滑，還會存在不同程度的紋路、凹凸等情況，這些因素都會直接影響到零件的表面質量。加工中材料表面的幾何特征主要會關注到以下幾個方面：表面粗糙度；表面波度；表面的加工紋理；表面產生的缺陷。圖1 為預期效果和實際加工的不同表面質量。

圖1 預期和實際加工的不同質量效果

1.2 機械加工精度

材料加工精度通常是指的在經過加工之后，零件的實際參數與預先設計好的參數值，兩者之間的差距，兩者之間的差距越小就說明加工精度就越符合預期值，加工精度也就越高。所以這就要求現代機械加工領域中，對加工誤差的要求越來越高，盡量將加工誤差控制在一個小范圍內來保證零件的可靠性和精度。對于零件加工的精度要求，主要是涉及到形狀、尺寸、位置三個因素，而且這三類因素之間也是互相關聯的。從尺度因素來看，尺度因素會限制材料加工表面和設計標準之間的誤差控制；然后是形狀精度，會限制材料加工表面所呈現出的幾何性狀的誤差情況；最后就是位置精度，材料加工表面與基準之間的相互位置差距，最終的加工誤差會直接影響到材料零件的精度情況。

2 影響材料加工質量和精度的因素

2.1 機床加工性能

現代工業中對于各種工件、零件的生產加工，一般都是通過機床制作完成的，所以機床本身的性能也會直接影響到加工的質量和精度。如機床的幾何位置誤差就會影響到零件加工的質量和精度，直接影響因素就是關于主軸回轉誤差和傳動鏈當中的誤差，由于主軸在回轉過程中，主軸實際回轉軸線相對于其平均回轉線有一定的誤差，可能會直接影響加工精度，而從傳動鏈誤差來看，主要是涉及到機床兩邊傳動元件之間的相互運動位置的差距。

2.2 出現定位誤差

加工中出現定位誤差主要是關乎兩個方面，一類是由于加工基準數據無法重合導致的誤差，一類就是加工位置不準確導致的位置。由于在機床中對零件進行加工時，往往是需要通過幾何參數來作為定位的標準參考，當時由于加工中選擇的定位基準和設計圖紙中的基準，可能會在實際中出現數值誤差，就可能會導致基準無法重合的問題，而且由于機床中的夾具在定位元件中也不可能完全準確，實際的尺寸往往都會在可控的范圍內進行調整，如果超出范圍就可能會導致較大誤差。

2.3 刀具方面的性能誤差

刀具在不斷加工的工程中可能會出現磨損的問題，這樣刀具自身的參數值就會產生變化，如果在加工中不將刀具磨損參數值考慮到其中，就可能會間接導致在材料加工中，尺寸和形狀也會無法達到設計預期，產生一些數值上的誤差，進而影響精度和質量。刀具磨損帶來的數值變化會直接影響加工的精度，而且也會根據不同刀具的特性帶來不同的差異。所以，加工中對于刀具材料選擇和參數值變化應該做到了解。合理控制切削方法和數量也是減少刀具磨損的重要手段。

2.4 誤差調整

不同材料加工，需要根據實際要求來對工件或者機床編程參數進行調整，但是由于數值對于加工會產生極大影響，調整的幅度往往也不易掌控，如果誤差調整差異較大，可能就會直接出現殘次品，因此就需要數值調整時，進行精確計算，明確參數設置和編程方法。

2.5 受力變形導致誤差

材料最終加工出的質量和精度，也會受到環境、加工時的技術情況影響，工件強度會影響加工的難度，也是影響零件成品的變形情況。刀具自身的強度會直接影響到機械加工中的受力變形情況，所以針對不同性質的材料，也要選擇合適性能的刀具和加工方法，這樣才能減小加工時對于材料的形狀影響。

2.6 其他影響材料零件表面質量的因素

工藝系統振動、刀具參數、材料性能、切削液使用、切削的方法和條件等，這些都是會影響到實際加工中零件質量和精度的因素。比如在加工中材料、刀具等出現的振動，可能會使得工藝材料的成形過程受到一定的干擾，不規則的振動會導致材料表面出現振紋、裂痕等，進而增大了材料表面的粗糙程度，降低質量；刀具參數中的主偏角、刀尖圓弧半徑等也都會影響到材料的表面粗糙度。

3 加工中提高材料表面質量和精度的措施探析

3.1 控制參數誤差來提高加工質量和精度

（1）減少加工中的原始誤差。減少加工中的原始誤差就需要從機床本身的性能開始，提高機床加工的精度，減少設備帶來的數據誤差影響。機床設備方面所帶來的影響和誤差，主要是關乎刀具、夾具、切削液等基本工具的使用，減少加工中材料、器具之間由于摩擦受熱帶來的形變問題，減少刀具、設備之間的磨損。此外，在加工之前，還需要系統性地分析各項影響加工精度和質量的原始誤差數據和因素，依照不同的情況需要來進行修正，如刀具磨損嚴重導致的數值誤差過大就應該及時的更換刀具，而在加工中也需要選擇合適性能的刀具來進行加工；在一些精密零件的加工過程中，還需要考慮到機床設備的精度和性能特點，確保機床精度可以符合精密零件的加工需要，同時控制加工中的環境因素，以此來提升加工精度和質量。

（2）采取誤差補償。如果機械加工過程中，參數方面出現無法避免的誤差，就需要通過誤差補償的辦法來進行修正，通過對原始數據進行一定程度的調整，來對出現的誤差數值進行修正補償，以此來降低原始數值中的誤差，提高加工精度。

（3）分化誤差的方式。分化誤差的辦法就是通過將原始誤差進行分化處理的辦法，然后根據誤差產生的情況來分析其中的基本規律，將材料零件分為不同類別，然后分別在每個組別來對誤差數值進行調整，讓數值定位更加的準確。分化誤差就是通過對數值風險進行統一化規劃，一般是加工作業中提高加工質量較為常用的方法，一旦出現多組類別都出現較大誤差的情況下，就可以根據現實的加工情況，然后綜合各個組別中產生的誤差來進行優化，形成分區式的誤差修正，將原始誤差分散到各個部分，來實現誤差的分化處理。

3.2 降低材料零件表面的粗糙度

從加工刀具方面來嘗試降低，由于切削加工處理中，由于刀具和零件之間會因為摩擦產生切削力和熱量，可能會使得金屬材料表面產生物理性質的變化，主要是金屬的表面層會發生因為熱量而產生硬度、性能方面的變化，導致金相組織和殘余應力的發生。磨削加工的過程中可能會產生塑性變形和切削熱的問題，所以磨削過程中可能會發生更加嚴重的機械性能改變。為了盡量減少殘留的形變面積，就需要在刀具的選擇使用方面嘗試使用刀尖圓弧半徑較大的，然后通過較小的負偏角來修光刃。刀具材料的選擇應該要適合工件材料，避免在加工中使用磨損已經較為嚴重的刀具，這樣就可以最大限度減少零件表面的粗糙度。

從工件材料方面考慮，應該首先明確工件的材料性質，一般會影響加工表面粗糙度的材料就是塑性過程和金相組織。如一些塑性大的低碳鋼、低合金鋼材等，應該在加工前先對材料采用正火處理來降低塑性，這樣切削之后就能得到較小的粗糙度。對材料加工塑性中，由于刀具的接觸可能對金屬產生擠壓，導致金屬變形，加上刀具也會產生切屑并且與工件分離產生的撕裂作用，可能會進一步加大材料表面的粗糙程度。所以需要考慮到材料的本身韌性，金屬塑性的變形狀況越大，那么加工表面可能就會發生較大的形變，進而也會使得表面更加粗糙。

從切削條件方面考慮。利用高速切削的方式可以減小材料的形變情況，也可以減少積屑瘤的發生，進而來減少表面粗糙度的問題；在切削一些脆性材料的過程中，切削速度一般對于表面粗糙度不會有較大影響。通過減少進給量就可以降低殘留面積高度，但是進給量也不能過小，否則會因為切削厚度過低而無法正常的開展刀具切入工作，可能會與工件材料發生強烈的摩擦，反而會增大粗糙度。所以通過高速切削塑性材料，可以減少積屑瘤（圖2 為積屑瘤），通過減少進給量并使用高速切削液的方式，來提高機床加工時的穩定性，以進一步保證材料的表面質量。

圖2 積屑瘤對加工質量帶來的影響

3.3 改善加工方法

（1）超精密型切削加工。使用超精明切削加工一般是指的控制表面粗糙度在Ra0.04μm 以下的切削辦法，而使用這種方法的關鍵地方在于最后一道工序中往往會需要通過切削0.1μm 的表面層，所以就需要嚴格控制刀具的精密度和鋒利度，刀具的選擇方面應該使用鈍圓半徑為納米級尺寸，但是這樣就會要求刀具具備較高的耐用程度，所以當前只能選擇使用金剛石刀具完成。在切削時要控制走刀量在較小的范圍內，保證高速切削，這樣才能確保工件表面的殘留面積小，提高表面質量。利用珩磨工具（細粒度油石或油條）對工件表面施加一定的壓力，同時作相對旋轉和往復直線運動，切削工件上極小余量精加工方法。目前廣泛應用于中小批生產中孔的精加工，加工孔的范圍很大，直徑從幾mm 到1m，長度從10mm ～20m，珩磨后的工件表面粗糙度值控制在0.025mm ～0.2mm 之間，圓度和圓柱度在0.003mm ～0.005mm 之間。

（2）利用小粗糙度的磨削加工方法。這種方法的使用，主要是為了簡化一般的加工過程，使用小粗糙度的磨削一般都是需要設備精度較高，所以對于磨削用量選擇就比較重要。而為了避免選擇磨削用量導致的參數矛盾，如為了減小材料表面粗糙度，砂輪會選擇更細一點，但是這樣一來可能會加重磨削的燒傷，而為了減少工件燒傷，就需要加快轉速，就可能會導致粗糙度增大，而且可能會引起切削時的振動問題。所以就需要通過分析加工中磨削用量、磨削力之間的關系，通過程序計算其中的參數組合來達到較好的參數協調，讓小粗糙度磨削可以達到較好的效果。

（3）控制工藝系統的受力變形問題。加工過程中，力的作用會伴隨著每個環節的切削過程，而由于力的相互作用會導致工藝系統方面不可避免的會出現形變問題，進而引起工件材料的變形，使得刀具會相對于工件的正確位置處受到較大的破壞，降低加工精度。而為了進一步降低工藝系統受力后可能導致的精度問題，可以采取以下措施：第一，通過優化設備材料來提升工藝系統的剛度；第二，加工前期應該合理的設計零件的整體結構；第三，提高材料、工具表面接觸點的剛度；第四，使用輔助化支撐來降低加工中的振動；第五，需要選擇適合的裝夾和加工方法。

（4）控制工藝系統的受熱變形問題。在加工過程中，除了要考慮力的相互作用之外，還需要考慮材料與刀具摩擦時產生的熱量問題。實際的加工作業當中，材料會在受熱作用下產生不同程度的變形問題，這同樣會使得刀具切削時，相對于工件的正確位置可能會受到破壞，影響參數正確，降低加工精度，尤其在對于一些需要精密加工或者是加工一些大件物品時，常常會因為工藝系統方面摩擦生熱導致加工誤差參數會出現40%～50%的偏差。所以可以采取修正措施有：第一，通過切削液來減少熱量的產生和傳導，因為合適的切削液可以有效改善在加工過程中，刀具與材料零件之間的摩擦系數，有效的傳導熱量，降低切削時的受熱溫度，讓器具的磨損程度可以大大降低，保證加工時的質量；第二，優化加工環境，增強加工時的散熱情況，控制好溫度場地；第三，要選擇合適的機床零部件結構。

（5）切削參數的設置選擇。在進給速度的選擇方面，這類因素會直接影響到零件在加工之后表面的光滑度和精度。常用的參數設計公式為f=nzf，其中的n 代表的是主軸轉速、z 為銑刀齒數、f 為每齒的進給量。影響到每齒進給量的因素很多，主要在加工的過程中要考慮到其中的刀具材料、銑刀結構、力學性能的因素。使用的材料工件本身的強度越可靠，那么需要的每齒進給量也會越小；而對于一些合金銑刀，其硬度可靠性相比于傳統的鋼銑刀而言就會更高；材料加工中對于精度和表明加工精細度的要求越高，進給量的設置就應該著重考慮適當的降低，為了保證在加工精度方面、零件表面粗糙度可以符合加工后的要求，需要保證一定的加工余量。在一些粗加工的過程中，余量的切除通常是使用層切的方式，在利用CAM 編程設計，就需要技術人員根據情況來考慮到刀具的具體切削深度與最大步距寬度問題，這些數據設置會直接影響到工件的成形形狀。

（6）刀具的幾何參數中對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于硬質合金，但由于金剛石與鐵族材料親和力大，故不宜用來加工鐵族材料。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，提高刀具的刃磨質量，使刀具前后刀面、切削刃的粗糙度值應低于工件的粗糙度值。

4 結語

在實際的金屬材料加工過程中，零件表面質量會直接影響到其使用壽命和性能，零件的耐磨程度、抗疲勞、耐腐蝕、精度要求等因素都會受制于表面質量和加工精度，所以必須在加工過程中詳細明確其中的質量加工要求，同時由于影響到零件表面質量的因素也是多種多樣的，可能是機床性能、刀具、材料性能、環境等，所以只有在加工前先分析了解到零件表面加工的質量問題，才能在實際的加工切削過程中，針對性的采取應對措施來降低加工時的參數誤差，提高零件表面的質量。