精密機械零件加工中的表面質量控制與提升技術研究

李選祥 郭佳樂 黃 莉

（云南煙草機械有限責任公司，昆明 650032）

在現代化工業生產中，精密機械零件作為各類高端裝備的核心組件，其質量直接影響著裝備的運行效率。精密機械零件的加工過程極為復雜，涉及材料學、力學等多學科知識的交叉應用。特別是在表面質量控制環節，傳統的加工技術往往不能滿足高效率的生產需求。所以，研發新型表面質量控制與提升技術，已成為精密機械制造領域急需解決的關鍵問題。

1 影響機械加工零件表面質量的因素

1.1 表面粗糙度

塑性材料在切削時容易發生塑性變形，導致表面粗糙度增加。脆性材料容易在切削過程中產生碎裂，同樣會增加表面粗糙度[1]。在切削過程中，材料使用量過多或過少，都會導致切削力不穩定，影響表面粗糙度。特別是對于塑性材料，過小的切削深度會導致刀具在材料表面產生更劇烈的塑性變形，從而增加表面粗糙度。

1.2 表面機械性能

在機械加工過程中，如果切削速度和切削刀具選擇不合理，很可能會導致零件表面出現冷作硬化等現象，從而降低其機械性能[2]。殘留應力的產生主要是由于切削過程中不可避免地出現了一定程度的塑性變形，導致零件表面金屬的比容發生變化。這種殘留應力在零件使用過程中可能會逐漸釋放，造成零件尺寸發生變化或產生裂紋等缺陷，進而影響其機械性能。

2 機械加工零件表面質量的控制手段

2.1 擬定科學合理的零件機械加工技術流程

詳細分析零件設計圖紙，確保其幾何形狀、尺寸和公差要求等符合加工能力和產品質量標準。審查設計圖紙中的技術要求，確保其與零件的使用場景和性能要求相匹配[3]。根據圖紙要求選擇合適的原材料，并進行必要的預處理，如切割、去毛刺等。根據零件的形狀、尺寸和精度要求，確定粗加工、半精加工和精加工的工藝路線。

機械加工零件時需選擇合適的機床、刀具和夾具，使設備能夠基本滿足加工要求，同時制定詳細的加工工藝參數，如切削速度、進給量、切削深度等，并進行必要的優化和調整。首先按照工藝路線進行粗加工，去除大部分余量，使零件接近最終形狀。其次進行半精加工，進一步修正零件的形狀和尺寸。最后進行精加工，使零件達到圖紙要求的形狀、尺寸和精度。零件設計圖紙分析與工藝規劃見表1，加工過程見表2。由表1 和表2 可知，該零件的加工工藝和流程科學合理，能夠確保零件的加工質量，且精度滿足設計要求。

表1 零件設計圖紙分析與工藝規劃

表2 加工過程

2.2 正確選擇切削作業參數

粗加工時，背吃刀量應盡可能大，以提高效率。考慮刀具、夾具和機床的強度和剛性，盡可能一次去除全部余量。中等功率機床背吃刀量為8～10 mm。若加工余量過大或不均勻，應采用多次走刀，避免一次切削過多[4]。半精加工時，背吃刀量一般為0.5～2.0 mm，具體可根據加工余量和表面粗糙度要求來確定。精加工時，背吃刀量應較小，一般為0.1～0.4 mm，以保證工件的表面光潔度和精度。進給量應適當減小，主要考慮加工精度和表面粗糙度，以及工件材料、刀尖圓弧半徑、切削速度等因素。刀尖圓弧半徑增大、切削速度提高時，可選擇較大進給量。用立銑刀銑削合金鋼30CRNI2MOVA 時，切削速度約為8 m·min-1。用同樣的刀具銑削鋁合金時，切削速度在200 m·min-1以上。

當刀尖圓弧半徑增大時，切削力會相應減小，從而提高切削速度。在加工過程中，如果刀尖圓弧半徑增大，可以選擇較大的進給量以提高加工效率。在銑削合金鋼30CRNI2MOVA 時，切削速度約為8 m·min-1。這是因為該合金鋼的硬度高、耐磨性好，需要較小的切削力和較高的切削溫度。在銑削這種材料時，應選擇較小的進給量和切削速度，以確保加工質量和刀具壽命。

2.3 正確選擇刀具

碳鋼和合金鋼材料具有良好的強度和硬度，但是在高速切削時可能產生高溫，因此應選用具有高溫穩定性和高硬度的涂層刀具。不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，但是加工時易產生黏結和積屑。可以選擇具有優良抗黏結性的CrN 涂層刀具或細晶粒硬質合金刀具，減少刀具磨損和工件表面粗糙度。鋁合金質輕且導熱性好，但是在加工過程中，材料容易產生積屑和劃傷。為了解決這個問題，可選擇金剛石涂層或聚晶金剛石（Polycrystalline Diamond，PCD）刀具。金剛石涂層刀具是利用表面涂層技術，將金剛石顆粒與黏結劑通過化學氣相沉積法附著在刀具表面，形成一層堅硬、耐磨的涂層。這種涂層具有很高的硬度和強耐磨性，能夠有效減少積屑和劃傷，提高加工效率。PCD 是利用高溫高壓將金剛石微粉聚合在一起形成致密的聚晶材料。PCD 刀具可有效承受高負荷的切削力和熱力，減少加工過程中出現的積屑和劃傷。這些刀具可以提供極佳的表面質量和較長的使用壽命，降低切削力和溫度，從而提高加工表面質量。

2.4 科學安排加工程序

先進行粗加工去除大部分余量，再進行半精加工接近最終尺寸，最后進行精加工和光整加工達到所需的表面質量。對于軸類零件，粗加工后留余量0.5～1.0 mm 進行半精車，再留0.1～0.2 mm 余量進行精車。優先加工裝配基面和工作表面等主要表面，以確保其精度和穩定性[5]。次要表面的加工通常在主要表面半精加工之后進行。次要表面的加工精度要求相對較低，主要是對主要表面進行進一步修整和細化。在次要表面的加工過程中，可以采用砂紙打磨或拋光機拋光，以去除表面粗糙的痕跡和局部缺陷，修正一些小的幾何形狀，提高整體表面質量。應根據具體情況合理安排次要表面的加工工藝，以確保最終產品的質量和性能。

對于箱體類零件，先加工用作定位的平面和孔的端面，再加工孔，以確保孔與平面的位置精度。先銑削箱體的頂面和底面，再進行鉆孔和鉸孔。軸類零件的頂尖孔作為精基準，應先進行粗車和半精車，再定位加工其他表面。對于含碳量大于0.4%的鋼件，可在粗加工前進行退火處理。在粗加工階段，對于箱體類零件，應先進行平面和孔的端面加工，以確保這些表面的精度，然后進行孔的加工，以確保孔與平面的位置精度。在銑削箱體的頂面和底面時，應確保加工的表面平整，無明顯瑕疵，再定位加工其他表面，如外圓、內孔和螺紋等。在加工過程中，應特別注意軸的幾何形狀精度和尺寸精度，以確保軸的性能和使用壽命。

高碳鋼的含碳量在0.6%以上。含碳量越高，其硬度、耐磨性就越好，但是韌性和可焊性相應降低。在粗加工前，可以進行退火處理。退火處理可以軟化鋼件，降低其硬度，從而減小切削力，減少刀具磨損，提高加工效率。在粗加工后，為消除殘余應力，對于重要零件應在粗加工后、半精加工前和精加工前各安排一次時效處理。對于精密主軸，可在每個加工階段之間安排時效處理。還應對零件進行淬火和高溫回火，以獲得良好的綜合力學性能。調質處理通常安排在粗加工后、精加工前進行。對于45 號鋼零件，可在粗車后進行調質處理。對于要求表面硬度高的齒輪零件，可在精車后進行滲碳淬火處理。在每道工序后、轉換加工間前和全部加工完畢后，可采用三檢制（自檢、互檢和專檢）來確保加工質量。在轉換車間前進行互檢，可以確保上道工序的加工質量符合要求。

3 結語

對精密機械零件加工中的表面質量控制與提升技術進行深入研究，得出一套系統的加工流程。該流程注重從粗加工到半精加工再到精加工的逐步細化過程，探討了熱處理工序和輔助工序在提高零件表面質量方面的重要作用。采用所提的加工流程和控制手段，能夠提高精密機械零件的表面質量，使其更好地滿足高精度機械裝配的嚴苛要求。