機械加工表面質量的工藝分析及改善方法研究

邱德元

(徐州機電工程高等職業學校，江蘇徐州221011)

0 引言

現代工業對制造的零件提出很多要求，比如必須能在高速運動、高溫、高壓及重載等條件下，保證長時間穩定、快速、準確地工作，這也就對零件的表面質量提出一系列的挑戰。我們知道，任何機械加工方法所獲得的零件，加工表面都不可能達到理想狀態，總會存在微觀不平、溝痕、裂紋、表面層金屬相變和殘余應力等缺陷，這些缺陷會影響零件的使用性能、壽命及可靠性。因此，機械加工既要保證零件的尺寸、形狀和位置精度，又要保證機械加工表面質量。

1 機械加工表面質量對零件使用性能的影響

1.1 表面質量對耐磨性的影響

零件的磨損可分為三個階段，在初期磨損階段，一開始只是在兩表面波峰接觸，實際的接觸面積很小。零件受力時波峰接觸部分壓強很大，磨損非常顯著。其后，實際接觸面積增大，磨損變緩，進入正常磨損階段。該階段零件的耐磨性最好，持續時間也較長。最后，由于波峰被磨平，表面粗糙度參數值變得非常小，不利于潤滑油的儲存，且使接觸表面之間的分子親和力增大，摩擦阻力增大，進入急劇磨損階段。

1.2 表面質量對零件疲勞強度的影響

零件在交變載荷的作用下，其表面微觀不平的凹谷處和缺陷處容易應力集中而產生疲勞裂紋，造成零件的疲勞破壞。實驗表明，減小零件表面粗糙度可提高零件的抗疲勞強度。表面層的適度硬化可阻礙表面層疲勞裂紋的出現，但硬化過度易產生裂紋，故表面層硬化的程度與深度也應合理控制。表面殘余壓應力能延緩疲勞裂紋擴展，提高零件的疲勞強度；殘余拉應力容易使零件表面產生裂紋而降低疲勞強度。

1.3 表面質量對配合性能的影響

對于間隙配合，表面太粗糙會使配合面很快磨損而增大配合間隙，特別對于液壓系統、氣壓系統的元件，會使泄露量增大，影響正常工作；對于過盈配合，表面太粗糙會使配合表面的波峰被擠平，降低了配合件的連接強度，影響配合可靠性。因此，有配合要求的表面一般都要求較小的表面粗糙度，配合要求越高，配合的表面粗糙度值越小。

1.4 表面質量對零件耐腐蝕性及零件其他性能的影響

腐蝕性介質容易吸附和積聚在粗糙表面的凹谷處，并通過微細裂紋向內滲透。實踐證明，表面越粗糙腐蝕作用越強。殘余壓應力使零件表面緊密，增強零件耐腐蝕性；而殘余拉應力降低耐腐蝕性。因此，較小零件表面粗糙度、適當的表面殘余應力和加工硬化，均可提高抗腐蝕性。

2 影響表面粗糙度的工藝因素及改善方法

2.1 切削加工影響表面粗糙度的因素

2．1．1 刀具幾何形狀

減小進給量、主偏角、副偏角、適當增大前角、合理選擇潤滑液、提高刀具刃磨質量、抑制積屑瘤、鱗刺的生成，都是減小表面粗糙度值的有效方法。

2．1．2 工件材料的性質

加工塑性材料時，塑性變形和切屑與工件分離的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。韌性愈好就愈粗糙。加工脆性材料時，切屑的崩碎留下斑點使表面粗糙。

2．1．3 切削條件

包括切削用量、冷卻潤滑情況。

切削液的冷卻、潤滑作用抑制積屑瘤和鱗刺的生成，可有效減少表面粗糙度。

2.2 磨削加工影響表面粗糙度的工藝因素

2．2．1 砂輪

1）磨料。磨削鋼件及鑄鐵件，宜采用氧化鋁磨料，因為其微韌性和等高性好，使表面的殘留高度小，磨削區金屬高溫軟化、鈍化微刃的滑擦和擠壓將工件表面凸峰輾平，會降低表面粗糙度。碳化硅磨料韌性差，顆粒呈針片狀，磨削時易細微碎裂堵塞砂輪，增加工件塑性變形，表面粗糙，主要加工有色金屬。

2）粒度。大粒度砂輪以微切削為主，形成較深的溝槽和輾壓痕跡，表面粗糙度大；細粒度砂輪經精細修整呈半鈍態微刃，拋光作用降低表面粗糙度。但粒度太小，磨削區高溫易燒傷工件。

3）砂輪的修整。砂輪修整導程一般為10～15mm/min，修整深度為2.5μm/單導程。修整導程（縱向進給）和修整深度越小，粗糙度值越小。但修整導程過小易燒傷工件，產生螺旋形等缺陷。

2．2．2 磨削用量

1）提高砂輪速度可減小表面粗糙度。但過高磨削熱會燒傷工件，對表面粗糙度不利。

2）工件速度。較大易產生振動，有波紋；較低易產生燒傷缺陷，影響表面粗糙度。

3）工件的縱向進給量過大，會使得表面粗糙度增大；橫向進給量不能超過微刃高度，否則也增加表面粗糙度。

2.3 減小表面粗糙度值的加工方法

精密與超精密加工

通常將加工精度在0.1～1μm，加工表面粗糙度值Ra 0.02～0.1μm之間的加工方法稱為精密加工，而將加工精度高于0.1μm,Ra＜0.01μm的加工方法稱為超精密加工。

2．3．1 微量切削

微量切削加工精度可達到0.075μm，相當于從材料晶格上逐個去除原子。微量切削刀具有天然金剛石刀具、高性能陶瓷刀具、TiN、CBN等，其中天然金剛石可加工出高質量的超光滑表面,Ra 0.005～0.02μm。

2．3．2 磨料加工

磨料加工包括研磨、拋光、珩磨等。研磨是用研磨盤和研磨劑從工件表面上研去一層極薄金屬的精加工方法，尺寸誤差1～0.1μm，Ra=0.025～0.008μm。拋光分傳統的接觸式和新型非接觸式，主要是改變表面質量，非接觸式拋光加工可達到Ra0.008μm。珩磨是利用珩磨條對工件表面施加一定壓力并同時作相對旋轉和往復直線運動切削工件上極小余量的精加工方法，主要對孔加工，加工精度達到1～0.1μm,Ra=0.025～0.01μm。

2．3．3 特種加工

特種加工主要是利用機、電、聲、熱、化學、磁、原子能等能量來進行加工的非傳統加工方法。特種加工不主要依靠機械能、工具硬度可低于工件硬度或者不需要任何工具、不存在顯在的機械切削力等，可加工任何硬度、強度、韌性、脆性的金屬、非金屬材料或者復合材料，特別適合于加工復雜、微細表面和低剛度零件，同時，有些方法還可以進行超精密加工、鏡面加工、光整加工以及納米級（原子級）的加工。如最精密的離子束加工的精度最高可以達到0.001μm，可加工任何材料，Ra可達0.01μm以下。

2．3．4 復合加工復合加工是以上各種加工方法的綜合應用，例如電解磨削、電解研磨、電解拋光、超聲車削、超聲磨削等。加工精度可達納米級，Ra可達0.01μm以下。

3 影響零件表面層力學性能的工藝因素及改善方法

3.1 表面層的加工硬化

金屬材料在再結晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現象叫加工硬化（又稱冷硬）。加工硬化是強化作用和恢復作用的綜合結果。

3.2 表面殘余應力

表面層的殘余應力的產生主要有三種原因：冷態塑性變形、熱態塑性變形和金相組織變化。工件表面層的殘余應力，切削加工時主要由冷態塑性變形引起的殘余應力，磨削加工時主要是熱態塑性變形和金相組織變化引起體積變化而產生的殘余應力。總之，凡能減小塑性變形和降低加工溫度變化的的因素，都可以減少零件表層殘余應力。

3.3 表面層金相組織的變化

機械加工過程中,在加工區所消耗的能量絕大部分轉化為熱能使加工表面出現溫度升高，當超過某一臨界溫度時,表面層金相組織就會發生變化。

一般的切削加工影響較小。對于磨削加工，單位面積上產生的切削熱比一般切削方法大幾十倍，切削區高溫將引起表面層金屬的相變。

4 結束語

機械制造業是工業的命脈。隨著科技的發展，各種加工方法也不斷涌現，如電火花加工、激光加工、超聲波加工、電子束與離子束加工等，只有在了解影響機械加工表面質量的工藝因素后，在生產實踐中不斷改善方法，綜合加工，才能提高機械加工產品的生產效率，保證其穩定、快速、準確的使用性能，延長其使用壽命。

［1] 張建華，主編.精密與特種加工技術[M] .機械工業出版社，2003，7．

［2] 陸劍中，周志明.金屬切削原理與刀具[M] .機械工業出版社，2008，9．

［3] 朱鵬超．數控加工技術[M] .高等教育出版社，2007．

［4] 張國文．機械制造基礎[M] .人民郵電出版社，2006．

［5] 朱正欣．機械制造技術[M] .北京：機械工業出版社，1999．