影響工件表面質(zhì)量的因素及改進(jìn)方法

潘秀梅

摘要：加工工件表面質(zhì)量是評(píng)價(jià)機(jī)械零部件質(zhì)量的指標(biāo)之一，提高加工工件表面質(zhì)量對(duì)于保證工件的使用性能具有重要意義。分析影響加工工件表面質(zhì)量的因素，提出提高工件表面質(zhì)量的方法，以期為機(jī)械加工實(shí)踐提供一定的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工；工件；表面質(zhì)量；影響因素；改進(jìn)方法

中圖分類號(hào)：TH161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）02-0073-03

加工表面質(zhì)量對(duì)于工件成為機(jī)器零件后的使用性能有很大影響，機(jī)器的工作性能、可靠性及壽命等很大程度上取決于主要零件的表面質(zhì)量。評(píng)價(jià)工件加工表面質(zhì)量的主要指標(biāo)有表面的粗糙度、表面層冷作硬化程度、表面層殘余應(yīng)力的性質(zhì)及大小等。

1 工件表面質(zhì)量對(duì)工件使用性能的影響

1.1 對(duì)工件工作精度的影響

粗糙度大的工件經(jīng)裝配后，由于實(shí)際接觸面積小，使得接觸剛度低，以致影響其工作精度。例如：在某些情況下，接觸剛度低會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)；粗糙度太大會(huì)影響液壓油缸及潤(rùn)滑的密封性，發(fā)生泄漏。

1.2 對(duì)工件耐磨性的影響

一般來說，粗糙度大的零件耐磨性差、易磨損，以致喪失其精度；但并不是粗糙度越小就越耐磨損。例如：機(jī)床導(dǎo)軌摩擦面的粗糙度以0.8～2.5 μmRa為最耐磨，粗糙度太小不利于潤(rùn)滑油的儲(chǔ)存，反而容易致其磨損。

1.3 對(duì)工件耐腐蝕性的影響

粗糙度大的零件容易被腐蝕。這是因?yàn)榇植诙却蟮墓ぜ砻嫒菀孜胶图蹥怏w及液體，當(dāng)其處于腐蝕性介質(zhì)中就會(huì)發(fā)生腐蝕。

1.4 對(duì)工件疲勞強(qiáng)度的影響

粗糙度大的零件容易造成應(yīng)力集中，因而降低工件的疲勞強(qiáng)度。已加工工件表面層金屬受交變載荷作用后產(chǎn)生的疲勞破壞，往往發(fā)生在零件表面和表面冷硬層下面，對(duì)疲勞強(qiáng)度影響很大。

2 影響工件表面質(zhì)量的因素

2.1 切削加工方面的因素

切削刃相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)時(shí)形成已加工表面的理論粗糙度。理論粗糙度取決于殘留面積的高度。在切削過程中，減少進(jìn)給量f、減小主偏角Kr、副偏角Kr'及增大刀尖圓弧半徑Ra，均可減小殘留面積的高度。此外，還應(yīng)增大刀具前角，選擇合適的潤(rùn)滑液，提高刀具刃磨質(zhì)量，并在切削加工時(shí)盡量避免產(chǎn)生積屑瘤、鱗刺、振動(dòng)等影響工件表面質(zhì)量的因素。

工件材料性質(zhì)對(duì)表面質(zhì)量有一定的影響。塑性材料加工變形和硬化都比較嚴(yán)重，與刀具表面的冷焊現(xiàn)象比較強(qiáng)，不易斷屑，很難獲得好的加工表面質(zhì)量。脆性材料在加工時(shí)，切屑不經(jīng)過塑性變形就突然崩裂，使切屑呈碎粒狀，在加工表面留下許多麻點(diǎn)，導(dǎo)致表面粗糙。

磨削加工是靠砂輪表面隨機(jī)排列大量磨粒完成的，每一個(gè)磨粒都可以看作一把微小的切刀，它們的幾何形狀和標(biāo)注角度有很大差異，各自的工作情況相去甚遠(yuǎn)。磨削加工表面粗糙度的形成是由砂輪磨粒的幾何形狀和工件表面金屬塑性變形決定的。主要影響因素包括：砂輪的粒度，砂輪的硬度，砂輪的修整，磨削速度，磨削徑向進(jìn)給量與光磨次數(shù)，工件圓周進(jìn)給速度與軸向進(jìn)給量，以及冷卻潤(rùn)滑液等。

2.2 物理機(jī)械性能方面的因素

2.2.1 表面層材料金相組織變化 切削熱使被加工表面的溫度超過相變溫度后，表層金屬的金相組織將會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)被磨工件表面層溫度達(dá)到相變溫度以上時(shí)，表層金屬發(fā)生金相組織的變化，使表層金屬?gòu)?qiáng)度和硬度降低，并伴有殘余應(yīng)力產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)微觀裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。磨削熱是造成磨削燒傷的根源，因此應(yīng)盡可能地減少磨削熱的產(chǎn)生；同時(shí)，改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。

2.2.2 表面層冷作硬化 機(jī)械加工過程中因切削力作用產(chǎn)生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長(zhǎng)和纖維化、甚至破碎，這些都會(huì)使表面層金屬的硬度和強(qiáng)度提高，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化（也稱為強(qiáng)化）。表面層金屬?gòu)?qiáng)化會(huì)增大金屬變形的阻力，減小金屬的塑性，金屬的物理性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。被冷作硬化的金屬處于高能位的不穩(wěn)定狀態(tài)，只要一有可能，金屬的不穩(wěn)定狀態(tài)就要向比較穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，這種現(xiàn)象稱為弱化。弱化作用的大小取決于溫度的高低、溫度持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短和強(qiáng)化程度的大小。由于金屬在機(jī)械加工過程中同時(shí)受到力和熱的作用，因此加工后表層金屬的最后性質(zhì)取決于強(qiáng)化和弱化綜合作用的結(jié)果。評(píng)定冷作硬化有3個(gè)指標(biāo)，即表層金屬的顯微硬度HV、硬化層深度h和硬化程度N。

冷作硬化受以下因素影響：切削刃鈍圓半徑增大，對(duì)表層金屬的擠壓作用增強(qiáng)，塑性變形加劇，導(dǎo)致冷硬增強(qiáng)；刀具后刀面磨損增大，后刀面與被加工表面的摩擦加劇，塑性變形增大，導(dǎo)致冷硬增強(qiáng)；切削速度增大，刀具與工件的作用時(shí)間縮短，使塑性變形擴(kuò)展深度減小，冷硬層深度減小；切削速度增大后，切削熱在工件表面層上的作用時(shí)間也縮短，將使冷硬程度增加；進(jìn)給量增大，切削力也增大，表層金屬的塑性變形加劇，冷硬作用加強(qiáng)；工件材料的塑性愈大，冷硬現(xiàn)象就愈嚴(yán)重。

2.2.3 表面層殘余應(yīng)力 表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因：一是切削時(shí)在加工表面金屬層內(nèi)有塑性變形發(fā)生，使表面金屬的比容加大。由于塑性變形只在表層金屬中產(chǎn)生，而表層金屬的比容增大、體積膨脹，不可避免地要受到與它相連的里層金屬的阻止，因此在表面金屬層產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。二是切削加工中，切削區(qū)會(huì)有大量的切削熱產(chǎn)生。三是不同金相組織具有不同的密度和比容，如果表面層金屬產(chǎn)生了金相組織的變化，表層金屬比容的變化必然要受到與之相連的基體金屬的阻礙，因而就有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。

零件主要工作表面最終工序加工方法的選擇至關(guān)重要，因?yàn)樽罱K工序在該工作表面留下的殘余應(yīng)力將直接影響機(jī)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。在交變載荷作用下，機(jī)器零件表面上的局部微觀裂紋，會(huì)因拉應(yīng)力的作用使原生裂紋擴(kuò)大，最后導(dǎo)致零件斷裂。從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，該表面最終工序應(yīng)選擇能在該表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力的加工方法。

3 提高工件表面質(zhì)量的方法

通過前述分析，可從切削條件（切削速度、進(jìn)給量、切削液），刀具（幾何參數(shù)、切削刃形狀、刀具材料、磨損情況），工件材料及熱處理，以及工藝系統(tǒng)剛度和機(jī)床精度等方面入手，來提高工件表面質(zhì)量。

1） 刀具方面。應(yīng)盡量讓工件表面粗糙度達(dá)到理想狀態(tài)。為了減少殘留面積，應(yīng)選用適合工件材料性能的刀具進(jìn)行加工，避免使用磨損嚴(yán)重的刀具，采取合理的斷屑方式。在磨削過程中選用合理粒度的砂輪并采用適合的硬度，有利于減小表面粗糙度。

2） 切削條件方面。在加工過程中，減小進(jìn)給量，以較高的切削速度切削塑性材料，可以減少積屑瘤及鱗刺的產(chǎn)生。同時(shí)，選用高效切削液，增強(qiáng)工藝系統(tǒng)剛度，提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，可提高工件的表面質(zhì)量。

3） 工件材料方面。工件材料的塑性和金相組織對(duì)加工表面質(zhì)量影響較大。對(duì)于塑性大的低碳鋼、低合金鋼材料，可在加工前進(jìn)行正火處理，以降低塑性、提高切削性能，使其切削加工后得到較好的表面質(zhì)量。

4） 加工方法方面。采用精密、超精密切削及光整加工。例如，選擇剛性好的超精密機(jī)床，以防止切削時(shí)發(fā)生震動(dòng)；采用高轉(zhuǎn)速加工工件，切削速度高可使切削時(shí)不形成鱗刺和積屑瘤；減小刀具前后刀面的粗糙度，以提高切削刃的平整度；在后刀面上做出一個(gè)后角為0°的熨平面棱帶，可將已加工表面上的犁溝、黑小坑和不平的晶粒表面熨平；在進(jìn)行磨削加工時(shí)，應(yīng)選用較小的徑向進(jìn)給量、較大的砂輪速度和較小的軸向進(jìn)給速度；采用細(xì)粒度砂輪，精細(xì)修整砂輪工作表面，使砂輪磨粒鋒利，以達(dá)到較好的磨削效果；選擇適宜的磨削液，可獲得較好表面質(zhì)量。

5） 物理機(jī)械性能方面。減少加工表面層硬化和殘余應(yīng)力可提高加工表面質(zhì)量。合理選擇刀具的幾何形狀，采用較大的前角和后角，并在刃磨時(shí)盡量減小其切削刃口半徑；使用刀具時(shí)，應(yīng)合理限制其后刀面的磨損寬度；合理選擇切削用量，采用較高的切削速度和較小的進(jìn)給量；加工時(shí)使用有效的切削液，可減少加工表面層變形強(qiáng)化。當(dāng)零件表面存在殘余應(yīng)力時(shí)，其疲勞強(qiáng)度會(huì)明顯下降，特別是對(duì)有應(yīng)力集中或在有腐蝕性介質(zhì)中工作的零件，影響更為突出，為此應(yīng)盡可能在機(jī)械加工中減小或避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力。但影響殘余應(yīng)力產(chǎn)生的因素較為復(fù)雜，總的說來，凡是能減小塑性變形和降低切削溫度的因素都能使已加工表面的殘余應(yīng)力減小。