機加工方法對機械加工面表面質量的影響

韓洋 趙海洋

摘 要：隨著高精密機床的不斷發展，對機床的剛度要求更高。不同的機加工過程，切削力的影響不同。與機械加工面的機加工方法有直接的關系。本文通過機加工切削過程的變形區，研究機加工方法對機械加工表面質量的影響。

關鍵詞：機加工；表面質量；切削層

1.機加工切削過程中的三個變形區

金屬切削是切削層金屬受到刀具前后面的推擠后產生的以剪切滑移為主的塑性變形過程。在刀具作用下，切屑和已加工表面層金屬都要產生彈性變形和塑性變形。金屬在被切削時，刀具與金屬表面接觸部分被劃分為三個區域。

如圖1.1為金屬切削時的變形區。

圖1.1金屬切削時的變形區

第一變形區：塑性變形首先在OA線處開始發生，切削的剪切滑移到OM線完成。OA與OM所包圍的區域稱為第一變形區，見圖1.1（Ⅰ區）。

第二變形區：切削時，切屑繼續受到前到面的作用，發生摩擦和擠壓，使得表面的金屬發生塑性變形，呈現出纖維化并與前刀面平行。這一區域為第二變形區，見圖1.1（Ⅱ區）。

第三變形區：機械加工面受到背刀面的擠壓與摩擦，造成機械加工面金屬加工硬化與纖維化。這一區稱為第三變形區，見圖1.1（Ⅲ區）。第三變形區就是加工完得到的機械加工面，由于表面受到擠壓與摩擦，會在機械加工面上將形成形變層。如圖1.2為磨削加工過程的示意圖。

圖1.2磨削加工過程示意圖

當磨粒與工件初接觸時，因為磨粒只有較大的負前角和較大的切削刃鈍圓半徑，故磨粒并沒對表面進行切削，而只是在加工表面上進行滑擦，這時只有彈塑性變形，而無切屑，這一階段稱為第Ⅰ階段。當切削厚度增大到一定程度時，磨粒進入工件表面，在表面形成新犁溝槽，兩側隆起，磨粒和工件摩擦擠壓加劇。同時熱應力也急劇增加，有少量的工件材料被切離成切屑，這一階段稱為第Ⅱ階段。之后切屑沿剪切面連續形成，稱為第Ⅲ階段。由于磨粒分布的高度不同，所以這三個階段可以連續存在，也可以獨立存在。

在磨削過程中起切削作用的是磨粒，每一個磨粒可以近似看成是微小的刀齒，而這些微小刀齒的幾何形狀和角度也有很大差異，磨粒一般都具有較大的負前角，尖角處均有頓圓半徑，并且在磨削過程中隨著磨粒的磨損還將不斷增大，致使不同的磨粒切削情況相差甚遠。砂輪表層有大量的磨粒同時切削，而且磨粒都具有較大的負前角和頓圓半徑，因此在磨削時總的磨削力很大。又由于磨削過程中砂輪轉速高、切削厚度小且磨粒很鈍，所以切除單位體積的所消耗的能量為其他切削加工方法的10倍-20倍，磨削所消耗的能量幾乎全部轉化為熱。這樣可能使得機械加工面產生燒傷，并產生相變。

2.機械加工面表面質量評價

機械加工表面質量評價是零件加工技術要求的一個重要組成部分。零件的表面質量對產品的工作性能、可靠性和耐磨性等都有很大影響。隨著工業技術的迅速發展，對零件表面質量的要求越來越高。零件的加工表面質量包括零件的表面幾何特性和物理力學性能兩方面。通過對切削過程的可發現，切削形成新表面對機械加工面表面質量有很大的影響。

表面幾何特性包括：表面粗糙度，表面波度等。表面粗糙度是指加工表面上較小距離的峰谷所組成的表面微觀幾何形狀特性。一般情況下，受到加工中工藝系統的高頻振動及切削刀具運動軌跡等多種影響。用表面輪廓算術平均偏差Ra，輪廓最大高度Ry和微觀不平度十點高度Rz等參數來評定，優先推薦Ra參數。

表面波度指介于宏觀幾何形狀誤差與微觀幾何形狀誤差（即表面粗糙度）之間的一種周期性幾何形狀誤差。對于表面波度的表征方法，目前尚無統一的規定。一般有二種表征方法：一種是根據其周期來表征，即波幅和波長；另一種是根據波紋的輪廓形狀來表征，如圓弧形、尖峰形和鋸齒形等。

實際中，組成機床各個部分的零件都是通過機加工方法得到的。對于一般機床對零件，首先考慮零件的尺寸精度，主要表面波度及表面粗糙度等宏觀要求。

不同的機加工方法可以加工出相同粗糙度的表面，但是加工出的表面形貌卻不同。表2-1所示各種機加工方法的表面特征及其粗糙度。

表2-1各種機加工方法的表面特征及其粗糙度

由表可知，不同加工方法得到機械加工面的表面粗糙度差別范圍較大。機加工過程中不僅對其宏觀形貌有較大的影響。事實上，由于加工表面受到切削力的作用，使表面金屬的晶格發生畸變、扭曲、纖維化、破碎并發生了塑性變形。加工過程中的切削熱又會使變形后的表面發生回復再結晶、相變，也會改變加工面金屬的組織及其性能。機械加工面并不是理想的幾何平面，而是分了至少五層的層狀結構。實際中，不同機加工方法產生的形變硬化層也不同，主要表現在形變硬化層的硬化程度和深度方面，如表2-2所示。

表2-2各種加工方法所得的加工層硬化程度和深度

結論

本文分析了在刀具作用下，加工表面層金屬產生彈性變形和塑性變形。介紹了機械加工表面質量評價。給出了各種機加工方法的表面特征及其粗糙度以及各種加工方法所得的加工層硬化程度和深度。對針對零部件要求選取加工方式方法有積極的意義。

參考文獻

[1]王勇華，朱華，黃孝龍.金屬材料沖擊磨損的研究現狀[J].礦山機械，2004，（12）：86.87.