金屬加工表面質(zhì)量的影響因素及改進(jìn)措施

劉曉敏/天津職業(yè)大學(xué)

金屬加工表面質(zhì)量的影響因素及改進(jìn)措施

劉曉敏/天津職業(yè)大學(xué)

機(jī)械加工表面質(zhì)量，是指零件在機(jī)械加工后被加工面的微觀不平度，也叫粗糙度，其加工后的表面質(zhì)量直接影響被加工件的物理、化學(xué)及力學(xué)性能。分析機(jī)械加工過(guò)程中影響加工表面質(zhì)量的各種工藝因素，改善表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品使用性能具有重要的意義

粗糙度；機(jī)械加工工藝；金屬切削

1.表面質(zhì)量的含義

任何機(jī)械加工的表面，不可能是理想的光滑表面，總是存在一定的微觀幾何形狀誤差。表面材料在加工時(shí)受切削力、切削熱的影響，也會(huì)使原有的物理-機(jī)械性能發(fā)生變化。表面質(zhì)量包括：

（1）加工表面粗糙度。是指加工表面的較小間距和微小峰谷的微觀幾何形狀誤差。

（2）表面層的物理——機(jī)械性能變化。物理-機(jī)械性能變化主要有以下三個(gè)方面的內(nèi)容：

①表面層的冷作硬化。在機(jī)械加工過(guò)程中，工件表面層金屬產(chǎn)生了強(qiáng)烈的塑性變化，使表層的強(qiáng)度和硬度都有所提高，稱表面冷作硬化。

②表面層殘余應(yīng)力。在切削加工過(guò)程中，由于切削變形和切削熱的影響，在加工表面會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，如果殘余應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生表面裂紋，表面的微觀裂紋將給零件帶來(lái)嚴(yán)重的隱患。

③表面層金相組織的變化。工件表面經(jīng)磨削精加工時(shí)，磨削產(chǎn)生的高溫，會(huì)燒壞工作表面，使淬火鋼件表面退火，引起表層金屬發(fā)生相變,將大大降低表面層的物理-機(jī)械性能。

2.機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)機(jī)器使用性能的影響

2.1對(duì)耐磨性的影響

（1）表面粗糙度對(duì)零件表面磨損的影響。表面粗糙度值愈小，其耐磨損性愈好。但表面粗糙度值太小，潤(rùn)滑油不易儲(chǔ)存，接觸面之間容易發(fā)生分子粘接，磨損反而增加。

（2）表面冷作硬化對(duì)耐磨性的影響。加工表面的冷作硬化一般可使耐磨性提高。但過(guò)分的冷作硬化將引起金屬組織過(guò)度疏松，甚至出現(xiàn)裂紋和表層金屬的剝落，使耐磨性下降。

2.2對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

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，因此零件的表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度影響很大。

（1）表面粗糙度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。表面粗糙度值愈大，表面的紋痕愈深，紋底半徑愈小，抗疲勞破壞的能力就愈差。

（2）殘余應(yīng)力、冷作硬化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。表面層殘余拉應(yīng)力，將使疲勞裂紋擴(kuò)大，加速疲勞破壞；而表面層殘余壓應(yīng)力，能夠阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，延緩疲勞破壞的產(chǎn)生；表面冷硬化一般伴有殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生，可以防止裂紋產(chǎn)生并阻止已有裂紋的擴(kuò)展，對(duì)提高疲勞強(qiáng)度有利。

2.3對(duì)耐蝕性的影響

零件的耐蝕性，在很大程度上取決于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，則凹谷中聚積腐蝕性物質(zhì)就愈多，抗蝕性就愈差；表面層的殘余拉應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，降低零件的耐磨性，而殘余壓應(yīng)力則能防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

2.4對(duì)配合質(zhì)量的影響

對(duì)于間隙配合，粗糙度值大會(huì)使磨損加大，間隙增大，破壞了要求的配合性質(zhì)；對(duì)于過(guò)盈配合,裝配過(guò)程中一部分表面凸峰被擠平，實(shí)際過(guò)盈量減小，降低了配合件間的聯(lián)接強(qiáng)度。

3.影響表面粗糙度的因素

（1）切削加工影響表面粗糙度的因素。在加工表面留下了切削層殘留面積，其形狀是刀具幾何形狀的復(fù)映。減小進(jìn)給量 vf、主偏角、副偏角以及增大刀尖圓弧半徑，均可減小殘留面積的高度。

（2）工件材料的性質(zhì)。加工塑性材料時(shí)，由于刀具對(duì)金屬的擠壓，產(chǎn)生了塑性變形，加之刀具迫使切屑與工件分離的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。加工脆性材料時(shí)，其切屑呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點(diǎn)，使表面粗糙度增大。

（3）磨削加工影響表面粗糙度的因素。

①砂輪的粒度與硬度。砂輪硬度應(yīng)適當(dāng)，應(yīng)使磨粒鈍后會(huì)及時(shí)脫落，露出新的磨粒來(lái)繼續(xù)切削，即具有良好的“自礪性”。

②砂輪的修整。砂輪應(yīng)及時(shí)修整，以去除已鈍化的磨粒，保證砂輪具有微刃性和等高性。

③磨削速度、徑向進(jìn)給量、光磨次數(shù)、工件圓周進(jìn)給速度與軸向進(jìn)給量。減小磨削用量和提高砂輪速度，可以增加工件單位面積上的刻痕數(shù)，同時(shí)可降低因塑性變形造成的表面粗糙度。

④切削液。切削液對(duì)加工過(guò)程起冷卻和潤(rùn)滑作用，能降低切削區(qū)的溫度，減少刀刃與工件的摩擦。

⑤工件材質(zhì)。工件材料的硬度、塑性、韌性和導(dǎo)熱性能等，對(duì)表面粗糙度有顯著的影響。工件材料太硬時(shí)，磨粒易鈍化；太軟時(shí)，砂輪易堵塞；韌性大和導(dǎo)熱性能差的材料，使磨粒早期崩落，而破壞了微刃的等高性，因而均使表面粗糙度增高。

4.影響加工表面層物理機(jī)械性能的因素

4.1冷作硬化及其因素

（1）金屬的冷作硬化。在機(jī)械加工過(guò)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。

（2）影響冷作硬化的主要因素。切削刃鈍圓半徑增大，塑性變形加劇，導(dǎo)致冷硬增強(qiáng)。刀具后刀面磨損增大，塑性變形增大，導(dǎo)致冷硬增強(qiáng)。切削速度增大，塑性變形擴(kuò)展深度減小，冷硬層深度減小。進(jìn)給量增大，冷硬作用加強(qiáng)。工件材料的塑性愈大，冷作硬化現(xiàn)象就愈嚴(yán)重。

4.2表面層材料金相組織的變化

（1）磨削燒傷。當(dāng)被磨工件表面層的溫度達(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。

（2）表面層殘余應(yīng)力。在切削力作用下，表面層受拉應(yīng)力作用，產(chǎn)生伸長(zhǎng)塑性變形，表面積趨向增大，里層處于彈性變形狀態(tài)下。當(dāng)切削力去除后，里層金屬趨向復(fù)原，但受到表面層的限制，恢復(fù)不到原狀，因而在表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，里層則為拉應(yīng)力與之相平衡。

（3）熱塑性變形的影響。表面層在切削熱的作用下產(chǎn)生熱膨脹，此時(shí)基體溫度較低，因此表面層熱膨脹受基體的限制產(chǎn)生熱壓縮應(yīng)力。當(dāng)表面層的溫度超過(guò)材料的彈性變形范圍時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱塑性變形。當(dāng)切削過(guò)程結(jié)束，溫度下降至與基體溫度一致時(shí)，因?yàn)楸砻鎸右旬a(chǎn)生熱塑性變形，但受到基體的限制產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力，里層則產(chǎn)生了壓應(yīng)力。

（4）金相組織變化的影響。切削時(shí)產(chǎn)生的高溫，會(huì)引起表面層的相變。表面層體積膨脹時(shí)，因受到基體的限制，產(chǎn)生了壓應(yīng)力。反之，表面層體積縮小，則產(chǎn)生拉應(yīng)力。

5.結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械加工表面對(duì)機(jī)器零件的使用性能如耐磨性、接觸剛度、疲勞強(qiáng)度、配合性質(zhì)、抗腐蝕性能及精度的穩(wěn)定性等有很大的影響，因此對(duì)機(jī)器零件的重要表面應(yīng)提出一定的表面質(zhì)量要求。影響表面質(zhì)量的因素是多方面的，應(yīng)該綜合考慮各方面的因素，對(duì)表面質(zhì)量根據(jù)需要提出比較經(jīng)濟(jì)適用性的要求。

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