機(jī)械加工過程中金屬材料表面質(zhì)量及精度控制方法

張立榮，孟祥海，張 偉

社會(huì)生產(chǎn)環(huán)境的變化，使得當(dāng)前各行各業(yè)都在逐步向著自動(dòng)化、機(jī)械化、信息化的方向發(fā)展，各類交通運(yùn)輸工具、設(shè)備等都需要大量的金屬材料和零件進(jìn)行生產(chǎn)加工。所以要保證機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量，就需要以加工合格的材料零件作為基礎(chǔ)保障。現(xiàn)階段重要的材料零件加工辦法都是通過機(jī)床切削加工的方法，來消除材料多余的部分獲得設(shè)計(jì)好的零件形狀，而加工時(shí)對(duì)于表面質(zhì)量和精度的控制對(duì)于零件加工的整體質(zhì)量都會(huì)有十分重要的影響，所以下文就主要分析關(guān)于材料零件加工中的表面質(zhì)量控制問題。

1 機(jī)械加工的相關(guān)內(nèi)容概述

1.1 材料表面質(zhì)量

機(jī)械加工中的材料表面質(zhì)量，一般是指在加工后，零件表面所呈現(xiàn)出的物理形狀和特征，材料零件表層上微觀幾何結(jié)構(gòu)的變化和材料性質(zhì)的變化是否滿足加工的需求。雖然肉眼看去，加工材料可能較為平滑，但是從微觀層面上觀看，材料表面并不像看上去的平整光滑，還會(huì)存在不同程度的紋路、凹凸等情況，這些因素都會(huì)直接影響到零件的表面質(zhì)量。加工中材料表面的幾何特征主要會(huì)關(guān)注到以下幾個(gè)方面：表面粗糙度；表面波度；表面的加工紋理；表面產(chǎn)生的缺陷。圖1 為預(yù)期效果和實(shí)際加工的不同表面質(zhì)量。

圖1 預(yù)期和實(shí)際加工的不同質(zhì)量效果

1.2 機(jī)械加工精度

材料加工精度通常是指的在經(jīng)過加工之后，零件的實(shí)際參數(shù)與預(yù)先設(shè)計(jì)好的參數(shù)值，兩者之間的差距，兩者之間的差距越小就說明加工精度就越符合預(yù)期值，加工精度也就越高。所以這就要求現(xiàn)代機(jī)械加工領(lǐng)域中，對(duì)加工誤差的要求越來越高，盡量將加工誤差控制在一個(gè)小范圍內(nèi)來保證零件的可靠性和精度。對(duì)于零件加工的精度要求，主要是涉及到形狀、尺寸、位置三個(gè)因素，而且這三類因素之間也是互相關(guān)聯(lián)的。從尺度因素來看，尺度因素會(huì)限制材料加工表面和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之間的誤差控制；然后是形狀精度，會(huì)限制材料加工表面所呈現(xiàn)出的幾何性狀的誤差情況；最后就是位置精度，材料加工表面與基準(zhǔn)之間的相互位置差距，最終的加工誤差會(huì)直接影響到材料零件的精度情況。

2 影響材料加工質(zhì)量和精度的因素

2.1 機(jī)床加工性能

現(xiàn)代工業(yè)中對(duì)于各種工件、零件的生產(chǎn)加工，一般都是通過機(jī)床制作完成的，所以機(jī)床本身的性能也會(huì)直接影響到加工的質(zhì)量和精度。如機(jī)床的幾何位置誤差就會(huì)影響到零件加工的質(zhì)量和精度，直接影響因素就是關(guān)于主軸回轉(zhuǎn)誤差和傳動(dòng)鏈當(dāng)中的誤差，由于主軸在回轉(zhuǎn)過程中，主軸實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于其平均回轉(zhuǎn)線有一定的誤差，可能會(huì)直接影響加工精度，而從傳動(dòng)鏈誤差來看，主要是涉及到機(jī)床兩邊傳動(dòng)元件之間的相互運(yùn)動(dòng)位置的差距。

2.2 出現(xiàn)定位誤差

加工中出現(xiàn)定位誤差主要是關(guān)乎兩個(gè)方面，一類是由于加工基準(zhǔn)數(shù)據(jù)無法重合導(dǎo)致的誤差，一類就是加工位置不準(zhǔn)確導(dǎo)致的位置。由于在機(jī)床中對(duì)零件進(jìn)行加工時(shí)，往往是需要通過幾何參數(shù)來作為定位的標(biāo)準(zhǔn)參考，當(dāng)時(shí)由于加工中選擇的定位基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)圖紙中的基準(zhǔn)，可能會(huì)在實(shí)際中出現(xiàn)數(shù)值誤差，就可能會(huì)導(dǎo)致基準(zhǔn)無法重合的問題，而且由于機(jī)床中的夾具在定位元件中也不可能完全準(zhǔn)確，實(shí)際的尺寸往往都會(huì)在可控的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，如果超出范圍就可能會(huì)導(dǎo)致較大誤差。

2.3 刀具方面的性能誤差

刀具在不斷加工的工程中可能會(huì)出現(xiàn)磨損的問題，這樣刀具自身的參數(shù)值就會(huì)產(chǎn)生變化，如果在加工中不將刀具磨損參數(shù)值考慮到其中，就可能會(huì)間接導(dǎo)致在材料加工中，尺寸和形狀也會(huì)無法達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，產(chǎn)生一些數(shù)值上的誤差，進(jìn)而影響精度和質(zhì)量。刀具磨損帶來的數(shù)值變化會(huì)直接影響加工的精度，而且也會(huì)根據(jù)不同刀具的特性帶來不同的差異。所以，加工中對(duì)于刀具材料選擇和參數(shù)值變化應(yīng)該做到了解。合理控制切削方法和數(shù)量也是減少刀具磨損的重要手段。

2.4 誤差調(diào)整

不同材料加工，需要根據(jù)實(shí)際要求來對(duì)工件或者機(jī)床編程參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，但是由于數(shù)值對(duì)于加工會(huì)產(chǎn)生極大影響，調(diào)整的幅度往往也不易掌控，如果誤差調(diào)整差異較大，可能就會(huì)直接出現(xiàn)殘次品，因此就需要數(shù)值調(diào)整時(shí)，進(jìn)行精確計(jì)算，明確參數(shù)設(shè)置和編程方法。

2.5 受力變形導(dǎo)致誤差

材料最終加工出的質(zhì)量和精度，也會(huì)受到環(huán)境、加工時(shí)的技術(shù)情況影響，工件強(qiáng)度會(huì)影響加工的難度，也是影響零件成品的變形情況。刀具自身的強(qiáng)度會(huì)直接影響到機(jī)械加工中的受力變形情況，所以針對(duì)不同性質(zhì)的材料，也要選擇合適性能的刀具和加工方法，這樣才能減小加工時(shí)對(duì)于材料的形狀影響。

2.6 其他影響材料零件表面質(zhì)量的因素

工藝系統(tǒng)振動(dòng)、刀具參數(shù)、材料性能、切削液使用、切削的方法和條件等，這些都是會(huì)影響到實(shí)際加工中零件質(zhì)量和精度的因素。比如在加工中材料、刀具等出現(xiàn)的振動(dòng)，可能會(huì)使得工藝材料的成形過程受到一定的干擾，不規(guī)則的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)振紋、裂痕等，進(jìn)而增大了材料表面的粗糙程度，降低質(zhì)量；刀具參數(shù)中的主偏角、刀尖圓弧半徑等也都會(huì)影響到材料的表面粗糙度。

3 加工中提高材料表面質(zhì)量和精度的措施探析

3.1 控制參數(shù)誤差來提高加工質(zhì)量和精度

（1）減少加工中的原始誤差。減少加工中的原始誤差就需要從機(jī)床本身的性能開始，提高機(jī)床加工的精度，減少設(shè)備帶來的數(shù)據(jù)誤差影響。機(jī)床設(shè)備方面所帶來的影響和誤差，主要是關(guān)乎刀具、夾具、切削液等基本工具的使用，減少加工中材料、器具之間由于摩擦受熱帶來的形變問題，減少刀具、設(shè)備之間的磨損。此外，在加工之前，還需要系統(tǒng)性地分析各項(xiàng)影響加工精度和質(zhì)量的原始誤差數(shù)據(jù)和因素，依照不同的情況需要來進(jìn)行修正，如刀具磨損嚴(yán)重導(dǎo)致的數(shù)值誤差過大就應(yīng)該及時(shí)的更換刀具，而在加工中也需要選擇合適性能的刀具來進(jìn)行加工；在一些精密零件的加工過程中，還需要考慮到機(jī)床設(shè)備的精度和性能特點(diǎn)，確保機(jī)床精度可以符合精密零件的加工需要，同時(shí)控制加工中的環(huán)境因素，以此來提升加工精度和質(zhì)量。

（2）采取誤差補(bǔ)償。如果機(jī)械加工過程中，參數(shù)方面出現(xiàn)無法避免的誤差，就需要通過誤差補(bǔ)償?shù)霓k法來進(jìn)行修正，通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的調(diào)整，來對(duì)出現(xiàn)的誤差數(shù)值進(jìn)行修正補(bǔ)償，以此來降低原始數(shù)值中的誤差，提高加工精度。

（3）分化誤差的方式。分化誤差的辦法就是通過將原始誤差進(jìn)行分化處理的辦法，然后根據(jù)誤差產(chǎn)生的情況來分析其中的基本規(guī)律，將材料零件分為不同類別，然后分別在每個(gè)組別來對(duì)誤差數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，讓數(shù)值定位更加的準(zhǔn)確。分化誤差就是通過對(duì)數(shù)值風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行統(tǒng)一化規(guī)劃，一般是加工作業(yè)中提高加工質(zhì)量較為常用的方法，一旦出現(xiàn)多組類別都出現(xiàn)較大誤差的情況下，就可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)的加工情況，然后綜合各個(gè)組別中產(chǎn)生的誤差來進(jìn)行優(yōu)化，形成分區(qū)式的誤差修正，將原始誤差分散到各個(gè)部分，來實(shí)現(xiàn)誤差的分化處理。

3.2 降低材料零件表面的粗糙度

從加工刀具方面來嘗試降低，由于切削加工處理中，由于刀具和零件之間會(huì)因?yàn)槟Σ廉a(chǎn)生切削力和熱量，可能會(huì)使得金屬材料表面產(chǎn)生物理性質(zhì)的變化，主要是金屬的表面層會(huì)發(fā)生因?yàn)闊崃慷a(chǎn)生硬度、性能方面的變化，導(dǎo)致金相組織和殘余應(yīng)力的發(fā)生。磨削加工的過程中可能會(huì)產(chǎn)生塑性變形和切削熱的問題，所以磨削過程中可能會(huì)發(fā)生更加嚴(yán)重的機(jī)械性能改變。為了盡量減少殘留的形變面積，就需要在刀具的選擇使用方面嘗試使用刀尖圓弧半徑較大的，然后通過較小的負(fù)偏角來修光刃。刀具材料的選擇應(yīng)該要適合工件材料，避免在加工中使用磨損已經(jīng)較為嚴(yán)重的刀具，這樣就可以最大限度減少零件表面的粗糙度。

從工件材料方面考慮，應(yīng)該首先明確工件的材料性質(zhì)，一般會(huì)影響加工表面粗糙度的材料就是塑性過程和金相組織。如一些塑性大的低碳鋼、低合金鋼材等，應(yīng)該在加工前先對(duì)材料采用正火處理來降低塑性，這樣切削之后就能得到較小的粗糙度。對(duì)材料加工塑性中，由于刀具的接觸可能對(duì)金屬產(chǎn)生擠壓，導(dǎo)致金屬變形，加上刀具也會(huì)產(chǎn)生切屑并且與工件分離產(chǎn)生的撕裂作用，可能會(huì)進(jìn)一步加大材料表面的粗糙程度。所以需要考慮到材料的本身韌性，金屬塑性的變形狀況越大，那么加工表面可能就會(huì)發(fā)生較大的形變，進(jìn)而也會(huì)使得表面更加粗糙。

從切削條件方面考慮。利用高速切削的方式可以減小材料的形變情況，也可以減少積屑瘤的發(fā)生，進(jìn)而來減少表面粗糙度的問題；在切削一些脆性材料的過程中，切削速度一般對(duì)于表面粗糙度不會(huì)有較大影響。通過減少進(jìn)給量就可以降低殘留面積高度，但是進(jìn)給量也不能過小，否則會(huì)因?yàn)榍邢骱穸冗^低而無法正常的開展刀具切入工作，可能會(huì)與工件材料發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦，反而會(huì)增大粗糙度。所以通過高速切削塑性材料，可以減少積屑瘤（圖2 為積屑瘤），通過減少進(jìn)給量并使用高速切削液的方式，來提高機(jī)床加工時(shí)的穩(wěn)定性，以進(jìn)一步保證材料的表面質(zhì)量。

圖2 積屑瘤對(duì)加工質(zhì)量帶來的影響

3.3 改善加工方法

（1）超精密型切削加工。使用超精明切削加工一般是指的控制表面粗糙度在Ra0.04μm 以下的切削辦法，而使用這種方法的關(guān)鍵地方在于最后一道工序中往往會(huì)需要通過切削0.1μm 的表面層，所以就需要嚴(yán)格控制刀具的精密度和鋒利度，刀具的選擇方面應(yīng)該使用鈍圓半徑為納米級(jí)尺寸，但是這樣就會(huì)要求刀具具備較高的耐用程度，所以當(dāng)前只能選擇使用金剛石刀具完成。在切削時(shí)要控制走刀量在較小的范圍內(nèi)，保證高速切削，這樣才能確保工件表面的殘留面積小，提高表面質(zhì)量。利用珩磨工具（細(xì)粒度油石或油條）對(duì)工件表面施加一定的壓力，同時(shí)作相對(duì)旋轉(zhuǎn)和往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，切削工件上極小余量精加工方法。目前廣泛應(yīng)用于中小批生產(chǎn)中孔的精加工，加工孔的范圍很大，直徑從幾mm 到1m，長(zhǎng)度從10mm ～20m，珩磨后的工件表面粗糙度值控制在0.025mm ～0.2mm 之間，圓度和圓柱度在0.003mm ～0.005mm 之間。

（2）利用小粗糙度的磨削加工方法。這種方法的使用，主要是為了簡(jiǎn)化一般的加工過程，使用小粗糙度的磨削一般都是需要設(shè)備精度較高，所以對(duì)于磨削用量選擇就比較重要。而為了避免選擇磨削用量導(dǎo)致的參數(shù)矛盾，如為了減小材料表面粗糙度，砂輪會(huì)選擇更細(xì)一點(diǎn)，但是這樣一來可能會(huì)加重磨削的燒傷，而為了減少工件燒傷，就需要加快轉(zhuǎn)速，就可能會(huì)導(dǎo)致粗糙度增大，而且可能會(huì)引起切削時(shí)的振動(dòng)問題。所以就需要通過分析加工中磨削用量、磨削力之間的關(guān)系，通過程序計(jì)算其中的參數(shù)組合來達(dá)到較好的參數(shù)協(xié)調(diào)，讓小粗糙度磨削可以達(dá)到較好的效果。

（3）控制工藝系統(tǒng)的受力變形問題。加工過程中，力的作用會(huì)伴隨著每個(gè)環(huán)節(jié)的切削過程，而由于力的相互作用會(huì)導(dǎo)致工藝系統(tǒng)方面不可避免的會(huì)出現(xiàn)形變問題，進(jìn)而引起工件材料的變形，使得刀具會(huì)相對(duì)于工件的正確位置處受到較大的破壞，降低加工精度。而為了進(jìn)一步降低工藝系統(tǒng)受力后可能導(dǎo)致的精度問題，可以采取以下措施：第一，通過優(yōu)化設(shè)備材料來提升工藝系統(tǒng)的剛度；第二，加工前期應(yīng)該合理的設(shè)計(jì)零件的整體結(jié)構(gòu)；第三，提高材料、工具表面接觸點(diǎn)的剛度；第四，使用輔助化支撐來降低加工中的振動(dòng)；第五，需要選擇適合的裝夾和加工方法。

（4）控制工藝系統(tǒng)的受熱變形問題。在加工過程中，除了要考慮力的相互作用之外，還需要考慮材料與刀具摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量問題。實(shí)際的加工作業(yè)當(dāng)中，材料會(huì)在受熱作用下產(chǎn)生不同程度的變形問題，這同樣會(huì)使得刀具切削時(shí)，相對(duì)于工件的正確位置可能會(huì)受到破壞，影響參數(shù)正確，降低加工精度，尤其在對(duì)于一些需要精密加工或者是加工一些大件物品時(shí)，常常會(huì)因?yàn)楣に囅到y(tǒng)方面摩擦生熱導(dǎo)致加工誤差參數(shù)會(huì)出現(xiàn)40%～50%的偏差。所以可以采取修正措施有：第一，通過切削液來減少熱量的產(chǎn)生和傳導(dǎo)，因?yàn)楹线m的切削液可以有效改善在加工過程中，刀具與材料零件之間的摩擦系數(shù)，有效的傳導(dǎo)熱量，降低切削時(shí)的受熱溫度，讓器具的磨損程度可以大大降低，保證加工時(shí)的質(zhì)量；第二，優(yōu)化加工環(huán)境，增強(qiáng)加工時(shí)的散熱情況，控制好溫度場(chǎng)地；第三，要選擇合適的機(jī)床零部件結(jié)構(gòu)。

（5）切削參數(shù)的設(shè)置選擇。在進(jìn)給速度的選擇方面，這類因素會(huì)直接影響到零件在加工之后表面的光滑度和精度。常用的參數(shù)設(shè)計(jì)公式為f=nzf，其中的n 代表的是主軸轉(zhuǎn)速、z 為銑刀齒數(shù)、f 為每齒的進(jìn)給量。影響到每齒進(jìn)給量的因素很多，主要在加工的過程中要考慮到其中的刀具材料、銑刀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的因素。使用的材料工件本身的強(qiáng)度越可靠，那么需要的每齒進(jìn)給量也會(huì)越小；而對(duì)于一些合金銑刀，其硬度可靠性相比于傳統(tǒng)的鋼銑刀而言就會(huì)更高；材料加工中對(duì)于精度和表明加工精細(xì)度的要求越高，進(jìn)給量的設(shè)置就應(yīng)該著重考慮適當(dāng)?shù)慕档停瑸榱吮ＷC在加工精度方面、零件表面粗糙度可以符合加工后的要求，需要保證一定的加工余量。在一些粗加工的過程中，余量的切除通常是使用層切的方式，在利用CAM 編程設(shè)計(jì)，就需要技術(shù)人員根據(jù)情況來考慮到刀具的具體切削深度與最大步距寬度問題，這些數(shù)據(jù)設(shè)置會(huì)直接影響到工件的成形形狀。

（6）刀具的幾何參數(shù)中對(duì)表面粗糙度影響最大主要是副偏角、主偏角、刀尖圓弧半徑，在一定的條件下，減小副偏角、主偏角、刀尖圓弧半徑都可以降低表面粗糙度。在同樣條件下，硬質(zhì)合金刀具加工的表面粗糙度值低于高速鋼刀具，而金剛石、立方氮化硼刀具又優(yōu)于硬質(zhì)合金，但由于金剛石與鐵族材料親和力大，故不宜用來加工鐵族材料。另外，刀具的前、后刀面、切削刃本身的粗糙度直接影響加工表面的粗糙度，因此，提高刀具的刃磨質(zhì)量，使刀具前后刀面、切削刃的粗糙度值應(yīng)低于工件的粗糙度值。

4 結(jié)語

在實(shí)際的金屬材料加工過程中，零件表面質(zhì)量會(huì)直接影響到其使用壽命和性能，零件的耐磨程度、抗疲勞、耐腐蝕、精度要求等因素都會(huì)受制于表面質(zhì)量和加工精度，所以必須在加工過程中詳細(xì)明確其中的質(zhì)量加工要求，同時(shí)由于影響到零件表面質(zhì)量的因素也是多種多樣的，可能是機(jī)床性能、刀具、材料性能、環(huán)境等，所以只有在加工前先分析了解到零件表面加工的質(zhì)量問題，才能在實(shí)際的加工切削過程中，針對(duì)性的采取應(yīng)對(duì)措施來降低加工時(shí)的參數(shù)誤差，提高零件表面的質(zhì)量。