影響機械加工表面質(zhì)量的因素及改進措施

高乾坤　李培遠

（麗水學院 工程與設計學院，麗水 323000）

影響機械加工表面質(zhì)量的因素及改進措施

高乾坤李培遠

（麗水學院 工程與設計學院，麗水 323000）

本文對機械加工表面質(zhì)量對其工作的性能影響進行探討，分析在機械加工過程中表面質(zhì)量的影響因素，并針對這些因素提出改進措施。

機械加工 表面質(zhì)量 影響因素 改進措施

機械加工的表面質(zhì)量又可稱為工件的粗糙度，主要是指工件在通過機械加工過程中所產(chǎn)生的不平度。這些不平度和粗糙度的程度不同，會使工件在工作過程中的工作效果和工作質(zhì)量產(chǎn)生差異，嚴重時會降低工件的使用壽命?？梢姡ぜ谋砻尜|(zhì)量需要嚴格的控制，才能夠保證工件的工作能力與工作質(zhì)量。目前，機械加工表面質(zhì)量的影響因素除了與加工機械的工具和技術有關外，還與工件的制作材料有關，需要針對不同的加工工藝、加工材料和加工技術進行對策的探究。

1　機械加工表面質(zhì)量對工件性能的影響探究

1.1對耐磨性的影響

表面質(zhì)量能夠直接影響工件的磨損程度以及工件的耐磨程度。在工件的運行過程中，工件的表面質(zhì)量對工件的耐磨性有直接的聯(lián)系，并能夠直接影響工件在磨損條件下的表面水平。工件在使用過程中，共分為三種工件磨損階段，分別為初期磨損階段、正常磨損階段和劇烈磨損階段。通過實踐觀察可以看出，工件在生產(chǎn)完成后的表面質(zhì)量越高，耐磨度就越高，而表面粗糙值越高，工件在使用過程中的受磨損程度就越高?？梢?，如果工件的表面質(zhì)量不夠，就會直接影響工件的使用壽命。

1.2對疲勞強度的影響

當前，機械加工的工件材料均為金屬材料，在加工過程中會受到變形、冷熱交替等多種形式的加工工藝影響，這對金屬的抗疲勞強度有一定的影響。如果工件的表面質(zhì)量不夠高，則會使金屬工件的抗疲勞能力變差，直接影響工件工作過程中的抗疲勞能力。

1.3對耐蝕性的影響

工件在工作過程中會遇到不同強度的堿性和酸性環(huán)境，對工件的耐腐蝕性能有一定的要求。而機械加工對金屬的耐蝕性有一定的影響，特別是在表面質(zhì)量的好壞上，直接決定了工件的耐腐蝕性。如果工件的表面光滑、平整，則工件的抗腐蝕能力越強。而如果工件的表面粗糙，則工件的抗腐蝕能力則會顯著下降。

1.4配合質(zhì)量的影響

工件的配合質(zhì)量是指工件在制作時的配合度，表面質(zhì)量能夠決定配合質(zhì)量。表面質(zhì)量越低，則工件間隙配合的磨損程度就會越嚴重，間隙也會隨之增大。表面質(zhì)量越高，則會使工件的配合度提高，減少工件過盈配合而導致的表面凸峰現(xiàn)象，降低工件由于配合能不足而產(chǎn)生的質(zhì)量下降問題。

2　影響機械加工表面質(zhì)量的主要因素

2.1切削加工刀具的影響

機械加工過程中不可避免地要對工件進行切削。切削時所使用的道具，對工件表面質(zhì)量有非常大的影響。切削刀具會在工件的表面留下切削的層殘留，這種層殘留是刀具幾何形狀的復映。如果材料是塑性材料，則容易在加工過程中產(chǎn)生塑性變形，造成金屬刀具和工件之間的切屑與工件分離過程中出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，從而致使工件標賣的粗糙度變大。一旦出現(xiàn)這種現(xiàn)象，工件的韌性越好，撕裂現(xiàn)象就越嚴重，所產(chǎn)生的塑性變形也就越嚴重，工件的表面就會越粗糙。而在進行脆性材料加工時，加工出現(xiàn)的切屑會呈現(xiàn)出顆粒狀。這些顆粒會在切削過程中飛濺在工件表面上，造成工件表面出現(xiàn)麻點一樣的小坑洞，導致工件表面粗糙。對工件影響最大的刀具形狀，是刀具刀尖的圓弧半徑r、副偏角r’以及修光刃。除此之外，它與刀具減小進給量、主偏角等也有非常大的關聯(lián)。刀尖的圓弧半徑r增大時，會使殘留物的高度減少，但會增加變形。

2.2磨削加工的影響

除切削加工外，磨削加工也是機械加工工藝的一種。磨削加工對工件的表面質(zhì)量也有一定的影響，這與磨削加工過程中的幾何因素有關。磨削加工中，常見的影響因素主要有砂輪的力度、硬度、修整磨削速度、磨削鏡像進給量以及光磨次數(shù)等。磨削加工過程中，塑性變形和切削熱較切削加工更為嚴重。對于磨削加工的工件，其表面上的殘留物或復映效果更加嚴重。

2.3表面層冷作硬化現(xiàn)象

機械加工在結束切削工作后，工件會受到切削力產(chǎn)生變形。工件的扭曲、畸變、晶粒的剪切滑移、拉長、纖維化等現(xiàn)象都有可能發(fā)生。這種情況下，工件的表面會出現(xiàn)較硬的金屬層。這層金屬的強度、硬度都會更高，這種現(xiàn)象即為冷作硬化現(xiàn)象。冷作硬化現(xiàn)象會使工件表面的變形阻力更大，但也會降低金屬工件的塑性。在不同的環(huán)境中，冷作硬化會產(chǎn)生變化，使工件的狀態(tài)趨于穩(wěn)定，這種變化被稱為弱化，弱化后工件的狀態(tài)更加穩(wěn)定。弱化的過程長短、結果與工件的溫度、周圍環(huán)境有直接的關系。因此，機械加工中，對冷作硬化現(xiàn)象有三項評價指標，分別是表層金屬的顯微硬度HV、硬化層深度h和硬化程度N。工件加工后，是否能得到較好的冷作硬化結果往往影響工件的表面質(zhì)量。機械加工過程中，切削刃的鈍圓半徑越大，對工件表面的擠壓作用越強，在冷作硬化作用時受到的影響越大。機械加工刀具面的磨損越大，會使工件與刀具表面的磨損越大，對工件塑性變形的影響也越大，冷作硬化作用也越強。切削速度加快，工件與刀具的接觸時間就會越短，此時就能有效縮短工件的切削時間，降低工件冷作硬化現(xiàn)象的效果，從而減少工件的塑性變形問題。

2.4表面層材料金相組織

工件的表面材料是加工過程中主要的考慮因素。這是由于工件在進行機械加工時屬于熱加工，工件被切削的過程中會溫度變高，造成工件表面工件的金屬金相組織發(fā)生變化。一般情況下，工件的表面溫度增高，會使工件的表面金屬強度降低，硬度也會隨之下降。這對工件表面質(zhì)量的提高和保證有非常大的影響。嚴重的情況下，甚至會出現(xiàn)殘余應力現(xiàn)象，造成工件表面出現(xiàn)微觀的裂紋，這種現(xiàn)象被稱為磨削燒傷。磨削燒傷主要分為三種，分別是回火燒傷、淬火燒傷和退火燒傷?；鼗馃齻饕l(fā)生在磨削區(qū)的溫度與淬火時的相變溫度差異較大，且磨削區(qū)的溫度較低時。這種情況下，工件的表層金屬組織會變成回火組織，造成燒傷。淬火燒傷主要發(fā)生在磨削區(qū)溫度超過相變溫度時。此時，工件再進行加入冷卻液的冷卻工作，就會出現(xiàn)二次淬火現(xiàn)象，造成工件表面產(chǎn)生淬火馬氏體組織。退火燒傷則主要發(fā)生在磨削區(qū)溫度明顯超過相變溫度，但并未經(jīng)過冷卻液冷卻的情況下。工件表層的金屬層會出現(xiàn)明顯的退火組織，其硬度也會急劇下降。

2.5表面層殘余應力

表面層的殘余應力產(chǎn)生原因有很多，與工件在加工過程中出現(xiàn)的塑性變形有直接的關聯(lián)。工件的塑性變形僅僅在工件的表面上出現(xiàn)，而表面的塑性變形會與工件內(nèi)部的金屬產(chǎn)生拉應力，造成工件表面產(chǎn)生殘余應力，從而使工件表面變得粗糙。除了塑性變形外，切削加工過程中的切削熱，也會使工件表面出現(xiàn)變化。而一旦工件的金相組織出現(xiàn)不同的密度，就會使工件不同的部位出現(xiàn)不同的比容，造成工件表面的金相變化，從而對工件的表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。最明顯的表現(xiàn)就是工件表面出現(xiàn)殘余應力，造成工件的表面變得粗糙。

3　提高機械加工表面質(zhì)量的對策

3.1合理選擇刀具的角度

為了減少機械加工過程中刀具對工件的復映作用，首先要對影響極大的幾種角度進行改善，主要改變刀具的幾何參數(shù)前角（γo），將其取大一些，使刀具與工件的接觸振動降低。而在進行切削刀的取角時，則要將負前角取-2°～15°，以此來提高工件的精度。后角方面，則可將其增大，以此進行工件表面彈性的恢復，提高工件的表面質(zhì)量，降低工件與后刀面的接觸長度。主偏角（Kr）的設定較為簡單，往往取值要盡量的小，以能夠較為剛性地進行精加工工作。副偏角的主要功能是減少工件的殘留高度，取值也應盡量小，一般在5°～10°。如果工件的加工需求特別高，則可以使用具有修光刃的刀具，從理論上降低工件的殘留高度。此外，刀尖的形狀應盡量選用圓弧形過渡刃。上述辦法都能夠提高工件的表面質(zhì)量。

3.2合理選擇切削用量

切削用量主要分為進給量f和削速度V兩項。在進行進給量的選擇時，盡量選擇小的進給量，以降低工件的殘留高度。而在進行削速度的選擇時，則要盡量的高，以避免積屑瘤的產(chǎn)生。目前，較好的速度不高于38m/min，或是不低于80m/min。上述兩種速度都不會使工件在加工過程中產(chǎn)生積屑瘤。圖1為積屑瘤的產(chǎn)生原因示意圖。

圖1　積屑瘤的產(chǎn)生原因示意圖

3.3增加運動機構本身精度

機械加工工藝中，運動機構本身的精度會直接影響加工效果。如果機械加工的機床主軸精度不夠，則會直接影響工件的表面質(zhì)量。特別是機械加工過程中機床的軸向竄動和徑向跳動，都會影響工件的表面質(zhì)量。因此，要保證機床的兩種活動不大于0.1mm，并增加刀架瓜腳的支撐面積，進一步消除大托板的爬行現(xiàn)象。

3.4合理選擇刀刃部分材料

刀具的硬度、耐磨程度、刀刃鋒利度等都會直接影響工件與刀具的摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)小，工件的受損程度就越小，切屑對工件的影響也就越小，同時也可避免工件加工過程中產(chǎn)生積屑瘤。

3.5改善工件材料加工性能

在加工工件過程中，在不影響性能的前提下，應對工件的加工材料進行適當調(diào)整，以降低工件材料的硬度，從而減少工件與刀具的磨損程度，盡可能地減少和抑制積削瘤的產(chǎn)生。

3.6合理選擇切削液

機械切削時，一定情況下需要對工件進行切削液的使用。切削液能夠有效減少工件與刀具的摩擦，減少切削變形、積屑瘤等問題的出現(xiàn)，并且能夠提高刀具的整體硬度。

4　總結

機械加工的工件在各行各業(yè)中都占據(jù)了重要位置，且隨著機械加工工藝的不斷提高，對工件的加工質(zhì)量要求也越來越高，特別是對工件表面質(zhì)量的重視程度也隨之提高。工件的表面質(zhì)量會直接影響工件使用過程中的耐磨性、抗疲勞強度、耐蝕性以及配合質(zhì)量。上述內(nèi)容都會間接影響工件的使用效果和使用壽命，提高使用企業(yè)或工廠的成本，因此受到工件加工單位的重視。其中，工件表面質(zhì)量在加工過程中所受到的影響最大。

在機械加工過程中，工件會由于多種原因的作用產(chǎn)生表面質(zhì)量的變化。其中，機械加工工藝的不同、機械加工刀具的角度和質(zhì)量、工件的材料以及工件加工過程中的反應，都會對工件的表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。如何通過調(diào)整加工工藝和生產(chǎn)工藝，減少機械加工過程中所產(chǎn)生的殘余應力和表面殘留，是整體上提高工件表面質(zhì)量的關鍵。

綜上所述，機械加工過程中對工件表面的質(zhì)量控制非常重要。這是保證工件加工水平，提高工件加工效率，減少工件加工對刀具磨損的重要手段，值得注意。

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Factors Affecting Machined Surface Quality and Improvement Measures

GAO Qiankun,LI Peiyuan
(Lishui College of Engineering and Des ign College, L ishui 323000)

The mechanical process, there are many causes for the workpiece scrapped, the most common problem is the difference between machined s urface quality machined surface quality differences wi ll af fect the durabi lity of the workpiece during use, corrosion resistance and fatigue strength. If the surface quality of the workpiece processing failed, it will directly affect the life of the workpiece. This paper discuss es the quality of machined surface affect the performance of its work, the analysis in the machining process, surface quality factors, and propose measures to improve the response to these factors.

machining, surface quality, affectin g factors, improvement measures