機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響及提高機(jī)械加工工件表面質(zhì)量的措施

陳濤

【摘 要】在機(jī)械加工中，零件的加工表面產(chǎn)生微觀不平、殘余應(yīng)力等各種缺陷，雖然僅存于零件極薄的表面層中，卻嚴(yán)重影響著機(jī)械零件的精度、耐磨性、配合性、抗腐蝕性和疲勞強(qiáng)度等，從而進(jìn)一步影響機(jī)械的使用性能和使用壽命。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械加工；零件；表面質(zhì)量

一、表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性的影響

零件的耐磨性是零件的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，當(dāng)摩擦副的材料、潤滑條件和加工精度確定之后，零件的表面質(zhì)量對(duì)耐磨性將起著關(guān)鍵性的作用。由于零件表面存在著表面粗糙度，當(dāng)兩個(gè)零件的表面開始接觸時(shí)，接觸部分集中在其波峰的頂部，因此實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于名義接觸面積，并且表面粗糙度越大，實(shí)際接觸面積越小。在外力作用下，波峰接觸部分將產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力。當(dāng)兩個(gè)零件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，開始階段由于接觸面積小、壓應(yīng)力大，在接觸處的波峰會(huì)產(chǎn)生較大的彈性變形、塑性變形及剪切變形，波峰很快被磨平，即使有潤滑油存在，也會(huì)因?yàn)榻佑|點(diǎn)處壓應(yīng)力過大，油膜被破壞而形成干摩擦，導(dǎo)致零件接觸表面的磨損加劇。當(dāng)然，并非表面粗糙度越小越好，如果表面粗糙度過小，接觸表面間儲(chǔ)存潤滑油的能力變差，接觸表面容易發(fā)生分子膠合、咬焊，同樣也會(huì)造成磨損加劇。

表面層的冷作硬化可使表面層的硬度提高，增強(qiáng)表面層的接觸剛度，從而降低接觸處的彈性、塑性變形，使耐磨性有所提高。但如果硬化程度過大，表面層金屬組織會(huì)變脆，出現(xiàn)微觀裂紋，甚至?xí)菇饘俦砻娼M織剝落而加劇零件的磨損。

二、表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響

表面粗糙度對(duì)承受交變載荷的零件的疲勞強(qiáng)度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度波谷處容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。并且表面粗糙度越大，表面劃痕越深，其抗疲勞破壞能力越差。

表面層殘余壓應(yīng)力對(duì)零件的疲勞強(qiáng)度影響也很大。當(dāng)表面層存在殘余壓應(yīng)力時(shí)，能延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展，提高零件的疲勞強(qiáng)度；當(dāng)表面層存在殘余拉應(yīng)力時(shí)，零件則容易引起晶間破壞，產(chǎn)生表面裂紋而降低其疲勞強(qiáng)度。

表面層的加工硬化對(duì)零件的疲勞強(qiáng)度也有影響。適度的加工硬化能阻止已有裂紋的擴(kuò)展和新裂紋的產(chǎn)生，提高零件的疲勞強(qiáng)度；但加工硬化過于嚴(yán)重會(huì)使零件表面組織變脆，容易出現(xiàn)裂紋，從而使疲勞強(qiáng)度降低。

三、表面質(zhì)量對(duì)零件耐腐蝕性能的影響

表面粗糙度對(duì)零件耐腐蝕性能的影響很大。零件表面粗糙度越大，在波谷處越容易積聚腐蝕性介質(zhì)而使零件發(fā)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

表面層殘余壓應(yīng)力對(duì)零件的耐腐蝕性能也有影響。殘余壓應(yīng)力使表面組織致密，腐蝕性介質(zhì)不易侵入，有助于提高表面的耐腐蝕能力；殘余拉應(yīng)力的對(duì)零件耐腐蝕性能的影響則相反。

四、表面質(zhì)量對(duì)零件間配合性質(zhì)的影響

相配零件間的配合性質(zhì)是由過盈量或間隙量來決定的。在間隙配合中，如果零件配合表面的粗糙度大，則由于磨損迅速使得配合間隙增大，從而降低了配合質(zhì)量，影響了配合的穩(wěn)定性；在過盈配合中，如果表面粗糙度大，則裝配時(shí)表面波峰被擠平，使得實(shí)際有效過盈量減少，降低了配合件的聯(lián)接強(qiáng)度，影響了配合的可靠性。因此，對(duì)有配合要求的表面應(yīng)規(guī)定較小的表面粗糙度值。

在過盈配合中，如果表面硬化嚴(yán)重，將可能造成表面層金屬與內(nèi)部金屬脫落的現(xiàn)象，從而破壞配合性質(zhì)和配合精度。表面層殘余應(yīng)力會(huì)引起零件變形，使零件的形狀、尺寸發(fā)生改變，因此它也將影響配合性質(zhì)和配合精度。

五、表面質(zhì)量對(duì)零件其他性能的影響

如對(duì)間隙密封的液壓缸、滑閥來說，減小表面粗糙度Ra可以減少泄漏、提高密封性能；較小的表面粗糙度可使零件具有較高的接觸剛度；對(duì)于滑動(dòng)零件，減小表面粗糙度Ra能使摩擦系數(shù)降低、運(yùn)動(dòng)靈活性增高，減少發(fā)熱和功率損失；表面層的殘余應(yīng)力會(huì)使零件在使用過程中繼續(xù)變形，失去原有的精度，機(jī)器工作性能惡化等。

總之，提高加工表面質(zhì)量，對(duì)于保證零件的使用性能、提高零件的使用壽命是十分重要的。

六、提高機(jī)械加工工件表面質(zhì)量的措施

（1）制訂科學(xué)合理的工藝規(guī)程是保證工件表面質(zhì)量的基礎(chǔ)?？茖W(xué)合理的工藝規(guī)程是加工工件的方法依據(jù)。只有制訂了科學(xué)合理的工藝規(guī)程，才能為加工工件表面質(zhì)量滿足要求提供科學(xué)合理的方法依據(jù)，使加工工件表面質(zhì)量滿足要求成為可能。對(duì)科學(xué)合理的工藝規(guī)程的要求是工藝流程要短，定位要準(zhǔn)確，選擇定位基準(zhǔn)時(shí)盡量使定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合。

（2）合理的選擇切削參數(shù)是保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵。選擇合理的切削參數(shù)可以有效抑制積屑瘤的形成，降低理論加工殘留面積的高度，保證加工工件的表面質(zhì)量。切削參數(shù)的選擇主要包括切削刀具角度的選擇、切削速度的選擇和切削深度及進(jìn)給速度的選擇等。試驗(yàn)證明，主偏角、副偏角及刀尖圓弧半徑對(duì)零件表而粗糙度都有直接影響。在進(jìn)給量一定的情況下，減小主偏角和副偏角，或增大刀尖圓弧半徑，可減小表面粗糙度。另外，適當(dāng)增大前角和后角，可減小切削變形和前后刀面間的摩擦，抑制積屑瘤的產(chǎn)生也可減小表面粗糙度。比如在加工塑性材料時(shí)若選擇較大前角的刀具可以有效抑制積屑瘤的形成，這是因?yàn)榈毒咔敖窃龃髸r(shí)，切削力減小，切削變形小，刀具與切屑的接觸長度變短，減小了積屑瘤形成的基礎(chǔ)。

（3）合理的選擇切削液是保證加工工件表面質(zhì)量的必要條件。選擇合理的切削液可以改善工件與刀具間的摩擦系數(shù)，可降低切削力和切削溫度，從而減輕刀具的磨損，以保證工件的加工質(zhì)量。

（4）工件主要工作表面最終工序加工方法的選擇至關(guān)重要。工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。

也可以在加工過程中通過改變某些量來提高表面粗糙度。1）在精加工時(shí)，應(yīng)選擇較小的進(jìn)給量f、較小的主偏角kr和副偏角kr、較大的刀尖圓弧半徑rε，以得到較小的表面粗糙度。2）加工塑性材料時(shí)，采用較高的切削速度可防止積屑瘤的產(chǎn)生，減小表面粗糙度。3）根據(jù)工件材料、加工要求，合理選擇刀具材料，有利于減小表面粗糙度。4）適當(dāng)?shù)脑龃蟮毒咔敖呛腿袃A角，提高刀具的刃磨質(zhì)量，降低刀具前、后刀面的表面粗糙度均能降低工件加工表面的粗糙度。5）對(duì)工件材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，以?xì)化晶粒，均勻晶粒組織，可減小表面粗糙度。6）選擇合適的切削液，減小切削過程中的界面摩擦，降低切削區(qū)溫度，減小切削變形，抑制鱗刺和積屑瘤的產(chǎn)生，可以大大關(guān)小表面粗糙度。

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