影響機(jī)械加工表面質(zhì)量因素問題分析及改進(jìn)措施

宋少軍

摘 要：在機(jī)械加工中，所加工的工件質(zhì)量對(duì)于工件在生產(chǎn)使用中的性能和壽命有較大影響。為了提高加工工件的精度，應(yīng)從在加工過程中影響工件表面質(zhì)量的工藝因素分析，并在此基礎(chǔ)上提出提高加工工件表面質(zhì)量的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：表面質(zhì)量；影響因素；改善方法

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）20-0104-02

Abstract： In machining， the quality of the workpiece has a great influence on the performance and life of the workpiece in production. In order to improve the accuracy of machined workpiece， the technological factors affecting the surface quality of workpiece should be analyzed， and the improvement measures to improve the surface quality of machined workpiece should be put forward.

Keywords： surface quality； influencing factors； improvement method

機(jī)械制造技術(shù)是當(dāng)今產(chǎn)品升級(jí)、發(fā)展生產(chǎn)力、增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段，也是現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重中之重。作為支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的機(jī)械制造業(yè)，是其他產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，其他各種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步離不開制造業(yè)為其提供相應(yīng)的先進(jìn)的專用或通用設(shè)備。當(dāng)今國(guó)際、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)激烈，能夠具備針對(duì)市場(chǎng)要求的快速反應(yīng)能力，為其提供相應(yīng)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，是加強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的非常重要的因素。而產(chǎn)品質(zhì)量的提高主要取決于制造業(yè)水平，因而確保機(jī)械加工表面質(zhì)量的問題就顯得尤為重要。

1 機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)工件使用性能的影響

在針對(duì)某個(gè)零件的機(jī)械加工過程中，加工表面會(huì)產(chǎn)生微觀的幾何形狀誤差從而導(dǎo)致表面層性能的變化。雖然上述的變化發(fā)生在零件上很薄的表面層中，但其輕微的變化足以影響機(jī)械零件的使用性能，從而進(jìn)一步影響機(jī)器的使用性能和使用壽命。

1.1 表面結(jié)構(gòu)及表面粗糙度的影響

（1）影響零件的耐磨性，當(dāng)兩個(gè)零件的摩擦表面接觸時(shí)，實(shí)際上只有占接觸面積很小一部分的凸峰頂部接觸。在外力作用下，凸峰和凸峰之間的接觸部分會(huì)產(chǎn)生較大的壓強(qiáng)，從而導(dǎo)致零件表面發(fā)生相應(yīng)的彈性形變，更嚴(yán)重的情況下會(huì)發(fā)生塑性形變，甚至發(fā)生剪切現(xiàn)象。（2）影響零件的配合性質(zhì)，在發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的配合零件，如二者之間長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生磨損，零件的尺寸就會(huì)發(fā)生變化，從而影響零件的配合性質(zhì)。比如零件的表面粗糙度選擇不當(dāng)時(shí)，會(huì)使零件的磨損速度加快，裝配時(shí)所得到的合理間隙便迅速增大，一臺(tái)新設(shè)備很快就失去正常的工作能力，有時(shí)會(huì)給單位帶來不可估量的損失。（3）影響零件的疲勞強(qiáng)度，在某些工況下，零件之間會(huì)產(chǎn)生交變載荷，這時(shí)由于零件表面的較大的粗糙度如劃痕、裂紋等缺陷會(huì)造成零件表面應(yīng)力集中的問題。在微觀的低凹處所產(chǎn)生的應(yīng)力，會(huì)超過材料的疲勞極限從而會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋。而這樣的疲勞裂紋會(huì)影響零件的抗腐蝕性?；瘜W(xué)腐蝕是由于在加工表面粗糙度的凹谷處易積聚腐蝕性介質(zhì)而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。在實(shí)際的工作過程中，腐蝕性的介質(zhì)往往集中在零件表面的粗糙凹谷處，而且若表面存在疲勞裂紋這種情況尤為嚴(yán)重。零件發(fā)生腐蝕的過程一般以零件表面的凹谷處的微小裂紋為源頭向著金屬內(nèi)部逐漸發(fā)展，因此表面粗糙度值越大就越容易被腐蝕。

1.2 表面冷作硬化的影響

在零件的機(jī)械加工的過程中都不可避免的發(fā)生不同程度的冷作硬化現(xiàn)象，這種冷作硬化的現(xiàn)象會(huì)使所加工的零件表面的硬度增加，脆性也會(huì)加大，從而導(dǎo)致零件的抗沖擊性能下降。由于零件表面冷硬層的存在會(huì)在一定程度上提高零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，但是若零件表面的冷作硬化度較大的話，可能會(huì)導(dǎo)致零件表面產(chǎn)生裂紋，從而降低零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。因此，在零件的機(jī)械加工過程中，要防止零件的過度冷作硬化。

1.3 表面殘留應(yīng)力的影響

在零件加工過程中在加工表面會(huì)存在殘留應(yīng)力，殘留應(yīng)力具體分為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。若在零件表面層中的殘留應(yīng)力為壓應(yīng)力，能夠在存在交變載荷的工況中抵消其產(chǎn)生的拉應(yīng)力，防止或減緩疲勞裂紋的產(chǎn)生或發(fā)展。若在零件表面層中的殘留應(yīng)力為拉應(yīng)力，在存在交變載荷的工況中，零件表面會(huì)產(chǎn)生裂紋，零件的疲勞強(qiáng)度隨之降低。

2 機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)工藝因素及工藝方法的影響及改善措施

2.1 影響加工表面粗糙度的因素

在零件的切削加工過程中，影響其表面粗糙度的主要因素可歸為以下兩個(gè)方面。一為幾何因素，幾何因素具體指切削的刀刃相對(duì)所加工的工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)其運(yùn)動(dòng)軌跡所形成的殘留面積；第二為物理因素，具體指在機(jī)械加工過程中零件表面產(chǎn)生的機(jī)械瘤、鱗、刺以及震動(dòng)等。針對(duì)上述兩個(gè)影響因素，在實(shí)際的加工過程中，降低零件表面的粗糙度的方法措施為：在加工前確定合理的切削用量，選擇合適的刀具幾何參數(shù)；改善被加工工件的材料性能；選擇合適的刀具材料；在加工過程中選擇合適的切削液；確保加工環(huán)境的良好，防止或減小工藝系統(tǒng)振動(dòng)。

2.2 影響加工表面性能的因素

2.2.1 零件加工表面層的冷作硬化現(xiàn)象

在零件的切削或加工過程中，若在其表面層發(fā)生了塑性形變，晶體之間發(fā)生了剪切滑移的現(xiàn)象，導(dǎo)致零件金屬晶格的嚴(yán)重扭曲，所表現(xiàn)出的形式為晶粒的拉長(zhǎng)、破碎和纖維化，最終會(huì)引起金屬表面層的強(qiáng)度和硬度的提高的現(xiàn)象稱為冷作硬化。

影響金屬零件表面層的冷作硬化程度的主要因素為產(chǎn)生塑性變形的力、發(fā)生塑性變形的速度以及在發(fā)生塑性變形時(shí)的溫度。具體影響結(jié)果為：加工過程中作用力越大，金屬的塑性變形越大，其冷作硬化程度也越大。若金屬塑性變形的速度越快，其塑性變形發(fā)展越不充分，相應(yīng)的冷作硬化程度越低。在金屬塑性變形時(shí)，金屬表面的溫度越高，其硬化程度會(huì)越小。除上述原因之外，金屬零件表面冷作硬化程度還受到刀具、加工過程中的金屬切削用量和被加工的材料等多方面的影響，為了減少冷作硬化對(duì)零件的不利影響，在加工過程中可采取如下措施：（1）合理選取加工刀具的幾何參數(shù)，可以采用較大的前角和后角，并在刃磨時(shí)盡量減小其切削刃口圓角半徑。（2）使用刀具時(shí)應(yīng)合理限制其后面的磨損程度。（3）在加工過程中合理選擇切削用量，并采用較高的切削速度和較小的進(jìn)給量。（4）在加工過程中采用合適的切削液。

2.2.2 零件表面層金屬組織發(fā)生變化

在機(jī)械加工過程中，由于加工刀具與被加工零件之間的速度較快的磨削運(yùn)動(dòng)，其消耗的能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能從而導(dǎo)致加工表面溫度升高，當(dāng)溫度升高到超過金屬組織變化的臨界值時(shí)，就會(huì)使金屬的組織形式發(fā)生變化。若冷卻效果不好，由于較高磨削速度所產(chǎn)生的熱量會(huì)傳入工作表面，因此零件加工表面出現(xiàn)金屬組織變化的現(xiàn)象往往出現(xiàn)在磨削加工過程中。影響加工零件金屬組織變化的因素為加工過程中的材料磨削的溫度、金屬表面層的溫度梯度以及冷卻的速度等。

2.2.3 表面層的殘留應(yīng)力

工件經(jīng)機(jī)械加工后其表面層都存在殘留的應(yīng)力。若工件表面殘留的應(yīng)力為壓應(yīng)力，則可提高其表面的耐磨性，同時(shí)當(dāng)工件受到拉應(yīng)力時(shí)還可增加其疲勞強(qiáng)度。但是若工件表面殘留應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，則會(huì)起到相反的作用。在更復(fù)雜的工況下，如工件正在承受交變載荷的作用，若工件表面殘存的應(yīng)力為拉應(yīng)力，若拉應(yīng)力值超過工件表面的疲勞強(qiáng)度極限時(shí)則會(huì)使工件表面產(chǎn)生裂紋，加速工件的失效。造成工件表面存在殘留應(yīng)力的原因主要有如下三個(gè)方面：（1）冷態(tài)塑性變形引起的殘留應(yīng)力工件經(jīng)機(jī)械加工后已加工表面受到強(qiáng)烈的冷塑性變形，其中以刀具后刀面對(duì)已加工表面的擠壓和摩擦產(chǎn)生的塑性變形最為突出，此時(shí)基體金屬受到的擠壓較輕而處于彈性變形狀態(tài)，切削力去除后基體金屬的變形，趨向恢復(fù)，但受到已產(chǎn)生塑性變形的表面層的限制恢復(fù)不到原狀，因而在表面層產(chǎn)生了殘留壓應(yīng)力。（2）熱態(tài)塑性變形引起的殘留應(yīng)力工作加工表面在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹，此時(shí)機(jī)體金屬溫度較低，因此表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。當(dāng)切削過程結(jié)束時(shí)，表面溫度下降，由于表面以產(chǎn)生熱塑性變形并受到機(jī)體的限制，故而產(chǎn)生殘留拉應(yīng)力，切削溫度越高熱，塑性變形越大殘留拉應(yīng)力也越大有時(shí)甚至產(chǎn)生裂變磨削時(shí)產(chǎn)生的熱塑性變形比較明顯。（3）金屬組織變化引起的殘留應(yīng)力切削時(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)引起表面層的金屬組織變化。

2.2.4 減小殘留拉應(yīng)力，防止表面燒傷和裂紋的工藝措施。當(dāng)工件表面具有殘留拉應(yīng)力時(shí)，其疲勞強(qiáng)度會(huì)下降，為此應(yīng)盡可能在機(jī)械加工中避免或減小殘留拉應(yīng)力，在磨削加工的過程中，工件表面會(huì)存在殘留的拉應(yīng)力、燒傷和裂紋等缺陷，造成上述問題的主要原因是磨削區(qū)的工作溫度較高。為了避免磨削區(qū)較高的溫度，目前常用的兩種解決辦法為，減少磨削熱量的產(chǎn)生以及加速磨削熱量的傳輸。具體的方法如下：（1）合理地選擇工件的磨削量，減少磨削加工的深度，從而減小工件表面的溫度升高，以避免工件表面燒傷的情況發(fā)生。增加工件的工作的進(jìn)給速度，可以通過減少作用時(shí)間來減輕燒傷，但較快的工件速度會(huì)導(dǎo)致加工表面的粗糙度變大，后續(xù)可以采用提高砂輪速度以及采用較寬的砂輪尺寸來彌補(bǔ)上述問題。（2）要合理地選擇砂輪并根據(jù)砂輪的狀態(tài)及時(shí)做出修正。砂輪的粒度越細(xì)，硬度越高，自礪性越差，在磨削過程中，工件表面上升的溫度越高。若砂輪的組織較為緊密，磨削過程中產(chǎn)生的碎屑會(huì)堵塞砂輪，易出現(xiàn)灼傷的現(xiàn)象。當(dāng)砂輪發(fā)生鈍化時(shí)，砂輪表面的大多數(shù)磨粒只會(huì)作用在加工表面進(jìn)行擠壓和摩擦，起不到磨削作用，依然會(huì)使加工表面溫度升高。因此，在加工過程中要時(shí)刻關(guān)注砂輪的狀態(tài)并及時(shí)做出調(diào)整。（3）改善冷卻方法。在加工過程中往往采用切削液來冷卻加工工件，帶走磨削區(qū)所產(chǎn)生的熱量。但常用的冷卻方法效果較差，由于砂輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)圓周方向產(chǎn)生強(qiáng)大氣流，使切削液很難進(jìn)入磨削區(qū)，因此不能有效的降溫。為改善冷卻方法，可以采用內(nèi)冷卻砂輪。內(nèi)冷卻砂輪由上基體、下基體和蓋板組成，砂輪內(nèi)部加工出環(huán)形空腔用于儲(chǔ)存冷卻液。砂輪蓋板上方有冷卻液主入孔，上基體冷卻液空腔內(nèi)開有環(huán)形的流道與下基體外壁加工出的環(huán)形空間分布的直線流道通過連接螺栓互相匹配，二者形成砂輪的內(nèi)冷卻流道噴射口位于磨料處。在磨削加工過程中，主軸帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)，外置的加壓系統(tǒng)可以控制注入冷卻液的壓力，來調(diào)節(jié)冷卻液從噴射孔射出的流速。

3 結(jié)束語

機(jī)械加工質(zhì)量會(huì)影響到機(jī)械產(chǎn)品在工作過程中的穩(wěn)定性和使用的性能，甚至直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)效率及生存發(fā)展。因此機(jī)械加工者需要充分掌握在機(jī)械加工過程中影響工件質(zhì)量的主要因素，并針對(duì)不同的加工材料在加工方式上不斷地進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到降低工件表面粗糙度、提升工件產(chǎn)品精度的目的，實(shí)現(xiàn)提高整個(gè)加工質(zhì)量的目標(biāo)。

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