金屬加工表面質量的影響因素及改進措施

姜 瑋

（蘇州技師學院，江蘇 蘇州 215000）

金屬加工表面是產品整體質量的重要組成部分，保證金屬加工表面的水準不僅能夠提升產品的應用性能更能夠提升產品的可靠程度以及使用壽命，進而提升整體產品在整個國內行業(yè)包括國際行業(yè)的競爭力，所以做好金屬加工表面質量勢在必行。

1 金屬加工表面質量及其影響因素

1.1 金屬加工表面質量

粗糙度是衡量金屬加工表面質量的重要指標，是指金屬零件在加工后表面層的微觀不平度，一般情況來說，粗糙度越高，金屬加工表面質量越低。這種粗糙度可能是因為切割等物理作用后產生的小型不規(guī)則誤差也有可能是金屬在加工過程中受到切削熱后原有屬性發(fā)生變化而產生的。金屬加工制品的損害普遍從其表層開始，優(yōu)質的表面質量可以有效提升金屬原件的抗磨損能力和耐腐蝕性，提高使用壽命。金屬原件加工表面質量的影響因素有很多方面，但主要方面有兩個，一是零件在進行加工的時候用刀具或其他供給側進行打磨時產生的波峰與波谷，雖然這種粗糙度可能很小，但是在實際應用時仍然不可忽略;二是金屬表層在經過金屬加工后會產生的物理性質變化，一般是金屬受到熱切削或其他加工后表面強度和硬度發(fā)生的一系列變化[1]。

1.2 金屬加工表面質量影響因素

影響金屬加工表面質量的因素有很多，按照性質劃分主要有以下三種：

（1）切削力和切削熱。切削加工時金屬零件加工過程中極為重要和常見的工序。金屬零件往往會因為切削工序產生的殘余應力發(fā)生一系列變化，包括金相組織的改變和表面層硬度以及平整度的改變，比如所謂的冷作硬化，就是指金屬原件在加工過程中阻力變大，表面層物理特性發(fā)生變化，可塑性降低而硬強度加大的現(xiàn)象。而由于切削工藝產生的切削熱又會在達到一定程度后降低金屬零件表層的強度和硬度。

（2）系統(tǒng)化誤差，工藝選擇不匹配。系統(tǒng)化誤差又稱原始誤差，是指在工藝調整上具有的原始誤差和在基礎原理上具有的原始誤差兩種。調整上的誤差是指在加工過程中采用了不合適的加工設備、刀具刀刃以及選擇了不恰當?shù)慕饘僭牧隙a生的失誤，這種誤差可以根據(jù)工作經驗和生產前檢查進行降低。如在金屬切割過程中金屬表面留下痕跡一般為刀具的原性形態(tài)，如果刀具使用不恰當，則會導致金屬的塑性變形異常明顯，由于摩擦產生的撕裂增大，表面粗糙度更高。而原理誤差是指采用了相似輪廓的刀具或者相似運動而形成的偏差。這種偏差主要受到金屬零件的加工手段、加工工藝以及設備的先進影響。

（3）殘余應力及熱塑性變形。在切削力的作用下，金屬零件表層發(fā)生了塑性變形而導致內外部金屬層之間在表面產生離層狀態(tài)和切削熱導致的內外層金屬比容差異都是導致殘余應力出現(xiàn)的主要原因。這種殘余應力大小在不同密度的金屬上表現(xiàn)不同，但是無論是何種金屬都會受到這種分離摩擦的影響進而降低金屬加工表面質量。另外同樣是在切削熱的作用下產生的較大的熱壓縮應力會導致金屬中的晶粒分子出現(xiàn)位移，進一步導致晶粒纖維化或者變形，使金屬原件在加工后出現(xiàn)熱塑性變形，這都會影響金屬加工的表面質量。

無論是我們提到的這些主要影響金屬加工表面質量的因素還是那些未被贅述的因素，都是我們在金屬加工過程中無法避免的問題，所以如何采取有效的措施提升金屬加工表面質量、提高零件性能、延長零件使用壽命、改善當今金屬加工面臨的問題、在整個金屬加工行業(yè)內都十分值得關注[2]。

2 金屬加工表面質量的影響

2.1 金屬加工表面質量對于產品耐磨性的影響

金屬零件的磨損是指金屬零件由于摩擦而產生的表面材料的損失，而產品的耐磨性正是指機械產品對抗零件磨損的能力，大部分器械都是因為超過了零件的磨損度而被淘汰，所以如果機械產品能過提高耐磨性將有效延長其使用壽命。通常來說產品的表面粗糙度越小，其耐磨損性能越好，但是在具體應用過程中我們并不能意味的通過減低其粗糙度而提高產品的耐磨性，因為對金屬加工零件的粗糙度在不同器械或者不同應用范圍內有不同的要求，比如在機械領域，過小的粗糙度反而會不利于機器的潤滑，降低潤滑油在金屬零件表面的滯留和保護作用，引起適得其反的效果。

2.2 金屬加工表面質量對機器抗疲勞度的影響

金屬制品的表面層和冷硬層下層會在交變荷載的作用下產生疲勞損壞，而零件的加工表面質量正是金屬制品抗疲勞性高低的主要影響條件。

（1）粗糙度對機器抗疲勞度的影響。金屬零件在經過交變荷載作用后會把殘存的應力集中在金屬零件切削過程產生的波谷中，從而使金屬零件產生疲勞裂紋。如果金屬表面的粗糙度越高，則產生的裂紋越深，金屬機械的抗疲勞性也就越低。

（2）殘存應力和冷作硬化對機器抗疲勞度的影響。如果金屬零件表面存在拉應力的作用，就睡加深疲勞裂紋的長度和深度;而如果金屬零件表面殘存的是壓應力則會阻止疲勞裂紋的進一步擴大，提升機器的康疲勞度，所以殘存應力對機器疲勞度的影響要在具體情況下加以分析。而金屬表面的冷作硬化一般都是伴隨著壓應力的產生，對于提高康疲勞度有積極作用。

2.3 金屬加工表面質量對機器耐蝕性以及配合質量的影響

金屬表面的粗糙度越大，金屬零件的耐腐蝕性往往越差，另外，表面粗糙度也會對其配合質量產生影響。粗糙度的提升會使金屬零件的磨損程度提高，磨損程度越大，機器各部之間的配合間隙就會越大，而過大的合作間隙就會降低配合各部之間負荷強度。

3 金屬加工表面質量的改進措施探析

3.1 完善工藝流程和切削條件

完善和創(chuàng)新加工流程是開展機械加工的前提條件，是改進金屬加工表面質量的總體規(guī)劃。在制定金屬零件的工藝制作流程時，要把設計基準和定位基準相結合，做到定位準確，工藝精湛，保證操作流程的精準性和可控性、裝夾定位，為加工操作提供完善的方案和手段，只要這樣才能夠保證金屬加工表面質量的提升，做出符合客戶要求的產品。加工工藝的成熟能夠有效降低原件在切割或者其他操作過程中受到的破壞，因為在沒有特殊要求的情況下一次成型的產品往往比經過多次打磨的產品擁有更高的光滑度和耐磨性。

現(xiàn)代金屬零件的加工削切主要是由專用的及其設備來完成，所以所謂提供良好的削切條件就是為相關機器設備設置準確的切割參數(shù)并制定完善的工序流程，只有這樣才能防止金屬零件在加工過程中由于切割條件而產生質量問題，縮小理論粗糙度和實際粗糙度的距離，符合金屬加工要求。對削切參數(shù)的設置主要包括削切速度、削切深度、刀具角度以及進給速度等方面。對于金屬塑性材料加工切割時，可以通過改建刀具前角降低金屬表面質量發(fā)生問題的可能性。因為刀具前角的增大會將且學歷降低，從而降低金屬表面的變形程度，提升表面質量。另外，在加工過程中要重視對積屑瘤的清理，過量的積屑會導致零件表面的光滑度大幅度降低。完善的工序流程不但可以改善整批產品的質量而且由于金屬加工表面層質量主要是在最后一步確定，所以在制定工藝流程時尤其要考慮最終工序前金屬零件表面發(fā)破損程度和可接受的殘余應力等條件，以防金屬零件在最后一步出現(xiàn)問題。

3.2 降低系統(tǒng)化誤差，進行細節(jié)優(yōu)化

在加工過程中通過引進先進的加工技術和國外先進手段，利用誤差預防技術和補償方案可以提高零件的加工品質，降低原始誤差對零件加工表面質量的影響，而且增進的工藝精準性可以有效地預防誤差過大，原始材料浪費等現(xiàn)象。另外，通過采用先進的機械設備可以對切割加工過程進行更精準的把握和調控，提高零件的加工制造能力和產成品的質量，將原始誤差勻化轉移，轉變以往加工過程中對金屬表面造成的損傷。雖然在金屬加工過程中系統(tǒng)化誤差是客觀存在的，但是適當?shù)奶嵘O備和工藝仍是可以有效降低誤差的重要途徑，也對提升金屬表面質量有著非凡的影響。

3.3 選擇合適性能的加工材料

原始材料的物理性質和化學性質對于其表面質量有著源發(fā)性影響。原材料的固有熱塑性變形能力和金相組織情況是影響產品表面質量的關鍵性因素，所以在選擇原材料時要充分考慮其這兩方面的特性，必要時將其作為選擇指標。如果制作的金屬零件需要以和鋼材料和低碳材料為原料，則需要在加工之前就通過正火處理等工藝對其進行降塑操作，因為這一類材料具有較高的可塑性，如果不進行正確的處理就會導致金屬零件具有較高的變形度和粗糙度，不利于提高產品質量。此外對于特殊要求和特殊處理的原件，還要充分考慮其金相組織特質是否合適、晶粒大小和晶粒分布等因素，這些都是影響產成品表面質量的重要原因。其次，在選擇原材料時要根據(jù)實際應用需求做出判斷，并不是各項指標都高或者都低的材料是最好的。

3.4 選擇合適的切削刀具和其他工具

切削過程產生的殘余應力和以及切削熱導致的金屬零件熱塑性變形是影響金屬加工表面質量的最為重大的原因之一。合適的刀具在加工過程中不但能夠提高生產的精準度，而且可以根據(jù)實際需要調整幾何參數(shù)前角，以此來增加或降低刀具面和金屬面的接觸面積，根據(jù)實際應用情況，使用刀具取角時，前角度數(shù)一般為7度，后角則需要根據(jù)職業(yè)判斷或者具體要求進行調整。在選擇刀具時要充分考慮以下7個方面即:刀具精度、修光刃鋒利程度、刀尖圓弧半徑、副偏角度、刀具與加工材料性質是否相似、刀具是否滿足加工要求以及刀具導熱性，在充分考慮了這些條件后我們在實際操作時再根據(jù)實際情況有所側重。除上述條件以外，在選擇刀具和其他工具時也要關注其化學性，以防出現(xiàn)刀具和金屬原件發(fā)生親和作用，產生大量的積屑和鱗刺，以至于降低金屬加工表面質量。

3.5 降低殘余應力和表面層熱變形

根據(jù)論文前述我們可知殘余應力和金屬表面層的熱變形對金屬加工表面質量有著一定的影響，所以在加工過程中，我們往往采用加強金屬表面性能、加強材料化學物理性能自己使用切削液等方式來降低金屬零件表面的殘余應力。其中選用正確合適的切削液并且在適當?shù)臅r候進行加入和補充可以起到很大的潤滑冷卻、清洗排屑作用，在減少金屬零件和刀具之間的摩擦并且能夠帶走大部分的切削熱。加強材料本身的性能一般都是在加工進行前對金屬材料進行一定的技術操作，改善其表面層的性質，以此來提高金屬材料在加工過程中面對殘余壓力的能力。在近年來，通過運用特殊的冷壓制造工藝來改善零件表面層性質的做法也已經被普遍應用，這種工藝通過降低產生切削熱有效的改善了金屬表面層的熱變形和和可塑性的提升，在提高金屬零件表面質量上取得了良好的使用效果。

3.6 創(chuàng)新加工模式不斷探索研究

所以工藝的發(fā)展都離不開新型的加工方式和創(chuàng)新。所以要想在現(xiàn)有的基礎上提升金屬加工表面質量就要不斷的進行新的嘗試和創(chuàng)意，從不同的角度來看待、解決問題。同時要不斷的汲取新鮮的知識和工藝，結合時代發(fā)展，比如將加工管控和計算機輔助程序相結合，保證高精細管理。另外探索創(chuàng)新的加工工藝能夠提高工作效率并且能為我國的金屬加工行業(yè)帶來新的朝氣和發(fā)展方向，這是機械加工行業(yè)的未來發(fā)展使命。

4 結語

金屬加工表面質量受到加工機械、加工工藝以及金屬材料本身等多方面因素影響，所以要想提高金屬加工的表面質量就要從多角度多方面出發(fā)，在加工工藝和加工機械方面要盡量減少摩擦、降低殘余應力和不必要的破壞;在金屬本身性質上要進行定向優(yōu)化，增強金屬表面穩(wěn)定性，并且選擇合適的金屬材料進行加工。只有這樣才能達到加工目標，提升產品的表面質量，進而提升產品整體的優(yōu)越性和競爭力，為企業(yè)乃至行業(yè)帶來廣闊的市場前景。