淺談金屬加工表面質(zhì)量

【摘要】機(jī)械零件的破壞一般總是從表面層開(kāi)始的，因此零件的表面質(zhì)量是至關(guān)重要的。本文分析了加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響以及影響表面粗糙度的工藝因素。

【關(guān)鍵詞】金屬加工表面質(zhì)量

加工表面質(zhì)量包括加工表面的幾何形狀誤差、表面層金屬的力學(xué)物理與化學(xué)性能兩個(gè)方面的內(nèi)容。

加工表面的幾何形狀誤差，包括表面粗糙度（表面粗糙度是加工表面的微觀幾何形狀誤差，其波長(zhǎng)與波高比值一般小于50）、波度（加工表面不平度中波長(zhǎng)與波高的比值等于50～1000的幾何形狀誤差稱為波度，它是由機(jī)械加工中的振動(dòng)引起的。當(dāng)波長(zhǎng)與波高比值大于1000時(shí)，稱為宏觀幾何形狀誤差。例如，圓度誤差、圓柱度誤差等）、紋理方向（紋理方向是指表面刀紋的方向，它取決于表面形成過(guò)程中所采用的機(jī)械加工方法）、傷痕（傷痕是在加工表面上一些個(gè)別位置處出現(xiàn)的缺陷，例如砂眼、氣孔、裂痕等）。

由于機(jī)械加工中力因素和熱因素的綜合作用，使加工表面層金屬的力學(xué)物理性能和化學(xué)性能將發(fā)生一定的變化。

1.表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響

（1）表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性的影響

零件的耐磨性主要與摩擦副的材料、熱處理狀況、表面質(zhì)量和潤(rùn)滑條件有關(guān)。當(dāng)兩個(gè)零件的表面互相接觸時(shí)，如果表面粗糙，只是表面的凸峰相接觸，實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于理論接觸面積，因此單位面積上壓力很大，破壞了潤(rùn)滑油膜，凸峰處出現(xiàn)了干摩擦。如果一個(gè)表面的凸峰嵌入另一表面的凹谷中，摩擦阻力很大，且會(huì)產(chǎn)生彈性變形、塑性變形和剪切破壞，引起嚴(yán)重的磨損。

零件表面紋理形狀和紋理方向?qū)Ρ砻婺湍バ砸灿酗@著影響，在輕載荷并充分潤(rùn)滑的運(yùn)動(dòng)副中，兩配合面的刀紋方向相同時(shí)，耐磨性較好；與運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)，耐磨性最差。而在重載荷又無(wú)充分潤(rùn)滑的情況下，兩結(jié)合表面的刀紋方向垂直時(shí)磨損較小?？梢?jiàn)重要的零件最終加工應(yīng)規(guī)定最后工序的加工紋理方向。

加工硬化能提高耐磨性，但過(guò)度的硬化會(huì)使表面層產(chǎn)生裂紋和表面層剝落，磨損加劇，耐磨性下降。

表面層金屬的殘余應(yīng)力和金相組織的變化也會(huì)對(duì)耐磨性產(chǎn)生影響。

（2）表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響

表面粗糙度值大，在交變載荷作用下，零件容易引起應(yīng)力集中并擴(kuò)展疲勞裂紋，造成疲勞損壞。如表面粗糙度值Ra由0.4μm降低到0.04μm時(shí)，對(duì)于承受交變載荷的零件，其疲勞強(qiáng)度可提高30%～40%。表面粗糙度越大，疲勞強(qiáng)度也降得越低。合理地安排加工紋理方向及零件的受力方向有利于疲勞強(qiáng)度的提高。

殘余應(yīng)力與疲勞強(qiáng)度有極大關(guān)系。殘余壓應(yīng)力可提高零件的疲勞強(qiáng)度，而殘余拉應(yīng)力使疲勞裂紋加劇，降低疲勞強(qiáng)度。帶有不同殘余應(yīng)力表面層的零件，其疲勞壽命可相差數(shù)倍至數(shù)十倍。適當(dāng)加工硬化有助于提高零件的疲勞強(qiáng)度。

（3）表面質(zhì)量對(duì)零件配合性質(zhì)的影響

表面粗糙度大，磨合后會(huì)使間隙配合的間隙增大，降低配合精度。對(duì)于過(guò)盈配合而言，裝配時(shí)配合表面的凸峰被擠平，減小了實(shí)際過(guò)盈量，降低了連接強(qiáng)度，影響了配合的可靠性。表面加工硬化嚴(yán)重，將可能造成表層金屬與內(nèi)部金屬脫離的現(xiàn)象，也將影響配合精度和配合質(zhì)量。

殘余應(yīng)力過(guò)大，將引起零件變形，使零件的幾何尺寸和形狀改變，而破壞配合性質(zhì)和配合精度。

（4）表面質(zhì)量對(duì)零件接觸剛度的影響

表面粗糙度大，零件之間接觸面積減小，接觸剛度減??；表面粗糙度小，零件的配合表面的實(shí)際接觸面積大，接觸剛度大。加工硬化能提高表層的硬度，增加表層的接觸剛度。

（5）表面質(zhì)量對(duì)零件抗腐蝕性的影響

零件在介質(zhì)中工作時(shí)，腐蝕性介質(zhì)會(huì)對(duì)金屬表層產(chǎn)生腐蝕作用。表面粗糙的凹谷易沉積腐蝕性介質(zhì)而產(chǎn)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。腐蝕性介質(zhì)按箭頭方向產(chǎn)生侵蝕作用，逐漸滲透熟金屬內(nèi)部，使金屬層剝落、斷裂，形成新的凹凸表面。然后，腐蝕又由新的凹谷向內(nèi)擴(kuò)展，這樣重復(fù)下去使工件表面遭到嚴(yán)重的破壞。表面光潔的零件，凹谷較淺，沉積腐蝕性介質(zhì)的條件差，不太容易被腐蝕。凡是零件表面存在殘余拉應(yīng)力，都將降低零件的耐腐蝕性；而零件表層存在殘余壓應(yīng)力和一定程度的強(qiáng)化都有利于提高零件的抗腐蝕能力。另外，表面質(zhì)量好能提高密封性能，降低相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件的摩擦系數(shù)，減少發(fā)熱和功率消耗，減少設(shè)備的噪聲等。

2.影響表面粗糙度的工藝因素

（1）刀刃在工件表面留下的殘留面積

在被加工表面上殘留的面積越大，獲得的表面越粗糙。用單刃刀具切削時(shí)，殘留面積只與進(jìn)給量f、刀尖圓弧半徑rε及刀具的主偏角κr、副偏角κr′有關(guān)。

減小進(jìn)給量f，減小刀具的主、副偏角，增大刀尖圓弧半徑，都能減小殘留面積的高度H，也就降低了零件的表面粗糙度。

進(jìn)給量f對(duì)表面粗糙度影響較大，當(dāng)f值較低時(shí)，有利于表面粗糙度的降低。減小刀具的主、副偏角，均有利于表面粗糙度的降低。一般在精加工時(shí)，刀具的主、副偏角對(duì)表面粗糙度的影響較小。

（2）工件材料的性質(zhì)

塑性材料與脆性材料對(duì)表面粗糙度都有較大的影響。

1）積屑瘤的影響

在一定的切削速度范圍內(nèi)加工塑性材料時(shí)，由于前刀面的擠壓和摩擦作用，使切屑的底層金屬流動(dòng)緩慢而形成滯流層，此時(shí)切屑上的一些小顆粒就會(huì)粘附在前刀面上的刀尖處，形成硬度很高的楔狀物，稱為積屑瘤。

積屑瘤的硬度可達(dá)工件硬度的2～3.5倍，它可代替切削刃進(jìn)行切削。由于積屑瘤的存在，使刀具上的幾何角度發(fā)生了變化，切削厚度也隨之增大，因此會(huì)在已加工表面上切出溝槽。積屑瘤生成以后，當(dāng)切屑與積屑瘤的摩擦大于積屑瘤與刀面的冷焊強(qiáng)度或受到振動(dòng)、沖擊時(shí)，積屑瘤會(huì)脫落，又會(huì)逐漸形成新的積屑瘤。因些積屑瘤的生成、長(zhǎng)大和脫落，使切削發(fā)生波動(dòng)，并嚴(yán)重影響工件的表面質(zhì)量。脫落的積屑瘤碎片，還會(huì)在工件的已加工表面上形成硬點(diǎn)。因此，積屑瘤是增大表面粗糙度的不可忽視的因素。

2）鱗刺的影響

在已加工表面產(chǎn)生的鱗片狀毛刺，稱作鱗刺。鱗刺也是增大表面粗糙度的一個(gè)重要因素。形成鱗刺的原因有：由于機(jī)械加工系統(tǒng)的振動(dòng)所引起的、由于切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用，使切屑在前刀面上產(chǎn)生周期性停留，從而擠拉 已加工表面。

3）脆性材料

在加工脆性材料時(shí)，切屑呈不規(guī)則的碎粒狀，加工表面往往出現(xiàn)微粒崩碎痕跡，留下許多麻點(diǎn)，增大了表面粗糙度。

（3）切削用量

選擇不同的切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響較大。在一定的速度范圍內(nèi)，如用中、低速（一般1

此外，當(dāng)背吃刀量或進(jìn)給量很小且刀刃不夠鋒利時(shí)，刀刃易在工件表面打滑，增大表面粗糙度。