機械加工表面質量對零件使用性能的影響及控制措施探討

摘 要：隨著工業(yè)技術的飛速發(fā)展機械化生產已走進各大小企業(yè)，與之息息相關的就是各式各樣的機器。而機器是由機械零件裝配而成，機器的失效是由個別零件的失效而造成的，其根本原因是零件喪失了其應具備的使用性能。而通過研究與生產實踐證明，零件的失效大都從表面開始，零件表面質量的高低是決定其使用性能好壞的重要因素。因此，正確地理解零件表面質量內涵，分析機械加工過程中影響加工表面質量的各種工藝因素，通過改變這些因素從而達到改善工件表面質量的目的，提高產品的使用性能對未來機械行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

關鍵詞：機械加工；表面質量；成因；控制措施

一、機械加工表面質量

機器零件的加工質量不僅指加工精度，還包括加工表面質量，表面質量是指機械加工后零件表面層的微觀幾何結構及表層金屬材料性質發(fā)生變化的情況，它是零件加工后表面層狀態(tài)完整性的表征。零件機械加工后的表面，總存在一定的微觀幾何形狀的偏差，表面層的物理力學性能也發(fā)生變化。

1.加工表面的幾何特征。加工表面的微觀幾何特征主要包括表面粗糙度和表面波度兩部分組成。表面粗糙度是波距L小于1mm的表面微小波紋；表面波度是指波距L在1～20mm之間的表面波紋。通常情況下，當L/H（波距/波高）<50時為表面粗糙度，L/H=50～1000時為表面波度。

（1）表面粗糙度：表面粗糙度主要是由刀具的形狀以及切削過程中塑性變形和振動等因素引起的，它是指已加工表面的微觀幾何形狀誤差。

（2）表面波度：主要是由加工過程中工藝系統(tǒng)的低頻振動引起的周期性形狀誤差，介于形狀誤差（L1/H1>1000）與表面粗糙度（L3/H3<50）之間。

2.加工表面層的物理、力學性能。表面層的物理力學性能包括表面層的加工硬化、殘余應力和表面層的金相組織變化。機械零件在加工中由于受切削力和切削熱的綜合作用，表面層金屬的物理力學性能相對于基本金屬的物理力學性能發(fā)生了變化。

（1）表面層的加工硬化：表面層的加工硬化一般用硬化層的深度和硬化程度N來評定：

N=[（H-H0）/H0] ×l00%

式中H——加工后表面層的顯微硬度；

H0——原材料的顯微硬度。

（2）表面層金相組織的變化：在加工過程（特別是磨削）中的高溫作用下，工件表層溫度升高，當溫度超過材料的相變臨界點時，就會產生金相組織的變化，大大降低零件使用性能。

（3）表面層殘余應力：在加工過程中，由于塑性變形、金相組織的變化和溫度造成的體積變化的影響，表面層會產生殘余應力。按應力性質分為拉應力和壓應力。目前對殘余應力的判斷大多是定性的，它對零件使用性能的影響大小取決于它的方向、大小和分布狀況。

二、機械加工表面質量對零件使用性能和使用壽命的影響

在零件的機械加工中，零件的加工表面產生微觀幾何形狀誤差、表面層物理和殘余應力等各種缺陷，雖然僅存于零件極薄的表面層中，卻嚴重影響著機械零件的精度、耐磨性、配合性、抗腐蝕性和疲勞強度等使用性能，從而進一步影響機械的使用性能和使用壽命。

1.表面質量對零件耐磨性的影響。零件的耐磨性是零件的一項重要性能指標，當摩擦副的材料、潤滑條件和加工精度確定之后，零件的表面質量對耐磨性將起著關鍵性的作用。表面層的冷作硬化可使表面層的硬度提高，增強表面層的接觸剛度，從而降低接觸處的彈性、塑性變形，使耐磨性有所提高。

2.表面質量對零件疲勞強度的影響。表面質量對零件疲勞強度的影響主要表現(xiàn)在：表面粗糙度對承受交變載荷的零件的疲勞強度影響、表面層殘余壓應力對零件的疲勞強度影響、表面層的加工硬化對零件的疲勞強度也有影響。

3.表面質量對零件耐腐蝕性能的影響。表面質量對零件耐腐蝕性能的影響主要表現(xiàn)在：表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響和表面層殘余壓應力對零件的耐腐蝕性能的影響。

4.表面質量對零件間配合性質的影響相配零件間的配合性質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，從而降低了配合質量，影響了配合的穩(wěn)定性；在過盈配合中，如果表面硬化嚴重，將可能造成表面層金屬與內部金屬脫落的現(xiàn)象，從而破壞配合性質和配合精度。

5.表面質量對零件其他性能的影響。如對間隙密封的液壓缸、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；對于滑動零件，減小表面粗糙度Ra能使摩擦系數(shù)降低、運動靈活性增高，減少發(fā)熱和功率損失；表面層的殘余應力會使零件在使用過程中繼續(xù)變形，失去原有的精度，機器工作性能惡化等。

三、提高零件加工表面質量的工藝措施

由于機械加工表面對機器零件的使用性能如耐磨性、接觸剛度、疲勞強度、配合性質、抗腐蝕性能及精度的穩(wěn)定性等有很大的影響，因此對機器零件的重要表面應提出一定的表面質量要求。由于影響表面質量的因素是多方面的，只有了解和掌握影響機械加工表面質量的因素，才能在生產實踐中，采取相應的工藝措施，對表面質量根據(jù)需要提出比較經濟適用性的要求，減少零件因表面質量缺陷而引起的加工質量問題，從而提高機械產品的使用性能、壽命和可靠性。

1.制訂科學合理的工藝規(guī)程是保證工件表面質量的基礎?？茖W合理的工藝規(guī)程是加工工件的方法依據(jù)。只有制訂了科學合理的工藝規(guī)程，才能為加工工件表面質量滿足要求提供科學合理的方法依據(jù)，使加工工件表面質量滿足要求成為可能。對科學合理的工藝規(guī)程的要求是工藝流程要短，定位要準確，選擇定位基準時盡量使定位基準與設計基準重合，可以避免由定位基準與設計基準不重合而引起的定位誤差。

2.合理的選擇切削參數(shù)是保證加工質量的關鍵。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給速度的選擇等。試驗證明，主偏角、副偏角及刀尖圓弧半徑對零件表而粗糙度都有直接影響。在進給量一定的情況下，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，抑制積屑瘤的產生也可減小表面粗糙度。比如在加工塑性材料時若選擇較大前角的刀具可以有效抑制積屑瘤的形成，這是因為刀具前角增大時，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。

3.合理的選擇切削液是保證加工工件表面質量的必要條件。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量。

4.工件主要工作表面最終工序加工方法的選擇至關重要。工件主要工作表面最終工序加工方法的選擇至關重要，因為最終工序在該工作表面留下的殘余應力將直接影響機器零件的使用性能。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，應選擇較小的進給量f、較小的主偏角kr和副偏角krˊ、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，采用較高的切削速度可防止積屑瘤的產生，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?shù)脑龃蟮毒咔敖呛腿袃A角，提高刀具的刃磨質量，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對工件材料進行適當?shù)臒崽幚?，以細化晶粒，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生，可以大大減小表面粗糙度。

另外，可以通過噴丸強化、滾壓加工、液體磨料強化等方法提高和改善零件表面層物理力學性能的措施?？梢酝ㄟ^消除工藝系統(tǒng)中回轉零件的不平衡、提高傳動件的精度、提高工藝系統(tǒng)的剛度、采用隔振措施、采用減振裝置等措施來減少波紋度。

四、結束語

總而言之，機械加工表面質量對機器零件的使用性能如耐磨性、接觸剛度、疲勞強度、配合性質、抗腐蝕性能及精度的穩(wěn)定性等有很大的影響，因此對機器零件的重要表面應提出一定的表面質量要求。由于影響表面質量的因素是多方面的，只有了解和掌握影響機械加工表面質量的因素，才能在生產實踐中，采取相應的工藝措施，減少零件因表面質量缺陷而引起的加工質量問題，從而提高機械產品的使用性能、壽命和可靠性。

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作者簡介：

危春燕（1976—），女，漢族，本科，職稱：講師，主要研究方向：機械加工。