機械加工表面質(zhì)量的影響因素與改善措施

王振

摘要：機械零件的破壞往往都是從零件的表面層次開始的，因此機械零件表面粗糙度質(zhì)量與機械零件使用過程中的耐磨性、耐溶劑腐蝕性、抗疲勞性、使用壽命息息相關(guān)。為了滿足機械生產(chǎn)對機械零件質(zhì)量要求越來越苛刻的需求，技術(shù)人員需要不斷優(yōu)化機械加工工藝，提高機械加工零件表面質(zhì)量。本文分析了機械加工工藝中影響零件表面粗糙度和表面性能的主要因素，并提出了相應(yīng)的工藝優(yōu)化整改措施。

關(guān)鍵詞：機械加工;粗糙度;影響因素;改進措施

0? 引言

科技水平的不斷發(fā)展是提高國民生活質(zhì)量的重要保障，也是支持國家工業(yè)產(chǎn)業(yè)不斷創(chuàng)新、發(fā)展、進步的重要手段。機械加工使用的機械設(shè)備、儀器由各種機械另加組裝而成，搭載不同的計算機處理模塊，機械設(shè)備加工性能受到機械零件質(zhì)量的影響。機械設(shè)備使用到的各種零件合格率、質(zhì)量和性能高低受到機械零件表面質(zhì)量的影響。

所謂的機械加工零件的表面質(zhì)量指的是機械加工生產(chǎn)各種機械零件過程中，機械零件受到各種物理、化學、力學作用，機械零件的表面質(zhì)量發(fā)生變化。表面微觀層面會出現(xiàn)不同程度的微觀不平整度，宏觀層面表現(xiàn)為機械零件表面出現(xiàn)粗糙度的變化。

基于上述研究背景，文章探究了機械加工過程中各種工藝因素、環(huán)境因素等對加工零件表面質(zhì)量的影響規(guī)律，分析影響規(guī)律，優(yōu)化機械加工過程，以改善機械零件表面質(zhì)量，最終可以實現(xiàn)機械加工產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平的提升。

1? 機械加工表面質(zhì)量概念及要求

目前機械加工零件使用的材料包括了特種高分子樹脂材料、特種陶瓷材料、金屬合金等。機械加工過程中，合金坯料受到物理、化學、力學作用下會出現(xiàn)一個平面層，這個平面層就是機械加工平面層。機械零件平面層與標準零件平面層之間存在的形狀差異通常使用粗糙度指數(shù)來評價，機械零件被加工后其技術(shù)表面的理化組織性質(zhì)和力學性能與目標零件性能指標的差異性是另一個評價機械零件平面層的標準。機械加工過程中，在機械切削作用及切削工作振動摩擦的作用下，機械零件合金材料微觀表面結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)類似于波峰、波谷的結(jié)構(gòu)變化，這種結(jié)構(gòu)變化的定量評價使用表面粗糙度評價。

機械零件表面理化組織性質(zhì)指的是，機械切削作用產(chǎn)生的熱量會傳遞到合金零件中，導(dǎo)致合金零件溫度上升，當溫度達到合金熱處理溫度時，合金表面就會發(fā)生退火等微觀組織性質(zhì)的變化。力學性能指的是機械加工產(chǎn)生的機械變形和機械熱作用會導(dǎo)致合金表面存在殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力如果沒有及時的被消除，則會導(dǎo)致合金零件表面出現(xiàn)微觀裂紋，嚴重影響到零件使用過程中的耐疲勞性和使用壽命。

2? 影響機械加工表面質(zhì)量的因素

根據(jù)機械加工原理以及實際生產(chǎn)經(jīng)驗，影響機械加工表面質(zhì)量的因素可以分為以下幾個方面：

2.1 影響表面粗糙度的因素

2.1.1 材料的性能影響粗糙度

機械零件基體材料的性質(zhì)是決定其加工后表面性能的重要因素。例如，研究發(fā)現(xiàn)，合金材料先經(jīng)過熱處理后再進行機械加工，這種熱處理可以提高合金材料在機械加工過程中的磨損機械，提高加工過程中的抗磨損能力，得到表面耐磨性能良好的機械零件。

如果合金零件的脆性指數(shù)較高，或者合金中使用脆性指數(shù)高的某種金屬材料，導(dǎo)致其在機械加工過程中，脆性大的金屬容易被切削產(chǎn)生大量的廢屑，廢屑碰碎就會在合金表面殘留出很多凸凹點，增加機械加工表面粗糙度。

如果合金零件的韌性較高，其在加工過程中會產(chǎn)生較大的塑性變形，使得合金表面的波峰波谷間距增加，也會增加機械加工表面粗糙度。

宋波等人使用激光選區(qū)熔化技術(shù)對合金材料進行預(yù)處理，并對預(yù)處理后的材料和未經(jīng)過激光選區(qū)熔化技術(shù)預(yù)處理的零件進行機械加工，對比加工合金零件的表面粗糙度。結(jié)果表明，經(jīng)過激光選區(qū)熔化技術(shù)預(yù)處理后的合金材料殘余應(yīng)力發(fā)生變化，加工后零件表面的粗糙度從10μm降低到5.2μm。

2.1.2 切削加工影響粗糙度

從機械加工原理和實際操作經(jīng)驗來看，切削加工過程的速度、進給量、切削刀具的尺寸、主偏角等都是影響加工零件表面質(zhì)量的重要因素。并且，對于不同性質(zhì)的材料，需要配套不同的切削條件。例如在進行塑形較好的合金材料加工時，為了降低加工零件表面的粗糙度，需要適當提高加工速度。

郭曉磊等人選擇纖維板作為加工材料，在意大利Paolino Bacci公司生產(chǎn)的SMART五軸加工機床上使用硬質(zhì)合金雙刃直刃柄銑刀為切削工具，研究了切削速度和切削厚度對加工零件表面粗糙度的影響。結(jié)果表明，平均切削厚度增加，加工零件的表面粗糙度增加;當零件表面粗糙度目標值要求相同時，高速切削平均切削厚度更大，不僅環(huán)節(jié)刀具磨損提高刀具使用壽命，又可以提高車床加工產(chǎn)量。

朱金鵬等人在自主研制的高速立式精密車床上研究了純鐵材料在精密的切削加工過程中，切削工藝條件對加工零件的表面粗糙度影響規(guī)律。結(jié)果表明，切削工藝中切削深度、進給量、切削速度時影響加工零件的表面粗糙度三大主要因素，影響程度由大到小依次為進給量、切削深度、切削速度。

2.1.3 磨削加工影響粗糙度

在磨削加工過程中，砂輪上磨粒排布圖案、磨粒尺寸、溝槽結(jié)構(gòu)及尺寸等都會對機械加工零件表面的波峰波谷特性有影響，進而改變零件表面的粗糙度。

溫雪龍等人在自主研制的三維微機械加工機床上對硬脆材料鈉鈣玻璃材料進行一系列磨削工藝條件考察，并考察了不同因素與加工零件表面粗糙度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，進給速度降低，零件表面粗糙度降低;磨削深度增加，零件表面粗糙度增大;主軸轉(zhuǎn)速降低，零件表面粗糙度降低。

2.2 影響機械加工表面性能的因素

2.2.1 加工表面產(chǎn)生冷作硬化

具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料受到機械加工的物理作用，使得合金的晶粒之間發(fā)生剪切滑移，使得晶體中的單元晶粒被過度拉長而最終破碎，這個過程提高了合金零件的強度和硬度，這個過程或者所賦予零件的特性被稱為冷作硬化。在零件的或許加工過程中，零件表面的變形阻力和塑性會受到冷作硬化作用的影響，而出現(xiàn)不同程度的弱化。材料在機械加工過程中的擠壓力、切削速度、切削深度都會改變冷作硬化程度。

2.2.2 金相組織性能發(fā)生變化

無論是切削加工還是磨削加工，工具在接觸材料過程中都不可避免的產(chǎn)生大量的熱值，熱量傳遞到材料后會提高材料的溫度，當材料溫度達到合金的想變溫度后，材料表面就會發(fā)生金相組織的變化。金相組織的變化如果過于激烈，就會降低材料的硬度，甚至在材料表面產(chǎn)生裂紋。

2.2.3 表面殘余應(yīng)力

機械加工產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，尤其會產(chǎn)生在發(fā)生金相組織變化的材料表面。這是因為，發(fā)生金相組織變化后，不同區(qū)域材料的密度和比容會發(fā)生變化，導(dǎo)致未發(fā)生金相變化的組織受到金相組織壓迫而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

3? 改善機械加工表面質(zhì)量的方法

3.1 對加工材料進行預(yù)處理或者開發(fā)優(yōu)異特種材料

材料的塑性和微觀組織結(jié)構(gòu)是決定材料經(jīng)過機械加工后表面性質(zhì)的兩個核心因素。因此研究人員開發(fā)出了特種材料用于機械加工，以應(yīng)對不同行業(yè)需求。同時，基于微觀調(diào)控技術(shù)和塑性改造技術(shù)，研究人員針對材料原始特性，開展了一系列材料預(yù)處理技術(shù)研究。例如，對于低碳和金材料，由于其塑性較強，因此在加工前需要進行熱處理，人為促使材料發(fā)生金相變化。

3.2 選擇恰當?shù)募庸l件

上文已經(jīng)總結(jié)不同研究人員探索的不同切削條件對加工表面粗糙度的影響，可以發(fā)現(xiàn)，不同的切削刀具、目標產(chǎn)品質(zhì)量、加工材料特性都有其特定的切削條件。例如，利用磨削處理零件表面時，要選擇砂輪磨粒尺寸均一、分布整齊的少輪，以獲取更低的表面粗糙度。同時，為了控制金相變化對材料帶來的性能變化，在加工過程中需要控制機械加工的給料量和給料速度，并配合優(yōu)異的冷卻技術(shù)，可以有效的避免材料發(fā)生金相組織變化。

3.3 有效控制殘余應(yīng)力

在控制殘余應(yīng)力方面，可以從刀具選型和加工工藝兩方面入手。選擇刀具時，應(yīng)當選擇具有較大前角和后角的刀具，并且在刀具刃磨時應(yīng)當縮短切削刃口的半徑;加工工藝方面，在切削用量固定的前提下，盡可能使用高轉(zhuǎn)速和較低的進給量，并配合噴射切削液強化表層的變形。

4? 結(jié)語

各種材料通過機械加工得到的各種零件質(zhì)量、性能和使用壽命與零件表面材料的粗糙度、組織性能息息相關(guān)。本文分析了影響表面粗糙度和機械加工表面性能的因素，并應(yīng)用了基礎(chǔ)科學研究提出了改善加工表面性能、降低粗糙度的改進措施，提高機械加工水平對機械產(chǎn)業(yè)的促進作用。

參考文獻：

[1]李都喜，苑舉勇，張坤伸.機械加工表面質(zhì)量影響因素及控制措施的探討[J].科技信息，2011（29）：113-114.

[2]馮麗.影響機械加工表面質(zhì)量的若干因素和改進方法[J].中國科技信息，2014（5）：165-166.

[3]燕金華.高速切削加工對表面粗糙度的試驗探究[J].電子測試，2013（16）：34-35.

[4]李沄.切削加工金屬零件表面粗糙度形成的相關(guān)因素及控制[J].金華職業(yè)技術(shù)學院學報，2001，1（3）：29-30.

[5]馬伏波，陳樹峰，陳小俊.切削加工時表面粗糙度形成的原因及其影響因素[J].煤礦機械，2006，27（11）：83-85.