機械加工表面質量的探究

趙寶愛 楊曉東 李志鵬

摘要：隨著機械加工技術的發(fā)展，工件的加工更加精密，使用壽命更長，這就對工件的表面質量提出了更高的要求。本文就工件表面質量對其各類使用性能的影響原理進行分析;并對影響工件表面質量的關鍵因素進行闡述;最后提出機械加工中改善工件表面質量的措施。從以上三個方面對表面質量進行了總結，對以后機械加工中控制工件表面質量有一定的指導意義。

Abstract： With the development of machining technology， the processing of workpieces is more precise and the service life is longer， which puts forward higher requirements on the surface quality of the workpieces. This article analyzes the principle of the influence of the surface quality of the workpiece on its various performances; expounds the key factors that affect the surface quality of the workpiece; finally， measures to improve the surface quality of the workpiece in mechanical processing are proposed. The surface quality is summarized from the above three aspects， which has certain guiding significance for the control of the surface quality of the workpiece in the future machining.

關鍵詞：工件表面質量;影響因素;改進措施

Key words： workpiece surface quality;influencing factors;improvement measures

中圖分類號：TH161? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0122-03

0? 引言

近年來隨著機械行業(yè)的發(fā)展，對機械工件性能的要求也不斷提高。工件的表面質量直接對其各種性能產生影響，進而影響裝配后部組件的工作周期以及使用壽命。如何在現(xiàn)有的機械制造及機械加工工藝水平下盡可能提高機械加工的表面質量，這是目前機械制造領域的技術難題之一。本文通過對機械加工表面質量的探究，嘗試提出改善機械加工表面質量措施與方法，以此提高機械加工的工件性能。

1? 表面質量對工件使用性能的影響

1.1 表面質量對工件耐磨性的影響

工件的裝配過程必然伴隨著摩擦的發(fā)生，隨著摩擦表面物質的喪失或遷移，形成磨損的現(xiàn)象，該過程是不可逆的，磨損的原理如圖1所示。磨損會使工件的表面形狀和尺寸遭受緩慢并且連續(xù)的破壞，工件的磨損過程大致可分為三個階段，即磨合階段，穩(wěn)定磨損階段及劇烈磨損階段。在零件磨合初期，只有很少的輪廓峰接觸，因此接觸面上的真實應力比較大，使接觸面的波峰壓碎或者塑性變形，同時表層被冷作硬化，隨著磨損接觸時間的推移，原有的輪廓峰逐漸變?yōu)榫植炕蛘咄耆?。這一階段的磨損量很小，作用時間也很短。經過初期磨損，逐漸進入到穩(wěn)定磨損階段，所接觸的磨損面積增大，工件在平穩(wěn)而緩慢的速度下磨損，該階段標志著摩擦條件保持相對恒定，且該階段的時間長短代表了工件的使用壽命長短。經過穩(wěn)定磨損階段后，工件的表面遭到破壞，使運動副的間隙增大，引起額外的載荷，致使工件失效，磨損各階段的磨損量如圖2所示。一般說來，工件的表面質量越好，其耐磨性就越好，使用壽命就越長。

1.2 表面質量對工件配合性能的影響

工件的表面的粗糙度直接影響著配合表面的整體配合質量，粗糙度越大，相同狀態(tài)下工件磨損量越大，工件間的配合性能損壞越嚴重。對過盈配合來說，由于裝配時將粗糙表面的微觀凸峰磨平，減小了實際有效過盈，降低了連接強度。對間隙配合來說，表面越粗糙，工件受磨損的程度就越大，使工作過程中間隙逐漸增大，致使配合出現(xiàn)問題，最終無法滿足配合的要求。除粗糙度以外，工件的表面殘余應力也是影響其配合精度的重要因素，殘余應力過大會使得工件在放置及操作過程中出現(xiàn)變形，甚至裂紋，影響原有的配合精度。

1.3 表面質量對工件疲勞強度的影響

粗糙的工件表面存在較大的凸峰凹谷，同時工件表面的隱性缺陷如刀紋、劃痕等，都是應力主要集中的地方，即表面粗糙度越大，表面隱性缺陷越多，越容易出現(xiàn)應力集中。工件在受到交變載荷的作用時，產生的疲勞破壞往往發(fā)生在工件的表面和表面冷硬層下面。表面的粗糙值越高，其抗疲勞強度也就越低，同時加工硬化會導致工件表面出現(xiàn)冷硬層，輕微的加工硬化會阻礙疲勞裂紋的出現(xiàn)，增強工件的抗疲勞強度。但加工硬化程度過大，反而對工件的抗疲勞強度不利。

1.4 表面質量對工件抗腐蝕性的影響

工件的工作環(huán)境中不可避免的會出現(xiàn)潮濕空氣、酸、堿等腐蝕性因素。一般來說，工件具有一定的抗腐蝕能力。而表面質量的好壞則會在一定程度上影響到工件的抗腐蝕性。工件的腐蝕一般會出現(xiàn)化學腐蝕和電化學腐蝕兩種情況?；瘜W腐蝕是指粗糙的表面，腐蝕性的氣體或者液體通過工件表面的微觀凹谷深入到金屬內層而與金屬發(fā)生化學變化，造成工件表面的化學腐蝕。表面越粗糙，腐蝕性因素與表面接觸的面積越大，腐蝕的過程越快速明顯。電化學腐蝕是指當兩個不同金屬材料的工件表面相互接觸時，在表面微觀的波峰處產生電化學作用而被腐蝕的稱為電化學腐蝕，所以工件的表面越光滑平整，則其抗腐蝕能力越強。而工件的表面越粗糙，則其抗腐蝕能力越低。

1.5 表面質量對工件密封性的影響

粗糙的表面之間無法進行嚴密的貼合，易使氣體或者液體通過密封面的縫隙滲漏。從微觀角度講，任何表面都是高低不平的，存在波峰和凹谷。當密封機械運作時，兩個密封表面接觸，實際上也就是兩個表面的微觀波峰接觸。此時，兩個表面之間不可避免的出現(xiàn)微觀縫隙。表面越粗糙，微觀縫隙就越大，密封表面泄露缺陷就越明顯。同時工件的殘余應力，在機械運作時緩慢釋放，造成密封表面變形，使得密封失效。

除此之外，工件的表面質量對工件的使用性能、外觀性能、檢測精度及工件的可互換性等都有著深遠的影響。

2? 影響工件表面質量的因素

2.1 工件材料性質

材料根據(jù)力學性能可以主要分為塑性材料和脆性材料兩大類。

在低速切削塑性材料時，刀具對材料進行剪切擠壓，使得切削層塑性變形，同時產生加工硬化。切屑形成后與刀具前刀面之間存在壓力，當切屑沿著刀具流出時，必然有很大的摩擦，使切削底層進一步變形，已加工表面受到刀具鈍圓部分和后刀面的擠壓與摩擦而產生變形。這三個變形區(qū)域匯集在切削刃附近，造成應力相對集中且復雜。工件的被切削層在此處與工件機體發(fā)生撕裂分離，產生積屑瘤和鱗刺，同時一部分切屑無法排出，殘留在已加工表面，降低工件的表面質量。工件材料韌性愈好金屬的塑性變形愈大。加工表面就愈租糙。

在切削脆性材料時，切屑形狀一般是形狀不規(guī)則的崩碎切屑，從切削過程來看，切屑在脫落前變形很小，材料受到的剪切應力超過了其自身的強度，導致切屑脆斷。崩碎的切屑往往呈現(xiàn)顆粒狀，這些碎粒的崩竄，導致了已加工表面的磕傷、坑點，從而使得已加工表面變得粗糙。精密加工時，因切削深度小，刀刃容易打滑。也影響工件的表面質量，塑形材料與脆性材料材料力學性質對比如表1所示。

2.2 切削加工控制

工件表面質量的好壞與切削加工有著密切的聯(lián)系。其中主要影響為刀具、切削參數(shù)及切削熱。

刀具相對于工件作進給運動時，在加工表面留下了切削層殘留面積，其形狀是刀具幾何形狀的反應。殘留面積的大小與刀具的進給量、刀尖圓弧半徑及刀具的主偏角、副偏角等角度都有關系。對于寬刃刀具、定尺寸刀具和成形刀具等，其切削刃本身的表面粗糙度對精密機械加工工件的表面質量影響也很大。

切削參數(shù)對工件的表面質量有著深遠的影響。在切削用量三要素中，切削深度和進給量增大，都會使切削力增大，工件的變形量隨之增大;同時較大的切削深度及進給量會增大工件的切削殘留面積，加劇積屑瘤及鱗刺的產生，從而降低加工精度及表面粗糙度。切削速度對工件表面質量的影響因素相對較復雜。在切削塑性材料時，切削速度對積屑瘤及鱗刺的影響非常顯著。切削速度較低時，切削力較小，不會形成積屑瘤，加工平面相對光整。隨著切削速度的增加，工件的切削抗力增加，在切屑分離擠壓變形及剪切作用下，刀具易形成積屑瘤致使已加工面表面質量下降，積屑瘤和鱗刺的位置如圖3和圖4所示。隨著切削速度的持續(xù)增加，切削溫度升高，被切削材料與刀具之間摩擦降低，切削力降低，積屑瘤及鱗刺消失，表面質量提升。

切削熱是切削過程中的物理現(xiàn)象之一，大量的切削熱使得切削溫度升高，直接影響著刀具的磨損情況，積屑瘤的產生與消退，從而影響工件的表面質量。過高的切削溫度使刀具的硬度、耐磨性降低，降低刀具的切削質量;同時切削溫度傳導到已加工表面，造成加工面熱損傷，致使工件表面質量下降。當熱量傳導到機床時，機床受到不均勻升溫的影響，產生震顫扭轉，致使加工工件產生顫紋、接刀等瑕疵。

2.3 表面層材料金相組織變化

在金屬材料加工過程中，在切削力及切削熱的作用下材料產生塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產生剪切滑移，晶粒被拉長和纖維化，甚至破碎，這些都會使表面層金屬的硬度和強度提高，這種現(xiàn)象稱為加工冷作硬化。加工冷作硬化是不可避免的，它的出現(xiàn)將會給工件本身的結構造成影響，使其內部構造產生變化，產生的表面殘余拉應力和細微的裂痕破壞了空間結構，改變了工件的可加工性能。當切削溫度超出表面金屬承受范圍時，工件的晶相組織發(fā)生巨變，將會造成工件表面燒傷、灼傷影響工件的表面質量。

2.4 其他因素

除了以上提到的這幾點外，還有很多其他的因素可以影響工件的表面質質量，比如工件的殘余應力、加工機械的精度、操作人員的技術能力、加工工藝方案路線、磨削與拋光、冷卻與潤滑、表面防護等。在機械加工時，應當結合實際，從實際出發(fā)綜合考慮各方面因素，這樣才能更好的提高加工表面質量。

3? 改善工件表面質量的措施

3.1 優(yōu)化材料性能

工件的表面質量與材料的物理及化學性能有著非常緊密的聯(lián)系。通過優(yōu)化材料性能可以直接影響工件最終的表面狀態(tài)。通常狀況下塑性材料在加工之后，工件的表面質量相對于脆性材料更差一些。針對不同材料，在恰當?shù)倪x擇各類熱處理及化學熱處理工藝后，材料的晶粒組織及化學成分產生改變，表面及深層的物理及化學性質發(fā)生變化，使得材料的塑性及韌性能夠得到有效控制，提升材料的切削性能，進而保證加工的順利進行。

3.2 改善切削條件

在工件切削加工中，工件由于受到切削力和切削熱的作用，使表面層金屬的切削性能產生變化，加工表面塑性變形的程度越小，其表面質量越好。在加工塑性材料時，中、低速的加工容易產生積屑瘤和鱗刺，而較高的切削速度能夠有效阻止積屑瘤的形成;同時較小的進給量及切削深度也能夠使加工表面更加光滑，從而提升表面質量。在刀具方面，刀具的尺寸、材料及幾何參數(shù)均對加工質量有很大影響。相同切削條件下，細長的刀具更易使加工面出現(xiàn)顫紋或者讓刀及過切等缺陷，造成表面質量下降;具有高硬度，高耐磨性及高耐熱性的刀具單位時間磨損量更小，對工件的表面質量更有益;刀具采用較大的刀尖圓弧半徑、較小的副偏角可以減少殘留面積，能有效改善工件的表面質量。選擇恰當?shù)那邢饕海茉谝欢ǔ潭壬蠝p少切屑蹦濺，減少表面出現(xiàn)的燒傷問題，同時可以降低已經加工表面的殘余應力，抑制積屑瘤與鱗刺的形成，防止切削過程中塑性變形，降低表面粗糙度。

3.3 增加表面處理

機械加工中可以采用滾壓、擠（脹）孔、噴丸強化、金剛石、壓光等冷壓加工方法來改善表面層材質的變化。還可以采用陽極氧化、微弧氧化、電鍍、熱噴涂、氣相沉積以及高能束處理來改善表面質量，從而使材料的表面狀態(tài)改變，使得材料表面著色性增強、耐腐蝕性提高、耐磨性增強、硬度增加，并對材料表面起到保護作用。通過這些措施在機械生產中的應用，很大程度提高了機械加工工件的表面質量，提高了產品的工作性能、可靠性和壽命。

3.4 優(yōu)化加工規(guī)程

合理的加工規(guī)程使零件的加工有了科學的指導意義，同時也是機械加工的基礎保障。越是科學合理的加工規(guī)程越能保證一個工件的高質量。我們應建立一個合理的加工規(guī)程，該規(guī)程要細化、定位準確、定位基準與設計基準要統(tǒng)一;同時采取有效的冷卻措施，采用精密加工、超精密加工以及光整加工來減少加工表層變形強化和殘余應力。在一系列的規(guī)范加工程序下打造出一個粗糙度低的高質量工件。

4? 結束語

工件的表面質量對機械的運轉和工作性能都有著十分重要的影響。隨著社會的發(fā)展及科技的進步，人們對于機械工件表面質量的要求也越來越高。影響機械工件表面質量的因素是多方面且復雜的，只有在真正理解并掌握這些因素的基礎上，才能在生產加工中采取相應的措施，減少因工件表面質量問題而出現(xiàn)的質量風險，從而提升產品合格率，延長工件的使用壽命。

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