影响机械加工表面质量因素问题分析及改进措施

宋少军

摘 要：在机械加工中，所加工的工件质量对于工件在生产使用中的性能和寿命有较大影响。为了提高加工工件的精度，应从在加工过程中影响工件表面质量的工艺因素分析，并在此基础上提出提高加工工件表面质量的改进措施。

关键词：表面质量；影响因素；改善方法

中图分类号：TH16 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）20-0104-02

Abstract： In machining， the quality of the workpiece has a great influence on the performance and life of the workpiece in production. In order to improve the accuracy of machined workpiece， the technological factors affecting the surface quality of workpiece should be analyzed， and the improvement measures to improve the surface quality of machined workpiece should be put forward.

Keywords： surface quality； influencing factors； improvement method

机械制造技术是当今产品升级、发展生产力、增强市场竞争力的重要手段，也是现今科学技术发展的重中之重。作为支撑国民经济发展的机械制造业，是其他产业的基础，其他各种产业的发展和进步离不开制造业为其提供相应的先进的专用或通用设备。当今国际、国内生产领域竞争激烈，能够具备针对市场要求的快速反应能力，为其提供相应的优质产品，是加强市场竞争力的非常重要的因素。而产品质量的提高主要取决于制造业水平，因而确保机械加工表面质量的问题就显得尤为重要。

1 机械加工表面质量对工件使用性能的影响

在针对某个零件的机械加工过程中，加工表面会产生微观的几何形状误差从而导致表面层性能的变化。虽然上述的变化发生在零件上很薄的表面层中，但其轻微的变化足以影响机械零件的使用性能，从而进一步影响机器的使用性能和使用寿命。

1.1 表面结构及表面粗糙度的影响

（1）影响零件的耐磨性，当两个零件的摩擦表面接触时，实际上只有占接触面积很小一部分的凸峰顶部接触。在外力作用下，凸峰和凸峰之间的接触部分会产生较大的压强，从而导致零件表面发生相应的弹性形变，更严重的情况下会发生塑性形变，甚至发生剪切现象。（2）影响零件的配合性质，在发生相对运动的配合零件，如二者之间长时间发生磨损，零件的尺寸就会发生变化，从而影响零件的配合性质。比如零件的表面粗糙度选择不当时，会使零件的磨损速度加快，装配时所得到的合理间隙便迅速增大，一台新设备很快就失去正常的工作能力，有时会给单位带来不可估量的损失。（3）影响零件的疲劳强度，在某些工况下，零件之间会产生交变载荷，这时由于零件表面的较大的粗糙度如划痕、裂纹等缺陷会造成零件表面应力集中的问题。在微观的低凹处所产生的应力，会超过材料的疲劳极限从而会出现疲劳裂纹。而这样的疲劳裂纹会影响零件的抗腐蚀性。化学腐蚀是由于在加工表面粗糙度的凹谷处易积聚腐蚀性介质而产生化学反应。在实际的工作过程中，腐蚀性的介质往往集中在零件表面的粗糙凹谷处，而且若表面存在疲劳裂纹这种情况尤为严重。零件发生腐蚀的过程一般以零件表面的凹谷处的微小裂纹为源头向着金属内部逐渐发展，因此表面粗糙度值越大就越容易被腐蚀。

1.2 表面冷作硬化的影响

在零件的机械加工的过程中都不可避免的发生不同程度的冷作硬化现象，这种冷作硬化的现象会使所加工的零件表面的硬度增加，脆性也会加大，从而导致零件的抗冲击性能下降。由于零件表面冷硬层的存在会在一定程度上提高零件的耐磨性和疲劳强度，但是若零件表面的冷作硬化度较大的话，可能会导致零件表面产生裂纹，从而降低零件的耐磨性和疲劳强度。因此，在零件的机械加工过程中，要防止零件的过度冷作硬化。

1.3 表面残留应力的影响

在零件加工过程中在加工表面会存在残留应力，残留应力具体分为拉应力和压应力。若在零件表面层中的残留应力为压应力，能够在存在交变载荷的工况中抵消其产生的拉应力，防止或减缓疲劳裂纹的产生或发展。若在零件表面层中的残留应力为拉应力，在存在交变载荷的工况中，零件表面会产生裂纹，零件的疲劳强度随之降低。

2 机械加工表面质量对工艺因素及工艺方法的影响及改善措施

2.1 影响加工表面粗糙度的因素

在零件的切削加工过程中，影响其表面粗糙度的主要因素可归为以下兩个方面。一为几何因素，几何因素具体指切削的刀刃相对所加工的工件相对运动时其运动轨迹所形成的残留面积；第二为物理因素，具体指在机械加工过程中零件表面产生的机械瘤、鳞、刺以及震动等。针对上述两个影响因素，在实际的加工过程中，降低零件表面的粗糙度的方法措施为：在加工前确定合理的切削用量，选择合适的刀具几何参数；改善被加工工件的材料性能；选择合适的刀具材料；在加工过程中选择合适的切削液；确保加工环境的良好，防止或减小工艺系统振动。

2.2 影响加工表面性能的因素

2.2.1 零件加工表面层的冷作硬化现象

在零件的切削或加工过程中，若在其表面层发生了塑性形变，晶体之间发生了剪切滑移的现象，导致零件金属晶格的严重扭曲，所表现出的形式为晶粒的拉长、破碎和纤维化，最终会引起金属表面层的强度和硬度的提高的现象称为冷作硬化。

影响金属零件表面层的冷作硬化程度的主要因素为产生塑性变形的力、发生塑性变形的速度以及在发生塑性变形时的温度。具体影响结果为：加工过程中作用力越大，金属的塑性变形越大，其冷作硬化程度也越大。若金属塑性变形的速度越快，其塑性变形发展越不充分，相应的冷作硬化程度越低。在金属塑性变形时，金属表面的温度越高，其硬化程度会越小。除上述原因之外，金属零件表面冷作硬化程度还受到刀具、加工过程中的金属切削用量和被加工的材料等多方面的影响，为了减少冷作硬化对零件的不利影响，在加工过程中可采取如下措施：（1）合理选取加工刀具的几何参数，可以采用较大的前角和后角，并在刃磨时尽量减小其切削刃口圆角半径。（2）使用刀具时应合理限制其后面的磨损程度。（3）在加工过程中合理选择切削用量，并采用较高的切削速度和较小的进给量。（4）在加工过程中采用合适的切削液。

2.2.2 零件表面层金属组织发生变化

在機械加工过程中，由于加工刀具与被加工零件之间的速度较快的磨削运动，其消耗的能量会转化为热能从而导致加工表面温度升高，当温度升高到超过金属组织变化的临界值时，就会使金属的组织形式发生变化。若冷却效果不好，由于较高磨削速度所产生的热量会传入工作表面，因此零件加工表面出现金属组织变化的现象往往出现在磨削加工过程中。影响加工零件金属组织变化的因素为加工过程中的材料磨削的温度、金属表面层的温度梯度以及冷却的速度等。

2.2.3 表面层的残留应力

工件经机械加工后其表面层都存在残留的应力。若工件表面残留的应力为压应力，则可提高其表面的耐磨性，同时当工件受到拉应力时还可增加其疲劳强度。但是若工件表面残留应力为拉应力时，则会起到相反的作用。在更复杂的工况下，如工件正在承受交变载荷的作用，若工件表面残存的应力为拉应力，若拉应力值超过工件表面的疲劳强度极限时则会使工件表面产生裂纹，加速工件的失效。造成工件表面存在残留应力的原因主要有如下三个方面：（1）冷态塑性变形引起的残留应力工件经机械加工后已加工表面受到强烈的冷塑性变形，其中以刀具后刀面对已加工表面的挤压和摩擦产生的塑性变形最为突出，此时基体金属受到的挤压较轻而处于弹性变形状态，切削力去除后基体金属的变形，趋向恢复，但受到已产生塑性变形的表面层的限制恢复不到原状，因而在表面层产生了残留压应力。（2）热态塑性变形引起的残留应力工作加工表面在切削热作用下产生热膨胀，此时机体金属温度较低，因此表面产生压应力。当切削过程结束时，表面温度下降，由于表面以产生热塑性变形并受到机体的限制，故而产生残留拉应力，切削温度越高热，塑性变形越大残留拉应力也越大有时甚至产生裂变磨削时产生的热塑性变形比较明显。（3）金属组织变化引起的残留应力切削时产生的高温会引起表面层的金属组织变化。

2.2.4 减小残留拉应力，防止表面烧伤和裂纹的工艺措施。当工件表面具有残留拉应力时，其疲劳强度会下降，为此应尽可能在机械加工中避免或减小残留拉应力，在磨削加工的过程中，工件表面会存在残留的拉应力、烧伤和裂纹等缺陷，造成上述问题的主要原因是磨削区的工作温度较高。为了避免磨削区较高的温度，目前常用的两种解决办法为，减少磨削热量的产生以及加速磨削热量的传输。具体的方法如下：（1）合理地选择工件的磨削量，减少磨削加工的深度，从而减小工件表面的温度升高，以避免工件表面烧伤的情况发生。增加工件的工作的进给速度，可以通过减少作用时间来减轻烧伤，但较快的工件速度会导致加工表面的粗糙度变大，后续可以采用提高砂轮速度以及采用较宽的砂轮尺寸来弥补上述问题。（2）要合理地选择砂轮并根据砂轮的状态及时做出修正。砂轮的粒度越细，硬度越高，自砺性越差，在磨削过程中，工件表面上升的温度越高。若砂轮的组织较为紧密，磨削过程中产生的碎屑会堵塞砂轮，易出现灼伤的现象。当砂轮发生钝化时，砂轮表面的大多数磨粒只会作用在加工表面进行挤压和摩擦，起不到磨削作用，依然会使加工表面温度升高。因此，在加工过程中要时刻关注砂轮的状态并及时做出调整。（3）改善冷却方法。在加工过程中往往采用切削液来冷却加工工件，带走磨削区所产生的热量。但常用的冷却方法效果较差，由于砂轮高速旋转时圆周方向产生强大气流，使切削液很难进入磨削区，因此不能有效的降温。为改善冷却方法，可以采用内冷却砂轮。内冷却砂轮由上基体、下基体和盖板组成，砂轮内部加工出环形空腔用于储存冷却液。砂轮盖板上方有冷却液主入孔，上基体冷却液空腔内开有环形的流道与下基体外壁加工出的环形空间分布的直线流道通过连接螺栓互相匹配，二者形成砂轮的内冷却流道喷射口位于磨料处。在磨削加工过程中，主轴带动砂轮旋转，外置的加压系统可以控制注入冷却液的压力，来调节冷却液从喷射孔射出的流速。

3 结束语

机械加工质量会影响到机械产品在工作过程中的稳定性和使用的性能，甚至直接关系到企业的生产效率及生存发展。因此机械加工者需要充分掌握在机械加工过程中影响工件质量的主要因素，并针对不同的加工材料在加工方式上不断地进行优化，从而达到降低工件表面粗糙度、提升工件产品精度的目的，实现提高整个加工质量的目标。

参考文献：

[1]蒋增福.车工工艺与技能训练[M].高等教育出版社，2004，7.

[2]王幼龙.机械制图[M].高等教育出版社，2007，7.

[3]王明耀，张兆隆.机械制造技术[M].高等教育出版社，2009，7.