探讨影响机械加工表面质量的因素

摘要：在生产工艺中，衡量一个零件加工质量的好坏，所需要参考的指标有：加工的精度以及表面上的粗糙度，这些指标一直是生产工艺最关注的问题。本文结合本专业理论知识，透过分析实际生产过程中，影响零件表面的粗糙度中的因素、生产零件表面层中的物理力学上的性能，以及其他的相关因素，希望将这些因素总结出来，以供有用之士参考。

关键词：机械加工；表面质量；粗糙度；物理力学；零件失效

1.相关概念的探讨

机械加工一般指工厂运用机械或者其他的生产器械生产工厂所需要的产品的过程，有广义与狭义之分，狭义的机械加工是指应用车床、钻床、磨床或者冲压机等专用的机械设备来定制工厂所需要零件的过程。零件的失效是指在一定情形下，零件失去了原有的使用功能。磨削烧伤是指零件在磨削加工的过程中，由于出现磨粒为负前角的切削，使得磨削的温度很高，进而所产生的热量远胜于实际所需要的热量，磨削热会有一半传给工件，这样就会非常容易发生金相组织上的转变，其表面层的金属硬度与强度也会随之下降，这些残余的应力会在一定情形下，导致轻微的裂纹，这种现象我们称之为磨削烧伤。表面冷作硬化是由于冷加工，使得零件的表面产生一种表面应力，这样零件的表面就会比加工前的表面硬度的耐磨性有更加大的提高。

2.影响机械加工零件表面质量的具体因素

2.1加工过程对表面质量的影响

2.1.1工艺系统的振动对工件表面质量的影响

在机械加工过程中工艺系统有时会发生振动，即在刀具的切削刃与工件上正在切削的表面之间除了名义上的切削运动之外，还会出现一种周期性的相对运动。

振动使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏，使加工表面出现振纹，增大表面粗糙度值，恶化加工表面质量。

2.1.2刀具几何参数、材料和刃磨质量对表面质量的影响

刀具的几何参数中对表面粗糙度影响最大主要是副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径。在一定的条件下，减小副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径都可以降低表面粗糙度。在同样条件下，硬质合金刀具加工的表面粗糙度值低于高速钢刀具，而金刚石、立方氮化硼刀具又优于硬质合金，但由于金刚石与铁族材料亲和力大，故不宜用来加工铁族材料。另外，刀具的前、后刀面、切削刃本身的粗糙度直接影响加工表面的粗糙度，因此，提高刀具的刃磨质量，使刀具前后刀面、切削刃的粗糙度值应低于工件的粗糙度值的1～2级。

2.1.3切削液对表面质量的影响

切削液的冷却和作用能减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，使切削层金属表面的塑性变形程度下降，抑制积屑瘤和鳞刺的产生，在生产中对于不同材料合理选用切削液可大大减小工件表面粗糙度。

2.1.4工件材料对表面质量的影响

工件材料的性质；加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性越好，金属的塑性变形越大，加工表面就愈越粗糙。加工脆性材料时其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点使表面粗糙。一般韧性较大的塑性材料，加工后表面粗糙度较大，而韧性较小的塑性材料，加工后易得到较小的表面粗糙度。对于同种材料，其晶粒组织越大，加工表面粗糙度越大。因此，为了减小加工表面粗糙度，常在切削加工前对材料进行调质或正火处理，以获得均匀细密的晶粒组织和较高的硬度。

2.1.5切削条件对工件表面质量的影响

与切削条件有关的工艺因素，包括切削用量、冷却情况。中、低速加工塑性材料时，容易产生积屑瘤和鳞刺，所以，提高切削速度，可以减少积屑瘤和鳞刺，减小零件已加工表面粗糙度值；对于脆性材料，一般不会形成积屑瘤和鳞刺，所以，切削速度对表面粗糙度基本上无影响。进给速度增大，塑性变形也增大，表面粗糙度值增大，所以，减小进给速度可以减小表面粗糙度值，但是，进给量减小到一定值时，粗糙度值不会明显下降。正常切削条件下，切削深度对表面粗糙度影响不大，因此，机械加工时不能选用过小的切削深度。

2.1.6切削速度对表面粗糙度的影响

一般在粗加工选用低速车削，精加工选用高速车削可以减小表面粗糙度。在中速切削塑性材料时，由于容易产生积屑瘤，且塑性变形较大，因此加工后零件表面粗糙度较大。通常采用低速或高速切削塑性材料，可有效地避免积屑瘤的产生，这对减小表而粗糙度有积极作用。

2.1.7磨削加工对表面质量的影响

砂轮的影响。砂轮的粒度越细，单位面积上的磨粒数越多，在磨削表面的刻痕越细，表面粗糙度越小；但若粒度太细，加工时砂轮易被堵塞反而会使表面粗糙度增大，还容易产生波纹和引起烧伤。砂轮的硬度应大小合适，其半钝化期愈长愈好；砂轮的硬度太高，磨削时磨粒不易脱落，使加工表面受到的摩擦、挤压作用加剧，从而增加了塑性变形，使得表面粗糙度增大，还易引起烧伤；但砂轮太软，磨粒太易脱落，会使磨削作用减弱，导致表面粗糙度增加，所以要选择合适的砂轮硬度。砂轮的修整质量越高，砂轮表面的切削微刃数越多、各切削微刃的等高性越好，磨削表面的粗糙度越小。

磨削用量的影响。增大砂轮速度，单位时间内通过加工表面的磨粒数增多，每颗磨粒磨去的金属厚度减少，工件表面的残留面积减少；同时提高砂轮速度还能减少工件材料的塑性变形，这些都可使加工表面的表面粗糙度值降低。降低工件速度，单位时间内通过加工表面的磨粒数增多，表面粗糙度值减小；但工件速度太低，工件与砂轮的接触时间长，传到工件上的热量增多，反面会增大粗糙度，还可能增加表面烧伤。增大磨削深度和纵向进给量，工件的塑性变形增大，会导致表面粗糙度值增大。径向进给量增加，磨削过程中磨削力和磨削温度都会增加，磨削表面塑性变形程度增大，从而会增大表面粗糙度值。为在保证加工质量的前提下提高磨削效率，可将要求较高的表面的粗磨和精磨分开进行，粗磨时采用较大的径向进给量，精磨时采用较小的径向进给量，最后进行无进给磨削，以获得表面粗糙度值很小的表面。

2.2使用过程中影响表面质量的因素

2.2.1耐磨性对表面质量的影响

每个刚加工好的摩檫副的两个接触表面之间，最初阶段在表面粗糙的峰部触，实际接触面积远小于理论接触面积，在相互接触的部有非常大的单位应力，使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏，引起严重磨损。

2.2.2疲劳强度对表面质量的影响

在交变载荷作用，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中产生疲劳纹。表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏的能力就愈差。

2.2.3耐蚀性对表面质量的影响

零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多。抗蚀性就愈差。表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。

参考文献：

[1]王文清，郑慕侨；综合传动铸铁密封环磨损模糊可靠性分析与计算[J]；北京理工大学学报；2005年02期

[2]周拥仔；龙春光；华熳煜；陈曙光；戴春霞；；ABS汽车防撞护栏材料的研制及应用[J]；工程塑料应用；2008年06期

[3]孙宝寿；邓益民；陈哲；王利柱；刘军；；基于Taguchi和UDE试验设计的注塑工艺参数优化[J]；工程塑料应用；2009年12期

[4]孙禹辉；硅片化学机械抛光中材料去除非均匀性研究[D]；大连理工大学；2011年

作者简介：李明星（1989—），男，汉族，湖北随州人，现为华中科技大学文华学院机电学部09级机械设计制造及其自动化专业2班学生。