浅析机械加工表面质量问题

摘要：随着工业技术的飞速发展,机器的使用要求越来越高,一些重要零件在高压力、高速、高温等高要求条件下工作,表面层的任何缺陷,不仅直接影响零件的工作性能,而且还可能引起应力集中、应力腐蚀等现象,将进一步加速零件的失效,这一切都与加工表面质量有很大关系。因而表面质量问题越来越受到各方面的重视。

【关键词】 机械加工；表面质量；影响措施

中图分类号： F407 文献标识码： A

引言：

众所周知的事情是，零件的使用和损坏大多都是表面的磨损，这种表面损耗是由于零件相互咬合摩擦造成的。但是基于零件的本身性质不同，其耐磨性和持久性都是不同的，这就会联系到零件的表面质量。表面质量越好的零件耐久度和抗磨损度就越高，对于如何提高零件的表面质量，需要研究和掌握的就是在加工的过程中，不同的工艺和不同的因素对于表面质量的影响，通过总结得出一定的规律，以此控制某些变量已达到改善和提高零件使用性的目的。

1机器使用性能与表面质量的关系

表面质量对耐磨性的影响：对于刚刚加工好的零件表面粗糙度对于零件接触面积影响甚大，在刚刚使用阶段，接触的只是粗糙面的凸起，因此，接触的面积比理论上的接触面要小很多，由于接触面积的减小造成了峰部应力加大。然后在使用的过程中由于应力作用使得峰部被破坏，接触面产生变形以及弹性形变，这就是所谓的磨损，而且根据磨损的程度可以分为不同的磨损阶段，分别是，初期阶段、正常阶段和严重磨损阶段。这种磨损度一般是和零件的表面粗超程度有关，表面越光滑，对于零件的磨损就越小。这并不是说越是光滑的表面越好，因为油的储存一般也是和表面的粗糙度有关，太过光滑的表面不易储存油，这样容易使灵界直接粘结更容易发生磨损。适当的粗糙度对于零件的保养也是有好处的。另外，工作负荷和表面的硬化处理都是会影响到零件的耐磨性。但是作冷作硬化处理时也要注意不能将金属的组织变得太过疏松，否则容易出现金属脱落或者开裂现象。

当金属在受到荷载的交变作用后容易在表层或者是冷硬层下产生疲劳破坏，表面质量就关系着零件的疲劳强度抗值。往往粗糙度越高，在凹陷部位往往会产生裂纹，抗疲劳破坏度就越差。反之，在一定的程度下会增加零件的耐性。除此之外，表面的残余拉应力也会对这种疲劳破坏的裂纹起到扩大的作用，加大破坏程度，而表层的残余应力却能够减缓或者组织这种破坏的扩展。

表面质量除了对于上述情况具有影响外，对于耐蚀性也有很大的影响，粗糙度越大，零件表面层积累的腐蚀物就越多，对于抗腐蚀性就越差。而残余拉力对于表层造成的腐蚀开裂也会使得零件抗腐蚀性减低。

表面质量所关联的表面粗糙度对于配合质量的影响也是值得关注的，首先上面提到的间隙配合问题，由于粗糙度的加大使得间隙加大，而使得配合性降低，在装配的过程中，由于粗糙度的影响使得配件之间的连接强度也大大降低。

一、机械加工表面质量对机器使用性能的影响

表面质量对零件的耐磨性,配合精度,疲劳强度、抗腐蚀性,接触刚度等使用性能都有很大的影响。

1、表面质量对零件耐磨性的影响

零件的耐磨性主要与摩擦副的材料、热处理情况和条件有关。在这些条件已确定的情况下,零件的表面质量就起着决定性的作用。零件的磨损过程,通常分为三个阶段:摩擦副刚开始工作时,磨损比较明显,称为初期磨损阶段(一般称为走合期) 。经初期磨损后,磨损缓慢均匀,进入正常磨损阶段。当磨损达到一定程度后,磨损又突然加剧,导致零件不能正常工作,称为急剧磨损阶段。

（1）最佳表面粗糙度

表面粗糙度逐渐减小,实际接触面积增大,磨损也随之逐步减小,就进入正常磨损阶段。摩擦副的原始粗糙度过小,紧密接触的两金属表面分子间产生较大的亲和力,油被挤去,造成条件恶化,使表面容易咬焊,因而初期磨损也较大。随着走合过程的进行,表面粗糙度有所增大,磨损也随之有所减小。

二、 影响表面粗糙度的因素

1、 切削加工影响表面粗糙度的因素

在加工表面留下了切削层残留面积，其形状是刀具几何形状的复映。减小进给量vf、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度。此外，适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度，合理选择液和提高刀具刃磨质量以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小表面粗糙度值的有效措施。

2、 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。工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。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。

3、 切削用量

以较高的切削速度切削塑性材料，减小进给量可以提高表面光洁度。

4、 磨削加工影响表面粗糙度的因素

象切削加工时表面粗糙度的形成过程一样，磨削加工表面粗糙度的形成也是由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。影响磨削表面粗糙的主要因素有：(1)砂轮的粒度；(2)砂轮的硬度；(3)砂轮的修整；(4)磨削速度；(5)磨削径向进给量与光磨次数；(6)工件圆周进给速度与轴向进给量；(7)冷却液。

三、 影响加工表面层物理机械性能的因素

在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述3 项物理机械性能的变化会很大。

1、 表面层冷作硬化

（1） 冷作硬化及其评定参数

机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化(或称为强化)。表面层金属强化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化。加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。评定冷作硬化的指标有3 项，即表层金属的显微硬度HV、硬化层深度h 和硬化程度N。

（2） 影响冷作硬化的主要因素

切削刃钝圆半径增大，对表层金属的挤压作用增强，塑性变形加剧，导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，导致冷硬增强。

2、 表面层材料金相组织变化

当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后，表层金属的金相组织将会发生变化。

（1） 磨削烧伤

当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。在磨削淬火钢时，可能产生3 种烧伤。

（2） 改善磨削烧伤的途径

磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤有两个途径：一是正确选择砂轮；合理选择切削用量，尽可能地减少磨削热地产生；二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。

3、 表面层残余应力

产生残余应力的原因：

（1）切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生，使表面金属的比容加大。由于塑性变形只在表层金属中产生，而表层金属的比容增大，体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止，因此就在表面金属层产生了残余应力，而在里层金属中产生残余拉应力。

（2）切削加工中，切削区会有大量的切削热产生。

（3）不同金相组织具有不同的密度，亦具有不同的比容。如果表面层金属产生了金相组织的变化，表层金属比容的变化必然要受到与之相连的基体金属的阻碍，因而就有残余应力产生。

零件主要工作表面最终工序加工方法的选择：零件主要工作表面最终工序加工方法的选择至关重要，因为最终工序在该工作表面留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。

四、 结论

由于机械加工表面对机器零件的使用性能如耐磨性、接触刚度、疲劳强度、配合性质、抗腐蚀性能及精度的稳定性等有很大的影响，因此对机器零件的重要表面应提出一定的表面质量要求。由于影响表面质量的因素是多方面的, 因此应该综合考虑各方面的因素, 对表面质量根据需要提出比较经济适用性的要求。

作者简介：苏付强，1988-1，男，汉，内蒙古呼和浩特，内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司，本科，采矿工程.