何進洲

摘要：機械加工表面質(zhì)量，是指零件在機械加工后被加工面的微觀不平度，也叫粗糙度，其加工后的表面質(zhì)量直接影響被加工件的物理、化學(xué)及力學(xué)性能。產(chǎn)品的工作性能、可靠性、壽命在很大程度上取決于主要零件的表面質(zhì)量。機械零件的破壞，一般總是從表面層開始的。

關(guān)鍵詞：機械加工；表面質(zhì)量；改進措施

前 言

一般而言，重要或關(guān)鍵零件的表面質(zhì)量要求都比普通零件要高。這是因為表面質(zhì)量好的零件會在很大程度上提高其耐磨性、耐蝕性和抗疲勞破損能力。研究機械加工表面質(zhì)量的目的就是為了掌握機械加工中各種工藝因素對加工表面質(zhì)量影響的規(guī)律，以便運用這些規(guī)律來控制加工過程，最終達到改善表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品使用性能的目的。

一、機械加工表面質(zhì)量對產(chǎn)品性能的影響

1.表面質(zhì)量對耐磨性的影響

零件磨損一般可分為三個階段，初期磨損階段、正常磨損階段和劇烈磨損階段。表面粗糙度對零件表面磨損的影響很大。一般說表面粗糙度值愈小，其磨損性愈好。但表面粗糙度值太小，潤滑油不易儲存，接觸面之間容易發(fā)生分子粘接，磨損反而增加。因此，接觸面的粗糙度有一個最佳值，其值與零件的工作情況有關(guān)，工作載荷加大時，初期磨損量增大，表面粗糙度最佳值也加大。

2.表面質(zhì)量對疲勞強度的影響

金屬受交變載荷作用后產(chǎn)生的疲勞破壞往往發(fā)生在零件表面和表面冷硬層下面，因此，零件的表面質(zhì)量對疲勞強度影響很大。表面粗糙度值愈大，抗疲勞破壞的能力就愈差。

3.表面質(zhì)量對耐蝕性的影響

零件的耐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，抗蝕性就愈差。

4.表面質(zhì)量對配合質(zhì)量的影響

表面粗糙度值的大小將影響配合表面的配合質(zhì)量。對于間隙配合，粗糙度值大會使磨損加大，間隙增大，破壞了要求的配合性質(zhì)。對于過盈配合，裝配過程中一部分表面凸峰被擠平，實際過盈量減小，降低了配合件間的連接強度。

二、影響機械加工表面質(zhì)量的因素

1.切削加工

刀具幾何形狀的復(fù)映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復(fù)映。減小進給量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圓弧半徑，均可減小殘留面積的高度。此外，適當(dāng)增大刀具的前角以減小切削時的塑性變形程度，合理選擇潤滑液和提高刀具刃磨質(zhì)量以減小切削時的塑性變形和抑制刀瘤、鱗刺的生成，也是減小表面粗糙度值的有效措施。

工件材料的性質(zhì)。加工塑性材料時，由刀具對金屬的擠壓產(chǎn)生了塑性變形，加之刀具迫使切屑與工件分離的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韌性愈好，金屬的塑性變形愈大，加工表面就愈粗糙。加工脆性材料時，其切屑呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點，使表面粗糙。

2.表面層冷作硬化

冷作硬化及其評定參數(shù)。機械加工過程中因切削力作用產(chǎn)生的塑性變形，使品格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，品粒被拉長和纖維化，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)象稱為冷作硬化（或稱為強化）。表面層金屬強化的結(jié)果，會增大金屬變形的阻力，減小金屬的塑性，金屬的物理性質(zhì)也會發(fā)生變化。被冷作硬化的金屬處于高能位的不穩(wěn)定狀態(tài)，只要一有可能，金屬的不穩(wěn)定狀態(tài)就要向比較穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，這種現(xiàn)象稱為弱化。弱化作用的大小取決于溫度的高低、溫度持續(xù)時間的長短和強化程度的大小。

影響冷作硬化的主要因素。切削刃鈍圓半徑增大，對表層金屬的擠壓作用增強，塑性變形加劇，導(dǎo)致冷硬增強。刀具后刀面磨損增大，后刀面與被加工表面的摩擦加劇，塑性變形增大，導(dǎo)致冷硬增強。切削速度增大，刀具與工件的作用時間縮短，使塑性變形擴展深度減小，冷硬層深度減小。切削速度增大后，切削熱在工件表面層上的作用時間也縮短，將使冷硬程度增加。進給量增大，切削力也增大，表層金屬的塑性變形加劇，冷硬作用加強。工件材料的塑性愈大，冷硬現(xiàn)象就愈嚴重。

3.表面層材料金相組織變化

當(dāng)切削熱使被加工表面的溫度超過相變溫度后，表層金屬的金相組織將會發(fā)生變化。磨削燒傷。當(dāng)被磨工件表面層溫度達到相變溫度以上時，表層金屬發(fā)生金相組織的變化，使表層金屬強度和硬度降低，并伴有殘余應(yīng)力產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)微觀裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。在磨削淬火鋼時，可能產(chǎn)生以下三種燒傷：一是回火燒傷。如果磨削區(qū)的溫度未超過淬火鋼的相變溫度，但已超過馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度，工件表層金屬的回火馬氏體組織將轉(zhuǎn)變成硬度較低的回火組織（索氏體或托氏體），這種燒傷稱為回火燒傷。二是淬火燒傷。如果磨削區(qū)溫度超過了相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬發(fā)生二次淬火，使表層金屬出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織，其硬度比原來的回火馬氏體的高，在它的下層，因冷卻較慢，出現(xiàn)了硬度比原先的回火馬氏體低的回火組織（索氏體或托氏體），這種燒傷稱為淬火燒傷。三是退火燒傷。如果磨削區(qū)溫度超過了相變溫度，而磨削區(qū)域又無冷卻液進入，表層金屬將產(chǎn)生退火組織，表面硬度將急劇下降，這種燒傷稱為退火燒傷。

4.表面層殘余應(yīng)力

表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因。一是切削時在加工表面金屬層內(nèi)有塑性變形發(fā)生，使表面金屬的比容加大，由于塑性變形只在表層金屬中產(chǎn)生，而表層金屬的比容增大，體積膨脹，不可避免地要受到與它相連的里層金屬的阻止，因此就在表面金屬層產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。二是切削加工中，切削區(qū)會有大量的切削熱產(chǎn)生。三是不同金相組織具有不同的密度，亦具有不同的比容，如果表面層金屬產(chǎn)生了金相組織的變化，表層金屬比容的變化必然要受到與之相連的基體金屬的阻礙，因而就有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。

三、提高加工表面質(zhì)量的措施

通過前面的分析，我們知道影響表面粗糙度的因素有切削條件（切削速度、進給量、切削液）、刀具（幾何參數(shù)、切削刃形狀、刀具材料、磨損情況）、工件材料及熱處理、工藝系統(tǒng)剛度和機床精度等幾個方面。

1.刀具方面

為了減少殘留面積，刀具應(yīng)采用較大的刀尖圓弧半徑、較小的副偏角或合適（=0）的修光刃或?qū)捜芯俚?、精車刀等。選用與工件材料適應(yīng)性好的刀具材料，避免使用磨損嚴重的刀具，這些均有利于減小表面粗糙度。

2.工件材料方面

工件材料性質(zhì)中，對加工表面粗糙度影響較大的是材料的塑性和金相組織。對于塑性大的低碳鋼、低合金鋼材料，預(yù)先進行正火處理以降低塑性，切削加工后能得到較小的粗糙度。工件材料應(yīng)有適宜的金相組織（包括狀態(tài)、晶粒度大小及分布）。

3.切削條件方面

以較高的切削速度切削塑性材料可抑制積屑瘤出現(xiàn)，減小進給量，采用高效切削液，增強工藝系統(tǒng)剛度，提高機床的動態(tài)穩(wěn)定性，都可獲得好的表面質(zhì)量。

4.加工方法方面

主要是采用精密、超精密和光整加工。選用較小的徑向進給量，選用較大的砂輪速度和較小的軸向進給速度，工件速度應(yīng)該低些，采用細粒度砂輪；精細修整砂輪工作表面，使砂輪上磨粒鋒利，也可達到較好的磨削效果。選擇適宜的磨削液能獲得低粗糙度表面。

5.減少加工表面層變形強化和殘余應(yīng)力也能提高加工表面質(zhì)量

合理選擇刀具的幾何形狀，采用較大的前角和后角，并在刃磨時盡量減小其切削刃刃口半徑；使用刀具時，應(yīng)合理限制其后刀面的磨損寬度；合理選擇切削用量，采用較高的切削速度和較小的進給量；加工時采用有效的切削液等，可減少加工表面層變形強化。

參考文獻：

[1]陳彥華.機械加工表面質(zhì)量的影響因素[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009，（24）.

[2]李凱云.機械加工表面質(zhì)量對機器使用性能的影響[J].汽車運用，2008，（1）.