機(jī)械加工表面質(zhì)量的工藝分析及改善方法研究

邱德元

(徐州機(jī)電工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇徐州221011)

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)對(duì)制造的零件提出很多要求，比如必須能在高速運(yùn)動(dòng)、高溫、高壓及重載等條件下，保證長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確地工作，這也就對(duì)零件的表面質(zhì)量提出一系列的挑戰(zhàn)。我們知道，任何機(jī)械加工方法所獲得的零件，加工表面都不可能達(dá)到理想狀態(tài)，總會(huì)存在微觀不平、溝痕、裂紋、表面層金屬相變和殘余應(yīng)力等缺陷，這些缺陷會(huì)影響零件的使用性能、壽命及可靠性。因此，機(jī)械加工既要保證零件的尺寸、形狀和位置精度，又要保證機(jī)械加工表面質(zhì)量。

1 機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響

1.1 表面質(zhì)量對(duì)耐磨性的影響

零件的磨損可分為三個(gè)階段，在初期磨損階段，一開(kāi)始只是在兩表面波峰接觸，實(shí)際的接觸面積很小。零件受力時(shí)波峰接觸部分壓強(qiáng)很大，磨損非常顯著。其后，實(shí)際接觸面積增大，磨損變緩，進(jìn)入正常磨損階段。該階段零件的耐磨性最好，持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)。最后，由于波峰被磨平，表面粗糙度參數(shù)值變得非常小，不利于潤(rùn)滑油的儲(chǔ)存，且使接觸表面之間的分子親和力增大，摩擦阻力增大，進(jìn)入急劇磨損階段。

1.2 表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響

零件在交變載荷的作用下，其表面微觀不平的凹谷處和缺陷處容易應(yīng)力集中而產(chǎn)生疲勞裂紋，造成零件的疲勞破壞。實(shí)驗(yàn)表明，減小零件表面粗糙度可提高零件的抗疲勞強(qiáng)度。表面層的適度硬化可阻礙表面層疲勞裂紋的出現(xiàn)，但硬化過(guò)度易產(chǎn)生裂紋，故表面層硬化的程度與深度也應(yīng)合理控制。表面殘余壓應(yīng)力能延緩疲勞裂紋擴(kuò)展，提高零件的疲勞強(qiáng)度；殘余拉應(yīng)力容易使零件表面產(chǎn)生裂紋而降低疲勞強(qiáng)度。

1.3 表面質(zhì)量對(duì)配合性能的影響

對(duì)于間隙配合，表面太粗糙會(huì)使配合面很快磨損而增大配合間隙，特別對(duì)于液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)的元件，會(huì)使泄露量增大，影響正常工作；對(duì)于過(guò)盈配合，表面太粗糙會(huì)使配合表面的波峰被擠平，降低了配合件的連接強(qiáng)度，影響配合可靠性。因此，有配合要求的表面一般都要求較小的表面粗糙度，配合要求越高，配合的表面粗糙度值越小。

1.4 表面質(zhì)量對(duì)零件耐腐蝕性及零件其他性能的影響

腐蝕性介質(zhì)容易吸附和積聚在粗糙表面的凹谷處，并通過(guò)微細(xì)裂紋向內(nèi)滲透。實(shí)踐證明，表面越粗糙腐蝕作用越強(qiáng)。殘余壓應(yīng)力使零件表面緊密，增強(qiáng)零件耐腐蝕性；而殘余拉應(yīng)力降低耐腐蝕性。因此，較小零件表面粗糙度、適當(dāng)?shù)谋砻鏆堄鄳?yīng)力和加工硬化，均可提高抗腐蝕性。

2 影響表面粗糙度的工藝因素及改善方法

2.1 切削加工影響表面粗糙度的因素

2．1．1 刀具幾何形狀

減小進(jìn)給量、主偏角、副偏角、適當(dāng)增大前角、合理選擇潤(rùn)滑液、提高刀具刃磨質(zhì)量、抑制積屑瘤、鱗刺的生成，都是減小表面粗糙度值的有效方法。

2．1．2 工件材料的性質(zhì)

加工塑性材料時(shí)，塑性變形和切屑與工件分離的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。韌性愈好就愈粗糙。加工脆性材料時(shí)，切屑的崩碎留下斑點(diǎn)使表面粗糙。

2．1．3 切削條件

包括切削用量、冷卻潤(rùn)滑情況。

切削液的冷卻、潤(rùn)滑作用抑制積屑瘤和鱗刺的生成，可有效減少表面粗糙度。

2.2 磨削加工影響表面粗糙度的工藝因素

2．2．1 砂輪

1）磨料。磨削鋼件及鑄鐵件，宜采用氧化鋁磨料，因?yàn)槠湮㈨g性和等高性好，使表面的殘留高度小，磨削區(qū)金屬高溫軟化、鈍化微刃的滑擦和擠壓將工件表面凸峰輾平，會(huì)降低表面粗糙度。碳化硅磨料韌性差，顆粒呈針片狀，磨削時(shí)易細(xì)微碎裂堵塞砂輪，增加工件塑性變形，表面粗糙，主要加工有色金屬。

2）粒度。大粒度砂輪以微切削為主，形成較深的溝槽和輾壓痕跡，表面粗糙度大；細(xì)粒度砂輪經(jīng)精細(xì)修整呈半鈍態(tài)微刃，拋光作用降低表面粗糙度。但粒度太小，磨削區(qū)高溫易燒傷工件。

3）砂輪的修整。砂輪修整導(dǎo)程一般為10～15mm/min，修整深度為2.5μm/單導(dǎo)程。修整導(dǎo)程（縱向進(jìn)給）和修整深度越小，粗糙度值越小。但修整導(dǎo)程過(guò)小易燒傷工件，產(chǎn)生螺旋形等缺陷。

2．2．2 磨削用量

1）提高砂輪速度可減小表面粗糙度。但過(guò)高磨削熱會(huì)燒傷工件，對(duì)表面粗糙度不利。

2）工件速度。較大易產(chǎn)生振動(dòng)，有波紋；較低易產(chǎn)生燒傷缺陷，影響表面粗糙度。

3）工件的縱向進(jìn)給量過(guò)大，會(huì)使得表面粗糙度增大；橫向進(jìn)給量不能超過(guò)微刃高度，否則也增加表面粗糙度。

2.3 減小表面粗糙度值的加工方法

精密與超精密加工

通常將加工精度在0.1～1μm，加工表面粗糙度值Ra 0.02～0.1μm之間的加工方法稱(chēng)為精密加工，而將加工精度高于0.1μm,Ra＜0.01μm的加工方法稱(chēng)為超精密加工。

2．3．1 微量切削

微量切削加工精度可達(dá)到0.075μm，相當(dāng)于從材料晶格上逐個(gè)去除原子。微量切削刀具有天然金剛石刀具、高性能陶瓷刀具、TiN、CBN等，其中天然金剛石可加工出高質(zhì)量的超光滑表面,Ra 0.005～0.02μm。

2．3．2 磨料加工

磨料加工包括研磨、拋光、珩磨等。研磨是用研磨盤(pán)和研磨劑從工件表面上研去一層極薄金屬的精加工方法，尺寸誤差1～0.1μm，Ra=0.025～0.008μm。拋光分傳統(tǒng)的接觸式和新型非接觸式，主要是改變表面質(zhì)量，非接觸式拋光加工可達(dá)到Ra0.008μm。珩磨是利用珩磨條對(duì)工件表面施加一定壓力并同時(shí)作相對(duì)旋轉(zhuǎn)和往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)切削工件上極小余量的精加工方法，主要對(duì)孔加工，加工精度達(dá)到1～0.1μm,Ra=0.025～0.01μm。

2．3．3 特種加工

特種加工主要是利用機(jī)、電、聲、熱、化學(xué)、磁、原子能等能量來(lái)進(jìn)行加工的非傳統(tǒng)加工方法。特種加工不主要依靠機(jī)械能、工具硬度可低于工件硬度或者不需要任何工具、不存在顯在的機(jī)械切削力等，可加工任何硬度、強(qiáng)度、韌性、脆性的金屬、非金屬材料或者復(fù)合材料，特別適合于加工復(fù)雜、微細(xì)表面和低剛度零件，同時(shí)，有些方法還可以進(jìn)行超精密加工、鏡面加工、光整加工以及納米級(jí)（原子級(jí)）的加工。如最精密的離子束加工的精度最高可以達(dá)到0.001μm，可加工任何材料，Ra可達(dá)0.01μm以下。

2．3．4 復(fù)合加工復(fù)合加工是以上各種加工方法的綜合應(yīng)用，例如電解磨削、電解研磨、電解拋光、超聲車(chē)削、超聲磨削等。加工精度可達(dá)納米級(jí)，Ra可達(dá)0.01μm以下。

3 影響零件表面層力學(xué)性能的工藝因素及改善方法

3.1 表面層的加工硬化

金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時(shí)強(qiáng)度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現(xiàn)象叫加工硬化（又稱(chēng)冷硬）。加工硬化是強(qiáng)化作用和恢復(fù)作用的綜合結(jié)果。

3.2 表面殘余應(yīng)力

表面層的殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要有三種原因：冷態(tài)塑性變形、熱態(tài)塑性變形和金相組織變化。工件表面層的殘余應(yīng)力，切削加工時(shí)主要由冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力，磨削加工時(shí)主要是熱態(tài)塑性變形和金相組織變化引起體積變化而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。總之，凡能減小塑性變形和降低加工溫度變化的的因素，都可以減少零件表層殘余應(yīng)力。

3.3 表面層金相組織的變化

機(jī)械加工過(guò)程中,在加工區(qū)所消耗的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能使加工表面出現(xiàn)溫度升高，當(dāng)超過(guò)某一臨界溫度時(shí),表面層金相組織就會(huì)發(fā)生變化。

一般的切削加工影響較小。對(duì)于磨削加工，單位面積上產(chǎn)生的切削熱比一般切削方法大幾十倍，切削區(qū)高溫將引起表面層金屬的相變。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械制造業(yè)是工業(yè)的命脈。隨著科技的發(fā)展，各種加工方法也不斷涌現(xiàn)，如電火花加工、激光加工、超聲波加工、電子束與離子束加工等，只有在了解影響機(jī)械加工表面質(zhì)量的工藝因素后，在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷改善方法，綜合加工，才能提高機(jī)械加工產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，保證其穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的使用性能，延長(zhǎng)其使用壽命。

［1] 張建華，主編.精密與特種加工技術(shù)[M] .機(jī)械工業(yè)出版社，2003，7．

［2] 陸劍中，周志明.金屬切削原理與刀具[M] .機(jī)械工業(yè)出版社，2008，9．

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