精密機(jī)械零件加工中的表面質(zhì)量控制與提升技術(shù)研究

李選祥 郭佳樂 黃 莉

（云南煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，昆明 650032）

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，精密機(jī)械零件作為各類高端裝備的核心組件，其質(zhì)量直接影響著裝備的運(yùn)行效率。精密機(jī)械零件的加工過程極為復(fù)雜，涉及材料學(xué)、力學(xué)等多學(xué)科知識的交叉應(yīng)用。特別是在表面質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的加工技術(shù)往往不能滿足高效率的生產(chǎn)需求。所以，研發(fā)新型表面質(zhì)量控制與提升技術(shù)，已成為精密機(jī)械制造領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵問題。

1 影響機(jī)械加工零件表面質(zhì)量的因素

1.1 表面粗糙度

塑性材料在切削時容易發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致表面粗糙度增加。脆性材料容易在切削過程中產(chǎn)生碎裂，同樣會增加表面粗糙度[1]。在切削過程中，材料使用量過多或過少，都會導(dǎo)致切削力不穩(wěn)定，影響表面粗糙度。特別是對于塑性材料，過小的切削深度會導(dǎo)致刀具在材料表面產(chǎn)生更劇烈的塑性變形，從而增加表面粗糙度。

1.2 表面機(jī)械性能

在機(jī)械加工過程中，如果切削速度和切削刀具選擇不合理，很可能會導(dǎo)致零件表面出現(xiàn)冷作硬化等現(xiàn)象，從而降低其機(jī)械性能[2]。殘留應(yīng)力的產(chǎn)生主要是由于切削過程中不可避免地出現(xiàn)了一定程度的塑性變形，導(dǎo)致零件表面金屬的比容發(fā)生變化。這種殘留應(yīng)力在零件使用過程中可能會逐漸釋放，造成零件尺寸發(fā)生變化或產(chǎn)生裂紋等缺陷，進(jìn)而影響其機(jī)械性能。

2 機(jī)械加工零件表面質(zhì)量的控制手段

2.1 擬定科學(xué)合理的零件機(jī)械加工技術(shù)流程

詳細(xì)分析零件設(shè)計圖紙，確保其幾何形狀、尺寸和公差要求等符合加工能力和產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。審查設(shè)計圖紙中的技術(shù)要求，確保其與零件的使用場景和性能要求相匹配[3]。根據(jù)圖紙要求選擇合適的原材料，并進(jìn)行必要的預(yù)處理，如切割、去毛刺等。根據(jù)零件的形狀、尺寸和精度要求，確定粗加工、半精加工和精加工的工藝路線。

機(jī)械加工零件時需選擇合適的機(jī)床、刀具和夾具，使設(shè)備能夠基本滿足加工要求，同時制定詳細(xì)的加工工藝參數(shù)，如切削速度、進(jìn)給量、切削深度等，并進(jìn)行必要的優(yōu)化和調(diào)整。首先按照工藝路線進(jìn)行粗加工，去除大部分余量，使零件接近最終形狀。其次進(jìn)行半精加工，進(jìn)一步修正零件的形狀和尺寸。最后進(jìn)行精加工，使零件達(dá)到圖紙要求的形狀、尺寸和精度。零件設(shè)計圖紙分析與工藝規(guī)劃見表1，加工過程見表2。由表1 和表2 可知，該零件的加工工藝和流程科學(xué)合理，能夠確保零件的加工質(zhì)量，且精度滿足設(shè)計要求。

表1 零件設(shè)計圖紙分析與工藝規(guī)劃

表2 加工過程

2.2 正確選擇切削作業(yè)參數(shù)

粗加工時，背吃刀量應(yīng)盡可能大，以提高效率?？紤]刀具、夾具和機(jī)床的強(qiáng)度和剛性，盡可能一次去除全部余量。中等功率機(jī)床背吃刀量為8～10 mm。若加工余量過大或不均勻，應(yīng)采用多次走刀，避免一次切削過多[4]。半精加工時，背吃刀量一般為0.5～2.0 mm，具體可根據(jù)加工余量和表面粗糙度要求來確定。精加工時，背吃刀量應(yīng)較小，一般為0.1～0.4 mm，以保證工件的表面光潔度和精度。進(jìn)給量應(yīng)適當(dāng)減小，主要考慮加工精度和表面粗糙度，以及工件材料、刀尖圓弧半徑、切削速度等因素。刀尖圓弧半徑增大、切削速度提高時，可選擇較大進(jìn)給量。用立銑刀銑削合金鋼30CRNI2MOVA 時，切削速度約為8 m·min-1。用同樣的刀具銑削鋁合金時，切削速度在200 m·min-1以上。

當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑增大時，切削力會相應(yīng)減小，從而提高切削速度。在加工過程中，如果刀尖圓弧半徑增大，可以選擇較大的進(jìn)給量以提高加工效率。在銑削合金鋼30CRNI2MOVA 時，切削速度約為8 m·min-1。這是因為該合金鋼的硬度高、耐磨性好，需要較小的切削力和較高的切削溫度。在銑削這種材料時，應(yīng)選擇較小的進(jìn)給量和切削速度，以確保加工質(zhì)量和刀具壽命。

2.3 正確選擇刀具

碳鋼和合金鋼材料具有良好的強(qiáng)度和硬度，但是在高速切削時可能產(chǎn)生高溫，因此應(yīng)選用具有高溫穩(wěn)定性和高硬度的涂層刀具。不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，但是加工時易產(chǎn)生黏結(jié)和積屑。可以選擇具有優(yōu)良抗黏結(jié)性的CrN 涂層刀具或細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具，減少刀具磨損和工件表面粗糙度。鋁合金質(zhì)輕且導(dǎo)熱性好，但是在加工過程中，材料容易產(chǎn)生積屑和劃傷。為了解決這個問題，可選擇金剛石涂層或聚晶金剛石（Polycrystalline Diamond，PCD）刀具。金剛石涂層刀具是利用表面涂層技術(shù)，將金剛石顆粒與黏結(jié)劑通過化學(xué)氣相沉積法附著在刀具表面，形成一層堅硬、耐磨的涂層。這種涂層具有很高的硬度和強(qiáng)耐磨性，能夠有效減少積屑和劃傷，提高加工效率。PCD 是利用高溫高壓將金剛石微粉聚合在一起形成致密的聚晶材料。PCD 刀具可有效承受高負(fù)荷的切削力和熱力，減少加工過程中出現(xiàn)的積屑和劃傷。這些刀具可以提供極佳的表面質(zhì)量和較長的使用壽命，降低切削力和溫度，從而提高加工表面質(zhì)量。

2.4 科學(xué)安排加工程序

先進(jìn)行粗加工去除大部分余量，再進(jìn)行半精加工接近最終尺寸，最后進(jìn)行精加工和光整加工達(dá)到所需的表面質(zhì)量。對于軸類零件，粗加工后留余量0.5～1.0 mm 進(jìn)行半精車，再留0.1～0.2 mm 余量進(jìn)行精車。優(yōu)先加工裝配基面和工作表面等主要表面，以確保其精度和穩(wěn)定性[5]。次要表面的加工通常在主要表面半精加工之后進(jìn)行。次要表面的加工精度要求相對較低，主要是對主要表面進(jìn)行進(jìn)一步修整和細(xì)化。在次要表面的加工過程中，可以采用砂紙打磨或拋光機(jī)拋光，以去除表面粗糙的痕跡和局部缺陷，修正一些小的幾何形狀，提高整體表面質(zhì)量。應(yīng)根據(jù)具體情況合理安排次要表面的加工工藝，以確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

對于箱體類零件，先加工用作定位的平面和孔的端面，再加工孔，以確?？着c平面的位置精度。先銑削箱體的頂面和底面，再進(jìn)行鉆孔和鉸孔。軸類零件的頂尖孔作為精基準(zhǔn)，應(yīng)先進(jìn)行粗車和半精車，再定位加工其他表面。對于含碳量大于0.4%的鋼件，可在粗加工前進(jìn)行退火處理。在粗加工階段，對于箱體類零件，應(yīng)先進(jìn)行平面和孔的端面加工，以確保這些表面的精度，然后進(jìn)行孔的加工，以確?？着c平面的位置精度。在銑削箱體的頂面和底面時，應(yīng)確保加工的表面平整，無明顯瑕疵，再定位加工其他表面，如外圓、內(nèi)孔和螺紋等。在加工過程中，應(yīng)特別注意軸的幾何形狀精度和尺寸精度，以確保軸的性能和使用壽命。

高碳鋼的含碳量在0.6%以上。含碳量越高，其硬度、耐磨性就越好，但是韌性和可焊性相應(yīng)降低。在粗加工前，可以進(jìn)行退火處理。退火處理可以軟化鋼件，降低其硬度，從而減小切削力，減少刀具磨損，提高加工效率。在粗加工后，為消除殘余應(yīng)力，對于重要零件應(yīng)在粗加工后、半精加工前和精加工前各安排一次時效處理。對于精密主軸，可在每個加工階段之間安排時效處理。還應(yīng)對零件進(jìn)行淬火和高溫回火，以獲得良好的綜合力學(xué)性能。調(diào)質(zhì)處理通常安排在粗加工后、精加工前進(jìn)行。對于45 號鋼零件，可在粗車后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。對于要求表面硬度高的齒輪零件，可在精車后進(jìn)行滲碳淬火處理。在每道工序后、轉(zhuǎn)換加工間前和全部加工完畢后，可采用三檢制（自檢、互檢和專檢）來確保加工質(zhì)量。在轉(zhuǎn)換車間前進(jìn)行互檢，可以確保上道工序的加工質(zhì)量符合要求。

3 結(jié)語

對精密機(jī)械零件加工中的表面質(zhì)量控制與提升技術(shù)進(jìn)行深入研究，得出一套系統(tǒng)的加工流程。該流程注重從粗加工到半精加工再到精加工的逐步細(xì)化過程，探討了熱處理工序和輔助工序在提高零件表面質(zhì)量方面的重要作用。采用所提的加工流程和控制手段，能夠提高精密機(jī)械零件的表面質(zhì)量，使其更好地滿足高精度機(jī)械裝配的嚴(yán)苛要求。