影响工件表面质量的因素及改进方法

潘秀梅

摘要：加工工件表面质量是评价机械零部件质量的指标之一，提高加工工件表面质量对于保证工件的使用性能具有重要意义。分析影响加工工件表面质量的因素，提出提高工件表面质量的方法，以期为机械加工实践提供一定的指导。

关键词：机械加工；工件；表面质量；影响因素；改进方法

中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）02-0073-03

加工表面质量对于工件成为机器零件后的使用性能有很大影响，机器的工作性能、可靠性及寿命等很大程度上取决于主要零件的表面质量。评价工件加工表面质量的主要指标有表面的粗糙度、表面层冷作硬化程度、表面层残余应力的性质及大小等。

1 工件表面质量对工件使用性能的影响

1.1 对工件工作精度的影响

粗糙度大的工件经装配后，由于实际接触面积小，使得接触刚度低，以致影响其工作精度。例如：在某些情况下，接触刚度低会产生振动；粗糙度太大会影响液压油缸及润滑的密封性，发生泄漏。

1.2 对工件耐磨性的影响

一般来说，粗糙度大的零件耐磨性差、易磨损，以致丧失其精度；但并不是粗糙度越小就越耐磨损。例如：机床导轨摩擦面的粗糙度以0.8～2.5 μmRa为最耐磨，粗糙度太小不利于润滑油的储存，反而容易致其磨损。

1.3 对工件耐腐蚀性的影响

粗糙度大的零件容易被腐蚀。这是因为粗糙度大的工件表面容易吸附和集聚气体及液体，当其处于腐蚀性介质中就会发生腐蚀。

1.4 对工件疲劳强度的影响

粗糙度大的零件容易造成应力集中，因而降低工件的疲劳强度。已加工工件表面层金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏，往往发生在零件表面和表面冷硬层下面，对疲劳强度影响很大。

2 影响工件表面质量的因素

2.1 切削加工方面的因素

切削刃相对于工件运动时形成已加工表面的理论粗糙度。理论粗糙度取决于残留面积的高度。在切削过程中，减少进给量f、减小主偏角Kr、副偏角Kr'及增大刀尖圆弧半径Ra，均可减小残留面积的高度。此外，还应增大刀具前角，选择合适的润滑液，提高刀具刃磨质量，并在切削加工时尽量避免产生积屑瘤、鳞刺、振动等影响工件表面质量的因素。

工件材料性质对表面质量有一定的影响。塑性材料加工变形和硬化都比较严重，与刀具表面的冷焊现象比较强，不易断屑，很难获得好的加工表面质量。脆性材料在加工时，切屑不经过塑性变形就突然崩裂，使切屑呈碎粒状，在加工表面留下许多麻点，导致表面粗糙。

磨削加工是靠砂轮表面随机排列大量磨粒完成的，每一个磨粒都可以看作一把微小的切刀，它们的几何形状和标注角度有很大差异，各自的工作情况相去甚远。磨削加工表面粗糙度的形成是由砂轮磨粒的几何形状和工件表面金属塑性变形决定的。主要影响因素包括：砂轮的粒度，砂轮的硬度，砂轮的修整，磨削速度，磨削径向进给量与光磨次数，工件圆周进给速度与轴向进给量，以及冷却润滑液等。

2.2 物理机械性能方面的因素

2.2.1 表面层材料金相组织变化 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。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。磨削热是造成磨削烧伤的根源，因此应尽可能地减少磨削热的产生；同时，改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。

2.2.2 表面层冷作硬化 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（也称为强化）。表面层金属强化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。被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态，只要一有可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化。弱化作用的大小取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。由于金属在机械加工过程中同时受到力和热的作用，因此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。评定冷作硬化有3个指标，即表层金属的显微硬度HV、硬化层深度h和硬化程度N。

冷作硬化受以下因素影响：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；切削速度增大，刀具与工件的作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减小，冷硬层深度减小；切削速度增大后，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短，将使冷硬程度增加；进给量增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬作用加强；工件材料的塑性愈大，冷硬现象就愈严重。

2.2.3 表面层残余应力 表面残余应力产生的原因：一是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，因此在表面金属层产生残余应力，而在里层金属中产生残余拉应力。二是切削加工中，切削区会有大量的切削热产生。三是不同金相组织具有不同的密度和比容，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。选择零件主要工作表面最终工序加工方法，须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式。在交变载荷作用下，机器零件表面上的局部微观裂纹，会因拉应力的作用使原生裂纹扩大，最后导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，该表面最终工序应选择能在该表面产生残余应力的加工方法。

3 提高工件表面质量的方法

通过前述分析，可从切削条件（切削速度、进给量、切削液），刀具（几何参数、切削刃形状、刀具材料、磨损情况），工件材料及热处理，以及工艺系统刚度和机床精度等方面入手，来提高工件表面质量。

1） 刀具方面。应尽量让工件表面粗糙度达到理想状态。为了减少残留面积，应选用适合工件材料性能的刀具进行加工，避免使用磨损严重的刀具，采取合理的断屑方式。在磨削过程中选用合理粒度的砂轮并采用适合的硬度，有利于减小表面粗糙度。

2） 切削条件方面。在加工过程中，减小进给量，以较高的切削速度切削塑性材料，可以减少积屑瘤及鳞刺的产生。同时，选用高效切削液，增强工艺系统刚度，提高机床的动态稳定性，可提高工件的表面质量。

3） 工件材料方面。工件材料的塑性和金相组织对加工表面质量影响较大。对于塑性大的低碳钢、低合金钢材料，可在加工前进行正火处理，以降低塑性、提高切削性能，使其切削加工后得到较好的表面质量。

4） 加工方法方面。采用精密、超精密切削及光整加工。例如，选择刚性好的超精密机床，以防止切削时发生震动；采用高转速加工工件，切削速度高可使切削时不形成鳞刺和积屑瘤；减小刀具前后刀面的粗糙度，以提高切削刃的平整度；在后刀面上做出一个后角为0°的熨平面棱带，可将已加工表面上的犁沟、黑小坑和不平的晶粒表面熨平；在进行磨削加工时，应选用较小的径向进给量、较大的砂轮速度和较小的轴向进给速度；采用细粒度砂轮，精细修整砂轮工作表面，使砂轮磨粒锋利，以达到较好的磨削效果；选择适宜的磨削液，可获得较好表面质量。

5） 物理机械性能方面。减少加工表面层硬化和残余应力可提高加工表面质量。合理选择刀具的几何形状，采用较大的前角和后角，并在刃磨时尽量减小其切削刃口半径；使用刀具时，应合理限制其后刀面的磨损宽度；合理选择切削用量，采用较高的切削速度和较小的进给量；加工时使用有效的切削液，可减少加工表面层变形强化。当零件表面存在残余应力时，其疲劳强度会明显下降，特别是对有应力集中或在有腐蚀性介质中工作的零件，影响更为突出，为此应尽可能在机械加工中减小或避免产生残余应力。但影响残余应力产生的因素较为复杂，总的说来，凡是能减小塑性变形和降低切削温度的因素都能使已加工表面的残余应力减小。