石油机械加工质量影响因素及控制探究

付敏清 王翠霞 于向明 魏长鑫(天合石油集团汇丰石油装备股份有限公司 黑龙江省牡丹江市 157011)

一、石油机械加工质量的本质

石油机械加工的质量通常是指机械在几何和材料性能两个方面的质量。

1.在几何方面石油机械加工的质量

在几何方面石油机械加工的质量主要是指机械加工后几何形状误差，这种误差存在于界面处—机械的最外层表面与周围环境间之间。几何形状的误差包括宏观和微观几何形状误差两个方面，同时还包括介于两种误差之间的一种特殊几何误差。宏观几何形状误差是指波长与波高的比值大于1000的误差，常见的有圆度误差，平面度误差等；微观几何形状误差是指波长与波高比值小于50的误差，微观几何形状误差也被称为不平度或表面粗糙度；特殊几何误差，即介于宏观和微观几何形状误差之间的特殊误差，表现为一种周期性的几何形状误差，这种特殊几何误差的主要表示方法是波度(波长与波高的比值)，波度的分布范围主要在50～1000之间。其中引起波度的主要原因是加工系统的振动。

2.在材料性能方面石油机械加工的质量

石油机械加工材料性能方面的质量主要指在经历机械加工之后，机械零件表面在层物理力学性能等方面和一定深度上基体的性能相比发生的改变，这个发生变化的表层又被称为机械加工变质层。在材料性能方面石油机械加工的质量主要体现在以下几方面：

(1)石油机械零件表面层的加工硬化

在石油机械加工过程中机械零件的塑性变形是不可避免的，然而这些塑性变形往往会引起机械零件中晶格的扭曲、畸变，更严重会使晶粒间产生滑移、晶粒被拉长等。引起这些晶格级别的改变往往就会改变材料表面的性质，从而使机械零件的硬度增加(加工硬化)。加工硬化程度的指标主要有：表面层金属硬度HV；硬化层深度 h；硬化程度 N。

(2)石油机械零件表面层金相组织的变化

在石油机械加工过程中有可能使金属表面层的金相组织产生变化的因素是切削热的作用，从而影响到石油机械零件的整体质量。而这种作用的影响最明显的呈现如在磨削淬火钢的过程中，磨削热的作用会在石油机械零件表面引起马氏体的分解等。

(3)石油机械零件表面层残的余应力

残余应力在石油机械零件表面层的产生主要是由于切削力、切削热的综合作用引起的，这些作用会在石油机械零件表面层引起金属晶格产生变形，甚至使表层的金相组织发生变化，最终在石油机械零件的表面层形成残余应力。机械零件表面层的残余力会严重影响机械加工最终的质量。

二、石油机械加工的表面质量

石油机械加工的表面质量(表面完整性)，主要有两个方面的内容：石油机械零件表面层的几何形状特征和表面层的物理力学性能。

(1)石油机械表面层的几何形状特征

石油机械零件表面层的几何形状：表面波度、表面粗糙度、表面加工纹理和伤痕。表面粗糙度(加工机械表面的微观几何形状误差)是指加工表面上较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特征，评定其程度高低的主要依据是表面轮廓算术平均偏差 Ra等；表面波度主要是由石油机械加工过程中的低频振动引起的特殊几何误差，即介于宏观和微观几何形状误差之间的特殊误差。要想消除表面波度在石油机械加工中引起的质量问题，就必须提高石油机械加工的工艺；表面加工纹理是在机械加工过程中由于加工方法以及其切削运动规律的不同而在机械表面生成不同形状和方向的切削加工刀纹；机械的伤痕是指在零件表面偶尔出现、分布随机的加工缺陷，例如表层的气孔、裂痕、划痕等。

(2)石油机械表面在物理力学方面的性能

石油机械表面层的物理力学性能主要包括以下三个方面的内容：

①石油机械表面层的加工冷作硬化。

②石油机械表面层金相组织的变化。

③石油机械表面层的残余应力。

三、石油机械加工精度的本质

石油机械加工精度的定义：石油机械零件表面的实际尺寸、形状和位置等的几何参数在加工后与图纸要求的几何参数相比所能达到的符合程度。石油机械加工精度所追求的是机械零件的几何参数能够到达平均尺寸，机械表面几何形状能够到达绝对的圆柱、平面和直线等，以及机械表面之间的相互位置能够达到绝对的平行、垂直和对称等。在生产加工中实际与图纸要求之间的偏离数值就是石油机械加工的加工误差。

四、影响石油机械加工精度的因素及其控制措施

石油机械加工工艺系统中存在的原始误差是对加工精度的主要影响因素和控制因素。

1.石油机械加工工艺系统中的原始误差

在加工工艺系统中最大的加工误差能够产生是在加工表面法线方向与原始误差方向重合时，而能产生最小的加工误差是在加工表面法线方向与原始误差方向垂直时，此时产生的误差通常可以忽略。影响石油机械加工精度最大的方向被称为误差的敏感方向。当原始误差的方向达到和误差敏感方向一致时，就会对石油机械加工精度产生最大的影响。

2.石油机械加工工艺系统原始误差对加工精度的影响

加工工艺系统原始误差对加工及精度的影响主要表现在以下几个方面：①加工原理误差；②调整误差；③机床误差；④刀具误差；⑤量具误差与测量误差；⑥装夹误差与夹具误差。

3.石油机械加工过程中对影响加工精度因素的控制

在石油机械加工过程中，能够减小工艺系统产生的精度影响的措施主要有：①提高工艺系统的刚度；②合理设计零部件结构，尽量减少连接面数目，同时也要合理匹配各个环节装备的刚度，合理选择加工机械零件结构和零件的截面形状；③提高连接表面的刚度；④加工中合理采用辅助支撑；⑤加工总合理采用装夹及加工方式。

小结

在生产过程中经过不断地观察分析，寻找出影响着石油机械加工质量的因素，同时不断研究出控制影响因素的方法与技术。在随后的生产中加以应用新的技术与方法达到有效控制误差，这样才能有效地提高石油机械加工的质量，生产制造出可靠的石油工业应用机械，保证石油机械在使用中的质量与寿命。

[1]王吉年,石启军.机械加工精度与加工误差简析[J].中国科技信息,2010,(08).

[2]郑修本主编.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2004.