影响加工表面质量的因素分析

李祝庆

【摘 要】机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。笔者根据在化工设备制造企业从事产品开发和设计的多年经验，对机械加工中出现的一些表面质量问题不断进行分析和总结，就影响机械加工表面质量的因素进行分析和提出一些改进措施，希望对工程实践有一定的指导作用。

【关键词】机械加工 表面质量 影响因素 改进措施

机械加工表面质量，是指零件在机械加工后加工面的微观不平度，也叫粗糙度，被加工件的物理、化学及力学性能直接受加工后的表面影响。质量零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米～几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。

一、影响机械加工表面质量的因素

1.表面质量对产品性能的影响

零件的磨损过程：起始磨损——正常磨损——快速磨损。表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。纹理方向与运动方向相同时，耐磨性较好。加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高，这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。

2.表面质量对疲劳强度的影响

（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响

表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差，对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。

（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响

适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展，而降低疲劳强度残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。

（3）表面质量对零件配合质量的影响

表面粗糙度对零件配合精度的影响：表面粗糙度较大，则降低了配合精度。表面残余应力对零件工作精度的影响： 表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。

（4）表面质量对零件耐腐蚀性能的影响

a. 表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响

零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。

b. 表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响

零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。表面质量对零件使用性能还有其他方面的影响：如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。

二、影响表面粗糙度的因素

1.切削加工影响表面粗糙度的因素

（1）刀具几何形状的复映

刀具相对于工件做进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状是刀具几何形状的复映。减小进给量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度。此外，适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度，合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小表面粗糙度值的有效措施。

（2）工件材料的性质

加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。加工脆性材料时，其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面质量下降。

（3）切削用量

切削用量是切削时各运动参数的总称，包括切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）。

2.磨削加工影响表面粗糙度的因素

正像切削加工时表面粗糙度的形成过程一样，磨削加工表面粗糙度的形成也是由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。影响磨削表面粗糙的主要因素有：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；冷却润滑液。

三、影响加工表面层物理机械性能的因素

在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。

四、提高机械加工工件表面质量的措施

1.制定合理的工艺规程

制订科学合理的工艺规程是保证工件表面质量的基础，科学合理的工艺规程是加工工件的方法依据。只有制订了科学合理的工艺规程，才能为加工工件表面质量满足要求提供科学合理的方法依据，使加工工件表面质量满足要求成为可能。

2. 合理地选择切削参数

选择合理的切削参数可以有效抑制积屑瘤的形成，降低理论加工残留面积的高度，保证加工工件的表面质量。切削参数的选择主要包括切削刀具角度的选择、切削速度的选择和切削深度及进给速度的选择等。

3. 合理地选择切削液

选择合理的切削液可以改善工件与刀具间的摩擦系数，可降低切削力和切削温度，从而减轻刀具的磨损，以保证工件的加工质量。

4. 工件主要工作表面最终工序加工方法

工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。

五、结论

当零件表面存在残余应力时，它的疲劳强度会有明显的下降，尤其对应力集中或在有腐蚀性介质中工作的零件影响较为明显。所以，在机械加工时应尽量避免或减小残余应力。

另外，生产中改善表面层材质变化常用的方法是滚压、挤（胀）孔、喷丸强化、金刚石压光等冷压方式。这些方法在实践的生产应用中极大地提高了机械加工零件的表面质量，提高了产品的工作性能、可靠性和寿命。

工件的表面质量与其使用性能密切相关，工件的使用性能是以保证机器正常工作为前提的设计要求，因此在加工工件过程中，我们还应从经济效益等多方面考虑，既保证工件表面的加工质量，又避免增大零件的制造成本，造成不必要的损失。

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