机加工方法对机械加工面表面质量的影响

韩洋 赵海洋

摘 要：随着高精密机床的不断发展，对机床的刚度要求更高。不同的机加工过程，切削力的影响不同。与机械加工面的机加工方法有直接的关系。本文通过机加工切削过程的变形区，研究机加工方法对机械加工表面质量的影响。

关键词：机加工；表面质量；切削层

1.机加工切削过程中的三个变形区

金属切削是切削层金属受到刀具前后面的推挤后产生的以剪切滑移为主的塑性变形过程。在刀具作用下，切屑和已加工表面层金属都要产生弹性变形和塑性变形。金属在被切削时，刀具与金属表面接触部分被划分为三个区域。

如图1.1为金属切削时的变形区。

图1.1金属切削时的变形区

第一变形区：塑性变形首先在OA线处开始发生，切削的剪切滑移到OM线完成。OA与OM所包围的区域称为第一变形区，见图1.1（Ⅰ区）。

第二变形区：切削时，切屑继续受到前到面的作用，发生摩擦和挤压，使得表面的金属发生塑性变形，呈现出纤维化并与前刀面平行。这一区域为第二变形区，见图1.1（Ⅱ区）。

第三变形区：机械加工面受到背刀面的挤压与摩擦，造成机械加工面金属加工硬化与纤维化。这一区称为第三变形区，见图1.1（Ⅲ区）。第三变形区就是加工完得到的机械加工面，由于表面受到挤压与摩擦，会在机械加工面上将形成形变层。如图1.2为磨削加工过程的示意图。

图1.2磨削加工过程示意图

当磨粒与工件初接触时，因为磨粒只有较大的负前角和较大的切削刃钝圆半径，故磨粒并没对表面进行切削，而只是在加工表面上进行滑擦，这时只有弹塑性变形，而无切屑，这一阶段称为第Ⅰ阶段。当切削厚度增大到一定程度时，磨粒进入工件表面，在表面形成新犁沟槽，两侧隆起，磨粒和工件摩擦挤压加剧。同时热应力也急剧增加，有少量的工件材料被切离成切屑，这一阶段称为第Ⅱ阶段。之后切屑沿剪切面连续形成，称为第Ⅲ阶段。由于磨粒分布的高度不同，所以这三个阶段可以连续存在，也可以独立存在。

在磨削过程中起切削作用的是磨粒，每一个磨粒可以近似看成是微小的刀齿，而这些微小刀齿的几何形状和角度也有很大差异，磨粒一般都具有较大的负前角，尖角处均有顿圆半径，并且在磨削过程中随着磨粒的磨损还将不断增大，致使不同的磨粒切削情况相差甚远。砂轮表层有大量的磨粒同时切削，而且磨粒都具有较大的负前角和顿圆半径，因此在磨削时总的磨削力很大。又由于磨削過程中砂轮转速高、切削厚度小且磨粒很钝，所以切除单位体积的所消耗的能量为其他切削加工方法的10倍-20倍，磨削所消耗的能量几乎全部转化为热。这样可能使得机械加工面产生烧伤，并产生相变。

2.机械加工面表面质量评价

机械加工表面质量评价是零件加工技术要求的一个重要组成部分。零件的表面质量对产品的工作性能、可靠性和耐磨性等都有很大影响。随着工业技术的迅速发展，对零件表面质量的要求越来越高。零件的加工表面质量包括零件的表面几何特性和物理力学性能两方面。通过对切削过程的可发现，切削形成新表面对机械加工面表面质量有很大的影响。

表面几何特性包括：表面粗糙度，表面波度等。表面粗糙度是指加工表面上较小距离的峰谷所组成的表面微观几何形状特性。一般情况下，受到加工中工艺系统的高频振动及切削刀具运动轨迹等多种影响。用表面轮廓算术平均偏差Ra，轮廓最大高度Ry和微观不平度十点高度Rz等参数来评定，优先推荐Ra参数。

表面波度指介于宏观几何形状误差与微观几何形状误差（即表面粗糙度）之间的一种周期性几何形状误差。对于表面波度的表征方法，目前尚无统一的规定。一般有二种表征方法：一种是根据其周期来表征，即波幅和波长；另一种是根据波纹的轮廓形状来表征，如圆弧形、尖峰形和锯齿形等。

实际中，组成机床各个部分的零件都是通过机加工方法得到的。对于一般机床对零件，首先考虑零件的尺寸精度，主要表面波度及表面粗糙度等宏观要求。

不同的机加工方法可以加工出相同粗糙度的表面，但是加工出的表面形貌却不同。表2-1所示各种机加工方法的表面特征及其粗糙度。

表2-1各种机加工方法的表面特征及其粗糙度

由表可知，不同加工方法得到机械加工面的表面粗糙度差别范围较大。机加工过程中不仅对其宏观形貌有较大的影响。事实上，由于加工表面受到切削力的作用，使表面金属的晶格发生畸变、扭曲、纤维化、破碎并发生了塑性变形。加工过程中的切削热又会使变形后的表面发生回复再结晶、相变，也会改变加工面金属的组织及其性能。机械加工面并不是理想的几何平面，而是分了至少五层的层状结构。实际中，不同机加工方法产生的形变硬化层也不同，主要表现在形变硬化层的硬化程度和深度方面，如表2-2所示。

表2-2各种加工方法所得的加工层硬化程度和深度

结论

本文分析了在刀具作用下，加工表面层金属产生弹性变形和塑性变形。介绍了机械加工表面质量评价。给出了各种机加工方法的表面特征及其粗糙度以及各种加工方法所得的加工层硬化程度和深度。对针对零部件要求选取加工方式方法有积极的意义。

参考文献

[1]王勇华，朱华，黄孝龙.金属材料冲击磨损的研究现状[J].矿山机械，2004，（12）：86.87.