影响金属切削加工表面质量的因素

张伟健 张丹丹

【摘要】近年来，工业技术得到了很大的提高，对机械设备要求更加严格，在某些恶劣的工况条件下，一些重要零部件仍要正常运转。如果表面层有任何瑕疵，不仅直接影响设备运行的稳定性，而且还会导致零部件的损坏，缩短零部件的寿命。所以说，金属切削加工表面质量十分重要，该问题也受到更多的关注。

【关键词】金属切削；外表面；影响因素

1、引言

通过大量的实践已经证明，在实际的机械加工中，理想的光滑表面较难实现，总是存在某些细微的误差。除此之外，在加工时，表面材料会受到切削力、切削热的影响，也使得原有的机械性能发生一定的改变。我们都知道，所谓表面质量，就是机械加工后，零件表面层发生微观上的几何形态变化，或者表层材料性质发生改变。所以说，表面质量主要包括两个方面：一方面是加工表面粗糙度，另一方面是表面层的机械性能变化。這两方面的好坏会直接影响零件的耐磨性、疲劳强度、耐蚀性、配合质量等等。例如，表面粗糙度会直接影响零件表面的抗磨损性能，表面越平滑，就越能抗磨损。但物极必反，表面过于平滑时，其表面不能附着润滑油，导致磨损增加。所以说，这些因素都有一个最优值，以维持零部件在设备中的最佳机械性能。

2、影响金属切削加工表面质量的因素

2.1 影响表面粗糙度的因素

2.1.1 工件材料的性质。加工塑性材料时，由于刀具对金属的挤压，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，使表面粗糙度增大

2.1.2 切削加工的方式。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的程度，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。影响切削表面粗糙的主要因素有：

a.切削速度、切削深度、工件速度、切削效率、工件圆周进给速度与轴向进给量。减小切削用量和提高切削速度，可以增加工件单位面积上的刻痕数，同时可降低因塑性变形造成的表面粗糙度。因为在高速切削下，切削表面来不及塑性变形，因而提高切削速度有利于降低表面粗糙度。增大切削深度和提高工件速度会使塑性变形加剧，从而增高粗糙度。为了提高切削效率，通常在开始切削时采用较大的切削深度，而在切削后期采用小的切削深度，或进行无进给切削，以降低工件表面粗糙度。

b.切削液对加工过程起冷却和润滑作用，能降低切削区的温度，减少刀刃与工件的摩擦，从而减少切削过程的磨损程度。

c.切削力对金属切削处理的影响。材质的抗剪切强度和切削力呈正有关关系，即较高的抗剪切强度，更大的处理力。切削力也受该材质的韧性和延展性影响，韧性更好，处理力更大。

2.1.3 切削刀具的影响。碳钢、合金钢抵制弯曲的能力很强，但其耐高热性能特别不好，中、低速切削可考虑。高速钢的坚硬程度非常高，抗损伤和破坏能力很强，耐高热，其导热性也很好。在高温情况下，高速钢可完成处理工作，避免危险的发生。还有一种刀具，它是在高速钢的基础上，添加某些微量元素，大大增加高速钢的抗损伤性能和耐高热性能，氧化铝是高速钢的主要成分，压制后烧结。其化学性能十分稳定，它适合于高速切削。总所周知，钻石是最坚硬的材质，不仅可以完成有色金属的切削处理，也可以完成非金属材质高精度的处理。处理工具性能的好坏直接影响到处理过程的安全性和高效性。

2.2 影响加工表面层机械性能的因素

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。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热，比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层机械性能的变化会很大。

2.2.1 加工方法的影响

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压应力的加工方法。

2.2.2 冷作硬化

冷作硬化是指在机械加工过程中，因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生相对位移，使表面层金属的硬度和强度提高。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。

影响冷作硬化的主要因素。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。切削刃钝圆半径对加工硬化的影响切削速度增大，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了，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 热塑性变形

表面层在切削热的作用下产生热膨胀，此时基体温度较低，因此表面层热膨胀受基体的限制产生热压缩应力。当表面层的温度超过材料的弹性变形范围时，就会产生热塑性变形。当切削过程结束，温度下降至与基体温度一致时，因为表面层已产生热塑性变形，但受到基体的限制产生了残余拉应力，里层则产生了压应力。

3、结论

基于以上分析，金属切削过程中，首先必须做应力分析，合理选择切削液和刀具材料。产品的质量与稳定性与表面质量密切相关的，在工作??的过程中，在保证工件表面质量的同时，还要避免增加零件的制造成本。因此，只有认真负责的完成这些工作，采取相应的技术措施，减少质量问题的发生，处理好表面质量，提高机械产品的质量。才能有效地控制金属切削的表面质量，获得高品质的产品，从而取得更好的成绩。

参考文献：

[1]高国红，孙玉刚.提高数控处理中心切削效率的途径[J].才智，2011（21）.