试论影响机械加工表面质量的因素及采取的措施

　　摘要：

在机械加工中，有很多因素影响工件表面质量，如何使工件的表面质量达到要求，如何减小各因素对工件表面质量的影响，就成为加工前必须考虑的问题，通过对影响机械加工表面质量的因素进行分析，并提出提高工件表面质量的措施。

　　关键词：机械加工表面质量影响因素

　　前言

机器由机械零件装配而成，机器的失效是个别零件的失效造成的，其根本原因是零件丧失了其应具备的使用性能。而研究与生产实践表明，零件的失效大都从表面开始，零件表面质量的高低是决定其使用性能好坏的重要因素。因此，正确地理解零件表面质量内涵，分析机械加工过程中影响加工表面质量的各种工艺。因素，改善表面质量、提高产品使用性能具有重要的意义。

　　1.影响机械加工表面质量的因素

　　1.1耐磨性对表面质量的影响

一个刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间，最初阶段在表面粗糙的峰部触，实际接触面积远小于理论接触面积，在相互接触的部有非常大的单位应力，使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏，引起严重磨损。

　　1.2疲劳强度对表面质量的影响

在交变载荷作用，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳纹。表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈大，抗疲劳破坏的能力就愈差。残余应力对零件疲劳强度的影响很大。表面层残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏;而表面层残余应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生。

　　1.3耐蚀性对表面质量的影响

零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多。抗蚀性就愈差。表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。

　　2 .影响加工表面粗糙度的工艺因素及控制措施

　　2.1切削加工

2.1.1 .刀具的几何参数、材料和刃磨质量

刀具的几何参数中对表面粗糙度影响最大主要是副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径。在一定的条件下，减小副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径都可以降低表面粗糙度。在同样条件下，硬质合金刀具加工的表面粗糙度值低于高速钢刀具，而金刚石、立方氮化硼刀具又优于硬质合金，但由于金刚石与铁族材料亲和力大，故不宜用来加工铁族材料。另外，刀具的前、后刀面、切削刃本身的粗糙度直接影响加工表面的粗糙度，因此，提高刀具的刃磨质量，使刀具前后刀面、切削刃的粗糙度值应低于工件的粗糙度值。

2.1.2切削条件

与切削条件有关的工艺因素，包括切削用量、冷却润滑情况。中、低速加工塑性材料时，容易产生积屑瘤和鳞刺，所以，提高切削速度，减少积屑瘤和鳞刺，减小零件已加工表面粗糙度值；对于脆性材料，一般不会形成积屑瘤和鳞刺，所以，切削速度对表面粗糙度基本上无影响。进给速度增大，塑性变形也增大，表面粗糙度值增大，所以，减小进给速度可以减小表面粗糙度值，但是，进给量减小到一定值时，粗糙度值不会明显下降。正常切削条件下，切削深度对表面粗糙度影响不大，因此，机械加工时不能选用过小的切削深度。

合理选用切削液，对工件起到冷却、润滑作用，减少被加工材料的变形和摩擦，降低切削区温度，抑制积屑瘤和鳞刺的生成，是减少表面粗糙度值有效途径。

2.1.3工艺系统的精度和刚度

要想获得很小表面粗糙度，要求工艺系统具有足够的运动精度和刚度。

　　2.2磨削加工

影响磨削加工表面粗糙度的工艺因素

2.2.1砂轮

1） 粒度磨粒越细，单位面积上的磨粒数越多，刻划沟痕越细密，表面粗糙度越小。但磨粒过细，砂轮易堵塞，磨削性能下降，磨削力和磨削温度下降，反而增大表面粗糙度，甚至出现烧伤现象。

2） 硬度砂轮的硬度要适中，太软，磨粒易脱落，使粗糙度增加；太硬，磨钝了的磨粒又不易脱落，堵塞砂轮，增加工件材料的塑性变形，也会使工件表面变粗糙。

3） 砂轮修整砂轮磨钝后必须进行认真修整，目的是使砂轮具有正确的几何形状和锐利刀刃。砂轮修整的质量越好，砂轮的表面磨粒的等高性越好，磨削出表面粗糙度值越小。

2.2.2磨削用量

1）砂轮转速提高砂轮转速，可以减小表面粗糙度。

2）工件转速增大工件转速，塑性变形增加，表面粗糙度值也增加。

3）工件材料若工件的材料硬度太高，磨粒易磨钝，不易提高表面质量；若工件材料的塑性、韧性较大，变形大，易堵塞砂轮，也得不到较小表面粗糙度值。

　　2.3减小机械加工表面粗糙度的加工方法

2.3.1超精密切削

超精密切削是指加工精度高于亚微米（0.1um）级，表面粗糙度值Ra在0.025um以下的切削加工方法。单晶金刚石车刀是目前应用最广泛的超精密切削刀具材料，常用来加工铜、铝或其它有色金属材料，获得超精密表面。

2.3.2超精加工

超精加工是一种由切削过程过渡到摩擦抛光过程的加工方法，能获得较高加工表面粗糙度（Ra=0.01~0.1um）。目前，超精加工广泛用于曲轴、凸轮轴、刀具、轴承、精密量仪及电子仪器等精密零件。

2.3.3珩磨

珩磨是利用珩磨工具（细粒度油石或油条）对工件表面施加一定的压力，同时作相对旋转和往复直线运动，切削工件上极小余量精加工方法。目前广泛应用于中小批生产中孔的精加工，加工孔的范围很大，直径从几毫米到1米，长度从10毫米到20米，珩磨后的工件表面粗糙度值控制在0.025~0.2mm之间，圆度和圆柱度在0.003~0.005mm之间。

2.3.4研磨

研磨是用研磨工具（研棒或研套）和研磨剂从工件表面上研去一层极薄金属的精加工方法，能获得很高表面质量和加工精度。研磨后的工件尺寸和形状误差可达0.1~0.3mm,表面粗糙度Ra可以达到0.01~0.04mm。

2.3.5抛光

抛光加工是用涂敷有抛光膏的布轮、皮轮等软性工具，利用机械、化学或电化学作用去除工件表面微观不平处的峰顶，以获得光亮、平整表面的加工方法。抛光加工多用于要求很低表面粗糙度、尺寸精度要求不太严格的场合。。

　　3.影响加工表面层物理机械性能的因素

　　3.1 影响零件表面层物理力学性能的工艺因素及控制措施

机械加工过程中，在切削力和切削热的作用下，工件表面一定深度内的表面层材料沿径向产生剪切滑移，晶格扭曲，晶粒拉长并纤维化，金相组织发生变化，导致材料物理、机械性能不同于基体材料，形成变质层（加工硬化、残余应力、金相组织变化等），从而影响零件表面质量。

3.1.1.表面层的加工硬化

表面层的加工硬化程度取决于产生塑性变形时力、变形速度和变形温度。试验证明，力越大，塑性变形就越大，产生的加工硬化也越大；变形速度越大，塑性变形就越不充分，产生硬化程度相应减小；变形温度高，则硬化程度减小。因此，提高切削速度、减小进给量和背吃刀量，都可以减小切削变形和切削力，减轻加工硬化；增大刀具前角和后角、减小刃口钝圆半径，提高刀具的锋利性，可以减小挤压变形和切削力，从而减轻加工硬化；另外，合理

用切削液、减小刀具后刀面与加工表面间摩擦,同样降低加工硬化程度。各种机械加工方法加工钢件时表层加工硬化情况不同。

3.1.2.表面残余应力

机械加工后，工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化三者综合作用结果。切削加工时主要由冷态塑性变形引起的残余应力，磨削加工时主要是热态塑性变形和金相组织变化引起体积变化而产生的残余应力。总之，凡能减小塑性变形和降低切削或磨削温度的因素，都可以减少零件表层残余应力。

3.1.3.表面层的金相组织变化——磨削烧伤

机械加工中，因变形和摩擦所消耗的能量大部分转变为切削热，当切削区温度达到临界点（727℃）时，表层金属会发生金相组织变化。只有磨削加工，由于磨削速度高，磨削厚度小，磨粒负前角切削等原因，产生的热量比切削加工大得多，磨削区温度很高（工件表面层温度达900℃以上），容易引起金相组织变化，导致强度和硬度下降，产生残余应力，出现微观裂纹，严重时产生烧伤现象。

　　3.2影响磨削烧伤的因素：

3.2.1磨削用量

当磨削深度增大时，工件表层的温度则明显增加，易引起烧伤或加剧烧伤，故磨削深度不能太大；同时提高工件转速和砂轮转速，既可以减轻工件表面的烧伤，又可以提高生产率；增大工件的纵向进给速度，磨削区表面温度降低，烧伤减小，为了弥补纵向进给速度增大而导致表面粗糙度值增大，可采用较宽砂轮进行磨削加工。

3.2.2砂轮特性

为了降低磨削区温度，减轻烧伤，应采用硬度较软、组织疏松、粗粒度及结合剂弹性好的砂轮。

3.2.3冷却方法

采用切削液能有效地降低切削区温度，可以避免烧伤。目前，通用的冷却方法效果较差，实际上没有多少切削液进入磨削区，比较最有效的冷却方法有内冷却、高压大流量冷却法、喷雾冷却润滑法和浸油砂轮等。

　　4.影响机械加工精度的主要因素

　　4.1加工原理误差

加工过程由于采用了近似的加工方法,近似的传动或近似的刀具轮廓而产生的加工误差。

　　4.2机床几何误差及磨损其对加工精度的影响

加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的,因此工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床制造误差对工件加工精度影响较大的有:主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。

　　4.3刀具、夹具的制造误差及磨损

刀具误差对加工精度的影响随刀具的种类不同而不同。一般刀具(如车刀、镗刀及铣刀等)的制造误差,对加工精度没有直接的影响;定尺寸刀具(如钻头、铰刀、拉刀及槽铣刀等)的尺寸误差,直接影响被加工零件的尺寸精度;成形刀具(成形刀、成形铣刀以及齿轮滚刀等)的误差,主要影响被加工面的形状精度。而刀具的磨损会直接影响刀具相对被加工表面的位置,造成被加工零件的尺寸误差,夹具的作用是使工件相对于刀具和机床具有正确的位置,因此夹具的制造误差对工件的加工精度(特别是位置精度)有很大影响。夹具的制造误差由定位误差、夹紧误差、夹具的安装误差、导引误差、分度误差以及夹具的磨损组成。夹具的磨损会引起工件的定位误差。

　　4.4工艺系统受力变形引起的误差

工艺系统是一弹性系统,在加工时由于切削力、夹紧力和传动力等作用会产生相应变形破坏了刀具和工件间的正确位置,从而产生加工误差。

切削过程中,工艺系统的刚度随切削力着力点位置的变化而变化,引起系统变形的差异,使被加工表面产生形状误差。

工件的毛坯外形虽然具有粗略的零件形状,但它在尺寸、形状以及表面层材料硬度上都有较大的误差。毛坯的这些误差在加工时使切削深度不断发生变化,从而导致切削力的变化,进而引起工艺系统产生相应的变形,使得零件在加工后还保留与毛坯表面类似的形状或尺寸误差。

　　4.5工艺系统受热变形引起的误差

机械加工中,工艺系统在各种热源的作用下产生一定的热变形。由于工艺系统热源分布的不均匀性及各环节结构、材料的不同,使工艺系统各部分的变形产生差异,从而破坏了刀具与工件的准确位置及运动关系,产生加工误差。尤其对于精密加工,热变形引起的加工误差占总加工误差的40%～70%。

机床受热源的影响,各部分温度将发生变化,由于热源分布的不均匀和机床机构的复杂性,机床的各部件发生不同程度的热变形,破坏了机床各部件原有的相互位置关系,影响加工精度。不同类型的机床由于热源不同,对加工精度影响也不同。

尽管在切削加工中传入刀具的热量只有3%～5%,但由于刀具的尺寸和热容量小,故仍有很高的温升,从而引起刀具的热伸长并造成加工误差。粗加工时刀具的热变形对加工精度的影响可忽略不计;对于加工要求较高的零件,刀具的热变形对加工精度影响较大,使加工表面产生形状误差。例如用高速钢刀具车削时,刃部的温度高达700℃～800℃,刀具热伸长量可达0.03mm～0.05mm。

工件的热变形主要是由切削热引起的,热变形情况与加工方法和是否均匀受热有关。

　　5.机械加工表面质量对零件使用性能的影响

在机械加工中，零件的加工表面产生微观不平、残余应力等各种缺陷，虽然仅存于零件极薄的表面层中，却严重影响着机械零件的精度、耐磨性、配合性、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而进一步影响机械的使用性能和使用寿命。

　　5.1表面质量对耐磨性的影响

零件的耐磨性不仅与材料、润滑条件有关，而且还与零件的表面质量有关。当两个表面接触时，开始时接触表面实际上是一些凸峰顶部接触，实际接触面积是理论接触面积的一小部分。在外力的作用下，凸峰接触部分将产生很大的压强，当零件作相对运动时，接触处的部分凸峰就会产生塑性变形被磨掉。实验证明，表面越粗糙，凸峰处压力越大，磨损加快；表面粗糙度值小，零件接触面积大，耐磨性就好。若表面粗糙度值过小，将使紧密接触的两个光滑表面间的贮油能力变差，润滑条件恶化，变成干摩擦，加剧磨损。所以，并不是表面粗糙度值越小越耐磨，表面粗糙度与初期磨损量之间存在一个最佳值。

　　5.2表面质量对零件抗腐蚀性能的影响

当零件在有腐蚀性介质的环境下工作时，腐蚀性介质容易吸附和积聚在粗糙表面的谷处，并通过微细裂纹向内渗透。实践证明，表面粗糙度越高，零件的腐蚀作用越强烈。此外，表面残余应力对零件的耐腐蚀性也有较大的影响。残余压应力使零件表面紧密，阻碍腐蚀性物质进入，可增强零件耐腐蚀性；而残余拉应力则可降低耐腐蚀性。因此，减小零件表面粗糙度、使表面具有适当的残余应力和加工硬化，均可提高抗腐蚀性能。

　　5.3表面质量对零件疲劳强度的影响

在交变载荷作用下，零件表面微观不平、划痕等都会引起应力集中而产生疲劳裂纹造成零件的疲劳破坏。实验表明，对于承受交变载荷的零件，减小其容易产生应力集中部位（如圆角、沟槽处）的表面粗糙度，可以明显提高零件的疲劳强度。另外，当表面层残余应力为拉应力时，在拉力作用下，会使表面的裂纹扩大而降低疲劳强度；而残余压应力则可以延缓疲劳裂纹扩展，提高零件疲劳强度。表面层的加工硬化能阻碍疲劳裂纹的出现，但硬化程度过大反而会降低疲劳强度。

　　5.4表面质量对配合性质的影响

对于间隙配合，如果表面太粗糙，会使配合表面很快磨损而增大配合间隙，降低配合精度，特别对于液压系统、气压系统的元件，会使泄露量增大，造成机器不能正常工作；对于过盈配合而言，如果表面粗糙度值过大，装配时配合表面的波峰会被挤平，减小了实际过盈量，降低了配合件的连接强度，从而影响了配合的可靠性。因此，有配合要求的表面一般都要求有适当小的表面粗糙度，配合要求越高，要求配合的表面粗糙度值越小。

　　6.提高机械加工精度的途径

　　6.1减少原始误差

这种方法是生产中应用较广的一种基本方法。它是在查明产生加工误差的主要因素之后，设法消除或减少这些因素。例如细长轴的车削，现在采用了大走刀反向车削法，基本消除了轴向切削力引起的弯曲变形。若辅之以弹簧顶尖，则可进一步消除热变形引起的热伸长的影响。

　　6.2补偿原始误差

误差补偿法，是人为地造出一种新的误差，去抵消原来工艺系统中的原始误差。当原始误差是负值时人为的误差就取正值，反之，取负值，并尽量使两者大小相等;或者利用一种原始误差去抵消另一种原始误差，也是尽量使两者大小相等，方向相反，从而达到减少加工误差，提高加工精度的目的。

　　6.3转移原始误差

误差转移法实质上是转移工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等。误差转移法的实例很多。如当机床精度达不到零件加工要求时，常常不是一味提高机床精度，而是从工艺上或夹具上想办法，创造条件，使机床的几何误差转移到不影响加工精度的方面去。如磨削主轴锥孔保证其和轴颈的同轴度，不是靠机床主轴的回转精度来保证，而是靠夹具保证。当机床主轴与工件之间用浮动联接以后，机床主轴的原始误差就被转移掉了。

　　6.4均分原始误差

在加工中，由于毛坯或上道工序误差（以下统称“原始误差”）的存在，往往造成本工序的加工误差，或者由于工件材料性能改变，或者上道工序的工艺改变，引起原始误差发生较大的变化，这种原始误差的变化，对本工序的影响主要有两种情况：误差复映，引起本工序误差;定位误差扩大，引起本工序误差。解决这个问题，最好是采用分组调整均分误差的办法。这种办法的实质就是把原始误差按其大小均分为n组，每组毛坯误差范围就缩小为原来的1/n，然后按各组分别调整加工。

　　6.5均化原始误差

对配合精度要求很高的轴和孔，常采用研磨工艺。研具本身并不要求具有高精度，但它能在和工件作相对运动过程中对工件进行微量切削，高点逐渐被磨掉最终使工件达到很高的精度。这种表面间的摩擦和磨损的过程，就是误差不断减少的过程。这就是误差均化法。它的实质就是利用有密切联系的表面相互比较，相互检查从对比中找出差异，然后进行相互修正或互为基准加工，使工件被加工表面的误差不断缩小和均。在生产中，许多精密基准件都是利用误差均化法加工出来的。

　　6.6就地加工法

在加工和装配中有些精度问题，牵涉到零件或部件间的相互关系，相当复杂，如果一味地提高零、部件本身精度，有时不仅困难，甚至不可能，若采用就地加工法的方法，就可能很方便地解决看起来非常困难的精度问题。就地加工法在机械零件加工中常用来作为保证零件加工精度的有效措施。结束语在机械加工中，误差是不可避免的，只有对误差产生的原因进行详细的分析，才能采取相应的预防措施减少加工误差，提高机械加工精度。

　　7、提高机械加工工件表面质量的措施

　　7.1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。对科学合理的工艺规程的要求是工艺流程要短，定位要准确，选择定位基准时尽量使定位基准与设计基准重合。

　　7.2合理的选择切削参数

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。试验证明，在加工塑性材料时若选择较大前角的刀具可以有效抑制积屑瘤的形成，这是因为刀具前角增大时，切削力减小，切削变形小，刀具与切屑的接触长度变短，减小了积屑瘤形成的基础。

　　7.3合理的选择切削液

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。

　　7.4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。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。

　　8、结论

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，才能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。只有了解和掌握影响机械加工表面质量的因素，才能在生产实践中，采取相应的工艺措施，减少零件因表面质量缺陷而引起的加工质量问题，从而提高机械产品的使用性能、寿命和可靠性。

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