金屬加工表面質(zhì)量的影響因素及改進措施

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[摘要]機械加工外觀質(zhì)量，是指零件在機械加工后被加工面的微觀不平度，也叫粗糙度，其加工后的外觀質(zhì)量直接影響被加工件的物理、化學(xué)及力學(xué)性能。分析機械加工過程中影響加工外觀質(zhì)量的各種工藝因素，改善外觀質(zhì)量、提高產(chǎn)品使用性能具有重要的意義

[關(guān)鍵詞]粗糙度；機械加工工藝；金屬切削

1.外觀質(zhì)量的含義

任何機械加工的外觀，不成能是夢想的光滑外觀，總是存在確定的微觀幾何外形誤差。外觀材料在加工時受切削力、切削熱的影響，也會使原有的物理一機械性能發(fā)生變化。外觀質(zhì)量包括：

（1）加工外觀粗糙度。是指加工外觀的較小間距和微小峰谷的微觀幾何外形誤差。

（2）外觀層的物理——機械性能變化。物理一機械性能變化主要有以下三個方面的內(nèi)容：

①外觀層的冷作硬化。在機械加工過程中，工件外觀層金屬產(chǎn)生了猛烈的塑性變化，使表層的強度和硬度都有所提高，稱外觀冷作硬化。

②外觀層剩余應(yīng)力。在切削加工過程中，由于切削變形和切削熱的影響，在加工外觀會產(chǎn)生剩余應(yīng)力，假設(shè)剩余應(yīng)力超過材料的屈服強度，就會產(chǎn)生外觀裂紋，外觀的微觀裂紋將給零件帶來嚴(yán)重的隱患。

③外觀層金相組織的變化。工件外觀經(jīng)磨削精加工時，磨削產(chǎn)生的高溫，會燒壞工作外觀，使淬火鋼件外觀退火，引起表層金屬發(fā)生相變，將大大降低外觀層的物理一機械性能。

2.機械加工外觀質(zhì)量對機器使用性能的影響

2.1對耐磨性的影響

（1）外觀粗糙度對零件外觀磨損的影響。外觀粗糙度值愈小，其耐磨損性愈好。但外觀粗糙度值太小，潤滑油不易儲存，接觸面之間輕易發(fā)生分子粘接，磨損反而增加。

（2）外觀冷作硬化對耐磨性的影響。加工外觀的冷作硬化一般可使耐磨性提高。但過分的冷作硬化將引起金屬組織過度疏松，甚至展現(xiàn)裂紋和表層金屬的剝落，使耐磨性下降。

2.2對疲乏強度的影響

金屬受交變載荷作用后產(chǎn)生的疲乏破壞，往往發(fā)生在零件外觀和外觀冷硬層下面，因此零件的外觀質(zhì)量對疲乏強度影響很大。

（1）外觀粗糙度對疲乏強度的影響。在交變載荷作用下，外觀粗糙度的凹谷部位輕易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲乏裂紋。外觀粗糙度值愈大，外觀的紋痕愈深，紋底半徑愈小，抗疲乏破壞的才能就愈差。

（2）剩余應(yīng)力、冷作硬化對疲乏強度的影響。外觀層剩余拉應(yīng)力，將使疲乏裂紋擴大，加速疲乏破壞；而外觀層剩余壓應(yīng)力，能夠阻攔疲乏裂紋的擴展，延緩疲乏破壞的產(chǎn)生：外觀冷硬化一般伴有剩余壓應(yīng)力的產(chǎn)生，可以防止裂紋產(chǎn)生并阻攔已有裂紋的擴展，對提高疲乏強度有利。

2.3對耐蝕性的影響

零件的耐蝕性，在很大程度上取決于外觀粗糙度。外觀粗糙度值愈大，那么凹谷中聚積腐蝕性物質(zhì)就愈多，抗蝕性就愈差；外觀層的剩余拉應(yīng)力，會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，降低零件的耐磨性，而剩余壓應(yīng)力那么能防止應(yīng)力腐蝕開裂。

2.4對合作質(zhì)量的影響

對于間隙合作，粗糙度值大會使磨損加大，間隙增大，破壞了要求的合作性質(zhì)：對于過盈合作，裝配過程中一片面外觀凸峰被擠平，實際過盈量減小，降低了合作件間的聯(lián)接強度。

3影響外觀粗糙度的因素

（1）切削加工影響外觀粗糙度的因素。在加工外觀留下了切削層殘留面積，其外形是刀具幾何外形的復(fù)映。減小進給量vR主偏角、副偏角以及增大刀尖圓弧半徑，均可減小殘留面積的高度。

（2）工件材料的性質(zhì)。加工塑性材料時，由于刀具對金屬的擠壓，產(chǎn)生了望性變形，加之刀具迫使切屑與工件分開的撕裂作用，使外觀粗糙度值加大。加工脆性材料時，其切屑呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工外觀留下大量麻點，使外觀粗糙度增大。

（3）磨削加工影響外觀粗糙度的因素。

①砂輪的粒度與硬度。砂輪硬度應(yīng)適當(dāng)，應(yīng)使磨粒鈍后會實時脫落，露出新的磨粒來持續(xù)切削，即具有良好的“自礪性”。

②砂輪的修整。砂輪應(yīng)實時修整，以去除已鈍化的磨粒，保證砂輪具有微刃性和等高性。

③磨削速度、徑向進給量、光磨次數(shù)、工件圓周進給速度與軸向進給量。減小磨削用量和提高砂輪速度，可以增加工件單位面積上的刻痕數(shù)，同時可降低因塑性變形造成的外觀粗糙度。

④切削液。切削液對加工過程起冷卻和潤滑作用，能降低切削區(qū)的溫度，裁減刀刃與工件的摩擦。

⑤工件材質(zhì)。工件材料的硬度、塑性、韌性和導(dǎo)熱性能等，對外觀粗糙度有顯著的影響。工件材料太硬時，磨粒易鈍化：太軟時，砂輪易堵塞；韌性大和導(dǎo)熱性能差的材料，使磨粒早期崩落，而破壞了微刃的等高性，因而均使外觀粗糙度增高。

4.影響加工外觀層物理機械性能的因素

4.1冷作硬化及其因素

（1）金屬的冷作硬化。在機械加工過程中，因切削力作用產(chǎn)生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長和纖維化，甚至破碎，這些都會使外觀層金屬的硬度和強度提高，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化。

（2）影響冷作硬化的主要因素。切削刃鈍圓半徑增大，塑性變形加劇，導(dǎo)致冷硬鞏固。刀具后刀面磨損增大，塑性變形增大，導(dǎo)致冷硬鞏固。切削速度增大，塑性變形擴展深度減小，冷硬層深度減小。進給量增大，冷硬作用加強。工件材料的塑性愈大，冷作硬化現(xiàn)象就愈嚴(yán)重。

4.2外觀層材料金相組織的變化

（1）磨削燒傷。當(dāng)被磨工件外觀層的溫度達成相變溫度以上時，表層金屬發(fā)生金相組織的變化，使表層金屬強度和硬度降低，并伴有剩余應(yīng)力產(chǎn)生，甚至展現(xiàn)微觀裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。

（2）外觀層剩余應(yīng)力。在切削力作用下，外觀層受拉應(yīng)力作用，產(chǎn)生伸長塑性變形，外觀積趨向增大，里層處于彈性變外形態(tài)下。當(dāng)切削力去除后，里層金屬趨向復(fù)原，但受到外觀層的限制，恢復(fù)不到原狀，因而在外觀層產(chǎn)生剩余壓應(yīng)力，里層那么為拉應(yīng)力與之相平衡。

（3）熱塑性變形的影響。外觀層在切削熱的作用下產(chǎn)生熱膨脹，此時基體溫度較低，因此外觀層熱膨脹受基體的限制產(chǎn)生熱壓縮應(yīng)力。當(dāng)外觀層的溫度超過材料的彈性變形范圍時，就會產(chǎn)生熱望性變形。當(dāng)切削過程終止，溫度下降至與基體溫度一致時，由于外觀層已產(chǎn)生熱望性變形，但受到基體的限制產(chǎn)生了剩余拉應(yīng)力，里層那么產(chǎn)生了壓應(yīng)力。

（4）金相組織變化的影響。切削時產(chǎn)生的高溫，會引起外觀層的相變。外觀層體積膨脹時，因受到基體的限制，產(chǎn)生了壓應(yīng)力。反之，外觀層體積縮小，那么產(chǎn)生拉應(yīng)力。

5.終