浅谈提高机械加工中表面质量的方法

任文源

（太原重型机械集团齿轮传动分公司，山西 太原 030024）

在机械加工过程中影响表面质量的因素是很复杂的，为了获得所要求的表面质量，就必须对加工方法、切削参数进行适当的控制。譬如：承受高应力交变载荷的零件需要控制受力表面不产生裂纹和残余拉应力；轴承沟道为了提高它的接触疲劳强度必须控制表面不产生磨削烧伤和微观裂纹；经过磨齿加工后的齿轮齿轴表面也必须光滑无烧伤和裂纹；块规应主要保证其尺寸精度及稳定性，故应严格控制表面粗糙度和残余应力。所以在加工时必须选用合适的工艺，严格控制表面质量。

1 磨削参数的合理设置，砂轮规格的科学选用

磨削是一种很重要的加工工艺，它既可用于粗糙度磨削代替光整加工，又可用作高效磨削，使粗加工、精加工同时完成。但它也是一种影响因素众多、对产品表面质量有很大影响的工艺方法。因此在磨削加工过程中应重点注意控制磨削用量。磨削既能细化工件表面粗糙度，又能引起表面烧伤。而磨削表面的粗糙度大小和是否产生磨削烧伤主要受磨削参数的影响，要获得高的表面质量，必须合理控制磨削参数。

砂轮的粒度对表面粗糙度有较大影响，磨粒越小，加工表面的表面粗糙度也越小。要获得较细的表面粗糙度，应选择磨粒号较大的砂轮。但随磨粒号的增大，产生磨削烧伤的可能性也会增大。为防止工件烧伤，只能采用很小的磨削深度，且需要时间很长的空走刀，使磨削效率下降。为此，砂轮磨粒号常选用46～60号。尤其在磨齿加工工艺中尤为明显，例如：在使用NILES ZE800S加工模数为14，齿数为24的齿轴时使用Norton粒度为60的砂轮进行磨削加工，结果齿面光洁度提高了，但齿面有50%左右烧糊，尤其在靠近齿根附近。修整砂轮，从降低粗糙度考虑砂轮应修整的细些，但是却常引起表面的烧伤；为了避免工件烧伤，工件速度常选的较大，但又会增大表面粗糙度和引起颤振；采用小磨削用量却又降低了生产效率；而且不同的材料其磨削性能也不一样。因此，光凭经验或靠加工手册常不能全面地保证加工质量。生产中比较可行的办法是通过试验来确定磨削用量。可先按初步选定的磨削用量磨削试件，然后通过检查试件的金相组织变化和测定表面层的微观硬度变化，就可知道磨削表面层热损伤情况，据此调整磨削用量。

另外还有靠控制磨削温度来保证工件质量的方法：利用夹在砂轮间的铜或铝箔作为热电偶的一极，在磨削过程中连续测量磨削区的温度然后控制磨削用量。

2 采用超精加工、珩磨等光整加工方法作为终加工工序

超精加工，珩磨等都是利用磨条以一定的压力在工件的被加工表面上，并做相对运动以降低工件的粗糙度和提高精度的工艺方法，一般用于粗糙度Ra＜0.08 um的表面的加工，由于切削速度低、磨削压强小，所以加工时产生很少热量，不会产生热损伤，并具有残余压应力，如果加工余量合适还可以去除磨削加工变质层。

采用超精加工、珩磨工艺虽然比直接采用精磨达到要求的粗糙度要多一道工序，但由于这些加工方法都是靠加工表面自身定位进行加工的，因而机床结构简单，精度要求不高，而且大多设计成多工位机床，并能进行多机床操作，所以生产效率较高，加工成本较低。

（1）超精加工。用细粒度的磨料以一定压力压在旋转的工件表面上，并在轴向作往复震荡进行微量切除的光整加工方法，它常用于加工内外圆柱、圆锥面和滚动轴承套圈的沟道。超精加工后表面容易形成油膜，提高润滑效果，因此耐磨性好。

（2）珩磨。与超精加工类似，只是使用的工具不同以及运动方式不同，珩磨头带有若干块细粒度的靠机械或液压的作用涨紧和施加压力在工件表面上，并相对工件左旋转与往复运动，结果在工件表面上形成由螺旋线交叉而成的网状纹路。近年来采用了人造金刚石，立方氮化硼（CBN）磨料制作的磨条，效率显著提高，而且加工后表面不产生变质层。

（3）研磨。将研磨剂涂敷或浇注在研具与工件间，工件与夹具在一定压力下作不断变更方向的相对运动，在磨粒的作用下逐步刮擦并微量切除工件表面的很薄的金属层。此方法可适用于各种表面的加工，粗糙度Ra可达0.01 um～0.16 um，精度可达5级以上。研磨剂一般采用煤油、润滑油或油脂与研磨粉混合而成，研具一般采用比工件软的材料制成。通常研磨效率较低，且要求工人的技术熟练程度较高。

（4）抛光。是利用布轮、布盘等软的研具涂上抛光膏抛光工件的表面，靠抛光膏的机械刮擦和化学作用去掉表面粗糙度的峰顶，使表面获得光泽镜面。抛光时一般去不掉余量，所以不能提高工件的精度甚至还会损坏原有精度。经抛光的表面能减小残余拉应力值。

3 采用喷丸、滚压、辗光等表面强化工艺

对于承受高应力、交变载荷的零件可以采用采用喷丸、滚压、辗光等表面强化工艺使表面层产生残余压应力和冷作硬化并降低表面粗糙度，同时消除了磨削等工序的残余拉应力，因此，可以大大提高疲劳强度及抗应力腐蚀性能。借助强化工艺还可以用次等材料代替优等材料，节约贵重材料。但采用强化工艺时注意不要造成过度硬化，否则会使表面层完全失去塑性性质甚至引其显微裂纹和材料剥落，带来不良后果。因此采用强化工艺必须很好地控制工艺参数以获得要求的强化表面。

（1）喷丸。是利用压缩空气和离心力将大量直径细小的丸粒高速向零件表面喷射的方法，可以适用于任何形状的零件。喷丸的结果在表面层产生很大的塑性变形，造成表面的冷作硬化及残余压应力，喷丸后零件的使用寿命可提高数倍至数十倍。喷丸在磨削、电镀等工序后进行可以有效地消除这些工序带来的有害的残余拉应力。当粗糙度要求较小时，也可在喷丸强化后再进行小余量的磨削但要注意控制磨削时的温度，以免影响强化效果。

（2）滚压、辗光。用工具钢制成的钢滚轮或钢珠在零件表面上进行滚压、辗光，使表面层材料产生塑性流动，从而形成新的光洁表面，粗糙度Ra值可从1.6 um降低至0.1 um，表面硬化深度达0.2 mm～1.5 mm，硬化程度达到10%～40%。该方法由于使用简单，一般就在普通车床上装上滚压工具即可进行加工，应用广泛。

随着科学技术的不断飞速发展，近年来采用了金刚石工具辗光工件表面的新方法，效果更为显著。由于金刚石的物理力学性能高，且与金属配合时，摩擦因数小，所以消耗的动力和能量小，生产效率和表面质量高。金刚石辗光后表面产生压应力，工件疲劳强度显著提高。