机械加工表面质量的工艺分析及改善方法研究

2013-08-15邱德元

山东工业技术 2013年10期

邱德元

(徐州机电工程高等职业学校，江苏徐州221011)

0 引言

现代工业对制造的零件提出很多要求，比如必须能在高速运动、高温、高压及重载等条件下，保证长时间稳定、快速、准确地工作，这也就对零件的表面质量提出一系列的挑战。我们知道，任何机械加工方法所获得的零件，加工表面都不可能达到理想状态，总会存在微观不平、沟痕、裂纹、表面层金属相变和残余应力等缺陷，这些缺陷会影响零件的使用性能、寿命及可靠性。因此，机械加工既要保证零件的尺寸、形状和位置精度，又要保证机械加工表面质量。

1 机械加工表面质量对零件使用性能的影响

1.1 表面质量对耐磨性的影响

零件的磨损可分为三个阶段，在初期磨损阶段，一开始只是在两表面波峰接触，实际的接触面积很小。零件受力时波峰接触部分压强很大，磨损非常显著。其后，实际接触面积增大，磨损变缓，进入正常磨损阶段。该阶段零件的耐磨性最好，持续时间也较长。最后，由于波峰被磨平，表面粗糙度参数值变得非常小，不利于润滑油的储存，且使接触表面之间的分子亲和力增大，摩擦阻力增大，进入急剧磨损阶段。

1.2 表面质量对零件疲劳强度的影响

零件在交变载荷的作用下，其表面微观不平的凹谷处和缺陷处容易应力集中而产生疲劳裂纹，造成零件的疲劳破坏。实验表明，减小零件表面粗糙度可提高零件的抗疲劳强度。表面层的适度硬化可阻碍表面层疲劳裂纹的出现，但硬化过度易产生裂纹，故表面层硬化的程度与深度也应合理控制。表面残余压应力能延缓疲劳裂纹扩展，提高零件的疲劳强度；残余拉应力容易使零件表面产生裂纹而降低疲劳强度。

1.3 表面质量对配合性能的影响

对于间隙配合，表面太粗糙会使配合面很快磨损而增大配合间隙，特别对于液压系统、气压系统的元件，会使泄露量增大，影响正常工作；对于过盈配合，表面太粗糙会使配合表面的波峰被挤平，降低了配合件的连接强度，影响配合可靠性。因此，有配合要求的表面一般都要求较小的表面粗糙度，配合要求越高，配合的表面粗糙度值越小。

1.4 表面质量对零件耐腐蚀性及零件其他性能的影响

腐蚀性介质容易吸附和积聚在粗糙表面的凹谷处，并通过微细裂纹向内渗透。实践证明，表面越粗糙腐蚀作用越强。残余压应力使零件表面紧密，增强零件耐腐蚀性；而残余拉应力降低耐腐蚀性。因此，较小零件表面粗糙度、适当的表面残余应力和加工硬化，均可提高抗腐蚀性。

2 影响表面粗糙度的工艺因素及改善方法

2.1 切削加工影响表面粗糙度的因素

2．1．1 刀具几何形状

减小进给量、主偏角、副偏角、适当增大前角、合理选择润滑液、提高刀具刃磨质量、抑制积屑瘤、鳞刺的生成，都是减小表面粗糙度值的有效方法。

2．1．2 工件材料的性质

加工塑性材料时，塑性变形和切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。韧性愈好就愈粗糙。加工脆性材料时，切屑的崩碎留下斑点使表面粗糙。

2．1．3 切削条件

包括切削用量、冷却润滑情况。

切削液的冷却、润滑作用抑制积屑瘤和鳞刺的生成，可有效减少表面粗糙度。

2.2 磨削加工影响表面粗糙度的工艺因素

2．2．1 砂轮

1）磨料。磨削钢件及铸铁件，宜采用氧化铝磨料，因为其微韧性和等高性好，使表面的残留高度小，磨削区金属高温软化、钝化微刃的滑擦和挤压将工件表面凸峰辗平，会降低表面粗糙度。碳化硅磨料韧性差，颗粒呈针片状，磨削时易细微碎裂堵塞砂轮，增加工件塑性变形，表面粗糙，主要加工有色金属。

2）粒度。大粒度砂轮以微切削为主，形成较深的沟槽和辗压痕迹，表面粗糙度大；细粒度砂轮经精细修整呈半钝态微刃，抛光作用降低表面粗糙度。但粒度太小，磨削区高温易烧伤工件。

3）砂轮的修整。砂轮修整导程一般为10～15mm/min，修整深度为2.5μm/单导程。修整导程（纵向进给）和修整深度越小，粗糙度值越小。但修整导程过小易烧伤工件，产生螺旋形等缺陷。

2．2．2 磨削用量

1）提高砂轮速度可减小表面粗糙度。但过高磨削热会烧伤工件，对表面粗糙度不利。

2）工件速度。较大易产生振动，有波纹；较低易产生烧伤缺陷，影响表面粗糙度。

3）工件的纵向进给量过大，会使得表面粗糙度增大；横向进给量不能超过微刃高度，否则也增加表面粗糙度。

2.3 减小表面粗糙度值的加工方法

精密与超精密加工

通常将加工精度在0.1～1μm，加工表面粗糙度值Ra 0.02～0.1μm之间的加工方法称为精密加工，而将加工精度高于0.1μm,Ra＜0.01μm的加工方法称为超精密加工。

2．3．1 微量切削

微量切削加工精度可达到0.075μm，相当于从材料晶格上逐个去除原子。微量切削刀具有天然金刚石刀具、高性能陶瓷刀具、TiN、CBN等，其中天然金刚石可加工出高质量的超光滑表面,Ra 0.005～0.02μm。

2．3．2 磨料加工

磨料加工包括研磨、抛光、珩磨等。研磨是用研磨盘和研磨剂从工件表面上研去一层极薄金属的精加工方法，尺寸误差1～0.1μm，Ra=0.025～0.008μm。抛光分传统的接触式和新型非接触式，主要是改变表面质量，非接触式抛光加工可达到Ra0.008μm。珩磨是利用珩磨条对工件表面施加一定压力并同时作相对旋转和往复直线运动切削工件上极小余量的精加工方法，主要对孔加工，加工精度达到1～0.1μm,Ra=0.025～0.01μm。

2．3．3 特种加工

特种加工主要是利用机、电、声、热、化学、磁、原子能等能量来进行加工的非传统加工方法。特种加工不主要依靠机械能、工具硬度可低于工件硬度或者不需要任何工具、不存在显在的机械切削力等，可加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属、非金属材料或者复合材料，特别适合于加工复杂、微细表面和低刚度零件，同时，有些方法还可以进行超精密加工、镜面加工、光整加工以及纳米级（原子级）的加工。如最精密的离子束加工的精度最高可以达到0.001μm，可加工任何材料，Ra可达0.01μm以下。

2．3．4 复合加工复合加工是以上各种加工方法的综合应用，例如电解磨削、电解研磨、电解抛光、超声车削、超声磨削等。加工精度可达纳米级，Ra可达0.01μm以下。