机械零件表面质量的应用分析

王帅

发供电分公司 045000

摘要：机械产品使用性能的提高和使用寿命的增加与组成产品的零件加工表面質量密切相关，零件的加工表面质量是保证产品质量基础。衡量零件加工表面质量好坏的主要指标有：加工精度和表面粗糙度。本文旨在研究零件表面层在加工中的变化和发生变化的机理，掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响规律，运用规律来控制加工中的影响因素，以提高机械加工表面质量的工艺措施。

关键词：机械加工；表面质量；途径措施

前 言

随着机械行业在社会中占得地位越来越重，人们对机器的使用要求越来越高，一些重要零件在高压、高速、高温等条件下工作，零件表面的任何缺陷，不仅直接影响零件的工作性能，而且还可能引起应力集中、应力腐蚀等现象将进一步加速零件的失效，这一切都与加工表面质量有很大关系。

一个零件的失效或者突然间损坏，除了少数因设计不周而强度不够，或者是由于偶然的事故引起超负荷而造成了失效或损坏以外，大多数都是由于磨损、受到外界环境的腐蚀或疲劳破坏。磨损、腐蚀和疲劳损坏都是发生在零件的表面，或是从零件表面开始的。因此，加工表面质量将直接影响到零件的使用性能，因而表面质量问题越来越受到各方面的重视。

1.概 述

1.1加工表面的几何形状误差

表面质量是零件机械加工质量的组成部分之一。零件的磨损、腐蚀和疲劳破坏都是从零件表面开始的，表面质量直接影响零件的工作性能。加工表面质量是指加工表面的几何形状误差和表面层金属的力学物理性能。

1.表面粗糙度 是加工表面的微观几何误差，其波长与波高比值一般50。

2.表面波度 加工表面不平度中波长与波高比值等于50～1000的几何误差。它是加工中的振动引起的。波长与波高比值大于1000时称宏观几何误差。如圆度、圆柱度误差等。

3.纹理方向 是指加工表面刀纹的方向，它取决于表面加工的方法。有平行纹理、交叉形纹理、同心圆纹理、迂回形纹理和放射形纹理。

4.伤痕 指加工表面上的缺陷，如砂眼、气孔、裂纹等。它是加工中的振动引起的。波长与波高比值大于1000时称宏观几何误差。如圆度、圆柱度误差等。

1.2表面层金属的力学物理性能

1.表面层金属的冷作硬化 用硬化程度和深度两个指标衡量。

2.表面层残余应力 由于塑性变形、金相组织的变化和温度造成的体积变化的影响，加工表面会产生残余应力。

3.表面层金相组织的变化 在加工过程切削热的作用下，表面层会产生温度升高引起金相组织的变化。如磨淬火钢出现回火组织。

4.磨削烧伤 在磨削加工中，由于多数磨粒为负前角切削，磨削温度很高，产生的热量远远高于切削时的热量，而且磨削热有60～80%传给工件，所以极容易出现金相组织的转变，使得表面层金属的硬度和强度下降，产生残余应力甚至引起显微裂纹。

2.机械加工表面质量对零件使用性能的影响

2.1表面质量对零件耐磨性的影响

表面层的冷作硬化可使表面层的硬度提高，增强表面层的接触刚度，从而降低接触处的弹性、塑性变形，使耐磨性有所提高。但如果硬化程度过大，表面层金属组织会变脆，出现微观裂纹，甚至会使金属表面组织剥落而加剧零件的磨损。

2.2表面质量对零件疲劳强度的影响

在交变载荷作用下，表面粗糙度波谷处容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。并且表面粗糙度越大，表面划痕越深，其抗疲劳破坏能力越差。

当表面层存在残余压应力和加工硬化时，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，提高零件的疲劳强度；当表面层存在残余拉应力时，零件则容易引起晶间破坏，产生表面裂纹而降低其疲劳强度。

2.3表面质量对零件耐腐蚀性能的影响

表面粗糙度和表面层残余压应力对零件耐腐蚀性能的影响很大。零件表面粗糙度越大，在波谷处越容易积聚腐蚀性介质而使零件发生化学腐蚀和电化学腐蚀。残余压应力使表面组织致密，腐蚀性介质不易侵入，有助于提高表面的耐腐蚀能力；残余拉应力的对零件耐腐蚀性能的影响则相反。

3.控制表面质量的途径

3.1降低表面粗糙度的加工方法

1.超精密切削加工是指表面粗糙度为Ra0.04μm以下的切削加工方法。超精密切削加工最关键的问题在于要在最后一道工序切削0.1μm的微薄表面层。

2.小粗糙度磨削加工为了简化工艺过程，缩短工序周期，有时用小粗糙度磨削替代光整加工。分析磨削用量与磨削力、磨削热之间的关系，并用图表表示各参数的最佳组合，加上计算机的运用，通过指令进行过程控制，使得小粗糙度磨削逐步达到了应有的效果。

3.珩磨是利用珩磨工具对工件表面施加一定的压力，同时珩磨工具还要相对工件完成旋转和直线往复运动，以去除工件表面的凸峰的一种加工方法。

4.超精加工是用细粒度油石，在较低的压力和良好的冷却润滑条件下，以快而短促的往复运动，对低速旋转的工件进行振动研磨的一种微量磨削加工方法。

5.研磨是利用研磨工具和工件的相对运动，在研磨剂的作用下，对工件表面进行光整加工的一种加工方法。

6.抛光是在布轮、布盘等软性器具涂上抛光膏，利用抛光器具的高速旋转，依靠抛光膏的机械刮擦和化学作用去除工件表面粗糙度的凸峰，使表面光泽的一种加工方法。

3.2改善表面物理力学性能的加工方法

1.喷丸强化是利用压缩空气或离心力将大量直径为0.4～4mm的珠丸高速打击零件表面，使其产生冷硬层和残余压应力，可显著提高零件的疲劳强度。

2.滚压加工是在常温下通过淬硬的滚压工具（滚轮或滚珠）对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，将工件表面上原有的波峰填充到相邻的波谷中，从而以减小了表面粗糙度值，并在其表面产生了冷硬层和残余压应力，使零件的承载能力和疲劳强度得以提高。

3.金刚石压光是一种用金刚石挤压加工表面的新工藝，国外已在精密仪器制造业中得到较广泛的应用。

4.液体磨料强化是利用液体和磨料的混合物高速喷射到已加工表面，以强化工件表面，提高工件的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度的一种工艺方法。

4.提高机械加工工件表面质量的措施

4.1制订科学合理的工艺规程

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。

4.2合理的选择切削参数

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，主偏角、副偏角及刀尖圆弧半径对零件表而粗糙度都有直接影响。在进给量一定的情况下，减小主偏角和副偏角，或增大刀尖圆弧半径，可减小表面粗糙度。另外，适当增大前角和后角，可减小切削变形和前后刀面间的摩擦，抑制积屑瘤的产生也可减小表面粗糙度。

4.3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。

4.4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。

5.结论

由于机械加工表面对机器零件的使用性能如耐磨性、接触刚度、疲劳强度、配合性质、抗腐蚀性能及精度的稳定性等有很大的影响，因此对机器零件的重要表面应提出一定的表面质量要求。由于影响表面质量的因素是多方面的，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，对表面质量根据需要提出比较经济适用性的要求，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。

参考文献：

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[2]于骏一，邹青，机械制造基础，机械工业出版社2004

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