机械加工表面质量对零件使用性能的影响及控制措施探讨

摘 要：随着工业技术的飞速发展机械化生产已走进各大小企业，与之息息相关的就是各式各样的机器。而机器是由机械零件装配而成，机器的失效是由个别零件的失效而造成的，其根本原因是零件丧失了其应具备的使用性能。而通过研究与生产实践证明，零件的失效大都從表面开始，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，通过改变这些因素从而达到改善工件表面质量的目的，提高产品的使用性能对未来机械行业的发展具有重要的意义。

关键词：机械加工；表面质量；成因；控制措施

一、机械加工表面质量

机器零件的加工质量不仅指加工精度，还包括加工表面质量，表面质量是指机械加工后零件表面层的微观几何结构及表层金属材料性质发生变化的情况，它是零件加工后表面层状态完整性的表征。零件机械加工后的表面，总存在一定的微观几何形状的偏差，表面层的物理力学性能也发生变化。

1.加工表面的几何特征。加工表面的微观几何特征主要包括表面粗糙度和表面波度两部分组成。表面粗糙度是波距L小于1mm的表面微小波纹；表面波度是指波距L在1～20mm之间的表面波纹。通常情况下，当L/H（波距/波高）<50时为表面粗糙度，L/H=50～1000时为表面波度。

（1）表面粗糙度：表面粗糙度主要是由刀具的形状以及切削过程中塑性变形和振动等因素引起的，它是指已加工表面的微观几何形状误差。

（2）表面波度：主要是由加工过程中工艺系统的低频振动引起的周期性形状误差，介于形状误差（L1/H1>1000）与表面粗糙度（L3/H3<50）之间。

2.加工表面层的物理、力学性能。表面层的物理力学性能包括表面层的加工硬化、残余应力和表面层的金相组织变化。机械零件在加工中由于受切削力和切削热的综合作用，表面层金属的物理力学性能相对于基本金属的物理力学性能发生了变化。

（1）表面层的加工硬化：表面层的加工硬化一般用硬化层的深度和硬化程度N来评定：

N=[（H-H0）/H0] ×l00%

式中H——加工后表面层的显微硬度；

H0——原材料的显微硬度。

（2）表面层金相组织的变化：在加工过程（特别是磨削）中的高温作用下，工件表层温度升高，当温度超过材料的相变临界点时，就会产生金相组织的变化，大大降低零件使用性能。

（3）表面层残余应力：在加工过程中，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，表面层会产生残余应力。按应力性质分为拉应力和压应力。目前对残余应力的判断大多是定性的，它对零件使用性能的影响大小取决于它的方向、大小和分布状况。

二、机械加工表面质量对零件使用性能和使用寿命的影响

在零件的机械加工中，零件的加工表面产生微观几何形状误差、表面层物理和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使用性能，从而进一步影响机械的使用性能和使用寿命。

1.表面质量对零件耐磨性的影响。零件的耐磨性是零件的一项重要性能指标，当摩擦副的材料、润滑条件和加工精度确定之后，零件的表面质量对耐磨性将起着关键性的作用。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。

2.表面质量对零件疲劳强度的影响。表面质量对零件疲劳强度的影响主要表现在：表面粗糙度对承受交变载荷的零件的疲劳强度影响、表面层残余压应力对零件的疲劳强度影响、表面层的加工硬化对零件的疲劳强度也有影响。

3.表面质量对零件耐腐蚀性能的影响。表面质量对零件耐腐蚀性能的影响主要表现在：表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响和表面层残余压应力对零件的耐腐蚀性能的影响。

4.表面质量对零件间配合性质的影响相配零件间的配合性质是由过盈量或间隙量来决定的。在间隙配合中，如果零件配合表面的粗糙度大，则由于磨损迅速使得配合间隙增大，从而降低了配合质量，影响了配合的稳定性；在过盈配合中，如果表面硬化严重，将可能造成表面层金属与内部金属脱落的现象，从而破坏配合性质和配合精度。

5.表面质量对零件其他性能的影响。如对间隙密封的液压缸、滑阀来说，减小表面粗糙度Ra可以减少泄漏、提高密封性能；较小的表面粗糙度可使零件具有较高的接触刚度；对于滑动零件，减小表面粗糙度Ra能使摩擦系数降低、运动灵活性增高，减少发热和功率损失；表面层的残余应力会使零件在使用过程中继续变形，失去原有的精度，机器工作性能恶化等。

三、提高零件加工表面质量的工艺措施

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。

1.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，可以避免由定位基准与设计基准不重合而引起的定位误差。

2.合理的选择切削参数是保证加工质量的关键。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，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。比如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。

3.合理的选择切削液是保证加工工件表面质量的必要条件。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.工件主要工作表面最终工序加工方法的选择至关重要。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。也可以在加工过程中通过改变某些量来提高表面粗糙度：①在精加工时，应选择较小的进给量f、较小的主偏角kr和副偏角krˊ、较大的刀尖圆弧半径rε，以得到较小的表面粗糙度；②加工塑性材料时，采用较高的切削速度可防止积屑瘤的产生，减小表面粗糙度；③根据工件材料、加工要求，合理选择刀具材料，有利于减小表面粗糙度；④适当的增大刀具前角和刃倾角，提高刀具的刃磨质量，降低刀具前、后刀面的表面粗糙度均能降低工件加工表面的粗糙度；⑤对工件材料进行适当的热处理，以细化晶粒，均匀晶粒组织，可减小表面粗糙度；⑥选择合适的切削液，减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，减小切削变形，抑制鳞刺和积屑瘤的产生，可以大大减小表面粗糙度。

另外，可以通过喷丸强化、滚压加工、液体磨料强化等方法提高和改善零件表面层物理力学性能的措施。可以通过消除工艺系统中回转零件的不平衡、提高传动件的精度、提高工艺系统的刚度、采用隔振措施、采用减振装置等措施来减少波纹度。

四、结束语

总而言之，机械加工表面质量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，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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作者简介：

危春燕（1976—），女，汉族，本科，职称：讲师，主要研究方向：机械加工。