浅谈机械加工表面质量对结构件装配的影响

刘佳林 寇东伟 赵权权

摘 要：纵观整个装配工艺过程，最主要的就是从零件入手，当零件质量得到有效的保障后，通过装配工艺方法和先进的工具来提高装配效率和精度，而在产品逐级装配这一复杂的过程中，往往容易忽略结构件的表面质量对装配结果的影响。本文即从结构件装配需求的角度来说明如何避免不合适的机械加工表面质量的产生。

关键词：机械加工；表面质量；结构装配

一、概述

结构件装配是一种比较复杂的装配流程，需要装配的零件种类繁多，因此影响因素也很多，其中笔者认为对产品性能和质量影响很大，但经常被忽略的一个因素是机械加工的表面质量，也叫粗糙度。它对于后续装配的完整性、可靠性有较大影响，甚至会影响装配后的尺寸精度。

研究和掌握机械加工中各种因素对表面质量影响的规律，以便运用这些规律来控制加工过程，最终达到改善表面质量、提高产品装配稳定性和一致性，就显得尤为重要。

二、目前常见的结构件装配方法

1、敲击安装。常用紫铜棒，优点是铜质地较软而且不落屑。安装过程要求均匀敲打，对人员技能有一定要求。

2、压入法安装。优点是施力平稳、均匀、无冲击，配合工装操作，明显降低对人员技能要求，生产一致性高。

3、冷装、热装。对于较大过盈量的轴、套安装，利用热涨冷缩原理，将工件在油箱中加热或液氮中冷却后安装。相对而言，冷装适应性更好，其对零件精度、材料组织变化影响较小。

三、常见的因零部件表面质量选取不当引起的装配缺陷

由于金属切削加工的特点，加工件的表面从剖面上看实际是以连续的波峰波谷（振幅）形式出现的。这就造成了当两个切削加工面进行接触时，势必会出现不同加工面的波峰与波谷相互嵌入，即类似螺纹连接的情况出现（如图1）。因此，会造成以下装配缺陷的产生。

图1

1、表面划伤和敲击变形。由于两个工件表面纹路波峰与波谷相互嵌入，则当两个工件的装配运动方向与切削纹路方向为非平行状态时，会产生较大的阻力，阻力的大小与配合间隙、结合力大小等多种因素有关，但表面质量（振幅）却是容易被忽视的因素。而实际情况是，当零部件表面粗糙度过高时，极易造成工件表面的划伤，特别是硬度较低的镀锌及发黑氧化层（如图2）。

图2

2、密封不严。当前一般结构件结合面的密封方法主要有两种，一种是结合面间采用夹紧固体软质材料，如橡胶密封圈进行密封，另一种是两结合面间涂抹在一定条件下可转化为固体的密封液（或胶）进行密封。

图3

根据笔者的观察统计，两种密封方法对零部件表面质量的要求并不一致，前者倾向于较高即较光滑的表面质量。原因是固体有一定的变形极限，若零件表面纹路沟槽过深，超过密封件的变形极限，导致变形后的密封件无法有效填充，则极易出现渗漏油的情况（如图3）。而后者则倾向于加工表面有一定的粗糙度，因为液体的填充性能好，且较为粗糙的表面更易于降低密封液的流动性和提高密封剂的附着力，相反若表面过于光滑，则会造成密封液在未凝固前即流失而达不到密封效果的情况。

3、过快磨损。从微观上看，加工面单位长度上受力大小一定的情况下，单个切削纹顶点（谷峰）受力的大小取决于单位长度上切削纹的数量，而在材料一致的情况下，单个切削纹磨损的程度与受力成正比。由此可见，当外部整体受力条件一致情况下，零部件表面质量越低则磨损越快，反之则越慢。所以，通常将有相对运动的加工面设定为较高的表面质量。

四、影响机械加工表面质量的因素

1、工件材料性质。加工塑性材料时，由于刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具的的撕裂作用，使表面粗糙值加大。而加工脆性材料时，其切屑呈碎粒状，易由于切屑的崩碎而在加工表面留下很多麻点，使表面粗糙。

2、加工工艺和机床设备。

1）车、铣、镗等切削加工要注意进给量，吃刀深度，以及进给速度。

2）磨削加工要注意磨削速度、砂轮粒度硬度的选用、磨削径向进给量和光磨次数。

3）机床刚性差及装夹不当造成机床震动，对表面质量也有较大影响。

3、刀具选取。刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，不同的进给量、主偏角、副偏角以及刀尖圆弧半径，决定了残留面积的高度和切削时的塑性变形程度。

4、润滑液选取。在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的的显微硬度、金相组织产生变化，进而产生残余应力。这些不利的物理变化，在切削加工时易产生刀瘤，鳞刺和加工硬化现象，从而降低表面加工质量，特别是磨削加工更加明显。

五、提高加工表面质量的措施

通过前面的分析，我们知道影响表面质量的因素有切削条件（切削速度、进给量、切削液）、刀具（几何参数、切削刃形状、刀具材料、磨损情况）、工件材料及热处理、工艺系统刚度和机床精度等几个方面。因此，笔者认为提高加工表面质量的措施主要有以下几个方面：

1、工件材料状态方面

1）对于塑性大的低碳钢、低合金钢材料，预先进行正火处理以降低塑性。

2）对于硬度较高的调质或淬火状态的高碳钢材料，预先进行退火处理以降低硬度和细化晶粒。

2、加工工艺和机床设备方面

1）选择合理的加工工艺方法和机床设备。以加工孔为例，表面质量要求较低可以采用钻、铣、粗车（镗）工艺，质量要求较高则需要采用精车（镗）、磨削、刮研等工艺。

2）选用合理的加工工艺参数。较小的进给量、进给速度和较高的工件与刀具的相对速度都可以有效的提高加工表面的质量。在实际加工时，需要根据经验及实际情况反复优化已达到最优效果。

3）合理装夹，增大机床和工件刚度。设计和使用合理的夹具，避免造成工件在进给方向悬空或悬臂式装夹，同时避免机床主轴和刀具伸出过长因引起加工时的震动。

3、刀具方面

为了减少残留面积，应选用角度合适的刀具与工件材料适应性好的刀具材料，以车刀选择为例：

1）车刀角度选择

前角：一般5°至20°，粗车角度较小，精车较大；

后角：粗车时较小，一般6°至8°；精车时较大，一般10°至12°；

刃倾角：粗车一般取5°，较大振动时可取10°以上；精车一般取负5°至0°。

2）车刀材质选择

YG类刀片适合加工铸铁、有色金属；YT类刀片适合加工钢件；YW类适合加工高合金钢、耐热合金及不锈钢加工。

4、切削液选取

应根据加工工艺和工件材料选择合适的切削液，以下是根据生产实际验证的，配比简单，适合各种加工工艺，同时成本具有一定优势的切削液配比：

六、结语

本文通过对机械加工表面質量进行了分析，指出对结构件装配所造成的影响，并提出了提高机械加工表面质量的措施，对工程实践有一定的指导作用。但需要说明的是，影响加工表面质量的因素在实际生产实践中一般不是孤立存在的，是相互影响，甚至是相互制约的。需要在大量实践结果总结的基础上，根据不同工件的特性进行适应性调整以选取最佳解决方案。

参考文献

[1]余志娟.机械加工表面质量及影响因素探析[J].装备制造技术，2009，（6）.

[2]刘瑞芬.对机械加工表面质量的分析[J].河北冶金，2006，（4）.

（作者单位：郑州宇通重工有限公司）