影响机械加工表面质量的因素及改进措施

赵振岭

摘要：科技水平的不断发展是提高国民生活质量的重要保障，也是支持国家工业产业不断创新、发展、进步的重要手段。機械加工使用的机械设备、仪器由各种机械另加组装而成，搭载不同的计算机处理模块，机械设备加工性能受到机械零件质量的影响。机械设备使用到的各种零件合格率、质量和性能高低受到机械零件表面质量的影响。

关键词：机械加工;表明质量;因素;改机措施

1 机械加工表面质量概念及要求

目前机械加工零件使用的材料包括了特种高分子树脂材料、特种陶瓷材料、金属合金等。机械加工过程中，合金坯料受到物理、化学、力学作用下会出现一个平面层，这个平面层就是机械加工平面层。机械零件平面层与标准零件平面层之间存在的形状差异通常使用粗糙度指数来评价，机械零件被加工后其技术表面的理化组织性质和力学性能与目标零件性能指标的差异性是另一个评价机械零件平面层的标准。机械加工过程中，在机械切削作用及切削工作振动摩擦的作用下，机械零件合金材料微观表面结构会出现类似于波峰、波谷的结构变化，这种结构变化的定量评价使用表面粗糙度评价。

机械零件表面理化组织性质指的是，机械切削作用产生的热量会传递到合金零件中，导致合金零件温度上升，当温度达到合金热处理温度时，合金表面就会发生退火等微观组织性质的变化。力学性能指的是机械加工产生的机械变形和机械热作用会导致合金表面存在残余应力，残余应力如果没有及时的被消除，则会导致合金零件表面出现微观裂纹，严重影响到零件使用过程中的耐疲劳性和使用寿命。

2 影响机械加工表面质量的因素

根据机械加工原理以及实际生产经验，影响机械加工表面质量的因素可以分为以下几个方面：

2.1 影响表面粗糙度的因素

2.1.1 材料的性能影响粗糙度

机械零件基体材料的性质是决定其加工后表面性能的重要因素。例如，研究发现，合金材料先经过热处理后再进行机械加工，这种热处理可以提高合金材料在机械加工过程中的磨损机械，提高加工过程中的抗磨损能力，得到表面耐磨性能良好的机械零件。

如果合金零件的脆性指数较高，或者合金中使用脆性指数高的某种金属材料，导致其在机械加工过程中，脆性大的金属容易被切削产生大量的废屑，废屑碰碎就会在合金表面残留出很多凸凹点，增加机械加工表面粗糙度。

如果合金零件的韧性较高，其在加工过程中会产生较大的塑性变形，使得合金表面的波峰波谷间距增加，也会增加机械加工表面粗糙度。

宋波等人使用激光选区熔化技术对合金材料进行预处理，并对预处理后的材料和未经过激光选区熔化技术预处理的零件进行机械加工，对比加工合金零件的表面粗糙度。结果表明，经过激光选区熔化技术预处理后的合金材料残余应力发生变化，加工后零件表面的粗糙度从10μm降低到5.2μm。

2.1.2 切削加工影响粗糙度

从机械加工原理和实际操作经验来看，切削加工过程的速度、进给量、切削刀具的尺寸、主偏角等都是影响加工零件表面质量的重要因素。并且，对于不同性质的材料，需要配套不同的切削条件。例如在进行塑形较好的合金材料加工时，为了降低加工零件表面的粗糙度，需要适当提高加工速度。

郭晓磊等人选择纤维板作为加工材料，在意大利Paolino Bacci公司生产的SMART五轴加工机床上使用硬质合金双刃直刃柄铣刀为切削工具，研究了切削速度和切削厚度对加工零件表面粗糙度的影响。结果表明，平均切削厚度增加，加工零件的表面粗糙度增加;当零件表面粗糙度目标值要求相同时，高速切削平均切削厚度更大，不仅环节刀具磨损提高刀具使用寿命，又可以提高车床加工产量。

朱金鹏等人在自主研制的高速立式精密车床上研究了纯铁材料在精密的切削加工过程中，切削工艺条件对加工零件的表面粗糙度影响规律。结果表明，切削工艺中切削深度、进给量、切削速度时影响加工零件的表面粗糙度三大主要因素，影响程度由大到小依次为进给量、切削深度、切削速度。

2.1.3 磨削加工影响粗糙度

在磨削加工过程中，砂轮上磨粒排布图案、磨粒尺寸、沟槽结构及尺寸等都会对机械加工零件表面的波峰波谷特性有影响，进而改变零件表面的粗糙度。

温雪龙等人在自主研制的三维微机械加工机床上对硬脆材料钠钙玻璃材料进行一系列磨削工艺条件考察，并考察了不同因素与加工零件表面粗糙度的变化规律。结果表明，进给速度降低，零件表面粗糙度降低;磨削深度增加，零件表面粗糙度增大;主轴转速降低，零件表面粗糙度降低。

2.2 影响机械加工表面性能的因素

2.2.1 加工表面产生冷作硬化

具有晶体结构的合金材料受到机械加工的物理作用，使得合金的晶粒之间发生剪切滑移，使得晶体中的单元晶粒被过度拉长而最终破碎，这个过程提高了合金零件的强度和硬度，这个过程或者所赋予零件的特性被称为冷作硬化。在零件的或许加工过程中，零件表面的变形阻力和塑性会受到冷作硬化作用的影响，而出现不同程度的弱化。材料在机械加工过程中的挤压力、切削速度、切削深度都会改变冷作硬化程度。

2.2.2 金相组织性能发生变化

无论是切削加工还是磨削加工，工具在接触材料过程中都不可避免的产生大量的热值，热量传递到材料后会提高材料的温度，当材料温度达到合金的想变温度后，材料表面就会发生金相组织的变化。金相组织的变化如果过于激烈，就会降低材料的硬度，甚至在材料表面产生裂纹。

2.2.3 表面残余应力

机械加工产生的热量会导致材料表面产生残余应力，尤其会产生在发生金相组织变化的材料表面。这是因为，发生金相组织变化后，不同区域材料的密度和比容会发生变化，导致未发生金相变化的组织受到金相组织压迫而产生残余应力。

3 改善机械加工表面质量的方法

3.1 对加工材料进行预处理或者开发优异特种材料

材料的塑性和微观组织结构是决定材料经过机械加工后表面性质的两个核心因素。因此研究人员开发出了特种材料用于机械加工，以应对不同行业需求。同时，基于微观调控技术和塑性改造技术，研究人员针对材料原始特性，开展了一系列材料预处理技术研究。例如，对于低碳和金材料，由于其塑性较强，因此在加工前需要进行热处理，人为促使材料发生金相变化。

3.2 选择恰当的加工条件

上文已经总结不同研究人员探索的不同切削条件对加工表面粗糙度的影响，可以发现，不同的切削刀具、目标产品质量、加工材料特性都有其特定的切削条件。例如，利用磨削处理零件表面时，要选择砂轮磨粒尺寸均一、分布整齐的少轮，以获取更低的表面粗糙度。同时，为了控制金相变化对材料带来的性能变化，在加工过程中需要控制机械加工的给料量和给料速度，并配合优异的冷却技术，可以有效的避免材料发生金相组织变化。

3.3 有效控制残余应力

在控制残余应力方面，可以从刀具选型和加工工艺两方面入手。选择刀具时，应当选择具有较大前角和后角的刀具，并且在刀具刃磨时应当缩短切削刃口的半径;加工工艺方面，在切削用量固定的前提下，尽可能使用高转速和较低的进给量，并配合喷射切削液强化表层的变形。

4 结语

各种材料通过机械加工得到的各种零件质量、性能和使用寿命与零件表面材料的粗糙度、组织性能息息相关。本文分析了影响表面粗糙度和机械加工表面性能的因素，并应用了基础科学研究提出了改善加工表面性能、降低粗糙度的改进措施，提高机械加工水平对机械产业的促进作用。

参考文献：

[1]  李都喜，苑举勇，张坤伸.机械加工表面质量影响因素及控制措施的探讨[J].科技信息，2011（29）：113-114.

[2]  冯丽.影响机械加工表面质量的若干因素和改进方法[J].中国科技信息，2014（5）：165-166.

（作者单位：沧州惠邦交通通讯产品制造有限公司）