金属加工表面质量浅谈

李德军

摘  要：机械零件的破坏一般总是从表面层开始的，因此零件的表面质量是至关重要的。本文分析了加工表面质量对零件使用性能的影响以及影响表面粗糙度的工艺因素。

关键词：金属;加工;表面质量

加工表面质量包括加工表面的几何形状误差、表面层金属的力学物理与化学性能两个方面的内容。由于机械加工中力因素和热因素的综合作用，使加工表面层金属的力学物理性能和化学性能将发生一定的变化。

一、表面质量对零件使用性能的影响

1.表面质量对零件耐磨性的影响

零件的耐磨性主要与摩擦副的材料、热处理状况、表面质量和润滑条件有关。当两个零件的表面互相接触时，如果表面粗糙，只是表面的凸峰相接触，实际接触面积远小于理论接触面积，因此单位面积上压力很大，破坏了润滑油膜，凸峰处出现了干摩擦。如果一个表面的凸峰嵌入另一表面的凹谷中，摩擦阻力很大，且会产生弹性变形、塑性变形和剪切破坏，引起严重的磨损。零件表面纹理形状和纹理方向对表面耐磨性也有显著影响，在轻载荷并充分润滑的运动副中，两配合面的刀纹方向相同时，耐磨性较好;与运动方向垂直时，耐磨性最差。而在重载荷又无充分润滑的情况下，两结合表面的刀纹方向垂直时磨损较小。可见重要的零件最终加工应规定最后工序的加工纹理方向。

2.表面质量对零件疲劳强度的影响

表面粗糙度值大，在交变载荷作用下，零件容易引起应力集中并扩展疲劳裂纹，造成疲劳损坏。如表面粗糙度值R_a由0.4μm降低到0.04μm时，对于承受交变载荷的零件，其疲劳强度可提高30%～40%。表面粗糙度越大，疲劳强度也降得越低。合理地安排加工纹理方向及零件的受力方向有利于疲劳强度的提高。

残余应力与疲劳强度有极大关系。残余压应力可提高零件的疲劳强度，而残余拉应力使疲劳裂纹加剧，降低疲劳强度。带有不同残余应力表面层的零件，其疲劳寿命可相差数倍至数十倍。适当加工硬化有助于提高零件的疲劳强度。

3.表面质量对零件配合性质的影响

表面粗糙度大，磨合后会使间隙配合的间隙增大，降低配合精度。对于过盈配合而言，装配时配合表面的凸峰被挤平，减小了实际过盈量，降低了连接强度，影响了配合的可靠性。表面加工硬化严重，将可能造成表层金属与内部金属脱离的现象，也将影响配合精度和配合质量。

4.表面质量对零件抗腐蚀性的影响

零件在介质中工作时，腐蚀性介质会对金属表层产生腐蚀作用。表面粗糙的凹谷易沉积腐蚀性介质而产生化学腐蚀和电化学腐蚀。腐蚀性介质按箭头方向产生侵蚀作用，逐渐渗透熟金属内部，使金属层剥落、断裂，形成新的凹凸表面。然后，腐蚀又由新的凹谷向内扩展，这样重复下去使工件表面遭到严重的破坏。表面光洁的零件，凹谷较浅，沉积腐蚀性介质的条件差，不太容易被腐蚀。凡是零件表面存在残余拉应力，都将降低零件的耐腐蚀性;而零件表层存在残余压应力和一定程度的强化都有利于提高零件的抗腐蚀能力。另外，表面质量好能提高密封性能，降低相对运动零件的摩擦系数，减少发热和功率消耗，减少设备的噪声等。

二、影响表面粗糙度的工艺因素

1.刀刃在工件表面留下的残留面积

在被加工表面上残留的面积越大，获得的表面越粗糙。用单刃刀具切削时，残留面积只与进给量f、刀尖圆弧半径r_ε及刀具的主偏角κ_r、副偏角κ_r′有关。减小进给量f，减小刀具的主、副偏角，增大刀尖圆弧半径，都能减小残留面积的高度H，也就降低了零件的表面粗糙度。进给量f对表面粗糙度影响较大，当f值较低时，有利于表面粗糙度的降低。减小刀具的主、副偏角，均有利于表面粗糙度的降低。一般在精加工时，刀具的主、副偏角对表面粗糙度的影响较小。

2.积屑瘤的影响

在一定的切削速度范围内加工塑性材料时，由于前刀面的挤压和摩擦作用，使切屑的底层金属流动缓慢而形成滞流层，此时切屑上的一些小颗粒就会粘附在前刀面上的刀尖处，形成硬度很高的楔状物，称为积屑瘤。

积屑瘤的硬度可达工件硬度的2～3.5倍，它可代替切削刃进行切削。由于积屑瘤的存在，使刀具上的几何角度发生了变化，切削厚度也随之增大，因此会在已加工表面上切出沟槽。积屑瘤生成以后，当切屑与积屑瘤的摩擦大于积屑瘤与刀面的冷焊强度或受到振动、冲击时，积屑瘤会脱落，又会逐渐形成新的积屑瘤。因些积屑瘤的生成、长大和脱落，使切削发生波动，并严重影响工件的表面质量。脱落的积屑瘤碎片，还会在工件的已加工表面上形成硬点。因此，积屑瘤是增大表面粗糙度的不可忽视的因素。

3.切削用量

选择不同的切削參数对表面粗糙度影响较大。在一定的速度范围内，如用中、低速（一般1c