机械加工过程中金属材料表面质量及精度控制方法

张立荣，孟祥海，张 伟

社会生产环境的变化，使得当前各行各业都在逐步向着自动化、机械化、信息化的方向发展，各类交通运输工具、设备等都需要大量的金属材料和零件进行生产加工。所以要保证机械设备的质量，就需要以加工合格的材料零件作为基础保障。现阶段重要的材料零件加工办法都是通过机床切削加工的方法，来消除材料多余的部分获得设计好的零件形状，而加工时对于表面质量和精度的控制对于零件加工的整体质量都会有十分重要的影响，所以下文就主要分析关于材料零件加工中的表面质量控制问题。

1 机械加工的相关内容概述

1.1 材料表面质量

机械加工中的材料表面质量，一般是指在加工后，零件表面所呈现出的物理形状和特征，材料零件表层上微观几何结构的变化和材料性质的变化是否满足加工的需求。虽然肉眼看去，加工材料可能较为平滑，但是从微观层面上观看，材料表面并不像看上去的平整光滑，还会存在不同程度的纹路、凹凸等情况，这些因素都会直接影响到零件的表面质量。加工中材料表面的几何特征主要会关注到以下几个方面：表面粗糙度；表面波度；表面的加工纹理；表面产生的缺陷。图1 为预期效果和实际加工的不同表面质量。

图1 预期和实际加工的不同质量效果

1.2 机械加工精度

材料加工精度通常是指的在经过加工之后，零件的实际参数与预先设计好的参数值，两者之间的差距，两者之间的差距越小就说明加工精度就越符合预期值，加工精度也就越高。所以这就要求现代机械加工领域中，对加工误差的要求越来越高，尽量将加工误差控制在一个小范围内来保证零件的可靠性和精度。对于零件加工的精度要求，主要是涉及到形状、尺寸、位置三个因素，而且这三类因素之间也是互相关联的。从尺度因素来看，尺度因素会限制材料加工表面和设计标准之间的误差控制；然后是形状精度，会限制材料加工表面所呈现出的几何性状的误差情况；最后就是位置精度，材料加工表面与基准之间的相互位置差距，最终的加工误差会直接影响到材料零件的精度情况。

2 影响材料加工质量和精度的因素

2.1 机床加工性能

现代工业中对于各种工件、零件的生产加工，一般都是通过机床制作完成的，所以机床本身的性能也会直接影响到加工的质量和精度。如机床的几何位置误差就会影响到零件加工的质量和精度，直接影响因素就是关于主轴回转误差和传动链当中的误差，由于主轴在回转过程中，主轴实际回转轴线相对于其平均回转线有一定的误差，可能会直接影响加工精度，而从传动链误差来看，主要是涉及到机床两边传动元件之间的相互运动位置的差距。

2.2 出现定位误差

加工中出现定位误差主要是关乎两个方面，一类是由于加工基准数据无法重合导致的误差，一类就是加工位置不准确导致的位置。由于在机床中对零件进行加工时，往往是需要通过几何参数来作为定位的标准参考，当时由于加工中选择的定位基准和设计图纸中的基准，可能会在实际中出现数值误差，就可能会导致基准无法重合的问题，而且由于机床中的夹具在定位元件中也不可能完全准确，实际的尺寸往往都会在可控的范围内进行调整，如果超出范围就可能会导致较大误差。

2.3 刀具方面的性能误差

刀具在不断加工的工程中可能会出现磨损的问题，这样刀具自身的参数值就会产生变化，如果在加工中不将刀具磨损参数值考虑到其中，就可能会间接导致在材料加工中，尺寸和形状也会无法达到设计预期，产生一些数值上的误差，进而影响精度和质量。刀具磨损带来的数值变化会直接影响加工的精度，而且也会根据不同刀具的特性带来不同的差异。所以，加工中对于刀具材料选择和参数值变化应该做到了解。合理控制切削方法和数量也是减少刀具磨损的重要手段。

2.4 误差调整

不同材料加工，需要根据实际要求来对工件或者机床编程参数进行调整，但是由于数值对于加工会产生极大影响，调整的幅度往往也不易掌控，如果误差调整差异较大，可能就会直接出现残次品，因此就需要数值调整时，进行精确计算，明确参数设置和编程方法。

2.5 受力变形导致误差

材料最终加工出的质量和精度，也会受到环境、加工时的技术情况影响，工件强度会影响加工的难度，也是影响零件成品的变形情况。刀具自身的强度会直接影响到机械加工中的受力变形情况，所以针对不同性质的材料，也要选择合适性能的刀具和加工方法，这样才能减小加工时对于材料的形状影响。

2.6 其他影响材料零件表面质量的因素

工艺系统振动、刀具参数、材料性能、切削液使用、切削的方法和条件等，这些都是会影响到实际加工中零件质量和精度的因素。比如在加工中材料、刀具等出现的振动，可能会使得工艺材料的成形过程受到一定的干扰，不规则的振动会导致材料表面出现振纹、裂痕等，进而增大了材料表面的粗糙程度，降低质量；刀具参数中的主偏角、刀尖圆弧半径等也都会影响到材料的表面粗糙度。

3 加工中提高材料表面质量和精度的措施探析

3.1 控制参数误差来提高加工质量和精度

（1）减少加工中的原始误差。减少加工中的原始误差就需要从机床本身的性能开始，提高机床加工的精度，减少设备带来的数据误差影响。机床设备方面所带来的影响和误差，主要是关乎刀具、夹具、切削液等基本工具的使用，减少加工中材料、器具之间由于摩擦受热带来的形变问题，减少刀具、设备之间的磨损。此外，在加工之前，还需要系统性地分析各项影响加工精度和质量的原始误差数据和因素，依照不同的情况需要来进行修正，如刀具磨损严重导致的数值误差过大就应该及时的更换刀具，而在加工中也需要选择合适性能的刀具来进行加工；在一些精密零件的加工过程中，还需要考虑到机床设备的精度和性能特点，确保机床精度可以符合精密零件的加工需要，同时控制加工中的环境因素，以此来提升加工精度和质量。

（2）采取误差补偿。如果机械加工过程中，参数方面出现无法避免的误差，就需要通过误差补偿的办法来进行修正，通过对原始数据进行一定程度的调整，来对出现的误差数值进行修正补偿，以此来降低原始数值中的误差，提高加工精度。

（3）分化误差的方式。分化误差的办法就是通过将原始误差进行分化处理的办法，然后根据误差产生的情况来分析其中的基本规律，将材料零件分为不同类别，然后分别在每个组别来对误差数值进行调整，让数值定位更加的准确。分化误差就是通过对数值风险进行统一化规划，一般是加工作业中提高加工质量较为常用的方法，一旦出现多组类别都出现较大误差的情况下，就可以根据现实的加工情况，然后综合各个组别中产生的误差来进行优化，形成分区式的误差修正，将原始误差分散到各个部分，来实现误差的分化处理。

3.2 降低材料零件表面的粗糙度

从加工刀具方面来尝试降低，由于切削加工处理中，由于刀具和零件之间会因为摩擦产生切削力和热量，可能会使得金属材料表面产生物理性质的变化，主要是金属的表面层会发生因为热量而产生硬度、性能方面的变化，导致金相组织和残余应力的发生。磨削加工的过程中可能会产生塑性变形和切削热的问题，所以磨削过程中可能会发生更加严重的机械性能改变。为了尽量减少残留的形变面积，就需要在刀具的选择使用方面尝试使用刀尖圆弧半径较大的，然后通过较小的负偏角来修光刃。刀具材料的选择应该要适合工件材料，避免在加工中使用磨损已经较为严重的刀具，这样就可以最大限度减少零件表面的粗糙度。

从工件材料方面考虑，应该首先明确工件的材料性质，一般会影响加工表面粗糙度的材料就是塑性过程和金相组织。如一些塑性大的低碳钢、低合金钢材等，应该在加工前先对材料采用正火处理来降低塑性，这样切削之后就能得到较小的粗糙度。对材料加工塑性中，由于刀具的接触可能对金属产生挤压，导致金属变形，加上刀具也会产生切屑并且与工件分离产生的撕裂作用，可能会进一步加大材料表面的粗糙程度。所以需要考虑到材料的本身韧性，金属塑性的变形状况越大，那么加工表面可能就会发生较大的形变，进而也会使得表面更加粗糙。

从切削条件方面考虑。利用高速切削的方式可以减小材料的形变情况，也可以减少积屑瘤的发生，进而来减少表面粗糙度的问题；在切削一些脆性材料的过程中，切削速度一般对于表面粗糙度不会有较大影响。通过减少进给量就可以降低残留面积高度，但是进给量也不能过小，否则会因为切削厚度过低而无法正常的开展刀具切入工作，可能会与工件材料发生强烈的摩擦，反而会增大粗糙度。所以通过高速切削塑性材料，可以减少积屑瘤（图2 为积屑瘤），通过减少进给量并使用高速切削液的方式，来提高机床加工时的稳定性，以进一步保证材料的表面质量。

图2 积屑瘤对加工质量带来的影响

3.3 改善加工方法

（1）超精密型切削加工。使用超精明切削加工一般是指的控制表面粗糙度在Ra0.04μm 以下的切削办法，而使用这种方法的关键地方在于最后一道工序中往往会需要通过切削0.1μm 的表面层，所以就需要严格控制刀具的精密度和锋利度，刀具的选择方面应该使用钝圆半径为纳米级尺寸，但是这样就会要求刀具具备较高的耐用程度，所以当前只能选择使用金刚石刀具完成。在切削时要控制走刀量在较小的范围内，保证高速切削，这样才能确保工件表面的残留面积小，提高表面质量。利用珩磨工具（细粒度油石或油条）对工件表面施加一定的压力，同时作相对旋转和往复直线运动，切削工件上极小余量精加工方法。目前广泛应用于中小批生产中孔的精加工，加工孔的范围很大，直径从几mm 到1m，长度从10mm ～20m，珩磨后的工件表面粗糙度值控制在0.025mm ～0.2mm 之间，圆度和圆柱度在0.003mm ～0.005mm 之间。

（2）利用小粗糙度的磨削加工方法。这种方法的使用，主要是为了简化一般的加工过程，使用小粗糙度的磨削一般都是需要设备精度较高，所以对于磨削用量选择就比较重要。而为了避免选择磨削用量导致的参数矛盾，如为了减小材料表面粗糙度，砂轮会选择更细一点，但是这样一来可能会加重磨削的烧伤，而为了减少工件烧伤，就需要加快转速，就可能会导致粗糙度增大，而且可能会引起切削时的振动问题。所以就需要通过分析加工中磨削用量、磨削力之间的关系，通过程序计算其中的参数组合来达到较好的参数协调，让小粗糙度磨削可以达到较好的效果。

（3）控制工艺系统的受力变形问题。加工过程中，力的作用会伴随着每个环节的切削过程，而由于力的相互作用会导致工艺系统方面不可避免的会出现形变问题，进而引起工件材料的变形，使得刀具会相对于工件的正确位置处受到较大的破坏，降低加工精度。而为了进一步降低工艺系统受力后可能导致的精度问题，可以采取以下措施：第一，通过优化设备材料来提升工艺系统的刚度；第二，加工前期应该合理的设计零件的整体结构；第三，提高材料、工具表面接触点的刚度；第四，使用辅助化支撑来降低加工中的振动；第五，需要选择适合的装夹和加工方法。

（4）控制工艺系统的受热变形问题。在加工过程中，除了要考虑力的相互作用之外，还需要考虑材料与刀具摩擦时产生的热量问题。实际的加工作业当中，材料会在受热作用下产生不同程度的变形问题，这同样会使得刀具切削时，相对于工件的正确位置可能会受到破坏，影响参数正确，降低加工精度，尤其在对于一些需要精密加工或者是加工一些大件物品时，常常会因为工艺系统方面摩擦生热导致加工误差参数会出现40%～50%的偏差。所以可以采取修正措施有：第一，通过切削液来减少热量的产生和传导，因为合适的切削液可以有效改善在加工过程中，刀具与材料零件之间的摩擦系数，有效的传导热量，降低切削时的受热温度，让器具的磨损程度可以大大降低，保证加工时的质量；第二，优化加工环境，增强加工时的散热情况，控制好温度场地；第三，要选择合适的机床零部件结构。

（5）切削参数的设置选择。在进给速度的选择方面，这类因素会直接影响到零件在加工之后表面的光滑度和精度。常用的参数设计公式为f=nzf，其中的n 代表的是主轴转速、z 为铣刀齿数、f 为每齿的进给量。影响到每齿进给量的因素很多，主要在加工的过程中要考虑到其中的刀具材料、铣刀结构、力学性能的因素。使用的材料工件本身的强度越可靠，那么需要的每齿进给量也会越小；而对于一些合金铣刀，其硬度可靠性相比于传统的钢铣刀而言就会更高；材料加工中对于精度和表明加工精细度的要求越高，进给量的设置就应该着重考虑适当的降低，为了保证在加工精度方面、零件表面粗糙度可以符合加工后的要求，需要保证一定的加工余量。在一些粗加工的过程中，余量的切除通常是使用层切的方式，在利用CAM 编程设计，就需要技术人员根据情况来考虑到刀具的具体切削深度与最大步距宽度问题，这些数据设置会直接影响到工件的成形形状。

（6）刀具的几何参数中对表面粗糙度影响最大主要是副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径，在一定的条件下，减小副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径都可以降低表面粗糙度。在同样条件下，硬质合金刀具加工的表面粗糙度值低于高速钢刀具，而金刚石、立方氮化硼刀具又优于硬质合金，但由于金刚石与铁族材料亲和力大，故不宜用来加工铁族材料。另外，刀具的前、后刀面、切削刃本身的粗糙度直接影响加工表面的粗糙度，因此，提高刀具的刃磨质量，使刀具前后刀面、切削刃的粗糙度值应低于工件的粗糙度值。

4 结语

在实际的金属材料加工过程中，零件表面质量会直接影响到其使用寿命和性能，零件的耐磨程度、抗疲劳、耐腐蚀、精度要求等因素都会受制于表面质量和加工精度，所以必须在加工过程中详细明确其中的质量加工要求，同时由于影响到零件表面质量的因素也是多种多样的，可能是机床性能、刀具、材料性能、环境等，所以只有在加工前先分析了解到零件表面加工的质量问题，才能在实际的加工切削过程中，针对性的采取应对措施来降低加工时的参数误差，提高零件表面的质量。