论机械零件的加工精度与表面粗糙度

摘要：机械产品的性能和使用寿命与组成产品的零件加工质量密切相关,零件的加工质量是保证产品质量基础,衡量零件加工质量的主要指标是加工精度和表面粗糙度。零件的表面质量是机械零件加工质量的重要内容之一,机械零件的表面质量对零件使用时的耐磨性、配合精度、疲劳强度、抗腐蚀性等有很大的影响,提高加工表面的质量,对保证零件的使用性能、提高零件及其机器的寿命具有重要的意 义。本文对机械加工表面质量进行了分析,指出了影响机械加工表面质量的因素,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。

关键词：机械零件 表面质量 机械加工 加工精度 表面粗糙度

机械零件的加工质量,除加工精度外,表面质量也是极其重要的一个方面。任何机械加工方法所获得的已加工表面都不可能达到理想状态,总会存在一定程度的微观几何形状误差、划痕、裂纹、表面金相组织变化和表面残余应力等缺陷,这些缺陷会影响零件的使用性能、寿命、可靠性。因此,机械加工既要保证零件的尺寸、形状和位置精度,又要保证机械加工表面质量。机械加工表面质量,是指零件在机械加工后被加工面的微观不平度,也叫粗糙度,产品的工作性能、可靠性、寿命在很大程度上取决于主要零件的表面质量。研究机械加工精度与表面粗糙度的关系,其目的就是为了掌握机械加工中各个工艺对加工表面质量影响的规律,以便利用这些规律来控制加工过程,最终达到改善产品质量、增强产品使用性能的目的。

1、影响机械零件质量的两个重要因素

机械零件的机加工质量包含尺寸精度和表面质量,机械零件的表面质量又包含加工表面的几何特点和表面层的物理化学性能两个方面的内容。

1.1 加工精度

加工精度是指零件经过加工后的尺寸、几何形状以及各表面的相互位置等参数的实际值与设计理想值相符合的程度,而它们之间的偏离程度就是加工误差,加工误差的大小即反映了加工精度的高低。加工精度是衡量零件加工质量的主要指标,在机械加工过程中,会有很多因素影响工件的加工质量,如何使工件的加工达到质量要求,以及如何减少各种因素对加工精度的影响,就成为加工前必须考虑的问题。为提高加工精度,要对影响机械加工精度的因素、产生加工误差的各项原始误差逐一进行分析,提高零件加工所使用机床的几何精度,提高夹具、量具及刀具本身的精度,控制工艺系统受力、受热变形、刀具磨损、测量误差等。

1.2 表面粗糙度

表面粗糙度是零件经过机械加工后表面上具有的由较小波峰和峰谷所组成的微观几何形状特点,是由机械加工中切削刀具的运动轨迹形成的。零件表面几何特点主要指其表面粗糙度、表面波度、表面加工纹理和加工的伤痕。零件表面粗糙度值的大小,直接影响到两个相互配合表面的配合质量。两个零件的配合关系有间隙配合、过渡配合和过盈配合三种。如果两个零件是间隙配合,表面粗糙度值过大,零件的就容易磨损,磨损量加大后必定使两零件的配合间隙增大,显然降低了零件的配合精度;如果两个零件是过盈配合,表面粗糙度值过大,则装配时压入配合表面上的微小波峰被强行挤平,使两零件实际配合得到的过盈量减小,降低了过盈配合表面的结合强度,从而影响到零件联接的可靠性。零件的表面粗糙度值小,则其运动摩擦系数小,动配合时零件的表面运动灵活性好,工作表面的接触刚度也高,故表面粗糙度值小能够提高零件使用的工作精度。

1.3 零件的加工精度与表面粗糙度的关系

机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数相符合的程度。理想的几何参数,对尺寸而言,就是平均尺寸;对表面几何形状而言,就是绝对的圆、圆柱、平面、锥面和直线等;对表面之间的相互位置而言,就是绝对的平行、垂直、同轴、对称等。零件实际几何参数与理想几何参数的偏离数值称为加工误差。加工误差的大小反映了加工精度的高低,误差越大加工精度越低,误差越小加工精度越高。而零件的表面质量是机械加工质量的重要组成部分,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。经机械加工后的零件表面并非理想的光滑表面,它存在着不同程度的粗糙波纹、冷硬、裂纹等表面缺陷,表面粗糙度是微观几何参数的误差。零件的加工精度与表面粗糙度的关系一般是加工精度要求高,就必须采用一系列高精度的加工方法,而经过高精度的加工后零件表面粗糙度一定低;反之,表面粗糙度低,零件必须采用一系列降低表面粗糙度的加工方法,而低表面粗糙度的加工方法则不一定是高精度的加工方法。要保证被加工零件的精度和表面粗糙度,机床自身必须具备一定的几何精度、运动精度、传动精度和动态精度。

2、机加工影响表面粗糙度的因素

表面粗糙度是构成加工表面几何特征的基本单元,影响表面粗糙度的因素可以分为三类:第一类,与切削刀具及切削用量有关;第二类,与工件材质有关;第三类,与加工条件有关。用金属切削刀具加工工件表面时,表面粗糙度主要受机械加工工艺因素、几何因素和物理因素三个方面的作用和影响。

2.1 工艺因素

切削加工从工艺的角度考虑其对工件表面粗糙度的影响,主要有与切削刀具有关的因素、与工件材质有关的因素和与加工条件有关因素等。切削用量与刀具或工件转速、吃刀深度和进给量有关,切削加工时减小进给量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径,均可减小残留面积的高度。至于工件材料的性质,韧性愈好,金属的塑性变形愈大,加工表面就愈粗糙。加工脆性材料时,其切屑呈碎粒状,由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点,使表面粗糙。

2.2 几何因素

从几何的角度考虑,车工刀具的形状和几何角度,特别是刀尖圆弧半径、主偏角、副偏角和切削用量中的进给量等对表面粗糙度有较大的影响。几何因素所产生的表面粗糙度主要决定于残留面积高度。

2.3 物理因素

从切削过程的物理实质考虑,刀具的刃口圆角及后面的挤压与摩擦使金属材料发生塑性变形,严重恶化了表面粗糙度。在加工塑性材料而形成带状切屑时,在前刀面上容易形成硬度很高的积屑瘤。它可以代替前刀面和切削刃进行切削,使刀具的几何角度、背吃刀量发生变化。

3、重加工精度轻表面粗糙度的危害

随着工业技术的飞速发展,机器的使用要求越来越高,一些重要零件表面层的任何缺陷,不仅直接影响零件的工作性能,而且还可能引起应力集中、加速零件的失效,这一切都与加工表面质量有很大关系。机械零件的破坏,一般总是从表面层开始的。产品的性能,尤其是它的可靠性和耐久性,在很大程度上取决于零件表面层的质量。零件的磨损、腐蚀和疲劳损坏都是发生在零件的表面,或是从零件表面开始的。零件的表面粗糙度直接影响到零件的工作性能,尤其是它的可靠性和寿命。因此,必须改变传统上重加工精度轻表面粗糙度的观念。当前机械技工的教学存在重加工精度轻粗糙度的现象,大多数技工院校机械类专业实训教学都沿用原技工学校教材,该教材特别强调基本技能的训练,实训教学重视加工精度的内容而忽视表面粗糙度的要求。大多数学生未能准确评定机械加工零件的表面粗糙度等级,由此培养的技工人才往往忽视零件表面质量缺陷对产品质量的危害。在机械加工中,零件的加工表面产生微观不平、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,从而进一步影响机械的使用性能和使用寿命。

3.1 零件表面质量对耐磨性的影响

零件的耐磨性不仅与材料、润滑条件有关,而且还与零件的表面质量有关。当两个表面接触时,开始时接触表面实际上是一些凸峰顶部接触,实际接触面积是理论接触面积的一小部分。在外力的作用下,凸峰接触部分将产生很大的压强,当零件作相对运动时,接触处的部分凸峰就会产生塑性变形被磨掉。实验证明,表面越粗糙,凸峰处压力越大,磨损加快;表面粗糙度值小,零件接触面积大,耐磨性就好;表面粗糙度与初期磨损量之间存在一个最佳值。

3.2 表面质量对零件疲劳强度的影响

在交变载荷作用下,零件表面微观不平、划痕等都会引起应力集中而产生疲劳裂纹造成零件的疲劳破坏。实验表明,对于承受交变载荷的零件,减小其容易产生应力集中部位（如圆角、沟槽处）的表面粗糙度,可以明显提高零件的疲劳强度。另外,当表面层残余应力为拉应力时,在拉力作用下,会使表面的裂纹扩大而降低疲劳强度;而残余压应力则可以延缓疲劳裂纹扩展,提高零件疲劳强度。

3.3 零件表面质量对配合性质的影响

对于间隙配合,如果表面太粗糙,会使配合表面很快磨损而增大配合间隙,降低配合精度,特别对于液压系统、气压系统的元件,会使泄露量增大,造成机器不能正常工作;对于过盈配合而言,如果表面粗糙度值过大,装配时配合表面的波峰会被挤平,减小了实际过盈量,降低了配合件的连接强度,从而影响了配合的可靠性。

3.4 表面质量对零件抗腐蚀性能的影响

当零件在有腐蚀性介质的环境下工作时,腐蚀性介质容易吸附和积聚在粗糙表面的谷处,并通过微细裂纹向内渗透。实践证明,表面粗糙度越高,零件的腐蚀作用越强烈。此外,表面残余应力对零件的耐腐蚀性也有较大的影响。

4、提高机械零件表面质量的措施

通过前面的分析掌握了影响表面粗糙度的因素之后,我们必须根据需要降低加工表面的粗糙度,改善机械加工的表面质量。提高加工表面质量的措施主要有:

4.1 降低切削加工表面粗糙度

(1)车工刀具方面:增大刀尖圆弧半径,减小主偏角及副偏角;使用长度比进给量稍大一些的修光刃;提高刀具刃磨质量,减小刀具前、后到面的粗糙值（抛光至Ra1.25μm以下）;采用较大的前角加工塑性大的材料;限制副刀刃上的磨损量;选用细粒的硬质合金切削工具钢,用金刚石或矿物陶瓷刀具加工有色金属,高速钢刀具采用TiN涂层等。

(2)工件方面:切削低碳钢、低合金钢时,对工件进行调质处理;加工中碳钢及中碳合金钢时,若采用较高切削速度,工件应为珠光体组织,若采用较低切削速度,工件应为片状珠光体加细晶粒的铁素体组织;易切削钢中应含有硫、铅等元素;灰铸铁中石墨的颗粒尺寸应小。

(3)切削条件方面:以较高的切削速度切削塑性材料,减小进给量;采用高效切削液;提高机床运动精度,增强工艺系统刚度等。

4.2 选取合理的加工方法

主要是采用精密、超精密和光整加工。选用较小的径向进给量,选用较大的砂轮速度和较小的轴向进给速度,工件速度应该低些,采用细粒度砂轮;精细修整砂轮工作表面,使砂轮上磨粒锋利,也可达到较好的磨削效果,选择适宜的磨削液能获得低粗糙度表面。

4.3 减少加工表面层变形强化和残余应力可提高加工表面质量

合理选择刀具的几何形状,采用较大的前角和后角,并在刃磨时尽量减小其切削刃刃口半径;使用刀具时,应合理限制其后刀面的磨损宽度;合理选择切削用量,采用较高的切削速度和较小的进给量;加工时采用有效的切削液等,可减少加工表面层变形强化和残余应力,从而可提高加工表面质量。

5、结语

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, 因此应该综合考虑各方面的因素, 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性能、可靠性和使用寿命。

参考文献

[1]陈彦华.机械加工表面质量的影响因素[J].中国新技术新产品,2009.

[2]李凯云.机械加工表面质量对机器使用性能的影响[J].汽车运用,2008.

[3]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.

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