〔摘要〕機(jī)械產(chǎn)品的使用性能的提高和使用壽命的增加與組成產(chǎn)品的零件加工質(zhì)量密切相關(guān)，零件的加工質(zhì)量是保證產(chǎn)品質(zhì)量基礎(chǔ)。衡量零件加工質(zhì)量好壞的主要指標(biāo)有：加工精度和表面粗糙度。本文主要通過(guò)對(duì)零件表面粗糙度、零件表面層的物理力學(xué)性能（加工硬化、殘余應(yīng)力、金相組織的變化與磨削燒傷）等因素的分析和研究，來(lái)提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的工藝措施。
　　〔關(guān)鍵詞〕表面質(zhì)量；工藝因素；機(jī)械加工；控制措施
　　隨著現(xiàn)代機(jī)器制造工業(yè)的飛速發(fā)展，一些重要的零件必須在高速、高溫、高壓和重載的條件下工作，對(duì)其表面質(zhì)量提出更高的要求。但是，任何機(jī)械加工方法所獲得的已加工表面都不可能達(dá)到理想狀態(tài)，總會(huì)存在一定程度的微觀幾何形狀誤差、劃痕、裂紋、表面金相組織變化和表面殘余應(yīng)力等缺陷，這些缺陷會(huì)影響零件的使用性能、壽命、可靠性。因此，機(jī)械加工既要保證零件的尺寸、形狀和位置精度，又要保證機(jī)械加工表面質(zhì)量。
　　1 機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響
　　在機(jī)械加工中，零件的加工表面產(chǎn)生微觀不平、殘余應(yīng)力等各種缺陷，雖然僅存于零件極薄的表面層中，卻嚴(yán)重影響著機(jī)械零件的精度、耐磨性、配合性、抗腐蝕性和疲勞強(qiáng)度等，從而進(jìn)一步影響機(jī)械的使用性能和使用壽命。
　　1.1表面質(zhì)量對(duì)耐磨性的影響
　　零件的耐磨性不僅與材料、潤(rùn)滑條件有關(guān)，而且還與零件的表面質(zhì)量有關(guān)。當(dāng)兩個(gè)表面接觸時(shí)，開(kāi)始時(shí)接觸表面實(shí)際上是一些凸峰頂部接觸，實(shí)際接觸面積是理論接觸面積的一小部分。在外力的作用下，凸峰接觸部分將產(chǎn)生很大的壓強(qiáng)，當(dāng)零件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸處的部分凸峰就會(huì)產(chǎn)生塑性變形被磨掉。實(shí)驗(yàn)證明，表面越粗糙，凸峰處壓力越大，磨損加快；表面粗糙度值小，零件接觸面積大，耐磨性就好。若表面粗糙度值過(guò)小，將使緊密接觸的兩個(gè)光滑表面間的貯油能力變差，潤(rùn)滑條件惡化，變成干摩擦，加劇磨損。所以，并不是表面粗糙度值越小越耐磨，表面粗糙度與初期磨損量之間存在一個(gè)最佳值。
　　1.2表面質(zhì)量對(duì)零件抗腐蝕性能的影響
　　當(dāng)零件在有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境下工作時(shí)，腐蝕性介質(zhì)容易吸附和積聚在粗糙表面的谷處，并通過(guò)微細(xì)裂紋向內(nèi)滲透。實(shí)踐證明，表面粗糙度越高，零件的腐蝕作用越強(qiáng)烈。此外，表面殘余應(yīng)力對(duì)零件的耐腐蝕性也有較大的影響。殘余壓應(yīng)力使零件表面緊密，阻礙腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入，可增強(qiáng)零件耐腐蝕性；而殘余拉應(yīng)力則可降低耐腐蝕性。因此，減小零件表面粗糙度、使表面具有適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力和加工硬化，均可提高抗腐蝕性能。
　　1.3表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響
　　在交變載荷作用下，零件表面微觀不平、劃痕等都會(huì)引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生疲勞裂紋造成零件的疲勞破壞。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于承受交變載荷的零件，減小其容易產(chǎn)生應(yīng)力集中部位（如圓角、溝槽處）的表面粗糙度，可以明顯提高零件的疲勞強(qiáng)度。另外，當(dāng)表面層殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，在拉力作用下，會(huì)使表面的裂紋擴(kuò)大而降低疲勞強(qiáng)度；而殘余壓應(yīng)力則可以延緩疲勞裂紋擴(kuò)展，提高零件疲勞強(qiáng)度。表面層的加工硬化能阻礙疲勞裂紋的出現(xiàn)，但硬化程度過(guò)大反而會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。
　　1.4表面質(zhì)量對(duì)配合性質(zhì)的影響
　　對(duì)于間隙配合，如果表面太粗糙，會(huì)使配合表面很快磨損而增大配合間隙，降低配合精度，特別對(duì)于液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)的元件，會(huì)使泄露量增大，造成機(jī)器不能正常工作；對(duì)于過(guò)盈配合而言，如果表面粗糙度值過(guò)大，裝配時(shí)配合表面的波峰會(huì)被擠平，減小了實(shí)際過(guò)盈量，降低了配合件的連接強(qiáng)度，從而影響了配合的可靠性。因此，有配合要求的表面一般都要求有適當(dāng)小的表面粗糙度，配合要求越高，要求配合的表面粗糙度值越小。
　　2 影響加工表面粗糙度的工藝因素及控制措施
　　2.1切削加工
　　影響表面粗糙度的主要工藝因素
　　（1） 刀具的幾何參數(shù)、材料和刃磨質(zhì)量
　　刀具的幾何參數(shù)中對(duì)表面粗糙度影響最大主要是副偏角、主偏角、刀尖圓弧半徑。在一定的條件下，減小副偏角、主偏角、刀尖圓弧半徑都可以降低表面粗糙度。在同樣條件下，硬質(zhì)合金刀具加工的表面粗糙度值低于高速鋼刀具，而金剛石、立方氮化硼刀具又優(yōu)于硬質(zhì)合金，但由于金剛石與鐵族材料親和力大，故不宜用來(lái)加工鐵族材料。另外，刀具的前、后刀面、切削刃本身的粗糙度直接影響加工表面的粗糙度，因此，提高刀具的刃磨質(zhì)量，使刀具前后刀面、切削刃的粗糙度值應(yīng)低于工件的粗糙度值。
　　(2)切削條件
　　與切削條件有關(guān)的工藝因素，包括切削用量、冷卻潤(rùn)滑情況。中、低速加工塑性材料時(shí)，容易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，所以，提高切削速度，減少積屑瘤和鱗刺，減小零件已加工表面粗糙度值；對(duì)于脆性材料，一般不會(huì)形成積屑瘤和鱗刺，所以，切削速度對(duì)表面粗糙度基本上無(wú)影響。進(jìn)給速度增大，塑性變形也增大，表面粗糙度值增大，所以，減小進(jìn)給速度可以減小表面粗糙度值，但是，進(jìn)給量減小到一定值時(shí)，粗糙度值不會(huì)明顯下降。正常切削條件下，切削深度對(duì)表面粗糙度影響不大，因此，機(jī)械加工時(shí)不能選用過(guò)小的切削深度。
　　合理選用切削液，對(duì)工件起到冷卻、潤(rùn)滑作用，減少被加工材料的變形和摩擦，降低切削區(qū)溫度，抑制積屑瘤和鱗刺的生成，是減少表面粗糙度值有效途徑。
　　(3) 工藝系統(tǒng)的精度和剛度
　　要想獲得很小表面粗糙度，要求工藝系統(tǒng)具有足夠的運(yùn)動(dòng)精度和剛度。
　　2.2磨削加工
　　影響磨削加工表面粗糙度的工藝因素
　　(1) 砂輪
　　1） 粒度磨粒越細(xì)，單位面積上的磨粒數(shù)越多，刻劃溝痕越細(xì)密，表面粗糙度越小。但磨粒過(guò)細(xì)，砂輪易堵塞，磨削性能下降，磨削力和磨削溫度下降，反而增大表面粗糙度，甚至出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。
　　2） 硬度砂輪的硬度要適中，太軟，磨粒易脫落，使粗糙度增加；太硬，磨鈍了的磨粒又不易脫落，堵塞砂輪，增加工件材料的塑性變形，也會(huì)使工件表面變粗糙。
　　3） 砂輪修整砂輪磨鈍后必須進(jìn)行認(rèn)真修整，目的是使砂輪具有正確的幾何形狀和銳利刀刃。砂輪修整的質(zhì)量越好，砂輪的表面磨粒的等高性越好，磨削出表面粗糙度值越小。
　　（2）磨削用量
　　1）砂輪轉(zhuǎn)速提高砂輪轉(zhuǎn)速，可以減小表面粗糙度。
　　2）工件轉(zhuǎn)速增大工件轉(zhuǎn)速，塑性變形增加，表面粗糙度值也增加。
　　3）工件材料若工件的材料硬度太高，磨粒易磨鈍，不易提高表面質(zhì)量；若工件材料的塑性、韌性較大，變形大，易堵塞砂輪，也得不到較小表面粗糙度值。
　　2.3減小機(jī)械加工表面粗糙度的加工方法
　　（1）超精密切削
　　超精密切削是指加工精度高于亞微米（0.1um）級(jí)，表面粗糙度值Ra在0.025um以下的切削加工方法。單晶金剛石車(chē)刀是目前應(yīng)用最廣泛的超精密切削刀具材料，常用來(lái)加工銅、鋁或其它有色金屬材料，獲得超精密表面。
　　（2）超精加工
　　超精加工是一種由切削過(guò)程過(guò)渡到摩擦拋光過(guò)程的加工方法，能獲得較高加工表面粗糙度（Ra=0.01~0.1um）。目前，超精加工廣泛用于曲軸、凸輪軸、刀具、軸承、精密量?jī)x及電子儀器等精密零件。
　　（3）珩磨
　　珩磨是利用珩磨工具（細(xì)粒度油石或油條）對(duì)工件表面施加一定的壓力，同時(shí)作相對(duì)旋轉(zhuǎn)和往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，切削工件上極小余量精加工方法。目前廣泛應(yīng)用于中小批生產(chǎn)中孔的精加工，加工孔的范圍很大，直徑從幾毫米到1米，長(zhǎng)度從10毫米到20米，珩磨后的工件表面粗糙度值控制在0.025~0.2mm之間，圓度和圓柱度在0.003~0.005mm之間。
　　(4)研磨
　　研磨是用研磨工具（研棒或研套）和研磨劑從工件表面上研去一層極薄金屬的精加工方法，能獲得很高表面質(zhì)量和加工精度。研磨后的工件尺寸和形狀誤差可達(dá)0.1~0.3mm,表面粗糙度Ra可以達(dá)到0.01~0.04mm。
　　(5)拋光
　　拋光加工是用涂敷有拋光膏的布輪、皮輪等軟性工具，利用機(jī)械、化學(xué)或電化學(xué)作用去除工件表面微觀不平處的峰頂，以獲得光亮、平整表面的加工方法。拋光加工多用于要求很低表面粗糙度、尺寸精度要求不太嚴(yán)格的場(chǎng)合。
　　3 影響零件表面層物理力學(xué)性能的工藝因素及控制措施
　　機(jī)械加工過(guò)程中，在切削力和切削熱的作用下，工件表面一定深度內(nèi)的表面層材料沿徑向產(chǎn)生剪切滑移，晶格扭曲，晶粒拉長(zhǎng)并纖維化，金相組織發(fā)生變化，導(dǎo)致材料物理、機(jī)械性能不同于基體材料，形成變質(zhì)層（加工硬化、殘余應(yīng)力、金相組織變化等），從而影響零件表面質(zhì)量。
　　3.1表面層的加工硬化
　　表面層的加工硬化程度取決于產(chǎn)生塑性變形時(shí)力、變形速度和變形溫度。試驗(yàn)證明，力越大，塑性變形就越大，產(chǎn)生的加工硬化也越大；變形速度越大，塑性變形就越不充分，產(chǎn)生硬化程度相應(yīng)減小；變形溫度高，則硬化程度減小。因此，提高切削速度、減小進(jìn)給量和背吃刀量，都可以減小切削變形和切削力，減輕加工硬化；增大刀具前角和后角、減小刃口鈍圓半徑，提高刀具的鋒利性，可以減小擠壓變形和切削力，從而減輕加工硬化；另外，合理
　　用切削液、減小刀具后刀面與加工表面間摩擦,同樣降低加工硬化程度。各種機(jī)械加工方法加工鋼件時(shí)表層加工硬化情況如表1。
　　           表1各種機(jī)械加工方法加工鋼件時(shí)表層加工硬化情況
　          　　
　　3.2表面殘余應(yīng)力
　　機(jī)械加工后，工件表面層的殘余應(yīng)力是冷態(tài)塑性變形、熱態(tài)塑性變形和金相組織變化三者綜合作用結(jié)果。切削加工時(shí)主要由冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力，磨削加工時(shí)主要是熱態(tài)塑性變形和金相組織變化引起體積變化而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。總之，凡能減小塑性變形和降低切削或磨削溫度的因素，都可以減少零件表層殘余應(yīng)力。
　　3.3表面層的金相組織變化——磨削燒傷
　　機(jī)械加工中，因變形和摩擦所消耗的能量大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鳠幔��?dāng)切削區(qū)溫度達(dá)到臨界點(diǎn)（727℃）時(shí)，表層金屬會(huì)發(fā)生金相組織變化。只有磨削加工，由于磨削速度高，磨削厚度小，磨粒負(fù)前角切削等原因，產(chǎn)生的熱量比切削加工大得多，磨削區(qū)溫度很高（工件表面層溫度達(dá)900℃以上），容易引起金相組織變化，導(dǎo)致強(qiáng)度和硬度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，出現(xiàn)微觀裂紋，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象。
　　影響磨削燒傷的因素：
　　（1）磨削用量當(dāng)磨削深度增大時(shí)，工件表層的溫度則明顯增加，易引起燒傷或加劇燒傷，故磨削深度不能太大；同時(shí)提高工件轉(zhuǎn)速和砂輪轉(zhuǎn)速，既可以減輕工件表面的燒傷，又可以提高生產(chǎn)率；增大工件的縱向進(jìn)給速度，磨削區(qū)表面溫度降低，燒傷減小，為了彌補(bǔ)縱向進(jìn)給速度增大而導(dǎo)致表面粗糙度值增大，可采用較寬砂輪進(jìn)行磨削加工。
　　（2）砂輪特性為了降低磨削區(qū)溫度，減輕燒傷，應(yīng)采用硬度較軟、組織疏松、粗粒度及結(jié)合劑彈性好的砂輪。
　　（3）冷卻方法采用切削液能有效地降低切削區(qū)溫度，可以避免燒傷。目前，通用的冷卻方法效果較差，實(shí)際上沒(méi)有多少切削液進(jìn)入磨削區(qū)，比較最有效的冷卻方法有內(nèi)冷卻、高壓大流量冷卻法、噴霧冷卻潤(rùn)滑法和浸油砂輪等。
　　4結(jié)束語(yǔ)
　　只有了解和掌握影響機(jī)械加工表面質(zhì)量的因素，才能在生產(chǎn)實(shí)踐中，采取相應(yīng)的工藝措施，減少零件因表面質(zhì)量缺陷而引起的加工質(zhì)量問(wèn)題，從而提高機(jī)械產(chǎn)品的使用性能、壽命和可靠性。
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