机械加工表面质量的影响要素及控制策略
机械加工表面对机器零件的使用性能及精度的稳定性等有很大的影响，对机器零件的重要表面应提出一定的表面质量要求，下面是小编搜集整理的机械加工表面质量的影响要素及控制策略的论文范文，供大家阅读查看。
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。加工表面质量，是指机器零件在加工后的表面层状态.一台机器在正常的使用过程中，由于其零件的工作性能逐渐变坏，以致不能继续使用，有时甚至会突然损坏，其原因除少数是因为设计不周而强度不够，或偶然事故引起了超负荷以外，大多数是由于磨损或受到外界介质的腐蚀以及疲劳损坏。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。因此，加工表面质量将直接影响到零件的工作性能，尤其是它的可靠性和寿命.随着工业技术的飞速发展，对机器使用的要求越来越高，一些重要零件在高压、高速、高温等高要求条件下工作，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和应力腐蚀等现象，将进一步加速零件的失效.这一切，都与加工表面质量有很大关系，因而表面质量问题越来越受到各方面的重视。
1、表面质量的含义
任何机械加工所得的表面，实际上不可能是理想的光滑表面，总是存在一定的微观几何形状误差.另外，表面材料在加工时受切削力、切削热的影响，也会使原有的物理-机械性能发生变化。因此，加工表面质量应包括：
(1)加工表面粗糙度。是指加工表面的较小间距和微小峰谷的微观几何形状误差。它主要是由于切削加工过程中的刀痕、切削分离时的塑性变形、刀具与被加工表面的摩擦、工艺系统的高频振动等原因造成的。
(2)表面层的物理---机械性能变化。表面层的材料在加工时，物理-机械性能变化主要有以下三个方面的内容：
1)表面层的冷作硬化。工件在机械加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变化，使表层的强度和硬度都有所提高，这种现象称表面冷作硬化.
2)表面层残余应力.在切削加工过程中，由于切削变形和切削热的影响，在加工表面会产生残余应力，如果残余应力超过材料的屈服强度，就会产生表面裂纹，表面的微观裂纹将给零件带来严重的隐患。
3)表面层金相组织的变化。工件表面经磨削精加工时，磨削产生的高温，一般可达800~1000 ℃，高的磨削温度会烧坏工作表面，使淬火钢件表面退火，引起表层金属发生相变,将大大降低表面层的物理-机械性能。
2、机械加工表面质量对机器使用性能的影响
2.1 对耐磨性的影响
一个刚加工好的两个接触表面之间，最初阶段只在表面粗糙的峰部接触，实际接触面积远小于理论接触面积，在相互接触的峰部有非常大的单位应力，使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏，引起严重磨损。零件磨损一般可分为三个阶段：初期磨损阶段;正常磨损阶段;剧烈磨损阶段。
(1)表面粗糙度对零件表面磨损的影响。一般来说，表面粗糙度值愈小，其耐磨损性愈好.但表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。因此，接触面的粗糙度有一个最佳值，其值与零件的工作情况有关，工作载荷加大时，初期磨损量增大，表面粗糙度最佳值也加大。
(2)表面冷作硬化对耐磨性的影响。加工表面的冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降.
2.2 对疲劳强度的影响
金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏，往往发生在零件表面和表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响很大.
(1)表面粗糙度对疲劳强度的影响.在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹.表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏的能力就愈差。
(2)残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响。表面层残余拉应力，将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏;而表面层残余压应力，能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生;表面冷硬化一般伴有残余压应力的产生，可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利。
2.3对耐蚀性的影响
零件的耐蚀性，在很大程度上取决于表面粗糙度.表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多，抗蚀性就愈差;表面层的残余拉应力，会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。
2.4 对配合质量的影响
表面粗糙度值的大小，将影响配合表面的配合质量.对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质;对于过盈配合,装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度.
3、影响表面粗糙度的因素
(1)切削加工影响表面粗糙度的因素。在加工表面留下了切削层残留面积，其形状是刀具几何形状的复映.减小进给量 vf、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.此外，适当增大刀具的前角，以减小切削时的塑性变形的程度，合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量，以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小表面粗糙度值的有效措施。
(2)工件材料的性质。加工塑性材料时，由于刀具对金属的挤压，产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大.工件材料韧性愈好，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，使表面粗糙度增大.
(3)磨削加工影响表面粗糙度的因素。如同切削加工时表面粗糙度的形成过程一样，磨削加工表面粗糙度的形成，也是由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。影响磨削表面粗糙的主要因素有：
1)砂轮的粒度与硬度。砂轮硬度应适当，应使磨粒钝后会及时脱落，露出新的磨粒来继续切削，即具有良好的“自砺性”.砂轮的粒度愈细，即单位面积上的磨粒数愈多，则加工表面的刻痕愈细密，表面粗糙度愈低。但若粒度过细，则容易堵塞砂轮，而使工件表面塑性变形增加，从而影响表面粗糙度的降低。
2)砂轮的修整。砂轮应及时修整，以去除已钝化的磨粒，保证砂轮具有微刃性和等高性。用金刚石修整砂轮相当于在砂轮上“车削”外圆，纵向和横向的进给量愈小，修整出来的砂轮表面的微刃性和等高性就愈好，磨出工件表面的粗糙度也愈低.
3)磨削速度、径向进给量、光磨次数、工件圆周进给速度与轴向进给量.减小磨削用量和提高砂轮速度，可以增加工件单位面积上的刻痕数，同时可降低因塑性变形造成的表面粗糙度。因为在高速磨削下，磨削表面来不及塑性变形，因而提高砂轮速度有利于降低表面粗糙度。增大磨削深度和提高工件速度会使塑性变形加剧，从而增高粗糙度。为了提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的磨削深度，而在磨削后期采用小的磨削深度，或进行无进给磨削(光磨),以降低工件表面粗糙度。
4)切削液.切削液对加工过程起冷却和润滑作用，能降低切削区的温度，减少刀刃与工件的摩擦，从而减少切削过程的1大作用.
5)工件材质。工件材料的硬度、塑性、韧性和导热性能等，对表面粗糙度有显着的影响。工件材料太硬时，磨粒易钝化;太软时，砂轮易堵塞;韧性大和导热性能差的材料，使磨粒早期崩落，而破坏了微刃的等高性，因而均使表面粗糙度增高.
4、影响加工表面层物理机械性能的因素
在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化,最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热，比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述3 项物理机械性能的变化会很大。
4.1 冷作硬化及其评定参数
(1)金属的冷作硬化。在机械加工过程中，因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化(或称为强化)。表面层金属强化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化.被冷作硬化的金属，处于高能位的不稳定状态，只要一有可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化.弱化作用的大小，取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。由于金属在机械加工过程中同时受到力和热的作用，因此加工后表层金属的最后性质，取决于强化和弱化综合作用的结果。评定冷作硬化的指标有 3 项：即表层金属的显微硬度 HV、硬化层深度 h 和硬化程度 N.
(2)影响冷作硬化的主要因素。切削刃钝圆半径增大，对表层金属的挤压作用增强,塑性变形加剧，导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，导致冷硬增强。切削刃钝圆半径对加工硬化的影响切削速度增大，刀具与工件的作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减小，冷硬层深度减小。切削速度增大后，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了，将使冷硬程度增加。进给量增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬作用加强。工件材料的'塑性愈大，冷硬现象就愈严重.
4.2表面层材料金相组织的变化
(1)磨削烧伤。当被磨工件表面层的温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度和硬度降低,并伴有残余应力产生，甚至出现微观裂纹,这种现象称为磨削烧伤。在磨削淬火钢时，可能产生 3 种烧伤。回火烧伤。如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的转变温度，工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织(索氏体或托氏体),这种烧伤称为回火烧伤.淬火烧伤.如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属发生二次淬火，使表层金属出现二次淬火马氏体组织，其硬度比原来的回火马氏体的高，在它的下层，因冷却较慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织(索氏体或托氏体)，这种烧伤称为淬火烧伤。
退火烧伤.如果削区温度超过了相变温度，而磨削区域又无冷却液进入，表层金属将产生退火组织，表面硬度将急剧下降，这种烧伤称为退火烧伤。
磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤有两个途径：一是正确选择砂轮，合理选择切削用量，尽可能地减少磨削热的产生;二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件.
(2)表面层残余应力。产生的原因是：加工时在切削力作用下，已加工表面层受拉应力作用，产生伸长塑性变形，表面积趋向增大，此时里层处于弹性变形状态下。当切削力去除后，里层金属趋向复原，但受到已产生塑性变形的表面层的限制，恢复不到原状，因而在表面层产生残余压应力，里层则为拉应力与之相平衡.
(3)热塑性变形的影响。表面层在切削热的作用下产生热膨胀，此时基体温度较低，因此表面层热膨胀受基体的限制产生热压缩应力.当表面层的温度超过材料的弹性变形范围时，就会产生热塑性变形(在压应力作用下材料相对缩短)。当切削过程结束，温度下降至与基体温度一致时，因为表面层已产生热塑性变形，但受到基体的限制产生了残余拉应力，里层则产生了压应力。
(4)金相组织变化的影响。切削时产生的高温，会引起表面层的相变.由于不同的金相组织有不同的密度，表面层金相变化的结果造成了体积的变化。表面层体积膨胀时，因受到基体的限制，产生了压应力。反之，表面层体积缩小，则产生拉应力。各种金相组织大马氏体比重最小，奥氏体比重最大，磨削淬火钢时若表面层产生回火现象，马氏体转化成索氏体或屈氏体(这两种组织均为扩散度很高的珠光体)，因体积缩小，表面层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。若表面层产生二次淬火现象，则表面层产生二次淬火马氏体，其体积比里层的回火组织大，因而表层产生压应力，里层产生拉应力。
(5)零件主要工作表面最终工序加工方法的选择。选择零件主要工作表面最终工序加工方法，须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式.在交变载荷作用下，机器零件表面上的局部微观裂纹,会因拉应力的作用使原生裂纹扩大，最后导致零件断裂.从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，该表面最终工序应选择能在该表面产生残余压应力的加工方法。
(6)磨削裂纹的产生及防止.当表面层的残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就会产生裂纹，有的磨削裂纹也可能不在工件的外表面，而是在表面层下成为肉眼难以发现的缺陷.裂纹的方向常与磨削方向垂直或成网状，裂纹的产生常与烧伤同时出现。磨削裂纹的产生与材料及热处理工序有很大的关系，磨削硬质合金时，由于其脆性大，抗拉强度低以及导热性差，所以特别容易产生裂纹.磨削含碳量高的淬火钢时，由于其晶界脆弱,也容易产生磨削裂纹。工件在淬火后如果存在残余应力，则即使在正常的磨削条件下也可能会出现裂纹.渗碳、渗氮时如果工艺不当，就会在表面层晶界面上析出脆性的碳化物、氮化物。当磨削时，在热应力作用下就容易沿着这些组织发生脆性破坏，而出现网状裂纹.由于磨削热是产生残余拉应力的根本原因，因此防止产生裂纹的途径，也在于降低磨削热以及改善其散热条件，前面所述的减轻表面热损伤的措施，均有利于避免产生表面残余拉应力和裂纹。在磨削工序前后进行去除内应力的低温回火处理，亦能有效地减小表面层的拉应力，防止产生磨削裂纹。
5、结束语
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，对表面质量根据需要提出比较经济适用性的要求.
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