机械加工表面质量对零件使用性能的影响及提高机械加工工件表面质量的措施

【摘 要】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。

【关键词】机械加工；零件；表面质量

一、表面质量对零件耐磨性的影响

零件的耐磨性是零件的一项重要性能指标，当摩擦副的材料、润滑条件和加工精度确定之后，零件的表面质量对耐磨性将起着关键性的作用。由于零件表面存在着表面粗糙度，当两个零件的表面开始接触时，接触部分集中在其波峰的顶部，因此实际接触面积远远小于名义接触面积，并且表面粗糙度越大，实际接触面积越小。在外力作用下，波峰接触部分将产生很大的压应力。当两个零件作相对运动时，开始阶段由于接触面积小、压应力大，在接触处的波峰会产生较大的弹性变形、塑性变形及剪切变形，波峰很快被磨平，即使有润滑油存在，也会因为接触点处压应力过大，油膜被破坏而形成干摩擦，导致零件接触表面的磨损加剧。当然，并非表面粗糙度越小越好，如果表面粗糙度过小，接触表面间储存润滑油的能力变差，接触表面容易发生分子胶合、咬焊，同样也会造成磨损加剧。

表面层的冷作硬化可使表面层的硬度提高，增强表面层的接触刚度，从而降低接触处的弹性、塑性变形，使耐磨性有所提高。但如果硬化程度过大，表面层金属组织会变脆，出现微观裂纹，甚至会使金属表面组织剥落而加剧零件的磨损。

二、表面质量对零件疲劳强度的影响

表面粗糙度对承受交变载荷的零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度波谷处容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。并且表面粗糙度越大，表面划痕越深，其抗疲劳破坏能力越差。

表面层残余压应力对零件的疲劳强度影响也很大。当表面层存在残余压应力时，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，提高零件的疲劳强度；当表面层存在残余拉应力时，零件则容易引起晶间破坏，产生表面裂纹而降低其疲劳强度。

表面层的加工硬化对零件的疲劳强度也有影响。适度的加工硬化能阻止已有裂纹的扩展和新裂纹的产生，提高零件的疲劳强度；但加工硬化过于严重会使零件表面组织变脆，容易出现裂纹，从而使疲劳强度降低。

三、表面质量对零件耐腐蚀性能的影响

表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响很大。零件表面粗糙度越大，在波谷处越容易积聚腐蚀性介质而使零件发生化学腐蚀和电化学腐蚀。

表面层残余压应力对零件的耐腐蚀性能也有影响。残余压应力使表面组织致密，腐蚀性介质不易侵入，有助于提高表面的耐腐蚀能力；残余拉应力的对零件耐腐蚀性能的影响则相反。

四、表面质量对零件间配合性质的影响

相配零件间的配合性质是由过盈量或间隙量来决定的。在间隙配合中，如果零件配合表面的粗糙度大，则由于磨损迅速使得配合间隙增大，从而降低了配合质量，影响了配合的稳定性；在过盈配合中，如果表面粗糙度大，则装配时表面波峰被挤平，使得实际有效过盈量减少，降低了配合件的联接强度，影响了配合的可靠性。因此，对有配合要求的表面应规定较小的表面粗糙度值。

在过盈配合中，如果表面硬化严重，将可能造成表面层金属与内部金属脱落的现象，从而破坏配合性质和配合精度。表面层残余应力会引起零件变形，使零件的形状、尺寸发生改变，因此它也将影响配合性質和配合精度。

五、表面质量对零件其他性能的影响

如对间隙密封的液压缸、滑阀来说，减小表面粗糙度Ra可以减少泄漏、提高密封性能；较小的表面粗糙度可使零件具有较高的接触刚度；对于滑动零件，减小表面粗糙度Ra能使摩擦系数降低、运动灵活性增高，减少发热和功率损失；表面层的残余应力会使零件在使用过程中继续变形，失去原有的精度，机器工作性能恶化等。

总之，提高加工表面质量，对于保证零件的使用性能、提高零件的使用寿命是十分重要的。

六、提高机械加工工件表面质量的措施

（1）制订科学合理的工艺规程是保证工件表面质量的基础。科学合理的工艺规程是加工工件的方法依据。只有制订了科学合理的工艺规程，才能为加工工件表面质量满足要求提供科学合理的方法依据，使加工工件表面质量满足要求成为可能。对科学合理的工艺规程的要求是工艺流程要短，定位要准确，选择定位基准时尽量使定位基准与设计基准重合。

（2）合理的选择切削参数是保证加工质量的关键。选择合理的切削参数可以有效抑制积屑瘤的形成，降低理论加工残留面积的高度，保证加工工件的表面质量。切削参数的选择主要包括切削刀具角度的选择、切削速度的选择和切削深度及进给速度的选择等。试验证明，主偏角、副偏角及刀尖圆弧半径对零件表而粗糙度都有直接影响。在进给量一定的情况下，减小主偏角和副偏角，或增大刀尖圆弧半径，可减小表面粗糙度。另外，适当增大前角和后角，可减小切削变形和前后刀面间的摩擦，抑制积屑瘤的产生也可减小表面粗糙度。比如在加工塑性材料时若选择较大前角的刀具可以有效抑制积屑瘤的形成，这是因为刀具前角增大时，切削力减小，切削变形小，刀具与切屑的接触长度变短，减小了积屑瘤形成的基础。

（3）合理的选择切削液是保证加工工件表面质量的必要条件。选择合理的切削液可以改善工件与刀具间的摩擦系数，可降低切削力和切削温度，从而减轻刀具的磨损，以保证工件的加工质量。

（4）工件主要工作表面最终工序加工方法的选择至关重要。工件主要工作表面最终工序加工方法的选择至关重要，因为最终工序在该工作表面留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。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。

也可以在加工过程中通过改变某些量来提高表面粗糙度。1）在精加工时，应选择较小的进给量f、较小的主偏角kr和副偏角kr’、较大的刀尖圆弧半径rε，以得到较小的表面粗糙度。2）加工塑性材料时，采用较高的切削速度可防止积屑瘤的产生，减小表面粗糙度。3）根据工件材料、加工要求，合理选择刀具材料，有利于减小表面粗糙度。4）适当的增大刀具前角和刃倾角，提高刀具的刃磨质量，降低刀具前、后刀面的表面粗糙度均能降低工件加工表面的粗糙度。5）对工件材料进行适当的热处理，以细化晶粒，均匀晶粒组织，可减小表面粗糙度。6）选择合适的切削液，减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，减小切削变形，抑制鳞刺和积屑瘤的产生，可以大大关小表面粗糙度。

【参考文献】

[1]寇元哲，影响机械加工表面质量的因素分析[J].甘肃科技，2007，7

[2]李兆铨，周明研。机械制造基础（上册）。中国水利水电出版社，2005

[3]高波，机械制造基础。大连理工大学出版社，2006

[4]于骏一，邹青，机械制造基础，机械工业出版社2004

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