机械加工表面质量的探究

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  摘要:随着机械加工技术的发展,工件的加工更加精密,使用寿命更长,这就对工件的表面质量提出了更高的要求。本文就工件表面质量对其各类使用性能的影响原理进行分析;并对影响工件表面质量的关键因素进行阐述;最后提出机械加工中改善工件表面质量的措施。从以上三个方面对表面质量进行了总结,对以后机械加工中控制工件表面质量有一定的指导意义。
  Abstract: With the development of machining technology, the processing of workpieces is more precise and the service life is longer, which puts forward higher requirements on the surface quality of the workpieces. This article analyzes the principle of the influence of the surface quality of the workpiece on its various performances; expounds the key factors that affect the surface quality of the workpiece; finally, measures to improve the surface quality of the workpiece in mechanical processing are proposed. The surface quality is summarized from the above three aspects, which has certain guiding significance for the control of the surface quality of the workpiece in the future machining.
  关键词:工件表面质量;影响因素;改进措施
  Key words: workpiece surface quality;influencing factors;improvement measures
  中图分类号:TH161                      文獻标识码:A             文章编号:1674-957X(2021)17-0122-03
  0  引言
  近年来随着机械行业的发展,对机械工件性能的要求也不断提高。工件的表面质量直接对其各种性能产生影响,进而影响装配后部组件的工作周期以及使用寿命。如何在现有的机械制造及机械加工工艺水平下尽可能提高机械加工的表面质量,这是目前机械制造领域的技术难题之一。本文通过对机械加工表面质量的探究,尝试提出改善机械加工表面质量措施与方法,以此提高机械加工的工件性能。
  1  表面质量对工件使用性能的影响
  1.1 表面质量对工件耐磨性的影响
  工件的装配过程必然伴随着摩擦的发生,随着摩擦表面物质的丧失或迁移,形成磨损的现象,该过程是不可逆的,磨损的原理如图1所示。磨损会使工件的表面形状和尺寸遭受缓慢并且连续的破坏,工件的磨损过程大致可分为三个阶段,即磨合阶段,稳定磨损阶段及剧烈磨损阶段。在零件磨合初期,只有很少的轮廓峰接触,因此接触面上的真实应力比较大,使接触面的波峰压碎或者塑性变形,同时表层被冷作硬化,随着磨损接触时间的推移,原有的轮廓峰逐渐变为局部或者完全消失。这一阶段的磨损量很小,作用时间也很短。经过初期磨损,逐渐进入到稳定磨损阶段,所接触的磨损面积增大,工件在平稳而缓慢的速度下磨损,该阶段标志着摩擦条件保持相对恒定,且该阶段的时间长短代表了工件的使用寿命长短。经过稳定磨损阶段后,工件的表面遭到破坏,使运动副的间隙增大,引起额外的载荷,致使工件失效,磨损各阶段的磨损量如图2所示。一般说来,工件的表面质量越好,其耐磨性就越好,使用寿命就越长。
  1.2 表面质量对工件配合性能的影响
  工件的表面的粗糙度直接影响着配合表面的整体配合质量,粗糙度越大,相同状态下工件磨损量越大,工件间的配合性能损坏越严重。对过盈配合来说,由于装配时将粗糙表面的微观凸峰磨平,减小了实际有效过盈,降低了连接强度。对间隙配合来说,表面越粗糙,工件受磨损的程度就越大,使工作过程中间隙逐渐增大,致使配合出现问题,最终无法满足配合的要求。除粗糙度以外,工件的表面残余应力也是影响其配合精度的重要因素,残余应力过大会使得工件在放置及操作过程中出现变形,甚至裂纹,影响原有的配合精度。
  1.3 表面质量对工件疲劳强度的影响
  粗糙的工件表面存在较大的凸峰凹谷,同时工件表面的隐性缺陷如刀纹、划痕等,都是应力主要集中的地方,即表面粗糙度越大,表面隐性缺陷越多,越容易出现应力集中。工件在受到交变载荷的作用时,产生的疲劳破坏往往发生在工件的表面和表面冷硬层下面。表面的粗糙值越高,其抗疲劳强度也就越低,同时加工硬化会导致工件表面出现冷硬层,轻微的加工硬化会阻碍疲劳裂纹的出现,增强工件的抗疲劳强度。但加工硬化程度过大,反而对工件的抗疲劳强度不利。
  1.4 表面质量对工件抗腐蚀性的影响
  工件的工作环境中不可避免的会出现潮湿空气、酸、碱等腐蚀性因素。一般来说,工件具有一定的抗腐蚀能力。而表面质量的好坏则会在一定程度上影响到工件的抗腐蚀性。工件的腐蚀一般会出现化学腐蚀和电化学腐蚀两种情况。化学腐蚀是指粗糙的表面,腐蚀性的气体或者液体通过工件表面的微观凹谷深入到金属内层而与金属发生化学变化,造成工件表面的化学腐蚀。表面越粗糙,腐蚀性因素与表面接触的面积越大,腐蚀的过程越快速明显。电化学腐蚀是指当两个不同金属材料的工件表面相互接触时,在表面微观的波峰处产生电化学作用而被腐蚀的称为电化学腐蚀,所以工件的表面越光滑平整,则其抗腐蚀能力越强。而工件的表面越粗糙,则其抗腐蚀能力越低。   1.5 表面质量对工件密封性的影响
  粗糙的表面之间无法进行严密的贴合,易使气体或者液体通过密封面的缝隙渗漏。从微观角度讲,任何表面都是高低不平的,存在波峰和凹谷。当密封机械运作时,两个密封表面接触,实际上也就是两个表面的微观波峰接触。此时,两个表面之间不可避免的出现微观缝隙。表面越粗糙,微观缝隙就越大,密封表面泄露缺陷就越明显。同时工件的残余应力,在机械运作时缓慢释放,造成密封表面变形,使得密封失效。
  除此之外,工件的表面质量对工件的使用性能、外观性能、检测精度及工件的可互换性等都有着深远的影响。
  2  影响工件表面质量的因素
  2.1 工件材料性质
  材料根据力学性能可以主要分为塑性材料和脆性材料两大类。
  在低速切削塑性材料时,刀具对材料进行剪切挤压,使得切削层塑性变形,同时产生加工硬化。切屑形成后与刀具前刀面之间存在压力,当切屑沿着刀具流出时,必然有很大的摩擦,使切削底层进一步变形,已加工表面受到刀具钝圆部分和后刀面的挤压与摩擦而产生变形。这三个变形区域汇集在切削刃附近,造成应力相对集中且复杂。工件的被切削层在此处与工件机体发生撕裂分离,产生积屑瘤和鳞刺,同时一部分切屑无法排出,残留在已加工表面,降低工件的表面质量。工件材料韧性愈好金属的塑性变形愈大。加工表面就愈租糙。
  在切削脆性材料时,切屑形状一般是形状不规则的崩碎切屑,从切削过程来看,切屑在脱落前变形很小,材料受到的剪切应力超过了其自身的强度,导致切屑脆断。崩碎的切屑往往呈现颗粒状,这些碎粒的崩窜,导致了已加工表面的磕伤、坑点,从而使得已加工表面变得粗糙。精密加工时,因切削深度小,刀刃容易打滑。也影响工件的表面质量,塑形材料与脆性材料材料力学性质对比如表1所示。
  2.2 切削加工控制
  工件表面质量的好坏与切削加工有着密切的联系。其中主要影响为刀具、切削参数及切削热。
  刀具相对于工件作进给运动时,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反应。残留面积的大小与刀具的进给量、刀尖圆弧半径及刀具的主偏角、副偏角等角度都有关系。对于宽刃刀具、定尺寸刀具和成形刀具等,其切削刃本身的表面粗糙度对精密机械加工工件的表面质量影响也很大。
  切削参数对工件的表面质量有着深远的影响。在切削用量三要素中,切削深度和进给量增大,都会使切削力增大,工件的变形量随之增大;同时较大的切削深度及进给量会增大工件的切削残留面积,加剧积屑瘤及鳞刺的产生,从而降低加工精度及表面粗糙度。切削速度对工件表面质量的影响因素相对较复杂。在切削塑性材料时,切削速度对积屑瘤及鳞刺的影响非常显著。切削速度较低时,切削力较小,不会形成积屑瘤,加工平面相对光整。随着切削速度的增加,工件的切削抗力增加,在切屑分离挤压变形及剪切作用下,刀具易形成积屑瘤致使已加工面表面质量下降,积屑瘤和鳞刺的位置如图3和图4所示。随着切削速度的持续增加,切削温度升高,被切削材料与刀具之间摩擦降低,切削力降低,积屑瘤及鳞刺消失,表面质量提升。
  切削热是切削过程中的物理现象之一,大量的切削热使得切削温度升高,直接影响着刀具的磨损情况,积屑瘤的产生与消退,从而影响工件的表面质量。过高的切削温度使刀具的硬度、耐磨性降低,降低刀具的切削质量;同时切削温度传导到已加工表面,造成加工面热损伤,致使工件表面质量下降。当热量传导到机床时,机床受到不均匀升温的影响,产生震颤扭转,致使加工工件产生颤纹、接刀等瑕疵。
  2.3 表面层材料金相组织变化
  在金属材料加工过程中,在切削力及切削热的作用下材料产生塑性变形,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,这种现象称为加工冷作硬化。加工冷作硬化是不可避免的,它的出现将会给工件本身的结构造成影响,使其内部构造产生变化,产生的表面残余拉应力和细微的裂痕破坏了空间结构,改变了工件的可加工性能。当切削温度超出表面金属承受范围时,工件的晶相组织發生巨变,将会造成工件表面烧伤、灼伤影响工件的表面质量。
  2.4 其他因素
  除了以上提到的这几点外,还有很多其他的因素可以影响工件的表面质质量,比如工件的残余应力、加工机械的精度、操作人员的技术能力、加工工艺方案路线、磨削与抛光、冷却与润滑、表面防护等。在机械加工时,应当结合实际,从实际出发综合考虑各方面因素,这样才能更好的提高加工表面质量。
  3  改善工件表面质量的措施
  3.1 优化材料性能
  工件的表面质量与材料的物理及化学性能有着非常紧密的联系。通过优化材料性能可以直接影响工件最终的表面状态。通常状况下塑性材料在加工之后,工件的表面质量相对于脆性材料更差一些。针对不同材料,在恰当的选择各类热处理及化学热处理工艺后,材料的晶粒组织及化学成分产生改变,表面及深层的物理及化学性质发生变化,使得材料的塑性及韧性能够得到有效控制,提升材料的切削性能,进而保证加工的顺利进行。
  3.2 改善切削条件
  在工件切削加工中,工件由于受到切削力和切削热的作用,使表面层金属的切削性能产生变化,加工表面塑性变形的程度越小,其表面质量越好。在加工塑性材料时,中、低速的加工容易产生积屑瘤和鳞刺,而较高的切削速度能够有效阻止积屑瘤的形成;同时较小的进给量及切削深度也能够使加工表面更加光滑,从而提升表面质量。在刀具方面,刀具的尺寸、材料及几何参数均对加工质量有很大影响。相同切削条件下,细长的刀具更易使加工面出现颤纹或者让刀及过切等缺陷,造成表面质量下降;具有高硬度,高耐磨性及高耐热性的刀具单位时间磨损量更小,对工件的表面质量更有益;刀具采用较大的刀尖圆弧半径、较小的副偏角可以减少残留面积,能有效改善工件的表面质量。选择恰当的切削液,能在一定程度上减少切屑蹦溅,减少表面出现的烧伤问题,同时可以降低已经加工表面的残余应力,抑制积屑瘤与鳞刺的形成,防止切削过程中塑性变形,降低表面粗糙度。   3.3 增加表面处理
  机械加工中可以采用滚压、挤(胀)孔、喷丸强化、金刚石、压光等冷压加工方法来改善表面层材质的变化。还可以采用阳极氧化、微弧氧化、电镀、热喷涂、气相沉积以及高能束处理来改善表面质量,从而使材料的表面状态改变,使得材料表面着色性增强、耐腐蚀性提高、耐磨性增强、硬度增加,并对材料表面起到保护作用。通过这些措施在机械生产中的应用,很大程度提高了机械加工工件的表面质量,提高了产品的工作性能、可靠性和寿命。
  3.4 优化加工规程
  合理的加工规程使零件的加工有了科学的指导意义,同时也是机械加工的基础保障。越是科学合理的加工规程越能保证一个工件的高质量。我们应建立一个合理的加工规程,该规程要细化、定位准确、定位基准与设计基准要统一;同时采取有效的冷却措施,采用精密加工、超精密加工以及光整加工来减少加工表层变形强化和残余应力。在一系列的规范加工程序下打造出一个粗糙度低的高质量工件。
  4  结束语
  工件的表面质量对机械的运转和工作性能都有着十分重要的影响。随着社会的发展及科技的进步,人们对于机械工件表面质量的要求也越来越高。影响机械工件表面质量的因素是多方面且复杂的,只有在真正理解并掌握这些因素的基础上,才能在生产加工中采取相应的措施,减少因工件表面质量问题而出现的质量风险,从而提升产品合格率,延长工件的使用寿命。
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