机械加工表面质量优化技巧

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：表示已加工表面的微观几何形状误差。表面波度尚无国家标准。指工件经机械加工后表面层的强度、硬度有提高的现象，也称为表面层的冷硬或强化。对零件使用性能的影响大小取决于加工表面层残余应力的方向、大小和分布状况。3)切削液对加工表面粗糙度有明显的影响。2)采用人工时效的方法消除表面残余应力。

1.表面质量的内容

机器零件的加工质量要求中，除了加工精度外，还有加工表面质量，它是零件加工后表面层状态完整性的表征。

随着现代机器制造工业的飞速发展，对机器零件的要求日益提高，一些重要的零件必须在高速、高温、高压和重载条件下工作。表面层的任何缺陷不仅直接影响零件的工作性能，还会加速零件的磨损、腐蚀和失效，因而必须充分重视零件的表面质量。零件加工表面质量包括如下几个方面内容。

(1)加工表面几何特征加工表面几何特征主要由表面粗糙度和表面波度两部分组成，如图5-16所示。

图5-16 表面粗糙度和波度

1)表面粗糙度。表示已加工表面的微观几何形状误差。国家标准GB/T 3505—2009中规定，表面粗糙度参数从下列三项中选取:

①表面轮廓的算术平均偏差Ra。

②轮廓最大高度Ry。

③微观不平度十点高度Rz。

2)表面波度。介于宏观几何形状误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差。其大小是以l₀和波高h₀表示的。表面波度主要是在加工过程中工艺系统的振动引起的。表面波度尚无国家标准。

(2)加工表面层物理力学性能其变化主要有以下三个方面的内容:

1)加工表面的冷作硬化。指工件经机械加工后表面层的强度、硬度有提高的现象，也称为表面层的冷硬或强化。通常以冷硬层深度h_c、表面层的显微硬度H以及硬化程度N表示。其中

N＝H/H₀×100％

式中 H₀——金属原来的硬度；

H——已加工表面的显微硬度。

2)加工表面层的金相组织变化。机械加工(特别是磨削)中的高温使工件表面层金属的金相组织发生了变化，大大降低了零件的使用性能。

3)加工表面层的残余应力。对零件使用性能的影响大小取决于加工表面层残余应力的方向、大小和分布状况。

2.提高零件表面质量的方法

(1)控制表面粗糙度的方法机械加工中造成工件表面粗糙的主要原因可归纳为两个方面:一是切削刃和工件相对运动轨迹所形成的表面粗糙(几何因素)；二是和被加工材料性质及切削机理有关的因素(物理因素)，即产生积屑瘤、鳞刺和振动等。

在切削加工中，造成表面粗糙的几何因素是切削残留面积和切削刃刃磨质量。残留面积高度越大，表面越粗糙。根据切削原理可知，残留面积的高度与进给量、刀尖圆弧半径及刀具的主、副偏角有关。为控制切削加工中的表面粗糙度值，可以采取下列措施:

1)由于切削速度在某一范围时容易产生积屑瘤和鳞刺，因此，要合理选择切削速度。一般要避开产生积屑瘤的中等切削速度(15～30m/min)。如车削45钢时，当切削速度超过100m/min时，表面粗糙度值会减小并趋于稳定。而进给量应选择较小值才能减少残留面积高度，减小表面粗糙度值。

2)合理选用刀具材料，选择适当的刀具几何参数。不同的刀具材料，由于化学成分不同，在加工时刀面硬度及刀面粗糙度的保持性、刀具材料与工件材料金属分子间的亲和程度、以及刀面与切屑和加工表面间的摩擦因数等均有所不同。实践证明，在相同的切削条件下，用硬质合金刀具加工所获得的表面粗糙度值比用高速钢刀具的小。

增大刃倾角对降低表面粗糙度有利。因为λ_s增大，实际工作前角也随之增大，切削过程中的金属塑性变形程度随之下降，于是切削力F也明显下降，这会显著地减轻工艺系统的振动，从而使加工表面粗糙度值减小。减小刀具的主偏角κ_r和增大刀尖的圆弧半径γ_ε，也可减小残留面积，使表面粗糙度值减小。

3)切削液对加工表面粗糙度有明显的影响。由于切削液的冷却作用可以使切削温度降低，切削液的润滑作用可以改善刀具和被加工表面间的摩擦状况，从而减少了切削过程的塑性变形并抑制积屑瘤和鳞刺的生长，对降低表面粗糙度有很大的作用。

(2)控制表面残余应力的方法为了长期保持精密零件的精度，避免表面残余应力造成工件变形，要尽可能消除或减小表面残余应力；而在很高的交变载荷下工作的零件，则希望其表面具有很高的残余应力。采用以下方法可以控制表面残余应力。

1)采用滚压、喷砂、喷丸等方法对零件表面进行处理，使表面产生局部塑性变形并向四周扩张，因材料扩张受阻而产生很大的残余应力，从而有效地提高零件的疲劳强度。

2)采用人工时效的方法消除表面残余应力。

3)采用精细车、精细磨、研磨、超精加工等方法作为工件的最终加工。由于这些加工方法的余量小，切削力和切削热极小，因此不仅可以去除前工序造成的表面变质层及表面残余应力，还可避免产生新的表面残余应力。

机械加工表面质量优化技巧

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