1.機械加工質量1.1概述機械加工技術的發展剛剛經歷了十幾年，在加工技術不斷發展的同時發展了一批微小器件和系統，顯示了巨大生命力。作為大批量生產的機械加工產品，將以其價格低廉和優良性能贏得市場，在生物工程、化學、微分析、光學、國防、航天、工業控制、醫療、通訊及信息處理、農業和家庭服務等領域有著潛在的巨大應用前景。因此，專家門將機械加工質量特別作為一個課題來研究。1.2機械加工表面質量的含義機械加工表面質量又稱為表面完整性，其含義包括兩個方面的內容。1.1.1表面層的幾何形狀特征表面層的幾何形狀特征如圖1所示，主要由以下幾部分組成：表面粗糙度它是指加工表面上較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特征，即加工表面的微觀幾何形狀誤差，其評定參數主要有輪廓算術平均偏差Ra或輪廓微觀不平度十點平均高度Rz。表面波度它是介于宏觀形狀誤差與微觀表面粗糙度之間的周期性形狀誤差，它主要是由機械加工過程中低頻振動引起的，應作為工藝缺陷設法消除。表面加工紋理它是指表面切削加工刀紋的形狀和方向，取決于表面形成過程中所采用的機加工方法及其切削運動的規律。傷痕它是指在加工表面個別位置上出現的缺陷，如砂眼、氣孔、裂痕、劃痕等，它們大多隨機分布1。圖1加工表面的形狀誤差表面波度與粗糙度1.1.2表面層的物理力學性能表面層的物理力學性能主要指以下三個方面的內容：表面層的加工冷作硬化；表面層金相組織的變化；表面層的殘余應力。1.3表面質量對零件使用性能的影響1.3.1表面質量對零件耐磨性的影響零件的耐磨性是零件的一項重要性能指標，當摩擦副的材料、潤滑條件和加工精度確定之后，零件的表面質量對耐磨性將起著關鍵性的作用。由于零件表面存在著表面粗糙度，當兩個零件的表面開始接觸時，接觸部分集中在其波峰的頂部，因此實際接觸面積遠遠小于名義接觸面積，并且表面粗糙度越大，實際接觸面積越小。在外力作用下，波峰接觸部分將產生很大的壓應力。當兩個零件作相對運動時，開始階段由于接觸面積小、壓應力大，在接觸處的波峰會產生較大的彈性變形、塑性變形及剪切變形，波峰很快被磨平，即使有潤滑油存在，也會因為接觸點處壓應力過大，油膜被破壞而形成干摩擦，導致零件接觸表面的磨損加劇。當然，并非表面粗糙度越小越好，如果表面粗糙度過小，接觸表面間儲存潤滑油的能力變差，接觸表面容易發生分子膠合、咬焊，同樣也會造成磨損加劇。表面層的冷作硬化可使表面層的硬度提高，增強表面層的接觸剛度，從而降低接觸處的彈性、塑性變形，使耐磨性有所提高。但如果硬化程度過大，表面層金屬組織會變脆，出現微觀裂紋，甚至會使金屬表面組織剝落而加劇零件的磨損。1.3.2表面質量對零件疲勞強度的影響表面粗糙度對承受交變載荷的零件的疲勞強度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度波谷處容易引起應力集中，產生疲勞裂紋。并且表面粗糙度越大，表面劃痕越深，其抗疲勞破壞能力越差。表面層殘余壓應力對零件的疲勞強度影響也很大。當表面層存在殘余壓應力時，能延緩疲勞裂紋的產生、擴展，提高零件的疲勞強度；當表面層存在殘余拉應力時，零件則容易引起晶間破壞，產生表面裂紋而降低其疲勞強度。表面層的加工硬化對零件的疲勞強度也有影響。適度的加工硬化能阻止已有裂紋的擴展和新裂紋的產生，提高零件的疲勞強度；但加工硬化過于嚴重會使零件表面組織變脆，容易出現裂紋，從而使疲勞強度降低。1.3.3表面質量對零件耐腐蝕性能的影響表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響很大。零件表面粗糙度越大，在波谷處越容易積聚腐蝕性介質而使零件發生化學腐蝕和電化學腐蝕。表面層殘余壓應力對零件的耐腐蝕性能也有影響。殘余壓應力使表面組織致密，腐蝕性介質不易侵入，有助于提高表面的耐腐蝕能力；殘余拉應力的對零件耐腐蝕性能的影響則相反。1.3.4表面質量對零件間配合性質的影響相配零件間的配合性質是由過盈量或間隙量來決定的。在間隙配合中，如果零件配合表面的粗糙度大，則由于磨損迅速使得配合間隙增大，從而降低了配合質量，影響了配合的穩定性；在過盈配合中，如果表面粗糙度大，則裝配時表面波峰被擠平，使得實際有效過盈量減少，降低了配合件的聯接強度，影響了配合的可靠性。因此，對有配合要求的表面應規定較小的表面粗糙度值。在過盈配合中，如果表面硬化嚴重，將可能造成表面層金屬與內部金屬脫落的現象，從而破壞配合性質和配合精度。表面層殘余應力會引起零件變形，使零件的形狀、尺寸發生改變，因此它也將影響配合性質和配合精度。1.3.5表面質量對零件其他性能的影響表面質量對零件的使用性能還有一些其他影響。如對間隙密封的液壓缸、滑閥來說，減小表面粗糙度Ra可以減少泄漏、提高密封性能；較小的表面粗糙度可使零件具有較高的接觸剛度；對于滑動零件，減小表面粗糙度Ra能使摩擦系數降低、運動靈活性增高，減少發熱和功率損失；表面層的殘余應力會使零件在使用過程中繼續變形，失去原有的精度，機器工作性能惡化等。總之，提高加工表面質量，對于保證零件的的性能、提高零件的使用壽命是十分重要的。2影響表面質量的工藝因素2.1影響機械加工表面粗糙度的因素及降低表面粗糙度的工藝措施2.1.1影響切削加工表面粗糙度的因素在切削加工中，影響已加工表面粗糙度的因素主要包括幾何因素、物理因素和加工中工藝系統的振動。下面以車削為例來說明。幾何因素切削加工時表面粗糙度的值主要取決于切削面積的殘留高度。下面兩式為車削時殘留面積高度的計算公式2：當刀尖圓弧半徑r=0時，殘留面積高度H為（1）rrkctgctgkfH當刀尖圓弧r0時，殘留面積高度H為（2）從上面兩式可知，進給量f、主偏角kr、副偏角kr和刀尖圓弧半徑r對切削加工表面粗糙度的影響較大。減小進給量f、減小主偏角kr和副偏角kr、增大刀尖圓弧半徑r，都能減小殘留面積的高度H，也就減小了零件的表面粗糙度。物理因素在切削加工過程中，刀具對工件的擠壓和摩擦使金屬材料發生塑性變形，引起原有的殘留面積扭曲或溝紋加深，增大表面粗糙度。當采用中等或中等偏低的切削速度切削塑性材料時，在前刀面上容易形成硬度很高的積屑瘤，它可以代替刀具進行切削，但狀態極不穩定，積屑瘤生成、長大和脫落將嚴重影響加工表面的表面粗糙度值。另外，在切削過程中由于切屑和前刀面的強烈摩擦作用以及撕裂現象，還可能在加工表面上產生鱗刺，使加工表面的粗糙度增加。動態因素振動的影響在加工過程中，工藝系統有時會發生振動，即在刀具與工件間出現的除切削運動之外的另一種周期性的相對運動。振動的出現會使加工表面出現波紋，增大加工表面的粗糙度，強烈的振動還會使切削無法繼續下去。除上述因素外，造成已加工表面粗糙不平的原因還有被切屑拉毛和劃傷等。2.1.2減小表面粗糙度的工藝措施在精加工時，應選擇較小的進給量f、較小的主偏角kr和副偏角kr、較大的刀尖圓弧半徑r，以得到較小的表面粗糙度。加工塑性材料時，采用較高的切削速度可防止積屑瘤的產生，減小表面粗糙度。根據工件材料、加工要求，合理選擇刀具材料，有利于減小表面粗糙度。適當的增大刀具前角和刃傾角，提高刀具的刃磨質量，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。對工件材料進行適當的熱處理，以細化晶粒，均勻晶粒組織，可減小表面粗糙度。選擇合適的切削液，減小切削過程中的界面摩擦，降低切削區溫度，減小切削變形，抑制鱗刺和積屑瘤的產生，可以大大關小表面粗糙度。2.2影響表面物理力學性能的工藝因素2.2.1表面層殘余應力外載荷去除后，仍殘存在工件表層與基體材料交界處的相互平衡的應力稱為rfH8殘余應力。產生表面殘余應力的原因主要有：冷態塑性變形引起的殘余應力切削加工時，加工表面在切削力的作用下產生強烈的塑性變形，表層金屬的比容增大，體積膨脹，但受到與它相連的里層金屬的阻止，從而在表層產生了殘余壓應力，在里層產生了殘余拉應力。當刀具在被加工表面上切除金屬時，由于受后刀面的擠壓和摩擦作用，表層金屬纖維被嚴重拉長，仍會受到里層金屬的阻止，而在表層產生殘余壓應力，在里層產生殘余拉應力。熱態塑性變形引起的殘余應力切削加工時，大量的切削熱會使加工表面產生熱膨脹，由于基體金屬的溫度較低，會對表層金屬的膨脹產生阻礙作用，因此表層產生熱態壓應力。當加工結束后，表層溫度下降要進行冷卻收縮，但受到基體金屬阻止，從而在表層產生殘余拉應力，里層產生殘余壓應力。金相組織變化引起的殘余應力如果在加工中工件表層溫度超過金相組織的轉變溫度，則工件表層將產生組織轉變，表層金屬的比容將隨之發生變化，而表層金屬的這種比容變化必然會受到與之相連的基體金屬的阻礙，從而在表層、里層產生互相平衡的殘余應力。例如在磨削淬火鋼時，由于磨削熱導致表層可能產生回火，表層金屬組織將由馬氏體轉變成接近珠光體的屈氏體或索氏體，密度增大，比容減小，表層金屬要產生相變收縮但會受到基體金屬的阻止，而在表層金屬產生殘余拉應力，里層金屬產生殘余壓應力。如果磨削時表層金屬的溫度超過相變溫度，且冷卻以充分，表層金屬將成為淬火馬氏體，密度減小，比容增大，則表層將產生殘余壓應力，里層則產生殘余拉應力。2.2.2表面層加工硬化加工硬化的產生及衡量指標機械加工過程中，工件表層金屬在切削力的作用下產生強烈的塑性變形，金屬的晶格扭曲，晶粒被拉長、纖維化甚至破碎而引起表層金屬的強度和硬度增加，塑性降低，這種現象稱為加工硬化（或冷作硬化）。另外，加工過程中產生的切削熱會使得工件表層金屬溫度升高，當升高到一定程度時，會使得已強化的金屬回復到正常狀態，失去其在加工硬化中得到的物理力學性能，這種現象稱為軟化。因此，金屬的加工硬化實際取決于硬化速度和軟化速度的比率。評定加工硬化的指標有下列三項：1）表面層的顯微硬度HV；2）硬化層深度h（m）；3）硬化程度N（3）00HVHVHVN式中：HV金屬原來的顯微硬度。影響加工硬化的因素1)切削用量的影響力切削用量中進給量和切削速度對加工硬化的影響較大。增大進給量，切削力隨之增大，表層金屬的塑性變形程度增大，加工硬化程度增大；增大切削速度，刀具對工件的作用時間減少，塑性變形的擴展深度減小，故而硬化層深度減小。另外，增大切削速度會使切削區溫度升高，有利于減少加工硬化。2)刀具幾何形狀的影響刀刃鈍圓半徑對加工硬化影響最大。實驗證明，已加工表面的顯微硬度隨著刀刃鈍圓半徑的加大而增大，這是因為徑向切削分力會隨著刀刃鈍圓半徑的增大而增大，使得表層金屬的塑性變形程度加劇，導致加工硬化增大。此外，刀具磨損會使得后刀面與工件間的摩擦加劇，表層的塑性變形增加，導致表面冷作硬化加大。3)加工材料性能的影響工件的硬度越低、塑性越好，加工時塑性變形越大，冷作硬化越嚴重。3控制表面質量的工藝途徑隨著科學技術的發展，對零件的表面質量的要求已越來越高。為了獲得合格零件，保證機器的使用性能，人們一直在研究控制和提高零件表面質量的途徑。提高表面質量的工藝途徑大致可以分為兩類：一類是用低效率、高成本的加工方法，尋求各工藝參數的優化組合，以減小表面粗糙度；另一類是著重改善工件表面的物理力學性能，以提高其表面質量。3.1降低表面粗糙度的加工方法3.1.1超精密切削和低粗糙度磨削加工超精密切削加工超精密切削是指表面粗糙度為Ra0.04m以下的切削加工方法。超精密切削加工最關鍵的問題在于要在最后一道工序切削0.1m的微薄表面層，這就既要求刀具極其鋒利，刀具鈍圓半徑為納米級尺寸，又要求這樣的刀具有足夠的耐用度，以維持其鋒利。目前只有金剛石刀具才能達到要求。超精密切削時，走刀量要小，切削速度要非常高，才能保證工件表面上的殘留面積小，從而獲得極小的表面粗糙度。小粗糙度磨削加工為了簡化工藝過程，縮短工序周期，有時用小粗糙度磨削替代光整加工。小粗糙度磨削除要求設備精度高外，磨削用量的選擇最為重要。在選擇磨削用量時，參數之間往往會相互矛盾和排斥。例如，為了減小表面粗糙度，砂輪應修整得細一些，但如此卻可能引起磨削燒傷；為了避免燒傷，應將工件轉速加快，但這樣又會增大表面粗糙度，而且容易引起振動；采用小磨削用量有利于提高工件表面質量，但會降低生產效率而增加生產成本；而且工件材料不同其磨削性能也不一樣，一般很難憑手冊確定磨削用量，要通過試驗不斷調整參數，因而表面質量較難準確控制。近年來，國內外對磨削用量最優化作了不少研究，分析了磨削用量與磨削力、磨削熱之間的關系，并用圖表表示各參數的最佳組合，加上計算機的運用，通過指令進行過程控制，使得小粗糙度磨削逐步達到了應有的效果。3.1.2采用超精密加工、珩磨、研磨等方法作為最終工序加工超精密加工、珩磨等都是利用磨條以一定壓力壓在加工表面上，并作相對運動以降低表面粗糙度和提高精度的方法，一般用于表面粗糙度為Ra0.4