表面加工

表面加工（精选12篇）

表面加工 篇1

机械零件的破坏, 一般总是从表面层开始的。产品的性能, 尤其是它的可靠性和耐久性, 在很大程度上取决于零件表面层的质量。研究机械加工表面质量的目的就是为了掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的规律, 以便运用这些规律来控制加工过程, 最终达到改善表面质量、提高产品使用性能的目的。

1 机械加工表面质量对机器使用性能的影响

表面质量对耐磨性的影响:表面粗糙度对耐磨性的影响一个刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间, 最初阶段只在表面粗糙的的峰部接触, 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、正常磨损阶段和剧烈磨损阶段。表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说表面粗糙度值愈小, 其磨损性愈好。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;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。

表面质量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。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, 抗疲劳破坏底能力就愈差;残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响余应力对零件疲劳强度的影响很大。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一般伴有残余应力的产生, 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。

表面质量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。

表面质量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。

2 影响表面粗糙度的因素

切削加工影响表面粗糙度的因素:刀具几何形状的复映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, 其形状时刀具几何形状的复映。减小进给量、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;工件材料的性质加工塑性材料时, 由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。

3 切削用量

磨削加工影响表面粗糙度的因素正像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时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:砂轮的粒度砂轮的硬度砂轮的修整磨削速度磨削径向进给量与光磨次数工件圆周进给速度与轴向进给量冷却润滑液

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三项物理机械性能的变化会很大。

表面层冷作硬化:冷作硬化及其评定参数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, 只有一有可能, 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三项, 即表层金属的显微硬度HV、硬化层深度h和硬化程度N;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乐, 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。

表面层材料金相组织变化当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后, 表层金属的金相组织将会发生变化。磨削烧伤当被磨工件表面层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, 可能产生以下三种烧伤: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。退火烧伤如果磨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;改善磨削烧伤的途径磨削热是造成磨削烧伤的根源, 故改善磨削烧伤由两个途径:一是尽可能地减少磨削热地产生;二是改善冷却条件, 尽量使产生地热量少传入工件。正确选择砂轮合理选择切削用量改善冷却条件

表面层残余应力:产生残余应力的原因a.切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生, 使表面金属的比容加大由于塑性变形只在表层金属中产生, 而表层金属的比容增大, 体积膨胀, 不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止, 因此就在表面金属层产生了残余应力, 而在里层金属中产生残余拉应力。b.切削加工中, 切削区会有大量的切削热产生c.不同金相组织具有不同的密度, 亦具有不同的比容如果表面层金属产生了金相组织的变化, 表层金属比容的变化必然要受到与之相连的基体金属的阻碍, 因而就有残余应力产生。零件主要工作表面最终工序加工方法的选择零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。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。

参考文献

[1]郑渝.机械结构损伤检测方法研究[D];太原理工大学;2004年

[2]杨春雷, 尹国会.浅谈机械加工影响配合表面的原因及对策[N].中华建筑报;2005年

[3]高原.不锈钢表面复合处理提高耐磨性的研究

表面加工 篇2

不锈钢所具有的多种表面加工拓宽了它的应用领域--不同的表面加工使不锈钢表面各异，使其在应用中各具独到之处。

在建筑应用领域，不锈钢的表面加工之所以重要是有许多原因的。

腐蚀环境要求光滑的表面是因为表面光滑不容易积垢。污垢的沉积会使不锈钢生锈甚至造成腐蚀。

在宽敞的大厅中，不锈钢是电梯装饰板最常用的材料，表面的手印虽然可以擦掉，但影响美观，所以最好选用合适的表面防止留下手印。

卫生条件对许多行业是很重要的，例如，食品加工、餐饮、酿造和化工等，在这些应用领域，表面必须便于每天清洗，而且经常要用化学清洗剂。

不锈钢是这方面的最佳材料，在公共场所，不锈钢的表面经常会被胡写乱画，但是，它的一个重要特性是可以将它们清洗掉，这是不锈钢优于铝的一个显著特点。铝的表面容易留下痕迹，往往很难去掉。清理不锈钢表面时应顺着不锈钢的纹路清理，因为有些表面加工的纹路是单向性的。

不锈钢最适用于医院或其它卫生条件至关重要的领域，如：食品加工、餐饮、酿造和化工，这不仅是因为它便于每天清洗，有时还要使用化学清洗剂，而且还因为它不易滋生细菌。试验表明不锈钢在这方面的性能与玻璃和陶瓷相同。1．不锈钢的自然外观

不锈钢给人一种自然的坚固亮丽之感，其自然色彩柔和地反映出周围环境的颜色。2．表面加工的基本种类

可以用于不锈钢的表面加工大致有五种，它们可以结合起来使用，变换出更多的最终产品。

五个种类有：轧制表面加工、机械表面加工、化学表面加工、网纹表面加工和彩色表面加工。

还有一些专用的表面加工，不过无论指定哪一种表面加工，都应遵循以下步骤：

①与制造厂家一起商定需要的表面加工，最好准备一个样品，作为今后批量生产的标准。

②大面积使用时（如复合板，必须保证所用的基底卷板或卷材采用的是同一批次。

③在许多建筑应用中，如：电梯内部，尽管手印可以擦掉，但很不美观。如果选用布纹表面，就不那么明显了。在这些敏感的地方一定不能使用镜面不锈钢。

④选择表面加工时应考虑到制作工艺，例如：为了除去焊珠，可能要对焊缝进行修磨，而且还要恢复原有的表面加工。

花纹板很难甚至无法满足这一要求。

⑤对于有些表面加工、修磨或抛光的纹路是有方向性的，被称为单向的。如果使用时使这种纹路垂直而不是水平，污物就不易附着在上面，而且容易清洗。

⑥无论采用哪种精加工都需要增加工艺步骤，因此要增加费用，所以，选择表面加工时要慎重。

因此，建筑师、设计人员和制造厂家等有关人员需要对不锈钢的表面加工有所了解。通过彼此之间的友好合作和相互交流，一定会获得所期望的效果。

⑦根据我们的经验，我们不建议使用氧化铝作磨料，除非在使用过程中十分小心。最好是使用碳化硅磨料。

3．标准表面加工

许多种表面加工一直是采用编号或其它分类方法表示、它们都被编入了有关的标准中，如：“英国标准BS1449”和“美国钢铁协会不锈钢生产者委员会标准”。4．轧制表面加工

板材和带材有三种基本的轧制表面加工，它们是通过板材和带村的生产工艺表示的。No.1：经过热轧、退火、酸洗和除鳞。处理后的钢板表面是一种黯淡表面，有点粗糙。No.2D：比N0.1表面加工好，也是黯淡表面。经过冷轧、退火、除鳞，最后用毛面辊轻轧。No.2B：这是建筑应用中最常用的，除在退火和除鳞后用抛光辊进行最后一道轻度冷轧外，其它工艺与2D相同，表面略有些发光，可以进行抛光处理。

No.2B光亮退火：这是一种反射性表面，经过抛光辊轧制并在可控气氛中进行最终退火。光亮退火仍保持其反射表面，而且不产生氧化皮。

由于光亮退火过程中不发生氧化反应，所以，不需要再进行酸洗和钝化处理 5．抛光表面加工

No.3：由3A和3B表示。“ 3A：表面经过均匀地研磨，磨料粒度为80~100。

3B：毛面抛光，表面有均匀的直纹，通常是用粒度为180~200的砂带在2A或2B板上一次抛磨而成。

No.4：单向表面加工，反射性不强，这种表面加工可能在建筑应用中用途最广。其工艺步骤是先用粗磨料抛光，最后再用粒度为180的磨料研磨。

No.6：是对No.4的进一步改进，是在磨料和油介质中用坦皮科抛光刷抛光No．4表面。”英国标准1449“中没有该表面加工，但在美国标准中可以查到。

No.7：被称为光亮抛光，是对已经磨得很细但仍有磨痕的表面进行抛光。

通常使用的是2A或2B板，用纤维或布抛光轮和相应的抛光膏。

No.8：镜面抛光表面，反射率高，通常被称为镜面表面加工，因为它反射的图像很清晰。

用细磨料对不锈钢连续抛光，然后再用非常细的抛光膏打磨。

在建筑应用中应该注意的是这种表面如果用在人员流动量较大或人们经常触摸到的地方会留下手印。

手印当然可以擦掉，但有时影响美观。

”官方“标准和文献中描述的表面加工只是一般性的介绍，样本才能最直观地表示表面加工的种类。抛光或金属精加工厂家将提供各种表面加工的样品，用户应同他们进行讨论。

6.表面粗糙度

轧制表面加工和抛光表面加工的分类是说明能够达到的程度，另一个有效的表示方法是测量表面粗糙度。标准的测量方法被称为CLA（中心线平均值），测量仪在钢板表面横向移动，记录下峰谷的变化幅度。CLA的编号越小，表面越光滑。从下表中的表面加工和CLA编号可以看出不同等级的最终结果。

表面加工 CLA，微米

2B

0.1-0.5 2A

0.05-0.1 2D

0.4-1.0 3

0.4-1.5 4

0.2-1.5 8

0.2 EP 基本值的1/2 EP=电解抛光，大致可将峰谷的变化幅度减少到原表面的1/2。

7.机械抛光

注意事项：

我们应该记住，研磨操作中用砂纸或砂带进行的研磨基本上属于磨光切割操作，在钢板表面留下很细的纹路。

我们在用氧化铝作为磨料时曾遇到过麻烦，其部分原因是压力问题。

设备的任何研磨部件，如：砂带和磨轮等，使用前绝不能用于其它非不锈钢材料。因为这样会污染不锈钢表面。

为了保证表面加工的一致性，新砂轮或砂带应先在成分相同的废料上试用，以便同样品进行比较。

8．电解抛光

这是一种金属清除工艺，在此工艺中不锈钢作为电解液中的阳极，通电后金属从表层除去。

该工艺通常用于零部件的加工，因为它们的形状难以用传统方法进行抛光。该工艺常用于冷轧钢板的表面，因为其表面比热轧钢板的表面光滑。

但是电解抛光会使表面的杂质更明显，特别是钛和铌稳化的材料会由于粒状杂质使焊缝区出现差异。

小焊疤和锐棱可以通过该工艺清除掉。该工艺着重处理表面上的突出部分，优先对它们进行溶解。

电解抛光工艺是将不锈钢浸泡在加热的液体中，液体的配比涉及到许多专有技术和专利技术。

奥氏体不锈钢的电解抛光效果很好。9．网纹表面加工

不锈钢可以采用的花纹种类很多。

使钢板具有添加花纹或网纹表面加工的优点如下：

①减少”金属屋面材料皱缩“（oil can-ning），该词是一个用来描述光亮材料表面的术语，这种表面从光学角度看不平。例如：大面积的装饰板，即使经过拉伸矫直或张力拉矫也很难使表面完全平直，因而会出现金属屋面材料皱缩。

②网纹图案可以减少在阳光下发出的眩光。

③花纹板如果有轻微的划痕和小面积压痕都不太明显。

④增大钢板的强度。

⑤为建筑师提供了选择的余地。

有专利权的图案包括布纹（用于伦敦的埃德大厦）、镶嵌图案、珍珠状和皮革纹。还可以使用波纹和线状图案。

花纹表面特别适合于内部装饰，如：电梯镶板、柜台、壁板和入口处。

外部应用时应考虑到使不锈钢能够通过雨水和人工冲刷清洗表面，避免有易聚集污物和空中杂质的死角，以免造成腐蚀影响美观。

10．毛面表面加工

毛面表面加工是最常用的表面加工之一，它是在经过抛光或光亮退火的钢板表面用尼龙研磨带或刷进行抛光。

11.喷玻璃球或喷丸

对于内部应用，如：电梯的内部，混合表面加工很受欢迎。

这种混合工艺是通过喷玻璃球形成无泽表面，然后通过掩饰处理，覆上塑料膜，成抛光表面加工，最后形成抛光和无泽的混合表面。

不锈钢砂丸也可以用于类似的工艺。

要使用的玻璃球或丸粒事先绝不能在其它材料上使用，尤其不能在碳钢上。因为碳钢的粉粒会嵌入到不锈钢表面，很容易造成腐蚀。

陶瓷球也可以作为喷料。

12．彩色不锈钢

不锈钢彩色工艺是国际镍公司（INCO）70年代研制成功的，许多公司都有使用这一工艺的许可证。

前面已经解释过，不锈钢之所以不生锈是因为它表层的情性氧化铬膜。

彩色工艺就是利用这层膜形成指定的颜色。

由于不锈钢利用了这层始终存在的膜，所以既不退色，也不需要像油漆一样经常维护。

彩色不锈钢还可以进行成型处理，即使在锐弯处也不会对颜色有任何不良影响。

关于对耐蚀性的影响，试验表明采用该工艺后耐蚀性有所增强。

该工艺与操作时间密切相关，时间不同颜色会发生变化。颜色的变化顺序是棕色、金色、红色、紫色和绿色。

该工艺的一大特点是它的最终外观可以反映出该材料原来的表面，即：镜面或抛光面会产生很强的金属光泽，而毛面表面加工的颜色是无 光泽的。

工艺过程：

该工艺是将不锈钢浸泡在溶液槽中，溶液中最好是每升含250克Cr2O3，每升含490克硫酸也可以，温度范围80~85℃，浸泡时间取决于所需要的颜色，最多不超过25分钟。

将钢板用干净的冷水漂洗后，再在室温条件下放到浓度为250克/1升氯酸和2.5克/1升磷酸的液体中进行阴极处理，时间大约为10分钟，电流密度为0．2~0．4A/dm2。

为了防止损坏，彩色处理后立即进行硬化处理，然后在热水中进行漂洗并且干燥。

13．混合表面加工

彩色不锈钢上可以再加图案，所开发的专有技术包括用刚玉砂带除去”突出"部分，这样，最终的结果是将钢板的自然之美与彩色图案的色彩结合在一起。

这种表面不容易留下手印，特别适用于室内装饰。

抛光厂家可以提供表面加工的样品。

14．蚀刻表面加工

纳秒脉冲激光加工不锈钢表面 篇3

关键词：不锈钢；纳秒脉冲

1.纳秒脉冲激光的研究

作为激光加工技术的一个分支，脉冲激光微加工在激光加工领域是非常耀眼的一个明星。其动人之处一是不断涌现峰值功率高、脉宽短的激光源，如具有高质量光束的二极管泵浦Nd：YAG激光器等；二是更精确、快速的数控操作平台的出现，其组成的激光微加工系统，实现了更高精度的精密加工。一般认为激光微加工就是加工尺寸在几个到几百个微米的激光加工工艺系统，所用的激光脉冲的宽度在飞秒（fs）到纳秒（ns）之间，波长在从远红外到X射线的很宽波段范围内。纳秒（ns）脉冲激光属于短脉冲激光的一种方式。相对较窄的脉冲宽度，较小的热效应影响，波长大多较短，聚焦成较小的光斑，重复频率可以达300kHz的脉冲频率，较高的平均功率，都使其具有了较高的加工效率。纳秒脉冲激光加工比可见光或红外激光具有更小的材料表面的热影响和加工损伤，更好的加工效

果；比飞秒脉冲激光加工具有更高的加工效率，更快的速度和更加便宜的价格。可以说脉冲激光是聚质量与效率为一体，集发展与创新于一身的具有广阔前景的应用研究[1]。

2.研究的内容、步骤和结论

本文主要针对纳秒激光对316L不锈钢进行微结构工艺实验研究。首先对在纳秒脉冲激光照射下产生的烧蚀形貌进行全面的观察，再结合激光与不锈钢表面的相互作用机理，研究入射激光功率，扫描速度等因素对微结构加工质量的影响规律，通过改变工艺策略和工艺参数以得到最佳的加工效果。通过激光打线和打孔实验，观察线与孔的形貌特征，分析纳秒脉冲激光打线和打孔的过程，深入研究纳秒激光与不锈钢材料相互作用的规律。最后，在理论分析工艺参数的基础上，设计微结构加工方案，进行微结构的加工实验和检测。使用扫描电镜检测分析加工效果。通过纳秒激光在不用的环境下多次照射在不同的样品上，初步得到不同工艺参数对不锈钢表面纳秒脉冲激光加工工艺的影响的分析。

2.1 纳秒脉冲激光单次线性扫描

实验开始之前对需要对实验仪器进行升温，温度升到21摄氏度时，才可以进行实验。先将一小张白纸放在打标机下，找准光束扫描的大概位置。每次实验前先用用丙酮超声清洗，再用蒸馏水将丙酮冲洗干净，吹干后，将样品固定在此处，准备对其扫描。首先设计了不同功率下，1mm/s的扫描速度进行单次线性扫描的实验。电流分别设置35A、36A、37A、38A和38.5A。 用打标机单向依次扫描5根线，每根线的间隔设置为0.5mm，再把速度依次设置为：3mm/s、5mm/s，10mm/s、30mm/s、50mm/s、100mm/s重复以上实验。在每个速度下，用5组扫描电流依次单向扫描5根线。

2.2 纳秒脉冲激光单次圆点扫描

以上是激光對材料表面的直线扫描，为了更加全面地了解激光对不锈钢表面作用的效果，我们将直线换成圆点。这个步骤是在电脑上对打标机进行操作，实验前的准备工作和前述实验相同，将处理好的样品三放置在打标机下，进行圆点扫描实验。

把激光的扫描速度调整为1mm/s，电流分别设置35A、 36A、 37A、 38A和38.5A。用打标机扫描5个圆点，圆点的半径设置为0.5mm，每个圆点圆心之间的间隔设置为1.5mm，再把速度依次置为：3mm/s、 5mm/s、10mm/s、30mm/s、50mm/s、100mm/s。在不同的扫描速度下，依次5个不用的电流扫描圆点。

2.3 纳秒脉冲激光多次线性扫描

实验二的特殊之处是将扫描速度定为1mm/s时，在5个扫描电流下进行实验，依次对样品表面进行1次扫描、3次扫描、5次扫描、10次和30次扫描。每根线之间的距离设置为0.5mm。

2.4 纳秒脉冲激光多次圆点扫描

多次扫描的实验前的准备工作和实验一是一样的，取第四块样品放在打标机下进行扫描。多次扫描的不同之处是将扫描速度定为1mm/s时，在5个扫描电流下进行5组实验，依次对样品表面进行1次扫描，3次扫描，5次扫描，10次和30次扫描。每个圆点圆心之间的距离设置为1.5mm。

2.5 实验总结

通过对316L不锈钢的实验方案，用纳秒激光对不锈钢表面分别进行单次、多次的线性和圆点扫描，得到结论如下：

（1）通过纳秒脉冲激光对不锈钢的单次线性扫描实验，对其结果进行分析得到纳秒脉冲的扫描速度和扫描电流对加工效果都有影响。其他参数一定时，扫描速度越大，加工的深度越浅，表面脉冲数越少，表面飞溅物越少，加工的线宽越大，但速度大到一定值时，宽度不再增加趋于稳定；其他参数一定时，扫描电流越大，表面飞溅物越多，加工线宽越大。

（2）通过纳秒脉冲激光对不锈钢的多次线性扫描实验，对其结果进行分析得到扫描次数对加工效果有影响。扫描次数越多，加工的线宽，深度都越大，直线度也越好。

（3）通过纳秒激光对不锈钢的单次和多次圆点扫面实验，对其结果进行分析得到脉冲激光作用时，不锈钢表面出现熔化和汽化现象形成凹坑，凹坑的深度随着扫描电流、扫描次数的增加而增加。

综上所述，通过对不锈钢表面进行纳秒脉冲加工的过程，我们发现纳秒激光不同的扫描速度、扫描电流以和扫描次数都会对加工效果产生不同的影响，为了保证加工的精度和加工后效果，需要对参数进行优化组合，选择合适的加工速度、加工电流和加工次数进行加工。通过对实验的分析研究，我们可以发现加工速度应尽可能适中，加工电流应尽可能小，加工次数应尽可能少可以保证激光加工的质量，当然在实际加工中，可以通过需要对加工参数进行调节，以满足实际加工的需要。

参考文献：

振动辅助铣削加工仿生表面研究 篇4

自然界中的生物经过亿万年的进化,体表形成了许多适应自然环境的独特结构。对非光滑仿生表面的研究发现其在耐磨[1]、减阻[2]、脱粘[3]等方面具有独特的优势。目前仿生表面的制备常采用激光表面纹理加工[1,4]、压塑成形[5]等方法,这些方法基本能够获得工业需要的仿生表面,但仍存在加工成本高、加工复杂仿生表面困难等问题。

振动切削技术通过在常规的切削刀具或工件上施加可控振动,使刀具和工件发生间断性的接触,从而得到与传统切削方式不同的加工效果。相比于传统切削加工,振动切削具有提高表面质量、减小切削力等优势[6,7,8,9]。很多研究表明,振动辅助切削加工可以产生特殊表面形貌,如Gao等[10]通过实验发现超声振动切削可以加工出波纹状表面纹理,Adnan等[11]研究振动辅助正交切削时发现振动切削表面会出现沿振动方向的沟槽结构。由于振动产生的微结构会对表面质量造成影响,因此多数学者将其当作有害因素处理,将振动辅助切削加工方式应用到仿生表面制备的研究还比较少。

笔者以进给方向振动辅助铣削为研究对象,建立了刀尖运动方程,设计了仿真分析方案,探究将进给方向振动辅助铣削应用于仿生表面加工的可行性。

1 进给方向振动辅助铣削刀具和工件分离条件

振动辅助立铣刀铣削平面运动情况如图1 所示。图1 中,fz为每齿进给量,x0为进给方向施加单向振动的位移,θ 为未施加振动时任意时刻铣削速度方向与进给方向的夹角。进行微细加工时,铣削深度与铣刀直径之比非常小,可以忽略螺旋角的影响。

以进给方向为x轴正向,建立振幅为A,频率为f,初始相位为 φ 的进给方向振动方程:

传统铣削速度:

式中,vf为进给速度;n为主轴转速;r为刀具半径。

振动速度:

振动速度在切削速度方向上的分量:

传统铣削中,各切削刃在其工作段进行连续切削。施加单向振动后,单个切削刃速度为传统切削合速度(切削速度和进给速度的叠加) 和单向脉冲振动速度的叠加。进给速度相对于切削速度非常小,因此可以忽略进给速度对传统切削运动合速度的影响,即未施加振动时的切削合速度为πnr /30。振动切削运动合速度为

其中,cos(2πft + φ)cos(arctan(dy /dx)) 是以f为频率,以cos(arctan(dy /dx)) 为振幅的周期性振动,绝对值不大于1,如图2 所示。就单个切削刃进行分析,当nr/60 ≥ f A时,v始终无法出现负值,振动不会引起刀具与工件的分离。因此振动辅助单切削刃铣削刀具与工件分离的条件为nr/60 <f A,提高振动频率和振幅或减小主轴转速与刀具半径,有利于实现单个切削刃切削段刀具与工件的分离。

提高振动辅助铣削加工振动频率f,合速度方程中周期振动项的系数2πf A增大,合速度最大值增大,最小值减小,合速度曲线被“拉伸”;同时,周期振动项的高频振荡频率f增大,合速度曲线变“密集”。提高振动辅助铣削加工的振幅A,系数2πf A增大,合速度曲线亦被“拉伸”; 振幅A的变化不影响合速度曲线振动频率。选取主轴转速n= 1000 r / min,进给速度vf= 0. 5 mm / s,刀具半径r = 2 mm,初始相位角 φ = 0,给定不同振动参数,由MATLAB软件做出一个周期内的合速度曲线(基准直线为v = 0)。从图3、图4 可以看出,进给方向振动频率f和振幅A的提高均可引起切削合速度曲线的“拉伸”,使曲线下端逐渐超过基准值线,从而产生刀具与工件的分离。

上述分析仅针对单个切削刃,而实际铣削加工通常采用多刃铣刀,故本文采用双刃立铣刀进行分析。对双刃立铣刀施加进给方向的振动,定义振动频率f与主轴回转频率n /60 之比为 λ,每齿进给量fz与振幅A之比为 η,改变 λ 和 η 的取值,将获得不同的切削轨迹。η < 2 且 λ 不为偶数时,两切削刃轨迹相互交叠,可引起切削刃切削段刀具与工件的分离[12]。

2振动辅助铣削加工仿生表面仿真分析及验证

为验证振动辅助铣削加工仿生表面的可行性,运用MATLAB软件进行双刃立铣刀振动辅助铣削切削刃轨迹仿真,用实线和虚线分别表示两个切削刃轨迹。进行振动辅助铣削加工实验,将仿真结果与试验获得表面以及生物表面进行对比分析。

如图5 所示,试验装置概述如下:加工中心为DMU -70V,主轴转速范围为0 ~ 18 000 r / min,重复定位精度为 ± 1 μm;驱动电源为ZJS -1000;匹配换能器为YP -5020 -4Z,谐振频率为 ± 200 Hz;扫描电子显微镜为JSM -6380LA;刀具为硬质合金Ti Al N涂层双刃立铣刀,直径为2 mm,螺旋角为30°;工件材料为2A12,尺寸为20 mm × 18 mm × 6 mm,工件与超声振子通过螺纹连接。

根据前文分析,确定刀尖轨迹仿真试验数据如下:主轴转速n = 1000,3000,5000 r/min;每齿进给量fz= 2,4,6,8 μm; 振动频率f = 19. 58k Hz;振幅A = 0,4,7 μm。试验数据均满足双切削刃铣削刀具与工件分离条件,部分满足单切削刃铣削刀具与工件分离条件。

当振动频率和每齿进给量确定时,λ 越大,A越大,刀尖轨迹凸出部分越细长。λ 为奇数时,前一切削刃的波峰恰好与后一切削刃的波谷相交,最大交叠宽度为

η < 2 时,切削轨迹成网纹形,在切削力作用下,已加工表面形成有规律的沟槽和凸起;η = 2 时,两切削刃轨迹恰好相切,由于受到刀尖几何形状的影响,两切削刃切削区域仍有交叠,但交叠区域相比于 η < 2 时减小;η > 2 时,两切削刃轨迹不相交。

图6 ~ 图8 所示为主轴转速n = 1000 r/min,每齿进给量fz= 6 μm,振幅A = 7 μm时,仿真切削刃轨迹与加工表面形貌及鲨鱼皮表面形貌。鲨鱼皮表面分布有短小且基本平行的肋条状结构,该结构可以抑制和延缓湍流的发生,从而实现减阻。根据图7的加工参数计算得 λ = 1174.8,η = 0.86,刀具轨迹凸出部分较为细长,两切削刃轨迹有交叠,在此参数下,加工形成类似鲨鱼皮表面的肋条状结构。

(n=10 000 r/min,fz=6μm,A=7μm)

图9 ~ 图11 所示为主轴转速n = 5000 r/min,每齿进给量fz= 4 μm,振幅A = 4 μm时,仿真切削刃轨迹与加工表面形貌及金龙鱼表皮形貌。鱼类经过长期进化,形成了有利于减小水中游动摩擦阻力的体表结构。此外,很多典型土壤动物具有鳞片状外形,可以减小动物体表与土壤的黏附力[14]。根据图10 的加工参数计算得 λ = 234. 96,η = 1,刀具轨迹较为平缓,两切削刃轨迹有交叠,加工形成鱼鳞状表面。

(n=10 000 r/min,fz=6μm,A=7μm)

(n=10 000 r/min,fz=6μm,A=7μm)

(n=5000 r/min,fz=4μm,A=4μm)

(n=5000 r/min,fz=4μm,A=4μm)

图12 ~ 图14 为主轴转速n = 5000 r/min,每齿进给量fz= 8 μm,振幅A = 4 μm时,仿真切削刃轨迹与加工表面形貌及帘蛤表面的对比图。帘蛤为软体动物门双壳纲中的一种,外壳近圆形,壳表具有轮肋和放射肋交织成的网目颗粒。根据图13 的加工参数计算得 λ = 234. 96,η = 2,两切削刃轨迹基本相切,沿切削刃轨迹形成有规律的凸起,切削刃轨迹近似于帘蛤外壳的轮肋,凸起连接形成的基本垂直于切削刃轨迹的直线近似于放射肋。

(n=5000 r/min,fz=4μm,A=4μm)

(n=5000 r/min,fz=8μm,A=4μm)

(n=5000 r/min,fz=8μm,A=4μm)

(n=5000 r/min,fz=8μm,A=4μm)

表面微结构分布对生物表面性能有很大影响。为探究试验表面与生物表面在微结构分布上的相似性,本文运用MATLAB图像处理功能对图6 ~ 图14 所示的试验表面和生物表面进行分析,获得表面微结构分布的纵横比的对比结果。利用improfile函数获取生物表面沿纵向或横向的轨迹灰度图。灰度图中,微结构不同部位的亮度变化明显,峰最亮,谷最暗,因此可通过轨迹灰度图波峰之间的距离判断表面微结构之间的距离。金龙鱼表面纵向灰度变化规律不明显,可通过添加辅助线测定距离;鲨鱼皮表面横向距离长短不一,通过多位置测量取平均值确定。各个图片微结构分布纵横比的测量路线如图6 ~ 图14 所示。图15 为部分测量结果曲线。

试验表面与相应生物表面的微结构分布纵横比如表1 所示。其中,鱼鳞状试验表面相对于生物表面的纵横比差别最小,为0. 52% ;鲨鱼皮状试验表面相对于生物表面的纵横比差别最大,为10. 7% 。从测量结果看,试验表面与对应的生物表面的微结构分布纵横比相似,鲨鱼皮状试验表面与生物表面的相似度有待进一步提高。

3 结语

本文对进给方向振动辅助铣削加工仿生表面过程进行了运动学分析,得到了单个切削刃产生刀具和工件分离的条件,即转动角频率与刀具半径的乘积小于振动频率与振幅的乘积。

在满足刀具和工件分离条件的情况下,进行了沿进给方向施加振动辅助铣削刀尖轨迹的仿真分析和试验验证。将刀尖轨迹仿真图像与相同振动参数对应的振动辅助铣削试验结果,以及生物表面进行了对比分析,结果表明,振动辅助铣削表面和典型生物表面形貌具有相似性,证明振动辅助铣削加工技术在仿生表面加工领域应用是可行的。

摘要：为探究沿进给方向施加振动辅助铣削加工仿生表面形貌的可行性,通过数学计算获得了刀具与工件分离的条件。设计了仿真分析方案,将振动辅助铣削MATLAB仿真刀尖轨迹与实验加工表面以及典型生物表面形貌进行了对比分析。分析结果表明,振动辅助铣削表面形貌和典型生物表面形貌具有相似性,证明了振动辅助铣削加工技术在仿生表面加工领域应用的可行性。

表面加工 篇5

电火花线切割机按切割速度可分为高速走丝和低速走丝两种，低速走丝线切割机所加工的工件表面粗糙度和加工精度比高速走丝线切割机稍好，但低速走丝线切割机床的机床成本和使用成本都比较高，目前在国内还没有普及，而我国独创的高速走丝线切割机床它结构简单，机床成本和使用成本低，易加工大厚度工件，经近40年发展，已成为我国产量最大，应用最广泛的机床种类之一，在模具制造、新产品试制和零件加工中得到了广泛应用。

由于高速丝线切割机是采取线电极高速往复供丝的方式，线电极的损耗均匀地分布在近300米电极丝上，虽然电极丝的损耗极小，但电火花线切割机工作时影响其加工工件表面质量的因素很多，更需要对其有关加工工艺参数进行合理选配，才能保证所加工工件表面质量。

对线切割加工质量有直接影响的因素主要涉及人员、设备、材料等方面。为了改善加工工件表面质量，可以从影响最大的人为因素、机床因素和材料因素等三方面来考虑对加工质量的控制方式和改进方法。笔者在教学、科研和生产实践中对影响线切割加工工件表面质量的相关因素方面做了一些探索和研究，积累了少许行之有效的工作经验，现介绍如下。

一 影响线切割加工工件表面质量的人为因素的控制与改善

人为因素的控制与改善主要包括加工工艺的确定和加工方法的选择，这可以通过以下几点来实现：

（1）合理安排切割路线。该措施的指导思想是尽量避免破坏工件材料原有的内部应力平衡，防止工件材料在切割过程中因在夹具等的作用下，由于切割路线安排不合理而产生显著变形，致使切割表面质量下降。例如：工件与其夹持部分的分离应安排在最后，使加工中刚性较好。如下图，其中a为错误的切割路线，b为正确的切割路线。

(2)正确选择切割参数。对于不同的粗、精加工，其丝速和丝的张力应以参数表为基础作适当调整，为了保证加工工件具有更高的精度和表面质量，可以适当调高线切割机的丝张力，虽然制造线切割机床的厂家提供了适应不同切割条件的相关参数，但由于工件的材料、所需要的加工精度以及其他因素的影响，使得人们不能完全照搬书本上介绍的切割条件，而应以这些条件为基础，根据实际需要作相应的调整。例如若要加工厚度为27mm的工件，则在加工条件表中找不到相当的情况，这种条件下，必须根据厚度在20mm～30mm间的切割条件做出调整，主要办法是：加工工件的厚度接近哪一个标准厚度就选择其为应设定的加工厚度。

(3)采用近距离加工。为了使工件达到高精度和高表面质量，根据工件厚度及时调整丝架高度，使上喷嘴与工件的距离尽量靠近，这样就可以避免因上喷嘴离工件较远而使线电极振幅过大影响加工工件的表面质量。

(4)注意加工工件的固定。当加工工件即将切割完毕时，其与母体材料的连接强度势必下降，此时要防止因加工液的冲击使得加工工件发生偏斜，因为一旦发生偏斜，就会改变切割间隙，轻者影响工件表面质量，重者使工件切坏报废，所以要想办法固定好被加工工件。

二 影响线切割加工工件表面质量的机床因素的控制与改善

高速走丝电火花线切割机属于高精度机床，机床的维护保养非常重要，因为加工工件的高精度和高质量是直接建立在机床的高精度基础上的，因此在每次加工之前必须检查机床的工作状态，才能为获得高质量的加工工件提供条件。需注意的环节和应采取的措施如下：

?(1)在加工前，必须检查电极丝，电极丝的张力对加工工件的表面质量也有很大的影响，加工表面质量要求高的工件，应在不断丝的前提下尽可能提高电极丝的张力。 ?(2)高速走丝线切割机一般采用乳化油与水配制而成的工作液。火花放电必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行，工作液的绝缘性能可使击穿后的放电通道压缩，从而局限在较小的通道半径内火花放电，形成瞬时和局部高温来熔化并气化金属，放电结束后又迅速恢复放电间隙成为绝缘状态。绝缘性能太低，则工作液成了导电体，而不能形成火花放电；绝缘性能太高，则放电间隙小，排屑难，切割速度降低。加工前要根据不同的工艺条件选择不同型号的乳化液。再者必须检查与冷却液有关的条件，检查加工液的液量及赃污程度，保证加工液的绝缘性能、洗涤性能、冷却性能达到要求。

?(3)必须检查导电块的磨损情况。高速走丝线切割机一般在加工了50～80小时后就须考虑改变导电块的切割位置或者更换导电块，有脏污时需用洗涤液清洗。必须注意的是：当变更导电块的位置或者更换导电块时，必须重新校正电极丝的垂直度，以保证加工工件的精度和表面质量。

?(4)检查导轮的转动情况，若转动不好则应更换，还必须仔细检查上、下喷嘴的损伤和脏污程度，用清洗液清除脏物，有损伤时需及时更换。还应经常检查贮丝筒内丝的情况，丝损耗过大就会影响加工精度及表面质量，需及时更换。此外，导电块、导轮和上、下喷嘴的不良状况也会引起线电极的振动，这时即使加工表面能进行良好的放电，但因线电极振动，加工表面也很容易产生波峰或条纹，最终引起工件表面粗糙度变差。

(5)保持稳定的电源电压。电源电压不稳定会造成电极与工件两端不稳定，从而引起击穿放电过程不稳定而影响工件的表面质量。

三 影响线切割加工工件表面质量的材料因素的控制与改善

为了加工出尺寸精度高、表面质量好的线切割产品，必须对所用工件材料进行细致考虑：

(1)由于工件材料不同，熔点、气化点、导热系数等都不一样，因而即使按同样方式加工，所获得的工件表面质量也不相同，因此必须根据实际需要的表面质量对工件材料作相应的选择。例如要达到高精度，就必须选择硬质合金类材料，而不应该选不锈钢或未淬火的高碳钢等，否则很难达到所需要求。(2)由于工件材料内部残余应力对加工的影响较大，在对热处理后的材料进行加工时，由于大面积去除金属和切断加工会使材料内部残余应力的相对平衡受到破坏，从而可能影响零件的加工精度和表面质量。为了避免这些情况，应选择锻造性好、淬透性好、热处理变形小的材料。

(3)加工过程中应将各项参数调到最佳状态，以减少断丝现象。如果发生断丝势必会回到起始点，重新上丝再次进行加工，使加工工件表面质量和加工精度下降。在加工过程中还应注意倾听机床发出的声音，正常加工的声音应为很光滑的“哧-哧”声。同时，正常加工时，机床的电流表、电压表的指针应是振幅很小，处于稳定状态，此时进给速度均匀而且平稳。

浅析影响机械加工表面质量的因素 篇6

【关键词】机械 性能 表面 粗糙度

中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：1003-8809（2010）12-0033-01

随着工业技术的飞速发展,机器的使用要求越来越高,一些重要零件在高压力、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、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。

一、机械加工表面质量对机器使用性能的影响

表面质量对零件的耐磨性,配合精度,疲劳强度、抗腐蚀性,接触刚度等使用性能都有很大的影响。

1、表面质量对零件耐磨性的影响

零件的耐磨性主要与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关。在这些条件已确定的情况下,零件的表面质量就起着决定性的作用。零件的磨损过程,通常分为三个阶段:摩擦副刚开始工作时,磨损比较明显,称为初期磨损阶段(一般称为走合期) 。经初期磨损后,磨损缓慢均匀,进入正常磨损阶段。当磨损达到一定程度后,磨损又突然加剧,导致零件不能正常工作,称为急剧磨损阶段。

（1）最佳表面粗糙度

表面粗糙度逐渐减小,实际接触面积增大,磨损也随之逐步减小,就进入正常磨损阶段。摩擦副的原始粗糙度过小,紧密接触的两金属表面分子间产生较大的亲和力,润滑油被挤去,造成润滑条件恶化,使表面容易咬焊,因而初期磨损也较大。随着走合过程的进行,表面粗糙度有所增大,磨损也随之有所减小。

二、 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。

3、 切削用量

以较高的切削速度切削塑性材料，减小进给量可以提高表面光洁度。

4、 磨削加工影响表面粗糙度的因素

象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；(2)砂轮的硬度；(3)砂轮的修整；(4)磨削速度；(5)磨削径向进给量与光磨次数；(6)工件圆周进给速度与轴向进给量；(7)冷却润滑液。

三、 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。

1、 表面层冷作硬化

（1） 冷作硬化及其评定参数

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。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。

2、 表面层材料金相组织变化

当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后，表层金属的金相组织将会发生变化。

（1） 磨削烧伤

当被磨工件表面层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。

（2） 改善磨削烧伤的途径

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地产生；二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。

3、 表面层残余应力

产生残余应力的原因：

（1）切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生，使表面金属的比容加大。由于塑性变形只在表层金属中产生，而表层金属的比容增大，体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止，因此就在表面金属层产生了残余应力，而在里层金属中产生残余拉应力。

（2）切削加工中，切削区会有大量的切削热产生。

（3）不同金相组织具有不同的密度，亦具有不同的比容。如果表面层金属产生了金相组织的变化，表层金属比容的变化必然要受到与之相连的基体金属的阻碍，因而就有残余应力产生。

零件主要工作表面最终工序加工方法的选择：零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。

四、 结论

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。

参考文献：

［1］杨叔子.机械加工工艺师手册［Ｍ］.机械工业出版社.

机械加工表面质量控制研究 篇7

1 机械加工表面质量对机器使用性能的影响

表面质量对零件的耐磨性, 配合准确度, 疲劳强度、抗腐蚀性, 接触刚度等使用性能都有很大的影响。零件的耐磨性主要与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关。在这些条件已确定的情况下, 零件的表面质量就起着决定性的作用。零件的磨损过程, 磨损缓慢均匀, 进入正常磨损阶段。当磨损达到一定程度后, 磨损又突然加剧, 导致零件不能正常工作, 称为急剧磨损阶段。在干摩擦或半干摩擦情况下, 摩擦副表面的初期磨损与表面粗糙度有很大关系。摩擦副表面有一个最佳粗糙度, 过大或过小的粗糙度都会使初期磨损增大。摩擦副的原始粗糙度太大, 开始时两表面仅仅是若开凸峰相接触, 实际接触面积小于名义接触面积, 接触部分的实际压强很大, 破坏了润滑油膜, 接触的凸峰处形成局部干摩擦, 因而接触部分金属的挤裂、破碎、切断等作用都较强, 磨损也就较大。随着走合期过程的进行, 表面粗糙度逐渐减小, 实际接触面积增大, 磨损也随之逐步减小, 就进入正常磨损阶段。

摩擦副的原始粗糙度过小, 紧密接触的两金属表面分子间产生较大的亲和力, 润滑油被挤去, 造成润滑条件恶化, 使表面容易咬焊, 因而磨损也大。随着走合过程的进行, 表面粗糙度有所增大, 磨损也随之有所减小。当表面粗糙度等于最佳粗糙度时进入正常磨损阶段。所以, 在初期磨损阶段因走合而使表面粗糙度自动适应最佳值。摩擦表面的最佳粗糙度视不同材料和工作要件而异, 一般大致在V0.8~0.4左右。对于完全润滑, 金属表面完全不接触, 由一层油膜隔开, 因此要求摩擦副表面粗糙度应不破坏油膜, 粗糙度越小, 允许的油膜越薄, 承载能力越大, 则表面粗糙度越小越有利。

2 影响表面粗糙度的因素

2.1 工件材料的性质

加工塑性材料时, 由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, 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。

2.2 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、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程度, 合理选择润滑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。

2.3 磨削加工影响表面粗糙度的因素

如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:a.砂轮的粒度;b.砂轮的硬度;c.砂轮的修整;d.磨削速度;e.磨削径向进给量与光磨次数;f.工件圆周进给速度与轴向进给量;g.冷却润滑。

3 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三项物理机械性能的变化会很大。

3.1 表面层冷作硬化

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, 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。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。

3.2 表面层残余应力

产生残余应力的原因:切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生, 使表面金属的比容加大。由于塑性变形只在表层金属中产生, 而表层金属的比容增大, 体积膨胀, 不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止, 因此就在表面金属层产生了残余应力, 而在里层金属中产生残余拉应力。切削加工中, 切削区会有大量的切削热产生。不同金相组织具有不同的密度, 亦具有不同的比容。如果表面层金属产生了金相组织的变化, 表层金属比容的变化必然要受到与之相连的基体金属的阻碍, 因而就有残余应力产生。

3.3 表面层材料金相组织变化

当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后, 表层金属的金相组织将会发生变化。当被磨工件表面层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地产生;二是改善冷却条件, 尽量使产生的热量少传入工件。

4 结论

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、抗腐蚀性能及准确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。

参考文献

[1]机械加工工艺师手册[M].北京:机械工业出版社.

表面加工 篇8

关键词：弧面凸轮,等温挤压,电解研磨,复合加工,电火花加工

0 引言

随着连续分度弧面凸轮机构在数控机床、包装机械等高速自动化设备上的广泛应用,越来越显示出其在高速间歇机构上高效率、高精度、高平稳性等多方面的优势。然而,弧面分度凸轮机构制造的关键是弧面分度凸轮的制造,弧面凸轮的生产已成为弧面分度凸轮机构广泛应用的瓶颈。弧面凸轮等温成形模具型腔加工,尤其是HALF凹模型腔表面的加工质量直接影响到弧面凸轮毛坯的成形效率和弧面凸轮毛坯温锻成形工艺模具的使用寿命。

1 弧面凸轮毛坯制造工艺分析

1.1 等温模锻近似净形工艺

等温模锻工艺是将金属毛坯加热到再结晶温度以下某个适当的温度的先进成形技术。温锻对于高合金钢、高强度材料等变形拉力高、加工困难的材料,只要工艺因素控制得当,模具寿命也不会降低,而且对于冷挤压适用的低碳钢,也颇为适用。如图1为一连续传动弧面凸轮的轴剖面图,因弧面凸轮结构的特殊性,采用无切屑的净形工艺则其倒扣部分不可出模,故采取在倒扣部位添加敷料的近似净形温锻成形工艺方法。

1.2 温锻模具结构

弧面凸轮温锻模具结构如图2所示。在结构上,内凹模采用如图3所示的HAIL模结构,内凹模与外凹模之间以T形斜面接触,卸料时内凹模以斜面为运动轨迹而保证不会与外凹模脱离接触而悬空。加热器8保证凹模温度稳定在一定范围内,利用上模压杆7和下模压杆16同时上下用力的方式以成形。

1.进水品2.冷却套3.导套4.导柱5.绝热材料6.上模压杆座7.上模压杆8.加热器9.预紧套10.外凹模11.下模板12.上垫板13.绝热材料14.下垫板15.预杆16.下模压杆17.内凹模18.凸轮毛坯19.固定套

2 HALF凹模型腔的加工

在弧面凸轮毛坯等温挤压工艺中,因凹模型腔表面处在腐蚀介质、交变载荷以及高温状态下工作,其表面的失效主要是以腐蚀破坏、磨损为主。模具的表面质量对模具的使用寿命起着关键性的作用,为保证凹模挤压工艺中有足够的使用寿命,在模具加工中,凹模型腔内表面粗糙度尽可能达到镜面效果。

2.1 电火花成形加工前的准备

所有特种加工方法的电极加工都是采用机械加工方法制得。因弧面凸轮轮廓为复杂而不可展开的空间曲面,其在进行电火花加工以前,首先采用Pro/E软件对弧面凸轮毛坯造型,自动生成加工程序,然后在五轴联动的数控加工中心上对电极进行成形加工。

同时,因电火花成形加工方法效率很低,考虑整个加工的生产效率,凹模型腔粗加工时的绝大部分余量也匀采用在五轴联动的数控加工中心上,用球头铣刀进行机械切削。

2.2 电火花加工(EDM)

采用电火花加工技术加工型腔表面时,在当极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电,电蚀出一个个小凹坑,加工出所需零件的整个表面由无数个小凹坑组成,如图4所示。工件表面材料因火花放电时的瞬时高温熔化后大部分被抛出,小部分滞留在已加工表面易形成的熔化凝固层(再铸层)和热影响或微裂纹等表面缺陷。表面缺陷的存在,大大降低了模具的使用寿命,必须采用表面抛光的方法进行去除。

目前,注射模、锻模等凹凸模的型面的抛光,大多数还依赖手工进行,抛光时间占模具整个制造周期的1/3左右,无法从根本上缩短模具的制造周期。在此,因弧面凸轮轮廓为复杂而不可展开的空间曲面,故型腔内表面加工,首先利用成型电极通过电火花成形加工对其表面进行粗加工,然后采用电解研磨复合加工技术对模具表面进行镜面精加工。

2.3 电解研磨复合加工技术

电解研磨复合加工就是在机械研磨的同时,引入电化学阳极溶解过程,工件与工具电极分别与直流电源的正、负极相联。通电时,两极间发化学反应,工件表面金属溶解并生成一层钝化膜,从而使工件表面微观不平度的波谷在钝化膜的保护下不会继续溶解,而波峰处的钝化膜被磨粒刮除露出新鲜金属并再次生成钝化膜,这样随着波峰处钝化膜的不断刮除即可得到镜面效果的模具表面。

2.3.1 工作原理

电解研磨复合加工是借助电解作用和机械磨削作用相结合进行加工的。其工作原理如图5所示:导电研磨头4通过工具电极5、摆动轴6和电刷7接电源的负极,工件2与电源的正极相联形成回路,工件(阳极)表面的金属发生电解作用(电化学腐蚀),被氧化成为一层极薄的钝化膜,又称为阳极薄膜。工件2与电极4间通有流动磨料,工具阴极只包覆弹性合成无纱布,极细的磨料则悬浮在电解液中,研磨头4在F力的作用下,通过摆动轴6的往复摆动,刚形成的钝化膜迅速被磨料刮除,在阳极工件上又露出新的金属表面并继续溶解。这样,电解作用和刮除薄膜的磨削作用交替进行,随着研磨头的不断进给,工件不断被蚀除,直至达到加工要求。

2.3.2 电解加工的电极反应

以WC-Co系硬质合金材料来分析加工表面质量。电解采用腐蚀能力较弱的NaNO3钝化电解液,以有利于阳极钝化膜的形成,提高形成精度并有利于设备的防锈防蚀。其电极反应过程:

3 结论

通过合理选取工作电压、电解液浓度、磨头的进给速度和单次磨削量等工艺参数,采用电解研磨复合加工技术,在有效去除电火花加工残留表面缺陷层的基础上,可获得表面粗糙度Ra0.25μm以下镜面效果的复杂内凹模型腔表面,解决了复杂不可展开成形表面的抛光问题,改变传统手工抛光工艺,大大降低了劳动强度,缩短模具制造周期,使弧面凸轮毛坯等温挤压HALF凹模的使用寿命大大延长,有利于连续分度弧面凸轮机构在高速自动化设备上的广泛推广。此加工方法在改变电火花成型电极的前提下,同样也适应其他复杂空间曲面模具凹模型腔的加工。

参考文献

[1]张海筹，胡自化．弧面凸轮毛坯制造方法探讨——温锻成形[J]．热加工工艺，2005，11：77-82．

[2]张海筹．弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化[D]．湖南：湘潭大学，2005，12．

[3]余承业，等．特种加工新技术[M]．北京：国防工业出版社，1995．

[4]孙永安，李县辉，张永乾．硬质合金的电解磨削加工[J]．轴承，2002(2)：18-20．

影响机械加工表面质量的因素 篇9

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、受到外界介质的腐蚀或疲劳破坏。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, 机器的使用要求越来越高, 一些重要零件在高压力、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、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 机械加工表面质量对机器使用性能的影响

表面质量对零件的耐磨性, 配合精度, 疲劳强度、抗腐蚀性, 接触刚度等使用性能都有很大的影响。

1.1 表面质量对零件耐磨性的影响

零件的耐磨性主要与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关。在这些条件已确定的情况下, 零件的表面质量就起着决定性的作用。零件的磨损过程, 通常分为三个阶段:摩擦副刚开始工作时, 磨损比较明显, 称为初期磨损阶段 (一般称为走合期) 。经初期磨损后, 磨损缓慢均匀, 进入正常磨损阶段。当磨损达到一定程度后, 磨损又突然加剧, 导致零件不能正常工作, 称为急剧磨损阶段。

1.1.1 最佳表面粗糙度

在干摩擦或半干摩擦情况下, 摩擦副表面的初期磨损与表面粗糙度有很大关系。摩擦副表面有一个最佳粗糙度, 过大或过小的粗糙度都会使初期磨损增大。摩擦副的原始粗糙度太大, 开始时两表面仅仅是若开凸峰相接触, 实际接触面积小于名义接触面积, 接触部分的实际压强很大, 破坏了润滑油膜, 接触的凸峰处形成局部干摩擦, 因而接触部分金属的挤裂、破碎、切断等作用都较强, 磨损也就较大。随着走合期过程的进行。表面粗糙度逐渐减小, 实际接触面积增大, 磨损也随之逐步减小, 就进入正常磨损阶段。

摩擦副的原始粗糙度过小, 紧密接触的两金属表面分子间产生较大的亲和力, 润滑油被挤去, 造成润滑条件恶化, 使表面容易咬焊, 因而初期磨损也较大。随着走合过程的进行, 表面粗糙度有所增大, 磨损也随之有所减小。当表面粗糙度等于最佳粗糙度时进入正常磨损阶段。所以, 在初期磨损阶段因走合而使表面粗糙度自动适应最佳值。摩擦表面的最佳粗糙度视不同材料和工作要件而异, 一般大致在V0. 8～V0. 4左右。对于完全液体润滑, 金属表面完全不接触, 由一层油

膜隔开, 因此要求摩擦副表面粗糙度应不刺破油膜, 粗糙度越小, 允许的油膜越薄, 承载能力越大, 则表面粗糙度越小越有利。

2 影响表面粗糙度的因素

2.1 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。

2.2 工件材料的性质

加工塑性材料时, 由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。

2.3 切削用量

以较高的切削速度切削塑性材料, 减小进给量可以提高表面光洁度。

2.4 磨削加工影响表面粗糙度的因素

象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; (2) 砂轮的硬度; (3) 砂轮的修整; (4) 磨削速度; (5) 磨削径向进给量与光磨次数; (6) 工件圆周进给速度与轴向进给量; (7) 冷却润滑液。

3 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。

3.1 表面层冷作硬化

3.1.1 冷作硬化及其评定参数

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。

3.1.2 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。

3.2 表面层材料金相组织变化

当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后, 表层金属的金相组织将会发生变化。

3.2.1 磨削烧伤

当被磨工件表面层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.

3.2.2 改善磨削烧伤的途径

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地产生;二是改善冷却条件, 尽量使产生的热量少传入工件。

3.3 表面层残余应力

产生残余应力的原因:

(1) 切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生, 使表面金属的比容加大。由于塑性变形只在表层金属中产生, 而表层金属的比容增大, 体积膨胀, 不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止, 因此就在表面金属层产生了残余应力, 而在里层金属中产生残余拉应力。

(2) 切削加工中, 切削区会有大量的切削热产生。

(3) 不同金相组织具有不同的密度, 亦具有不同的比容。如果表面层金属产生了金相组织的变化, 表层金属比容的变化必然要受到与之相连的基体金属的阻碍, 因而就有残余应力产生。

零件主要工作表面最终工序加工方法的选择:

零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。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。

4 结论

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。

摘要：大部分的机械设备零件的破坏, 总是从零件表面开始的。产品的性能, 特别是它的可靠性和耐久度, 在很大程度上决定于零件表面层的质量。研究机械加工表面质量, 其目的就是为了掌握机械加工中各个工艺对加工表面质量影响的规律, 以便利用这些规律来控制加工过程, 最终达到改善产品质量、增强产品使用性能的目的。

关键词：机械,性能,表面,粗糙度

参考文献

[1]杨叔子.机械加工工艺师手册[M].机械工业出版社.

影响机械加工表面质量的因素 篇10

1 机械加工表面质量对机器使用性能的影响

表面质量对零件的耐磨性, 配合精度, 疲劳强度、抗腐蚀性, 接触刚度等使用性能都有很大的影响。

零件的耐磨性主要与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关。在这些条件已确定的情况下, 零件的表面质量就起着决定性的作用。零件的磨损过程, 通常分为三个阶段:摩擦副刚开始工作时, 磨损比较明显, 称为初期磨损阶段 (一般称为走合期) 。经初期磨损后, 磨损缓慢均匀, 进入正常磨损阶段。当磨损达到一定程度后, 磨损又突然加剧, 导致零件不能正常工作, 称为急剧磨损阶段。

在干摩擦或半干摩擦情况下, 摩擦副表面的初期磨损与表面粗糙度有很大关系。摩擦副表面有一个最佳粗糙度, 过大或过小的粗糙度都会使初期磨损增大。摩擦副的原始粗糙度太大, 开始时两表面仅仅是若开凸峰相接触, 实际接触面积小于名义接触面积, 接触部分的实际压强很大, 破坏了润滑油膜, 接触的凸峰处形成局部干摩擦, 因而接触部分金属的挤裂、破碎、切断等作用都较强, 磨损也就较大。随着走合期过程的进行。表面粗糙度逐渐减小, 实际接触面积增大, 磨损也随之逐步减小, 就进入正常磨损阶段。

摩擦副的原始粗糙度过小, 紧密接触的两金属表面分子间产生较大的亲和力, 润滑油被挤去, 造成润滑条件恶化, 使表面容易咬焊, 因而初期磨损也较大。随着走合过程的进行, 表面粗糙度有所增大, 磨损也随之有所减小。当表面粗糙度等于最佳粗糙度时进入正常磨损阶段。所以, 在初期磨损阶段因走合而使表面粗糙度自动适应最佳值。摩擦表面的最佳粗糙度视不同材料和工作要件而异, 一般大致在V0.8~V0.4左右。对于完全液体润滑, 金属表面完全不接触, 由一层油膜隔开, 因此要求摩擦副表面粗糙度应不刺破油膜, 粗糙度越小, 允许的油膜越薄, 承载能力越大, 则表面粗糙度越小越有利。

2 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。

加工塑性材料时, 由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。

以较高的切削速度切削塑性材料, 减小进给量可以提高表面光洁度。

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; (2) 砂轮的硬度; (3) 砂轮的修整; (4) 磨削速度; (5) 磨削径向进给量与光磨次数; (6) 工件圆周进给速度与轴向进给量; (7) 冷却润滑液。

3 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。

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。

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H V、硬化层深度h和硬化程度N。

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。

当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后, 表层金属的金相组织将会发生变化。

当被磨工件表面层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。

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地产生;二是改善冷却条件, 尽量使产生的热量少传入工件。

零件主要工作表面最终工序加工方法的选择:

零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。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。

由于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, 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。

参考文献

[1]杨叔子.机械加工工艺师手册[M].机械工业出版社.[1]杨叔子.机械加工工艺师手册[M].机械工业出版社.

影响机械加工表面质量的原因分析 篇11

关键词：机械加工表面质量影响原因分析

中图分类号：TH11文献标识码：A文章编号：1007-3973(2010)012-029-02

评价一个机械零件质量的是否合格，其指标除加工精度以外，还有一个比较关键的因素就是机械加工表面的质量如何。而机械零件加工表面的质量，主要是指机械零件经过机械加工以后，其表面层的状态如何。但在机械零件加工过程中，有许多影响机械加工表面质量的因素，对这些因素进行分析研究，不仅有利于在机械加工过程中尽快掌握各种因素对机械加工表面质量的影响规律，而且有利于进一步提高机械零件的质量和效率。笔者结合自身工作的实际以及淮安地区机械制造业的基本现状，对影响机械加工表面质量的原因进行深入探讨，并提出有针对性的对策措施。

1机械加工表面质量的涵义及重要意义

所谓机械加工表面质量，又称为机械加工表面完整性。机械零件的加工质量不仅包括加工精度，而且还包括机械加工表面质量等，它是机械零件加工以后其表面层状态完整性的表现特征。机械零件加工以后，其表面一般都存在一定程度的微观几何形状方面的偏差，其表面层物理方面的性能也跟着发生一定程度的变化。由此可见，机械零件加工的表面质量还应该包括加工表面的几何特征和表面层物理性能等方面的内容。

机械零件加工表面质量作为机械加工精度与质量的重要组成部分之一，其表面质量一般是指机械加工后零件表面层的微观几何结构及表层金属材料性质发生变化的具体表现形式。经过机械零件加工以后，机械零件的表面一股都不是比较理想的光滑表面，而是存在着一定程度的粗糙、裂缝、皱纹等缺陷特征。这些表面缺陷特征，看似只有极薄的一层，实际上对机械零件加工过程及其使用性能等，都会产生很大程度的影响。一般情况下，机械零件的磨损、腐蚀和破坏等，都是先从机械零件的表面开始的，特别是现代化工业发展极为迅速的今天，各种生产加工机器逐步向高速化、精细化、多元化方向发展，机械零件一般都是在高温、高压、高速等条件下加工和生产，因而其表面层的任何缺陷特征都可能会影响机械零件的质量和效率。所以，我们必须高度重视和逐步提高机械零件加工的表面质量。

2影响机械加工表面质量的原因探析

2.1加工精度对机械加工表面质量的影响

机械零件加工的表面质量是保证机械产品质量的前提和基础，其加工质量主要包括机械零件的加工精度以及加工表面质量两个方面。所谓机械加工精度，就是指机械零件加工以后的实际尺寸、形状以及表面的位置等同标准参数的吻合程度。通常情况下，吻合程度越高，则表示加工精度越高，机械零件的表面质量就越好。实际上，在机械零件加工过程中，由于种种原因，一般都会产生加工误差。而加工精度与加工误差就是从两个不同角度来评价机械零件加工的表面质量如何的重要指标。加工精度的高低一般都是通过加工误差的大小反映出来的。因此，要提高机械零件加工表面质量，就需要我们着力提高加工精度，不断降低加工误差。而机械零件的加工精度则尺寸精度、形状精度以及位置精度三个方面的具体内容，三者之间是相互联系、相互影响的关系。当尺寸精度要求比较高时，则相应的位置精度和形状精度的要求也就比较高。但当对形状精度要求比较高时，则不一定对位置精度和尺寸精度的要求比较高，这需要根据机械零件加工的具体功能、标准以及要求来确定，一般情况下，机械零件的加工精度越高，则其加工成本相对越高，生产率相对越低。所以，我们必须根据机械零件的具体要求与标准，科学合理地规定机械零件的加工精度，并在此基础上不断提高劳动生产率和逐步降低生产成本。

2.2原始误差对机械加工表面质量的影响

机械零件加工过程中，夹具、刀具、机床以及加工工件构成了一个完整的系统，我们称之为机械零件加工工艺系统。产生加工误差的直接因素就是由于在加工过程中，工艺系统、加工技术、手段等存在诸多原因，我们一般统称为原始误差。原始误差一般都会对机械加工表面质量产生极为严重的影响，因此，我们必须积极采取有效措施，尽量减少原始误差，进而不断提高机械零件加工的表面质量。一般情况下，在机械零件加工过程中，所产生的原始误差主要包括以下几种；一是原理误差，主要由于采用了相近的成形运动或者相似的刀刃轮敦等而产生的误差。二是调整误差，主要是在使用刀具、工件等时，由于调整不能绝对准确，因而产生了调整误差。在大批量生产时，我们一般主要采用调整法加工。这时，就会产生调整误差，此外，还与调整方法、测量技术等有。三是测量误差，主要与测量仪具、原理、精度、条件以及技术水平等有关。四是夹具制造误差，主要是指夹具定位、导向、刀具等元件和分度机构以及夹具体等的加工误差。而夹具装配以后，各种元件之间的尺寸、位置以及夹具在使用过程中工作表面具有一定程度的磨损，进而产生了误差，必然影响着机械零件的表面质量。五是制造误差和摩擦，加工刀具对加工精度的影响，一般是随着加工刀具的种类不同而不同，其尺寸精度直接影响着机械零件的尺寸精度，而加工刀具的形状、安装等都将直接影响着零件的形状与精度，也直接影响着零件的表面质量。六是机床制造、安装误差与磨损。机床误差是造成机械零件加工误差的主要原因，主要包括机床主轴回转误差、导轨导向误差、内联系转动链的传动误差以及主轴、导轨间的位置关系误差等方面。这些都是影响加工精度的主要误差来源，也是影响机械零件加工表面质量的主要因素。七是工艺系统受力变形，进行切削加工时，由于刀具、夹具、机床等工件组成的工艺系统在切削力、加紧力及重力等作用下，一般都会产生相应的变形，使得刀具与工件产生了一定的加工误差。此外，工艺系统受切削热、摩擦热、温度等影响将产生变形，使工件和刀具间的正确相对位置遭到破坏，进而产生了加工误差。一般情况，热变形对加工精度的影响比较大，特别是精密加工。

2.3切削力和切削热对机械加工表面质量的影响

在机械零件切削加工过程中，零件一般会由于受到切削力以及切削热的作用，其表面物理机械性能会跟着产生变化，其中最主要的变化就是机械零件的表面层硬度、湿度以及其组织结构、残余作用力等的变化。磨削加工所产生的变形、切削热以及影响，都比刀刃切削时更为严重和突出，因此，在磨削加工以后，机械加工零件表面机械性能的变化一般比较大。此外，机械加工表层冷却硬化，也会对机械加工表面质量产生影响。在机械加工过程中，一般会因为切削力的作用，进而产生一定的变形，使得零件发生扭曲、畸变等，甚至会产生破裂等，这些都会使得机械加工零件的表面硬度、强度等发生改变，

这种现象通常称为冷却硬化。表面冷却硬化的结果就是会极大地增大零件变形的阻力，进而使得了零件的物理性能也跟着发生了变化。而且在机械加工过程中，由于受到切削力与切削热的作用，加工以后的机械零件表层的性能主要取决于所受切削力与切削热的作用。一般情况下，切削速度越大，刀具与零件的作用时间就越短，其变形扩展深度也就越小，冷硬层深度也越小。但是当切削速度加快以后，切削热会在零件表面层作用时间大大缩短，必然就使得了其冷硬程度大大增加。当切削热的温度超过一定界限以后，机械加工零件的表层材料组织会发生变化，进而影响了其表面质量。

3提高机械加工表面质量的对策探讨

3.1减小残余作用力，降低切削热的影响，提高机械加工的表面质量

对机械加工零件的使用性能，危害最为严重的残余作用力、磨削、烧伤以及裂纹等引起的磨削热。因此，我们要把怎样降低磨削热并逐步减少其严重影响作为是机械加工中的一个重要议题，积极采取加速磨削热的传出以及减少磨削热的发生等方式认真加以研究解决和落实。一个方面，需要我们选择合理的磨削参数。为直接减少磨削热的产生，可以进一步降低磨削区域的温度，并科学合理地选择磨削参数。但是，这样一般会造成机械加工零件的表面粗糙程度增大的矛盾。另一方面，我们也可以通过选择合理有效的冷却方法，进而实现更好地对机械加工磨削液进行快速冷却。

3.2采取冷压强化加工技术，提高机械加工的表面质量

采取冷压强化加工技术，可以不断提高机械加工的表面质量。对于承受高应力、交变负荷等的零件，我们可以采用液压、挤压、喷丸等表面强化加工工艺技术，使得其表层产生残余作用力和冷硬层，并逐步降低其表面的粗糙程度，进而不断提高了机械加工零件的耐疲劳强度以及抗腐蚀性能等。实际上，我们通常采用最多的是滚压和喷丸两种方式。所谓滚压，就是运用工具制成的钢滚轮或者钢珠在机械加工零件上进行滚压的技术措施。所谓喷丸，就是一种采用空气压缩或者离心力的作用，将大量直径细小的钢丸、玻璃丸等，以很快的速度向机械零件表面喷射的技术方法。

3.3采用精细加工技术，健全机械加工技术，不断提高机械加工的表面质量

一方面，要积极采用精细加工技术。通常情况下，精细加工技术主要有高速精镗、高速精车、宽刃精刨以及细密磨削等方法措施，对此，我们必须结合实际因地制宜地选择使用。另一方面，认真采取光整加工技术。这是因为光整加工技术是一种利用粒度极为精细的磨料，对机械加工零件表面进行微量切削、挤压以及擦光的方法措施。采用光整加工技术的优点就是在没有与磨削深度相对应的磨削参数时，一般都只要求机械零件加工过程中很低的单位切削压力。由此可见，在机械零件加工过程中，所产生切削力以及切削热都比较小，因而获得的表面粗糙程度比较低，其表层一般不会产生热损伤现象，并且还产生了一定的残余作用力。所以，在机械零件加工中，由于所使用的加工工具一般都是浮动连接，而因为加工面自身导向、相对于零件的定位基准没有确切的位置、使用的机床也没有具有比较精确的成形运动等，因而就可以不断降低机械加工零件表面的粗糙程度，我们一般都可以纠正其形状以及位置误差，而且还可以保证其加工精度。

4结束语

总之，由于机械加工表面质量对机械零件的质量、性能以及精度的稳定性等都有很大程度的影响。因此，我们必须高度重视机械零件加工的表面质量，并严格按照机械零件表面质量的技术标准及要求，切实提高机械零件加工的表面质量。但是，由于影响其表面质量的因素比较多，对此，我们应当综合考虑各方面的因素，根据实际需要对机械零件的表面质量提出既经济又适用的标准要求。

参考文献：

[1]善乾，机械加工表面质量分析与研究[J]，赤峰学院学报，2007(02)

[2]李华，机械制造技术[M]北京：高等教育出版社。2000

[3]王先逵，机械制造工艺学[M]，北京：清华大学出版社，2000，

[4]冷云凯，影响机械加工表面质量的因素及措施[J]，硅谷，2009(15)

车削加工减小表面粗糙度的方法 篇12

无论是机械加工后的零件表面, 还是用其他方法获得的零件表面, 总会存在着有较小间距的峰、谷组成的微量高低不平的痕迹。粗加工表面, 用眼睛直接就可以看出加工痕迹;精加工表面, 看上去光滑平整, 但用放大镜, 仍可以看到错综交叉的加工痕迹。表面粗糙度是表述零件表面峰谷高低程度和间距状况的微观几何形状特征的术语。表面粗糙度是指已加工表面微观不平程度的平均值, 是一种微观即可形状误差。表面粗糙度等级用轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz或轮廓最大高度数值Ry的大小表示。按国家标准规定, 优先采用轮廓算术平均偏差的大小Ra来表示。

我们在生产中要找到影响表面粗糙度的主要因素, 并提出解决的方案。经切削加工形成的以加工表面粗糙度, 一般可看成理论粗糙度和实际粗糙度叠加而成。要减小表面粗糙度可以从以下几个方面入手:

1 理论粗糙度

这是刀具几何形状和切削运动引起的表面不平度。生产中, 如果条件比较理想, 加工后表面实际粗糙度接近于理想粗糙度。在工件上表现出来的就是已加工表面上像螺纹一样的残留面积 (刀具主副刀刃在已加工表面留下的一些痕迹未被切除的面积成为残留面积) 。通常是按照残留面积的高度来度量其粗糙程度的。影响残留面积高度的有下面几个因素:

1.1 减小主偏角Kr和副偏角Kr′的数值

减小主偏角, 加工表面粗糙度值会减小;减小副偏角Kr′, 会增大切削刃与已加工表面的接触长度, 能减小表面粗糙度的数值, 但过小的副偏角会引起振动。

1.2 增大刀尖圆弧半径r

刀尖圆弧半径r增大时, 使刀尖处的平均主偏角减少, 可以减小便面粗糙度值, 但会增大背向力和容易产生振动, 所以刀尖圆弧半径不能过大, 通常高速钢车刀r=0.5~5mm, 硬质合金车刀r=0.5~2mm。具体表现为如下图, 用尖刀加工时, 残留的最大高度为:Ry=f/ (cotKr+cot Kr′) 相应的轮廓算术平均偏差为Ra=Ry/4。用圆头加工时, 残留层的最大高度为Ry=f2/8r, 相应的轮廓算术平均偏差为Ra=Ry/4。那么在相同的条件下Kr=75°, Kr′=10°, f=0.2mm/r, 用尖头车刀和用圆头车刀车削外圆, 分别求出残留层的高度。解得尖头车刀Ra=0.0337mm, 而圆头车刀Ra=0.005mm。显而易见增大刀尖圆弧半径能减小表面粗糙度值。

a) 尖头刀b) 圆头刀

图残留层

1.3 减少进给量

进给量f是影响表面粗糙度最显著的一个因素, 进给量越少, 残留面积高度越小。并且, 此时鳞次、积屑瘤和振动不易产生, 表面质量越高。

2 实际粗糙度

实际粗糙度是指切削过程中出现的非正常原因造成的表面不平度。包括积屑瘤、亮斑、拉毛、加工振动等。减小实际粗糙度值, 可从采取以下措施:

2.1 避免工件产生积屑瘤

有些教材上又叫毛刺。用中等切削速度切削钢料或其他塑性金属时, 切屑与车刀前面之间产生很大的摩擦力, 尤其当车刀前面不太平滑时, 摩擦力更大, 同时产生很高的温度。在高温高压和很大的摩擦力作用下, 切削底层和上层产生滑移, 底层流动速度减慢。这层流速较慢的金属层, 成为滞留层。当摩擦力大于切削底层内部的滑移断裂抗力时, 滞留层的金属跟切屑分离而形成一个楔块粘在车刀前面上, 这块金属因为受加工硬化的影响, 硬度很高, 成为积屑瘤。影响积屑瘤产生的因素很多, 但切削速度影响最大。切削速度较低 (2~5m/min以下) 时, 切削流动较慢, 摩擦力未超过切削分子的结合力, 不会产生积屑瘤;切屑速度很高 (70m/min以上) 时, 温度很高, 切屑底层金属变软, 摩擦系数明显降低, 也不会产生积屑瘤;中等切削速度 (15~20m/min) 时, 切削温度约为300℃左右, 这时摩擦系数最大, 容易产生积屑瘤。因此在加工工件时避开最容易产生积屑瘤的中速区域。要减小表面粗糙度就应该避开中等切削速度。

2.2 避免磨损亮斑

磨钝的切削刃会将工件表面压出亮斑或亮点, 使表面粗糙度值增大, 这时应及时更换或重磨刀具。

2.3 防止切屑拉毛已加工表面

被切屑拉毛的工件表面一般是不规则的很浅的痕迹。这时应选用正值刃倾角车刀, 使切屑流向待加工表面, 并采用卷屑或断屑措施。

2.4 防振动

工件在车削加工时, 由于机床性能、工件材料及刀具等因素的影响, 易产生切削振动。切削过程中的振动会使加工表面出现周期性的横向和纵向振纹, 使工件的局部尺寸和工件的表面粗糙度发生变化, 并缩短刀具的使用寿命, 影响工件的加工质量。减小工件切削振动的方法主要有以下几种:

2.4.1对机床的调整机床各部应调整合适, 紧定牢固。主轴的松紧应经常检查, 并调整间隙, 因它往往是振动产生的主要原因, 并调整大、中、小滑板塞铁, 使间隙小于0.04mm, 且使移动乎稳轻便。

2.4.2对车刀的要求在保证强度的前提下, 车刀前角应尽可能取大一些, 加工细长轴时, 应采用大的主偏角。

2.4.3对切削深度的要求精车时, 应根据机床刚度决定刀刃和工件的接触长度, 并尽可能地采用弹簧光刀。粗车时切削深度愈小愈好 (一般为0.1~0.2mm) 。车削直径较小的工件, 应采用快转速, 慢走刀的方法。

2.4.4从理论上讲, 工件夹持装置应该使所夹工件尽可能靠近主轴前轴承, 刀具则应尽可能靠近刀塔本体, 而不出现悬臂状态。为此避免使用主轴内能够直接装夹弹簧夹头的车床, 因为夹头座使工件远离主轴前轴承, 夹持力小, 会增加振动。对较长的工件工件伸出卡盘长度不宜过长。当工件伸出卡盘长度超过直径的6倍时, 应用尾座顶尖支承, 同时尽量避免材料从主轴后端露出, 如果从主轴后端伸出的材料过长, 则须采用可靠的架持措施。修光刃过大, 容易引起振动, 一般= (1.2~1.5f) 。

2.4.5 选用较小的背吃刀量和进给量, 改变切削速度等。

2.4.6 隔离振源。隔离振动量大的设备 (如冲床、锻床等) 。

2.5 合理选用切削液

一般来说, 材料韧性越好, 塑性变形倾向越大, 表面粗糙度就越大。被加工材料对表面粗糙度的影响与其金相组织状态有关。切削液的冷却与润滑作用, 能减小切削过程的界面摩擦, 降低切削区温度, 减小塑性变形并抑制积屑瘤与麟次的生长, 对减小表面粗糙度有益。

3 结束语

减小表面粗糙度的方法很多, 但对于不同的工件, 使用的方法也是不一样的, 要做到具体问题具体分析, 使车床在车削工作中能安全、可靠、高效地工作。

摘要：机械零件加工的表面质量是指零件加工后的表面粗糙程度, 它是判定零件质量优劣的重要依据。

关键词：切削加工,表面粗糙度,重要依据

参考文献

[1]极限配合与技术测量基础[M].3版.中国劳动社会保障出版社, 2007.

[2]车工工艺学[M].4版.中国劳动保障出版社, 2007.

[3]金属切削原理与刀具[M].4版.中国劳动保障出版社, 2010.