機械加工表面質量的影響要素及控制策略
機械零件的加工質量，除加工精度外，表面質量也是極其重要的一個方面。加工表面質量，是指機器零件在加工後的表面層狀態.一臺機器在正常的使用過程中，由於其零件的工作效能逐漸變壞，以致不能繼續使用，有時甚至會突然損壞，其原因除少數是因為設計不周而強度不夠，或偶然事故引起了超負荷以外，大多數是由於磨損或受到外界介質的腐蝕以及疲勞損壞。磨損、腐蝕和疲勞損壞，都是發生在零件的表面，或是從零件表面開始的。因此，加工表面質量將直接影響到零件的工作效能，尤其是它的可靠性和壽命.隨著工業技術的飛速發展，對機器使用的要求越來越高，一些重要零件在高壓、高速、高溫等高要求條件下工作，表面層的任何缺陷，不僅直接影響零件的工作效能，而且還可能引起應力集中和應力腐蝕等現象，將進一步加速零件的失效.這一切，都與加工表面質量有很大關係，因而表面質量問題越來越受到各方面的重視。
1 表面質量的含義
任何機械加工所得的表面，實際上不可能是理想的光滑表面，總是存在一定的微觀幾何形狀誤差.另外，表面材料在加工時受切削力、切削熱的影響，也會使原有的物理-機械效能發生變化。因此，加工表面質量應包括：
（1）加工表面粗糙度。是指加工表面的較小間距和微小峰谷的微觀幾何形狀誤差。它主要是由於切削加工過程中的刀痕、切削分離時的塑性變形、刀具與被加工表面的摩擦、工藝系統的高頻振動等原因造成的。
（2）表面層的物理---機械效能變化。表面層的材料在加工時，物理-機械效能變化主要有以下三個方面的內容：
1）表面層的冷作硬化。工件在機械加工過程中，表面層金屬產生強烈的塑性變化，使表層的強度和硬度都有所提高，這種現象稱表面冷作硬化.
2）表面層殘餘應力.在切削加工過程中，由於切削變形和切削熱的影響，在加工表面會產生殘餘應力，如果殘餘應力超過材料的屈服強度，就會產生表面裂紋，表面的微觀裂紋將給零件帶來嚴重的隱患。
3）表面層金相組織的變化。工件表面經磨削精加工時，磨削產生的高溫，一般可達800~1000 ℃，高的磨削溫度會燒壞工作表面，使淬火鋼件表面退火，引起表層金屬發生相變,將大大降低表面層的物理-機械效能。
2 機械加工表面質量對機器使用效能的影響
2.1 對耐磨性的影響
一個剛加工好的兩個接觸表面之間，最初階段只在表面粗糙的峰部接觸，實際接觸面積遠小於理論接觸面積，在相互接觸的峰部有非常大的單位應力，使實際接觸面積處產生塑性變形、彈性變形和峰部之間的剪下破壞，引起嚴重磨損。零件磨損一般可分為三個階段：初期磨損階段；正常磨損階段；劇烈磨損階段。
（1）表面粗糙度對零件表面磨損的影響。一般來說，表面粗糙度值愈小，其耐磨損性愈好.但表面粗糙度值太小，潤滑油不易儲存，接觸面之間容易發生分子粘接，磨損反而增加。因此，接觸面的粗糙度有一個最佳值，其值與零件的工作情況有關，工作載荷加大時，初期磨損量增大，表面粗糙度最佳值也加大。
（2）表面冷作硬化對耐磨性的影響。加工表面的冷作硬化使摩擦副表面層金屬的顯微硬度提高，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，這是因為過分的冷作硬化將引起金屬組織過度疏鬆，甚至出現裂紋和表層金屬的剝落，使耐磨性下降.
2.2 對疲勞強度的影響
金屬受交變載荷作用後產生的疲勞破壞，往往發生在零件表面和表面冷硬層下面，因此零件的表面質量對疲勞強度影響很大.
（1）表面粗糙度對疲勞強度的影響.在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應力集中，產生疲勞裂紋.表面粗糙度值愈大，表面的紋痕愈深，紋底半徑愈小，抗疲勞破壞的能力就愈差。
（2）殘餘應力、冷作硬化對疲勞強度的影響。表面層殘餘拉應力，將使疲勞裂紋擴大，加速疲勞破壞；而表面層殘餘壓應力，能夠阻止疲勞裂紋的擴充套件，延緩疲勞破壞的產生；表面冷硬化一般伴有殘餘壓應力的產生，可以防止裂紋產生並阻止已有裂紋的擴充套件，對提高疲勞強度有利。
2.3對耐蝕性的影響
零件的耐蝕性，在很大程度上取決於表面粗糙度.表面粗糙度值愈大，則凹谷中聚積腐蝕性物質就愈多，抗蝕性就愈差；表面層的殘餘拉應力，會產生應力腐蝕開裂，降低零件的耐磨性，而殘餘壓應力則能防止應力腐蝕開裂。
2.4 對配合質量的影響
表面粗糙度值的大小，將影響配合表面的配合質量.對於間隙配合，粗糙度值大會使磨損加大，間隙增大，破壞了要求的配合性質；對於過盈配合,裝配過程中一部分表面凸峰被擠平，實際過盈量減小，降低了配合件間的連線強度.
3 影響表面粗糙度的因素
（1）切削加工影響表面粗糙度的因素。在加工表面留下了切削層殘留面積，其形狀是刀具幾何形狀的復映.減小進給量 vf、主偏角、副偏角以及增大刀尖圓弧半徑，均可減小殘留面積的高度.此外，適當增大刀具的前角，以減小切削時的塑性變形的程度，合理選擇潤滑液和提高刀具刃磨質量，以減小切削時的塑性變形和抑制刀瘤、鱗刺的生成，也是減小表面粗糙度值的有效措施。
（2）工件材料的性質。加工塑性材料時，由於刀具對金屬的擠壓，產生了塑性變形，加之刀具迫使切屑與工件分離的撕裂作用，使表面粗糙度值加大.工件材料韌性愈好，金屬的塑性變形愈大，加工表面就愈粗糙。加工脆性材料時，其切屑呈碎粒狀，由於切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點，使表面粗糙度增大.
（3）磨削加工影響表面粗糙度的因素。如同切削加工時表面粗糙度的形成過程一樣，磨削加工表面粗糙度的形成，也是由幾何因素和表面金屬的塑性變形來決定的。影響磨削表面粗糙的主要因素有：
1）砂輪的粒度與硬度。砂輪硬度應適當，應使磨粒鈍後會及時脫落，露出新的磨粒來繼續切削，即具有良好的“自礪性”.砂輪的粒度愈細，即單位面積上的磨粒數愈多，則加工表面的刻痕愈細密，表面粗糙度愈低。但若粒度過細，則容易堵塞砂輪，而使工件表面塑性變形增加，從而影響表面粗糙度的降低。
2）砂輪的修整。砂輪應及時修整，以去除已鈍化的磨粒，保證砂輪具有微刃性和等高性。用金剛石修整砂輪相當於在砂輪上“車削”外圓，縱向和橫向的進給量愈小，修整出來的砂輪表面的微刃性和等高性就愈好，磨出工件表面的粗糙度也愈低.
3）磨削速度、徑向進給量、光磨次數、工件圓周進給速度與軸向進給量.減小磨削用量和提高砂輪速度，可以增加工件單位面積上的刻痕數，同時可降低因塑性變形造成的表面粗糙度。因為在高速磨削下，磨削表面來不及塑性變形，因而提高砂輪速度有利於降低表面粗糙度。增大磨削深度和提高工件速度會使塑性變形加劇，從而增高粗糙度。為了提高磨削效率，通常在開始磨削時採用較大的磨削深度，而在磨削後期採用小的磨削深度，或進行無進給磨削（光磨）,以降低工件表面粗糙度。
4）切削液.切削液對加工過程起冷卻和潤滑作用，能降低切削區的溫度，減少刀刃與工件的摩擦，從而減少切削過程的1大作用.
5）工件材質。工件材料的硬度、塑性、韌性和導熱效能等，對錶面粗糙度有顯著的影響。工件材料太硬時，磨粒易鈍化；太軟時，砂輪易堵塞；韌性大和導熱效能差的材料，使磨粒早期崩落，而破壞了微刃的等高性，因而均使表面粗糙度增高.
4 影響加工表面層物理機械效能的因素
在切削加工中，工件由於受到切削力和切削熱的作用，使表面層金屬的物理機械效能產生變化,最主要的變化是表面層金屬顯微硬度的變化、金相組織的變化和殘餘應力的產生。由於磨削加工時所產生的塑性變形和切削熱，比刀刃切削時更嚴重，因而磨削加工後加工表面層上述3 項物理機械效能的變化會很大。
4.1 冷作硬化及其評定引數
（1）金屬的冷作硬化。在機械加工過程中，因切削力作用產生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產生剪下滑移，晶粒被拉長和纖維化，甚至破碎，這些都會使表面層金屬的硬度和強度提高，這種現象稱為冷作硬化（或稱為強化）。表面層金屬強化的結果，會增大金屬變形的阻力，減小金屬的塑性，金屬的物理性質也會發生變化.被冷作硬化的金屬，處於高能位的不穩定狀態，只要一有可能，金屬的不穩定狀態就要向比較穩定的狀態轉化，這種現象稱為弱化.弱化作用的大小，取決於溫度的高低、溫度持續時間的長短和強化程度的大小。由於金屬在機械加工過程中同時受到力和熱的作用，因此加工後表層金屬的最後性質，取決於強化和弱化綜合作用的結果。評定冷作硬化的指標有 3 項：即表層金屬的顯微硬度 HV、硬化層深度 h 和硬化程度 N.
（2）影響冷作硬化的'主要因素。切削刃鈍圓半徑增大，對錶層金屬的擠壓作用增強,塑性變形加劇，導致冷硬增強。刀具後刀面磨損增大，後刀面與被加工表面的摩擦加劇，塑性變形增大，導致冷硬增強。切削刃鈍圓半徑對加工硬化的影響切削速度增大，刀具與工件的作用時間縮短，使塑性變形擴充套件深度減小，冷硬層深度減小。切削速度增大後，切削熱在工件表面層上的作用時間也縮短了，將使冷硬程度增加。進給量增大，切削力也增大，表層金屬的塑性變形加劇，冷硬作用加強。工件材料的塑性愈大，冷硬現象就愈嚴重.
4.2表面層材料金相組織的變化
（1）磨削燒傷。當被磨工件表面層的溫度達到相變溫度以上時，表層金屬發生金相組織的變化，使表層金屬強度和硬度降低,並伴有殘餘應力產生，甚至出現微觀裂紋,這種現象稱為磨削燒傷。在磨削淬火鋼時，可能產生 3 種燒傷。回火燒傷。如果磨削區的溫度未超過淬火鋼的相變溫度，但已超過馬氏體的轉變溫度，工件表層金屬的回火馬氏體組織將轉變成硬度較低的回火組織（索氏體或託氏體）,這種燒傷稱為回火燒傷.淬火燒傷.如果磨削區溫度超過了相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬發生二次淬火，使表層金屬出現二次淬火馬氏體組織，其硬度比原來的回火馬氏體的高，在它的下層，因冷卻較慢，出現了硬度比原先的回火馬氏體低的回火組織（索氏體或託氏體），這種燒傷稱為淬火燒傷。
退火燒傷.如果削區溫度超過了相變溫度，而磨削區域又無冷卻液進入，表層金屬將產生退火組織，表面硬度將急劇下降，這種燒傷稱為退火燒傷。
磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷有兩個途徑：一是正確選擇砂輪，合理選擇切削用量，儘可能地減少磨削熱的產生；二是改善冷卻條件，儘量使產生的熱量少傳入工件.
（2）表面層殘餘應力。產生的原因是：加工時在切削力作用下，已加工表面層受拉應力作用，產生伸長塑性變形，表面積趨向增大，此時裡層處於彈性變形狀態下。當切削力去除後，裡層金屬趨向復原，但受到已產生塑性變形的表面層的限制，恢復不到原狀，因而在表面層產生殘餘壓應力，裡層則為拉應力與之相平衡.
（3）熱塑性變形的影響。表面層在切削熱的作用下產生熱膨脹，此時基體溫度較低，因此表面層熱膨脹受基體的限制產生熱壓縮應力.當表面層的溫度超過材料的彈性變形範圍時，就會產生熱塑性變形（在壓應力作用下材料相對縮短）。當切削過程結束，溫度下降至與基體溫度一致時，因為表面層已產生熱塑性變形，但受到基體的限制產生了殘餘拉應力，裡層則產生了壓應力。
（4）金相組織變化的影響。切削時產生的高溫，會引起表面層的相變.由於不同的金相組織有不同的密度，表面層金相變化的結果造成了體積的變化。表面層體積膨脹時，因受到基體的限制，產生了壓應力。反之，表面層體積縮小，則產生拉應力。各種金相組織大馬氏體比重最小，奧氏體比重最大，磨削淬火鋼時若表面層產生回火現象，馬氏體轉化成索氏體或屈氏體（這兩種組織均為擴散度很高的珠光體），因體積縮小，表面層產生殘餘拉應力，裡層產生殘餘壓應力。若表面層產生二次淬火現象，則表面層產生二次淬火馬氏體，其體積比裡層的回火組織大，因而表層產生壓應力，裡層產生拉應力。
（5）零件主要工作表面最終工序加工方法的選擇。選擇零件主要工作表面最終工序加工方法，須考慮該零件主要工作表面的具體工作條件和可能的破壞形式.在交變載荷作用下，機器零件表面上的區域性微觀裂紋,會因拉應力的作用使原生裂紋擴大，最後導致零件斷裂.從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，該表面最終工序應選擇能在該表面產生殘餘壓應力的加工方法。
（6）磨削裂紋的產生及防止.當表面層的殘餘拉應力超過材料的強度極限時，零件表面就會產生裂紋，有的磨削裂紋也可能不在工件的外表面，而是在表面層下成為肉眼難以發現的缺陷.裂紋的方向常與磨削方向垂直或成網狀，裂紋的產生常與燒傷同時出現。磨削裂紋的產生與材料及熱處理工序有很大的關係，磨削硬質合金時，由於其脆性大，抗拉強度低以及導熱性差，所以特別容易產生裂紋.磨削含碳量高的淬火鋼時，由於其晶界脆弱,也容易產生磨削裂紋。工件在淬火後如果存在殘餘應力，則即使在正常的磨削條件下也可能會出現裂紋.滲碳、滲氮時如果工藝不當，就會在表面層晶介面上析出脆性的碳化物、氮化物。當磨削時，在熱應力作用下就容易沿著這些組織發生脆性破壞，而出現網狀裂紋.由於磨削熱是產生殘餘拉應力的根本原因，因此防止產生裂紋的途徑，也在於降低磨削熱以及改善其散熱條件，前面所述的減輕表面熱損傷的措施，均有利於避免產生表面殘餘拉應力和裂紋。在磨削工序前後進行去除內應力的低溫回火處理，亦能有效地減小表面層的拉應力，防止產生磨削裂紋。
5 結束語
由於機械加工表面對機器零件的使用效能如耐磨性、接觸剛度、疲勞強度、配合性質、抗腐蝕效能及精度的穩定性等有很大的影響，因此對機器零件的重要表面應提出一定的表面質量要求.由於影響表面質量的因素是多方面的，因此應該綜合考慮各方面的因素，對錶面質量根據需要提出比較經濟適用性的要求.
參考文獻：
[1] 姜偉之，等。工程材料的力學效能[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2000.
[2] 富成科。機械製造基礎[M]. 北京：人民出版社，1998.
[3] 顧崇銜。機械製造工藝學[M]. 西安：陝西科學技術出版社，1986.
[4] 陳懋圻。機械製造工藝學[M]. 瀋陽：遼寧科學技術出版社，1986.
[5] 於駿一， 夏 卿， 包善斐。 機械製造工藝學[M]. 長春：吉林教育出版社，1985.