控制机械加工表面质量的措施

实际上，机械加工过程中影响表面质量的因素十分复杂，完全避免或消除这些不利因素是不可能的，因此经过机械加工后不可能获得完全理想的零件表面，但通过合理地制订、控制机械加工工艺过程，以及采取一定的改善措施，保证所要求的加工表面质量是能够实现的。

控制机械加工表面质量的措施大致可分为三大类：减小加工表面粗糙度值，改善工件表面层的物理力学性能，以及消减工艺系统的振动。

1. 减小表面粗糙度值的措施

1) 减小切削加工表面粗糙度值的工艺措施

(1)   根据工件材料、加工要求，合理选择刀具材料，选用与工件亲和力小的刀具材料，有利于减小表面粗糙度值。

(2)   对工件材料进行适当的热处理，以细化晶粒、均匀晶粒组织，减小表面粗糙度值。

(3)   在工艺系统刚度足够时，适当地采用较大的刀尖圆弧半径，较小的副偏角，或采用较大前角的刀具加工塑性大的材料，提高刀具的刃磨质量，减小刀具前、后刀面的粗糙度数值，均能减小加工表面的粗糙度值。

(4)   选择高效切削液，减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，可减小切削变形，抑制鳞刺和积屑瘤的产生，减小表面粗糙度值。

(5)   根据工件材料、磨料等选择适宜的砂轮硬度，选择与工件材料亲和力小的磨料，或采用适宜的弹性结合剂的砂轮及增大砂轮的宽度等，均可减小表面粗糙度值。

(6)   修整砂轮，去除外层已钝化的磨粒(或被磨屑堵塞的一层胶粒)，从而保证砂轮具有足够的等高微刃。另外也要注意砂轮的平衡。

(7)   正确选择磨削用量，避免磨削区温度过高，防止工件表面烧伤，可减小工件表面粗糙度值。

2) 减小表面粗糙度值的加工方法

对于表面质量要求极高的零件，在经过普通切削、磨削等方法加工后，还需要采用适当的特殊加工方法来提高其表面质量。

(1)   超精密切削和小粗糙度值磨削加工。

(2)   超精密加工、珩磨、研磨等方法作为最终加工工序。

2. 改善表面层物理力学性能的工艺措施

表面强化工艺可使材料表面层的硬度、组织和残余应力得到改善，从而减小表层粗糙度值，提高表面层的物理力学性能。常用的方法主要有表面机械强化、化学热处理及加镀金属等。机械强化工艺是一种简便、有明显效果的加工方法，因而应用十分广泛。

机械表面强化是通过冷压加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以提高硬度．减小表面粗糙度值，并在表面层消除残余拉应力并产生残余压应力的强化工艺。   

1) 喷丸强化

喷丸强化是采用特定设备，将大量的一定当量直径(一般为0.2 ~ 4mm)的珠丸进行加速后，向被加工工件的表面喷射，从而使工件表面层产生很大的塑性变形，引起表层冷作硬化．并产生残余压应力的一种表面强化工艺。喷丸强化可显著提高零件的疲劳强度和使用寿命。

珠丸可以是铸铁的，或者是砂石、玻璃丸、钢丸，甚至是切成小段的钢丝(使用一段之后，自然变成球状)。对于铝质工件，为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。

喷丸强化主要用于强化形状复杂或不宜用其他方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、曲轴、焊缝等。在磨削、电镀等工序后进行喷丸强化可以有效地消除这些工序残留的、有害的残余拉应力。当表面粗糙度值要求较小时．也可在喷丸强化后再进行小余量磨削，但要注意磨削加工的温度，以免影响喷丸的强化效果。

喷砂 是利用高速砂流的冲击作用清理和粗化基体表面的过程，即采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料（铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海南砂）高速喷射到需要处理的工件表面，使工件表面的外表面的外表或形状发生变化。

2) 滚压加工

滚压加工是利用经过淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，将工件表层的原有凸起的部分向下压，凹下部分往上挤，使其产生塑性变形，逐渐将前工序留下的波峰压平，从而修正工件表面的微观几何形状。同时使工件表面金属组织细化，形成残余压应力。典型滚压加工示意如下。

  

 滚压加工可减小表面粗糙度值，提高表面硬度，使零件的承载能力和疲劳强度得到一定程度上的改善。对于有应力集中的零件(如有键槽或横向孔的轴)，效果尤为显著。滚压加工可加工外圆、内孔、平面以及成形表面，通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行。滚压加工操作方便，工具结构简单，对设备要求不高，生产率高、成本低，所以应用广泛。

 

3) 冷处理和深冷处理

冷处理和深冷处理是材料科学中改善金属工件性能的一类工艺，统称为冷处理，它有大幅度提高工件稳定性，降低淬火应力、提高强度的作用。

冷处理工艺是工件淬火热处理冷却至室温后，立即被放置入低于室温的环境下停留一定时间，然后取出放回室温的材料处理方法。通常冷处理温度超过-130℃则称为深冷处理，深冷处理可达 -190°C低温，甚至更低。

低温冷处理和深冷处理可看成是淬火热处理的继续，亦即将淬火后已冷却到室温的工件继续深度冷却至零下很低温度，使淬火后留下来的残余奥氏体继续向马氏体转变，减少或消除残余奥氏体，提高强度并消除内应力。在超低温时由于组织体积收缩, 铁晶格缩小而加强碳原子析出的驱动力, 于是马氏体的基体析出大量超微细碳化物, 这些超微细结晶体会使物料的强度提高, 同时增加耐磨性。

冷处理和深冷处理的作用如下：

（1）提升工件的硬度及强度；

（2）保证工件的尺寸精度；

（3）提高工件的耐磨性；

（4）提高工件的冲击韧性；

（5）改善工件内应力分布；

（6）提高疲劳强度；

（7）提高工件的耐腐蚀性能。

 

3. 消减工艺系统的振动

根据机械加工过程中振动产生的原因、机理和条件，可采用相应的手段对工艺系统的振动进行避免、抑制或消除。通常控制振动的途径主要有三个：消除或减弱产生工艺系统振动的条件；改善工艺系统的动态特性，增强工艺系统的稳定性；采取减振装置。

1) 消除或减弱产生工艺系统振动的条件

不同类型振动的激振机理和条件不同，因此在消减工艺系统振动时必须首先进行诊断，判定振动类型、查找振源后再进行振动控制。

对于受迫振动而言，振动的频率为干扰力的频率或其整数倍，振源诊断相对容易。通常采用以下途径抑制和控制振动。

(1)   减少或消除振源的激振力  

振动的振幅和激振力的大小成正比，故而减小振源的激振力可直接减小振动，即在根本上减少或消除振源的影响。对于高速旋转的零件必须进行静、动平衡，尽量消除旋转不平衡产生的干扰力，设法提高传动机构的稳定性，改善齿轮传动、带传动、链传动、轴承等传动装置的传动缺陷。对于高精度机床，尽量少用或不用可能成为振源的传动元件，并使动力系统(如液压或气压动力系统)与机床本体分离，地基分开布置。为消除往复运动部件的惯性力，可采用较平稳的、质量较小的换向结构，并注意动力学特性。

(2)   调节振源频率  

工艺系统发生共振时危害最大，因而应尽可能使旋转件的频率或受迫振动的频率远离机床加工系统中较弱模态的固有频率，从而避开共振区，使工艺系统各部件在准静态区或惯性区工作。

(3)   隔振  

在振动的传递路线中，安放具有弹性性能的隔振装置．以吸收振源能量，达到减小振源危害的目的。隔振有两种方式，一种是阻止机床振源通过地基外传的主动隔振，另一种是阻止外干扰力通过地基传给机床的被动隔振。常用的隔振材料有橡皮垫片、金属弹簧、空气弹簧、泡沫、乳胶、软木、矿渣棉、木屑等。

消除和减弱自激振动产生条件的措施如下：

(1)   调整振动系统小刚度主轴的位置  合理配置小刚度主轴的位置，使小刚度主轴位于切削力和加工表面法线方向的夹角范围之外，可抑制振型耦合型自激振动的发生。如图所示，不同的尾座结构其小刚度主轴位置不同。因而，配置小刚度主轴的位置可通过调整主轴系统、进给系统的间隙，改进机床的结构或合理安排刀具和工件的相对位置等实现。

(2)   合理安排主切削力方向  考虑振型耦合对振动的影响时，配置刚度主轴的位置是为了避免切削力激起小刚度模态，同理可使切削力的方向与系统最大刚度方向趋于一致，从而提高系统的稳定性，如车削时采用反向切削。

2) 改善工艺系统的动态特性，增强工艺系统的稳定性

(1)   提高工艺系统刚度  提高工艺系统的刚度，可有效地改善工艺系统的抗振能力和稳定性。

增加机床刚度对提高抗振能力非常重要，特别是增加机床主轴部件、刀架部件、尾座部件和床身的刚度。需要注意的是，增强刚度的同时应尽量减小部件的质量，这是结构设计一个重要的优化原则。

(2)   增加工艺系统阻尼  在共振区及其附近区域，阻尼对振动的影响十分显著。工艺系统的阻尼主要来自零部件材料的内阻尼、结合面上的摩擦阻尼以及其他附加阻尼。增大工艺系统的阻尼，可选用内阻尼比较大的材料制造加工设备或零件，如铸铁的内阻尼比钢大，所以多用于机床的床身、立柱等大型支承件。此外，还可把高阻尼的材料附加到零件上，提高抗振性，如图所示。机床阻尼大多来自零部件结合面间的摩擦阻尼，有时可占到总阻尼的80%。所以对于机床的活动结合面，要注意间隙调整，必要时施加预紧力以增大摩擦；而对于固定结合面，可选用合理的加工方法、表面粗糙度值、结合面上的比压以及固定方式等来增加摩擦阻尼。

3) 采取减振和隔振装置

减振和隔振装置一定程度上可以缓解振动带来的影响。

采用减振装置是提高工艺系统抗振能力的一个重要途径。减振装置的类型很多，按工作原理不同分为被动式和主动式两大类。被动式减振器，也称作阻尼器，它是用阻尼来吸收、耗散振动的能量。主动式减振器，也简称为减振器，它是向振动系统输入能量进行强制性补偿。实际中，有些减振装置是主被动的复合形式。常用的减振装置主要有以下三种类型。

(1)   摩擦式减振器  摩擦式减振器利用固体或液体的摩擦阻尼来消耗振动的能量。

(2)   动力式减振器  动力式减振器的工作原理是利用附加质量的动力作用，使其作用在主振系统上的力或力矩与激振力的力矩相抵消。一般镗床上采用动力式阻尼器消除镗杆的振动，如图所示。

(3)    冲击式减振器  冲击式减振器由一个与振动系统刚性连接的壳体和一个在壳体内自由冲击的质量块所组成，如图所示。当系统振动时，自由质量块反复冲击壳体，以消耗振动能量，达到减振的目的。

冲击式减振器虽然具有因碰撞产生噪声的缺点，但其结构简单、质量轻、体积小，在较大的频率范围内部都适用，所以应用较广。

采用以上所述的各种工艺措施和方法能够有效地控制工件的加工表面质量，但零件的使用性能与加工表面质量和加工精度两者密切相关，所以在实际应用中应综合考虑，合理安排工艺和工序。