浅谈机械加工表面质量与热处理的提高

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[摘 要]机械零件的加工质量，除加工精度外，表面质量也是极其重要的一个方面。所谓加工表面质量，是指机器零件在加工后的表面层状态。在机械加工中，热处理是一种改变不同材料所制成零件的某种机械性能，比如，根据工件的用途，要提高零件的表面硬度，就要通过热处理的手段。

[关键词]机械加工 表面质量 热处理

中图分类号：TG135 文献标识码：TG 文章编号：1009914X（2013）34000502

机械加工质量技术就是在流程的基础上，改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品，是每个步骤，每个流程的详细说明。每个步骤就要有详细的数据了，比如粗糙度要达到多少，公差要达到多少。技术人员根据产品数量、设备条件和工人素质等情况，确定采用的工艺过程，并将有关内容写成工艺文件，这种文件就称工艺规程。热处理的工艺比较多，淬火、正火、回火，渗碳、碳氮共渗（也称氢化），还有对圆钢材料进行的调质处理，等等，都属于热处理的范畴。具体的操作步骤根据不同的热处理方式有不同的步骤，以提高工件硬度的淬火热处理为例：加热 ― 保温 ― 快速冷却（用水或油作为冷却介质）― 回火 ― 检验。在以上步骤中，每一步对工件的最后质量都有影响，如果对工件的内部组织有具体要求，象最后零件的内部组织为回火马氏体，就要有比较严格的工艺控制手段。

一、机械加工表面质量的影响因素及措施

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、机械加工表面质量的影响因素

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。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。

2、机械加工表面质量对产品性能的影响

（1）表面质量对耐磨性的影响

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，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。

（2）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。表面粗糙度值愈大，抗疲劳破坏的能力就愈差。

（3）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，抗蚀性就愈差。

（4）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。

3、提高加工表面质量的措施

通过前面的分析，我们知道影响表面粗糙度的因素有切削条件（切削速度、进给量、切削液）、刀具（几何参数、切削刃形状、刀具材料、磨损情况）、工件材料及热处理、工艺系统刚度和机床精度等几个方面。

（1）刀具方面

为了减少残留面积，刀具应采用较大的刀尖圆弧半径、较小的副偏角或合适（=0）的修光刃或宽刃精刨刀、精车刀等。选用与工件材料适应性好的刀具材料，避免使用磨损严重的刀具，这些均有利于减小表面粗糙度。

（2）工件材料方面

工件材料性质中，对加工表面粗糙度影响较大的是材料的塑性和金相组织。对于塑性大的低碳钢、低合金钢材料，预先进行正火处理以降低塑性，切削加工后能得到较小的粗糙度。工件材料应有适宜的金相组织（包括状态、晶粒度大小及分布）。

（3）切削条件方面

以较高的切削速度切削塑性材料可抑制积屑瘤出现，减小进给量，采用高效切削液，增强工艺系统刚度，提高机床的动态稳定性，都可获得好的表面质量。

二、材料质量对机械加工热处理的影响

在生产工艺中，衡量一个零件加工质量的好坏，所需要参考的指标有，加工的精度以及表面上的粗糙度，这些指标一直是生产工艺最关注的问题。透过分析实际生产过程中，影响机械加工零件表面的粗糙度中的因素、生产零件表面层中的物理力学上的性能，以及其他的相关因素，希望将这些因素总结出来。我认为这其中是有影响的，各个企业对机械加工原材料的质量要进行严格控制，因为总体来说，中国钢厂的冶炼质量还不是很高，而且近年来，许多小钢厂雨后春笋地发展起来。由于机械加工过程中的产生表面塑性变形，引起的冷作硬化现象，因切削热导致的表面金相组织变化以及残余应力等物理机械性能的变化。表面粗糙度及其影响因素。表面粗糙度是指机械加工零件表面存在着的微观不平度。表面粗糙度可分为横向粗糙度和纵向粗糙度，把垂直于切削速度方向的粗糙度称为横向粗糙度。机械加工把沿切削速度方向的粗糙度称为纵向粗糙度。虽然也通过各种质量系统审核，但实际是质量却很差，许多企业，甚至一些大中型企业为追求低价格，也向这些小钢厂采购，这就造成了许多企业热处理出现异常情况。机械加工表面质量，主要表现在以下两个方面。一是零件机械加工表面存在着表面粗糙度、波度等表面几何形状误差。在机械加工中，零件的加工表面产生微观不平、残余应力等各种缺陷，虽然仅存于零件极薄的表面层中，却严重影响着机械零件的精度、耐磨性、配合性、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而进一步影响机械的使用性能和使用寿命。

三、提高金属材料的切削性能

在各类铸、锻、焊工件的毛坯或半成品金属材料的切削过程中，由于被加工材料、切削刀具和切削条件的不同，金属的变形程度也不同，从而产生不同程度的光洁度。各种材料的最佳切削性能都对应有一定的硬度范围和金相组织。为了得到最佳切削性能，就要求被加工材料具有合适的组织状态，这就要用到预先热处理。

通过预先热处理，可以消除或减少冶金及热加工过程产生的材料缺陷，并为以后切削加工及热处理准备良好的组织状态，从而保证材料的切削性能、加工精度和减少变形。

举例1：齿坯材料在切削加工中，当齿坯硬度偏低时会产生粘刀现象，在前倾面上形成积屑瘤，使被加工零件的表面光洁度降低。而对齿坯材料进行正火+不完全淬火处理，切屑容易碎裂，形成粘刀的倾向性减少。并随着齿坯硬度的提高，切屑从带状向挤裂状过渡，从而减少了粘刀现象，提高了切削性能。

举例2：铝合金在加工过程中，通常都是先经强化处理（固溶处理+时效；时效），这样可以得到晶粒细小、均匀的组织，比铸态或压力加工状态的切削性能好，不仅改善了切削性能，而且同时提高了机械加工精度。

四、提高金属材料的断裂韧性

金属材料的断裂韧性指含有裂纹的材料在外力作用下抵抗裂纹扩展的性能。提高金属断裂韧性的关键是要减少金属晶体中位错，使金属材料中的位错密度下降，从而提高金属强度，而减少金属晶体中位错的一种重要方法，就是细晶强化，其原理是通过细化晶粒使晶界所占比例增高而阻碍位错滑移从而提高材料强韧性。而金属组织的细晶强化的过程实际上就是金属热处理。

在金属热处理过程中，当冷变形金属加热到足够高的温度以后，在一定的应力和变形温度的条件下，材料在变形过程中积累到足够高的局部位错密度级别，会在变形最剧烈的区域产生新的等轴晶粒来代替原来的变形晶粒，这个过程称为再结晶。再结晶晶核的形成与长大都需要原子的扩散，因此必须将变形金属加热到一定温度之上，足以激活原子，使其能进行迁移时，再结晶过程才能进行。

那么，对于不同的金属材料，我们就可以通过控制不同的热处理的温度，来提高金属材料的断裂韧性。

举例：在SY钢坯料上线切割适当的小圆柱，机加工后，选择在700℃，800℃，900℃、1000℃和1100℃在Cleeble-1500型热模拟试验机上以5×10-1的变形速率保温30s压缩变形50%，然后在空气中冷至室温，再进行680℃×6hAC（空冷）的退火处理，再将压缩后的试样沿轴向线切割剖开，研磨抛光后用化学物质显示晶粒形貌。实验现象为：在700℃时，扁平的晶粒开始逐渐向等轴晶粒的形状变化。800℃变形的晶粒中等轴晶粒已经有少量出现，但仍然以变形拉长的晶粒为主。在900℃变形开始，晶粒突然变得细小，几乎全部为等轴晶粒，晶粒度达到YBl2级。在900℃以上.晶粒开始长大。因此，对此种钢来说，900℃左右温度进行热处理，可以提高其断裂韧性。

五、减少金属材料的应力腐蚀开裂

金属材料在拉伸应力和特定腐蚀环境共同作用下发生的脆性断裂破坏称为应力腐蚀开裂。大部分引起应力腐蚀开裂的应力是由残余拉应力引起的。残余应力是金属在焊接过程中产生的。金属在加热时，以及加热后冷却处理时，改变了材料内部的组织和性能，同时伴随产生了金属热应力和相变应力。金属材料在加热和冷却过程中，表层和心部的加热及冷却速度（或时间）不一致，由于温差导致材料体积膨胀和收缩不均而产生应力，即热应力。在热应力的作用下，由于冷却时金属表层温度低于心部，收缩表面大于心部而使心部受拉应力：另一方面材料在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时，因比容的增大会伴随材料体积的膨胀，材料各部位先后相变，造成体积长大不一致而产生组织应力。组织应力变化的最终结果是表层受拉应力，心部受压应力，恰好与拉应力相反。金属热处理的热应力和相变应力叠加的结果就是材料中的残余应力，正是其存在造成了应力腐蚀开裂。

举例：金属热处理中，通过控制淬火冷却速度，可以显著地控制淬火裂纹，为了达到淬火的目的，通常必须加速材料在高温段内的冷却速度，并使之超过材料的临界淬火冷却速度才能得到马氏体组织。就残余应力而论，这样做由于能增加抵消组织应力作用的热应力值，故能减少工件表面上的拉应力而达到抑制纵裂的目的。

参考文献

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