影响煤矿机械加工零件表面质量的因素及措施

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随着煤矿开采过程对机器的使用要求越来越高，煤矿机械加工精度也越来越高。研究与生产实践表明，机器的失效是个别零件的失效造成的，零件的失效大都从表面开始，零件表面质量的高低是决定其使用性能好坏的重要因素。机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度，它们之间的偏离程度即为加工误差。加工误差越小，则加工精度越高。而表面质量，是指机器零件在加工后的表面层状态。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。煤机零件的质量-般是受刀具和工件之间的相对运动与摩擦、机床的振动及零件的塑性变形等因素的影响而形成的。

- 煤矿机械加工零件产生误差的主要原因1 机床的几何误差工件的加工精度在很大程度上撒于机床的精度。机床的几何误差包括三个方面：机床的制造误差、安装误差和使用中的磨损。他们总是不同程度地随机的反映到工件上去，影响工件的有关加工精度，其中对加工精度影响较大的为主轴回转误差、导轨误差和传动链传动误差。

2 刀具、夹具的几何误差与定位误差刀具、夹具对零件加工精度的影响：-般刀具，其制造误差对工件加工精度无直接影响，定尺寸刀具(如钻头、铰刀、拉刀、键槽铣刀、浮动镗刀块等)刀具的制造误差会直接影响工件的加工精度；刀具在安装、使用中不当，将产生跳动，也会影响加工精度。

成形刀具(如成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等)加工工件时，被加工表面的几何形状精度，直接撒于刀具轮廓的形状精度和安装精度。所以这时应重点保证刀具轮廓形状的精度和安装精度。

夹具的几何误差对工件的加工精度有很大影响。夹具误差是由下列三方面原因引起的：夹具的制造误差，夹具的装配误差，夹具的使用误差。

定位误差主要有：在机床上对工件进行加工时，如果所选用的定位基准与设计基准不重合，就会产生基准不重合误差；另外由于定位副制造不准确和定位副间的配合间隙会引起的工件定位副制造不准确误差。

提高刀具的锋锐程度，可减小刀具对金属的挤压力，使金属的变形程度降低，减缓金属的冷作硬化，有助于提高切削过程的稳定性，改善加工表面质量。最小切削厚度对表面粗糙度的影响：除了机床本身的性能以外，使用刀具切削刃有效地切除工件材料时，最小切削厚度(mtc)的可控性和重复性是影响加工精度的主要因素。

3 工艺系统受力变形与热变形产生的误差工艺系统受力变形产生的误差主要有：-是工艺系统中如果工件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，由于工件刚度不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大；二是外圆车刀在加工表面法线(y)方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。镗直径较小的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。

机床、刀具和工件在加工过程中逐渐升高的温度会向周围的物质和空间散发热量，在精密加工和大件加工中，因热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的50%。

4 调整误差调整误差是由于工艺系统没有调整到正确位置而产生的加工误差。包括试切法和调整法所产生的误差。当机床、刀具、夹具和工件毛坯等原始精度都[作者简介]马宪图(1970-)，女，籍贯：吉林首城市；本科学历，职称：副教授，主要从事机电-体化方面的研究与教学工作。

88 第 18卷2013年第5期煤 矿 开 采CoL mining TechnologyV0L182013Nn 5达到工艺要求而又不考虑动态因素时，调整误差的影响对加工精度起到决定性的作用。

二 零件表面质量对机器使用性能的影响及影响机械加工零件表面质量的因素分析零件的磨损过程，通常分为三个阶段：初期磨损阶段(-般称为走合期)、正常磨损阶段、急剧磨损阶段。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、零件表面质量对零件耐磨性、耐腐蚀性、疲劳强度、配合性质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。当条件确定的情况下，零件的表面质量对耐磨性就起着决定性的作用。表面质量对耐腐蚀性的影响：表面质量越差，存在裂纹时，耐腐蚀性降低。表面质量对零件疲劳强度的影响：表面缺陷会引起应力集中，降低疲劳强度。若表面存在残余压应力，疲劳强度将会提高。表面质量对零件配合性质的影响：表面比较粗糙时，轮廓峰在工作中被逐渐磨掉，零件尺寸发生变化，进而影响到配合性质。

2、最佳表面粗糙度摩擦表面的最佳粗糙度因不同材料和工作条件而有所不同，-般大致在V0.8-VO.4左右。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。当摩擦副的原始粗糙度很大时，磨损就较大。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。当摩擦副的原始粗糙度过小时，造成润滑条件恶化，表面容易咬焊，因而初期磨损也较大。对于完全液体润滑，表面粗糙度越小越有利。

3、影响零件表面粗糙度的因素切削与磨削加工中，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。减小表面粗糙度值的有效措施主要有：减续给量、rf、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆浑径，可减小残留面积的高度；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、鳞刺的生成等等。磨削加工表面粗糙度的形成是由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。影响磨削表面粗糙度的主要因素有：(1)砂轮的粒度与硬度；(2)砂轮的修整；(3)磨削速度；(4)磨削径向进给量与光磨次数；(5)工件圆周进给速度与轴向进给量；(6)冷却润滑液。

当加工塑性材料时，以较高的切削速度进行切削时，减续给量可以提高表面光洁度。由于刀具对金属的挤压以及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。当加工膪陛材料时，由于切屑的崩碎，表面出现微粒崩碎痕迹，这样就在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。

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。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金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力物理机械性能的变化会很大。

(1)表面层冷作硬化冷作硬化(或称为强化)的现象是指：在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，而使表面层金属的硬度和强度提高的现象。表面层金属强化会增大金属变形的阻力，随着金属塑性的减小，金属的物理性质也会发生变化。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。工件材料的塑性愈大，冷硬现象就愈严重。导致冷硬增强的主要因素有：当切削刃钝圆半径增大时，导致冷硬增强。当刀具后刀面磨损增大时，导致冷硬增强。当进给量增大时，冷硬作用加强。

(2)表面层材料金相组织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。磨削烧伤是指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，甚至出现微观裂纹的现象。在磨削淬火钢时，可能产生3种烧伤。磨削热是造成磨削烧伤的根源，改善磨削烧伤有两个途径：-是正确选择砂轮。合理选择切削用量，旧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给工件。

(3)表面层残余应力产生残余应力的原因主要是：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，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。不同金相组织因(下转 92页)89 第 l8卷2013年第5期煤 矿 开 采Coal mining TechnologyV0L182013Nn 5法后，弹性改变量就会维持在-个平稳的状态，遗传算法中的频率会体现在设备的转动上，这种遗传算法为解决机械设备在工程使用中结构优化设计、多峰值函数求极值等问题提供了参考。

(2)可行性分析：在机械的整个框架系统中，模拟了固定模式中的运行，加上基于机械安全下的运转方式，把整个系统的优化性再次提升，能够在加工材料和零件上的加工都有很好的保护作用，避免了很多机械设备在使用中对于不明施工环境变化导致的机械损坏，提出框架结构系统可靠性优化的遗传算法在机械设备升级优化都有积极的帮助。

尽管遗传算法在机械安全指导下已解决煤矿生产中了许多难题，但还存在许多不足之处，如算法本身的参数优化问题、如何避免过早收敛、如何改进机械有效的工作时间和工作方法来提高算法的效率、遗传算法与其它优化算法的结合问题等。用遗传算法求解约线性和非线性优化问题时，-般采用共轭发散函数法，如何合理的选择共轭因子是算法的难点之所在。共轭因子取得过小时，可能造成整个发散函数的极锈不是原目标函数的极锈；共轭因子取得过大时，搜索过程增加困难，所以对基于机械安全的煤矿机械设备优化中遗传算法中的-系列问题还有待于进-步研究、讨论。

五 结束语基于机械安全的煤矿机械设备优化创新设计作为-项革命性的技术，在许多行业中都有着巨大的发展空间及应用价值。在煤矿企业机械化进程中引入机械安全技术有着明显的优势，它在简化管理，加强安全监控等方面具有不可比拟的优势，十分适合我国煤矿企业的发展。利用机械设备的优化方能能实现对煤矿资源的合理开发利用，使得煤矿行业能可持续发展。

将机械设备安全优化创新方案引入到煤矿企业的机械化建设中是-种十分有前景的尝试，可以预见的基于机械安全的煤矿机械设备优化设计能推进我国煤矿企业的升级。但作为-个长期复杂的建设工程，在这个建设过程中定会有-些困难的出现。希望通过相关部门的共同努力，让基于机械安全的煤矿机械设备优化设计的整体系统能早日实现，并且进-步推进我国煤矿企业的发展。