第六章表面加工質(zhì)量第一節(jié)機(jī)械加工表面質(zhì)量的相關(guān)概念第二節(jié)表面層的物理機(jī)械性能及影響因素第三節(jié)提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的方法第一節(jié)機(jī)械加工表面質(zhì)量的相關(guān)概念一、機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義機(jī)械加工后的表面，總存在一定的微觀幾何形狀的偏差，表面層的物理力學(xué)性能也發(fā)生變化。因此，機(jī)械加工表面質(zhì)量包括表面層幾何形狀誤差和表面層物理機(jī)械性能兩個(gè)方面的內(nèi)容。二、表面層幾何形狀誤差表面層幾何形狀誤差主要由表面粗糙度和波度兩個(gè)部分組成。表面粗糙度是指表面的微觀幾何形狀誤差，它是切削運(yùn)動(dòng)后，刀刃在被加工表面上形成的峰谷不平的痕跡。波度是介于加工精度(宏觀幾何形狀誤差)和表面粗糙度之間的周期性幾何形狀誤差，它主要是由加工過程中工藝系統(tǒng)的振動(dòng)所引起的。下一頁返回第一節(jié)機(jī)械加工表面質(zhì)量的相關(guān)概念三、表面層物理機(jī)械性能表面層的金屬材料在切削加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生物理、機(jī)械以及化學(xué)性質(zhì)的變化，它主要有:(1)表面層硬化深度和程度工件在機(jī)械加工過程中，表面層金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，使表面層的硬度提高，這種現(xiàn)象稱表面冷作硬化。(2)表面層內(nèi)殘余應(yīng)力的大小、方向及分布情況在切削或磨削加工過程中，由于切削變形和切削熱的影響，加工表面層會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。其應(yīng)力狀態(tài)(拉應(yīng)力或壓應(yīng)力)和大小對(duì)零件使用性能有很大影響。上一頁下一頁返回第一節(jié)機(jī)械加工表面質(zhì)量的相關(guān)概念(3)表面層金相組織的改變這種改變包括晶粒大小和形狀、析出物和再結(jié)晶等的變化。如磨削淬火零件時(shí)由于磨削燒傷引起的表面層金相組織由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w、索氏體，表面層硬度降低。(4)表面層內(nèi)其他物理機(jī)械性能的變化這種變化包括極限強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、導(dǎo)熱性和磁性等的變化。四、表面質(zhì)量對(duì)使用性能的影響表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能，如耐磨性、耐疲勞性、耐腐蝕性、配合質(zhì)量等都有一定程度的影響。上一頁下一頁返回第一節(jié)機(jī)械加工表面質(zhì)量的相關(guān)概念五、耐磨性零件的耐磨性主要與摩擦副的材料、熱處理情況和潤滑條件有關(guān)，在這些條件已確定的情況下，零件的表面質(zhì)量就起決定性作用。(1)表面粗糙度對(duì)初期磨損量影響曲線如圖6-1,在一定條件下，摩擦副表面有一最佳粗糙度，過大或過小的粗糙度都會(huì)使起始磨損量增大。(2)表面粗糙度的紋路方向?qū)α慵湍バ缘挠绊戄p載時(shí)，摩擦副的兩個(gè)表面紋路方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)磨損最小，如圖6-2。上一頁下一頁返回第一節(jié)機(jī)械加工表面質(zhì)量的相關(guān)概念重載時(shí)，由于壓強(qiáng)、分子親和力和儲(chǔ)潤滑油等因素的變化，摩擦副的兩個(gè)表面紋路相垂直、且運(yùn)動(dòng)方向平行于下表面的紋路方向時(shí)磨損最小，而兩個(gè)表面紋路方向均與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)容易發(fā)生咬合，故磨損量反而最大。

(3)表面層的物理機(jī)械性能對(duì)耐磨性的影響表面冷作硬化一般能提高耐磨性，這是因?yàn)槔渥饔不岣吡吮砻鎸拥膹?qiáng)度，減少了表面進(jìn)一步塑性變形和表面層金屬咬焊的可能。但也不是硬化程度越高耐磨性越好，過度的冷作硬化會(huì)使金屬組織過度疏松，甚至出現(xiàn)疲勞。上一頁下一頁返回第一節(jié)機(jī)械加工表面質(zhì)量的相關(guān)概念裂紋和產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，反而降低耐磨性，如圖6-3。表面有殘余應(yīng)力時(shí)，一般來說壓應(yīng)力使得結(jié)構(gòu)緊湊，耐磨性提高。六、耐疲勞性在交變載荷作用下，零件上的應(yīng)力集中區(qū)最容易產(chǎn)生和發(fā)展成疲勞裂紋，導(dǎo)致疲勞損壞。(1)表面粗糙度參數(shù)值大(特別是在零件上應(yīng)力集中區(qū)的粗糙度參數(shù)值大)將大大降低零件的耐疲勞強(qiáng)度。圖6-4所示為表面粗糙度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響?？梢钥闯?，當(dāng)Ra從0.63μm減小到0.04μm，其耐疲勞強(qiáng)度提高約25%。另外刀紋方向與受力方向一致時(shí)，耐疲勞性較好。上一頁下一頁返回第一節(jié)機(jī)械加工表面質(zhì)量的相關(guān)概念(2)表面殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響極大。因?yàn)槠趽p壞是由拉應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞裂紋引起的，并且是從表面開始的。因此表面如具有殘余壓應(yīng)力，將抵消一部分交變載荷引起的拉應(yīng)力，從而提高了零件的耐疲勞強(qiáng)度。反之，表面殘余拉應(yīng)力將導(dǎo)致耐疲勞強(qiáng)度顯著下降。(3)適當(dāng)?shù)睦溆彩贡砻鎸咏饘購?qiáng)化，可減小交變載荷引起的交變變形幅值，阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，因此能提高零件的耐疲勞強(qiáng)度。鋼材中的含碳量愈高，冷作硬化提高耐疲勞強(qiáng)度也愈大，而鋼比鑄鐵、銅、鋁等材料提高耐疲勞強(qiáng)度的程度更大，但冷作硬化過度將出現(xiàn)疲勞裂紋，會(huì)降低零件的耐疲勞強(qiáng)度。上一頁下一頁返回第一節(jié)機(jī)械加工表面質(zhì)量的相關(guān)概念七、耐腐蝕性零件在潮濕的空氣中或在腐蝕性介質(zhì)中工作時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)腐蝕或電化學(xué)腐蝕。(1)由于粗糙表面的凹谷處容易積聚腐蝕性介質(zhì)而發(fā)生化學(xué)腐蝕或在粗糙表面的凸峰間容易產(chǎn)生電化學(xué)作用而引起電化學(xué)腐蝕，因此，減小表面粗糙度參數(shù)值就可提高零件的耐腐蝕性。上一頁下一頁返回第一節(jié)機(jī)械加工表面質(zhì)量的相關(guān)概念(2)零件在應(yīng)力狀態(tài)下工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，加速了腐蝕作用。如表面存在裂紋，則更增加了應(yīng)力腐蝕的敏感性。因此表面殘余應(yīng)力一般都會(huì)降低零件的耐腐蝕性。表面冷硬或金相組織變化時(shí)，往往都會(huì)引起表面殘余應(yīng)力，因而會(huì)降低零件的耐腐蝕性。八、配合質(zhì)量對(duì)于動(dòng)配合表面，如果粗糙度參數(shù)值太大，起始磨損就較嚴(yán)重，從而配合間隙增大，降低了配合精度(降低動(dòng)配合的穩(wěn)定性，增加了對(duì)中性的誤差，引起間隙密封部分的泄漏等)。對(duì)于靜配合表面，裝配時(shí)表面粗糙度部分的凸峰會(huì)被擠平，使實(shí)際的配合過盈減少，降低了配合表面的結(jié)合強(qiáng)度。上一頁返回第二節(jié)表面層的物理機(jī)械性能及影響因素

在切削加工過程中，工件受切削力和切削熱的作用，其表面層的物理機(jī)械性能有較大的變化。表面層和基體材料的主要不同是:.表面層顯微硬度的變化;.材料金相組織的變化;.表面層中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。不同的工件材料，在不同的條件下進(jìn)行加工，會(huì)產(chǎn)生各種不同的表面層特性。已加工表面的顯微硬度，是加工時(shí)塑性變形引起的冷作硬化和切削熱產(chǎn)生的金相組織變化所引起的硬度變化的綜合結(jié)果。下一頁返回第二節(jié)表面層的物理機(jī)械性能及影響因素表面層的殘余應(yīng)力，也是由塑性變形所引起的殘余應(yīng)力和切削熱產(chǎn)生的金相組織變化所引起的殘余應(yīng)力的綜合。在磨削加工時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更多的塑性變形和磨削熱，而且大部分磨削熱進(jìn)人工件，所以磨削區(qū)的瞬時(shí)溫度可達(dá)800℃~1200℃。因此，磨削后表面的金相組織和顯微硬度會(huì)有很大變化，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也較大。一、加工表面層的冷作硬化加工過程中工件表面層產(chǎn)生的塑性變形使晶體間產(chǎn)生剪切滑移和晶格嚴(yán)重扭曲，并產(chǎn)生晶粒拉長、破碎和纖維化，這時(shí)它的強(qiáng)度和硬度都有所增加，這就是冷作硬化現(xiàn)象。冷硬現(xiàn)象的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是硬化程度和深度。上一頁下一頁返回第二節(jié)表面層的物理機(jī)械性能及影響因素表面層的硬化程度取決于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度以及變形時(shí)的溫度。力愈大，塑性變形也愈大，因而硬化程度也愈大。變形速度愈大，塑性變形愈不充分，硬化程度也就減小。變形的硬度，不僅影響塑性變形程度，還會(huì)影響變形后的金相組織的恢復(fù)。當(dāng)溫度處在0.25~0.3μm(tm為金屬的熔點(diǎn))的范圍內(nèi)時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生恢復(fù)現(xiàn)象，也就是部分地消除冷作硬化。航空、般天部門所用的耐熱材料，由于熔點(diǎn)很高，在加工過程中產(chǎn)生的硬化不易恢復(fù)，所以冷作硬化較嚴(yán)重。上一頁下一頁返回第二節(jié)表面層的物理機(jī)械性能及影響因素二、加工表面層的組織變化在切削加工過程中，加工表面層出現(xiàn)溫度升高。當(dāng)溫度升高超過金相組織變化的臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生金相組織變化。對(duì)一般的切削加工來說，溫度升高不多，不一定能達(dá)到相變溫度。但在磨削加工時(shí)，由于磨削力較大，磨削速度也特別高，所以磨削時(shí)的溫度較高。再加上大部分磨削熱(70%左右)將傳給工件，所以磨削時(shí)容易發(fā)生表面金相組織的變化。上一頁下一頁返回第二節(jié)表面層的物理機(jī)械性能及影響因素磨削實(shí)驗(yàn)證明，在輕磨削條件下磨出的表面層金相組織，沒有什么變化。中等磨削條件下磨出的表面層金相組織，顯然與基體組織不同，但變化層的深度只有幾個(gè)微米，較容易在后續(xù)工序中去除。而在重磨削條件下，磨出的表面層金相組織變化層，其深度顯著加大，如果后續(xù)工序的加工余量較小，將不能全部去除變化層，對(duì)使用性能就會(huì)有影響。上一頁下一頁返回第二節(jié)表面層的物理機(jī)械性能及影響因素影響金相組織變化的因素有:工件材料、磨削溫度和冷卻速度。各種材料的金相組織和轉(zhuǎn)變的特性是很不相同的。如淬火鋼在磨削時(shí)，如果磨削區(qū)的溫度超過馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度(中碳鋼在250℃~350℃)但未超過相變臨界溫度(碳鋼為720℃左右)時(shí)，則工件表面層的馬氏體組織產(chǎn)生回火現(xiàn)象，轉(zhuǎn)變成硬度較低的回火組織(索氏體或屈氏體)。如果磨削區(qū)超過相變溫度，又由于冷卻液的急冷作用，表面層出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織，硬度較原來的回火馬氏體高。三、加工表面層的殘余應(yīng)力在加工過程中，當(dāng)表面層產(chǎn)生塑性變形或金相組織變化時(shí)，在表面層及其與基體之間就會(huì)產(chǎn)生互相平衡的應(yīng)力，稱為表面層的殘余應(yīng)力。上一頁下一頁返回第二節(jié)表面層的物理機(jī)械性能及影響因素表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因是:(1)冷態(tài)塑性變形在切削力的作用下，已加工表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形。當(dāng)表面層在切削時(shí)受刀具后面的擠壓和摩擦的影響較大時(shí)，表面層產(chǎn)生伸長塑性變形，表面積趨于增大，此時(shí)里層金屬受到影響，處于彈性變形狀態(tài)。當(dāng)外力消失后，里層金屬趨向復(fù)原，但受到已產(chǎn)生塑性變形的表面層的限制，回復(fù)不到原來的狀態(tài)，因而在里層產(chǎn)生拉伸應(yīng)力、外層產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力。同理，若表面層產(chǎn)生收縮性變形時(shí)，則由于基體金屬的影響，表面層將產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力，而里層則產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。上一頁下一頁返回第二節(jié)表面層的物理機(jī)械性能及影響因素另外，在冷態(tài)塑性變形時(shí)，同時(shí)使金屬的晶格被扭曲，晶粒受到破壞，導(dǎo)致金屬的密度下降，比容積增大。因此，在表面層要產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力。比容積增大和冷態(tài)塑性變形所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，若其壓或拉的性質(zhì)相反，則可互相抵消其部分影響。(2)熱態(tài)塑性變形在機(jī)械加工時(shí)，表面層受切削熱的影響而產(chǎn)生熱膨脹，由于基體的溫度較低，因而表面層的熱脹受到基體金屬的限制，而在表面層產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。若該應(yīng)力沒有超過材料的屈服極限時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)溫度下降時(shí)，壓縮應(yīng)力逐漸消失，冷卻到原有的室溫時(shí)，恢復(fù)到加工前的狀態(tài)。若表面層在加工時(shí)溫度很高，產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力超過材料的屈服極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱塑性變形。變形的應(yīng)力如圖6-5所示。上一頁下一頁返回第二節(jié)表面層的物理機(jī)械性能及影響因素

當(dāng)切削區(qū)溫度升高時(shí)，表面層受熱膨脹而產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，該應(yīng)力隨溫度增加而線性地加大，當(dāng)未達(dá)到A點(diǎn)時(shí)就開始冷卻，因未產(chǎn)生熱塑性變形而仍回至n點(diǎn)，表面層不產(chǎn)生殘余應(yīng)力。當(dāng)切削區(qū)溫度升高到達(dá)A點(diǎn)時(shí)，熱應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度值，若在A點(diǎn)處溫度再升高至TB，表面層產(chǎn)生熱塑性變形，熱應(yīng)力值將停留在材料在不同溫度時(shí)的屈服強(qiáng)度值處(考σB:材料在溫度TB時(shí)的屈服強(qiáng)度)，當(dāng)磨削完畢溫度下降時(shí)，熱應(yīng)力按原斜率下降，(沿BC線)，直到與基體溫度一致時(shí)即到達(dá)C點(diǎn)。加工后表面層將有殘余拉應(yīng)力。上一頁下一頁返回第二節(jié)表面層的物理機(jī)械性能及影響因素溫度愈高，愈容易產(chǎn)生熱塑性變形，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也愈大。殘余應(yīng)力的大小，除與溫度有關(guān)外，也與材料的特性有關(guān)，即與屈服極限的曲線及溫度升降的斜率有關(guān)。(3)金相組織的變化切削加工時(shí)，尤其是磨削加工時(shí)的高溫，會(huì)引起表面層金屬組織的相變。由于不同的金相組織有不同的比重，因此，不同組織的體積也不相同。若表面層的體積增加時(shí)，由于受基體的影響，表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。反之，表面層體積縮小時(shí)，則產(chǎn)生拉應(yīng)力。各種組織中，馬氏體比重最小，奧氏體比重最大。各種組織的比重值如下所列。上一頁下一頁返回第二節(jié)表面層的物理機(jī)械性能及影響因素馬氏體:γM=7.65;奧氏體:γA=7.96;屈氏體:γT=7.78;索氏體:γS=7.78。

磨淬火鋼時(shí)，若表面層產(chǎn)生回火現(xiàn)象，馬氏體轉(zhuǎn)化成屈氏體和索氏體，因體積縮小，表面層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。若表面層產(chǎn)生二次淬火時(shí)，由于二次淬火馬氏體的體積比里層回火組織的體積大，因而表面層產(chǎn)生壓應(yīng)力。上一頁下一頁返回第二節(jié)表面層的物理機(jī)械性能及影響因素在實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)械加工后表面層殘余應(yīng)力是由上述三方面因素綜合作用的結(jié)果。例如，在切削加工中如果切削熱的影響不大，表面層中沒有產(chǎn)生熱塑性變形，而是以冷塑性變形為主，此時(shí)，表面層中將產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。磨削加工，一般因磨削溫度較高，常以相變和熱塑性變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力為主，所以表面層常帶有殘余拉應(yīng)力。上一頁返回第三節(jié)提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的方法一、精密加工精密加工要求機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度高，工作臺(tái)在低速下運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，能實(shí)現(xiàn)精確的微量進(jìn)給，環(huán)境溫度穩(wěn)定，切削條件合理，工藝系統(tǒng)剛度足夠等。二、精密車削精密車削采用細(xì)顆粒硬質(zhì)合金刀片，以獲得較小的表面粗糙度值，加工精度更高時(shí)可使用金剛石車刀、高的切削速度、小的背吃刀量和進(jìn)給量進(jìn)行車削。加工精度可達(dá)IT5~IT6級(jí)，對(duì)于黑色金屬材料，表面粗糙度值Ra在0.8~0.2μm以下;對(duì)于有色金屬材料，表面粗糙度值Ra在0.4~0.1μm以下。下一頁返回第三節(jié)提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的方法三、高速精膛硬度低、塑性好的一些不適宜采用磨削的各種精密孔的加工，可采用高速精鏜，一般采用硬質(zhì)合金刀具，切削速度高，背吃刀量和進(jìn)給量都很小，加工精度為IT6~IT7級(jí)，表面粗糙度值Ra為0.8~0.1μm。當(dāng)要求Ra值小于0.08μm時(shí)，可用金剛石刀具。上一頁下一頁返回第三節(jié)提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的方法四、寬刃精刨在龍門刨床上常采用寬刃刨刀(刃寬60~500mm)精刨鑄鐵及鋼件。刀具材料采用硬質(zhì)合金或高速鋼，切削速度低，背吃刀量小，在加工平面上可切去極薄一層金屬，加工精度很高。例如，采用精刨加工機(jī)床床身導(dǎo)軌面，比研磨不僅效率可提高，而且直線度、平面度等精度也有所提高，表面粗糙度值Ra在0.8μm以下。刨削時(shí)應(yīng)在前后刀面同時(shí)澆注切削液。上一頁下一頁返回第三節(jié)提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的方法五、高精度磨削高精度磨削是指用金剛石筆在砂輪工作面上修整出大量等高的磨粒微刃，這些等高的微刃能從工件表面切除微薄的余量，達(dá)到很高的加工精度。表面粗糙度值Ra在0.5~0.1μm時(shí)稱精密磨削;Ra在0.025~0.012μm時(shí)稱超精密磨削;Ra在0.008μm以下時(shí)，稱鏡面磨削。六、光整加工光整加工是用細(xì)粒度的磨料對(duì)工件表面進(jìn)行微量切削、擠壓和刮擦的一種加工方法，可降低工件表面粗糙度值，切除表面變質(zhì)層，提高工件表面質(zhì)量。上一頁下一頁返回第三節(jié)提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的方法七、研磨研磨是利用研具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在研磨劑的作用下對(duì)工件進(jìn)行細(xì)微切削加工的方法。尺寸精度為0.1~0.3μm，表面粗糙度值Ra為0.04~0.01μm，幾乎不產(chǎn)生殘余應(yīng)力等缺陷，但生產(chǎn)效率極低。研磨的加工范圍很廣，可研磨外圓、內(nèi)孔、平面及成型表面等。研磨可分為手工研磨和機(jī)械研磨。圖6-6(a)為外圓機(jī)械研磨裝置的示意圖。研磨時(shí)，工件放在上、下研磨盤之間的硬木質(zhì)隔板上按工件尺寸開出的斜槽中[見圖6-6(b)]。隔板作偏心回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，工件同時(shí)具有滾動(dòng)和滑動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)。上一頁下一頁返回第三節(jié)提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的方法研磨既可用于加工金屬材料，也可加工非金屬材料。由于研磨時(shí)速度低、壓力小、工件塑性變形和切削發(fā)熱都很小，因此，尺寸精度可達(dá)IT6級(jí)以上，表面粗糙度值Ra可達(dá)0.04~0.01μm。八、超精加工超精加工也叫超精研，是一種用細(xì)粒度砂條進(jìn)行磨削的光整加工方法。圖6-7是超精研外圓的加工示意圖，工件既作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，砂條在一定的很小壓力F之下不斷地左右擺動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的合成使砂條上的砂粒在加工表面上磨出極細(xì)微的不重復(fù)的復(fù)雜軌跡，這些磨跡呈交叉網(wǎng)紋，切去了加工表面的全部凸峰，從而獲得R0為0.04μm以下的表面粗糙度。由于加工余量很小，不會(huì)產(chǎn)生磨削燒傷。上一頁下一頁