第六章機械加工表面質量第一節(jié)概述掌握機械加工中各種工藝因素對表面質量影響的規(guī)律，并應用這些規(guī)律控制加工過程，以達到提高加工表面質量、提高產(chǎn)品性能的目的。實踐表明，零件的破壞一般總是從表面層開始的。產(chǎn)品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取決于其主要零件的表面質量。研究機械加工表面質量的目的機械產(chǎn)品的失效形式因設計不周而導致強度不夠；磨損、腐蝕和疲勞破壞。少數(shù)多數(shù)1、機械加工表面質量的含義1．表面的幾何特征2．表面層物理力學、化學性能(1)表面粗糙度(2)表面波度(3)紋理方向(1)表面層加工硬化(冷作硬化)。(2)表面層金相組織變化。(3)表面層產(chǎn)生殘余應力。第一節(jié)概述1）表面的幾何形狀特征加工后表面形狀，總是以“峰”、“谷”的形式偏離其理想光滑表面。按偏離程度有宏觀和微觀之分。波距：峰與峰或谷與谷間的距離，以L表示；波高：峰與谷間的高度，以H表示。波距與波高L/H>1000時，屬于宏觀幾何形狀誤差；L/H<50時，屬于微觀形狀誤差，稱作表面粗糙度；L/H=50～1000時，稱作表面波度；主要是由機械加工過程中工藝系統(tǒng)低頻振動所引起。第一節(jié)概述紋理方向是指表面刀紋的方向，取決于表面形成所采用的機械加工方法。一般運動副或密封件對紋理方向有要求。傷痕是指在加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷，如沙眼、氣孔、裂痕等。第一節(jié)概述2)表面層物理力學、化學性能表示方法(1)表面金屬層的冷作硬化指工件在加工過程中，表面層金屬產(chǎn)生強烈的塑性變形，使工件加工表面層的強度和硬度都有所提高的現(xiàn)象。冷硬層深度h硬化程度N硬化程度：其中：H——加工后表面層的顯微硬度H0——材料原有的顯微硬度第一節(jié)概述(2)表面層金相組織變化(3)表面層產(chǎn)生殘余應力指的是加工中，由于切削熱的作用引起表層金屬金相組織發(fā)生變化的現(xiàn)象。如磨削時常發(fā)生的磨削燒傷，大大降低表面層的物理機械性能。指的是加工中，由于切削變形和切削熱的作用，工件表層及其基體材料的交界處產(chǎn)生相互平衡的彈性應力的現(xiàn)象。殘余應力超過材料強度極限就會產(chǎn)生表面裂紋。第一節(jié)概述二、加工表面質量對機器零件使用性能的影晌1．表面質量對零件耐磨性的影響第一階段初期磨損階段第二階段正常磨損階段第三階段急劇磨損階段零件的磨損可分為三個階段不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作條件下，摩擦副表面總是存在一個最佳表面粗糙度值，表面粗糙度Ra值約為0.32～1.25μm較好。表面粗糙度對摩擦副的影響第一節(jié)概述重裁情況下，由于壓強、分子親和力和潤滑液的儲存等因素的變化，其規(guī)律與上述有所不同。表面紋理方向對耐磨性的影響表面紋理方向影響金屬表面的實際接觸面積和潤滑液的存留情況。輕載時，兩表面的紋理方向與相對運動方向一致時，磨損最?。划攦杀砻婕y理方向與相對運動方向垂直時，磨損最大。過度的加工硬化會使金屬組織疏松，甚至出現(xiàn)疲勞裂紋和產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，從而使耐磨性下降。表面層的加工硬化對耐磨性的影響由于加工硬化提高了表面層的強度，減少了表面進一步塑性變形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性0.5～1倍。第一節(jié)概述2）表面質量對零件疲勞強度的影響在交變載荷作用下，零件表面粗糙度、劃痕、裂紋等缺陷員易形成應力集中，并發(fā)展成疲勞裂紋，導致零件疲勞破壞。因此，對于重要零件表面如連桿、曲軸等，應進行光整加工，減小表面粗糙度值，提高其疲勞強度。適當?shù)募庸び不茏璧K已有裂紋的繼續(xù)擴大和新裂紋的產(chǎn)生，有助于提高疲勞強度。但加工硬化程度過大，反而易產(chǎn)生裂紋，故加工硬化程度應控制在一定范圍內。拉應力加劇疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展；殘余壓應力，能延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴展，而使零件疲勞強度提高。表面殘余應力對疲勞強度的影響影響極大表面粗糙度的影響表面層的加工硬化對疲勞強度影響第一節(jié)概述3）表面質量對零件耐腐蝕性的影響殘余壓應力使零件表面緊密，腐蝕性物質不易進入，可增強零件的耐腐蝕性；表面粗糙度的影響表面粗糙度值越大，越容易積聚腐蝕性物質；波谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。零件的耐腐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度表面殘余應力對零件耐腐蝕性影響拉應力則降低耐腐蝕性第一節(jié)概述4)表面質量對配合性質的影響表面殘余應力會引起零件變形，使零件形狀和尺寸發(fā)生變化，因此對配合性質有一定的影響。相配零件間的配合關系是用過盈量或間隙值來表示的。表面粗糙度的影響對間隙配合而言，表面粗糙度值太大，會使配合表面很快磨損而增大配合間隙，改變配合性質，降低配合精度。

對過盈配合而言，裝配時配合表面的波峰被擠平，減小實際過盈量，降低了連接強度，影響了配合的可靠性。表面殘余應力的影響第一節(jié)概述刀尖圓弧半徑主偏角副偏角進給量一、切削加工表面粗糙度的形成和影響因素幾何因素刀刃和工件相對運動軌跡物理因素與被加工材料性質及

切削機理有關的因素1）切削加工表面粗糙度的幾何因素切削殘留面積的高度和刀刃刃磨質量塑性變形，摩擦、積屑瘤、工藝系統(tǒng)的高頻振動第二節(jié)影響表面質量的因素2）切削加工表面粗糙度的物理因素第二節(jié)影響表面質量的因素為了降低因物理因素引起的粗糙度過大，故應采用合理的工藝參數(shù)：

①工件材料性能的影響塑性材料沖擊韌度↑，表面粗糙度↑；脆性材料的加工表面粗糙度比較接近理論表面粗糙度值。一般，調質或正火處理，以得到均勻細密的晶粒組織和較高的硬度，以改善切削性能。②刀具切削角度、材料和刃磨質量的影響前角γ0↑，塑性變形↓，表面粗糙度↓。γ0為負值時，塑性變形↑，表面粗糙度↑。過小的后角α0將增大摩擦，刃傾角λ0又將改變刀具的實際前角故都會影響加工表面的表面粗糙度。刃具材料和刀磨質景對產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺等現(xiàn)象影響很大。故也將影響加工表面粗糙度。第二節(jié)影響表面質量的因素③切削用量的影響1)切削速度υ

切削塑性材料時，在一定的速度范圍內（20~80m/min)易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺。當切削速度超過80m/min時，積屑瘤和鱗刺都不易產(chǎn)生。因此工件表面粗糙度值較小。加工硬脆材料時，切削速度對表面粗糙度影響甚微。因為在此種情況下不產(chǎn)生積屑瘤。2)進給量?減小進給量?可減小粗糙度值，并且還可減小切削時的塑性變形，但有時?過小會增加刀具與工件表面的擠壓次數(shù)，使塑性變形增大，反而加大表面粗糙度值。3)背吃刀量αp一般來說αp對表面粗糙度影響不大，但在精密加工中卻對表面粗糙度有影響。過小的αp將使切削刃圓弧對加工表面產(chǎn)生強烈的擠壓和摩擦，引起附加的塑性變形，增大了表面粗糙度值。幾何原因塑性變形機械加工振動(主要因素)二、磨削過程中表面粗糙度的形成1、形成因素磨削用量砂輪的粒度和砂輪的修整情況第一類是與磨削砂輪有關的因素第二類是與工件材質有關的因素第三類是與加工條件有關的因素影響表面粗糙度的因素第二節(jié)影響表面質量的因素二、磨削過程中表面粗糙度的形成(1)幾何原因——與磨削砂輪有關的因素1）磨削用量對表面粗糙度的影響砂輪的速度↑，單位時間內的磨削量↑，粗糙度↓；工件的速度↑，單位面積內的磨削量↓，粗糙度↑；砂輪縱向進給速度↑，每部位重復磨削次數(shù)↑，粗糙度↓。第二節(jié)影響表面質量的因素2）砂輪的粒度和砂輪的修整對表面粗糙度的影響砂輪的粒度磨粒的大小磨粒間的距離砂輪的粒度號↑，參與磨削的磨?！?，粗糙度↓

；砂輪的粒度號越大，磨粒和磨粒間離越小修整砂輪時，縱向進給量對表面粗糙度的影響甚大；縱向進給量↓，砂輪表面的等高性越好，粗糙度↓；第二節(jié)影響表面質量的因素

砂輪太硬，磨粒磨損后不易脫落，使工件表面受到強烈的摩擦和擠壓，增加了塑性變形，表面粗糙度值增大，同時還容易引起燒傷；砂輪太軟，磨粒易脫落，磨削作用減弱，也會增大表面粗糙度值。主要是砂輪的粒度、硬度以及對砂輪的修整等。

砂輪的粒度越細，則砂輪單位面積上的磨粒數(shù)越多，磨削表面的刻痕越細，表面粗糙度值越??；但較度過細，砂輪易堵塞，使表面組糙度值增大，同時還易產(chǎn)生波紋和引起燒傷。砂輪的粒度要適度砂輪硬度要合適砂輪的硬度是指磨粒受磨削力后從砂輪上脫落的難易程度。第二節(jié)影響表面質量的因素越小，修出的微刃越多，等高性越好，粗糙度值低。砂輪的修整質量修整工具修整砂輪的縱向進給量砂輪的修整質量

砂輪的修整是用金剛石除去砂輪外層己鈍化的磨粒，使磨粒切削刃鋒利，降低磨削表面的表面粗糙度值。與這兩者有密切關系組織緊密的砂輪用于成形磨削和精密磨削，可獲得高精度和小的表面粗糙度值；組織疏松的砂輪不易堵塞，適用于磨削韌性大而硬度不高的材料或熱敏性材料(如磁鋼，不銹鋼、射熱鋼等)。一般用途的砂輪為中等組織。砂輪的組織

第二節(jié)影響表面質量的因素工件材料太軟：鋁、銅合金等軟材料易堵塞砂輪，比較難磨。塑性大、導熱性差的耐熱合金易使砂粒早期崩落，導致磨削表面粗糙度值增大。工件材料太硬：磨粒易鈍化，鈍化的磨粒不能及時脫落，工件表面受到強烈的摩擦和擠壓作用，塑性變形加劇，使表面粗糙度值增大；(2)與工件材質有關的因素

包括材料的硬度、塑性、導熱性等。對表面粗糙度有顯著影響第二節(jié)影響表面質量的因素(3)與加工條件有關的因素包括磨削用量、冷卻條件及工藝系統(tǒng)的精度與抗振性等。第二節(jié)影響表面質量的因素三、影響零件表面層物理力學性能的因素

加工表面除受力變形外，還受到機械加工中產(chǎn)生的切削熱的影響。切削熱在一定條件下會使金屬在塑性變形中產(chǎn)生回復現(xiàn)象，使金屬失去加工硬化中所得到的物理力學性能，這種現(xiàn)象稱為弱化。一、表面層的加工硬化1．加工硬化的產(chǎn)生硬化弱化

機械加工過程中，工件表面后金屬受切削力作用，產(chǎn)生強烈的塑性變形、使金屬的晶格扭曲，晶粒被拉長、纖維化甚至破碎而引起的表面層的強度和硬度增加，塑性降低，物理性能（如密度、導電性、導熱性等）也有所變化。這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱作冷作硬化或強化。

因此，金屬在加工過程中最后的加工硬化，取決于硬化速度與弱化速度的比率。第二節(jié)影響表面質量的因素1)表面層的顯微硬度H2)硬化層深度h3)硬化程度N2．加工硬化的衡量指標H0——金屬內部的顯微硬度

磨削時，磨削深度和縱向進給速度↑，磨削力↑，塑性變形加劇，表面冷硬趨向↑。4．影響加工硬化的因素1)切削力↑，塑性變形↑，硬化程度和硬化層深度↑。如：切削時進給量↑

，切削力↑

，塑性變形程度↑

，硬化程度↑；

刀具的刃口圓角和后刀面的磨損量增大，塑性變形↑，冷硬層深度和硬化程度隨之↑。第二節(jié)影響表面質量的因素2)切削溫度↑，弱化作用↑，冷硬作用↓。如：切削速度增大，會使切削溫度升高，有利于軟化；

磨削時提高磨削速度和縱向進給速度，有時會使磨削區(qū)產(chǎn)生較大熱量而使冷硬減弱。被加工材料的硬度低、塑性好，則切削時塑性變形越大，冷硬現(xiàn)象就越嚴重。例如：碳鋼，含碳量↑，強度↑，塑性↓，硬化↓；第二節(jié)影響表面質量的因素

對于磨削加工來說，由于單位面積上產(chǎn)生的切削熱比一般切削方法要大幾十倍，易使工件表面層的金相組織發(fā)生變化，從而使表面層的硬度和強度下降，產(chǎn)生殘余應力甚至引起顯微裂紋。這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。

二．表面層金相組織變化

機械加工過積中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度會急劇升高，當溫度超過工件材料金相組織變化的臨界點，就會發(fā)生金相組織變化。對于一般切削加工而言，溫度還不會上升到如此程度。磨削燒傷將嚴重地影響零件的使用性能。第二節(jié)影響表面質量的因素

1)如果工件表面層溫度未超過相變溫度。(一般中碳鋼為720℃，但超過馬氏體的轉變溫度(一般中碳鋼為300℃)，這時馬氏體將轉變?yōu)橛捕容^低的回火屈氏體或索氏體，這叫回火燒傷。

2)當工件表面層溫度超過相變溫度，如果這時有充分的切削液，則表面層將急冷形成二次淬火馬氏體，硬度比回火馬氏體高，但很薄，只有幾微米厚。其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體，導致表面層總的硬度降低，這稱為淬火燒傷。

3)當工件表面層溫度超過相變溫度，則馬氏體轉變?yōu)閵W氏體、如果這時無切削液，則表面硬度急劇下降，工件表層被退火，這種現(xiàn)象稱為退火燒傷。磨削時很容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

磨淬火鋼時，在工件表面層上形成的瞬時高溫將使表面金屬產(chǎn)生以下三種金相組織變化：第二節(jié)影響表面質量的因素影響磨削燒傷的因素及其改善措施盡可能減少磨削熱的產(chǎn)生；改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷可有兩個途徑：(1)合理選擇磨削用量(2)工件材料(3)砂輪的選擇(4)冷卻條件改善措施第二節(jié)影響表面質量的因素

磨削深度↓，工件縱向進給量和工件速度↑，砂輪與工件表面接觸時間相對↓，因而熱的作用時間↓，磨削燒傷↓

。

為減輕燒傷而同時又保持高的生產(chǎn)率、一般選用較大的工件速度和較小的磨削深度。同時，為了彌補因增大工件速度而造成表面粗糙度值增大的缺陷，可以提高砂輪速度。(1)合理選擇磨削用量但：磨削深度↓，生產(chǎn)率↓；工件縱向進給量和工件速度↑，表面粗糙度值↑。實踐證明，同時提高砂輪速度和工件速度，可以避免燒傷。解決辦法：第二節(jié)影響表面質量的因素(2)工件材料

工件材料對磨削區(qū)溫度的影響主要取決于它的硬度、強度、韌性和熱導性。硬度、強度越高，韌性越大，磨削熱量越多；導熱性差的材料，如耐熱鋼、軸承鋼、不銹鋼等。在磨削時易產(chǎn)生燒傷

軟砂輪較好，對于硬度太高的砂輪，鈍化砂粒不易脫落，容易產(chǎn)生燒傷。(3)砂輪的選擇一般來說，選用粗粒度砂輪磨削，不容易產(chǎn)生燒傷。

砂輪結合劑最好采用具有一定彈性的材料，如樹脂、橡膠等。第二節(jié)影響表面質量的因素采用切削液帶走磨削區(qū)的熱量可以避免燒傷。(4)冷卻條件磨削時，一般冷卻效果較差，由于高速旋轉的砂輪表面上產(chǎn)生強大氣流層，實際上沒有多少切削液能進入磨削區(qū)。增加切削液的流量和壓力采用特殊噴嘴采用多孔性砂輪比較有效的冷卻方法將切削液大量地噴注在已經(jīng)離開磨削區(qū)的工件表面上。第二節(jié)影響表面質量的因素

三、表面層的殘余應力(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應力(2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應力(3)金相組織變化引起的殘余應力l、表面層殘余應力及其產(chǎn)生的原因

表面層殘余應力

外部載荷去除后，工件表面層及其與基體材料的交界處仍殘存的互相平衡的應力。表面層殘余應力產(chǎn)生的原因(4)冷態(tài)塑性變形后比容積增大引起的殘余應力第二節(jié)影響表面質量的因素(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應力

表層的冷態(tài)塑性變形主要發(fā)生在Py的方向(刀具是副前角),表層金屬被壓薄的,按一般變形的規(guī)律,壓薄后的金屬,其另外兩個角度(長度、寬度）比如要增大，由于基體金屬的限制，結果產(chǎn)生壓應力—磨削

表層金屬的冷態(tài)塑性變形與切削方