第四节机械加工表面质量

1、第四节第四节 机械加工表面质量机械加工表面质量 机器零件的破坏，一般都是从机器零件的破坏，一般都是从表面层表面层开始开始的，这说明零件的表面质量至关重要，它对产的，这说明零件的表面质量至关重要，它对产品质量有很大影响。品质量有很大影响。 研究表面质量的目的，就是要掌握机械加研究表面质量的目的，就是要掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，以工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，以便应用这些规律控制加工过程，最终达到提高便应用这些规律控制加工过程，最终达到提高表面质量、提高产品使用性能的目的。表面质量、提高产品使用性能的目的。一、加工表面质量的概念一、加工表面质量的概念 加工表面质量包含

2、以下两个方面的内容：加工表面质量包含以下两个方面的内容： 1表面粗糙度与波度表面粗糙度与波度 根据加工表面轮廓的特征（波距根据加工表面轮廓的特征（波距L与波高与波高H的比值），可将表面轮廓分为以下三种：的比值），可将表面轮廓分为以下三种： LH1000：称为：称为宏观几何形状误差宏观几何形状误差，例如圆度误差、圆柱度误差等，它们属于加工例如圆度误差、圆柱度误差等，它们属于加工精度范畴；精度范畴； LH501000，称为，称为波纹度波纹度，它是由，它是由机械加工振动引起的；机械加工振动引起的；如图如图 LH50，称为，称为微观几何形状误差微观几何形状误差，亦称表面粗糙度。亦称表面粗糙度。 2表面

3、层材料的物理力学性能和化学表面层材料的物理力学性能和化学性能性能 表面层材料的物理力学性能，包括表面表面层材料的物理力学性能，包括表面层的层的冷作硬化冷作硬化、残余应力残余应力以及以及金相组织的变金相组织的变化。化。 （1）表面层的冷作硬化）表面层的冷作硬化 冷作硬化：冷作硬化：机械加工过程中表面层金属产机械加工过程中表面层金属产生强烈的生强烈的塑性变形塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，这些都会使表间产生剪切滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，塑性减小，统称为冷作面层金属的硬度增加，塑性减小，统称为冷作硬化。硬化。 （2）表面层残

4、余应力）表面层残余应力 表面层残余应力：表面层残余应力：机械加工过程中由于机械加工过程中由于切切削变形削变形和和切削热切削热等因素的作用在工件表面层材等因素的作用在工件表面层材料中产生的内应力，称为表面层残余应力。料中产生的内应力，称为表面层残余应力。 在铸、锻、焊、热处理等加工过程产生在铸、锻、焊、热处理等加工过程产生的内应力与这里介绍的表面残余应力的区别的内应力与这里介绍的表面残余应力的区别在于前者是在在于前者是在整个工件上平衡的应力整个工件上平衡的应力，它的，它的重新分布会引起工件的变形；后者则是在重新分布会引起工件的变形；后者则是在加加工表面材料中平衡的应力工表面材料中平衡的应力，它的

5、重新分布不，它的重新分布不会引起工件变形，但它对机器零件表面质量会引起工件变形，但它对机器零件表面质量有重要影响。有重要影响。 （3） 表面层金相组织变化表面层金相组织变化 机械加工机械加工过程中，在工件的加工区域，温度会急剧升过程中，在工件的加工区域，温度会急剧升高，当高，当温度升高温度升高到超过工件材料金相组织变到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。例化的临界点时，就会发生金相组织变化。例如磨削淬火钢件时，常会出现回火烧伤、退如磨削淬火钢件时，常会出现回火烧伤、退火烧伤等金相组织变化，将严重影响零件的火烧伤等金相组织变化，将严重影响零件的使用件能。使用件能。二、机械加

6、工表面质量对机器使用性二、机械加工表面质量对机器使用性能的影响能的影响 1表面质量对耐磨性的影响表面质量对耐磨性的影响 零件的耐磨性不仅与摩擦副的材零件的耐磨性不仅与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关，而料、热处理情况和润滑条件有关，而且还与摩擦副表面质量有关。且还与摩擦副表面质量有关。 （1）表面粗糙度对耐磨性的影响）表面粗糙度对耐磨性的影响 表面表面粗糙度值大，接触表面的实际压强增大，粗粗糙度值大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰间相互咬合、挤裂，使磨损加糙不平的凸峰间相互咬合、挤裂，使磨损加剧，剧，表面粗糙度值越大越不耐磨表面粗糙度值越大越不耐磨；但表面；但表面粗糙度值粗糙度值

7、也不能太小也不能太小，表面太光滑，因存不，表面太光滑，因存不住润滑油使接触面间容易发生分子粘接，也住润滑油使接触面间容易发生分子粘接，也会导致磨损加剧。表面粗糙度的最佳值与机会导致磨损加剧。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工况有关，载荷加大时，磨损曲线器零件的工况有关，载荷加大时，磨损曲线向上向右位移，最佳粗糙度值也随之右移。向上向右位移，最佳粗糙度值也随之右移。 （2）表面冷作硬化对耐磨性的影响）表面冷作硬化对耐磨性的影响 机械加工后的表面，由于冷作硬化使机械加工后的表面，由于冷作硬化使表面层金属的表面层金属的显微硬度提高，可降低磨损显微硬度提高，可降低磨损。加工表面的冷作硬化，一般能加工表面

8、的冷作硬化，一般能提高耐磨性提高耐磨性；但是但是过度的冷作硬化将使加工表面金属组过度的冷作硬化将使加工表面金属组织变得织变得“疏松疏松”，严重时甚至出现裂纹，严重时甚至出现裂纹，使磨损加剧。使磨损加剧。 （3）表面纹理对耐磨性的影响）表面纹理对耐磨性的影响 轻载时轻载时，两相对运动零件表面的刀纹方向，两相对运动零件表面的刀纹方向均与运动均与运动方向相同时，耐磨性好方向相同时，耐磨性好；两者的刀纹；两者的刀纹方向均与运动方向均与运动方向垂直时，耐磨性差方向垂直时，耐磨性差;这是因这是因为两个摩擦面在相互运动中，切去了妨碍运动为两个摩擦面在相互运动中，切去了妨碍运动的加工痕迹。的加工痕迹。 重载时

9、重载时，两相对运动零件表面的刀纹方向，两相对运动零件表面的刀纹方向均与相对运动方向均与相对运动方向一致时容易发生咬合，磨损一致时容易发生咬合，磨损量反而大量反而大；两相对运动零件表面的；两相对运动零件表面的刀纹方向相刀纹方向相互垂直互垂直，且运动方向平行于下表面的刀纹方向，且运动方向平行于下表面的刀纹方向，磨损量较小磨损量较小。 2表面质量对零件疲劳强度的影响表面质量对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度对零件的疲劳强度影响很大。表面粗糙度对零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易产生应力集中，出现疲劳裂纹，加速疲容易产生应力集中，出现

10、疲劳裂纹，加速疲劳破坏。零件上容易产生应力集中的沟槽、劳破坏。零件上容易产生应力集中的沟槽、圆角等处的表面粗糙度，对疲劳强度的影响圆角等处的表面粗糙度，对疲劳强度的影响更大。更大。 减小零件的减小零件的表面粗糙度表面粗糙度，可以提高零件的，可以提高零件的疲劳强度。疲劳强度。 零件表面存在一定的零件表面存在一定的冷作硬化冷作硬化，可以阻碍，可以阻碍表面疲劳裂纹的产生，缓和已有裂纹的扩展，表面疲劳裂纹的产生，缓和已有裂纹的扩展，有利于提高疲劳强度；但冷作硬化强度过高时，有利于提高疲劳强度；但冷作硬化强度过高时，可能会产生较大的脆性裂纹反而降低疲劳强度。可能会产生较大的脆性裂纹反而降低疲劳强度。 加

11、工表面层如有一层加工表面层如有一层残余压应力残余压应力产生，可产生，可以提高疲劳强度。以提高疲劳强度。 3表面质量对抗腐蚀性能的影响表面质量对抗腐蚀性能的影响 大气中所含的气体和液体与零件接触时大气中所含的气体和液体与零件接触时会凝聚在零件表面上使表面腐蚀。零件表面会凝聚在零件表面上使表面腐蚀。零件表面粗糙度越大，加工表面与气体、液体接触面粗糙度越大，加工表面与气体、液体接触面积越大，腐蚀作用就越强烈。加工表面的冷积越大，腐蚀作用就越强烈。加工表面的冷作硬化和残余应力，使表层材料处于高能位作硬化和残余应力，使表层材料处于高能位状态，有促进腐蚀的作用。减小表面粗糙度，状态，有促进腐蚀的作用。减小

12、表面粗糙度，控制表面的加工硬化和残余应力，可以提高控制表面的加工硬化和残余应力，可以提高零件的抗腐蚀性能。零件的抗腐蚀性能。 4表面质量对零件配合性质的影响表面质量对零件配合性质的影响 对于对于间隙间隙配合，零件表面越粗糙，配合，零件表面越粗糙，磨损越大，使配合间隙增大，磨损越大，使配合间隙增大，降低配合降低配合精度精度； 对于对于过盈过盈配合，两零件粗糙表面相配合，两零件粗糙表面相配时凸峰被挤平，使有效过盈量减小，配时凸峰被挤平，使有效过盈量减小，将将降低过盈配合的连接强度降低过盈配合的连接强度。三、加工表面的表面粗糙度三、加工表面的表面粗糙度 切削加工的表面粗糙度值主要取决于切削加工的表面

13、粗糙度值主要取决于切切削残留面积的高度削残留面积的高度。 对于刀尖圆弧半径对于刀尖圆弧半径 的刀具，工件表的刀具，工件表面残留面积的高度面残留面积的高度 如图如图4-42a）0 r如如 图图 rfH82 cotcotrrfH 对于刀尖圆弧半径对于刀尖圆弧半径 的刀具，工件的刀具，工件表面残留面积的高度表面残留面积的高度 如图如图4-42b） 减小减小 f 、 、 及增大及增大 ，均可减，均可减小残留面积的高度小残留面积的高度H值。值。 2cos12cos124tan2 ffH0 rr r r 切削加工表面粗糙度的切削加工表面粗糙度的实际实际轮廓形状，轮廓形状，一般都与纯几何因素形成的一般都与纯

14、几何因素形成的理论理论轮廓有较大轮廓有较大的的差别差别，这是由于切削加工中有塑性变形发，这是由于切削加工中有塑性变形发生的缘故。生的缘故。 加工加工塑性塑性材料时，切削速度对加工表面材料时，切削速度对加工表面粗糙度的影响如粗糙度的影响如图图443所示。在图示某一切所示。在图示某一切削速度范围内，容易削速度范围内，容易生成积屑瘤，使表面粗生成积屑瘤，使表面粗糙度增大糙度增大。加工。加工脆性脆性材料时，切削速度对表材料时，切削速度对表面粗糙度的面粗糙度的影响不大影响不大。图图 加工相同材料的工件，晶粒越粗大，加工相同材料的工件，晶粒越粗大，切削加工后的表面粗糙度值越大。切削加工后的表面粗糙度值越大

15、。 为减小切削加工后的表面粗糙度值，为减小切削加工后的表面粗糙度值，常在加工前或精加工前对工件进行正火、常在加工前或精加工前对工件进行正火、调质等调质等热处理热处理，目的在于得到均匀细密，目的在于得到均匀细密的晶粒组织，并适当提高材料的硬度。的晶粒组织，并适当提高材料的硬度。 适当适当增大刀具的前角增大刀具的前角，可以降低被切削材，可以降低被切削材料的塑性变形；料的塑性变形； 降低刀具前刀面和后刀面的表面粗糙度降低刀具前刀面和后刀面的表面粗糙度可可以抑制积屑瘤的生成；以抑制积屑瘤的生成； 增大刀具后角增大刀具后角，可以减少刀具和工件的摩，可以减少刀具和工件的摩擦；擦； 合理选择冷却润滑液合理选

16、择冷却润滑液，可以减少材料的变，可以减少材料的变形和摩擦，降低切削区的温度；形和摩擦，降低切削区的温度； 采取上述各项措施均有利于减小加工表面采取上述各项措施均有利于减小加工表面的粗糙度。的粗糙度。 磨削加工表面粗糙度的形磨削加工表面粗糙度的形成也是由成也是由几何因素几何因素和和表面层材表面层材料的塑性变形料的塑性变形决定的。表面粗决定的。表面粗糙度的高度和形状是由起主要糙度的高度和形状是由起主要作用的某一类因素或是某一个作用的某一类因素或是某一个别因素决定的。别因素决定的。 例如，当所选取的例如，当所选取的磨削用量磨削用量不至于不至于在加工表面上产生显著的热现象和塑在加工表面上产生显著的热现

17、象和塑性变形时，性变形时，几何因素几何因素就可能占优势，就可能占优势，对表面粗糙度高度起决定性影响的可对表面粗糙度高度起决定性影响的可能是砂轮的粒度和砂轮的修正用量；能是砂轮的粒度和砂轮的修正用量； 与此相反，如果磨削区的与此相反，如果磨削区的塑性变形塑性变形相当显著时，砂轮粒度等相当显著时，砂轮粒度等几何因素几何因素就就不起主要作用，磨削用量可能是影响不起主要作用，磨削用量可能是影响磨 削 表 面 粗 糙 度 的 主 要 因 素磨 削 表 面 粗 糙 度 的 主 要 因 素。 四、加工表面的物理力学性能四、加工表面的物理力学性能 （一）表面层材料的冷作硬化（一）表面层材料的冷作硬化 1冷作硬

18、化及其评定参数冷作硬化及其评定参数 冷作硬化：冷作硬化：切削过程中产生的塑性变形，切削过程中产生的塑性变形，会使表层金属的晶格发生扭曲、畸变，晶粒间会使表层金属的晶格发生扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，甚至破碎，这些产生剪切滑移，晶粒被拉长，甚至破碎，这些都会使表层金属的硬度和强度提高，这种现象都会使表层金属的硬度和强度提高，这种现象称作冷作硬化，亦称强化。称作冷作硬化，亦称强化。 冷作硬化的程度取决于塑性变形的程度冷作硬化的程度取决于塑性变形的程度。 弱化：弱化：被冷作硬化的金属处于高能位的被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态，只要一有可能，金属的不稳定不稳定状态，只要一有可能

19、，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化称为弱化。 弱化作用的大小取决于弱化作用的大小取决于温度温度的高低、热的高低、热作用时间的长短和表层金属的强化程度。由作用时间的长短和表层金属的强化程度。由于在加工过程中表层金属同时受到变形和热于在加工过程中表层金属同时受到变形和热的作用，加工后表层金属的最后性质取决于的作用，加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。强化和弱化综合作用的结果。 评定冷作硬化的指标是：表层金属的评定冷作硬化的指标是：表层金属的显微硬度显微硬度HV，硬化层深度，硬化层深度h和硬化程度和硬化程度N，N（H

20、VHV。）。）HV。100，式中式中HV。为工件内部金属的显微硬度。为工件内部金属的显微硬度。 2影响冷作硬化的因素影响冷作硬化的因素 （1）刀具的影响）刀具的影响 切削刃钝圆半径越切削刃钝圆半径越大，已加工表面在形成过程中受挤压程度越大，已加工表面在形成过程中受挤压程度越大，加工硬化也越大；当刀具后刀面的磨损大，加工硬化也越大；当刀具后刀面的磨损量增大时，后刀面与已加工表面的摩擦随之量增大时，后刀面与已加工表面的摩擦随之增大，冷作硬化程度也增加；减小刀具的前增大，冷作硬化程度也增加；减小刀具的前角，加工表面层塑性变形增加，切削力增大，角，加工表面层塑性变形增加，切削力增大，冷作硬化程度和深度

21、都将增加。冷作硬化程度和深度都将增加。 （2）切削用量的影响）切削用量的影响 切削速度增大时，切削速度增大时，刀具对工件的作用时间缩短，塑性变形不充分，刀具对工件的作用时间缩短，塑性变形不充分，随着切削速度的增大和切削温度的升高，冷作随着切削速度的增大和切削温度的升高，冷作硬化程度将会减小。背吃刀量和进给量硬化程度将会减小。背吃刀量和进给量f增大，增大，塑性变形加剧，冷作硬化加强。塑性变形加剧，冷作硬化加强。 （3）加工材料的影响）加工材料的影响 被加工工件材料被加工工件材料的硬度愈低、塑性越大时，冷硬现象愈严重。的硬度愈低、塑性越大时，冷硬现象愈严重。有色金属的再结晶温度低，容易弱化，因此，

22、有色金属的再结晶温度低，容易弱化，因此，切削有色合金工件时的冷硬倾向程度要比切削切削有色合金工件时的冷硬倾向程度要比切削钢件时小。钢件时小。 （二）表面层材料金相组织变化（二）表面层材料金相组织变化 加工表面温度超过相变温度时，表层金属加工表面温度超过相变温度时，表层金属的金相组织将会发生相变。切削加工时，切削的金相组织将会发生相变。切削加工时，切削热大部分被切屑带走，因此影响较小，多数情热大部分被切屑带走，因此影响较小，多数情况下，表层金属的金相组织没有质的变化。磨况下，表层金属的金相组织没有质的变化。磨削加工时，切除单位体积材料所需消耗的能量削加工时，切除单位体积材料所需消耗的能量远大于切

23、削加工，磨削加工所消耗的能量绝大远大于切削加工，磨削加工所消耗的能量绝大部分要转化为热，磨削热传给工件，使加工表部分要转化为热，磨削热传给工件，使加工表面层金属金相组织发生变化。面层金属金相组织发生变化。 磨削淬火钢时，会产生三种不同类型的磨削淬火钢时，会产生三种不同类型的烧伤：烧伤： 回火烧伤：回火烧伤：如果磨削区温度超过马氏如果磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变临界温度（碳钢体转变温度而未超过相变临界温度（碳钢的相变温度为的相变温度为723），这时工件表层金属），这时工件表层金属的金相组织，由原来的马氏体转变为硬度的金相组织，由原来的马氏体转变为硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体），

24、这较低的回火组织（索氏体或托氏体），这种烧伤称为回火烧伤。种烧伤称为回火烧伤。 淬火烧伤：淬火烧伤：如果磨削区温度超过了相如果磨削区温度超过了相变温度，在切削液急冷作用下，使表层金属发变温度，在切削液急冷作用下，使表层金属发生二次淬火，硬度高于原来的回火马氏体，里生二次淬火，硬度高于原来的回火马氏体，里层金属则由于冷却速度慢，出现了硬度比原先层金属则由于冷却速度慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织，这种烧伤称为淬的回火马氏体低的回火组织，这种烧伤称为淬火烧伤。火烧伤。 退火烧伤：退火烧伤：若工件表层温度超过相变若工件表层温度超过相变温度，而磨削区又没有冷却液进入，表层金属温度，而磨削区

25、又没有冷却液进入，表层金属产生退火组织，硬度急剧下降，称之为退火烧产生退火组织，硬度急剧下降，称之为退火烧伤。伤。 磨削烧伤严重影响零件的使用性能，必磨削烧伤严重影响零件的使用性能，必须采取措施加以控制。须采取措施加以控制。 控制磨削烧伤有两个途径：一是尽可能控制磨削烧伤有两个途径：一是尽可能减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量减少传人工件的热量。量减少传人工件的热量。采用硬度稍软的砂采用硬度稍软的砂轮，适当减小磨削深度和磨削速度，适当增轮，适当减小磨削深度和磨削速度，适当增加工件的回转速度和轴向进给量，采用高效加工件的回转速度和轴向进给量，采用高效冷

26、却方式（如高压大流量冷却、喷雾冷却、冷却方式（如高压大流量冷却、喷雾冷却、内冷却）等措施，都可以降低磨削区温度，内冷却）等措施，都可以降低磨削区温度，防止磨削烧伤。防止磨削烧伤。 （三）表面层残余应力（三）表面层残余应力 1加工表面产生残余应力的原因加工表面产生残余应力的原因 （1）表层材料比容增大）表层材料比容增大 切削过程中加工切削过程中加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压与摩表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压与摩擦，产生塑性变形，由于晶粒碎化等原因，表擦，产生塑性变形，由于晶粒碎化等原因，表层材料比容增大。由于塑性变形只在表面层产层材料比容增大。由于塑性变形只在表面层产生，表面层金

27、属比容增大，体积膨胀，不可避生，表面层金属比容增大，体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层基体材料的阻碍，免地要受到与它相连的里层基体材料的阻碍，故表层材料产生残余压应力，里层材料则产生故表层材料产生残余压应力，里层材料则产生与之相平衡的残余拉应力。与之相平衡的残余拉应力。 （2）切削热的影响）切削热的影响 切削加工中，切削切削加工中，切削区会有大量的切削热产生，工件表面的温度区会有大量的切削热产生，工件表面的温度往往很高。往往很高。 （3）金相组织的变化）金相组织的变化 切削时的高温会切削时的高温会使表面层的金相组织发生变化。使表面层的金相组织发生变化。 不同的金相组织有不同的密度，亦即具不同的金相组织有不同的密度，亦即具有不同的比容。表面层金属金相组织变化引有不同的比容。表面层金属金相组织变化引起的体积变化，必然受到与之相连的基体金起的体积变化，必然受到与之相连的基体金属的阻碍，因此就有残余应力产生。当表面属的阻碍，因此就有残余应力产生。当表面层金属体积膨胀时，表层金属产