第五章机械加工表面质量

第五章 机械加工表面质量

零件的机械加工质量：指加工精度， 加工表面质量。

加工后的零件表面不是理想光滑表面，存在不同程度的Ra、冷硬、裂纹等表面缺陷。 缺陷层只有极薄一层（几微米∽几十微米），但影响零件精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等→影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。

机械加工表面质量的概念

一、机械加工表面质量的含义：

1、Ra及波度（表面几何形状误差）

根据加工表面波距L与波高H的比值，可将不平度分为以下三种类型，

L/H>1000：宏观几何形状误差。如圆度误差、圆柱度误差等，属加工精度，不在讨论之列。

L/H=50 ∽ 1000：称为波度。由加工中的振动引起的 L/H<50：微观几何形状误差，表面粗糙度。 2．表面层物理力学性能的变化

机加工中由于受切削力和热的综合作用，表面层金属的物理力学性能和基体金属大不相同，主要有以下三方面的内容：

（1）表面层因塑性变形引起的冷作硬化； （2）表面层中的残余应力；

（3）表面层因切削热引起的金相组织变化。 二、表面质量对零件使用性能的影响 1．表面质量对零件耐磨性的影响 （1） Ra对零件耐磨性的影响 Ra太大和太小都不耐磨。

Ra太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧； Ra太小：表面太光滑，存不住润滑油，接触面不易形成油膜，易发生分子粘结而加剧磨损。 Ra的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷↑时，磨损曲线向上、向右移，最佳表面粗糙度值也随之右移。

（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响 表面的冷作硬化，使磨擦副表面层金属的显微硬度↑，塑性↓，摩擦副接触部分的弹性、塑性变形↓，故一般能使零件的耐磨性↑。但也不是冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。 2．表面质量对零件疲劳强度的影响 （1） Ra对零件疲劳强度的影响

Ra对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大：在交变载荷作用下， Ra的凹谷部位易引起应力集中，产生疲劳裂纹。 Ra越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。 （2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响

适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。冷硬层不但能防止疲劳裂纹的产生，而且能阻止已有的裂纹扩大。但加工表面在发生冷作硬化的同时，会伴随产生残余应力。残余应力有拉应力和压应力之分，

残余拉应力：容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度，

残余压应力：能部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓裂纹扩展，提高零件的疲劳强度。 3.表面质量对零件工作精度（配合质量）的影响

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（1） Ra对零件配合精度的影响

间隙配合：配合表面Ra↑，则初期磨损量↑，从而使配合间隙↑，↓配合精度。

过盈配合：配合表面Ra↑，装配时凸峰部分被挤平，使实际过盈量↓，过盈配合表面的结合强度↓。因此对有配合要求的表面，必须规定较小的Ra。 （2）表面残余应力对零件工作精度的影响

残余应力在内部是平衡的，但会使工件发生蠕变，残余应力经一段时间后会自行减弱以至消失。同时零件也随之变形，引起零件尺寸和形状误差。

对高精度零件，如精密机床的床身、精密量具等，表层残余应力大，会影响精度的稳定性。 4．表面质量对零件耐腐蚀性能的影响 （1） Ra对零件耐腐蚀性能的影响

零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。因此减小零件Ra ，可以提高零件的耐腐蚀性能。 （2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响

压应力使表面紧密，腐蚀性物质不易进入，↑零件耐腐蚀性，拉应力则相反。

表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。

表面粗糙度及主要影响因素（及其控制）

影响Ra可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。 一、切削加工后的表面粗糙度（理论表面粗糙度） 1.刀具几何形状: Ra值主要由残留面积高度决定

影响残留面积高度的主要因素：刀尖圆弧半径rε、主偏角κr、副偏角κr′及进给量f等。 切削残留面积的高度为： H=f/(cotκr+cotκr′) 用圆弧刀刃的残留面积的高度为 H=f2/(8rε)

f和rε对Ra的影响比较明显。加工时，选择较小的f和较大的rε，可减小Ra 2．物理力学因素

（1）工件材料的影响

加工后实际Ra不同于纯几何因素所形成的理论Ra→因为加工中发生了塑变

加工塑性材料时：刀具对金属挤压产生塑变和切屑与工件分离的撕裂，使Ra值↑。

工件材料韧性↑，塑变↑，→Ra值↑。故对中、低碳钢的工件，为改善切削性能，减小Ra ，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。

加工脆性材料：其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。

（2）切削速度的影响 加工塑性材料时：

切削速度Vc在20~50 m/min时： Ra值最大，此时易出现积屑瘤，使表面质量恶化； 切削速度Vc超过100m/min时： Ra减小，并趋于稳定。 选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。

此外，合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。 二、磨削加工的Ra

1.砂轮磨削中影响Ra的几何因素

工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好， Ra值越小。

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（1）砂轮粒度和砂轮修整

在相同磨削条件下， 砂轮粒度号数↑，单位面积上参加磨削的磨粒↑，表面的刻痕越细密，Ra值↑ （2）磨削用量

砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多， Ra值就越小。 工件转速对Ra值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。 工件转速↑，通过加工表面的磨粒数↓，因此Ra值↑。

砂轮纵向进给量小于砂轮宽度时，工件表面将被重叠切削，而被磨次数↑，Ra值↓ 2．磨削中影响粗糙度的物理因素

磨削速度高，且磨粒大多数是负前角，切削刃不锐利，大多数磨粒在磨削中只是对被加工表面起挤压，而没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，磨削时的高温加剧了塑变，使Ra值增大。 (1)磨削用量 砂轮的转速↑，塑性变形的传播速度＜磨削速度，材料来不及变形即被加工，故Ra值↓。 磨削深度和工件速度↑→使塑性变形↑，使Ra值↑。

为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削，使Ra值↓。

(2)工件材料性质：硬度、塑性、热导率对Ra都有显著影响。太硬、太软、太韧都不易磨光。 太硬：磨粒易钝； 太软：砂轮易堵塞；

韧性太大，热导率差：使磨粒早期崩落，破坏砂轮表面微刃的等高性，从而使Ra值增大。 (3)砂轮的粒度与硬度：砂轮粒度越细，磨削的Ra值越小。但磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使Ra值↑；若导热情况不好，会烧伤工件表面。因此，砂轮粒度常取为46-60号。

砂轮的硬度是指磨粒在磨削力作用下从砂轮上脱落的难易程度。砂轮太硬→磨粒脱落难→磨钝的磨粒不能及时被新磨粒替代，使Ra增大。砂轮太软→ 磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会使Ra值↑。通常选用中软砂轮。

§5-3机械加工后表面物理力学性能的变化（影响表层物理力学性能的主要因素）

机加工中，在切削力、热的作用→表层金属的物理力学性能发生变化，造成与里层金属性能有差异。

主要表现为：表面层金属显微硬度、残余应力、金相组织的变化。 一、影响表面层加工硬化的因素 1. 表面层加工硬化的产生

机加工时，表层金属在切削力的作用下→塑性变形→使晶格扭曲→晶粒间产生剪切滑移→晶粒被拉长纤维化→断裂→从而使表面层的硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。

2．衡量表面层加工硬化的指标

衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：

1）表面层的显微硬度HV； 2）硬化层深度h； 3）硬化程度N

N=(HV-HV0)/HV0×100％ （8-3） 式中 HV0——工件原表面层的显微硬度。 3．影响表面层加工硬化的因素 （1）刀具几何形状的影响

切削刃钝圆半径增大，径向切削分力也随之增大，表层金属的塑性变形程度加剧，导致冷硬增大。

刀具后刀面磨损宽度VB从0增大到0.2mm，表层金属的显微硬度由220HV增大到340HV， 因为磨损宽度↑→刀具后刀面与被加工表面的摩擦↑，塑性变形↑，导致表面冷硬↑ 。

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但磨损宽度继续加大，摩擦热急剧增大，弱化趋势明显增大，表层金属的显微硬度逐渐下降，直至稳定在某一水平上。 2）切削用量的影响

在进给量比较大时，进给量↑，切削力↑，表层金属的塑性变形↑，冷硬程度↑。在进给量很小时，若减小进给量，则表层冷硬程度反而会↑

当Vc↑时，刀、工件作用时间↓，使塑变形的扩展深度↓，因而冷硬深度↓。 3）工件材料性能的影响

工件材料的塑性↑→冷硬倾向↑→冷硬程度也越严重。 二、影响表面层残余应力的因素 1．表面层残余应力的产生

机加工中表层组织发生变化时，在表层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力→表面层的残余应力。

（1）冷态塑变形引起的残余应力

在切削或磨削加工中：工件表面受到刀具或砂轮磨粒后刀面的挤压与摩擦，表层晶粒伸长塑变形，此时基体金属仍处于弹变形态。

切削后：基体金属要弹性恢复，但受到已产生塑性变形的表面层金属的牵制，则在表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉应力。 （2）热态塑性变形引起的残余应力

在切削或磨削中，工件表面在切削热作用下产生热膨胀，此时基体温度较低，图5-49a(P176) 工件上温度分布示意图。tp金属具有高塑性的温度，温度高于tp的表层金属不会有残余应力产生。tn为标准室温，tm为金属熔化温度。

图5-49b所示，表层金属1的温度超过tp ，表层金属1处于没有残余应力作用的完全塑性状态中；金属层2的温度在tn和tp之间，这层金属受热之后体积要膨胀，由于表层金属1处于完全塑性状态，故它对金属层2的受热膨胀不起任何阻止作用。但金属层2的膨胀要受到处于室温状态的里层金属3的阻止，金属层2由于膨胀受阻将产生瞬时压缩残余应力，而金属层3则受金属层2的牵连产生瞬时拉伸残余应力。

切削过程结束后，工件表面的温度开始下降。 如图5-49c所示，当金属层1的温度低于tp时，金属层1将从完全塑性状态转变为不完全塑性状态。金属层1的冷却使其体积收缩，但它的收缩受到金属层2的阻碍，这样金属层1内就产生了拉伸残余应力，而在金属层2内的压缩残余应力将进一步增大。

如图5-49d所示，表层金属继续冷却，表层金属1继续收缩，它仍受到里层金属的阻碍，因此金属层1的拉伸应力还要继续加大，而金属层2的压缩应力则扩展到金属层2和金属层3内。

（3）金相组织变化引起的残余应力

在加工中，当工件表面温度高于材料的相变温度，会引起表层金相组织变化。金相组织,不同密度不同:

马氏体密度:γ马=7.75g/cm3， 奥氏体密度:γ奥=7.96g/cm， 珠光体密度:γ珠=7.78g/cm， 铁素体密度:γ铁=7.88g/cm。

淬火钢磨削时，原组织是马氏体。磨后，表层可能产生回火，马氏体→屈氏体或索氏体，密度↑、体积↓，工件表层产生残余拉应力，里层金属产生压缩残余应力。如果磨削时表层温度超过相变温度，且冷却又充分，则表层因急冷形成淬火马氏体，体积膨胀，表层产生残余压缩应力，而里层则产生拉伸残余应力。 2．磨削裂纹的产生

磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系。在磨削过程中，当工件表面层产生的残余应

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力超过工件材料的强度极限时，工件表面就会产生裂纹。磨削裂纹常与烧伤同时出现。 3. 影响表面残余应力的主要因素

机加工后表层的残余应力是冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化的综合结果。 切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形，表面层常产生残余压缩应力。

磨削加工时起主要作用的通常是热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化，表面层常产生残余拉伸应力。

三、影响表面层金相组织变化与磨削烧伤的因素 1. 表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生

切削中，切削热在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升。当温度超过金相组织变化的临界点时，金相组织就会发生变化。 一般的切削加工，温度一般不会有如此高。

在磨削加工时，磨粒的切削、刻划和滑擦作用，以及大多数磨粒的负前角切削和很高的磨削速度→温度很高，当温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织变化，强度和硬度↓、产生残余应力、甚至出现微观裂纹。这种现象称为磨削烧伤。 淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤有三种形式。

（1）淬火烧伤：当表层温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。若有充分的冷却液，工件最外层会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表层总硬度是降低→称为淬火烧伤。

（2）回火烧伤：表层温度超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体）→回火烧伤。

（3）退火烧伤：当表层温度超过相变温度Ac3时，则马氏体→奥氏体。若此时无冷却液，表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降→称为退火烧伤。 2. 影响磨削烧伤的因素及改善途径 （1）磨削用量

1）径向进给量fp：fp↑→工件表面及表面下不同深度的温度↑，容易造成磨削烧伤。 2）轴向进给量fa：fa↑→工件表面及表面下不同深度的温度↓，可减轻磨削烧伤。

3）工件速度Vw：Vw↑→磨削区表面温度会↑，但热源作用时间↓，可减轻磨削烧伤。 （2）砂轮与工件材料

磨削时，砂轮表面上大部分磨粒仅与加工面磨擦而不是切削。表面上的金属是在大量磨粒反复挤压下，疲劳后才剥落→磨削中主要是摩擦力。 磨削导热性差的材料（如耐热钢、轴承钢及不锈钢等），易产生磨削烧伤，

应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织。如选择较软的砂轮，使砂轮钝化后容易脱落；选择橡胶、树脂等具有一定弹性的结合剂等，都有利于避免产生烧伤。此外在砂轮的孔隙内浸入石蜡之类的润滑物质，可减少砂轮与工件之间的摩擦热，对降低磨削区的温度、防止工件烧伤也有一定效果。 （3）改善冷却条件

由于旋转的砂轮表面上产生强大气流层，使真正进入磨削区的磨削液较少，大量的磨削液喷注在已经离开磨削区的已加工表面上，而此时磨削热量已进入工件表面造成了热损伤。 内冷却是一种较为有效的冷却方法。砂轮是多孔隙能渗水的，冷却液进入砂轮中孔后，靠离心力的作用甩出并直接冷却磨削区，起到有效的冷却作用。由于冷却时有大量的喷雾，机床应加防护罩。切削液必须仔细过滤，防止堵塞砂轮孔隙。这一方法的缺点是操作者看不到磨削区的火花，在精密磨削时无法通过观察火花试磨对刀。

（4）采用开槽砂轮 圆周上开一些横槽，使砂轮将冷却液带入磨削区，可有效改善冷却条

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