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1、第三节 机械加工表面质量,零件表面质量,一、机械加工表面质量对零件使用性能的影响（一）表面质量对零件耐磨性的影响1、表面粗糙度对零件耐磨性的影响 表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如图1、2所示。表面粗糙度太大，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；表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。,图1,图2,2、冷作硬化对零件耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形
2、。并非冷作硬化程度越高，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。3、残余应力对零件耐磨性的影响,图3 冷作硬化对零件耐磨性的影响,表面为压应力时，耐磨性高。反之，耐磨性低。（二）表面质量对零件耐疲劳强度的影响1、表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。如图4所示。,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，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值越小，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
3、，其抗疲劳破坏的能力越差。2、表面层冷作硬化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。,图4,3、表面层的残余应力对零件疲劳强度的影响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则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。,（三）表面质量对零件耐腐蚀性的影响（1）表面粗糙度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。因此减小零件表面粗糙度，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 零件表面残余压应力使零件表
4、面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。（四）表面质量对零件配合精度的影响 相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。在间隙配合中，如果零件的配合表面粗糙，则会使配合件很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，降低配合精度；在过盈配合中，如果零件的配合表面粗糙，则装配后配合表面的凸峰被挤平，配合件间的有效过盈量减小，降低配合件间联接强度，影响了配合的可靠性。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。,二、影响表面粗糙度的因素1、切削加工中
5、影响表面粗糙度的因素1、刀具几何形状的复映 刀具相对于工件作进给运动时，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。其理论上的最大粗糙度Hmax可由刀具形状、进给量f，按图5几何关系求得。,1)当刀尖圆弧半径r很小时：2)当背吃刀量ap很小时，粗糙度主要由刀尖圆弧构成：,图5,措施：减小进给量f、主偏角Kr、副偏角Kr以及增大刀尖圆弧半径r，均可减小残留面积的高度。2、物理因素（1）积屑瘤的影响 当金属切削刀具以一定速度切削塑性材料而形成带状切屑时，在前刀面上很容易形成硬度很高的积屑瘤。图6所示,图6 积屑瘤对工件表面质量的影响,（2）鳞刺的影响 较低的切削速度，切削塑性材料时
6、容易产生鳞刺。图7所示,图7 鳞刺形成的四个阶段a)抹试阶段 b)导裂阶段 c)层积阶段 d)刮成阶段,（3）振动的影响 切削加工时，在工件与刀具之间经常发生振动，使工件表面粗糙度值增大。从物理因素看，要降低表面粗糙度的主要措施有：减少加工时的塑性变形，避免产生积屑瘤和鳞刺。对此起主要作用的影响因素有切削速度、工件材料的性质及刀具的几何形状、材料和刃磨质量。1）切削速度的影响,图7,2）工件材料性质的影响工件材料韧性、塑性变形，加工表面就愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。,3）刀具几何形状、材料、刃磨质量的影响 适当增
7、大前角和后角均可减小表面粗糙度值。但前角不能太大，否则粗糙度值也会增加。,主偏角Kr和Kr减小，可减小加工表面粗糙度值。刀具材料中热硬性好的材料耐磨性好，易于保持刃口的锋利。摩擦系数小的材料易于排屑。与被加工亲合力小的材料不易产生积屑瘤和鳞刺。因此，硬质合金优于高速钢，高速钢优于碳素工具钢，金刚石和立方氮化硼优于硬质合金。刀具的刃磨质量对工件的表面粗糙度影响较大。4）冷却润滑的影响 切削液的冷却和润滑作用能减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，使切削区金属表面的塑性变形程度下降，抑制鳞刺和积屑瘤的产生，从而大大减小表面粗糙度的数值。2、磨削加工中影响表面粗糙度的因素 磨削加工时磨粒很钝，常
8、具有很大的负前角，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，表面粗糙度值越小。因此，砂轮的粒度、修整、速度和磨削切深、工件速度等都对磨削时的表面粗糙度造成影响。1、磨削用量（1）砂轮速度Vs 提高Vs可减小表面粗糙度值。,（2）工件速度Vw 提高工件速度，磨粒在单位时间内在工件表面上的刻痕数减小，因而将增大磨削表面粗糙度值。,（3）磨削深度ap ap增加，磨削过程中磨削力及磨削温度都增加，磨削表面塑性变形程度增大，从而增大表面粗糙度值。,图7 磨粒对加工表面的影响,图8 磨削用量对表面粗糙度的影响,影响切削加工表面
9、粗糙度的因素,刀具几何形状,刀具材料、刃磨质量,切削用量,工件材料,影响切削加工表面粗糙度的因素,2、砂轮的特性,粒 度,砂轮的粒度越细，则表面粗糙度值越小。但砂轮的粒度过细时，砂轮易堵塞，反而提高表面粗糙度值，甚至引起磨削烧伤。,砂轮的硬度,砂轮的硬度应大小合适，砂轮太硬，表面粗糙度值增大和产生磨削烧伤，砂轮太软，磨粒易脱落，常会产生磨损不均匀，使粗糙度值增大。,砂轮的修整,砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃。因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。,3、冷却 采用切削液带走磨削区热量可以避免烧伤。由于高速旋转的砂轮表面上产生强
10、大的气流层，实际上没有多少切削液能进入磨削区AB。如图11-16所示，容易发生磨削烧伤。常用的冷却方式如11-17所示。,图9 一般冷却方法,图10 冷却液喷嘴1液流导管2可调气流挡板3空腔区4喷嘴罩5磨削区6排液区7液嘴,影响磨削加工表面粗糙度的因素,砂轮粒度,工件材料性质,砂轮修正,磨削用量,砂轮硬度,影响磨削加工表面粗糙度的因素,三、影响表面层物理、力学性能变化的因素,表面物理力学性能,1、表面层的冷作硬化（1）表面层加工硬化的产生 定义：机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加
11、，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NN=(HV-HV0)/HV0100 式中 HV0工件原表面层的显微硬度。,图11,（3）影响表面层加工硬化的因素,图12 刀具的刃口圆角对冷作硬化的影响,图13 切削速度与进给量对冷作硬化的影响,2、表面层金相组织变化与磨削烧伤（1）表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升。定义：磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组
12、织变化，强度和硬度降低、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。,（2）磨削烧伤的三种形式,淬火烧伤,磨削时工件表面温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层金属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，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。,磨削时，如果工件表面层温度只是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），这种现象称为回火烧伤。,磨
13、削时，当工件表面层温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。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。这种现象称为退火烧伤。,回火烧伤,退火烧伤,（3）影响磨削烧伤的因素及改善途径,磨削用量,砂轮与工件材料,改善冷却条件,采用开槽砂轮,1）砂轮转速 磨削烧伤2）径向进给量fp 磨削烧伤3）轴向进给量fa磨削烧伤4）工件速度vw磨削烧伤（图14、15）,1)磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利磨削力磨削区的温度2)磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承钢、不锈钢)磨削烧伤3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织磨削烧伤,采用内冷却法 磨削烧伤（如图16）,
14、间断磨削受热磨削烧伤,图14 磨削加工表面硬度分布,图15 工件和砂轮速度的无烧伤临界曲线,图16,3、加工表面层的残余应力定义：机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。（1）表面层残余应力的产生,1）冷态塑性变形,2）热态塑性变形,3）金相组织变化,工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形状态。切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。如图17所示,表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力(其原理见图18),比容大的组织比容小的组织体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大）,图17,实际机械加工后的表面层残余应力是上述三方面原因产生残余应力的综合结果。在一定条件下，其中某一种或两种原因可能起到主导作用。下图是三类磨削条件下产生的表面层残余应力的情况。,图18 热塑变形产生的残余应力,热应力,如图19所示是三类磨削条件下产生的残余应力。磨削裂纹的产生与工件材料及热处理规范有很大的关系。磨削碳钢时，含碳量越高，越容易产生裂纹。当碳的质量分数小于0.6%-0.7%时，几乎不产生裂纹。淬火钢晶界脆弱，渗碳、渗氮钢受温度影响，易在晶界面上析出脆性碳化物和氮化物，故磨削时易产生裂纹。,图19 磨削时表面层残余应力的分布,
