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第四节 机械加工表面质量,机器零件的破坏，其中少数是由于其它原因产生的强度不够或偶然性事故引起的超负荷而损坏，大多数是由于磨损、受外界介质的腐蚀或疲劳而破坏。后者一般都是发生在零件的表面，或从表面层开始的，这说明零件的表面质量对产品的质量有很大影响。,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。 一、加工表面质量的概念 加工表面质量包含加工表面的几何形貌和表面层材料的物理力学性能两个方面的内容。,1. 加工表面的几何形貌 加工表面的几何形貌是由加工过程中的切削残留面积、切削塑性变形和振动等因素的综合作用在工件表面上形成的表面结构。 加工表面的几何形貌（表面结构）包括表面粗糙度、表面波纹度、表面纹理方向和表面缺陷等四个方面内容。,（1）表面粗糙度 根据加工表面轮廓的特征（波长L与波高H的比值），可将表面轮廓分为以下三种（图4-53）。 L/H50的微观几何轮廓，称为微观几何形状误差，亦称表面粗糙度。,图4-53 表面粗糙度、波纹度与宏观几何形状误差,（2）表面波纹度 加工表面上波长L与波高H的比值L/H = 501000的几何轮廓，称为表面波纹度（简称波度）； L/H1000的几何轮廓称为宏观几何形状误差。,图4-53 表面粗糙度、波纹度与宏观几何形状误差,（3）表面纹理方向 表面纹理方向是指加工表面刀痕纹理的方向，它取决于表面形成过程中所采用的加工方法。 （4）表面缺陷 加工表面上出现的砂眼、气孔、裂痕等缺陷。,2. 表面层材料的物理力学性能 （1）表面层的冷作硬化 机械加工过程中因切削力作用使表面层金属产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，塑性减小，这种现象称为冷作硬化（强化）。,（2）表面层残余应力 机械加工过程中，由于切削变形和切削热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。 （3）表面层金相组织的变化 机械加工过程中，当急剧升高的切削温度超过工件材料金相组织变化的临界点时，其表面层就会发生金相组织变化。,二、机械加工表面质量对机器使用性能的影响 1. 表面质量对耐磨性的影响 零件的耐磨性与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件等有关，但在上述条件确定的情况下，起主导作用的就是摩擦副的表面质量。 （1）表面粗糙度对耐磨性的影响 表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般情况下，表面粗糙度值愈小，其耐磨性愈好。,在一定摩擦条件（摩擦速度及压力、摩擦因数、,附图 活塞销最合适的表面粗糙度值,润滑性质等）下，摩擦副接触面的表面粗糙度有一个最佳值。右图为发动机活塞销最合适的表面粗糙度值。,表面粗糙度值太小，由于表面间接触紧密，不易形成润滑油膜，而且两接触表面间的分子亲和力增加，反而使磨损剧烈。,摩擦副接触面表面粗糙度的最佳值还与零件的工况（载荷大小）有关。,图4-54 表面粗糙度与初期磨损量的关系,（2）表面冷作硬化对耐磨性的影响 机械加工后的表面，由于冷作硬化使表面层金属的显微硬度提高，可降低磨损，故一般能提高其耐磨性。 但是过度的冷作硬化将使加工表面金属组织变得“疏松”，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。,（3）表面纹理对耐磨性的影响 在轻载运动副中，两相对运动零件表面的刀纹方向均与运动方向相同时，耐磨性好；两者的刀纹方向均与运动方向垂直时，耐磨性差。 但在重载时，两相对运动零件表面的刀纹方向相互垂直，且运动方向平行于下表面的刀纹方向，磨损量较小。,2. 表面质量对零件疲劳强度的影响 在交变载荷作用下，零件表面质量对其疲劳强度影响很大。 （1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 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，对疲劳强度的影响更大。,（2）表面层残余应力及冷作硬化对零件疲劳强度的影响 工件在铸造、锻造、焊接和热处理等加工过程中产生的内应力与工件表面层残余应力的区别，在于前者是在整个工件上平衡的应力，它的重新分布会引起工件的变形；后者则是在加工表面材料中平衡的应力，它的重新分布不会引起工件的变形，但它对零件的表面质量有重要影响。,同样，表面残余应力也有拉应力与压应力之分。残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残余压应力能阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的发生。 表面冷作硬化一般伴有压应力产生，它可以阻碍表面疲劳裂纹的产生，缓和已有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利；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。,3. 表面质量对抗腐蚀性能的影响 零件在潮湿的空气中或在腐蚀性介质中工作时，由于粗糙表面的凹谷容易聚集腐蚀性介质而发生化学腐蚀，降低零件的抗腐蚀性。加工表面层的冷作硬化和残余应力，使表层材料处于高能位状态，会产生应力腐蚀，加速了腐蚀的作用。 减小表面粗糙度、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。,4. 表面质量对零件配合性质的影响 对于间隙配合，零件表面越粗糙，磨损越大，使配合间隙增大，降低配合精度。 对于过盈配合，两零件粗糙表面相配时凸峰被挤平，使有效过盈量减小，降低配合件间的连接强度。,三、加工表面的表面粗糙度 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。,图4-55 车削时工件表面的残留面积,对于车削，加工表面的表面粗糙度值主要取决于切削残留面积的高度。 当刀尖圆弧半径 时， 则：,图4-55 车削时工件表面的残留面积,(4-36),当刀尖圆弧半径 时，则：,由上述公式可知，减小 f 、 、 及增大 ，均可减小残留面积的高度H值。,图4-55 车削时工件表面的残留面积,(4-37),切削加工表面粗糙度的实际轮廓形状，一般都与纯几何因素形成的理论轮廓有较大的差别，这是由于切削加工中有塑性变形发生的缘故。 对塑性材料，由于刀具对金属挤压产生了塑性变形，加之刀具对切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。,对中、低碳钢材料的工件，在加工或精加工前常对其作调质或正火处理，使之改善切削性能，减小表面粗糙度。另外，可适当增大刀具前角，合理选择冷却润滑液和提高刀具刃磨质量，也是减小表面粗糙度值的有效措施。 对脆性材料，由于切屑的崩碎而在加工表面上留下了许多坑点，使表面粗糙不平。,切削速度和进给量对表面粗糙度影响很大，切削速度应避开易形成积屑瘤的速度区域；进给量也不应过大。,图4-56 切削速度对表面粗糙度的影响,背吃刀量不易过小，否则会使刀具在加工表面上挤压和打滑，形成附加的塑性变形。 可以采取适当增大刀具的前角，降低刀具的前刀面和后刀面的表面粗糙度，增大刀具的后角，合理选择切削液等各项措施，均有利于减小加工表面的表面粗糙度值。,磨削加工表面是由砂轮上大量的磨粒刻划出的无数条极细的沟槽形成的。每单位面积上的刻痕愈多，以及刻痕的等高性愈好，粗糙度值就愈低。 磨削加工表面粗糙度的形成是由几何因素和表面层材料的塑性变形决定的，但起主要作用的可能是某一类因素或某一个别因素决定的。,四、加工表面的物理力学性能 （一）表面层材料的冷作硬化 1. 冷作硬化及其评定参数 经切削（或磨削）加工过的表面，其硬度往往比基体的硬度高出1 2倍，硬化层深度可达几十或几百微米。,冷作硬化的程度取决于塑性变形的程度。 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，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化。 弱化作用的大小取决于温度的高低、热作用时间的长短和表层金属强化程度的大小。,由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：表层金属的显微硬度HV，硬化层深度 h 和硬化程度 N。 硬化程度 N =（HVHV0）/HV0100%，式中HV0为工件内部金属的显微硬度。,2. 影响冷作硬化的因素 表面层的冷作硬化程度决定于产生塑性变形的力、变形速度以及变形时的温度。 力愈大，硬化程度愈大。变形速度愈大，塑性变形愈不充分，硬化程度也就减小。变形时的温度，不仅影响塑性变形程度，还能部分地消除冷作硬化。,（1）刀具的影响 增大切削刃的钝圆半径、减小刀具的前角以及刀具后刀面磨损增大，都会使加工表面层塑性变形增加，切削力增大，冷作硬化程度和硬化层深度都将增加。,（2）切削用量的影响 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，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。 背吃刀量和进给量增大，塑性变形加剧，冷作硬化加强。,（3）加工材料的影响 工件材料的硬度愈低、塑性愈大，其冷硬现象愈严重。碳钢中含碳量愈大，强度愈高，塑性愈小，冷硬程度愈小。 有色金属虽塑性大，但熔点低，易弱化，冷硬程度就比钢要小得多。铜件比钢件小30%，铝件比铜件小75%左右。,（二）表面层材料金相组织变化 1. 磨削烧伤 在磨削加工时，由于所消耗的能量绝大部分要转化为热，传给被磨工件表面，当温度达到相变温度以上时，表层金属将发生金相组织的变化，并伴随有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，同时出现彩色 （黄、褐、紫、青）氧化膜，这种现象称为磨削烧伤。,在磨削淬火钢时，可能会出现以下三种不同类型的烧伤： （1）回火烧伤 磨削区温度未达到相变温度（碳钢为 7230C ），但已超过马氏体的转变温度，工件表面层金属的原回火马氏体组织将转变为硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体）。,（2）淬火烧伤 磨削区温度超过相变温度，再加上冷却液的急冷作用，使表层金属出现二次淬火马氏体组织，其硬度比原回火马氏体的高，但其厚度只有几微米，在其下层因冷却速度缓慢而形成比原来回火马氏体硬度低的回火组织（索氏体或托氏体）。,（3）退火烧伤 若工件表面层温度超过相变温度(碳钢为 7230C ), 但磨削区又没有冷却液进入，工件冷却速度缓慢而使表层金属形成退火组织，致使表层金属硬度急剧下降。,2. 改善磨削烧伤的途径 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。 磨削烧伤的主要原因是磨削温度过高，根源是磨削热。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，尽量减少传入工件的热量。,采用硬度稍软的砂轮，适当减小磨削深度和磨削,速度，适当增加工件的回转速度和轴向进给量，采用高效冷却方式，如高压大流量冷却、喷雾冷却、内冷却（图4-57）等措施，都可以降低磨削区温度，防止磨削烧伤。,图4-57 内冷却装置,（三）表面层残余应力 1. 加工表面产生残余应力的原因 （1）表层材料比体积增大（冷塑性变形的影响） 在切削力的作用下，加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压与摩擦，产生了强烈的塑性变形，表层金属体积发生膨胀，但受到与其相连的里层基体材料的限制，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。,（2）切削热的影响（热塑性变形的影响） 切削中在切削区产生大量切削热的影响，表面层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。,图4-58 表面层金属产生拉伸应力分析图,（3）金相组织变化的影响 切削时的高温会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。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，表层金属产生残余压应力，里层金属产生残余拉应力；反之，表层金属产生残余拉应力，里层金属产生残余压应力。,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主导作用。 表4 -10列出了各种加工方法在工件表面上产生残余应力的情况。,表4-10 各种加工方法在工件表面上残留的内应力,2. 零件主要工作表面最终加工工序加工方法的选择 零件主要工作表面的最终工序在该工作表面上留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。 工件加工最终工序的加工方法的选择与机器零件的破坏形式密切相关。,机器零件失效主要有以下三种不同的形式： （1）疲劳破坏 在交变载荷的作用下，应从提高零件抵抗疲劳破坏能力的角度考虑，最终工序应选择能在加工表面（尤其是应力集中区）产生残余压应力的加工方法。,（2）滑动磨损 两个零件作相对滑动，滑动面将逐渐磨损。 滑动磨损的机理十分复杂，它既有滑动摩擦的机械作用，又有物理化学方面的综合作用（例如粘接磨损，扩散磨损，化学磨损）。,滑动摩擦工作应力分布如图4-59a所示，当表面层的压缩工作应力超过材料的许用应力时，将使,表层金属磨损。从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择能在加工表面上产生残余拉应力的加工方法。,图4-59a） 应力分布图,（3）滚动磨损 两个零件作相对滚动，滚动面也会渐渐磨损。 滚动磨损主要来自滚动摩擦的机械作用，也有来自粘接、扩散等物理、化学方面的综合作用。 滚动摩擦工作应力分布如图459b所示。,从图459b中可看出，引起滚动磨损的决定性因,素是表面层下 h 深处的最大拉应力。从提高零件抵抗滚动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择能在表面层下 h 深处产生压应力的加工方法。,图4-59b） 应力分布图,如果工件加工的最终工序以及最终工序前的各个,工序都不能保证零件表面获得预期的表面质量要求时，可在工艺过程中增设表面强化工序（如滚压、喷丸等）。,附图 滚压示意图,4-13 在三台车床上分别加工三批工件的外圆表面，加工后经测量，三批工件分别产生了如图4-76所示的形状误差，试分析产生上述形状误差的主要原因。,图4-76 习题4-13图,4-14 在外圆磨床磨削图4-77所示轴类工件的外圆,若机床几何精度良好，试分析磨外圆后A-A截面的形状误差。,图4-77 习题4-14图,4-16 按图4-78a的装夹方式在外圆磨床上磨削薄壁套筒A，卸下工件后发现工件呈鞍形，如图4-78b所示，试分析产生该形状误差的原因。,图4-78 习题4-16图,4-17 在卧式铣床上按图4-79的装夹方式用铣刀A铣键槽，经测量发现，工件右端槽深大于中间槽深，试分析产生这一现象的原因。,图4-79 习题4-17图,
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