第四章4.4機械加工表面質量機械制造技術基礎

零件的機械加工質量不僅指加工精度，而且包括加工表面質量。

機械加工后的零件表面實際上不是理想的光滑表面，它存在著不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂紋等表面缺陷。雖然只有極薄的一層（幾微米~幾十微米），但都錯綜復雜地影響著機械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蝕性和疲勞強度等，從而影響產品的使用性能和壽命，因此必須加以足夠的重視。4.4.1概述4.4.1概述表面形貌：主要描述加工后零件的幾何特征，它包括表面粗糙度、表面波度和紋理等

表面缺陷：指加工表面上出現的宏觀裂紋、傷痕和腐蝕現象等，對零件的使用有很大影響

微觀組織和表面層的冶金化學性能：主要包括微觀裂紋、微觀組織變化及晶間腐蝕等表面層物理力學性能：主要包括表面層硬化深度和程度、表面層殘余應力的大小、分布

表面層的其他工程技術特征：主要包括摩擦特性、光的反射率、導電性和導磁性等隨著科學技術的發展，對產品的使用性能要求越來越高，一些重要零件需在高溫、高壓、高速的條件下工作，表面層的任何缺陷，直接影響零件的工作性能，為適應科學技術的發展，在研究表面質量的領域里提出了表面完整性的概念，主要有：零件表面質量表面粗糙度表面波度表面物理力學性能的變化表面微觀幾何形狀特征表面層冷作硬化表面層殘余應力表面層金相組織的變化表面質量的含義（內容）4.4.1概述表面質量對零件耐磨性的影響表面質量對零件疲勞強度的影響表面質量對零件工作精度的影響表面質量對零件耐腐蝕性能的影響4.4.2表面質量對零件使用性能的影響

表面粗糙度太大和太小都不耐磨。4.4.2表面質量對零件使用性能的影響1.表面質量對零件耐磨性的影響表面粗糙度對零件耐磨性的影響表面粗糙度太大，接觸表面的實際壓強增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加劇；表面粗糙度太小，也會導致磨損加劇。因為表面太光滑，存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發生分子粘結而加劇磨損。表面粗糙度的最佳值與機器零件的工作情況有關，載荷加大時，磨損曲線向上、向右移動，最佳表面粗糙度值也隨之右移

圖4－41表面粗糙度與初期磨損量的關系加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。這是因為過分的冷作硬化，將引起金屬組織過度“疏松”，在相對運動中可能會產生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。4.4.2表面質量對零件使用性能的影響表面層的冷作硬化對零件耐磨性的影響1.表面質量對零件耐磨性的影響

在輕載運動副中，兩相對運動零件表面的刀紋方向均與運動方向相同時，耐磨性好；兩者的刀紋方向均與運動方向垂直時，耐磨性差，這是因為兩個摩擦面在相互運動中，切去了妨礙運動的加工痕跡。在重載時，兩相對運動零件表面的刀絞方向均與相對運動方向一致時容易發生咬合，磨損量反而大；兩相對運動零件表面的刀紋方向相互垂直，且運動方向平行于下表面的刀絞方向，磨損量較小。4.4.2表面質量對零件使用性能的影響表面紋理對零件耐磨性的影響1.表面質量對零件耐磨性的影響

表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。

對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應力集中，產生疲勞裂紋。

表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差。4.4.2表面質量對零件使用性能的影響2.表面質量對零件疲勞強度的影響表面粗糙度對零件疲勞強度的影響適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強度。殘余應力有拉應力和壓應力之分，殘余拉應力容易使已加工表面產生裂紋并使其擴展而降低疲勞強度殘余壓應力則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應力，延緩疲勞裂紋的擴展，從而提高零件的疲勞強度。4.4.2表面質量對零件使用性能的影響表面層冷作硬化與殘余應力對零件疲勞強度的影響2.表面質量對零件疲勞強度的影響表面層有較大的殘余應力，就會影響它們精度的穩定性4.4.2表面質量對零件使用性能的影響3.表面質量對零件工作精度的影響表面粗糙度對零件配合精度的影響表面殘余應力對零件工作精度的影響

表面粗糙度較大，則降低了配合精度。表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響

零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質，凹谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。

因此減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能表面殘余應力對零件耐腐蝕性能的影響

零件表面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，而表面殘余拉應力則降低零件耐腐蝕性4.4.2表面質量對零件使用性能的影響4.表面質量對零件耐腐蝕性能的影響5.表面質量對零件使用性能還有其它方面的影響

如減小表面粗糙度可提高零件的接觸剛度、密封性和測量精度；對滑動零件，可降低其摩擦系數，從而減少發熱和功率損失零件表面質量粗糙度太大、太小都不耐磨適度冷硬能提高耐磨性、紋理影響對疲勞強度的影響對耐磨性影響對耐腐蝕性能的影響對工作精度的影響粗糙度越大，疲勞強度越差適度冷硬、殘余壓應力能提高疲勞強度粗糙度越大、工作精度降低殘余應力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蝕性越差壓應力提高耐腐蝕性，拉應力反之則降低耐腐蝕性4.4.2表面質量對零件使用性能的影響機械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可歸納為幾何因素和物理力學因素兩個方面。切削加工表面粗糙度幾何因素4.4.3影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制主偏角kr、副偏角kr′刀尖圓弧半徑rε進給量f圖4－40車削、刨削時殘留面積高度fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf（1）工件材料的影響韌性材料：工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。故對中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，減小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或調質處理。

脆性材料：加工脆性材料時，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點，使表面粗糙。物理力學因素4.4.3影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制機械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可歸納為幾何因素和物理力學因素兩個方面。切削加工表面粗糙度（2）切削速度的影響物理力學因素4.4.3影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制機械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可歸納為幾何因素和物理力學因素兩個方面。切削加工表面粗糙度加工塑性材料時，切削速度對表面粗糙度的影響（對積屑瘤和鱗刺的影響）切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越小圖4－41加工塑性材料時切削速度對表面粗糙度的影響選擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表面粗糙度值。（4）其它因素的影響（3）進給量的影響物理力學因素4.4.3影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制機械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可歸納為幾何因素和物理力學因素兩個方面。切削加工表面粗糙度減小進給量f固然可以減小表面粗糙度值，但進給量過小，表面粗糙度會有增大的趨勢。此外，合理使用冷卻潤滑液，選擇適當刀具材料，適當增大前角、后角，提高刀具的刃磨質量等，均能有效地減小表面粗糙度值。影響切削加工表面粗糙度的因素刀具幾何形狀刀具材料、刃磨質量切削用量工件材料殘留面積↓→Ra↓前角↑→Ra↓后角↑→摩擦↓→Ra↓刃傾角會影響實際工作前角

v↑→Ra↓f↑→Ra↑ap對Ra影響不大，太小會打滑，劃傷已加工表面材料塑性↑→Ra↑同樣材料晶粒組織大↑→Ra↑，常用正火、調質處理刀具材料強度↑→Ra↓刃磨質量↑→Ra↓冷卻、潤滑↑→Ra↓4.4.3影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制磨削加工表面粗糙度磨削中影響粗糙度的幾何因素工件的磨削表面是由砂輪上大量磨粒刻劃出無數極細的刻痕形成的，工件單位面積上通過的砂粒數越多，則刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。（1）砂輪的磨粒磨粒在砂輪上的分布越均勻、磨粒越細，刃口的等高性越好。則砂輪單位面積上參加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越細密均勻，表面粗糙度值就越小。4.4.3影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制（2）砂輪修整

砂輪修整除了使砂輪具有正確的幾何形狀外，更重要的是使砂輪工作表面形成排列整齊而又銳利的微刃。磨削加工表面粗糙度磨削中影響粗糙度的幾何因素4.4.3影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制圖4－47砂輪上的磨粒因此，砂輪修整的質量對磨削表面的粗糙度影響很大。磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多數是負前角，切削刃又不銳利，大多數磨粒在磨削過程中只是對被加工表面擠壓，沒有切削作用。加工表面在多次擠壓下出現溝槽與隆起，又由于磨削時的高溫更加劇了塑性變形，故表面粗糙度值增大。（1）磨削用量磨削中影響粗糙度的物理因素4.4.3影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制磨削加工表面粗糙度砂輪的轉速↑→材料塑性變形↓→表面粗糙度值↓；磨削深度↑、工件速度↑→塑性變形↑→表面粗糙度值↑；為提高磨削效率，通常在開始磨削時采用較大的徑向進給量，而在磨削后期采用較小的徑向進給量或無進給量磨削，以減小表面粗糙度值。砂輪速度v↑，Ra↓

工件速度vw↑，Ra↑

砂輪縱向進給f↑，Ra

↑

磨削深度ap↑，Ra

↑圖4-62磨削用量對表面粗糙度的影響vw

=40(m/min)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v=50(m/s)f=2.36(m/min)ap

=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(μm)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04b）圖4-63光磨次數-Ra關系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次數粗粒度砂輪(WA60KV)細粒度砂輪(WA/GCW14KB)光磨次數↑，Ra↓4.4.3影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制（1）磨削用量磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度磨削中影響粗糙度的物理因素4.4.3影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制（2）工件材料太硬易使磨粒磨鈍→Ra↑

；太軟容易堵塞砂輪→Ra↑

；韌性太大，熱導率差會使磨粒早期崩落→Ra↑。（3）砂輪粒度與硬度磨粒太細，砂輪易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若導熱情況不好，還會燒傷工件表面砂輪太硬，使表面粗糙度增大砂輪選得太軟，使表面粗糙度值增大影響磨削加工表面粗糙度的因素粒度↓→Ra↓金剛石筆鋒利↑，修正導程、徑向進給量↓→Ra↓磨粒等高性↑→Ra↓硬度↑→鈍化磨粒脫落↓→Ra↑硬度↓→磨粒脫落↑→Ra↑硬度合適、自勵性好↑→Ra↓太硬、太軟、韌性、導熱性差↑→Ra↓砂輪粒度工件材料性質砂輪修正磨削用量砂輪硬度砂輪V↑→Ra↓ap、工件V↑→塑變↑→

Ra↑粗磨ap↑→生產率↑精磨ap↓→Ra↓(ap=0光磨)4.4.3影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制影響表面層物理力學性能的主要因素表面物理力學性能影響金相組織變化因素影響顯微硬度因素影響殘余應力因素塑變引起的冷硬金相組織變化引起的硬度變化冷塑性變形熱塑性變形金相組織變化切削熱4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制表面層加工硬化的產生定義：機械加工時，工件表面層金屬受到切削力的作用產生強烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產生剪切滑移，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強度和硬度增加，這種現象稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強化。4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制表面層的冷作硬化衡量表面層加工硬化的指標衡量表面層加工硬化程度的指標有下列三項：1）表面層的顯微硬度HV；2）硬化層深度h；3）硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0×100％

式中HV0——工件原表面層的顯微硬度。

f↑，冷硬程度↑◆切削用量影響◆刀具影響

rε↑，冷硬程度↑其他幾何參數影響不明顯后刀面磨損影響顯著00.20.40.60.81.0磨損寬度VB(mm)100180260340硬度(HV)50鋼，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)圖4-65后刀面磨損對冷硬影響◆工件材料材料塑性↑，冷硬傾向↑切削速度影響復雜（力與熱綜合作用結果）切削深度影響不大圖4-64f和v對冷硬的影響硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：454.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制切削加工表面層的冷作硬化磨削速度↑→冷硬程度↓（弱化作用加強）工件轉速↑→冷硬程度↑縱向進給量影響復雜磨削深度↑→冷硬程度↑◆磨削用量◆砂輪砂輪粒度↑→冷硬程度↓砂輪硬度、組織影響不顯著◆工件材料材料塑性↑→冷硬傾向↑材料導熱性↑→冷硬傾向↑圖4-66磨削深度對冷硬的影響ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制磨削加工表面層的冷作硬化定義：

機械加工中工件表面層組織發生變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產生互相平衡的彈性力。這種應力即為表面層的殘余應力。4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制表面層殘余應力1）冷態塑變工件表面受到擠壓與摩擦，表層產生伸長塑變，基體仍處于彈性變形狀態。切削后，表層產生殘余壓應力，而在里層產生殘余拉伸應力。2）熱態塑變表層產生殘余拉應力，里層產生產生殘余壓應力(其原理見圖)3）金相組織變化比容大的組織→比容小的組織→體積收縮，產生拉應力，反之，產生壓應力。（密度小，比容大）表面層殘余應力的產生圖切削熱在表層金屬產生殘余拉應力的示意圖4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制表面層殘余應力4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制表面層殘余應力磨削裂紋的產生磨削裂紋和殘余應力有著十分密切的關系。在磨削過程中，當工件表面層產生的殘余應力超過工件材料的強度極限時，工件表面就會產生裂紋。磨削裂紋常與燒傷同時出現。

微裂及特點：深度極淺，呈網狀或垂直于磨削方向；存在于表層或表層之下。在交變載荷作用下，裂紋會迅速發展避免微裂紋的措施：減小磨削熱的產生和傳散減小徑向進給量，選用較軟的砂輪，及時修正砂輪，減小工件與砂輪的接觸面積，有效的冷卻。切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加工區及其鄰近區域產生了一定的溫升。

定義：磨削加工時，表面層有很高的溫度，當溫度達到相變臨界點時，表層金屬就發生金相組織變化，強度和硬度降低、產生殘余應力、甚至出現微觀裂紋。這種現象稱為磨削燒傷。淬火鋼在磨削時，由于磨削條件不同，產生的磨削燒傷有三種形式。表面層金相組織變化與磨削燒傷的產生4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制表面層金相組織變化與磨削燒傷回火燒傷淬火燒傷退火燒傷磨削時工件表面溫度超過相變臨界溫度Ac3時，則馬氏體轉變為奧氏體。在冷卻液作用下，工件最外層金屬會出現二次淬火馬氏體組織。其硬度比原來的回火馬氏體高，但很薄，其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體。由于二次淬火層極薄，表面層總的硬度是降低的，這種現象稱為淬火燒傷。磨削時，當工件表面層溫度超過相變臨界溫度Ac3時，則馬氏體轉變為奧氏體。若此時無冷卻液，表層金屬空冷冷卻比較緩慢而形成退火組織。硬度和強度均大幅度下降。這種現象稱為退火燒傷。磨削燒傷的三種形式4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制表面層金相組織變化與磨削燒傷磨削時，如果工件表面層溫度只是超過原來的回火溫度，則表層原來的回火馬氏體組織將產生回火現象而轉變為硬度較低的回火組織（索氏體或屈氏體），這種現象稱為回火燒傷。磨削用量砂輪與工件材料磨削導熱性差的材料(耐熱鋼、軸承鋼、不銹鋼)↓→磨削燒傷↑應合理選擇砂輪的硬度、結合劑和組織→磨削燒傷↓1）徑向進給量fp↑→

磨削燒傷↑2）軸向進給量fa↑→磨削燒傷↓3）工件速度vw↑→磨削燒傷↓4）砂輪轉速vs↑→

磨削燒傷↑影響磨削燒傷的因素及改善途徑4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制表面層金相組織變化與磨削燒傷磨削的主運動：砂輪的旋轉運動vc4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制磨削運動及磨削用量砂輪轉速vs↑→磨削燒傷↑磨削的進給運動：工件的切向運動vwvw↑

生產率↑,

工件磨削燒傷↓;但vw過大，振動↑工件Ra↑4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制磨削運動及磨削用量工件的軸向進給運動fa：工件轉一周，工件和砂輪在砂輪軸線方向的相對位移4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制磨削運動及磨削用量軸向進給量fa↑→磨削燒傷↓磨削運動及磨削用量徑向進給運動fr：工作臺兩個行程之間砂輪在半徑方向上的相對位移4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制徑向進給量fp↑→磨削燒傷↑圖內冷卻裝置1－錐形蓋2－通道孔3－砂輪中心孔4－有徑向小孔的薄壁套改善冷卻條件采用內冷卻法→磨削燒傷↓影響磨削燒傷的因素及改善途徑4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制表面層金相組織變化與磨削燒傷圖開槽砂輪

a）槽均勻分布b）槽不均勻分布

間斷磨削→受熱↓→磨削燒傷↓影響磨削燒傷的因素及改善途徑4.4.4影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制表面層金相組織變化與磨削燒傷采用開槽砂輪滾壓加工是利用經過淬火和精細研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態下對金屬表面進行擠壓，使受壓點產生彈性和塑性