机械加工表面质量

表面粗糙度：加工表面的微观几何误差，波长与波高比值小于50。

波纹度（表面波度）：加工表面不平度的波长与波高比值在50～1000的几何形状误差。

纹理方向：表面刀纹的方向。

表面缺陷：加工表面个别位置出现的伤痕。

1．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（2）表面层的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。

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）表面纹理对零件耐磨性的影响表面纹理的形状和刀纹方向对耐磨性也有影响，原因是纹理形状和刀纹方向影响有效接触面积和润滑液的存留，一般，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好，尖峰状的耐磨性差。

在运动副中，两相对运动零件的刀纹方向和运动方向相同时，耐磨性较好，两者的刀纹方向和运动方向垂直时，耐磨性最差。

2．表面质量对零件疲劳强度的影响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。

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，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。

这是因为表面层冷作硬化能够阻止裂纹的生长。

（3）表面层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。

3．表面质量对零件耐腐蚀性能的影响（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。

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。

4.表面质量对零件配合质量的影响表面粗糙度对零件配合精度的影响表面粗糙度较大，则降低了配合精度。

表面残余应力对零件工作精度的影响表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。

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等。

一、切削加工表面粗糙度1、几何因素的影响2、物理因素的影响---塑性变形1）工件材料对粗糙度的影响塑性材料：材料金相组织：脆性材料：加工脆性材料时，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）切削速度对粗糙度的影响加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响随切削速度的变化而变化（见下页图）。

此外，切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小。

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。

切削速度对脆性材料的表面粗糙度影响不大。

（3）进给量对粗糙度的影响适当减小进给量可以减小表面粗糙度值。

（4）其它因素对粗糙度的影响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、磨削加工后的表面粗糙度1、几何因素的影响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磨粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。

（1）磨削用量对粗糙度的影响砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越小。

工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。

工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大。

砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠磨削，工件表面粗糙度值就越小。

（如内孔磨削）（2）砂轮粒度对粗糙度的影响磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。

则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。

（3）砂轮修整质量对粗糙度的影响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。

2、物理因素的影响—表面层金属的塑性变形磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，磨粒在磨削过程中对被加工表面挤压作用强烈，使加工表面产生塑性变形，而磨削时的高温又加剧了这种塑性变形。

因此，磨削过程的塑性变形要比一般切削过程大得多。

（1）磨削用量砂轮的转速↑→材料塑性变形(来不及变形)↓→Ra ↓；磨削深度↑,工件速度↑→塑性变形↑→Ra ↑看试验曲线；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，以减小表面粗糙度值。

（2）工件材料太硬易使磨粒磨钝→Ra ↑；太软容易堵塞砂轮→Ra ↑；塑性太大，热导性差会使磨粒早期崩落→Ra ↑。

（3）砂轮的选择（粒度、硬度、组织、磨粒材料）磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若导热情况不好，还会烧伤工件表面；46—60号。

砂轮太硬，磨粒不易脱落，磨钝后不能及时被新的磨粒代替，使表面粗糙度增大；砂轮选得太软，磨粒易脱落，磨削作用削弱，使表面粗糙度值增大。

中软砂轮组织一般选中等组织磨粒材料(4)冷却润滑液的作用第三节影响表面层力学物理性能的工艺因素及其改进措施一. 加工表面层的冷作硬化二. 表层金属的金相组织的变化三. 表层金属的残余应力四. 表面强化工艺一. 加工表面层的冷作硬化（1）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，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化或强化。

（2）冷作硬化的评定指标1）表面层的显微硬度HV；2）硬化层深度h；3）硬化程度N2、影响切削加工表面冷作硬化的因素（1）切削用量的影响f↑，切削力↑，塑性变形↑，冷硬程度↑切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）切削深度影响不大(背吃刀量)（2）刀具几何形状的影响切削刃钝圆半径rε↑，冷硬程度↑刀具前角±20°内，对冷硬的显微硬度影响不显著其他几何参数影响不明显刀具磨损影响显著（力和热互相作用）（3）工件材料材料塑性↑，冷硬倾向↑3 影响磨削加工表面冷作硬化的因素工件材料材料塑性↑→冷硬倾向↑材料导热性↑→弱化倾向↓→冷硬倾向↑磨削用量磨削深度↑→冷硬程度↑磨削速度↑→冷硬程度↓工件转速↑→冷硬程度↑热作用时间缩短，弱化减弱纵向进给速度影响复杂（力与热因素的综合）砂轮砂轮粒度↑每颗磨粒的载荷↓→冷硬程度↓砂轮硬度、组织影响不显著二表层金属的金相组织的变化1.机械加工表面金相组织的变化与磨削烧伤的产生机械加工过程中，由于切削热或磨削热的作用，在工件的加工区及其邻近区域温度会急剧升高。

当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，会使工件表面层金属的金相组织发生变化。

切削加工磨削加工--产生磨削烧伤磨削烧伤：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织变化，使表层金属硬度下降，同时出现氧化膜颜色，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。

3.影响磨削烧伤的因素及改善途径（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↓→磨削烧伤↓（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（软）、结合剂（弹性）和组织（多孔隙，注石蜡）→磨削烧伤↓2）磨削用量1）砂轮转速↑→磨削烧伤↑（2）磨削深度ap↑→磨削烧伤↑（3）横向进给量fa↑→磨削烧伤↓（4）工件速度vw↑→磨削烧伤层深度↓（同时提高砂轮速度和工件速度,可避免烧伤；生产率问题ap ↓vw↑）3）改善冷却条件采用内冷却法→磨削烧伤↓4）采用开槽砂轮间断磨削→受热↓→磨削烧伤↓能将冷却液直接带入磨削区，还能起扇风作用，改善散热条件三表层金属的残余应力1、表面层金属产生残余应力的原因1）冷态塑性变形工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑性变形，使表层金属的比容增大，产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。

2）热态塑性变形表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力3）表面层金相组织变化比容减小的组织→体积收缩，产生拉应力；反之，产生压应力。

（密度小，比容大）回火烧伤：马氏体→托氏体（或索氏体），密度增大，比容减小，表层金属产生残余拉应力，里层产生残余压应力。

淬火烧伤：马氏体→二次淬火的马氏体，密度减小，比容增大，表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力。

金相组织变化，比容变化，产生残余应力回火、退火烧伤，表层产生残余拉应力；淬火烧伤，表层产生残余压应力。

2、影响车削表面残余应力的主要因素切削用量切削速度vf↑→塑性变形和切削热↑→残余压应力↑切削深度影响不显著刀具前角+→－，残余拉应力↓采用正前角刀具，产生残余拉应力。

用很大负前角时，会产生残余压应力。

刀具磨损↑→残余压应力↑工件材料材料塑性↑→残余压应力↑3、影响磨削表面残余应力的主要因素磨削加工中，热变形和塑性变形对磨削表面的残余应力影响很大，若热因素起主导作用若塑性变形起主导作用若工件出现淬火烧伤时若工件出现退火、回火烧伤时精细磨削时，塑性变形起主导作用，工件表面产生残余压应力。

磨削用量磨削深度ap：砂轮速度↑：热因素起主导作用，表面产生残余拉应力。

工件速度和进给量↑：砂轮和工件热作用时间缩短，塑性变形起主导作用，表面产生残余压应力。

工件材料工件材料强度越高；导热性越差；塑性越低；热因素作用明显，磨削时易产生残余拉应力。

四、表面强化工艺表面强化工艺是指通过冷压加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生残余压应力的表面强化工艺。

常见的冷压强化工艺有：喷丸强化，滚压加工1、喷丸强化利用大量快速运动珠丸打击工件表面, 使工件表面产生冷硬层和压应力, 使疲劳强度↑用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等2、滚压加工利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，修正工件表面的微观几何形状,使表面形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度。

滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行。