第九章 已加工表面质量

此时表层就可能发生相变，由珠光体转变称奥氏体，冷却 后又转变为马氏体。而马氏体的体积比奥氏体大，故而表 层金属膨胀，但要受到里层金属的阻碍，才使得表层金属 受压，即产生压应力，里层金属受拉，即产生拉压力。 当加工淬火钢时，若表层金属产生烧伤退火，马氏体 转变为屈氏体或索氏体，此两种金相组织体积也比马氏体 小，因而表层金属体积减小，但受到里层金属的牵制，从 而表层会呈现残余拉应力。
9.2 已加工表面质量概述
9.2.1已加工表面质量的衡量指标
已加工表面质量也称表面完整性。主要包括两方面内容：

1、几何方面的质量
已加工表面几何方面的质量是指工件最外层表面的几何 形状，通常以表面粗糙度表示。

2、材料特性方面的质量
已加工表面在一定深度层的性能与基体不同,常称加工变 质层。 已加工表面质量可用下面四项内容表述: (1)表面粗糙度 (2)表面层的加工硬化程度及硬化层深度 (3)表面层结晶组织变化情况 。 (4)表面层及一定深度层的残余应力情况 。
变形硬化越严重。最表层为非晶质层，塑性变形非常剧烈， 晶格均遭破坏。往下一次是塑性变形层、弹性变形层与基 体。

3、表示方法 加工硬化通常以硬化程度N和硬化层△hd 来表示。 （1）硬化程度N为 （9.3）
式中 H0 —基体的显微硬度值（HV）； H —硬化层显微硬度值（HV）；

4、减小加工硬化的措施 （1）选择较大的γo 、α0 及较小的rn 。 （2）确定合理VB值。 （3）合理选择切削用量：vc 尽量高，f尽量小。 （4）使用有效切削液。
9.5 残余应力


9.5.1 概述
1、概述
当切削力的作用取消后，工件表面保持平衡而存在的 应力称残余应力。残余应力有大小和方向之分。

2、残余应力产生的原因 （1）塑性变形引起的应力。
金属经塑性变形后体积将胀大，由于受到里层未变形 金属的牵制，故表层呈残余压应力，里层呈残余拉应力。 已加工表面形成过程中 ,位于刀具刃口前方工件材料的晶粒 一部分随切屑流出，另一部分留在已加工表面上。

3、影响耐蚀性
表面粗糙度值大时容易使腐蚀性物质（气体或液体）渗 透到表面的凹凸不平处,从而产生化学或电化学作用而被腐 蚀。如表面呈残余拉应力,微裂纹处也同样容易被腐蚀；呈 应压力时，会阻碍侵蚀作用的扩展，提高抗蚀能力。

4、影响配合性质
各种配合性质的机械零件，如粗糙度值超过规定值，经 “跑合”后，动配合者的间隙加大，影响了配合的性质及可 靠性。

9.3.2 减小实际粗糙度的措施
1、减小理论粗糙度

把切削刃看成纯几何线时，相对于工件运动所形成的已 加工表面微观不平度称理论粗糙度。其数值取决于残留面积 的高度。
理论粗糙度仍是实际粗糙度的基本构成因素 。
下面以外圆车削为例研究理论粗糙度的大小及影响因素。 图9.4给出了外圆车削表面残留面积的高度。

9.2.2 表面质量对产品使用性能的影响
加工变质层虽只发生在很薄的表面层，但它会对机械 零件的使用性能、对机器的性能和寿命产生很大的影响。

1、影响耐磨性
表面粗糙度大的零件，由于实际接触面积小,单位压力 大，耐磨性差. 接触刚度低 , 影响机器的工作精度。粗糙 度值越小 ,实际接触面积越大 ,耐磨性越好，过小反会破坏 润滑油膜而造成剧烈磨损.如机床导轨面一般以Ra1.6~0.8µm 为宜。
当热应力超过材料屈服极限时，将使表层金属产生压 缩塑性变形。切削后冷却至温室时，表层金属体积的收缩 又受到里层金属的牵制，故而表层金属产生残余拉应力。
（3）相变引起的体积应力。
切削时，若表层温度高于相变温度，则表层组织可能 发生相变；由于各种金相组织的体积不同，从而产生残余 应力。如高速切削碳钢时，刀具与工件表面接触区温度可 达600-800℃,而碳钢的相变温度在720℃。
④改变切削速度vc . ⑤采用加热切削或低温切削 。 ⑥提高刀具刃磨质量，破坏“冷焊”条件。 ⑦使用润滑性能好的切削液，破坏“冷焊”条件。

3、抑制鳞刺生成
已加工表面上在切削速度方向出现的如鱼鳞片状的毛刺 称鳞刺（图9.7）
如: ①改变工件材料热处理状态，使其减小塑性 。 ②改变刀具前角γo 。 ③改变切削速度vc 。 ④减小进给量f。 ⑤使用润滑性能好的切削液。
还必须正确选择工件支承、刀具形状及固定形式、切削 用量以及采用消振装置。 综上所述，减小实际粗糙度的措施可归纳为两条: 一条是从切削用量、刀具方面减小理论粗糙度，如：减 小进给量f、刀具主偏角kr 和副偏角kr’或增大刀尖圆弧半径rε 等； 另一条是抑制积屑瘤、鳞刺及振动的产生,凡是能抑制他 们产生的因素均可减小实际粗糙度。
④积屑瘤脱落的一部分附在切屑底部排除，另一部分 碎片镶嵌在已加工表面上，影响表面质量。 ⑤γb 的变化引起γoe 的变化，使得切削力产生波动，将 引起加工过程的振动。 ⑥因为积屑瘤的硬度比刀具高，因此积屑瘤的脱落会 加剧刀具的粘结磨损。
可见，积屑瘤对粗加工有利，特别是对精加工不利，
（5）抑制措施 抑制积屑瘤的根本措施在于破坏切屑底层与前刀面产生 “冷焊”的条件。 具体措施是： ①通过热处理减小工件材料的塑性。 ②增大刀具前角γo ≧35o ，使积屑瘤基础不能形成。 ③减小进给量f（或切削厚度hD）,从而减小对前刀面的 正压力，使“冷焊”不易产生 。
第九章 已加工表面质量
9.1 9.2 9.3 9.4 9.5
已加工表面的形成过程 已加工表面质量概述 表面粗糙度 加工硬 化 残余应力
9.1 已加工表面的形成过程
切削层金属经过第一、二变形后流出变成了切屑，经过 第三变形区则形成了已加工表面。认为刀具切削刃绝对尖锐 且无磨损，实际上： （1）切削刃也会有钝圆半径rn存在，如图9.1所示。高速 钢的rn约为10~18µm，最小可达5µm ；硬质合金的rn 约为 18~32µm，
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已加工表面呈现的残余应力，是上述诸因素综合作用 的结果，最终结果则由起主导作用的因素所决定。 还需指出，已加工表面不仅沿切削速度vc 方向会产生 残余应力δv ，在进给方向也会产生残余应力δf ，但往往表 现δv >δf 。 切削碳钢时，无论是切削速度方向还是进给方向，一 般在已加工表面常呈残余拉应力。
（2）在毗邻刃口的后刀面部分，经切削后要磨损，形 成宽度为VB的窄棱面，该处后角变为零度。这样就使得第 三变形区的变形变的复杂了 。
如图9.1所示 ，由于有rn 的存在,刀具则不能把切削层厚 度hD全部切下来，而留下了一薄层△hD 即当切削层hD 经过 O点时，点O之上部分沿前刀面流动变成了切屑，之下部分 则在切削刃钝圆半径作用下被挤压摩擦产生塑性变形，基 体深部则产生弹性变形，直到与后刀面完全脱离接触又弹 性恢复了△h，便留在已加工表面上 。 在此过程中，与后刀面的接触长度则由VB变成了 VB+CD，从而增大了后刀面与已加工表面间的摩擦与挤压， 把点O看成是切削层金属的分流点 ，点O以上部分变成切 屑，点O以下部分形成已加工表面。

2、产生的原因
工件表面层以下的一部分金属也将产生塑性变形；再 加上刃口钝圆半径rn 的挤压产生了很大的附加塑性变形。 由于基体的弹性恢复，刀具后刀面继续与已加工表面接触 摩擦，使已加工表面再次产生剪切变形. 经过以上几次变形， 使得金属晶格发生了扭曲，晶粒被拉长、破碎，阻碍了金 属进一步变形而使金属强化 ,硬度显著提高。当大的深度， 越接近已加工表面，
9.3 表面粗糙度

9.3.1 概述
经过切削加工后的工件表面总会有微观几何形不平度， 不平度的高度称为粗糙度.粗糙度包括进给方向和切削速度 方向的（图9.3）,通常所说的粗糙度是指进给方向的。
粗糙度分为理论粗糙度和实际粗糙度。后者比前者大 得多 。
加工表面实际粗糙度大约由五部分组成 : (1)理论粗糙度。由刀具切削刃形状、进给量及运动关系按 几何关系求得的H1 (2)伴随积屑瘤的生长、脱落形成的H2 (3)由切削机理本身的不稳定因素、材料隆起等产生的H3 。 (4)由切削刃与工件的相对位置变动（振动）产生的H4 。 (5)切削刃磨损、损坏造成的H5 。
另一方面，已加工表面除了上述的受力变形过程外，还 受到切削温度的影响，如果切削温度低于相变点Ac1 时，将 使金属弱化，即硬度降低；更高的温度还将引起相变。因此， 已加工表面的硬度是这种强化、弱化及相变综合作用的结果： 从切削层剖面的显微照片中可看出：在已加工表面形成 过程中，塑性变形已达到了表面层以下相
(1)当rε =0时，残留面积最大高度Rmax 值为:
(9.1)
(2)当rε ≠0时，则有
(9.2) 因为 所以 不难看出，要减小理论粗糙度Rmax 值，可减小f、kr、kr’ 或 增大rε。

2、抑制积屑瘤
（1）积屑瘤的形成条件。 积屑瘤形成的基本条件包括三个 方面： ①工件方面。 切削塑性材料且呈带状切削时 。 ②刀具方面。 刀具前角γ0 =0o 或不大以及为负值时，刀具刃磨质量不佳。 ③切削条件方面。 切削速度νc 中等、进给量f （或切削厚度hD )较大、不用切 削液或切削液不起润滑减摩作用时。 （2）形成过程。 积屑瘤形成的主要原因在于切削底层与前刀面发生“冷焊 “（粘结）,再加之很高的压力和适当的温度作用。
2、影响疲劳强度 交变载荷作用时，表面粗糙度、划痕、微细裂纹等均会 引起应力集中，从而降低疲劳强度。如经精细抛光或研磨 过的粗糙度值很小表面的疲劳强度为100%的话 ,精车后的表 面为90%，粗车表面仅为80%。

残余应力为压应力，可阻碍和延缓裂纹的产生或扩大， 从而提高疲劳强度。拉应力时,易产生微裂纹，大大降低疲 劳强度。 如:中碳钢零件经滚压加工后可比精车提高疲劳强 度30%~80%.。
晶粒在刃口分离处的水平方向受压，在垂直方向受拉。表 层金属与后刀面挤压摩擦时产生拉伸塑性变形，与刀具脱 离接触后，在里层金属的弹性恢复作用下，表层呈残余压 应力。 （2）切削温度引起的热应力。
切削时，由于强烈摩擦与塑性变形，使已加工表面层温 度很高，而里层温度很低，因而形成不均匀的温度分布。 温度高的表层，体积膨胀将受到里层金属的阻碍,使表层金 属产生热应力：
要防止积屑瘤产生必须破坏“冷焊”条件 ,不在该温度范围 内切削,即不在产生积屑瘤的切削速度范围内切削。 （3）积屑瘤的特点 ①积屑瘤呈周期性地生成—长大—脱落—再生成—再长大 。
②切削速度vc 不同，生成的积屑瘤高度Hb不同,如图9.5所示 。
（4）对切削过程的影响。 ①由图9.6不难看出,积屑瘤包围了刀具刃口并覆盖了部 分前刀面,从而代替了刀具切削,客观上似乎起到了保护刀 具的作用。 ②积屑瘤前角γb 可达30o ，使得工作前角γoe增大了，变 形Λh 减小，从而减小了Fc 。 ③由于过切量△hD 的存在，使得实际切削厚度在hD 与 （hD+△hD ）之间变化，从而在切削速度方向刻画出深浅 不同的犁沟，影响了表面粗糙度。
9.4 加 工 硬 化
9.4.1概述

1、概念
经切（磨）削过的表面，其硬度往往高出基体硬度1-2 倍，即表面硬化了，硬化深度从几十微米至几百微米，这 种不经热处理而由切（磨）削加工造成的硬化现象称加工 硬化或冷作硬化。表面层的加工硬化，可使零件耐磨性提 高，但脆性增加了，抗冲击性能下降，硬化了的表面层给 后续工序加工增加了难度，也增加了刀具磨损。

4、控制振动产生 切削过程中振动是不可避免的。振动使得加工表面在微 观不平度基础上又产生了波纹。强迫振动往往是影响表 面粗糙度的重要因素。因此，要解决振动问题，必须首 先找出振源是机内的还是机外的。
所谓强迫振动，是由周期作用力,如电动机、齿轮、皮 带轮、转轴、联轴节等机件的质量不平衡引起的 。
切削力的周期变化，多由积屑瘤、鳞刺、切屑折断等造 成，不连续切削、多刀切削均产生此力。要控制振动产生就 是要对机内的传动零件作好动平衡。 另外，自激振动（颤动）是刀具与工件间在无外力作用 时产生的，它会在加工表面上生成节距一定的振纹。其控制 措施是:除改善机床动态特性外,