第五章机械加工表面质量
机械加工表面加工质量
由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表 面粗糙。
机械加工表面加工质量
（2）切削速度的影响 （3）进给量的影响
加工塑性材料时，切削速度对
表面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞 刺的影响）见如图4-41所示。
此外，切削速度越高，塑性变 形越不充分，表面粗糙度值越小
（1）磨削用量
▪ 砂轮的转速↑ →材料塑性变形↓ → 表面粗
糙度值↓ ；
▪磨削深度↑、工件速度↑ → 塑性变形↑ →表
面粗糙度值↑ ； 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。
机械加工表面加工质量
（2）工件材料
•太硬易使磨粒磨钝 →Ra ↑ ； •太软容易堵塞砂轮→Ra ↑ ； •韧性太大，热导率差会使磨
影响显微硬度因素
•塑变引起的冷硬
•金相组织变化引起 的硬度变化
表面物理力学 性能
影响残余应力因素
•冷塑性变形 •热塑性变形 •金相组织变化
影响金相组织变化 因素
•切削热
机械加工表面加工质量
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，这种现象称为加工硬化， 又称冷作硬化和强化。
机械加工表面加工质量
三、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。
5机械制造质量分析与控制1
5.工艺系统刚度对加工精度的影响
(1)工艺系统刚度变化引起的误差
y系统
yx
y刀架
Fy
1 k刀架
1 （l k 头座
x ）2 l
k
1（
尾座
x l
）2
k系统
Fy y系统
1
1 1 （l x）2
1 （ x）2
k刀架 k头座 l
k尾座 l
5.工艺系统刚度对加工精度的影响
(2)切削力变化引起的误差
➢ 通常要求定位误差和夹具 制造误差不大于工件相应 公差的1/3。
31
三、 调整误差
试切法（图 a）
➢ 测量误差。 ➢ 试切时与正式切削时切削厚度
不同造成的误差。 ➢ 机床进给机构的位移误差。
调整法（图 b）
➢定程机构误差。 ➢样件或样板误差。 ➢测量有限试件造成的误差。
a）
b）
试切法与调整法
32
通常将机械制造质量分成加工精度和 表面质量两个方面来研究。
第一节 机械加工精度
一、基本概念
1.加工精度与加工误差
加工精度指零件加工后的实际几何参数（ 尺寸、形状和位置）与理想几何参数的符合程 度。
零件加工后的实际几何参数对理想几何参 数的偏离程度，称为加工误差。
提高加工精度意义重大。对于特定产品只 要求满足规定的公差要求即可。
作业
第五章 机械制造质量分析与控制
产品质量
指用户对产品的满意程度。
• 产品质量包括范围
产品的设计质量； 产品的制造质量； 产品售后服务质量。
第五章 机械制造质量分析与控制
机械制造质量组成
1 零件几何精度
零件几何误差，包括尺寸误差、几何形 状误差和位置误差。
机械制造工艺学第三版王先逵习题解答
机械制造工艺学习题解答第五章：机械加工表面质量及其控制第3版P2675-1机械加工表面质量包括哪些具体内容答：P229机械加工表面质量,其含义包括两个方面的内容：A．加工表面层的几何形貌,主要由以下几部分组成：⑴表面粗糙度；⑵波纹度；⑶纹理方向；⑷表面缺陷;B．表面层材料的力学物理性能和化学性能,主要反映在以下三个方面：⑴表面层金属冷作硬化；⑵表面层金属的金相组织变化；⑶表面层金属的残余应力;5-2为什么机器零件一般总是从表面层开始破坏的加工表面质量对机器使用性能有哪些影响答：P2311由于表面是零件材料的边界,常常承受工作负荷所引起的最大应力和外界介质的侵蚀,表面上有着引起应力集中而导致破坏的微小缺陷,所以这些表面直接与机器零件的使用性能有关;2加工表面质量对机器的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、零件配合质量都有影响;5-3车削一铸铁零件的外圆表面,若进给量f=r,车刀刀尖圆弧半径re=3mm,试估算车削后的表面粗糙度;5-6为什么提高砂轮速度能减小磨削表面的粗糙度数值,而提高工件速度却得到相反的结果答：P224砂轮速度越高,单位时间内通过被磨表面的磨粒数就越多,工件材料来不及变形,因而工件表面粗糙度值越小;而工件速度增大,单位时间内通过被磨表面的磨粒数减少,塑性变形增加,表面粗糙度值将增大;5-7为什么在切削加工中一般都会产生冷作硬化现象答：P240机械加工过程中产生的塑性变形,使晶格扭曲、畸变,晶粒间产生滑移,晶粒被拉长,进一步变形受到阻碍,这些都会使表面层金属的硬度增加,统称为冷作硬化或称为强化; 5-8为什么切削速度越大,硬化现象越小而进给量增大,硬化现象增大答：P240-241增大切削速度,1刀具与工件的作用时间减少,使塑性变形的扩展深度减小,因而冷硬层深度减小；2温度增高,弱化倾向增大,冷硬程度降低;而进给量增大时,硬化现象增大的原因是随着进给量的增大,切削力也增大,表层金属的塑性变形加剧,冷硬程度增大;但是,这种情况只是在进给量比较大时才是正确的;5-11什么是回火烧伤、淬火烧伤和退火烧伤答：P243磨削淬火钢时,在工件表面形成的瞬时高温将使表层金属产生以下三种金相组织变化：1如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度碳钢的相变温度为720℃,但已超过马氏体的转变温度中碳钢为300℃,工件表面金属的马氏体将转化为硬度较低的回火组织索氏体或托氏体,这称为回火烧伤; 2如果磨削区温度超过了相变温度,再加上冷却液的急冷作用,表层金属会出现二次淬火马氏体织织,硬度比原来的回火马氏体高；在它的下层,因冷却较慢,出现了硬度比原来的回火马氏体低的回火组织索氏体或托氏体,这称为淬火烧伤; 3如果磨削区温度超过了相变温度,而磨削过程又没有冷却液,组织,表层金属的硬度将急剧下降,这称为退火烧伤;5-12为什么磨削容易产生烧伤如果工件材料和磨削用量无法改变,减轻烧伤现象的最佳途径是什么答P243-244：磨削容易产生烧伤的原因是：磨削速度高、消耗功率大；砂轮磨粒导热性差,为天然负前角、磨削力大,磨削温度高; 如果工件材料和磨削用量无法改变,减轻烧伤最有效的方法是改善冷却条件,如选择内冷却砂轮或者开槽砂轮,使冷却液能够进入磨削区域；还需要合理选择砂轮硬度、结合剂和组织等;5-14磨削外圆表面时,如果同时提高工件和砂轮的速度,为什么能够减轻烧伤且又不会增大表面粗糙度答：P243-244增大工件的回转速度Vw,磨削表面的温度会升高,但其增长速度与磨削背吃刀量ap的影响相比小得多；且Vw越大,热量越不容易传入工件内层,具有减小烧伤层深度的作用;增大工件速度Vw当然会使表面粗糙度增大,为了弥补这一缺陷,可以相应提高砂轮速度Vs,实践证明,同时提高砂轮速度Vs和工件速度Vw,可以避免产生烧伤;5-16机械加工中,为什么工件表层金属会产生残余应力答：教材P245-247工件表层产生残余应力的原因是：（1）冷态塑性变形：机械加工时,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;（2）热态塑性变形：机械加工时,切削或磨削热使工件表面局部温升过高,引起高温塑性变形;表层产生残余拉应力,里层产生产生残余压应力；（3）金相组织变化：切削时产生的高温会引起表面的相变;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;5-17试述加工表面产生压缩残余应力的原因,试述表面产生拉伸残余应力的原因;答：P245-246A.加工表面产生压缩残余应力的原因：1机械加工时加工表面的金属层内产生塑性变形,使表层金属的比容增大;由于塑性变形只在表面层中产生,这样就在表面层内产生了压缩残余应力；2当刀具从被加工表面上切除金属时,表层的纤维被拉长,刀具后刀面与已加工表面的摩擦又加大了这种拉伸作用；刀具切离后,弹性变形将逐渐恢复,而塑性变形不能恢复,表面层金属拉伸塑性变形,受到与它相连的里层未发生塑性变形金属的阻碍,因此就在表层金属中产生了压缩残余应力;B.表面产生拉伸残余应力的原因：1在机械加工中,切削区会产生大量的切削热,工件表面的温度往往很高;工件受热膨胀时,表层金属处于没有残余应力作用的完全塑性状态中,冷却时表层金属收缩受到里层金属阻碍,这样就在表面层内产生了拉伸残余应力;2比容减小,表面层金属由于相变而产生的收缩受到基体金属的阻碍,因而在表层金属产生拉伸残余应力;5-20什么是强迫振动它有哪些主要特征答：P252-253强迫振动——由外界周期性的干扰力的作用而引起的振动; 其主要特征是：其振动频率与干扰力的频率相同,或者是干扰力频率的整倍数；其振幅既与干扰力幅值有关,又与工艺系统的动态特性有关;若干扰力频率接近或者等于工艺系统的某一固有频率时,振幅将明显增大或者引起共振;5-22什么是自激振动它与强迫振动、自由振动相比,有哪些主要特征答：P253-255机械加工过程中,在没有周期性外力相对于切削过程而言作用下,由系统内部激发反馈产生的周期性振动,称为自激振动,简称为颤振; 与强迫振动相比,自激振动具有以下特征：机械加工中的自激振动是在没有外力相对于切削过程而言干扰下所产生的振动运动,这与强迫振动有本质的区别；自激振动的频率接近于系统的固有频率,这就是说颤振频率取决振动系统的固有特性;这与自由振动相似但不相同,而与强迫振动根本不同;自由振动受阻尼作用将迅速衰减,而自激振动却不因有阻尼存在而迅速衰减;。
机械制造质量分析与控制.ppt
(3)展成刀具 (如齿轮滚动、插齿刀、花键滚 刀等)切削刃的形状及有关尺寸，以及其安装、调 整不正确
(4)一般刀具 (如普通车刀、单刃镗刀、面铣 刀、刨刀等)的制造误差
3.夹具
夹具的作用是使工件相 对于刀具和机床具有正确的 位置，因此夹具的制造误差 对工件的加工精度 (特别是 位置精度) 有很大影响。
5. (1)由于工艺系统刚度变化引起的误差
图5-18 车削外圆时工艺 系统受力变形对加工精度 的影响
5. (2)由于切削力变化引起的误差
在加工过程中，由于工件的加工余量发生变 化、工件材质不均等因素引起的切削力变化，使 工艺系统变形发生变化，从而产生加工误差。
图5-19 毛坯形状误差的复映
5. (3)由于夹紧变形引起的误差
实际加工不可能把零件做得与理想零件完全 一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实 际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加 工误差。
2.加工经济精度
图5-2 加工成本与加工误差之间的关系
3.原始误差
由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺 系统 (简称工艺系统) 会有各种各样的误差产生，这 些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同 的方式 (或扩大、或缩小) 反映为工件的加工误差。 工艺系统的误差是“因”，是根源；工件的加工误差 是 “果”，是表现；因此，我们把工艺系统的误差 称为原始误差。
1.机床的几何误差
加工中刀具相对于工件的成形运动一般 都是通过机床完成的，因此，工件的加工精 度在很大程度上取决于机床的精度。机床制 造误差对工件加工精度影响较大的有：主轴 回转误差、导轨误差和传动链误差。机床的 磨损将使机床工作精度下降。
第5章 机械加工表面质量
第5章 机械加工表面质量
习 题
5-1 在车床上精车一工件外圆表面，采用的车刀主偏角︒=45r κ，副偏角︒='20r
κ，加工表面粗糙度要求为残留面积最大高度m R H μ2.3)(max =，问：
⑴ 计算需要采用的走刀量。
⑵ 实际加工出来的粗糙度和计算出来的粗糙度是否能完全相同？
⑶ 是否走刀量越小，实际加工的表面粗糙度就越低。
5-2 用硬质合金车刀切削20号钢工件，若工件表面光洁度达不到要求，能采用哪些措施来加以改善；并且简述改善的原因？
5-3 题图所示板型工件，最后工序为在其上钻孔、要求与面平行。
试设计保证尺寸和的定位方案。
5-4 题图为连杆小端孔精镗工序的定位简图。
选择大端孔及其端面和小端孔为定位基准，分别用带台肩定位销和可插拔的削边定位销定位。
试分析各定位元件限制工件的哪些不定度。
5-5 在圆柱工件上铣缺口的定位如图所示。
试分析定位方案能否满足工序要求？若不能满足，试提出改进方法。
复 习 思 考 题
5-1 加工表面质量包括哪几个方面的内容？
5-2 影响表面粗糙度的因素有哪些？
5-3 磨削加工时为什么会产生表面拉应力？。
机械加工表面质量--机械加工表面质量对机器使用性能的影响
机械加工表面质量机械零件的破坏，一般总是从表面层开始的。
产品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取决于零件表面层的质量。
研究机械加工表面质量的目的就是为了掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，以便运用这些规律来控制加工过程，最终达到改善表面质量、提高产品使用性能的目的。
一、机械加工表面质量对机器使用性能的影响（一）表面质量对耐磨性的影响1. 表面粗糙度对耐磨性的影响一个刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间，最初阶段只在表面粗糙的的峰部接触，实际接触面积远小于理论接触面积，在相互接触的峰部有非常大的单位应力，使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏，引起严重磨损。
零件磨损一般可分为三个阶段，初期磨损阶段、正常磨损阶段和剧烈磨损阶段。
表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。
一般说表面粗糙度值愈小，其磨损性愈好。
但表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。
因此，接触面的粗糙度有一个最佳值，其值与零件的工作情况有关，工作载荷加大时，初期磨损量增大，表面粗糙度最佳值也加大。
2. 表面冷作硬化对耐磨性的影响加工表面的冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。
但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。
（二）表面质量对疲劳强度的影响金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面和表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响很大。
1. 表面粗糙度对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引起应力集中，产生疲劳裂纹。
表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏底能力就愈差。
2. 残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响余应力对零件疲劳强度的影响很大。
表面层残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残余应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生表面冷硬一般伴有残余应力的产生，可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利。
表面质量概念机械加工表面质量是指零件在机械加工后表面层
２．加工表面质量对零件使用性能的影响
（１）表面质量对零件耐磨性的影响 （２）表面质量对零件疲劳强度的影响 （３）表面质量对零件耐腐蚀性的影响 （４）表面质量对配合性质的影响 （５）表面质量对零件的使用性能其他
方面的影响
（１）表面质量对零件耐磨性的影响
磨损过程的基本规律： 零件的磨损可分为三个阶段，如图1-17所示。 第Ⅰ阶段：（初期磨损阶段）由于摩擦副开始工作时，两个零件
④伤痕 在加工表面的一些个别位置上 出现的缺陷。
在加工表面的一些个别位置上出现的缺 陷。它们大多是随机分布的，例如砂眼、 气孔、裂痕和划痕等。
（２）表面层物理、化学和力学性能
●表面层加工硬化（冷作硬化）。 ●表面层金相组织变化及由此引起的表层金
属强度、硬度、塑性及耐腐蚀性的变化。 ●表面层产生残余应力或造成原有残余应力
表面层的加工硬化对耐磨性的影响
表面层的加工硬化，一般能提高耐磨性0.5～l 倍。这是因为加工硬化提高了表面层的强度， 减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。但 过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现 疲劳裂纹和产生剥落现象，从而使耐磨性下降。 所以零件的表面硬化层必须控制在一定的范围 之内。
表面互相接触，一开始只是在两表面波峰接触，当零件受力时， 波峰接触部分将产生很大的压强，因此磨损非常显著。 第Ⅱ阶段：经过初期磨损后，实际接触面积增大，磨损变缓，进 入磨损的第Ⅱ阶段，即正常磨损阶段。这一阶段零件的耐磨性最 好，持续的时间也较长。 第Ⅲ阶段：由于波峰被磨平，表面粗糙度参数值变得非常小，不 利于润滑油的储存，且使接触表面之间的分子亲和力增大，甚至 发生分子粘合，使摩擦阻力增大，从而进入磨损的第Ⅲ阶段，即 急剧磨损阶段。
第五六章 机械加工质量及其控制
避免措施
提高主轴及箱体的制造精度,选用高精度的轴承,提高主轴 提高主轴及箱体的制造精度,选用高精度的轴承, 部件的装配精度,对高速主轴部件进行平衡, 部件的装配精度,对高速主轴部件进行平衡,对滚动轴承进 行预紧等,均可提高机床主轴的回转精度. 行预紧等,均可提高机床主轴的回转精度.
2)导轨误差
(a) 在水平面 内的直线度误 差 误差敏感方向 (b) 在垂直平面 内的直线度
加工误差的分类
变值系统误差:在连续加工一批工件中,其中加工 变值系统误差:在连续加工一批工件中, 误差的大小方向按一定规律变化的系统误差 例如:刀具磨损 例如: 特点: 特点: 与加时间有关 预先可以估计 较难完全消除 会造成尺寸改变,但按一定规律依次变化 会造成尺寸改变, 影响尺寸分布曲线形状 再 例:工艺系统受热变形 升温过程中-- --变值 热平衡后-- --常值 升温过程中--变值 热平衡后--常值
3 工艺系统受力变形引起的误差
工件受力变形
机床受力变形
(1)工艺系统刚度 1)工艺系统刚度
在加工误差敏感方向上工艺系统所受 在加工误差敏感方向上工艺系统所受的径向切削分力与其 上工艺系统所受的径向切削分力与其 在该方向上的变形量之比
k系=Fp / y
y系 = y机床 + y刀具 + y夹具 + y工件
(2)刀具的几何误差
包括刀具切削部, 包括刀具切削部,装夹部的制造误差及刀具安装误差 ① 定尺寸刀具 刀具尺寸精度直接影响工件尺寸精度 ② 成形刀具 ③ 展成刀具 ④ 一般刀具 刀具形状精度直接影响工件形状精度 刀刃形状精度会影响工件加工精度 制造精度对工件加工精度无直接影响
(3)夹具的几何误差
加工前:原理误差,调整误差, 加工前:原理误差,调整误差,工艺系统的几何误差和定 位误差等. 位误差等. 加工中:工艺系统受热,受力变形引起的加工误差. 加工中:工艺系统受热,受力变形引起的加工误差. 加工后:工件内应力重新分布引起的变形及测量误差. 加工后:工件内应力重新分布引起的变形及测量误差.
机械制造工艺学第3版王先奎习题解答5
5-22 什么是自激振动？它与强迫振动、自由振动相比，有哪些主要特征？ 答： （P253-255）机械加工过程中，在没有周期性外力（相对于切削过程而言）作用下，由系统内 部激发反馈产生的周期性振动，称为自激振动，简称为颤振。 与强迫振动相比，自激振动具有以下特征：机械加工中的自激振动是在没有外力（相对于切削过 程而言）干扰下所产生的振动运动，这与强迫振动有本质的区别；自激振动的频率接近于系统的固有 频率，这就是说颤振频率取决振动系统的固有特性。这与自由振动相似（但不相同） ，而与强迫振动根 本不同。自由振动受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动却不因有阻尼存在而迅速衰减。
1
5-7 为什么在切削加工中一般都会产生冷作硬化现象？ 答： （P240）机械加工过程中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长， 进一步变形受到阻碍，这些都会使表面层金属的硬度增加，统称为冷作硬化（或称为强化） 。
5-8 为什么切削速度越大，硬化现象越小？而进给量增大，硬化现象增大？ 答： （P240-241）增大切削速度，(1)刀具与工件的作用时间减少，使塑性变形的扩展深度减小，因 而冷硬层深度减小；(2) 温度增高，弱化倾向增大，冷硬程度降低。而进给量增大时，硬化现象增大的 原因是随着进给量的增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬程度增大。但是，这种情 况只是在进给量比较大时才是正确的。
5-16 机械加工中，为什么工件表层金属会产生残余应力？ 答： （教材 P245-247）工件表层产生残余应力的原因是：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。 （2）热态塑性变形：机械加工时，切削或磨削热使工件表面局部温升过高，引起高温塑性变形。 表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力； （3）金相组织变化：切削时产生的高温会引起表面的相变。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。
第五章机械加工表面质量
氧化物（刚玉）砂轮：磨钢类零件； 碳化物（碳化硅、碳化硼）砂轮：磨铸铁、硬质合金等； 高硬材料（人造金刚石、立方氮化硼）砂轮：可获极小 表面粗糙度值，成本高。磨硬质合金等脆性材料。
残余应力有拉应力和压应力之分，
残余拉应力：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：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。
17
5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响 （三）表面质量对耐蚀性的影响
1. 表面粗糙度对耐腐蚀性的影响 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。减小零件表面粗糙 度，可以提高零件的耐腐蚀性能。
表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响： 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，减小表面粗糙度可降低其摩擦系数，从
而减少发热和功率损失。 表面层的残余应力会使零件在使用过程中继续变形，
失去原来的精度，降低机器的工作质量。
20
加工表面质量对零件使用性能的影响
总结:
对耐磨性影响
3
第五章 机械加工表面质量
4
5.1 加工表面质量的概念 5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响 5.3 影响加工表面粗糙度的因素 5.4 影响加工表面层物理机械性能的因素 5.5 改善表面粗糙度的方法 5.6 工件表面强化的常见方法
机械加工表面质量影响因素及改善
2、加工表面层的残余应力
2）表面层残余应力的影响因素 （1）刀具方面 ①刀具几何因素 前角对残余应力有很大影响。图p188 454 ②刀具磨损；图p189 4-55 （2)工件方面 工件材料塑性越大，切削加工后产生的残余拉应力越大。 （3）切削条件方面 切削用量三要素对残余应力影响较大。图p189 4-57 、4-58
高速钢、硬质合金或陶瓷刀具在切削低碳钢、中碳钢等塑
性金属，加工工序中都可能产生鳞刺。会使表面粗糙度加工。 成为塑性金属材料精加工的一个障碍。 在物理因素方面，降低表面粗糙度主要措施，即消除积 屑瘤和鳞刺的措施。
2、切削加工表面粗糙度的产生原因及其控制
4)切削机理的变化：
在挤裂切屑或单元切屑形成的过程中，由于单元切屑 周期性的断裂在切屑表面以下深入，在加工表面上留下挤 裂痕迹而呈现波浪形。在崩碎切屑形成过程中，从主切削 刃处开始的裂纹在接近主应力方向斜着向下延伸，造成加 工表面凹凸不平。p182图4-39 切削刃两侧的工件材料被挤压后因没有侧面的约束力
在精密磨削时不能判断试切时的吃
刀量，很不方便。
(3) 磨削用量的选择
1）提高工件速度和采用小的切深能够有效地减小残余拉应
力和消除烧伤、裂纹等磨削缺陷。
3、 磨削烧伤及磨削裂纹及其控制
2）降低砂轮速度也能得 3）提高砂轮速度的同时相应 提高工件速度，可以避免烧伤。
到残余压应力，但是会影响
生产效率，故一般不常采用。
2、切削加工表面粗糙度的产生原因及其控制
1)理论粗糙度P181:
刀具几何参数中的主偏角、副偏角和刀尖圆弧半径及切削
用量中的进给量是产生理论粗糙度的最基本因素。
Rmax
f cot cot '
机械加工表面质量
机械加工表面质量机器零件的破坏，一般都是从表面层开头的。
一、加工表面质量的概念加工表面质量包含以下两个方面的内容：1．加工表面的几何形貌（1）表面粗糙度（2）表面波纹度（3）表面纹理方向（4）表面缺陷2.表面层材料的物理力学性能（1）表面层的冷作硬化（2）表面层残余应力（3）表面层金相组织变化二、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（1）表面粗糙度对耐磨性的影响（2）表面冷作硬化对耐磨性的影响（3）表面纹理对耐磨性的影响2. 表面质量对零件疲惫强度的影响3. 表面质量对抗腐蚀性能的影响4.表面质量对零件协作性质的影响三、加工表面的表面粗糙度切削加工的表面粗糙度值主要取决于切削残留面积的高度。
加工塑性材料时，切削速度v对加工表面粗糙度加工相同材料的工件，晶粒越粗大，切削加工后的表面粗糙度值越大。
适当增大刀具的前角，可以降低被切削材料的塑性变形；降低刀具前刀面和后刀面的表面粗糙度可以抑制积屑瘤的生成；增大刀具后角，可以削减刀具和工件的摩擦；合理选择冷却润滑液，可以削减材料的变形和摩擦，降低切削区的温度；实行上述各项措施均有利于减小加工表面的粗糙度。
四、加工表面的物理力学性能（一）表面层材料的冷作硬化1．冷作硬化的评定参数2．影响冷作硬化的因素（1）刀具的影响（2）切削用量的影响（3）加工材料的影响（二）表面层材料金相组织变化假如磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变临界温度（碳钢的相变温度为723℃），这时工件表层金属的金相组织，由原来的马氏体转变为硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体），这种烧伤称为回火烧伤；假如磨削区温度超过了相变温度，在切削液急冷作用下，表层金属将发生二次淬火，硬度高于原来的回火马氏体，里层金属则由于冷却速度慢，消失了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织，这种烧伤称为淬火烧伤；若工件表层温度超过相变温度，而磨削区又没有冷却液进入，表层金属便产生退火组织，硬度急剧下降，称之为退火烧伤。
华南农业大学工艺学第五章 机械加工表面质量及其控制练习题
一、名词解释1．冷作硬化：机械加工过程中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长，这些都会使表层金属的硬度增加，此称为冷作硬化。
2．磨削烧伤：对于已淬火的钢件，很高的磨削温度往往会使表层金属的金相组织产生变化，使得表层金属硬度下降，使工件表面呈现氧化膜颜色，这种现象称为磨削烧伤。
二、选择题1.磨削淬火钢时，磨削区温度末超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的转变温度，可能产生（）。
A、淬火烧伤B、回火烧伤C、退火烧伤D、不烧伤。
2.磨削淬火钢时在重磨削(不用切削液）条件下可能产生（）形式的磨削烧伤。
A、淬火烧伤B、回火烧伤C、不烧伤D、退火烧伤3.加工过程中若表面层以冷塑性变形为主，则表面层产生（）应力。
A、拉应力B、压应力C、无应力层4.机械加工中的振动，按其产生的原因可分为三种，试指出自激振动的能量特性（）A、在外界周期性干扰力持续作用下的持续振动；B、只有初始干扰力的作用、振动中再也没有能量输入，故为衰减振动；C、维持振动的交变力是振动系统在自身运动中激发出来的，从而引起系统的持续振动。
5.削扁镗杆的抗振性比圆镗杆好是由于（）。
A、系统刚度的组合特性合适B、阻尼大、消耗振动能量大C、刚度高6.磨削淬火钢时，若工件表面出现淬火烧伤，工件表面将产生（）残余应力。
A、拉伸B、压缩C、无7.零件配合性质的稳定性与（）的关系较大。
A．零件材料B．加工表面质量C．载荷大小D．接触刚度8.如果使扁形镗杆能够产生消振作用，需要（）。
A．选择合适的削扁值和刀头相对削扁方向的位置B．选择合适的镗杆长度C．选择合适的削扁值D．选择合适的刀头相对削扁方向的位置9.冷态下塑性变形经常在表层产生（）。
A．拉应力B．不定C．压应力D．金相组织变化10.金属的加工硬化现象将导致什么结果。
A、强度降低，塑性提高B、强度提高，塑性提高C、强度提高，塑性降低D、强度降低，塑性降低11.工件材料的塑性越大，冷作硬化倾向（），冷作硬化程度（）A．越小，越轻微B．越小，越严重C．越大，越轻微D．越大，越严重12.机械加工时，工件表面产生波纹的原因有（）。
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太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜， 容易发生分子粘结而加剧磨损。
第五章机械加工表面质量
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5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响
▪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。
5
5.1 加工表面质量的概念
加工表面质量：工件加工后表面层的状态。
加工 表面质量
表面层几何 形状特征
表面粗糙度 表面波度 纹理方向 表面缺陷(伤痕)
微观几 何轮廓
宏观几 何轮廓
表面层物理、 力学性能变化
表面层冷作硬化 表面层金相组织的变化 表面层残余应力
第五章机械加工表面质量
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第五章机械加工表面质量
过分的冷作硬化，将引
起金属组织过度“疏松”，
磨损量 (μm)
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。
第五章机械加工表面质量
H14B
5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响 3. 表面纹理对耐磨性的影响
表面纹理的形状及刀纹方向对耐磨性的影响，纹 理形状及刀纹方向影响有效接触面积与润滑液的存留。
过渡配合:因多用压力及锤敲装配，表面粗糙度也会使配合 变松。
2.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。
第五章机械加工表面质量
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5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响
表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响： 减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量
4.表面层产生的金相组织变化对零件耐磨性的影响 金相组织的变化引起基体材料硬度的变化，进而
影响零件的耐磨性。
第五章机械加工表面质量
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5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响 （二）表面质量对零件疲劳强度的影响
1. 表面粗糙度对疲劳强度的影响
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， 应力集中越严重，其抗疲劳破坏的能力越差。
第五章机械加工表面质量
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5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响
2.表面层冷作硬化与残余应力对耐疲劳性的影响
图5-1 加工质量包含的内容
第五章机械加工表面质量
2
第五章 机械加工表面质量
机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑 表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂 纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米~几 十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的精度、 耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而 影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的 重视。
图5-1第五表章机面械加粗工糙表面度质量与初期磨损量的关系 13
5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响
2. 冷作硬化对耐磨性的影响
▪ 加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。
因为表面的冷作硬化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。
▪ 适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度；
残余应力有拉应力和压应力之分，
▪残余拉应力：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：能够部分地抵消Fra bibliotek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。
第五章机械加工表面质量
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5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响
第五章 机械加工表面质量
第五章机械加工表面质量
1
机械加工质量
零件的机械加工质量包括加工精度和加工表面质量。
加工精度
尺寸精度 形状精度 位置精度
（通常形状误差限制在位置公差内，位 置公差限制在尺寸公差内）
表面质量
表面几何形状特征
表面粗糙度 波度 纹理方向 伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）
表面缺陷层
表层加工硬化 表层金相组织变化 表层残余应力
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一般情况下表面硬 化层的深度可达 0.05 — 0.30mm。
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5.2 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. 表面粗糙度对耐磨性的影响
零件耐磨性的影响因素： 摩擦副的材料；润滑条件；表面质量(接触面积)。
第五章机械加工表面质量
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第五章 机械加工表面质量
第五章机械加工表面质量
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5.1 加工表面质量的概念 5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响 5.3 影响加工表面粗糙度的因素 5.4 影响加工表面层物理机械性能的因素 5.5 改善表面粗糙度的方法 5.6 工件表面强化的常见方法
第五章机械加工表面质量
零件磨损三个阶段：初期磨损阶段；正常磨损阶段；剧烈磨损阶段
图5-1第五磨章机损械过加工程表面的质量基本规律
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5.2 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. 表面粗糙度对耐磨性的影响
▪ 表面粗糙度太大和太小都不耐磨 ▪ 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；
（三）表面质量对耐蚀性的影响
1. 表面粗糙度对耐腐蚀性的影响 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。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。
精度； 对滑动零件，减小表面粗糙度可降低其摩擦系数，从而
减少发热和功率损失。 表面层的残余应力会使零件在使用过程中继续变形，失
去原来的精度，降低机器的工作质量。
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加工表面质量对零件使用性能的影响
第五章机械加工表面质量
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5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响 （四）表面质量对零件配合质量的影响
1.表面粗糙度对零件配合精度的影响
间隙配合:粗糙度值增大会使磨损增大，造成间隙增大，破 坏了要求的配合性质。
过盈配合:装配过程中一部分表面凸峰被挤平，产生塑性变 形，实际过盈量减小，降低了配合件间的联接强度。