机械加工表面质量

第五章机械加工表面质量

零件的机械加工质量：指加工精度，加工表面质量。

加工后的零件表面不是理想光滑表面，存在不同程度的Ra、冷硬、裂纹等表面缺陷。

缺陷层只有极薄一层（几微米∽几十微米），但影响零件精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等→影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。

机械加工表面质量的概念

一、机械加工表面质量的含义：

1、Ra及波度（表面几何形状误差）

根据加工表面波距L与波高H的比值，可将不平度分为以下三种类型， L/H>1000：宏观几何形状误差。如圆度误差、圆柱度误差等，属加工精度，不在讨论之列。

L/H=50 ∽ 1000：称为波度。由加工中的振动引起的

L/H<50：微观几何形状误差，表面粗糙度。

2．表面层物理力学性能的变化

机加工中由于受切削力和热的综合作用，表面层金属的物理力学性能和基体金属大不相同，主要有以下三方面的内容：

（1）表面层因塑性变形引起的冷作硬化；

（2）表面层中的残余应力；

（3）表面层因切削热引起的金相组织变化。

二、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

（1） Ra对零件耐磨性的影响

Ra太大和太小都不耐磨。

Ra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；

Ra太小：表面太光滑，存不住润滑油，接触面不易形成油膜，易发生分子粘结而加剧磨损。

Ra的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷↑时，磨损曲线向上、向右移，最佳表面粗糙度值也随之右移。

（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响

表面的冷作硬化，使磨擦副表面层金属的显微硬度↑，塑性↓，摩擦副接触部分的弹性、塑性变形↓，故一般能使零件的耐磨性↑。但也不是冷作硬化程度越高，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。

2．表面质量对零件疲劳强度的影响

（1） Ra对零件疲劳强度的影响

Ra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， Ra的凹谷部位易引起应力集中，产生疲劳裂纹。 Ra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）表面层冷作硬化与残余应力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。冷硬层不但能防止疲劳裂纹的产生，而且能阻止已有的裂纹扩大。但加工表面在发生冷作硬化的同时，会伴随产生残余应力。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：能部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓裂纹扩展，提高零件的疲劳强度。

3.表面质量对零件工作精度（配合质量）的影响

（1） Ra对零件配合精度的影响

间隙配合：配合表面Ra↑，则初期磨损量↑，从而使配合间隙↑，↓配合精度。过盈配合：配合表面Ra↑，装配时凸峰部分被挤平，使实际过盈量↓，过盈配合表面的结合强度↓。因此对有配合要求的表面，必须规定较小的Ra。

（2）表面残余应力对零件工作精度的影响

残余应力在内部是平衡的，但会使工件发生蠕变，残余应力经一段时间后会自行减弱以至消失。同时零件也随之变形，引起零件尺寸和形状误差。

对高精度零件，如精密机床的床身、精密量具等，表层残余应力大，会影响精度的稳定性。

4．表面质量对零件耐腐蚀性能的影响

（1） Ra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。因此减小零件Ra ，可以提高零件的耐腐蚀性能。

（2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响

压应力使表面紧密，腐蚀性物质不易进入，↑零件耐腐蚀性，拉应力则相

反。

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接触刚度、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。

表面粗糙度及主要影响因素（及其控制）

影响Ra可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。

一、切削加工后的表面粗糙度（理论表面粗糙度）

1.刀具几何形状: Ra值主要由残留面积高度决定

影响残留面积高度的主要因素：刀尖圆弧半径r

ε、主偏角κ

r

、副偏角κ

r′

及进

给量f等。

切削残留面积的高度为： H=f/(cotκ

r +cotκ

r′

)

用圆弧刀刃的残留面积的高度为

H=f2/(8r

ε

)

f和r

ε对Ra的影响比较明显。加工时，选择较小的f和较大的r

ε

，可减小Ra

2．物理力学因素

（1）工件材料的影响

加工后实际Ra不同于纯几何因素所形成的理论Ra→因为加工中发生了塑变加工塑性材料时：刀具对金属挤压产生塑变和切屑与工件分离的撕裂，使Ra值↑。

工件材料韧性↑，塑变↑，→Ra值↑。故对中、低碳钢的工件，为改善切削性能，减小Ra ，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。

加工脆性材料：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）切削速度的影响

加工塑性材料时：

在20~50 m/min时： Ra值最大，此时易出现积屑瘤，使表面质量切削速度V

c

恶化；

超过100m/min时： Ra减小，并趋于稳定。

切削速度V

c

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。

此外，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、磨削加工的Ra

1.砂轮磨削中影响Ra的几何因素

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砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好， Ra值越小。

（1）砂轮粒度和砂轮修整

在相同磨削条件下，砂轮粒度号数↑，单位面积上参加磨削的磨粒↑，表面的刻痕越细密，Ra值↑

（2）磨削用量

砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多， Ra值就越小。

工件转速对Ra值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。

工件转速↑，通过加工表面的磨粒数↓，因此Ra值↑。

砂轮纵向进给量小于砂轮宽度时，工件表面将被重叠切削，而被磨次数↑，