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Chapter8MachiningSkinQuality第八章机械加工表面质量第八章目录★第一节机械加工表面质量概述★第二节机械加工后的表面粗糙度☆一表面质量的含义☆二表面质量对零件使用性能的影响☆一切削加工后的表面质量☆二磨削加工后的表面质量★第三节机械加工后表面层物理机械性能☆一机械加工后表面层的冷作硬化☆二机械加工后表面层金相组织的变化☆三机械加工后表面层的残余应力★第四节控制加工表面质量的工艺途径☆一减小残余拉应力的途径☆二采用冷压表面强化工艺☆三采用精密和光整加工第八章机械加工表面质量一台机器在正常的使用过程中，其零件的工作性能会逐渐变坏，甚至出现突然损坏而失效。究其原因往往不是因为强度不够或刚度不足，大多数是由于磨损、腐蚀或疲劳破坏所致。而磨损、腐蚀和疲劳破坏都是发生在零件的表面，或是从零件表面开始的。因此，加工表面质量将直接影响到零件的工作性能，尤其是它的可靠性和使用寿命。因此，表面质量问题越来越受到各方面的重视。第一节机械加工表面质量概述一、表面质量的含义任何机械加工所得的表面，实际上不可能是理想的光滑表面，总是存在一定的微观几何形状偏差。表面层材料在加工时受切削力、切削热等的影响，也会使原有的物理机械性能发生变化。因此，所谓机械加工表面质量就是指表面几何形状和物理机械性能这两方面。第八章机械加工表面质量1.表面层的几何形状加工后的表面几何形状．总是以“峰”、“谷”交替出现的形式偏离其理想的光滑表面的，如图所示。其偏差又有宏观、微观之分，一般以波距（峰与峰或谷与谷间的距离）L和波高（峰、谷间的高度）H的比值加以区别。L／H＞1000时属于宏观几何形状偏差，即形状误差，属于加工精度的研究范畴。L／H＜50属于微观几何形状偏差，称为表面粗糙度。L／H＝50～1000，则称为表面波度。表面粗糙度和表面波度都属于加工表面质量范畴。第八章机械加工表面质量（1）表面粗糙度它是指加工表面的微观几何形状误差，国家标准规定：表面粗糙度用在一定长度内（称为基本长度）轮廓的算术平均偏差值Ra或十点平均高度Rz作为评定指标。（2）表面波度它是介于宏观几何形状与微观几何形状误差（粗糙度）之间的周期性几何形状误差。表面波度通常是由于加工过程中工艺系统的低频振动造成的。第八章机械加工表面质量2.表面层的物理机械性能表面层的材料在加工时会产生物理、机械和化学性质的变化，上图所示为加工表面层沿深度的变化。在最外层生成氧化膜或其他化合物，并吸收、渗进了气体粒子，故称为吸附层。在加工过程中由切削力造成的表面塑性变形区称为压缩区，厚度约在几十至几百微米内，随加工方法的不同而变化。其上部为纤维层，它由被加工材料与刀具间的摩擦力造成。另外切削热也会使表面层产生各种变化，如使材料产生相变以及晶粒大小发生变化等。所以表面层的物理机械性能不同于基体，它包括如下三方面。第八章机械加工表面质量（1）表面层的冷作硬化工件在机械加工过程中，表面层金属产生了强烈的塑性变形，使表面层的强度和硬度都高于加工前，这种现象称为表面冷作硬化。（2）表面层的残余应力在切削或磨削加工过程中，由于切削变形和切削热的影响，加工表面层会产生残余应力。（3）表面层的金相组织变化机械加工特别是磨削加工中，工件表面在切削热产生的高温的作用下，常会发生不同程度的金相组织的变化。第八章机械加工表面质量第八章机械加工表面质量二、表面质量对零件使用性能的影响1.对零件耐磨性的影响表面越粗糙，配合表面间的实际有效接触面积越小，单位面积压力增大，表面易磨损。但过于光滑的表面却不利于润滑油的贮存，还会增加两表面的分子吸附作用，磨损也会加剧。在一定载荷情况下，摩擦副表面有一最佳粗糙度，过大或过小的粗糙度会使初期磨损量增大，使总的耐磨时间缩短，如下图所示。粗糙度的轮廓形状和加工纹路方向也与零件的耐磨性有关，如下图所示。表面层的冷作硬化可提高零件的耐磨性，但硬化过度，则由于表面层与基体金属的硬度相差过大，造成表面层金属的剥落，使磨损加剧。当表面层金属的金相组织发生变化时，其物理机械性能也会发生相应的变化，从而影响零件的耐磨性。第八章机械加工表面质量2.对零件疲劳强度的影响第八章机械加工表面质量表面粗糙度大（特别是在零件上应力集中区的粗糙度大）将大大降低零件的疲劳强度，如下图所示。对于不同的材料，表面粗糙度对疲劳强度的影响程度也不同，这是因为不同的材料对应力集中的敏感程度不同。适当的硬作硬化可提高零件的疲劳强度，但硬化过度，则容易在零件表面产生微裂纹，造成疲劳扩展，反而降低疲劳强度。表面层的残余应力状态对疲劳强度影响很大。当表面残余应力为压应力时，可延缓疲劳裂纹扩展。而残余应力为拉应力时，零件的疲劳强度降低。3.对零件耐腐蚀性能的影响零件的表面粗糙度对耐腐蚀性也有影响，当零件在潮湿的空气中或在腐蚀性介质中工作时。会发生化学腐蚀或电化学腐蚀。由于粗糙表面的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀，或在两种材料表面粗糙度的凸峰间容易产生电化学作用而引起电化学腐蚀。腐蚀过程会从波谷底部向材料深处扩展。所以。减少表面粗糙度可以提高零件的耐腐蚀性。4.对零件配合性质的影响在间隙配合中，如果配合表面粗糙度较大，则在初期磨损阶段磨损量就大，造成零件的尺寸发生变化，使配合间隙增大，改变了配合性质。在过盈配合中，如果配合表面粗糙，则装配后表面的波峰产生塑性变形，从而使有效过盈量减小，减弱了过盈配合的结合强度。因此，在设计零件时，对于配合精度要求高的零件应该规定较小的表面粗糙度。第八章机械加工表面质量5.对零件接触刚度的影响表面粗糙度对零件的接触刚度有很大的影响，表面粗糙度越小，则接触刚度越高。另外，表面粗糙度对零件间的密封性和摩擦系数也有很大的影响，粗糙度小则密封性好，摩擦系数小；反之则密封性差，摩擦系数大。第八章机械加工表面质量第二节机械加工后的表面粗糙度一、切削加工后的表面粗糙度切削加工后工件表面粗糙度产生的因素主要有三方面，即：几何因素、物理因素和加工中工艺系统的振动。1.几何因素切削加工中由于进给运动的存在，在被加工表面上不可避免地要留下未曾切削的残留面积，如图所示。该残余面积中峰谷间的高度差H越大，所获得的表面将越粗糙。刀具给定后，高度差H理论上可通过计算求得。当不考虑刀具圆弧时（用尖刀时）：'cotcotrrfHkk用刀尖圆弧半径为re的刀具时：28efHr第八章机械加工表面质量第八章机械加工表面质量2.物理因素切削加工后工件表面的实际粗糙度往往比上述理论粗糙度大得多，如图所示。这是因为在切削力、切削热作用下，切削加工中伴随着诸如挤压、摩擦、弹塑性变形等多种物理现象，在这些物理因素的作用下会使表面粗糙度恶化。（1）工件材料性质的影响加工碳素钢等塑性材料时，加工表面会发生弹塑性变形。塑性变形会使残留面积变形或使沟纹加深，将塑性变形的痕迹残留在已加工表面上，使粗糙度加剧。加工如铸铁一类的脆性材料时，一般产生崩碎状切屑，在加工表面上出现微粒崩碎的痕迹，使已加工表面呈麻点状的不光洁现象。第八章机械加工表面质量（2）积屑瘤的影响用一定的切削速度加工塑性材料时，常会在刀尖处形成积屑瘤。切削过程中积屑瘤在受到振动、冲击时会发生断裂脱落现象，使粗糙度加大。（3）摩擦力的影响切削加工中，刀具刀尖圆角及后刀面将和被加工表面发生强烈摩擦，使工件表面产生塑性变形而增加粗糙度。所以，在切削加工中常使用切削液来改善摩擦状况，降低表面粗糙度。（4）工艺系统的振动工艺系统一旦发生振动，加工表面出现振纹，于是粗糙度将明显加大。二、磨削加工后的表面粗糙度磨削过程可看作是极多刀齿的铣刀实行特高速铣削。因此磨削过程与切削加工过程有共性，也有特殊性。影响磨削表面粗糙度的因素主要有以下三个方面。①砂粒刻划而造成的残留面积砂粒的刻划作用比一般切削加工复杂。在工件的一小块表面上经历许多次砂粒的切削和刻划，所以残留面积就与砂轮的粒度、弹性、砂轮的修整、砂粒的崩落、磨钝、磨粒的切削厚度等有关。②金属表而的塑性变形磨削时工件表面局部温度很高，表层可能软化甚至微熔，使粗糙度参数值增大。甚至还能造成表面层烧伤、微裂和金属组织的破坏。③工艺系统的振动对磨削表面粗糙度来说，振动是主要影响因素。振动产生的原因如砂轮不平衡、主轴的振摆、工作台的爬行等；砂轮的钝化和糊塞所引起的较大摩擦力，也会激发起自激振动。第八章机械加工表面质量第三节机械加工后表面层物理机械性能一、机械加工后表面层的冷作硬化加工表面的硬化现象是指，加工表面经切削加工后表面层出现的强度和硬度都有所提高的现象。1.加工硬化产生的原因材料发生塑性变形时，材料原本排列整齐的晶格将发生剪切、滑移、拉长、扭曲、破碎等现象。这些现象的产生增加了晶格进一步变形的抗力。宏观上就表现为硬度、强度的增加，使加工表面出现强化现象。硬度越小塑性越大的材料（如低碳钢）切削后的冷硬现象越严重。由于切削条件不同，在切削加工时表面层的加工硬化可能有以下两种情况。第八章机械加工表面质量（1）完全强化材料的晶格发生剪切、滑移、拉长、扭曲和破碎现象，同时出现纤维化组织结构，在宏观上表现为材料的硬度和强度明显增加。（2）不完全强化冷硬层中已发生剪切、滑移、扭曲、破碎的晶格是不稳定的，在热作用下原子活动力增强。一般，材料的温度达到（0.25～0.3）T熔（材料的熔点）时，金相织织会发生回复、再结晶现象。当温度超过0.4T熔时，则可产生完全的再结晶，表面层物理机械性能几乎可以完全恢复。切削加工中，往往伴随着上述两种对立的过程。一次具体的切削加工后，工件表面的强化程度是这两种对立过程综合作用的结果。使塑性变形增加、切削热减少以及热作用时间短的因素都会使加工表面强化现象加剧。第八章机械加工表面质量2.影响冷作硬化的主要因素影响冷作硬化的主要因素有刀具、切削用量和被加工材料。①刀具刀具刀尖圆弧半径和后刀面的磨损对冷作硬化的影响较为显著，当刀尖圆弧半径加大或刀具后刀面磨损严重时冷硬程度增大。刀具前角减小时，冷硬程度也有所加大。②切削用量切削速度增大时，刀具与工件作用时间短，塑性变形小，且切削温度升高，也使冷硬有所回复，所以硬化程度降低，如图所示。进给量加大时，切削力增大，塑性变形程度增加，所以冷硬程度加大，如图所示。背吃刀量对冷硬程度影响不大，但当背吃刀量过小时，刀具切削不下切屑，此时刀具变为纯粹的挤压，使冷硬程度大大增加。③被加工材料一般来说，硬度越小塑性越大的材料切削后的冷硬现象越严重。第八章机械加工表面质量第八章机械加工表面质量二、机械加工后表面层金相组织的变化—磨削烧伤机械加工中伴随着切削热使工件温度升高，加工表层温升更加显著。当温度升高到一定程度时将发生金相组织变化，从而改变加工表面原有的物理机械性能，这种现象以磨削加工最为严重也最为常见。这种磨削加工中因金相组织发生变化而导致加工表面物理机械性能下降的现象称为磨削烧伤。这里侧重介绍磨削淬火钢时的烧伤问题。1.引起磨削烧伤的原因磨轮主要起切削作用的是磨粒（砂粒），大部分磨粒带有很大的负前角，除切削作用外，对加工表面具有很大的刮擦挤压作用，因而所产生的磨削热比一般的切削热要大得多。加之磨削时大多数（约70％以上）热量传入工件。只有少部分热量通过切屑、冷却液、砂轮、气流带走。而一般切削加工只有50％以下的热量传入工件。故磨削工件表面温度要比一般切削加工时高得多。磨削工件表面温度可高达500℃～600℃，甚至700℃～800℃以上，足以使工件表面产生金相组织变化。第八章机械加工表面质量磨削烧伤有以下几种：回火烧伤如果磨削区温度达到回火温度（对淬火后未回火钢）或超过原来的回火温度（对淬火后已低温回火的钢）时，工件表层原来的马氏体组织或回火马氏体组织将产生回火现象而变为硬度较低的过回火组织。这种烧伤现象称为回火烧伤。这是一种经常发生在中等磨削时的烧伤情况。淬火烧伤当磨削区的温度超过相变临界温度时、原淬火所得到的马氏休组织将转回到奥氏体。若磨削中伴有冷却液，该奥氏体在冷却液的作用下又会完成一次淬火过程，称为二次淬火。它会使工件表面出现一层二次淬火马氏休组织，而在它的下层温度较低，冷却亦慢，则转变为过回火组