第八章 机械加工表面质量
本章主要介绍以下内容：
1．机械加工后的表面质量 2．机械加工后的表面粗糙度 3．控制加工表面质量的工艺途径
课时分配：1、2、 3，各一学时
重点、难点：机械加工后的表面粗糙度
为了保证机器的使用性能和延长使用寿命，就要提高机器零件的耐磨性、疲劳强度、抗蚀性、密封性、接触刚度等性能，而机器的性能主要取决于零件的表面质量。
机械加工表面质量与机械加工精度一样，是机器零件加工质量的一个重要指标。机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。经过机械加工的零件表面总是存在一定程度的微观不平、冷作硬化、残余应力及金相组织的变化，虽然只产生在很薄的表面层，但对零件的使用性能的影响是很大的。
本章旨在研究零件表面层在加工中的变化和发生变化的机理，掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响规律，运用这些规律来控制加工中的各种影响因素，以满足表面质量的要求。
本章主要讨论机械加工表面质量的含义、表面质量对使用性能的影响、表面质量产生的机理等。对生产现场中发生的表面质量问题，如受力变形、磨削烧伤、裂纹和振纹等问题从理论上作出解释，提出提高机械加工表面质量的途径。 8.1机械加工后的表面质量
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、 基本概念（见P216）
（一） 加工表面的几何形状误差
1、 表面粗糙度：是加工表面的微观几何形状误差，其波长与波高的比值一般小于50。 2、 表面波度：加工表面不平度中，波长与波高的比值等于50---1000的几何形状误差称为波度。
3、 伤痕：是加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。例如：砂眼、气孔、裂痕等。 （二） 表面层的物理及机械性能
1、 表面层的加工硬化：机械加工过程中，使表面层金属的硬度有所提高的现象。一般情况
下表面硬化层的深度可达0.05---0.30mm。
评定冷作硬化的指标有如下三项： （1） 表层金属的显微硬度H； （2） 硬化层深度h； （3） 硬化程度△H，其按下式计算： △H=（H-H0）/H0 % 式中：H 0 为工件内部金属原来的硬度。
2、 表面层金属的金相组织的变化：机械加工过程中，由于切削热的作用引起表面层金属的金相组织发生变化。
3、 表面层金属的残余应力：已前已经介绍，在此不重复。 二、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（见P217） 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（见P217）
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
残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。
（三)表面质量对耐蚀性的影响（见P218）
零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多。抗蚀性就愈差。
表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。
（四）表面质量对配合质量的影响
表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量。对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质。对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度。 8.2机械加工后的表面粗糙度
一、切削加工影响表面粗糙度的因素（见P218）
切削加工时影响表面粗糙度的因素有三个方面：几何因素、物理因素和工艺系统振动。 1.刀具几何形状的复映
刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状时刀具几何形状的复映。减小进给量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度。
此外，适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度，合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小表面粗糙度值的有效措施。 2.工件材料的性质
加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。
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。 3.切削用量
二、磨削加工影响表面粗糙度的因素（见P219）
正像切削加工时表面粗糙度的形成过程一样，磨削加工表面粗糙度的形成也时由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。
影响磨削表面粗糙度的主要因素有：
1.砂轮的粒度
砂轮粒度：主要是表明磨粒的尺寸大小，粒度号数越大，磨粒的尺寸越小，其值见下表。
砂轮粒度 磨粒的尺寸范围 磨粒间的平均距离 （μm） （μm） 36# 46# 60# 80# 500～600 0.475 355～425 0.369 250～300 0.255 180～212 0.228 砂轮的粒度号数越大，磨粒的尺寸越小，参加磨削的磨粒就越多，磨削出的表面就越光滑。
2.砂轮的硬度
3.砂轮的修整：修整质量越高，磨削出的表面就越光滑。 4.磨削速度
砂轮磨削速度v越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数就越多，工件表面就越光滑。
注：磨削加工中，工件的速度越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数将减少，反而会使表面粗糙度值增加。 5.磨削径向进给量与光磨次数
6.工件圆周进给速度与轴向进给量 ： 7.冷却润滑液
8.3机械加工后的表面层物理机械性能
在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大。
一、表面层冷作硬化（见P219） 1.冷作硬化及其评定参数
机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化（或称为强化）。
表面层金属强化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化。
被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态，只有一有可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化。
弱化作用的大小取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。由于金属在机械加工过程中同时受到力和热的作用，因此，加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。
评定冷作硬化的指标有三项，即表层金属的显微硬度HV、硬化层深度h和硬化程度N。
2.影响冷作硬化的主要因素（见P220）
①刀具
1） 切削刃钝圆半径的影响： 切削刃钝圆半径↑----径向切削分力↑----表层金属的塑性变形程度↑----导致冷硬↑
2） 前角γ0的影响： 前角γ0在±20°范围内，对表层金属的冷硬没有显著影响。在此范围以外，则 前角γ0↑----塑性变形↓----冷硬↓ 3） 其它角度：对冷硬影响较小。
②切削用量
1） 切削速度v的影响：切削速度v越大，刀具与工件的作用时间缩短，金属的塑性变形就越小，因而可使加工表面层的硬化程度和深度降低。
2） 进给量f的影响：
a、进给量f超过一定值时，加大进给量，切削力将随之增大，表层金属的塑性变形加剧，使冷硬程度增加。
b、进给量f过小，切削厚度也小，刀刃圆弧对工件表面层将产生挤压，反而使表面层硬化程度增大。
③工件材料——工件材料的塑性愈大，冷硬现象就愈严重。