保证机器的使用性能和延长使用寿命，需提高机器零 件的耐磨性、疲劳强度、抗蚀性、密封性、接触刚度等性 能，主要取决于零件的表面质量。机械加工表面质量是机械零件加工质量的一个重要指 标。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。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从理论上作出解释，提出提 高机械加工表面质量的途径。本章提要8.1.1表面质量的含义表面质量是指机器零件加工后表面层的状态。有 两部分：表面层的几何形状 表面粗糙度：是指表面微观几何形状误差，其波高与波长的比 值在L1/H140的范围内。表面波度：是介于加工精度（宏观几何形状误差L3/H31000 ）和表面粗糙度之间的一种带有周期性的几何形状误 差，其波高与波长的比值在40L2/H21000的范围。机械加工后的表面质量图8.1 表面几何形状机械加工后的表面质量表面层的物理机械性能表面层冷作硬化（简称冷硬）：零件在机械加工中表面层金属产生强烈的冷态塑 性变形后，引起的强度和硬度都有所提高的现象。表面层金相组织的变化：由于切削热引起工件表面温升过高，表面层金属 发生金相组织变化的现象。表面层残余应力：由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件 表面层产生残余应力。机械加工后的表面质量8.1.2表面质量对零件使用性能的影响对零件耐磨性的影响 在摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件已经确 定的情况下，零件的表面质量对耐磨性能起决定零件的表面质量对耐磨性能起决定 性的作用。性的作用。两个表面粗糙度值很大的零件接触，最初接触的 只是一些凸峰顶部，实际接触面积比名义接触面积小 得多，这样单位接触面积上的压力就很大，当压力超 过材料的屈服极限时，凸峰部分产生塑性变形；当两 个零件作相对运动时，就会产生剪切、凸峰断裂或塑 性滑移，初期磨损速度很快。 机械加工后的表面质量图8.2 表面粗糙度与初期磨损量关系曲线存在最佳点，对应零件最耐磨的粗糙度 ，此时零件的初期磨损量最小。若载荷加重或润 滑条件恶化，磨损曲线将向上向右移动，最佳粗 糙度值也随之右移。在表面粗糙度大于最佳值时，减小表面粗糙度 值可减少初期磨损量。但当表面粗糙度小于最佳值时，零件实际接 触面积就增大，接触面积之间的润滑油被挤出， 金属表面直接接触，因金属分子间的亲和力而发 生粘结（称为冷焊），随着相对运动的进行，粘 结处在剪切力的作用下发生撕裂破坏。有时还由 于摩擦产生的高温，使摩擦面局部熔化（称为热 焊）等原因，使接触表面遭到破坏，初期磨损量 反而急剧增加。一对摩擦副在一定的工作条件下通常有一最佳粗糙度值，在确定机器零一对摩擦副在一定的工作条件下通常有一最佳粗糙度值，在确定机器零 件的技术条件时应该根据零件工作的情况及有关经验，规定合理的粗糙度。件的技术条件时应该根据零件工作的情况及有关经验，规定合理的粗糙度。机械加工后的表面质量表面层的冷硬可显著地减少零件的磨损。原因：冷硬提高了表面接触点处的屈服强度，减少了进 一步塑性变形的可能性，并减少了摩擦表面金属的冷 焊现象。但如果表面硬化过度，零件心部和表面层硬度差 过大，会发生表面层剥落现象，使磨损加剧。表面层产生金相组织变化时，由于改变了基体材 料原来的硬度，因而也直接影响其耐磨性。机械加工后的表面质量对零件疲劳强度的影响 在周期性的交变载荷作用下，零件表面微观不平 与表面的缺陷一样都会产生应力集中现象，而且表面 粗糙度值越大，即凹陷越深和越尖，应力集中越严重 ，越容易形成和扩展疲劳裂纹而造成零件的疲劳损坏 。加工纹路方向对疲劳强度的影响更大，如果刀痕 与受力方向垂直，则疲劳强度将显著降低。机械加工后的表面质量对零件疲劳强度的影响 零件表面的冷硬层能够阻碍裂纹的扩大和新裂纹 的出现，因为由摩擦学可知疲劳源的位置在冷硬层的 中部，因此冷硬可以提高零件的疲劳强度。但冷硬层 过深或过硬则容易产生裂纹，反而会降低疲劳强度。 所以冷硬要适当。表面层的内应力对疲劳强度的影响很大。表面层 残余的压应力能够部分地抵消工作载荷施加的拉压力 ，延缓疲劳裂纹扩展。而残余拉应力容易使已加工表 面产生裂纹而降低疲劳强度。带有不同残余应力表面 层的零件，其疲劳寿命可相差数倍至数十倍。机械加工后的表面质量对零件抗腐蚀性能的影响 零件表面粗糙度值越大，潮湿空气和腐蚀介质越 容易堆积在零件表面凹处而发生化学腐蚀，或在凸峰 间产生电化学作用而引起电化学腐蚀，故抗腐蚀性能 越差。表面冷硬和金相组织变化都会产生内应力。零件 在应力状态下工作时，会产生应力腐蚀，若有裂纹， 则更增加了应力腐蚀的敏感性。因此表面内应力会降 低零件的抗腐蚀性能。机械加工后的表面质量对零件的其它影响表面质量对零件的配合质量、密封性能及摩擦系 数都有很大的影响。表面粗糙度值越大，初期磨损量 越大，对动配合来说，使用不久就会使配合性质发生 变化；对静配合来说，压装时会减少过盈量，降低配 合强度。机械加工后的表面质量8.2 切削加工后的表面粗糙度切削加工时表面粗糙度的形成，大致可归纳为 三方面的原因：几何因素物理因素工艺系统的振动机械加工后的表面粗糙度几何因素 由刀具相对于工件作进给运动时在加工表面上遗 留下来的切削层残留面积。机械加工后的表面粗糙度物理因素 由图知，实际粗糙度与理论粗糙度差别较大。主要是与被加工材料的性能及切削机理有关的物理 因素的影响。切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工 件挤压与摩擦而产生塑性变形。韧性越好的材料塑性变 形越大，且容易出现积屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶化 。还有切削用量、冷却润滑液和刀具材料等因素影响 。 图8.6 塑性材料加工后表面的实际轮廓和理论轮廓机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度影响因素可归纳为三方面：与磨削过程和砂轮结构有关的几何因 素与磨削过程和被加工材料塑性变形有 关的物理因素工艺系统的振动因素机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度从几何因素看，砂轮上磨粒的微刃形状和分布对于磨 削后的表面粗糙度是有影响的。磨削表面是由砂轮上大量 的磨粒刻划出无数极细的构槽形成的，每单位面积上刻痕 越多，即通过每单位面积的磨粒数越多，以及刻痕的等高 性能好，粗糙度也就越低。机械加工后的表面粗糙度为了降低表面粗糙度值，应考虑以下主要影响因素：砂轮的粒度砂轮的粒度愈细，则砂轮单位面积上的磨粒数愈多 ，在工件上的刻痕也愈密而细，所以粗糙度值愈低。砂轮的修整砂轮的修整质量越高 ，砂轮工作表面上的等高 微刃（图8.7）就越多，因 而磨出的工件表面粗糙度 值也就愈低。图8.7 磨粒上的微刃机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度砂轮速度提高砂轮速度可以增加单位时间内工件单位面积上的 刻痕数，同时塑性变形造成的隆起量随着砂轮速度的增大 而下降，原因是高速下塑性变形的传播速度小于磨削速度 ，材料来不及变形，因而粗糙度可以显著降低。工件速度工件速度越大，单个磨粒的磨削厚度就越大，单位时 间内磨削工件表面的磨粒数减少，表面粗糙度值增大。机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度径向进给量增大磨削径向进给量将增加塑性变形的程度从而增大 粗糙度。通常在磨削过程开始时采用较大的径向进给量， 以提高生产率，而在最后采用小径向进给量或无径向进给 量磨削，以降低粗糙度值。轴向进给量磨削时采用较小的轴向进给量，则磨削后表面粗糙度 较低。机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度另外，引起磨削表面粗糙度增大的主要原因还往往是工艺系统的振动所致。增加工艺系统刚度和阻尼，做好砂轮的动平衡以及合理地修整砂轮可显著降低粗糙度。机械加工后的表面粗糙度8.3 机械加工后表面层的冷作硬化 切削或磨削加工时，表面层金属由于塑性变形使晶体 间产生剪切滑移，晶格发生拉长、扭曲和破碎而得到强化 。冷作硬化的特点：变形抵抗力（强度硬度）提高（屈服点提高），塑性 降低（相对延伸率降低）。冷作硬化产生的原因 机械加工后的表面层物理机械性能表面层冷作硬化的程度决定于产生塑 性变形的力、变形速度及变形时的温度。力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形 后金相组织的恢复程度。 冷作硬化产生的原因 机械加工后的表面层物理机械性能切削加工时表面层的硬化可能有两种情况：完全强化此时出现晶格歪扭以及纤维结构和变形层物理机械性 质的改变；不完全强化若温度超过（0.250.30）T熔（熔化绝对温度），则 除了强化现象外，同时还有回复现象，此时歪扭的晶格局 部得到恢复，减低了冷硬作用；如果温度超过0.30T熔就 会发生金属再结晶，此时由于强化而改变了的表面层物理 机械性能几乎可以完全恢复。冷作硬化产生的原因 机械加工后的表面层物理机械性能刀具刀具的切削刃口圆角和后刀面的磨损量对于冷硬 层有很大的影响，此两值增大时，冷硬层深度和硬度 也随之增大。前角减少时，冷硬也增大。被加工材料被加工材料硬度愈低、塑性愈大，切削后的冷硬 现象愈严重。切削用量影响冷作硬化的主要因素 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后表面层金相组织的变化 磨削加工时切削力比其它加工方法大数十倍，切削速 度也非常高，所以功率消耗远远大于其它切削方法。由于砂轮导热性差、切屑数量少，磨削过程中能量转 化的热大部分都传给了工件。磨削时，在很短的时间内磨 削区温度可上升到4001000C，甚至更高。这样大的加热速度，促使加工表面局部形成瞬时热聚 集现象，有很高温升和很大的温度梯度，出现金相组织的 变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引起裂纹， 这就是磨削烧伤现象磨削烧伤现象。金相组织变化的原因 机械加工后的表面层物理机械性能磨削淬火钢时，由于磨削烧伤，工件表面产生氧化膜 并呈现出黄、褐、紫、青、灰等不同颜色，相当于钢的回 火色。不同的烧伤色表示受到不同温度的作用与产生不同的 烧伤深度。有时表面虽看不出变色，但并不等于表面未受 热损伤。例如在磨削过程中由于采用过大的磨削用量，造成了 很深的烧伤层，以后的无进给磨削中磨去了表面的烧伤色 ，而未能除去烧伤层，则留在工件上的烧伤层就会成为使 用中的隐患。金相组织变化的原因 机械加工后的表面层物理机械性能磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种： 回火烧伤 淬火烧伤 退火烧伤金相组织变化的原因 机械加工后的表面层物理机械性能影响磨削加工时金相组织变化的因素有:工件材料（高合金钢，淬火钢易相变）工件材料（高合金钢，淬火钢易相变）磨削温度、温度梯度、冷却速度等磨削温度、温度梯度、冷却速度等。影响磨削加工时金相组织变化的因素 机械加工后表面层的残余应力 在机械加工中，工件表面层金属相对基体金属发生形 状、体积的变化或金相组织变化时，工件表面层中将残留 相互平衡的残余应力。产生表面层残余应力的原因：冷态塑性变形机械加工时，表层金属产生强烈的塑性变形。沿切削 速度方向表面产生拉伸变形，晶粒被拉长，金属密度会下 降，即比容增大，而里层材料则阻碍这种变形，因而在表 面层产生残余压应力，在里层则产生残余拉应力。残余应力产生的原因 机械加工后的表面层物理机械性能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。金相组织变化切削时产生的高温会引起表面的相变。由于不同的金相组织有不同的比容，表面层金相变化 的结果将造成体积的变化。表面层体积膨胀时，因为受到基体的限制，产生了压 应力；反之产生拉应力。残余应力产生的原因 机械加工后的表面层物理机械性能实际机械加工后的表面层残余应力及其分布，是上述 三方面因素综合作用的结果，在一定条件下，其中某一或 二种因素可能起主导作用。例如：切削时切削热不多则以冷态塑性变形为主，若 切削热多则以热态塑性变形为主。磨削时表面层残余应力 岁磨削条件不同而不同，图8.11所示为三类磨削条件下产 生的表面层残余应力。轻磨削条件产生浅而小的残余压应 力，因为此时没有金相组