任何机械加工所得到的零件表面实际上都不是完全理想的表面，实践表明，机械零件的破坏一般总是从表面层开始的。这说明零件的表面质量是至关重要的它对产品的质量有很大影响。 研究加工表面质量的目的，就是要掌握机械加工的各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，以便应用这些规律控制加工过程最终达到提高加工表面质量、提高产品使用性能的目的。第四章第四章 机械加工表面质量机械加工表面质量 14 4、1 1 加工表面质量对使用性能的影响加工表面质量对使用性能的影响加工表面质量对使用性能的影响加工表面质量对使用性能的影响 一、加工表面质量的概念一、加工表面质量的概念一、加工表面质量的概念一、加工表面质量的概念零件表面质量零件表面质量表面粗糙度表面粗糙度表面波度表面波度表面物理力学表面物理力学性能的变化性能的变化表面微观几何表面微观几何形状特征形状特征表面层冷作硬化表面层冷作硬化表面层残余应力表面层残余应力表面层金相组织的变化表面层金相组织的变化2 a）波度 b）表面粗糙度 零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ 1 1、表面的几何形状误差、表面的几何形状误差、表面的几何形状误差、表面的几何形状误差表面粗糙度：加工表面的微观几何误差，波长与波高比值小于50。表面波度：加工表面不平度波长与波高比值在501000的几何形状误差纹理方向：表面刀纹的方向伤痕：加工表面个别位置出现的缺陷3 2 2、表层金属的力学物理性能和化学性能。、表层金属的力学物理性能和化学性能。、表层金属的力学物理性能和化学性能。、表层金属的力学物理性能和化学性能。表面层金属的冷作硬化表面层金属的冷作硬化表面层的残余应力表面层的残余应力表面层金相组织的变化表面层金相组织的变化4二、表面质量对零件使用性能的影响二、表面质量对零件使用性能的影响1 1表面质量对零件耐磨性的影响表面质量对零件耐磨性的影响表面质量对零件耐磨性的影响表面质量对零件耐磨性的影响（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响）表面粗糙度对零件耐磨性的影响 v 表面粗糙度太大和太小都不耐磨表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如图所示。如图所示。5v表面粗糙度太大表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的，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，凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧故磨损加剧；v表面粗糙度太小表面粗糙度太小，也会导致，也会导致磨损加剧磨损加剧。因为表面太光滑，。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易造成干摩擦造成干摩擦而而加剧磨损。加剧磨损。v表面粗糙度的最佳值表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加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。右移。6（2 2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响v 加工表面的加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因。因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，为它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。减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。v 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松疏松”，在相对运，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。零件加速磨损。72 2表面质量对零件疲劳强度的影响表面质量对零件疲劳强度的影响（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 v 表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。v 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。v 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，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。893.3.表面质量对零件工作精度的影响表面质量对零件工作精度的影响104 4表面质量对零件耐腐蚀性能的影响表面质量对零件耐腐蚀性能的影响表面质量对零件耐腐蚀性能的影响表面质量对零件耐腐蚀性能的影响（1）表面粗糙度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）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 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。 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。11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的影响小结小结：零件表面质量零件表面质量粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度太大、太小都不耐磨适度冷硬能提高耐磨性适度冷硬能提高耐磨性对疲劳强度的对疲劳强度的影响影响对耐磨性影响对耐磨性影响对耐腐蚀性能对耐腐蚀性能的影响的影响对工作精度的对工作精度的影响影响适度冷硬、残余压应力能提高疲劳适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度强度粗糙度越大、配合精度降低粗糙度越大、配合精度降低残余应力越大，加工精度降低残余应力越大，加工精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性则降低耐腐蚀性124 4、2 2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施一、切削加工表面粗糙度一、切削加工表面粗糙度 切削加工后表面粗糙度的值主要取决于切削残留面积的高度，影响残留面积高度的因素有：刀尖圆弧半径r，主偏角kr、副偏角kr，进给量f。如图所示1 1、刀尖的几何因素的影响、刀尖的几何因素的影响13.图: 理论表面粗糙度 14.如右上图所示，由国家标准规定的如右上图所示，由国家标准规定的表面粗糙度定义表面粗糙度定义，轮廓的算术平均偏差：轮廓的算术平均偏差： 阴影部分面积阴影部分面积 / 测量长度测量长度同理，如右下图所示，取测量长度为同理，如右下图所示，取测量长度为f的一段工件廓，则的一段工件廓，则理论表面粗糙度为：理论表面粗糙度为： 阴影部分面积阴影部分面积 / 测量长度测量长度=15.而三角形底边长度而三角形底边长度 即：即： 则则 而而工件外圆的轮廓的算术平均偏差（理论表面粗糙工件外圆的轮廓的算术平均偏差（理论表面粗糙度）为：度）为： 重要结论：刀具的几何形状影响工件的重要结论：刀具的几何形状影响工件的表面粗糙度。生产中，一般应减小表面粗糙度。生产中，一般应减小 f 和和 来提高表面粗糙度。来提高表面粗糙度。16直线刃车刀（直线刃车刀（a a）圆弧刃车刀（圆弧刃车刀（b b）切削残留面积的高度：172 2、物理因素的影响、物理因素的影响（1）工件材料的影响）工件材料的影响v韧性材料：韧性材料： 工件材料工件材料韧性愈好韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙愈粗糙。v材料金相组织：材料金相组织： 对同样的材料，对同样的材料，金相组织越粗大，加工表面粗糙度大金相组织越粗大，加工表面粗糙度大，故，故对中对中碳钢和低碳钢材料的工件碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在在粗加工或精加工前安排正火或调质处理粗加工或精加工前安排正火或调质处理。v 脆性材料：脆性材料： 加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，工表面留下许多麻点，使表面粗糙使表面粗糙。18（2 2）切削速度的影响）切削速度的影响 加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响随切加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响随切削速度的变化而变化（对积屑瘤和鳞刺的影响）削速度的变化而变化（对积屑瘤和鳞刺的影响）积屑瘤和鳞刺对表面粗糙度的影响较大。积屑瘤和鳞刺对表面粗糙度的影响较大。鳞刺鳞刺：工件表面上微小的鱼鳞状倒刺。：工件表面上微小的鱼鳞状倒刺。19加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小：切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小：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。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。切削速度对脆性材料的影响不大。切削速度对脆性材料的影响不大。20（3 3）进给量的影响）进给量的影响 减小进给量减小进给量 f 固然可以减小表面粗糙度值，但进给固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势，效率量过小，表面粗糙度会有增大的趋势，效率降低。（4 4）其它因素的影响）其它因素的影响 此外，合理使用此外，合理使用冷却润滑液冷却润滑液，适当，适当增大增大刀具的刀具的前角前角，提，提高刀具的高刀具的刃磨质量刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。等，均能有效地减小表面粗糙度值。214、3 影响表面层力学物理性能的工艺因影响表面层力学物理性能的工艺因素及其改进措施素及其改进措施一一一一. . 加工表面层的冷作硬化加工表面层的冷作硬化加工表面层的冷作硬化加工表面层的冷作硬化 机械加工时，机械加工时，工件表面层金属工件表面层金属受到切削力的作用受到切削力的作用产产生强烈的塑性变形生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，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，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和从而使表面层的强度和硬度增加硬度增加，这种现象，这种现象称为加工硬化称为加工硬化，又称冷作硬化和强，又称冷作硬化和强化。化。1 1、定义定义222、影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作硬化的因素 以切削加工为例：以切削加工为例： 切削用量影响切削用量影响 ff切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬 切切削削速速度度影影响响复复杂杂：（力力与与热热综合作用结果综合作用结果） f 和 v 对冷硬的影响硬度(HV)0f (mm /r)0.20.40.60.8v =170(m/min)135(m/min)100(m/min )50(m/min)100200300400工件材料：45 一方面：一方面：切削速度切削速度v塑变塑变 冷硬冷硬 另一方面：另一方面：切削热作用时间短，切削热作用时间短，使冷硬程度有所增加使冷硬程度有所增加 切削深度影响不大切削深度影响不大 2300.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z)刀具后刀面磨损对冷硬影响 工件材料工件材料 材料塑性材料塑性 ，冷硬倾向，冷硬倾向 刀具几何形状的影响刀具几何形状的影响 切削刃钝圆半径切削刃钝圆半径r r ，冷硬程度，冷硬程度 （其他几（其他几 何参数影响不明显）何参数影响不明显）刀具磨损影响显著刀具磨损影响显著（力和热互相作用）（力和热互相作用）24二二 表层金属的金相组织的变化表层金属的金相组织的变化 1.1.表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生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。产生磨削烧伤现象。 磨削烧伤：磨削烧伤： 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。同时出现彩色氧化膜这种现象称为磨削烧伤。 淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤有三种形式。252. 2. 磨削烧伤的三种形式磨削烧伤的三种形式 淬火烧伤：淬火烧伤： 磨削时工件表面温度超过相变临界温度（碳钢为720）时，则马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。26回火烧伤回火烧伤 磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种现象称为回火烧伤退火烧伤退火烧伤 磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金属空气冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。273.3.影响磨削烧伤的因素及改善途径影响磨削烧伤的因素及改善途径1）砂轮与工件材料）砂轮与工件材料（1)磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利磨削力磨削区的温度（2)磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承钢、不锈钢)磨削烧伤（3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织磨削烧伤282 2）磨削用量）磨削用量（1）砂轮转速 磨削烧伤（2）径向进给量ap 磨削烧伤（3）轴向进给量fa磨削烧伤（4）工件速度vw磨削烧伤3）改善冷却条件）改善冷却条件采用内冷却法磨削烧伤 内冷却装置内冷却装置 1锥形盖锥形盖 2通道孔通道孔 3中心孔中心孔 4有径向小孔的薄壁套有径向小孔的薄壁套29三三 、 表层金属的残余应力表层金属的残余应力 机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。1、表面层金属产生残余应力的原因、表面层金属产生残余应力的原因 工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑性变形，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。1 1） 冷态塑性变形冷态塑性变形302 2）热态塑性变形）热态塑性变形表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力产生产生残余压应力切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图31 工件表面在切削热的作用下，产生热膨胀，此时基体温度较低，因此表面层热膨胀受基体的限制产生压压应应力；力； 当表面层的热膨胀程度超过材料的弹性变形范围时，会产生热塑性变形。当切削结束，表层温度下降到与基体温度一致时，因为表面层已产生热塑性变形而不能弹性恢复，表面层收缩时受弹性变形基体的限制产生了残余拉应力，里层产生压应力。323） 表面层金相组织变化表面层金相组织变化 磨削淬火钢时，工件表层金属温度极高，表层金属出磨削淬火钢时，工件表层金属温度极高，表层金属出现回火或退火，工件表层金属的金相组织发生变化（马氏现回火或退火，工件表层金属的金相组织发生变化（马氏体向奥氏体或回火马氏体转化），体向奥氏体或回火马氏体转化），相变的金属体积收缩，相变的金属体积收缩，但受到未相变的内层金属的牵制但受到未相变的内层金属的牵制，故工件表面，故工件表面产生残余拉产生残余拉应力。应力。 33 2 2、由于刀具钝圆刃切削时的金属塑性变形所产由于刀具钝圆刃切削时的金属塑性变形所产生的残余应力的机理。生的残余应力的机理。 如上右图所示，具有钝圆刃的刀具切削工件时，有一厚如上右图所示，具有钝圆刃的刀具切削工件时，有一厚度为度为的薄层金属无法被钝圆刃切离工件而被强烈挤压成为的薄层金属无法被钝圆刃切离工件而被强烈挤压成为已加工表面。已加工表面。34 机理：机理：工件已加工表面的表层金属受刀具工件已加工表面的表层金属受刀具钝圆刃的强烈挤压和摩擦，钝圆刃的强烈挤压和摩擦， 产生严重塑性变产生严重塑性变形而不能弹性恢复，当内层金属弹性恢复时形而不能弹性恢复，当内层金属弹性恢复时受到表层金属的牵制，故工件表层金属产生受到表层金属的牵制，故工件表层金属产生产生残余拉应力。产生残余拉应力。 35四、表面强化工艺四、表面强化工艺 表面强化工艺是指通过冷压加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生残余压应力的表面强化工艺。 常见的冷压加工方法有：喷丸强化，滚压加工等，36 利利用用大大量量快快速速运运动动珠珠丸丸打打击击工工件件表表面面, , 使使工工件件表表面面产产生生冷冷硬层和压应力硬层和压应力, , 疲劳强度疲劳强度 1 1、喷丸强化、喷丸强化 用用于于强强化化形形状状复复杂杂或或不不宜宜用用其其它它方方法法强强化化的的工工件件，例例如如板板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等珠丸挤压引起残余应力 压缩拉伸塑性变形区域珠丸可以是铸铁的，也可以是珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用一段时间切成小段的钢丝（使用一段时间后，自然变成球状）。对于铝质后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表面残留铁质微粒工件，为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。珠丸的直径一般为玻璃丸。珠丸的直径一般为0.24mm，对于尺寸较小、表面，对于尺寸较小、表面粗糙度值较小的工件，采用直径粗糙度值较小的工件，采用直径较小的珠丸较小的珠丸37382 2、滚压加工、滚压加工 利利用用淬淬硬硬和和精精细细研研磨磨过过的的滚滚轮轮或或滚滚珠珠，在在常常温温状状态态挤挤压压金金属属表表面面，将将凸凸起起部部分分下下压压下下，凹凹下下部部分分上上凸凸，修修正正工工件件表表面面的微观几何形状的微观几何形状, ,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度。形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度。滚滚压压加加工工可可以以加加工工外外圆圆、孔孔、平平面面及及成成型型表表面面，通通常常在在普普通通车床、转塔车床或自动车床上进行车床、转塔车床或自动车床上进行滚压加工原理图3940