第四章機械加工表面質(zhì)量

第一頁，共四十頁，2022年，8月28日4、1加工表面質(zhì)量對使用性能的影響一、加工表面質(zhì)量的概念零件表面質(zhì)量表面粗糙度表面波度表面物理力學性能的變化表面微觀幾何形狀特征表面層冷作硬化表面層殘余應(yīng)力表面層金相組織的變化2第二頁，共四十頁，2022年，8月28日

a）波度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度與波度RZλHλRZ

1、表面的幾何形狀誤差

表面粗糙度：加工表面的微觀幾何誤差，波長與波高比值小于50。表面波度：加工表面不平度波長與波高比值在50~1000的幾何形狀誤差紋理方向：表面刀紋的方向傷痕：加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷3第三頁，共四十頁，2022年，8月28日

2、表層金屬的力學物理性能和化學性能。表面層金屬的冷作硬化表面層的殘余應(yīng)力表面層金相組織的變化4第四頁，共四十頁，2022年，8月28日二、表面質(zhì)量對零件使用性能的影響1．表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響（1）表面粗糙度對零件耐磨性的影響

表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如圖所示。5第五頁，共四十頁，2022年，8月28日表面粗糙度太大，接觸表面的實際壓強增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加劇；表面粗糙度太小，也會導致磨損加劇。因為表面太光滑，存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易造成干摩擦而加劇磨損。表面粗糙度的最佳值與機器零件的工作情況有關(guān)，載荷加大時，磨損曲線向上、向右移動，最佳表面粗糙度值也隨之右移。6第六頁，共四十頁，2022年，8月28日（2）表面層的冷作硬化對零件耐磨性的影響加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。

并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。這是因為過分的冷作硬化，將引起金屬組織過度“疏松”，在相對運動中可能會產(chǎn)生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。7第七頁，共四十頁，2022年，8月28日2．表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響（1）表面粗糙度對零件疲勞強度的影響

表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差。8第八頁，共四十頁，2022年，8月28日（2）表面層冷作硬化與殘余應(yīng)力對零件疲勞強度的影響

適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強度。殘余應(yīng)力有拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之分，殘余拉應(yīng)力容易使已加工表面產(chǎn)生裂紋并使其擴展而降低疲勞強度。

殘余壓應(yīng)力則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應(yīng)力，延緩疲勞裂紋的擴展，從而提高零件的疲勞強度。9第九頁，共四十頁，2022年，8月28日（1）表面粗糙度對零件配合精度的影響

表面粗糙度較大，則降低了配合精度。（2）表面殘余應(yīng)力對零件工作精度的影響表面層有較大的殘余應(yīng)力，就會影響它們精度的穩(wěn)定性。3.表面質(zhì)量對零件工作精度的影響10第十頁，共四十頁，2022年，8月28日4．表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性能的影響（1）表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)，凹谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。因此減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。（2）表面殘余應(yīng)力對零件耐腐蝕性能的影響零件表面殘余壓應(yīng)力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進入，可增強零件的耐腐蝕性，而表面殘余拉應(yīng)力則降低零件耐腐蝕性。表面質(zhì)量對零件使用性能還有其它方面的影響：如減小表面粗糙度可提高零件的接觸剛度、密封性和測量精度；對滑動零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損失。11第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日表面質(zhì)量對零件使用性能的影響小結(jié)：零件表面質(zhì)量粗糙度太大、太小都不耐磨適度冷硬能提高耐磨性對疲勞強度的影響對耐磨性影響對耐腐蝕性能的影響對工作精度的影響適度冷硬、殘余壓應(yīng)力能提高疲勞強度粗糙度越大、配合精度降低殘余應(yīng)力越大，加工精度降低粗糙度越大，耐腐蝕性越差壓應(yīng)力提高耐腐蝕性，拉應(yīng)力反之則降低耐腐蝕性12第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日4、2影響加工表面粗糙度的工藝因素及其改善措施一、切削加工表面粗糙度

切削加工后表面粗糙度的值主要取決于切削殘留面積的高度，影響殘留面積高度的因素有：刀尖圓弧半徑rε，主偏角kr、副偏角kr′，進給量f。如圖所示1、刀尖的幾何因素的影響13第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日.圖:理論表面粗糙度

14第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日.

如右上圖所示，由國家標準規(guī)定的表面粗糙度定義，輪廓的算術(shù)平均偏差：

陰影部分面積/測量長度同理，如右下圖所示，取測量長度為f的一段工件廓，則理論表面粗糙度為：

陰影部分面積/測量長度=15第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日.

而三角形底邊長度

即：則

而工件外圓的輪廓的算術(shù)平均偏差（理論表面粗糙度）為：

重要結(jié)論：刀具的幾何形狀影響工件的表面粗糙度。生產(chǎn)中，一般應(yīng)減小f和來提高表面粗糙度。16第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日直線刃車刀（a）圓弧刃車刀（b）切削殘留面積的高度：17第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日2、物理因素的影響（1）工件材料的影響韌性材料：工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。材料金相組織：對同樣的材料，金相組織越粗大，加工表面粗糙度大，故對中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，減小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。脆性材料：加工脆性材料時，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點，使表面粗糙。18第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日（2）切削速度的影響

加工塑性材料時，切削速度對表面粗糙度的影響隨切削速度的變化而變化（對積屑瘤和鱗刺的影響）積屑瘤和鱗刺對表面粗糙度的影響較大。鱗刺：工件表面上微小的魚鱗狀倒刺。鱗刺的生成機理：在中低速切削塑性金屬材料且較大時，刀－屑之間由于冷焊而產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，切屑在前刀面上流動時周期性地受阻而瞬時停留，切屑代替前刀面推擠切削層，造成已加工表面上出現(xiàn)拉應(yīng)力而導裂，生成鱗刺。19第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日加工塑性材料時切削速度對表面粗糙度的影響切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越?。哼x擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表面粗糙度。切削速度對脆性材料的影響不大。20第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日（3）進給量的影響

減小進給量f固然可以減小表面粗糙度值，但進給量過小，表面粗糙度會有增大的趨勢，效率降低。（4）其它因素的影響

此外，合理使用冷卻潤滑液，適當增大刀具的前角，提高刀具的刃磨質(zhì)量等，均能有效地減小表面粗糙度值。21第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日4、3影響表面層力學物理性能的工藝因素及其改進措施一.加工表面層的冷作硬化機械加工時，工件表面層金屬受到切削力的作用產(chǎn)生強烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強度和硬度增加，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強化。1、定義22第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日2、影響表面冷作硬化的因素

以切削加工為例：⑴切削用量影響

f↑→切削力↑→塑變↑→冷硬↑切削速度影響復(fù)雜：（力與熱綜合作用結(jié)果）

f和v對冷硬的影響硬度(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：切削速度v↑→塑變↓→冷硬↓

另一方面：切削熱作用時間短，使冷硬程度有所增加

切削深度影響不大

23第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日00.20.40.60.81.0磨損寬度VB(mm)100180260340硬度(HV)50鋼，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)刀具后刀面磨損對冷硬影響⑶工件材料

材料塑性↑，冷硬傾向↑⑵刀具幾何形狀的影響

切削刃鈍圓半徑rε↑，冷硬程度↑（其他幾何參數(shù)影響不明顯）刀具磨損影響顯著（力和熱互相作用）24第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日二表層金屬的金相組織的變化

1.表面層金相組織變化與磨削燒傷的產(chǎn)生

切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加工區(qū)及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生了一定的溫升。產(chǎn)生磨削燒傷現(xiàn)象。

磨削燒傷：磨削加工時，表面層有很高的溫度，當溫度達到相變臨界點時，表層金屬就發(fā)生金相組織變化，強度和硬度降低、產(chǎn)生殘余應(yīng)力、甚至出現(xiàn)微觀裂紋。同時出現(xiàn)彩色氧化膜這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。淬火鋼在磨削時，由于磨削條件不同，產(chǎn)生的磨削燒傷有三種形式。25第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日2.磨削燒傷的三種形式

淬火燒傷：磨削時工件表面溫度超過相變臨界溫度（碳鋼為720）時，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在冷卻液作用下，工件最外層金屬會出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織。其硬度比原來的回火馬氏體高，但很薄，其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體。由于二次淬火層極薄，表面層總的硬度是降低的，這種現(xiàn)象稱為淬火燒傷。26第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日回火燒傷

磨削時，如果工件表面層溫度只是超過原來的回火溫度，則表層原來的回火馬氏體組織將產(chǎn)生回火現(xiàn)象而轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^低的回火組織（索氏體或屈氏體），這種現(xiàn)象稱為回火燒傷退火燒傷磨削時，當工件表面層溫度超過相變臨界溫度時，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。若此時無冷卻液，表層金屬空氣冷卻比較緩慢而形成退火組織。硬度和強度均大幅度下降。這種現(xiàn)象稱為退火燒傷。27第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日3.影響磨削燒傷的因素及改善途徑1）砂輪與工件材料（1)磨削時，砂輪表面上磨粒的切削刃口鋒利↑→磨削力↓→磨削區(qū)的溫度↓（2)磨削導熱性差的材料(耐熱鋼、軸承鋼、不銹鋼)↓→磨削燒傷↑（3)應(yīng)合理選擇砂輪的硬度、結(jié)合劑和組織→磨削燒傷↓28第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日2）磨削用量（1）砂輪轉(zhuǎn)速↑→

磨削燒傷↑（2）徑向進給量ap↑→

磨削燒傷↑（3）

軸向進給量fa↑→磨削燒傷↓（4）工件速度vw↑→磨削燒傷↓3）改善冷卻條件采用內(nèi)冷卻法→磨削燒傷↓

內(nèi)冷卻裝置

1－錐形蓋2－通道孔3—中心孔4－有徑向小孔的薄壁套29第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日三、表層金屬的殘余應(yīng)力

機械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產(chǎn)生互相平衡的彈性力。這種應(yīng)力即為表面層的殘余應(yīng)力。1、表面層金屬產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因工件表面受到擠壓與摩擦，表層產(chǎn)生伸長塑性變形，基體仍處于彈性變形狀態(tài)。切削后，表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而在里層產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。1）冷態(tài)塑性變形30第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日2）熱態(tài)塑性變形表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力切削熱在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的示意圖31第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日

工件表面在切削熱的作用下，產(chǎn)生熱膨脹，此時基體溫度較低，因此表面層熱膨脹受基體的限制產(chǎn)生壓應(yīng)力；當表面層的熱膨脹程度超過材料的彈性變形范圍時，會產(chǎn)生熱塑性變形。當切削結(jié)束，表層溫度下降到與基體溫度一致時，因為表面層已產(chǎn)生熱塑性變形而不能彈性恢復(fù)，表面層收縮時受彈性變形基體的限制產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生壓應(yīng)力。32第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日3）表面層金相組織變化磨削淬火鋼時，工件表層金屬溫度極高，表層金屬出現(xiàn)回火或退火，工件表層金屬的金相組織發(fā)生變化（馬氏體向奧氏體或回火馬氏體轉(zhuǎn)化），相變的金屬體積收縮，但受到未相變的內(nèi)層金屬的牽制，故工件表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。33第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日

2、由于刀具鈍圓刃切削時的金屬塑性變形所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的機理。

如上右圖所示，具有鈍圓刃的刀具切削工件時，有一厚度為Δ的薄層金屬無法被鈍圓刃切離工件而被強烈擠壓成為已加工表面。34第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日

機理：工件已加工表面的表層金屬受刀具鈍圓刃的強烈擠壓和摩擦，產(chǎn)生嚴重塑性變形而不能彈性恢復(fù)，當內(nèi)