第三节机械加工表面质量1

一、 概 述零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且 包括加工表面质量。机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面， 它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。 虽然只有极薄的一层(几微米~几十微米),但都错综复 杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀 性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此 必须加以足够的重视。

表面质量的含义(内容)

表面粗糙度 表面微观几何 形状特征 表面波度

零件表面质量表面物理力学 性能的变化表面层冷作硬化 表面层残余应力

表面层金相组织的变化

二、表面质量对零件使用性能的影响1.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 表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如图4-38所示。 表面粗糙度太大，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，故磨损加剧； 表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑， 存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘 结而加剧磨损。 表面粗糙度的最佳值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 随之右移。

图4-38

表面粗糙度与初期磨损量的关系

(2)表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响 加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨 性。因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。 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是 因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏 松”,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，使零件加速磨损。

2.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表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。

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。 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。

(2)表面层冷作硬化与残余应力对零件疲 劳强度的影响 适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。 残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度

残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。

3.表面质量对零件工作精度的影响(1

)表面粗糙度对零件配合精度的影响

表面粗糙度较大，则降低了配合精度。(2)表面残余应力对零件工作精度的影响

表面层有较大的残余应力，就会影响它 们精度的稳定性。

4.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。

表面质量对零件使用性能的影响粗糙度太大、太小都不耐磨 对耐磨性影响 适度冷硬能提高耐磨性 粗糙度越大，疲劳强度越差

零件表面质量

对疲劳强度的 影响

适度冷硬、残余压应力能提高疲 劳强度

对工作精度的 影响

粗糙度越大、工作精度降低残余应力越大，工作精度降低 粗糙度越大，耐腐蚀性越差 压应力提高耐腐蚀性，拉应力反 之则降低耐腐蚀性

对耐腐蚀性能 的影响

三、 影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几 何因素和物理力学因素两个方面。 (一)切削加工表面粗糙度

1、几何因素

刀尖圆弧半径rε 主偏角kr、副偏角kr′ 进给量f(图4-40)(8-1)(8-2)

H=f/(cotκr+cotκr′)H=f 2/(8rε)

图4-40

车削、刨削时残留面积高度

2、物理力学因素

(1)工件材料的影响

韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。故对中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，常在粗 加工或精加工前安排正火或调质处理。 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工表面留下许多麻点，使表 面粗糙。

(2)切削速度的影响

(3)进给量的影响

加工塑性材料时，切削速度对 表面粗糙度的影响(对积屑瘤和鳞 刺的影响)见如图4-41所示。 此外，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。

减小进给量f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。 此外，合理使用冷却润滑液， 适当增大刀具的前角，提高刀具 的刃磨质量等，均能有效地减小 表面粗糙度值。

(4

)其它因素的影响

图4-41

加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响

刀具几何形状

残留面积↓ →Ra↓ 前角↑→ Ra↓ 后角↑→摩擦↓→Ra↓ 刃倾角会影响实际工作前角 v↑→ Ra↓ f↑→ Ra↑ ap对Ra影响不大，太小会 打滑，划伤已加工表面

切削用量

影响切削加工表面 粗糙度的因素

工件材料

材料塑性↑→ Ra↑ 同样材料晶粒组织大↑→ Ra↑ ,常用正火、调质处理

刀具材料、刃磨质量

刀具材料强度↑→ Ra↓ 刃磨质量↑→ Ra↓ 冷却、润滑↑→ Ra↓

(二)磨削加工表面粗糙度

1、 磨削中影响粗糙度的几何因素 工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细 的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻 痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。

(1)砂轮的磨粒

磨粒在砂轮上的分布越 均匀、磨粒越细，刃口的等 高性越好。则砂轮单位面积 上参加磨削的磨粒越多，磨 削表面上的刻痕就越细密均 匀，表面粗糙度值就越小。

(2)砂轮修整

(3)磨削用量

砂轮修整除了使砂轮具 有正确的几何形状外，更重 要的是使砂轮工作表面形成 排列整齐而又锐利的微刃 (图4-47)。因此，砂轮修 整的质量对磨削表面的粗糙 度影响很大。

砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越 多，表面粗糙度值就越小。 工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影 响相反。工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少， 因此表面粗糙度值增大。 砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被 重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。

图4-47 砂轮上的磨粒

2、 磨削中影响粗糙度的物理因素

磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，切 削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压， 没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨 削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。

(1)磨削用量

砂轮的转速↑ →材料塑性变形↓ → 表面粗糙度值↓ ; 磨削深度↑、工件速度↑ → 塑性变形↑ →表 面粗糙度值↑ ; 为提高磨削效率，通常在开始磨削时采 用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较 小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表 面粗糙度值。

(2)工件材料

太硬易使磨粒磨钝 →Ra ↑ ; 太软容易堵塞砂轮→Ra ↑ ; 韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落→Ra ↑ 。

(2)砂轮粒度与硬度

磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大， 若导热情况不好，还会

烧伤 工件表面。

砂轮太硬，使表面粗糙度增大； 砂轮选得太软，使表面粗糙 度值增大。