第三章 机械加工表面质量及其控制
机械加工表面质量控制详述
机械加工表面质量控制详述引言机械加工是一种常见的工艺，用于制造各种零部件和产品。
而表面质量是衡量机械加工品质好坏的关键指标之一。
本文将详述机械加工表面质量控制的方法和技术。
表面质量的定义表面质量是指零件或产品外表面的物理特征和性能。
它包括表面的粗糙度、平面度、圆度、直线度、平行度、垂直度等参数。
高质量的表面质量对于提高零件的性能、延长使用寿命和确保装配质量至关重要。
表面质量的评价指标常见的表面质量评价指标包括：1.粗糙度：表面的起伏程度，通常用Ra值（平均粗糙度）或Rz值（最大峰值与最小谷值之差）来表示。
2.平面度：表面在一个平面上的偏差程度。
3.圆度：表面的偏差程度，使其成为一个理想的圆形。
4.直线度：表面在一条直线上的偏差程度。
5.平行度：表面与参考面平行的程度。
6.垂直度：表面与参考面垂直的程度。
表面质量控制的方法预加工表面处理在进行机械加工前，通常需要对工件的表面进行预加工处理。
常见的预加工表面处理方法包括去除氧化层、清除污垢和毛刺、进行平整和硬化处理等。
这些表面处理的目的是为了提前解决一些表面质量问题，使机械加工过程更加顺利。
机床和刀具的选择机械加工过程中，选择适当的机床和刀具也对表面质量的控制起着很大的作用。
不同的机床和刀具具有不同的切削精度和稳定性，因此在选择时需要根据具体的加工要求进行选择。
同时，机床和刀具的定期维护和保养也是保证表面质量的重要环节。
加工参数的优化机械加工过程中的参数选择对表面质量有着直接影响。
例如，切削速度、进给速度、切削深度等参数的选择都会对表面质量产生影响。
根据不同的材料和加工方式，需要进行参数的优化选择，以实现最佳的表面质量。
加工过程的监控与调整在机械加工过程中，通过实时监测切削力、振动和温度等参数，可以及时发现并调整加工中的问题，以确保表面质量的稳定性和一致性。
表面质量的检测方法为了评估机械加工的表面质量，需要使用相应的检测方法。
常见的表面质量检测方法包括：1.视觉检测：通过肉眼观察表面是否有缺陷或异常。
3.1表面质量概述及表面粗糙度的影响因素
谢谢大家！
②表面层金属的残余应力的影响
拉伸残余应力将使耐疲劳强度下降；压缩残余应力则使耐疲劳强度提高。
3. 表面质量对耐蚀性的影响 （1）表面粗糙度的影响 表面粗糙度值越大，加工表面与气体、液体接触的面积越大，腐蚀物 质越容易沉积于凹坑中，耐蚀性能就越差。 （2）表面层金属力学物理性质的影响 零件表面层有残余压应力时，能够阻止表面裂纹的进一步扩大，有利 于提高零件表面抵抗腐蚀的能力。 4. 表面质量对零件配合质量的影响 (1) 对于间隙配合表面 原有间隙将因急剧的初期磨损而改变，表面粗糙度越大，变化量就 越大，从而影响配合的稳定性。 (2) 对于过盈配合表面 表面粗糙度越大，两表面相配合时表面凸峰易被挤掉，这会使过盈量 减少，影响配合的可靠性。
（4)表面缺陷 加工表面上出现的缺陷，如砂眼、气孔、裂痕等。
2．表面层金属的力学物理性能和化学性能 由于机械加工中力因素和热因素的综合作用，加工表面层金属的力 学物理性能和化学性能将发生一定的变化，主要反映在以下几方面： （1)表面层金属的冷作硬化
机械加工过程中，工件表面层金属都会有一定程度的冷作硬化，使 表面层金属的显微硬度有所提高。
3.2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改进措施
3.2.1 切削加工表面粗糙度 其值主要取决于切削残留面积的高度。影响切削残留面积高度的因素 主要有：刀尖圆弧半径r、主偏角kr、副偏角kr’及进给量f等。 车削、刨削时残留面积高 度的计算示意图如图3。其中图 a 是用尖刀切削的情况，切削 残留面积的高度为：
3.2.2 磨削加工后的表面粗糙度 1．几何因素的影响 单纯从几何因素考虑，可以认为：在单位面积上刻痕越多，即通过单位 面积的磨粒数越多，刻痕的等高性越好，则磨削表面的粗糙度值越小。 （1）磨削用量对表面粗糙度值的影响 砂轮的速度越高、工件速度越低、砂轮的纵向进给减小，工件表面的 每个部位被砂轮重复磨削的次数增加，被磨表面的粗糙度值将减小。
机械加工表面质量
第三章机械加工表面质量第一节概述评价零件是否合格的质量指标除了机械加工精度外，还有机械加工表面质量。
机械加工表面质量是指零件经过机械加工后的表面层状态。
探讨和研究机械加工表面，掌握机械加工过程中各种工艺因素对表面质量的影响规律，对于保证和提高产品的质量具有十分重要的意义。
一机械加工表面质量的含义机械加工表面质量又称为表面完整性，其含义包括两个方面的内容：1．表面层的几何形状特征表面层的几何形状特征如图3-1所示，主要由以下几部分组成：⑴表面粗糙度它是指加工表面上较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特征，即加工表面的微观几何形状误差，其评定参数主要有轮廓算术平均偏差R a或轮廓微观不平度十点平均高度R z；⑵表面波度它是介于宏观形状误差与微观表面粗糙度之间的周期性形状误差，它主要是由机械加工过程中低频振动引起的，应作为工艺缺陷设法消除。
⑶表面加工纹理它是指表面切削加工刀纹的形状和方向，取决于表面形成过程中所采用的机加工方法及其切削运动的规律。
⑷伤痕它是指在加工表面个别位置上出现的缺陷，如砂眼、气孔、裂痕、划痕等，它们大多随机分布。
2．表面层的物理力学性能表面层的物理力学性能主要指以下三个方面的内容：⑴表面层的加工冷作硬化；⑵表面层金相组织的变化；⑶表面层的残余应力。
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零件的耐磨性是零件的一项重要性能指标，当摩擦副的材料、润滑条件和加工精度确定之后，零件的表面质量对耐磨性将起着关键性的作用。
由于零件表面存在着表面粗糙度，当两个零件的表面开始接触时，接触部分集中在其波峰的顶部，因此实际接触面积远远小于名义接触面积，并且表面粗糙度越大，实际接触面积越小。
在外力作用下，波峰接触部分将产生很大的压应力。
当两个零件作相对运动时，开始阶段由于接触面积小、压应力大，在接触处的波峰会产生较大的弹性变形、塑性变形及剪切变形，波峰很快被磨平，即使有润滑油存在，也会因为接触点处压应力过大，油膜被破坏而形成干摩擦，导致零件接触表面的磨损加剧。
机械加工表面质量影响因素及控制措施
机械加工表面质量的影响因素及控制措施摘要：机械加工表面质量影响零件的使用性能，如耐磨性、耐疲劳性等方面，同时，本文分析了影响机械加工表面质量的因素，探讨了提高机械加工工件表面质量的措施。
关键词：质量控制机械加工表面质量会直接影响零件的工作性能，尤其是零件的可靠性和工作寿命，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，研究机械加工表面质量及其影响因素，掌握其变化规律，对提高机械加工表面质量及产品使用性能具有重要的意义。
一、机械加工表面质量的含义表面质量是指零件被加工后表面层的状态，即：加工表面的几何形状误差和表面层金属的力学物理性能和化学性能，工件表面质量的好坏是以表面粗糙度的大小来衡量的。
表面粗糙度是指加工表面上所具有的较小间距和峰谷所组成微观几何形状的特性。
二、影响机械加工表面质量的因素1、机器使用性能对机械加工表面质量的影响表面质量对零件的耐磨性，配合精度，疲劳强度、抗腐蚀性，接触刚度等使用性能都有很大的影响。
（1）耐磨性对表面质量的影响。
零件的耐磨性主要与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关在这些条件已确定的情况下，零件的表面质量就起着决定性的作用零件的磨损过程，通常分为三个阶段：摩擦副刚开始工作时，磨损比较明显，称为初期磨损阶段（一般称为走合期）。
经初期磨损后，磨损缓慢均匀，进入正常磨损阶段。
当磨损达到一定程度后，磨损又突然加剧，导致零件不能正常工作，称为急剧磨损阶段。
（2）疲劳强度对表面质量的影响。
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，产生疲劳纹。
表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈，抗疲劳破坏的能力就愈差。
（3）耐蚀性对表面质量的影响。
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。
2、影响表面粗糙度的因素（1）切削加工影响表面粗糙度的因素。
浅谈机械加工零件表面的质量控制措施
浅谈机械加工零件表面的质量控制措施机械加工零件表面质量对于产品的性能和外观有着重要影响，因此对于机械加工零件表面质量的控制尤为重要。
本文将从机械加工零件表面的质量要求、表面质量的评价和控制措施三个方面进行论述。
一、机械加工零件表面的质量要求机械加工零件表面的质量要求包括光洁度、平整度、粗糙度和表面缺陷等方面。
1. 光洁度要求：光洁度是指零件表面的平滑程度，光洁度的要求取决于零件所处的工作环境以及外观要求。
对于机械零件的表面，要求表面光滑、无明显的划痕和凹凸不平，以保证零件配合的精度和摩擦的稳定性。
2. 平整度要求：平整度是指零件表面的平坦程度，主要包括平面度、轮廓度等指标。
平整度的要求取决于零件的安装和工作要求，例如对于密封面零件，要求平面度较高，以确保密封性能。
3. 粗糙度要求：粗糙度是指零件表面的粗糙程度，常用Ra值来表示。
粗糙度的要求取决于零件的工作环境和功能要求，例如对于滑动副零件，要求表面粗糙度较低，以减小摩擦阻力和磨损。
4. 表面缺陷要求：表面缺陷包括划痕、毛刺、气孔、裂纹等。
表面缺陷的要求取决于零件的功能和外观要求，例如对于高精度的零件，要求表面无明显的划痕和缺陷，以保证零件的性能和外观质量。
二、表面质量的评价机械加工零件表面质量的评价可以通过目视检查、手感检查、测量检查等方法进行。
1. 目视检查：通过肉眼观察零件表面的光洁度、平整度和表面缺陷等方面的质量。
目视检查主要适用于外观质量要求较高的零件。
2. 手感检查：通过手触零件表面来判断光洁度、平整度和表面缺陷等方面的质量。
手感检查主要适用于外观质量要求较低但性能要求较高的零件。
3. 测量检查：通过使用测量仪器对零件表面的光洁度、平整度、粗糙度等指标进行测量，以得到数值化的表面质量数据。
测量检查主要适用于对表面质量有精确要求的零件。
三、控制措施为了保证机械加工零件表面质量的控制，可以采取以下措施。
1. 加工前准备措施：在进行加工前，要对机床、刀具等进行检查和维护，保证加工设备的正常运行。
机械加工表面质量
2．表面层物理 力学、化学性能
(1)表面粗糙度 (2)表面波度 (3)纹理方向 (4)伤痕——表面上一些个别位置 上出现的缺陷
(1)表面层加工硬化(冷作硬化)。 (2)表面层金相组织变化。
(3)表面层产生残余应力。
第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响
第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响
影响表层残余应力的因素
三、表层金属的残余应力——拉应力或者压应力
（一）残余应力产生的原因 1）冷塑性变形——使表层产生压缩残余应力，里层产生拉伸 残余应力。
原因：加工表面受刀具或砂轮磨粒的挤压和摩擦，产生拉伸塑性变形 ，此 时里层金属处于弹性变形状态，切削后里层金属趋于弹性恢复，但受 到已产生塑性变形的表层金属牵制
第三章 机械加工表面质量
本章学习主要要解决的问题 1. 机械加工表面质量的含义 2. 为什么要控制机械加工表面质量? 3. 哪些因素会影响表面质量? 4. 怎样提高表面质量?
第三章 机械加工表面质量
第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响
一、机械加工表面质量的含义
1．表面的几何特征
2）热塑性变形——表层产生拉伸残余应力，里层产生压缩残 余应力。
原因：切削和磨削过程中，表层的温度比里层高，表层的热膨胀较大；加 工后零件冷却至室温时，表层金属体积的收缩受到里层的牵制。
影响表层残余应力的因素
3）相变引起的体积变化 金相组织的变化引起表层金属的比容增大，则表层金属将产生 压缩残余应力，而里层金属产生拉伸残余应力； 金相组织的变化引起表层金属的比容减小，则表层金属产生拉 伸残余应力，而里层金属产生压缩残余应力 。
• 提高砂轮速度，降低工件转速，减小纵向进给速度——增大单位面 积的磨粒数
机械加工表面质量及其控制3章1
63
3.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量
表面粗糙度测量
比较法
64
3.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量
表面粗糙度测量
触针法： Ra 0.02～5μm
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3.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量
表面粗糙度测量
触针法： Ra 0.02～5μm
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3.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量
磨损 —— 粘着
17
3.1.1 加工表面质量概念
磨损 —— 磨粒
18
3.1.1 加工表面质量概念
磨损 —— 磨粒
19
3.1.1 加工表面质量概念
磨损 —— 磨粒
20
3.1.1 加工表面质量概念
21
3.1.1 加工表面质量概念
22
3.1.1 加工表面质量概念
加工表面的几何形貌 表面层金属力学物理性能和化学性能
硬度的单位？
压入硬度
回跳硬度
—— 肖氏硬度 —— 里氏硬度
79
3.3.1 加工表面层冷作硬化
概述——硬度测量原理
莫氏硬度计
80
3.3.1 加工表面层冷作硬化
概述——硬度测量原理
洛氏硬度计
81
3.3.1 加工表面层冷作硬化
概述——硬度测量原理
洛氏硬度计
82
3.3.1 加工表面层冷作硬化
a）
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.01 0.02 0.03 0.04
b）
ap/mm
磨削用量对表面粗糙度的影响
61
Ra/μm
3.2.2 磨削加工表面粗糙度
砂轮及修整
机械加工表面质量及控制方案分析(ppt 68页)
3）表面层金属的残余应力。表面层在切削力和切削 热的作用下而产生不均匀的体积变化而产生残余 应力。
二、表面质量对产品使用性能的影响
（一）表面质量对耐磨性的影响
大，为减小加工后的粗糙度,常在切削加工前进行调质或 正火处理，以获得均匀细密的晶粒组织。
3、刀具几何形状、材料、刃磨质量的影响
前角r0 增大，则塑性变形小、粗糙度小；r0为负， 塑性变形大、粗糙度大。
不同刀具材料，其化学成分不同，其硬度、刀具材料 与工件材料的亲和程度、以及前后刀面与切屑和已加工表 面的磨擦系数不同。 硬质合金刀具加工所得的表面粗糙 度比高速钢刀具加工所获得的小，金刚石刀具加工所得的 表面粗糙度比硬质合金刀具加工所得的还要小。
冷硬的结果：变形阻力增大、塑性降低，导电性、导热性 发生变化。
H2r
f ( 4r
)2
f2 8r
图中的虚线为Rz与rE 、f的 计算关系曲线，而实线为实际 加工的结果。两者数值上的差 别是由于Rz不仅受刀具几何形 状的影响，同时还受表面金属 层塑性变形的影响。进给量越 小，这种影响越大。
由几何因素引起表面粗糙 度过大，可通过减小切削层残 留面积来解决。如减小进给量、 减小刀具的主副偏角，增大刀 具园角半径。
2）残余应力: 残余压应力,能部分抵削工作载荷所施加的 拉应力，延缓裂纹的扩展，因而提高零件的疲劳强度。 但残余拉应力容易使表面产生裂纹，因而降低疲劳强度。
3）冷作硬化: 冷作硬化提高零件的疲劳强度。因为硬化 层阻碍已有裂纹的扩大和新疲劳裂纹的产生。
（三）表面质量对抗腐蚀性能的影响
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这种现象称为退火烧伤。
3．影响磨削烧伤的因素及改善途径
1）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↓
2）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
采用内冷却法→磨削烧伤↓
4）采用开槽砂轮
间断磨削→受热↓→磨削烧伤↓
能将冷却液直接带入磨削区，还能起扇风作用，改善散热条件。
三、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
1）冷态塑性变形
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。
2）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。
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集体的
限制产生压应力，当表面曾的温度超过材料的弹
性变形范围时，会产生热塑性变形，当切削结束，
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，但受基体的限制产生了残余拉应
力，里层产生压应力。
切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图
3）表面层金相组织变化
滚压加工原理图
2）工件材料
工件材料强度越高，导热性越差，塑性越低，磨削时易产生残余拉应力。
4、工件最终加工工序加工方法的选择
工件表面的残余应力将直接影响机器零件的使用性能，一般工件表面残余应力的数值和性质主要取决于工件最终加工工序的加工方法。
如何选择工件最终工序的加工方法，要考虑该零件的具体工作条件及零件可能产生的破坏形式。
零件在交变载荷的作用时，最终工序选择能产生压应力的加工方法
两相对滑动的零件，从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择产生拉应力的加工方法
两相对滚动的零件，从提高零件抵抗滚动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择能在表面层下h 深处产生压应力的加工方法。
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，
1、喷丸强化
（1）利用大量快速运动珠丸打击工件表面, 使工
件表面产生冷硬层和压应力, 疲劳强度↑
（2）用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的
工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等。
（3）珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢
丝（使用一段时间后，自然变成球状）。
对于铝质工件，
为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。
珠丸的直径一般为0.2~4mm ，对于尺寸较小、表面粗糙度值较小的工件，采用直径较小的珠丸。
2、滚压加工
（1）利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态
挤压金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工
件表面的微观几何形状,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强
度。
（2）滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，通常在普通车床、转塔车床或自动车床珠丸挤压引起残余应力。