机械制造工艺学 第三章 机械加工表面质量及其控制

表面粗糙度值↓→耐磨性↑，但有限度 纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好；纹理方向相同较好 适当硬化可提高耐磨性
对耐疲劳性影响
表面粗糙度值↓ → 耐疲劳性↑ 适当硬化（阻止疲劳裂纹生长并产生表面压应力）可提高耐疲 劳性
对耐蚀性影响
表面粗糙度值↓→耐蚀性↑ 表面压应力：有利于提高耐蚀性
滑液的存留，一般，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐
磨性好，尖峰状的耐磨性差。
在运动副中，两相对运动零件的刀纹方向和运动
方向相同时，耐磨性较好，两者的刀纹方向和运动 方向垂直时，耐磨性最差。
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3.1.2 表面质量对零件使用性能的影响
表面质量对零件疲劳强度的影响
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。
这是因为过分的冷作硬化，将 引起金属组织过分“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。
磨损量
冷硬程度
T7A钢冷硬程度与耐 磨性关系
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3.1.2 表面质量对零件使用性能的影响
表面纹理零件耐磨性的影响
表面纹理的形状和刀纹方向对耐磨性也有影响，
原因是纹理形状和刀纹方向影响有效接触面积和润
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3.2.1 切削加工表面粗糙度
几何因素的影响
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 影响因素：刀尖圆弧半径 rε、主偏角κr、副偏角κ’r 、进给量 f
f κr Ⅱ b） Rmax f Rmax
r
Ⅱ a） Ⅰ
r
vf
rε Ⅰ
vf
车削时残留面积的高度
f ctg r ctg r
收缩系数Ks
28 24
600
3.0
Rz
20
16 12 8 4
400
2.5
Ks
200
2.0
h
0
1.5 0 20 40 60 80 100
切削45钢时切削速度与粗糙度关系
120 140 v（m/min）
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3.2.1 切削加工表面粗糙度
积屑瘤的影响：
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3.2.1 切削加工表面粗糙度
鳞刺的影响
0.6
0.4 0.2 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 ap(mm)
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10
20
30 光磨次数
b）
光磨次数-Ra关系
磨削用量对表面粗糙度的影响
3.2.2 磨削加工表面粗糙度
砂轮及其修整
砂轮粒度↑，Ra↓;但要适量(46~60﹟) 砂轮硬度适中， Ra↓ ；常取中软 砂轮组织适中，Ra ↓ ；常取中等组织 砂轮材料：与工件材料相适应（如氧 化铝适于磨钢，碳化物(硅硼)适于磨铸铁 ，金刚石砂轮适于磨陶瓷材料等） 采用超硬砂轮材料，Ra ↓但成本高； 砂轮精细修整， f ↓ →Ra ↓ 金刚石砂轮磨削工程陶瓷零件
表面质量对零件耐腐蚀性能的影响 表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响
减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。 因为零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷
越深，渗透与腐蚀作用越强烈。
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；
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3.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量
表面三维微观形貌测量
表面三维形貌测量与处理系统原理图
1－驱动 2－撞块 3－电触点 4－触针 5－工作台 6－工件 7－步进电机 8－控制电路 9－驱动电路 10－放大电路 11－A/D变换器 12－微机 13－显示器 14－打印机
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3.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量
其他影响因素
工件材料 冷却润滑液等
•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 ↑ 。
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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
比较法 触针法： Ra 0.02～5μm 光切法： Rz 0.5～60μm 干涉法： Rz 0.05～0.8μm
对配合质量影响
表面粗糙度值↑ →配合质量↓ 表面残余应力↑ →精度的稳定性↓ →配合质量↓
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机械制造工艺学
第3章 机械加工表面质量及其控制
Analysis and Control of Machining Surface Quality
3.2 影响加工表面质量工艺因 素及其改进措施
Technology Factors Influencing Machining Surface Quality and its Improving
鳞刺的形成：抹试阶段、导裂阶段、层积阶段、刮成阶段
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3.2.1 切削加工表面粗糙度
进给量的影响
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，效率降低。
其他影响因素 刀具几何角度、刃磨质量，切削液等
适当增大刀具前角，提高刃磨质量，合理选择切削 液，抑制积屑瘤和鳞刺。
砂轮速度v↑，Ra↓ 工件速度vw↑，Ra ↑ 砂轮纵向进给f↑，Ra ↑ 磨削深度ap↑，Ra ↑ 光磨次数↑，Ra↓
Ra(μm)
0.5
0
30
40
50 60 v(m/s), vw(m/min) a）
Ra(μm)
0.0 6
0.8 粗粒度砂轮(WA60KV)
0.0 4
0.0 2 0 细粒度砂轮(WA/GCW14KB)
表面层金属残余应力
加工变质层模型
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3.1.2 表面质量对零件使用性能的影响
表面质量对零件耐磨性的影响 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。 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
Machining Surface Quality and its Influence to Use Performance
2
3.1.1 加工表面质量概念
加工表面质量
表面粗糙度 表面几何形状精度 波度 纹理方向
表面质量
表面缺陷层
伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）
表层加工硬化
表层金相组织变化
表层残余应力
加工质量包含的内容
3
3.1.1 加工表面质量概念
加工表面的几何形貌
表面粗糙度 — 波长/波高＜50 波度 — 波长/波高=50～1000；且具有周期特性 宏观几何形状误差（平面度、圆度等）—波长/波高＞1000 纹理方向－表面刀纹形式 表面缺陷－如划痕、砂眼、气孔、裂纹等
是加工表面Leabharlann 别位置出现的缺陷表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。
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3.1.2 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。
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3.1.2 表面质量对零件使用性能的影响
对耐磨性影响
TOPO移相干涉显微镜光学原理图
1－光源 2、4、12－透镜 3－视场光阑 6－干涉滤光片 7－CCD面阵探测器 8－输出信号 9－目镜 10－分光镜 11－压电陶瓷 13－反射镜 14－参考基准 板 15－分光板 16－被测工件
触针 驱动箱 工件 传感器 触针法工作原理
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显示器 放大器 处理器 记录器
3.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量
双管显微镜测量原理
1－光源 2－聚光镜 3－窄缝 4－工件表面 5－目镜透镜 6－分划板 7－目镜
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3.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量
干涉显微镜测量原理
1－光源 2、10、15－聚光镜 3－滤色片 4－光阑 5－透镜 6、9－物镜 7－分光镜 8－补偿镜 10、14、16－反射镜 12－目镜 13－透光窗
直线刃车刀： H
f2 圆弧刃车刀： H 8 r
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3.2.1 切削加工表面粗糙度
物理因素的影响 工件材料的性质
塑性↓→表面粗糙度↓
工件材料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和鳞刺，加 工表面粗糙。
韧性↓ →表面粗糙度↓
工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。
精镗(车)后的表面轮廓图(横向粗糙度)
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3.2.2 磨削加工表面粗糙度
从几何因素和塑性变形两方面影响
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磨粒数越多， 则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。
磨削中影响粗糙度的物理因素（通常是决定因素）
磨削时切削力大速度高温度高，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。
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3.2.2 磨削加工表面粗糙度
磨削用量
Ra(μm) 1.0 vw = 40(m/min) f = 2.36(m /min) v = 50(m/s) ap = 0.01(mm) f = 2.36(m /min) ap = 0.01(mm)