第五章 机械加工表面质量讲解

4.表面层产生的金相组织变化对零件耐磨性的影响 金相组织的变化引起基体材料硬度的变化，进而
影响零件的耐磨性。
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5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响 （二）表面质量对零件疲劳强度的影响
1. 表面粗糙度对疲劳强度的影响
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。
（一）加工 表面层的冷作硬化
1.表面层冷作硬化的产生
冷作硬化：机械加工时，工件表面层金属受到切 削力的作用产生强烈的塑性变形，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， 从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加 工硬化，又称冷作硬化和强化。
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5.4 影响加工表面层物理机械性能的因素
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）切削加工时表面粗糙度的影响因素
1. 几何因素
••刀主尖偏圆角弧kr、半副径偏rε 角kr′ •进给量f
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残留面积高度H的计算：
当刀尖圆弧半径rε=0时，残留面积高度H为
H
f
cotkr cotkr
f： 进 给 量 ， Kr主 偏 角 ， Kr'副 偏 角
（一）表面质量对零件耐磨性的影响 1. 表面粗糙度对耐磨性的影响
零件耐磨性的影响因素： 摩擦副的材料；润滑条件；表面质量(接触面积)。
零件磨损三个阶段：初期磨损阶段；正常磨损阶段；剧烈磨损阶段
图5-1 磨损过程的基本规律
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5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响
（一）表面质量对零件耐磨性的影响
1. 表面粗糙度对耐磨性的影响
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。
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5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响
表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载
图5-1 加工质量包含的内容
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第五章 机械加工表面质量
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。
2.表面残余应力对耐腐蚀性能的影响 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。
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5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响 （四）表面质量对零件配合质量的影响
1.表面粗糙度对零件配合精度的影响 间隙配合:粗糙度值增大会使磨损增大，造成间隙增大，破
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5.4 影响加工表面层物理机械性能的因素
表面物理机械 性能
表 现 形 式
冷作硬化 残余应力 金相组织变化
影响显微硬度 因素
影响残余应力 因素
影响金相组织 变化因素
•塑变引起的冷硬 •金相组织变化引 起的硬度变化
•冷塑性变形 •热塑性变形 •金相组织变化
•切削热
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5.4 影响加工表面层物理机械性能的因素
残余应力有拉应力和压应力之分，
残余拉应力：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：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。
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5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响 （三）表面质量对耐蚀性的影响
1. 表面粗糙度对耐腐蚀性的影响 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。减小零件表面粗糙 度，可以提高零件的耐腐蚀性能。
砂轮修整：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。因 此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。精细修 整过的砂轮可有效减小被磨工件的表面粗糙度值。 砂轮磨料： 砂轮磨料选择适当，可获得满意的表面粗糙度。
氧化物（刚玉）砂轮：磨钢类零件； 碳化物（碳化硅、碳化硼）砂轮：磨铸铁、硬质合金等； 高硬材料（人造金刚石、立方氮化硼）砂轮：可获极小 表面粗糙度值，成本高。磨硬质合金等脆性材料。
当刀尖圆弧半径rε＞0时，
H f2 8 rε
rε刀 尖Leabharlann 圆 弧 半 径 减小进给量f、减小主偏角kr和副偏角kr’、增大刀
尖圆弧半径rε，都能减小理论残留面积的高度H，也就 减小了零件的表面粗糙度。
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5.3 影响加工表面粗糙度的因素
2. 非几何因素
（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
2.砂轮性能对表面粗糙度值的影响
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。
砂轮粒度：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。太细，砂轮 易被堵塞使加工表面烧伤。砂轮粒度常取46～60号。
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（二）磨削加工时表面粗糙度的影响因素
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. 磨削用量对表面粗糙度值的影响
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。——“砂轮速度v↑，Ra↓” 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。——“工件速度vw↑，Ra ↑” 砂轮纵向进给增大，工件表面被砂轮重复磨削的次数减少， 被磨表面的粗糙度值将增大。——“砂轮纵向进给f↑，Ra ↑”
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第五章 机械加工表面质量
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5.1 加工表面质量的概念 5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响 5.3 影响加工表面粗糙度的因素 5.4 影响加工表面层物理机械性能的因素 5.5 改善表面粗糙度的方法 5.6 工件表面强化的常见方法
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5.1 加工表面质量的概念
加工表面质量：工件加工后表面层的状态。
加工 表面质量
表面层几何 形状特征
表面层物理、 力学性能变化
表面粗糙度 表面波度 纹理方向 表面缺陷(伤痕)
微观几 何轮廓
宏观几 何轮廓
表面层冷作硬化 表面层金相组织的变化 表面层残余应力
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一般情况下表面硬 化层的深度可达 0.05 — 0.30mm。
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5.2 加工表面质量对零件使用性能的影响
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26 糙度值。
影响切削加工表面粗糙度的因素
影响切削加工表面 粗糙度的因素
刀具几何形状 切削用量 工件材料
•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
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。
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（2）切削速度的影响
加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙 度的影响如图所示。积屑瘤和鳞刺仅在 低速时产生。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。
实线——只考虑塑性变形的影响 虚线——考虑刀瘤和鳞刺的影响
切削速度影响 最大：v = 10～ 50m/min范围， 易产生积屑瘤和 鳞刺，表面粗糙 度最差。
5.3 影响加工表面粗糙度的因素
（3）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。
（4）其它因素的影响
衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项： 1）表面层的显微硬度H； 2）硬化层深度h； 3）硬化程度N
•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↓
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5.3 影响加工表面粗糙度的因素
（二）磨削加工时表面粗糙度的影响因素
外圆磨削 磨削用量：砂轮转速、工件转速、轴向进给量（f）、砂轮纵向进 给量（ap）。 砂轮的六因素：磨料，粒度，结合剂，硬度，组织，形状尺寸。
零件表面质量
对疲劳强度的 影响
对配合质量的 影响
对耐腐蚀性能 的影响
粗糙度太大、太小都不耐磨
适度冷硬能提高耐磨性
粗糙度越大，疲劳强度越差 适度冷硬、残余压应力能提高疲
劳强度 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
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5.3 影响加工表面粗糙度的因素
坏了要求的配合性质。 过盈配合:装配过程中一部分表面凸峰被挤平，产生塑性变
形，实际过盈量减小，降低了配合件间的联接强度。 过渡配合:因多用压力及锤敲装配，表面粗糙度也会使配合
变松。 2.表面残余应力对零件工作精度的影响