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1、第三章 机械加工表面质量第一节 概 述 评价零零件是否合格格的质量指标标除了机械加加工精度外，还还有机械加工工表面质量。机机械加工表面面质量是指零零件经过机械械加工后的表表面层状态。探探讨和研究机机械加工表面面，掌握机械械加工过程中中各种工艺因因素对表面质质量的影响规规律，对于保保证和提高产产品的质量具具有十分重要要的意义。 一 机械加工表表面质量的含含义 机械加加工表面质量量又称为表面面完整性，其其含义包括两两个方面的内内容：1表面层的几几何形状特征征 表面层层的几何形状状特征如图33-1所示，主要要由以下几部部分组成： 表面粗糙度度 它是指指加工表面上上较小间距和和峰谷所组成成的微观几何何
2、形状特征，即即加工表面的的微观几何形形状误差，其其评定参数主主要有轮廓算算术平均偏差差Ra或轮廓微观观不平度十点点平均高度RRz； 表面波度度 它是介介于宏观形状状误差与微观观表面粗糙度度之间的周期期性形状误差差，它主要是是由机械加工工过程中低频频振动引起的的，应作为工工艺缺陷设法法消除。 表面加工纹纹理 它是是指表面切削削加工刀纹的的形状和方向向，取决于表表面形成过程程中所采用的的机加工方法法及其切削运运动的规律。 伤痕 它它是指在加工工表面个别位位置上出现的的缺陷，如砂砂眼、气孔、裂裂痕、划痕等等，它们大多多随机分布。图3-1 表表面几何特征征的组成2表面层的物物理力学性能能 表面层层的物
3、理力学学性能主要指指以下三个方方面的内容： 表表面层的加工工冷作硬化； 表表面层金相组组织的变化； 表面层的残残余应力。 二 表面质量对对零件使用性性能的影响 1表表面质量对零零件耐磨性的的影响 零件的耐磨性是是零件的一项项重要性能指指标，当摩擦擦副的材料、润润滑条件和加加工精度确定定之后，零件件的表面质量量对耐磨性将将起着关键性性的作用。由由于零件表面面存在着表面面粗糙度，当当两个零件的的表面开始接接触时，接触触部分集中在在其波峰的顶顶部，因此实实际接触面积积远远小于名名义接触面积积，并且表面面粗糙度越大大，实际接触触面积越小。在在外力作用下下，波峰接触触部分将产生生很大的压应应力。当两个个
4、零件作相对对运动时，开开始阶段由于于接触面积小小、压应力大大，在接触处处的波峰会产产生较大的弹弹性变形、塑塑性变形及剪剪切变形，波波峰很快被磨磨平，即使有有润滑油存在在，也会因为为接触点处压压应力过大，油油膜被破坏而而形成干摩擦擦，导致零件件接触表面的的磨损加剧。当当然，并非表表面粗糙度越越小越好，如如果表面粗糙糙度过小，接接触表面间储储存润滑油的的能力变差，接接触表面容易易发生分子胶胶合、咬焊，同同样也会造成成磨损加剧。表面层的冷作硬硬化可使表面面层的硬度提提高，增强表表面层的接触触刚度，从而而降低接触处处的弹性、塑塑性变形，使使耐磨性有所所提高。但如如果硬化程度度过大，表面面层金属组织织会
5、变脆，出出现微观裂纹纹，甚至会使使金属表面组组织剥落而加加剧零件的磨磨损。2表面质量对对零件疲劳强强度的影响 表面粗糙度度对承受交变变载荷的零件件的疲劳强度度影响很大。在在交变载荷作作用下，表面面粗糙度波谷谷处容易引起起应力集中，产产生疲劳裂纹纹。并且表面面粗糙度越大大，表面划痕痕越深，其抗抗疲劳破坏能能力越差。 表面层层残余压应力力对零件的疲疲劳强度影响响也很大。当当表面层存在在残余压应力力时，能延缓缓疲劳裂纹的的产生、扩展展，提高零件件的疲劳强度度；当表面层层存在残余拉拉应力时，零零件则容易引引起晶间破坏坏，产生表面面裂纹而降低低其疲劳强度度。 表面层层的加工硬化化对零件的疲疲劳强度也有有
6、影响。适度度的加工硬化化能阻止已有有裂纹的扩展展和新裂纹的的产生，提高高零件的疲劳劳强度；但加加工硬化过于于严重会使零零件表面组织织变脆，容易易出现裂纹，从从而使疲劳强强度降低。 3表表面质量对零零件耐腐蚀性性能的影响 表面粗糙度度对零件耐腐腐蚀性能的影影响很大。零零件表面粗糙糙度越大，在在波谷处越容容易积聚腐蚀蚀性介质而使使零件发生化化学腐蚀和电电化学腐蚀。 表面层残余余压应力对零零件的耐腐蚀蚀性能也有影影响。残余压压应力使表面面组织致密，腐腐蚀性介质不不易侵入，有有助于提高表表面的耐腐蚀蚀能力；残余余拉应力的对对零件耐腐蚀蚀性能的影响响则相反。 4表表面质量对零零件间配合性性质的影响 相配
7、零零件间的配合合性质是由过过盈量或间隙隙量来决定的的。在间隙配配合中，如果果零件配合表表面的粗糙度度大，则由于于磨损迅速使使得配合间隙隙增大，从而而降低了配合合质量，影响响了配合的稳稳定性；在过过盈配合中，如如果表面粗糙糙度大，则装装配时表面波波峰被挤平，使使得实际有效效过盈量减少少，降低了配配合件的联接接强度，影响响了配合的可可靠性。因此此，对有配合合要求的表面面应规定较小小的表面粗糙糙度值。在过盈配合中，如如果表面硬化化严重，将可可能造成表面面层金属与内内部金属脱落落的现象，从从而破坏配合合性质和配合合精度。表面面层残余应力力会引起零件件变形，使零零件的形状、尺尺寸发生改变变，因此它也也将
8、影响配合合性质和配合合精度。5表面质量对对零件其他性性能的影响表面质量对零件件的使用性能能还有一些其其他影响。如如对间隙密封封的液压缸、滑滑阀来说，减减小表面粗糙糙度Ra可以减少泄泄漏、提高密密封性能；较较小的表面粗粗糙度可使零零件具有较高高的接触刚度度；对于滑动动零件，减小小表面粗糙度度Ra能使摩擦系系数降低、运运动灵活性增增高，减少发发热和功率损损失；表面层层的残余应力力会使零件在在使用过程中中继续变形，失失去原有的精精度，机器工工作性能恶化化等。总之，提高加工工表面质量，对对于保证零件件的的性能、提提高零件的使使用寿命是十十分重要的。第二节 影响响表面质量的的工艺因素 一 影响机械械加工
9、表面粗粗糙度的因素素及降低表面面粗糙度的工工艺措施 影影响切削加工工表面粗糙度度的因素 在切削削加工中，影影响已加工表表面粗糙度的的因素主要包包括几何因素素、物理因素素和加工中工工艺系统的振振动。下面以以车削为例来来说明。 几几何因素 切削加工时时表面粗糙度度的值主要取取决于切削面面积的残留高高度。下面两两式为车削时时残留面积高高度的计算公公式： 当刀尖尖圆弧半径rr=0时，残残留面积高度度H为 （31）当刀尖圆弧弧r0时，残残留面积高度度H为 （32） 从上面面两式可知，进进给量f、主偏角kr、副偏角kr和刀尖圆圆弧半径r对切削加工工表面粗糙度度的影响较大大。减小进给给量f、减小主偏偏角kr
10、和副偏角kr、增大刀尖圆圆弧半径r，都能减小小残留面积的的高度H，也就减小小了零件的表表面粗糙度。 物理因素 在切削加加工过程中，刀刀具对工件的的挤压和摩擦擦使金属材料料发生塑性变变形，引起原原有的残留面面积扭曲或沟沟纹加深，增增大表面粗糙糙度。当采用用中等或中等等偏低的切削削速度切削塑塑性材料时，在在前刀面上容容易形成硬度度很高的积屑屑瘤，它可以以代替刀具进进行切削，但但状态极不稳稳定，积屑瘤瘤生成、长大大和脱落将严严重影响加工工表面的表面面粗糙度值。另另外，在切削削过程中由于于切屑和前刀刀面的强烈摩摩擦作用以及及撕裂现象，还还可能在加工工表面上产生生鳞刺，使加加工表面的粗粗糙度增加。 动态
11、因素振动的影影响 在加加工过程中，工工艺系统有时时会发生振动动，即在刀具具与工件间出出现的除切削削运动之外的的另一种周期期性的相对运运动。振动的的出现会使加加工表面出现现波纹，增大大加工表面的的粗糙度，强强烈的振动还还会使切削无无法继续下去去。除上述因素外，造造成已加工表表面粗糙不平平的原因还有有被切屑拉毛毛和划伤等。2. 减小表面面粗糙度的工工艺措施 在精加工时时，应选择较较小的进给量量f、较小的主偏角角kr和副偏角kr、较大的刀尖尖圆弧半径rr，以得到较小小的表面粗糙糙度。 加工塑性材材料时，采用用较高的切削削速度可防止止积屑瘤的产产生，减小表表面粗糙度。 根据工件材材料、加工要要求，合理
12、选选择刀具材料料，有利于减减小表面粗糙糙度。 适当的增大大刀具前角和和刃倾角，提提高刀具的刃刃磨质量，降降低刀具前、后后刀面的表面面粗糙度均能能降低工件加加工表面的粗粗糙度。 对工件材料料进行适当的的热处理，以以细化晶粒，均均匀晶粒组织织，可减小表表面粗糙度。 选择合适的的切削液，减减小切削过程程中的界面摩摩擦，降低切切削区温度，减减小切削变形形，抑制鳞刺刺和积屑瘤的的产生，可以以大大关小表表面粗糙度。二 影响表面面物理力学性性能的工艺因因素1表面层残余余应力 外载荷去除后，仍仍残存在工件件表层与基体体材料交界处处的相互平衡衡的应力称为为残余应力。产产生表面残余余应力的原因因主要有： 冷态塑性
13、变变形引起的残残余应力 切削加工时时，加工表面面在切削力的的作用下产生生强烈的塑性性变形，表层层金属的比容容增大，体积积膨胀，但受受到与它相连连的里层金属属的阻止，从从而在表层产产生了残余压压应力，在里里层产生了残残余拉应力。当当刀具在被加加工表面上切切除金属时，由由于受后刀面面的挤压和摩摩擦作用，表表层金属纤维维被严重拉长长，仍会受到到里层金属的的阻止，而在在表层产生残残余压应力，在在里层产生残残余拉应力。 热态塑性变变形引起的残残余应力 切削加工时时，大量的切切削热会使加加工表面产生生热膨胀，由由于基体金属的温温度较低，会会对表层金属属的膨胀产生生阻碍作用，因因此表层产生生热态压应力力。当
14、加工结结束后，表层层温度下降要要进行冷却收收缩，但受到到基体金属阻止止，从而在表表层产生残余余拉应力，里里层产生残余余压应力。 金相组织变变化引起的残残余应力 如果在加工工中工件表层层温度超过金金相组织的转转变温度，则则工件表层将将产生组织转转变，表层金金属的比容将将随之发生变变化，而表层层金属的这种种比容变化必必然会受到与与之相连的基基体金属的阻阻碍，从而在在表层、里层层产生互相平平衡的残余应应力。例如在在磨削淬火钢钢时，由于磨磨削热导致表表层可能产生生回火，表层层金属组织将将由马氏体转转变成接近珠珠光体的屈氏氏体或索氏体体，密度增大大，比容减小小，表层金属属要产生相变变收缩但会受受到基体金
15、属属的阻止，而而在表层金属属产生残余拉拉应力，里层层金属产生残残余压应力。如如果磨削时表表层金属的温温度超过相变变温度，且冷冷却以充分，表表层金属将成成为淬火马氏氏体，密度减减小，比容增增大，则表层层将产生残余余压应力，里里层则产生残残余拉应力。 2表表面层加工硬硬化 加加工硬化的产产生及衡量指指标 机械械加工过程中中，工件表层层金属在切削削力的作用下下产生强烈的的塑性变形，金金属的晶格扭扭曲，晶粒被被拉长、纤维维化甚至破碎碎而引起表层层金属的强度度和硬度增加加，塑性降低低，这种现象象称为加工硬硬化（或冷作作硬化）。另另外，加工过过程中产生的的切削热会使使得工件表层层金属温度升升高，当升高高到一定程度度时，会使得得已强化的金金属回复到正正常状态，失失去其在加工工硬化中得到到的物理力学学性能，这种种现象称为软软化。因此，金金属的加工硬硬化实际取决决于硬化速度度和软化速度度的比率。评定加工硬化的的指标有下列列三项： 表面层的显显微硬度HVV； 硬化层深度度
