第八章機(jī)械加工表面質(zhì)量

零件的機(jī)械加工質(zhì)量不僅指加工精度，而且包括加工表面質(zhì)量。機(jī)械加工后的零件表面實(shí)際上不是理想的光滑表面，它存在著不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂紋等表面缺陷。雖然只有極薄的一層（幾微米~幾十微米），但都錯綜復(fù)雜地影響著機(jī)械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蝕性和疲勞強(qiáng)度等，從而影響產(chǎn)品的使用性能和壽命，因此必須加以足夠的重視。第一節(jié)概述零件表面質(zhì)量表面粗糙度表面波度表面物理力學(xué)性能的變化表面微觀幾何形狀特征表面層冷作硬化表面層殘余應(yīng)力表面層金相組織的變化

一、表面質(zhì)量的含義（內(nèi)容）

（1）表面粗糙度對零件耐磨性的影響

表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如圖4-38所示。表面粗糙度太大，接觸表面的實(shí)際壓強(qiáng)增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加?。槐砻娲植诙忍?，也會導(dǎo)致磨損加劇。因?yàn)楸砻嫣饣?，存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發(fā)生分子粘結(jié)而加劇磨損。表面粗糙度的最佳值與機(jī)器零件的工作情況有關(guān)，載荷加大時，磨損曲線向上、向右移動，最佳表面粗糙度值也隨之右移。

二、表面質(zhì)量對零件使用性能的影響1．表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響圖4－38表面粗糙度與初期磨損量的關(guān)系（2）表面層的冷作硬化對零件耐磨性的影響加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。這是因?yàn)檫^分的冷作硬化，將引起金屬組織過度“疏松”，使零件加速磨損。2．表面質(zhì)量對零件疲勞強(qiáng)度的影響（1）表面粗糙度對零件疲勞強(qiáng)度的影響

表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。

表面粗糙度值越小，工件耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，其抗疲勞破壞的能力越差。（2）表面層冷作硬化與殘余應(yīng)力對零件疲勞強(qiáng)度的影響

適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強(qiáng)度。殘余應(yīng)力有拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之分，殘余拉應(yīng)力,降低疲勞強(qiáng)度殘余壓應(yīng)力，提高零件的疲勞強(qiáng)度。3.表面質(zhì)量對零件工作精度的影響（1）表面粗糙度對零件配合精度的影響

表面粗糙度較大，則降低了配合精度。（2）表面殘余應(yīng)力對零件工作精度的影響

表面層有較大的殘余應(yīng)力，就會影響它們精度的穩(wěn)定性。4．表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性能的影響（1）表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響

減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。（2）表面殘余應(yīng)力對零件耐腐蝕性能的影響

零件表面殘余壓應(yīng)力使零件表面緊密，可增強(qiáng)零件的耐腐蝕性，而表面殘余拉應(yīng)力則降低零件耐腐蝕性。

表面質(zhì)量對零件使用性能的影響零件表面質(zhì)量粗糙度太大、太小都不耐磨適度冷硬能提高耐磨性對疲勞強(qiáng)度的影響對耐磨性影響對耐腐蝕性能的影響對工作精度的影響粗糙度越大，疲勞強(qiáng)度越差適度冷硬、殘余壓應(yīng)力能提高疲勞強(qiáng)度粗糙度越大、工作精度降低殘余應(yīng)力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蝕性越差壓應(yīng)力提高耐腐蝕性，拉應(yīng)力反之則降低耐腐蝕性第二節(jié)影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制機(jī)械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可歸納為幾何因素和物理力學(xué)因素兩個方面。一、切削加工表面粗糙度1、幾何因素刀尖圓弧半徑rε主偏角kr、副偏角kr′進(jìn)給量f（圖4－40）H=f/(cotκr+cotκr′)(8-1)H=f2/(8rε)(8-2)圖8－3車削、刨削時殘留面積高度2、物理力學(xué)因素（1）工件材料的影響韌性材料：工件材料韌性愈好，加工表面愈粗糙。脆性材料：加工脆性材料時，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點(diǎn)，使表面粗糙。（2）切削速度的影響加工塑性材料時，切削速度對表面粗糙度的影響（對積屑瘤和鱗刺的影響）見如圖4-41所示。此外，切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越小選擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表面粗糙度。

（4）其它因素的影響

此外，合理使用冷卻潤滑液，適當(dāng)增大刀具的前角，提高刀具的刃磨質(zhì)量等，均能有效地減小表面粗糙度值。（3）進(jìn)給量的影響

減小進(jìn)給量f固然可以減小表面粗糙度值，但進(jìn)給量過小，表面粗糙度會有增大的趨勢。影響切削加工表面粗糙度的因素刀具幾何形狀刀具材料、刃磨質(zhì)量切削用量工件材料Kr↓Kr’↓殘留面積↓

Ra↓前角↑→Ra↓后角↑→摩擦↓→Ra↓刃傾角會影響實(shí)際工作前角

v↑→Ra↓f↑→Ra↑ap對Ra影響不大，太小會打滑，劃傷已加工表面材料塑性↑→Ra↑同樣材料晶粒組織大↑→Ra↑，常用正火、調(diào)質(zhì)處理刀具材料強(qiáng)度↑→Ra↓刃磨質(zhì)量↑→Ra↓冷卻、潤滑↑→Ra↓影響切削加工表面粗糙度的因素第三節(jié)影響表面層物理力學(xué)性能的主要因素及其控制影響表面層物理力學(xué)性能的主要因素表面物理力學(xué)性能影響金相組織變化因素影響顯微硬度因素影響殘余應(yīng)力因素塑變引起的冷硬金相組織變化引起的硬度變化冷塑性變形熱塑性變形金相組織變化切削熱一、表面層的冷作硬化1.表面層加工硬化的產(chǎn)生定義：機(jī)械加工時，工件表面層金屬受到切削力的作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強(qiáng)度和硬度增加，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強(qiáng)化。2.衡量表面層加工硬化的指標(biāo)衡量表面層加工硬化程度的指標(biāo)有下列三項(xiàng)：1）表面層的顯微硬度HV；2）硬化層深度h；3）硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0×100％（8-3）式中HV0——工件原表面層的顯微硬度。3.影響表面層加工硬化的因素

⑴刀具幾何形狀的影響切削刃rε↑、前角↓、后面磨損量VB↑→表層金屬的塑變加劇→冷硬↑⑵切削用量的影響切削速度v↑→塑變↓→冷硬↓f↑→切削力↑→塑變↑→冷硬↑⑶工件材料性能的影響

材料塑性↑→冷硬↑二、表面層殘余應(yīng)力定義：

機(jī)械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產(chǎn)生互相平衡的彈性力。這種應(yīng)力即為表面層的殘余應(yīng)力。1.表面層殘余應(yīng)力的產(chǎn)生1）冷態(tài)塑變切削后，表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。2）熱態(tài)塑變

表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力3）金相組織變化當(dāng)表面層體積增大時,產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力

表面層體積減小時，產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加工區(qū)及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生了一定的溫升。

定義：磨削加工時，表面層有很高的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到相變臨界點(diǎn)時，表層金屬就發(fā)生金相組織變化，強(qiáng)度和硬度降低、產(chǎn)生殘余應(yīng)力、甚至出現(xiàn)微觀裂紋。這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。淬火鋼在磨削時，由于磨削條件不同，產(chǎn)生的磨削燒傷有三種形式。三、表面層金相組織變化與磨削燒傷1.表面層金相組織變化與磨削燒傷的產(chǎn)生

淬火燒傷回火燒傷退火燒傷

磨削時工件表面溫度超過相變臨界溫度Ac3時，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在冷卻液作用下，工件最外層金屬會出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織。其硬度比原來的回火馬氏體高，但很薄，其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體。由于二次淬火層極薄，表面層總的硬度是降低的，這種現(xiàn)象稱為淬火燒傷。

磨削時，如果工件表面層溫度只是超過原來的回火溫度，則表層原來的回火馬氏體組織將產(chǎn)生回火現(xiàn)象而轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^低的回火組織（索氏體或屈氏體），這種現(xiàn)象稱為回火燒傷。

磨削時，當(dāng)工件表面層溫度超過相變臨界溫度Ac3時，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。若此時無冷卻液，表層金屬空冷冷卻比較緩慢而形成退火組織。硬度和強(qiáng)度均大幅度下降。這種現(xiàn)象稱為退火燒傷。2.磨削燒傷的三種形式磨削用量砂輪與工件材料改善冷卻條件1）砂輪轉(zhuǎn)速↑→

磨削燒傷↑2）徑向進(jìn)給量fp↑→

磨削燒傷↑3）

軸向進(jìn)給量fa↑→磨削燒傷↓4）工件速度vw↑→磨削燒傷↓1)磨削時，砂輪表面上磨粒的切削刃口鋒利↑→磨削力↓→磨削區(qū)的溫度↓2)磨削導(dǎo)熱性差的材料(耐熱鋼、軸承鋼、不銹鋼)↓→磨削燒傷↑3)應(yīng)合理選擇砂輪的硬度、結(jié)合劑和組織→磨削燒傷↓

采用內(nèi)冷卻法→磨削燒傷↓

圖3.影響磨削燒傷的因素及改善途徑采用開槽砂輪間斷磨削→受熱↓→磨削燒傷↓

圖第四節(jié)提高表面層物理力學(xué)性能的加工方法1．滾壓加工

滾壓加工是利用經(jīng)過淬火和精細(xì)研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)下對金屬表面進(jìn)行擠壓，使受壓點(diǎn)產(chǎn)生彈性和塑性變形，表層的凸起部分向下壓，凹下部分向上擠，逐漸將前工序留下的波峰壓平，降低了表面粗糙度；同時它還能使工件表面產(chǎn)生硬化層和殘余壓應(yīng)力。因此提高了零件的承載能力和疲勞強(qiáng)度。滾壓加工可以加工外圓、孔、平面及成型表面，通常在普通車床、轉(zhuǎn)塔車床或自動車床上進(jìn)行。如圖為典型的滾壓加工示意圖。2.噴丸強(qiáng)化

噴丸強(qiáng)化是利用大量快速運(yùn)動的珠丸打擊被加工工件表面，使工件表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力，如圖8-13所示為珠丸擠壓工件表面的狀態(tài),可顯著提高零件的疲勞強(qiáng)度。

珠丸可以是鑄鐵的，也可以是切成小段的鋼絲（使用一段時間后，自然變成球狀）。對于鋁質(zhì)工件，為避免表面殘留鐵質(zhì)微粒而引起電解腐蝕，宜采用鋁丸或玻璃丸。珠丸的直徑一般為0.2~4mm，對于尺寸較小、表面粗糙度值較小的工件，采用直徑較小的珠丸。噴丸強(qiáng)化主要用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜或不宜用其它方法強(qiáng)化的工件，如板彈簧、螺旋彈簧、連桿、齒輪、焊縫等。經(jīng)噴丸加工后的表面，硬化層深度可達(dá)0.7mm，零件表面粗糙度值可由Ra5~2.5μm減小到Ra0.63~0.32μm，可幾倍甚至幾十倍地提高零件的使用壽命。第五節(jié)機(jī)械加工中的振動振動會在工件加工表面出現(xiàn)振紋，降低了工件的加工精度和表面質(zhì)量；振動會引起刀具崩刃打刀現(xiàn)象并加速刀具或砂輪的磨損；振動使機(jī)床連接部分松動，影響運(yùn)動副的工作性能，并導(dǎo)致機(jī)床喪失精度；強(qiáng)烈的振動及伴隨而來的噪聲，還會污染環(huán)境，危害操作者的身心健康。為減小加工過程中的振動，有時不得不降低切削用量，使機(jī)械加工生產(chǎn)率降低。一、機(jī)械加工中的振動現(xiàn)象1、振動對機(jī)械加工的影響機(jī)械加工中振動的種類及其主要特點(diǎn)機(jī)械加工振動自激振動自由振動強(qiáng)迫振動當(dāng)系統(tǒng)受到初始干擾力激勵破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復(fù)力來維持的振動稱為自由振動。由于總存在阻尼，自由振動將逐漸衰減，如圖8-14a所示。(占5%)系統(tǒng)在周期性激振力(干擾力)持續(xù)作用下產(chǎn)生的振動，稱為強(qiáng)迫振動。強(qiáng)迫振動的穩(wěn)態(tài)過程是諧振動，只要有激振力存在振動系統(tǒng)就不會被阻尼衰減掉。如圖8-14b所示。(占35%)在沒有周期性干擾力作用的情況下，由振動系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力所激發(fā)和維持的振動，稱為自激振動。切削過程中產(chǎn)生的自激振動也稱為顫振。(占65%)1強(qiáng)迫振動的振源系統(tǒng)外部的周期性干擾力旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心傳動機(jī)構(gòu)的缺陷切削過程的間隙特性一、機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動與控制1）強(qiáng)迫振動是由周期性激振力引起的，不會被阻尼衰減掉，振動本身也不能使激振力變化。2）強(qiáng)迫振動的振動頻率與外界激振力的頻率相同，而與系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。3）強(qiáng)迫振動的幅值既與激振力的幅值有關(guān)，又與工藝系統(tǒng)的特性有關(guān)。2、強(qiáng)迫振動的特征3、減小強(qiáng)迫振動的措施減小激振力調(diào)整振源頻率提高工藝系統(tǒng)的剛度和阻尼采取隔振措施采用減振裝置。二、機(jī)械加工中的自激振動與控制1．自激振動的產(chǎn)生及特征

在實(shí)際加工過程中，由于偶然的外界干擾（如工件材料硬度不均、加工余量有變化等），會使切削力發(fā)生變化，從而使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生自由振動。系統(tǒng)的振動必然會引起工件、刀具間的相對位置發(fā)生周期性變化，這一變化若又引起切削力的波動，則使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動。因此通常將自激振動看成是由振動系統(tǒng)（工藝系統(tǒng)）和調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程）兩個環(huán)節(jié)組成的一個閉環(huán)系統(tǒng)，如圖所示。

激勵工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動運(yùn)動的交變力是由切削過程本身產(chǎn)生的，而切削過程同時又受工藝系統(tǒng)的振動的控制，工藝系統(tǒng)的振動一旦停止，動態(tài)切削力也就隨之消失。2自激振動的特征自激振動特點(diǎn)不衰減的振動它由振動過程本身引起切削力周期性變化，從不具備交變特性的能源中周期獲得能量，使振動得以維持。自激振動由振動系統(tǒng)本身參數(shù)決定，與強(qiáng)迫振動顯著不同。自由振動受阻尼作用將迅速衰減，而自激振動不會因阻尼存在而衰減。自