机械制造工艺学讲义第四章机械加工表面质量81概述一、机械加工表面质量含义任何机械加工方法所获得的加工表面，在实际上都不可能是绝对理想的表面。经对加工表面的测试和分析表明，零件表面加工后存在着表面粗糙度、表面波度等微观几何形状误差以及划痕、裂纹等缺陷。此外，零件表面层在加工过程中也会产生物理、力学性能的变化，在某些情况下还会产生化学性质的变化。（表面波度表面的几何形状？美表面粗糙度纹理表面质量表面层的冷作硬化表面层的物理力学性能3力加工表面的金相组织变化：（加工表面的残余应力。（一）加工表面的几何形状特征一般说来，任何加工后的表面总是包含看三种误差：形状误差、表面波度和表面粗糙度，它们叠加在同一表面上，形成了复杂的表面形状。表面粗糙度一波长与波高比值一般小于50X；形状误差一一波长与波高之比一般大于1000：属于加工精度。表面波度一一波长与波高之比介于上述两种之间的。表面粗糙度，即表面微观几何形状误差，是加工方法本身所固有的，它的产生一般与刀刃的形状、刀具的进给、切屑的形成过程仅裂屑、剪切、积屑瘤等X电镀表面的生成等因素有关。表面波度是介于宏观形状误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差，表面波度的形成主要与加工过程中工艺系统的振动有关。除此之外，许多加工表面的图案具有明显的方向性，一般称其为纹理，纹理的形成主要取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。一般把表面粗糙度、波度和纹理划分为一类，统称为一一表面的几何形状特征。（二）加工表面层的物理力学性能的变化由于加工过程中力因素和热因素的综合作用，加工表面层金属的物理力学性能将发生一定的变化，主要体现在以下几个方面：1．加工表面层团塑性变形产生的冷作硬化2.加工表面层因切削或磨削热引起的金相组织变化：2石河子大学机械电气工程学院
机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 2 第四章 机械加工表面质量 §1 概 述 一、机械加工表面质量含义 任何机械加工方法所获得的加工表面，在实际上都不可能是绝对理想的表面。 经对加工表面的测试和分析表明，零件表面加工后存在着表面粗糙度、表面波度等 微观几何形状误差以及划痕、裂纹等缺陷。此外，零件表面层在加工过程中也会产 生物理、力学性能的变化，在某些情况下还会产生化学性质的变化。 表面波度 表面的几何形状 表面粗糙度 纹理 表面质量 表面层的冷作硬化 表面层的物理力学性能 加工表面的金相组织变化； 加工表面的残余应力。 （一）加工表面的几何形状特征 一般说来，任何加工后的表面总是包含着三种误差：形状误差、表面波度和表 面粗糙度，它们叠加在同一表面上，形成了复杂的表面形状。 表面粗糙度——波长与波高比值一般小于 50X； 形状误差——波长与波高之比一般大于 1000；属于加工精度。 表面波度——波长与波高之比介于上述两种之间的。 表面粗糙度，即表面微观几何形状误差，是加工方法本身所固有的，它的产生 一般与刀刃的形状、刀具的进给、切屑的形成过程仅裂屑、剪切、积屑瘤等 X 电镀 表面的生成等因素有关。表面波度是介于宏观形状误差与表面粗糙度之间的周期性 几何形状误差，表面波度的形成主要与加工过程中工艺系统的振动有关。 除此之外，许多加工表面的图案具有明显的方向性，一般称其为纹理，纹理的 形成主要取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。 一般把表面粗糙度、波度和纹理划分为一类，统称为——表面的几何形状特征。 （二）加工表面层的物理力学性能的变化 由于加工过程中力因素和热因素的综合作用，加工表面层金属的物理力学性能 将发生一定的变化，主要体现在以下几个方面： l．加工表面层团塑性变形产生的冷作硬化； 2．加工表面层因切削或磨削热引起的金相组织变化；
机械制造工艺学讲义3.加工表面层团力或热的作用产生的残余应力。表面质量的内涵不断扩大，已经出现了表面完整性的全新概念。它不但包括零件加工表面的几何形状特征和表面层的物理力学性能的变化，还包括表面缺陷，如表面裂纹、伤痕和腐蚀现象；表面的工程技术特性，如表面层的摩擦、光反射、导电特性等。二、机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响（一）表面质量对零件工作精度及其保持性的影响机器零件的工作精度与零件工作表面的表面质量有关，如滑动轴承或滚动轴承的回转精度就与其工作表面是否存在表面波度以及波度的大小有关。机器零件工作精度的保持性，主要取决于零件工作表面的耐磨性，耐磨性越高则工作精度的保持性越好。零件工作表面的耐磨性不仅与摩擦副的材料和润滑情况有关，而且还与两个相互运动零件的表面质量有关。在外力作用下，凸峰接触部分产生很大的压强，从而造成表面弹、塑性变形及剪切等现象，即产生了工作表面的磨损。即使在有润滑条件下，也因接触点处单位面积上的压力过大，超过了润滑油膜存在的临界值而破坏油膜，形成干摩擦，进而也会产生工作表面的磨损。实验证明，摩擦副的初期磨损量与其表面粗糙度有很大关系。如图3所示。最佳表面粗糙度一一指在一定条件下初期磨损量最小的表面粗糙度。图3中的曲线I表示在轻载和良好润滑条件下的实验结果。实验表明，在初期磨损过程中，摩擦副的表面粗糙度也在变化，当原有表面粗糙度度就等于最佳值时，则在磨损过程中摩擦副的表面粗糙度基本不变，此时初期磨损量最小。零件加工表面层的冷作硬化减少了摩擦副接触表面的弹性和塑性变形，从而摄高了耐磨性。例如Q235钢在冷拔加工后硬度提高15一45%，磨损实验中测得的磨损量约减少20一30%。但并不是冷作硬化程度越高表面耐磨性也越高，当加工表面过度硬化（过度冷态塑性变形）将引起表面层金属组织的过度“疏松”，甚至产生微观裂纹和剥落。为此，对任何一种金属材料也都有一个表面冷作强化程度的最佳值，低于或高于这个数值时磨损量都会增加。此外，加工表面产生金相组织的变化，也会改变表面层的原有硬度影响表面的耐磨性。例如，硬钢工件在磨削时产生的表面回火软化，将降低其表面的硬度而使表面耐磨性明显下降。（二）表面质量对零件抗腐蚀性的影响当机器零件在潮湿的空气中或在有腐蚀性的介质中工作时，常常会产生与介质直接接触表面的化学腐蚀或电化学腐蚀。化学腐蚀是由于在加工表面粗糙度的凹谷3石河子大学机械电气工程学院
机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 3 3．加工表面层团力或热的作用产生的残余应力。 表面质量的内涵不断扩大，已经出现了表面完整性的全新概念。它不但包括零 件加工表面的几何形状特征和表面层的物理力学性能的变化，还包括表面缺陷，如 表面裂纹、伤痕和腐蚀现象；表面的工程技术特性，如表面层的摩擦、光反射、导 电特性等。 二、机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 （一）表面质量对零件工作精度及其保持性的影响 机器零件的工作精度与零件工作表面的表面质量有关，如滑动轴承或滚动轴承 的回转精度就与其工作表面是否存在表面波度以及波度的大小有关。机器零件工作 精度的保持性，主要取决于零件工作表面的耐磨性，耐磨性越高则工作精度的保持 性越好。 零件工作表面的耐磨性不仅与摩擦副的材料和润滑情况有关，而且还与两个相 互运动零件的表面质量有关。在外力作用下，凸峰接触部分产生很大的压强，从而 造成表面弹、塑性变形及剪切等现象，即产生了工作表面的磨损。即使在有润滑条 件下，也因接触点处单位面积上的压力过大，超过了润滑油膜存在的临界值而破坏 油膜，形成干摩擦，进而也会产生工作表面的磨损。 实验证明，摩擦副的初期磨损量与其表面粗糙度有很大关系。如图 3 所示。 最佳表面粗糙度——指在一定条件下初期磨损量最小的表面粗糙度。 图 3 中的曲线 I 表示在轻载和良好润滑条件下的实验结果。实验表明，在初期 磨损过程中，摩擦副的表面粗糙度也在变化，当原有表面粗糙度度就等于最佳值时， 则在磨损过程中摩擦副的表面粗糙度基本不变，此时初期磨损量最小。 零件加工表面层的冷作硬化减少了摩擦副接触表面的弹性和塑性变形，从而提 高了耐磨性。例如 Q235 钢在冷拔加工后硬度提高 15－45％，磨损实验中测得的磨 损量约减少 20－30％。但并不是冷作硬化程度越高表面耐磨性也越高，当加工表面 过度硬化（过度冷态塑性变形）将引起表面层金属组织的过度“疏松”，甚至产生微 观裂纹和剥落。为此，对任何一种金属材料也都有一个表面冷作强化程度的最佳值， 低于或高于这个数值时磨损量都会增加。 此外，加工表面产生金相组织的变化，也会改变表面层的原有硬度影响表面的 耐磨性。例如，淬硬钢工件在磨削时产生的表面回火软化，将降低其表面的硬度而 使表面耐磨性明显下降。 （二）表面质量对零件抗腐蚀性的影响 当机器零件在潮湿的空气中或在有腐蚀性的介质中工作时，常常会产生与介质 直接接触表面的化学腐蚀或电化学腐蚀。化学腐蚀是由于在加工表面粗糙度的凹谷
机械制造工艺学讲义处易积聚腐蚀性介质而产生的化学反应。电化学腐蚀是由于两个不同金属材料的零件表面相接触时，在表面粗糙度的顶峰间产生电化学作用而被腐蚀。无论是化学腐蚀还是电化学腐蚀，其腐蚀程度均与表面的粗糙度有关。表面粗糙度越高，凹处越尖，就越容易被腐蚀。此外，当表面层存在有残余压应力时，有助于表面微小裂纹的封团，阻碍侵蚀作用的扩展，从而提高了表面的抗腐蚀能力。（三）表面质量对零件疲劳强度的影响在交变载荷作用下，零件表面的粗糙度、划痕和裂纹等缺陷会引起应力集中现象，在微观的低凹处的应力易于超过材料的疲劳极限而出现疲劳裂缝。不同加工方法得到的表面粗糙度不同，其疲劳强度也有所不同。从表中可以看到，表面粗糙度越高，疲劳强度越低；越是优质钢材，晶粒越细小，组织越致密，则表面粗糙度对疲劳强度的影响越大。此外，加工表面粗糙度的纹理方向对疲劳强度也有较大的影响，当其方向与受力方向垂直时，则疲劳强度将明显下降。加工表面层的冷作硬化能阻碍已有裂纹的扩大和新的疲劳裂纹的产生，减轻表面缺陷和表面粗糙度的影响程度，故可提高零件的疲劳强度。加工表面层的残余应力对疲劳强度的影响很大，若表面层的残余应力为压应力则能部分抵消交变载荷施加的拉应力，妨碍和延缓疲劳裂纹的产生或扩大，从而可以提高零件的疲劳强度。若表面层的残余应力为拉应力，则容易使零件在交变载荷作用下产生裂纹，从而大大降低零件的疲劳强度。（四）表面质量对零件之间配合性质的影响对于机器中相配合的零件，若加工表面的粗糙度过大，则必然要影响到它们的实际配合性质。任何一台新机器的正常持久的工作状态是从初期磨损后才开始的，若具有间隙配合的配合表面的粗糙度过高，则经初期磨损后其配合间隙就会增大很多，从而改变了应有的配合性质，甚至可能造成新机器刚经过“跑合”阶段就已漏气、漏油或晃动而不能正常工作。为此，在配合间隙要求很小的情况下，就不仅要保证配合表面具有较高的尺寸和形状精度，还应保证具有足够低的表面粗糙度。因此，对手精度高的配合组件，对其有关零件配合表面的粗糙度也必须提出应的要求。根据实验研究的结果，可按下述关系选取零件尺寸大于50mm时，Rz=（0.10一0.15）T零件尺寸在18一50mm时，Rz=（0.15一0.20）T零件尺寸小于18mm时，Rz=（0.20一0.25）T式中T一一零件尺寸公差4石河子大学机械电气工程学院
机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 4 处易积聚腐蚀性介质而产生的化学反应。电化学腐蚀是由于两个不同金属材料的零 件表面相接触时，在表面粗糙度的顶峰间产生电化学作用而被腐蚀。无论是化学腐 蚀还是电化学腐蚀，其腐蚀程度均与表面的粗糙度有关。表面粗糙度越高，凹处越 尖，就越容易被腐蚀。此外，当表面层存在有残余压应力时，有助于表面微小裂纹 的封闭，阻碍侵蚀作用的扩展，从而提高了表面的抗腐蚀能力。 （三）表面质量对零件疲劳强度的影响 在交变载荷作用下，零件表面的粗糙度、划痕和裂纹等缺陷会引起应力集中现 象，在微观的低凹处的应力易于超过材料的疲劳极限而出现疲劳裂缝。不同加工方 法得到的表面粗糙度不同，其疲劳强度也有所不同。 从表中可以看到，表面粗糙度越高，疲劳强度越低；越是优质钢材，晶粒越细 小，组织越致密，则表面粗糙度对疲劳强度的影响越大。此外，加工表面粗糙度的 纹理方向对疲劳强度也有较大的影响，当其方向与受力方向垂直时，则疲劳强度将 明显下降。 加工表面层的冷作硬化能阻碍已有裂纹的扩大和新的疲劳裂纹的产生，减轻表 面缺陷和表面粗糙度的影响程度，故可提高零件的疲劳强度。 加工表面层的残余应力对疲劳强度的影响很大，若表面层的残余应力为压应力， 则能部分抵消交变载荷施加的拉应力，妨碍和延缓疲劳裂纹的产生或扩大，从而可 以提高零件的疲劳强度。若表面层的残余应力为拉应力，则容易使零件在交变载荷 作用下产生裂纹，从而大大降低零件的疲劳强度。 （四）表面质量对零件之间配合性质的影响 对于机器中相配合的零件，若加工表面的粗糙度过大，则必然要影响到它们的 实际配合性质。 任何一台新机器的正常持久的工作状态是从初期磨损后才开始的，若具有间隙 配合的配合表面的粗糙度过高，则经初期磨损后其配合间隙就会增大很多，从而改 变了应有的配合性质，甚至可能造成新机器刚经过“跑合”阶段就已漏气、漏油或 晃动而不能正常工作。为此，在配合间隙要求很小的情况下，就不仅要保证配合表 面具有较高的尺寸和形状精度，还应保证具有足够低的表面粗糙度。 因此，对于精度高的配合组件，对其有关零件配合表面的粗糙度也必须提出相 应的要求。根据实验研究的结果，可按下述关系选取 零件尺寸大于 50mm 时，Rz＝（0.10－0.15）T 零件尺寸在 18－50mm 时，Rz=（0.15－0.20）T 零件尺寸小于 18mm 时，Rz=（0.20－0.25）T 式中 T——零件尺寸公差
机械制造工艺学讲义三、机械加工表面质量的研究内容为保证机器产品的使用性能和使用寿命，机械加工表面质量应研究如下内容：（一）表面粗糙度及其降低的工艺措施：（二）表面层物理、力学性能及其改善的工艺措施：（三）机械加工中的振动及其控制。2表面粗糙度及其降低的工艺播施一、切削加工在用金属切削刀具对零件表面进行加工时，造成加工表面粗糙度的因素有几何因素。物理因素和工艺系统振动三个方面。（一）几何因素对车削加工，若主要是以刀刃的直线部分形成表面粗糙度（不考虑刀尖圆弧半径的影响），可通过几何关系导出fH=ctgK, +ctgK'式中f一具的进给量（mm/r）；Kr、Kr！一刀具的主偏角和副偏角。若加工时的切削深度和进给量均较小，则加工后表面粗糙度主要是由刀尖的圆弧部分构成，其关系可导出H~f?8rRz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。在进给量小，切屑薄及金属材料塑性较大的情况下，这个差别就更大些。但对铰孔加工来说，则同用宽刃车刀精车加工一样，刀具的进给量对加工表面粗糙度的影响不大。为见，当只考虑几何因素影响时，可采取选用合理的刀具几何角度，减小主偏角、副偏角，减小进给量、增大刀尖圆弧半径和选用具有直线过渡刃的刀具，可以减小表面粗糙度值。（二）物理因素切削加工后表面的实际轮廓与纯几何因素所形成的理想轮廓往往都有较大差别，这主要是因为在加工过程中还有塑性变形等物理因素的影响。如在加工过程中5石河子大学机械电气工程学院
机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 5 三、机械加工表面质量的研究内容 为保证机器产品的使用性能和使用寿命，机械加工表面质量应研究如下内容： （一）表面粗糙度及其降低的工艺措施； （二）表面层物理、力学性能及其改善的工艺措施； （三）机械加工中的振动及其控制。 §2 表面粗糙度及其降低的工艺措施 一、切削加工 在用金属切削刀具对零件表面进行加工时，造成加工表面粗糙度的因素有几何 因素。物理因素和工艺系统振动三个方面。 （一）几何因素 对车削加工，若主要是以刀刃的直线部分形成表面粗糙度（不考虑刀尖圆弧半 径的影响），可通过几何关系导出 H= r Kr ctgK ctg f + ¢ 式中 f—刀具的进给量（mm／r）； Kr、Kr′—刀具的主偏角和副偏角。 若加工时的切削深度和进给量均较小，则加工后表面粗糙度主要是由刀尖的圆 弧部分构成，其关系可导出 H≈ e r f 8 2 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。在进给 量小，切屑薄及金属材料塑性较大的情况下，这个差别就更大些。 但对铰孔加工来说，则同用宽刃车刀精车加工一样，刀具的进给量对加工表面 粗糙度的影响不大。 为见，当只考虑几何因素影响时，可采取选用合理的刀具几何角度，减小主偏 角、副偏角，减小进给量、增大刀尖圆弧半径和选用具有直线过渡刃的刀具，可以 减小表面粗糙度值。 （二）物理因素 切削加工后表面的实际轮廓与纯几何因素所形成的理想轮廓往往都有较大差 别，这主要是因为在加工过程中还有塑性变形等物理因素的影响。如在加工过程中
机械制造工艺学讲义产生的积屑瘤、鳞刺和振动等对加工表面的粗糙度均有很大影响。现对影响加工表面粗糙度的物理因素分别加以分析。1.切削用量的影响(1)进给量f的影响在粗加工和半精加工中，当f>0.15mm/r时，对表面粗糙度Rz的影响很大，符合前述的几何因素的影响关系。当f<0.15mm/r时，则f的进一步减少就不能引起Rz明显的降低f<0.02mm/r时，就不再使Rz降低，这时加工表面粗糙度主要取决于被加工表面的金属塑性变形程度。(2)切削速度v的影响加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响较大。切削速度越高，切削过程中切屑和加工表面层的塑性变形程度越轻，加工后表面粗糙度也就越低。当切削速度较低时，刀刃上易出现积屑瘤，它将使加工表面的粗糙度提高。实验证明，当切削速度v下降到某一临界值以下时，Rz将明显提高（见图5中的Rz曲线）。产生积屑瘤的临界速度将随加工材料、冷却润滑及刀具状况等条件的不同而不同。用较高的切削速度，既可使生产率提高又可使表面粗糙度下降。所以不断地创造条件以提高切削速度，一直是提高工艺水平的重要方向。加工脆性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响不大。一般说，切削脆性材料比切削塑材料容易达到表面粗糙度的要求。（3）切削深度a.的影响一般来说切削深度a,对加工表面粗糙度的影响是不明显的。但当a,小到一定数值以下时，由于刀刃具有一定的刃口半径p，常出现挤压、打滑和周期性地切入加工表面等现象，从而使表面粗糙度提高。为降低加工表面粗糙度，应根据刀具刃口刃磨的锋利情况选取相应的切削深度值。2.工件材料性能的影响工件材料的韧性和塑性变形倾向越大，切削加工后的表面粗糙度越高，低碳钢的工件，加工后的表面粗糙度就高于中碳钢工件。由于黑色金属材料中的铁素体的韧性好、塑性变形大，若能将铁素体一一珠光体组织转变为索氏体或屈氏体一马氏体组织，就可降低加工后的表面粗糙度。工件材料金相组织的晶粒越均匀、颗粒越细，加工时越能获得较低的表面粗糙度。为此，对工件进行正火或回火处理后再加工，能使加工表面粗糙度明显降低。3.刀具材料的影响6石河子大学机械电气工程学院
机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 6 产生的积屑瘤、鳞刺和振动等对加工表面的粗糙度均有很大影响。现对影响加工表 面粗糙度的物理因素分别加以分析。 1.切削用量的影响 (1)进给量 f 的影响 在粗加工和半精加工中，当 f＞0．15mm／r 时，对表面粗糙度 Rz 的影响很大， 符合前述的几何因素的影响关系。 当 f＜0.15mm／r 时，则 f 的进一步减少就不能引起 Rz 明显的降低 f＜0.02mm／r 时，就不再使 Rz 降低，这时加工表面粗糙度主要取决于被加工表面的金属塑性变形 程度。 (2)切削速度 v 的影响 加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响较大。切削速度 v 越高，切削 过程中切屑和加工表面层的塑性变形程度越轻，加工后表面粗糙度也就越低。 当切削速度较低时，刀刃上易出现积屑瘤，它将使加工表面的粗糙度提高。实 验证明，当切削速度 v 下降到某一临界值以下时，Rz 将明显提高（见图 5 中的 Rz 曲线）。产生积屑瘤的临界速度将随加工材料、冷却润滑及刀具状况等条件的不同而 不同。 用较高的切削速度，既可使生产率提高又可使表面粗糙度下降。所以不断地创 造条件以提高切削速度，一直是提高工艺水平的重要方向。 加工脆性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响不大。一般说，切削脆性材料 比切削塑材料容易达到表面粗糙度的要求。 （3）切削深度 ap的影响 一般来说切削深度 ap对加工表面粗糙度的影响是不明显的。但当 ap小到一定数 值以下时，由于刀刃具有一定的刃口半径ρ，常出现挤压、打滑和周期性地切入加 工表面等现象，从而使表面粗糙度提高。为降低加工表面粗糙度，应根据刀具刃口 刃磨的锋利情况选取相应的切削深度值。 2.工件材料性能的影响 工件材料的韧性和塑性变形倾向越大，切削加工后的表面粗糙度越高，低碳钢 的工件，加工后的表面粗糙度就高于中碳钢工件。由于黑色金属材料中的铁素体的 韧性好、塑性变形大，若能将铁素体——珠光体组织转变为索氏体或屈氏体一马氏 体组织，就可降低加工后的表面粗糙度。 工件材料金相组织的晶粒越均匀、颗粒越细，加工时越能获得较低的表面粗糙 度。为此，对工件进行正火或回火处理后再加工，能使加工表面粗糙度明显降低。 3.刀具材料的影响