第八章：機械加工表面質量

（約4學時）

本章提要本章旨在研究零件表面層在加工中的變化和發生變化的機理，掌握機械加工中各種工藝因素對表面質量的影響規律，運用這些規律來控制加工中的各種影響因素，以滿足表面質量的要求。本章主要討論機械加工表面質量的含義、表面質量對使用性能的影響、表面質量產生的機理等。對生產現場中發生的表面質量問題，如受力變形、磨削燒傷、裂紋和振紋等問題從理論上作出解釋，提出提高機械加工表面質量的途徑。8.1機械加工后的表面質量

8.1.1表面質量的含義

表面質量是指機器零件加工后表面層的狀態。它有下面兩部分：⑴表面層的幾何形狀表面粗糙度、表面波度。⑵表面層的物理機械性能

表面冷作硬化、表面層金相組織的變化、表面層殘余應力表面層的冷作硬化機械加工過程中表面層金屬產生強烈的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產生剪切滑移，晶粒被拉長，這些都會使表面層金屬的硬度增加，塑性減小，統稱為冷作硬化。表面層殘余應力機械加工過程中由于切削變形和切削熱等因素的作用在工件表面層材料中產生的內應力，稱為表面層殘余應力。表面層金相組織變化機械加工過程中，在工件的加工區域，溫度會急劇升高，當溫度升高到超過工件材料金相組織變化的臨界點時，就會發生金相組織變化。例如磨削淬火鋼件時，常會出現回火燒傷、退火燒傷等金相組織變化，將嚴重影響零件的使用件能。8.1.2表面質量對零件使用性能的影響

8.1.2.1對零件耐磨性的影響如圖7.17所示，最初接觸的只是一些凸峰頂部，實際接觸面積比名義接觸面積小得多。圖8.2所示是實驗所得的不同表面粗糙度對初期磨損量的影響曲線。圖8.4所示兩摩擦表面粗糙度紋路方向對零件耐磨性的影響。8.1.2.2對零件疲勞強度的影響零件表面微觀不平與表面的缺陷一樣都會產生應力集中現象；零件表面的冷硬層能夠阻礙裂紋的擴大和新裂紋的出現，可以提高零件的疲勞強度(但冷硬層過深或過硬則容易產生裂紋，反而會降低疲勞強度)表面層殘余的壓應力能夠部分地抵消工作載荷施加的拉壓力，延緩疲勞裂紋擴展。而殘余拉應力容易使已加工表面產生裂紋而降低疲勞強度。8.1.2.3對零件抗腐蝕性能的影響零件表面粗糙度值越大，抗腐蝕性能越差。表面冷硬和金相組織變化都會產生內應力。零件在應力狀態下工作時，會產生腐蝕，降低零件的抗腐蝕性能。8.1.2.4對零件的其它影響表面質量對零件的配合質量、密封性能及磨擦系數都有很大的影響。表面粗糙度值越大，對動配合來說，使用不久就會使配合性質發生變化；對靜配合來說，壓裝時會減少過盈量。表面層有裂紋、加工痕跡等各種缺陷，在動載荷的作用下，可能引起應力集中等。8.2機械加工后的表面粗糙度

8.2.1切削加工后的表面粗糙度

8.2.1.1幾何因素*減小f、、及增大，均可減小殘留面積的高度R值。

8.2.1.2物理因素由圖8.6可知，切削加工后表面的實際粗糙度與理論粗糙度有比較大的差別，它與被加工材料的性能及切削機理有關物理因素的影響有關。韌性越好的材料塑性變形就越大，且容易出現積屑瘤與鱗刺，使粗糙度嚴重惡化。8.2.2磨削加工后表面粗糙度影響磨削后表面粗糙度的因素也可歸納為三個方面：①與磨削過程和砂輪結構有關的幾何因素；②與磨削過程和被加工材料塑性變形有關的物理因素；③工藝系統的振動因素為了降低表面粗糙度值，應考慮以下主要影響因素：①砂輪的粒度(粒度愈細)②砂輪的修整(修整質量越高，等高微刃(圖8.7)就越多)③砂輪速度(提高砂輪速度增加工件刻痕數和材料來不及變形)④工件速度(工件速度越大，表面粗糙度值增大)⑤徑向進給量(增大磨削徑向進給量將增加塑性變形的程度從而增大粗糙度)⑥軸向進給量(磨削時采用較小的軸向進給量，則磨削后表面粗糙度較低)

另外，工藝系統的振動引起粗糙度增大。8.3機械加工后的表面層物理機械性能

8.3.1機械加工后表面層的冷作硬化*

8.3.1.1冷作硬化產生的原因切削或磨削加工時，表面層金屬由于塑性變形使晶體間產生剪切滑移，晶格發生拉長、扭曲和破碎而得到強化。8.3.1.2影響冷作硬化的主要因素①刀具刀具的切削刃口圓角和后刀面的磨損量對于冷作硬層有很大影響。前角減少時，冷硬也增大。②切削用量VC冷硬

；f冷硬，但f較小冷硬③被加工工件材料被加工工件材料硬度愈低、塑性愈大，切削后的冷硬現象愈嚴重8.3.2機械加工后表面層金相組織的變化

8.3.2.1金相組織變化的原因磨削時，溫度可上升到400～1000oC，甚至更高。出現金相織的變化，強度和硬度下降，產生殘余應力，甚至引起裂紋，這就是磨削燒傷現象。磨削淬火鋼時表面層燒傷有以下三種：①回火燒傷磨削區溫度超過馬氏體轉變溫度而未超過相變溫度;②淬火燒傷磨削區溫度超過相變溫度(用冷卻液時);③退火燒傷不用冷卻液進行干磨削時，磨削區溫度超過相變溫度，工件表層被退火。

磨削燒傷嚴重影響零件的使用性能，必須采取措施加以控制。

控制磨削燒傷有兩個途徑：一是盡可能減少磨削熱的產生；二是改善冷卻條件，盡量減少傳人工件的熱量。采用硬度稍軟的砂輪，適當減小磨削深度和磨削速度，適當增加工件的回轉速度和軸向進給量，采用高效冷卻方式（如高壓大流量冷卻、噴霧冷卻、內冷卻）等措施，都可以降低磨削區溫度，防止磨削燒傷。8.3.2.2影響磨削加工時金相組織變化的因素①工件材料為低碳鋼時不會發生相變。高合金鋼如軸承鋼、高速鋼、鎳鉻鋼等傳熱性特別差易出現磨削燒傷②磨削溫度、溫度梯度及冷卻速度等可引起工件表面金相組織發生不同變化。8.3.3機械加工后表面層的殘余應力

8.3.3.1殘余應力產生的原因⑴冷態塑性變形機械加工時，表層金屬產生強烈塑性變形。⑵熱態塑性變形機械加工時，切削或磨削熱使工件表面局部溫升過高，引起高溫塑性變形(圖8.10為因加工溫度而引起殘余應力的示意圖)⑶金相組織變化切削時產生的高溫會引起表面的相變。實際機械加工后的表面層殘余應力及其分布，是上述三方面因素綜合作用的結果，在一定條件下，其中某一或二種因素可能主導作用。(圖8.11所示為三類磨削條件下產生的表面層殘余應力)另外：影響殘余應力的工藝因素主要是刀具的前角、切削速度以及工件材料的性質和冷卻潤滑液。8.3.3.2磨削裂紋的產生磨削加工中熱態塑性變形和金相織變化的影響較大，故大多數磨削零件的表面層往往有殘余拉應力。當殘余拉應力超過材料的強度極限時，零件表面就會出現裂紋。(如圖8.12所示)8.4控制加工表面質量的工藝途徑

8.4.1減小殘余拉應力、防止磨削燒傷和磨削裂紋的工藝途徑8.4.1.1選擇合理的磨削參數減少砂輪速度和背吃刀量；適當提高進給量和工件速度。8.4.1.2選擇有效的冷卻方法采用高壓大流量冷卻、內冷卻或為減輕高速旋轉的砂輪表面的高壓附著氣流的作用，加裝空氣擋板(圖8.13)8.4.2采用冷壓強化工藝

8.4.2.1噴丸噴丸是一種用壓縮空氣或離心力將大量直徑細小(0.4～2㎜)的丸粒(鋼丸、玻璃丸)以30～50m/s的速度向零件表面噴射的方法(如圖8.14(a))8.4.2.2滾壓用工具鋼淬硬制成的鋼滾輪或鋼珠在零件上進行滾壓，如圖8.14(b)8.4.3.采用精密和光整加工工藝精密和光整加工工藝是指經濟加工精度在IT5~IT7級以上，表面粗糙度小于0.16，表面物理機械性能也處于十分良好狀態的各種加工工藝方法。8.4.3.1精密加工工藝

精密加工工藝方法有高速精鏜、高速精車、寬刃精刨和細密磨削等。8.4.3.2光整加工工藝

⑴珩磨⑵超精加工⑶研磨⑷拋光拋光是在布輪、布盤或砂帶等軟的研具上涂以拋光膏來加工工件的。8.5機械加工過程中的振動問題簡介

8.5.1振動的概念與類型金屬切削過程中，工件和刀具之間常常發生強烈的振動，它分為自由振動、強迫振動和自激振動三種。8.5.2機械加工中的強迫振動強迫振動是在外界周期干擾力的作用下產生的，但振動本身并不能引起干擾力的變化。不管振動系統本身的固有頻率如何，強迫振動的固有頻率總是與外界干擾力的頻率相同。強迫振動的振幅大小在很大程度上取決于干擾力的頻率與系統固有頻率的比值。當這個頻率比等于或接近1時，振幅達到最大值，出現“共振”現象。干擾力越大，系統剛度及阻尼系數越小，則強迫振動的振幅就越大8.5.3機械加工中的自激振動自激振動是由振動過程本身引起切削力周期性變化，又由這個周期性變化的切削力反過來加強和維持振動，使振動系統補充了由阻尼作用消耗的能量，讓振動維持下去。切削過程中的自激振動可舉日常生活中常見的電鈴為例來說明(如圖8.24，8.25)金屬切削過程中自激振動的原理如圖8.26所示。維持振動的能量來源于機床的能源。自激振動與強迫振動相同，是一種不衰減的振動。維持振動的交變力是由振動本身所產生和控制的，當振動一停止，則此交變力也隨之消失。只要停止切削過程，即使機床仍繼續空運轉，自激振動也就