表面质量概述及表面粗糙度的影响因素课件

第3章机械加工表面质量及其控制

13.1加工表面质量及其对使用性能的影响

3.1.1加工表面质量的概念

1.加工表面的几何形貌

是由加工过程中刀具与被加工工件的摩擦、切屑分离时的塑性变形以及加工系统的振动等因素的作用，在工件表面上留下的表面结构。它包括以下4方面内容：（1)表面粗糙度加工表面的微观几何轮廓。其波长与波高比值一般小于50。（2)波纹度加工表面上波长与波高的比值等于50-1000的几何轮廓，由机械加工中的振动引起的。（3)纹理方向表面刀纹的方向，取决于表面形成过程中所采用的加工方法。（4)表面缺陷加工表面上出现的缺陷，如砂眼、气孔、裂痕等。22．表面层金属的力学物理性能和化学性能

由于机械加工中力因素和热因素的综合作用，加工表面层金属的力学物理性能和化学性能将发生一定的变化，主要反映在以下几方面：（1)表面层金属的冷作硬化

机械加工过程中，工件表面层金属都会有一定程度的冷作硬化，使表面层金属的显微硬度有所提高。（2)表面层金属的金相组织变化

由机械加工过程中的切削热引起的。（3)表面层金属的残余应力

由机械加工过程中的切削热和切削力综合作用的结果。33.1.2加工表面质量对机器零件使用性能的影响

1．表面质量对耐磨性的影响（1）表面粗糙度对耐磨性的影响

一般说来，表面粗糙度值越小，其耐磨性越好。但是表面粗糙度值太小，因接触面容易发生分子粘接，且润滑液不易储存，磨损反而增加。因此，就磨损而言，存在一个最优表面粗糙度值，此值与零件的工作载荷有关（如图1）。如机床导轨面的粗糙度值，一般以Ra1.6μm～0.8μm为好。图1表面粗糙度与磨损量的关系（2）表面纹理对耐磨性的影响一般来说，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好；尖峰状的表面纹理由于摩擦副接触面压强大，耐磨性较差。在运动副中，两相对运动零件表面的刀纹方向均与运动方向相同时，耐磨性较好；两者的刀纹方向均与运动方向垂直时，耐磨性最差。4

（3）冷作硬化对耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般都能使耐磨性有所提高。但并不是说冷作硬化的程度越高，耐磨性就越高。因硬化程度再大反会使结晶组织出现过度变形，甚至产生裂纹或剥落，使磨损加剧，耐磨性反而降低。图2冷硬程度与耐磨性的关系

2.表面质量对耐疲劳性的影响

（1）表面粗糙度对耐疲劳性的影响

表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抵抗疲劳破坏的能力越差。影响还与材料对应力集中的敏感程度和材料的强度极限有关。钢材对应力集中最为敏感，铸铁和非铁金属对应力集中的敏感性较弱。（2）表面层金属的力学物理性质对耐疲劳性的影响①表面层金属的冷作硬化的影响能够阻止疲劳裂纹的生长，可提高零件的耐疲劳强度。②表面层金属的残余应力的影响拉伸残余应力将使耐疲劳强度下降；压缩残余应力则使耐疲劳强度提高。53.表面质量对耐蚀性的影响

（1）表面粗糙度的影响表面粗糙度值越大，加工表面与气体、液体接触的面积越大，腐蚀物质越容易沉积于凹坑中，耐蚀性能就越差。（2）表面层金属力学物理性质的影响零件表面层有残余压应力时，能够阻止表面裂纹的进一步扩大，有利于提高零件表面抵抗腐蚀的能力。4.表面质量对零件配合质量的影响(1)对于间隙配合表面

原有间隙将因急剧的初期磨损而改变，表面粗糙度越大，变化量就越大，从而影响配合的稳定性。

(2)对于过盈配合表面

表面粗糙度越大，两表面相配合时表面凸峰易被挤掉，这会使过盈量减少，影响配合的可靠性。63.2影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改进措施

3.2.1切削加工表面粗糙度

其值主要取决于切削残留面积的高度。影响切削残留面积高度的因素主要有：刀尖圆弧半径r

、主偏角kr、副偏角kr’及进给量f等。图3车削、刨削时残留面积的高度

车削、刨削时残留面积高度的计算示意图如图3。其中图a是用尖刀切削的情况，切削残留面积的高度为：（公式1）

图b是用圆弧刀刃切削的情况，切削残留面积的高度为：（公式2）

可见，切削加工时，选择较小的进给量f和较大的刀尖圆弧半径r

将会使表面粗糙度得到改善。7

切削加工后表面粗糙度的实际轮廓形状，一般与纯几何因素所形成的理论轮廓有较大的差别，这是由于切削加工中有塑性变形发生的缘故。切削速度v（m/min)图4加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响

图4描述了加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响。在实际生产中，用低速宽刀精切和高速精切，往往可以得到较小的表面粗糙度值

加工脆性材料，切削速度对表面粗糙度的影响不大。对于同样的材料，金相组织越粗大，切削加工后的表面粗糙度值也越大，所以为减小切削加工后的表面粗糙度值，常在精加工前对工件进行调质等处理。此外，合理选用切削液、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糙度值。83.2.2磨削加工后的表面粗糙度

1．几何因素的影响单纯从几何因素考虑，可以认为：在单位面积上刻痕越多，即通过单位面积的磨粒数越多，刻痕的等高性越好，则磨削表面的粗糙度值越小。（1）磨削用量对表面粗糙度值的影响

砂轮的速度越高、工件速度越低、砂轮的纵向进给减小，工件表面的每个部位被砂轮重复磨削的次数增加，被磨表面的粗糙度值将减小。（2）砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响在相同的磨削条件下，砂轮的粒度号数越大（磨粒越细），参加磨削的磨粒越多,表面粗糙度值就越小。修整砂轮时，金刚石笔的纵向进给量越小，砂轮表面磨粒的等高性越好，被磨工件的表面粗糙度值就越小。2．物理因素的影响——表面层金属的塑性变形磨削加工中，往往是影响表面粗糙度的决定性因素。（1）磨削用量的影响9

砂轮速度越高，表层金属的塑性变形减小，磨削表面的粗糙度值将明显减小；工件速度增加，塑性变形增加，表面粗糙度值将增大；磨削深度增大，塑性变形将随之增大，被磨的表面粗糙度值会增大。（2）砂轮的选择

粒度：单纯从几何因素考虑，砂轮磨粒越细，磨削的表面粗糙度值越小。但磨粒太细时，砂轮易被磨屑堵塞，若导热情况不好，反而会在加工表面产生烧伤等现象，使表面粗糙度值增大。砂轮粒度常取为46-60号。

砂轮的硬度（不是磨料的硬度）：磨粒在磨削力作用下从砂轮上脱落的难易程度。砂轮选得太硬，磨粒不易脱落，“自锐”性差，磨钝的磨粒不能及时被新磨粒替代，使表面粗糙度值增大；砂轮选得太软，磨粒易脱落，“保形”性差，磨削作用减弱，也会使表面粗糙度值增大。通常选用中软砂轮。

砂轮的材料：选