表面质量课件

第四章4.4机械加工表面质量机械制造技术基础

零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。

机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米~几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。4.4.1概述4.4.1概述表面形貌：主要描述加工后零件的几何特征，它包括表面粗糙度、表面波度和纹理等

表面缺陷：指加工表面上出现的宏观裂纹、伤痕和腐蚀现象等，对零件的使用有很大影响

微观组织和表面层的冶金化学性能：主要包括微观裂纹、微观组织变化及晶间腐蚀等表面层物理力学性能：主要包括表面层硬化深度和程度、表面层残余应力的大小、分布

表面层的其他工程技术特征：主要包括摩擦特性、光的反射率、导电性和导磁性等随着科学技术的发展，对产品的使用性能要求越来越高，一些重要零件需在高温、高压、高速的条件下工作，表面层的任何缺陷，直接影响零件的工作性能，为适应科学技术的发展，在研究表面质量的领域里提出了表面完整性的概念，主要有：零件表面质量表面粗糙度表面波度表面物理力学性能的变化表面微观几何形状特征表面层冷作硬化表面层残余应力表面层金相组织的变化表面质量的含义（内容）4.4.1概述表面质量对零件耐磨性的影响表面质量对零件疲劳强度的影响表面质量对零件工作精度的影响表面质量对零件耐腐蚀性能的影响4.4.2表面质量对零件使用性能的影响

表面粗糙度太大和太小都不耐磨。4.4.2表面质量对零件使用性能的影响1.表面质量对零件耐磨性的影响表面粗糙度对零件耐磨性的影响表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移

图4－41表面粗糙度与初期磨损量的关系加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。4.4.2表面质量对零件使用性能的影响表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响1.表面质量对零件耐磨性的影响

在轻载运动副中，两相对运动零件表面的刀纹方向均与运动方向相同时，耐磨性好；两者的刀纹方向均与运动方向垂直时，耐磨性差，这是因为两个摩擦面在相互运动中，切去了妨碍运动的加工痕迹。在重载时，两相对运动零件表面的刀绞方向均与相对运动方向一致时容易发生咬合，磨损量反而大；两相对运动零件表面的刀纹方向相互垂直，且运动方向平行于下表面的刀绞方向，磨损量较小。4.4.2表面质量对零件使用性能的影响表面纹理对零件耐磨性的影响1.表面质量对零件耐磨性的影响

表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。

对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。

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，其抗疲劳破坏的能力越差。4.4.2表面质量对零件使用性能的影响2.表面质量对零件疲劳强度的影响表面粗糙度对零件疲劳强度的影响适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。4.4.2表面质量对零件使用性能的影响表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响2.表面质量对零件疲劳强度的影响表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性4.4.2表面质量对零件使用性能的影响3.表面质量对零件工作精度的影响表面粗糙度对零件配合精度的影响表面残余应力对零件工作精度的影响

表面粗糙度较大，则降低了配合精度。表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响

零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。

因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响

零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性4.4.2表面质量对零件使用性能的影响4.表面质量对零件耐腐蚀性能的影响5.表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响

如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失零件表面质量粗糙度太大、太小都不耐磨适度冷硬能提高耐磨性、纹理影响对疲劳强度的影响对耐磨性影响对耐腐蚀性能的影响对工作精度的影响粗糙度越大，疲劳强度越差适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度粗糙度越大、工作精度降低残余应力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性4.4.2表面质量对零件使用性能的影响机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。切削加工表面粗糙度几何因素4.4.3影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制主偏角kr、副偏角kr′刀尖圆弧半径rε进给量f图4－40车削、刨削时残留面积高度fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf（1）工件材料的影响韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。

脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。物理力学因素4.4.3影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。切削加工表面粗糙度（2）切削速度的影响物理力学因素4.4.3影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。切削加工表面粗糙度加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺的影响）切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小图4－41加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度值。（4）其它因素的影响（3）进给量的影响物理力学因素4.4.3影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。切削加工表面粗糙度减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。此外，合理使用冷却润滑液，选择适当刀具材料，适当增大前角、后角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。影响切削加工表面粗糙度的因素刀具几何形状刀具材料、刃磨质量切削用量工件材料残留面积↓→Ra↓前角↑→Ra↓后角↑→摩擦↓→Ra↓刃倾角会影响实际工作前角

v↑→Ra↓f↑→Ra↑ap对Ra影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面材料塑性↑→Ra↑同样材料晶粒组织大↑→Ra↑，常用正火、调质处理刀具材料强度↑→Ra↓刃磨质量↑→Ra↓冷却、润滑↑→Ra↓4.4.3影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制磨削加工表面粗糙度磨削中影响粗糙度的几何因素工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。（1）砂轮的磨粒磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。4.4.3影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制（2）砂轮修整

砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃。磨削加工表面粗糙度磨削中影响粗糙度的几何因素4.4.3影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制图4－47砂轮上的磨粒因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压，没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。（1）磨削用量磨削中影响粗糙度的物理因素4.4.3影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制磨削加工表面粗糙度砂轮的转速↑→材料塑性变形↓→表面粗糙度值↓；磨削深度↑、工件速度↑→塑性变形↑→表面粗糙度值↑；为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。砂轮速度v↑，Ra↓

工件速度vw↑，Ra↑

砂轮纵向进给f↑，Ra

↑

磨削深度ap↑，Ra

↑图4-62磨削用量对表面粗糙度的影响vw

=40(m/min)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v=50(m/s)f=2.36(m/min)ap

=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(μm)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04b）图4-63光磨次数-Ra关系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)光磨次数↑，Ra↓4.4.3影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制（1）磨削用量磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度磨削中影响粗糙度的物理因素4.4.3影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制（2）工件材料太硬易使磨粒磨钝→Ra↑

；太软容易堵塞砂轮→Ra↑

；韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落→Ra↑。（3）砂轮粒度与硬度磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若导热情况不好，还会烧伤工件表面砂轮太硬，使表面粗糙度增大砂轮选得太软，使表面粗糙度值增大影响磨削加工表面粗糙度的因素粒度↓→Ra↓金刚石笔锋利↑，修正导程、径向进给量↓→Ra↓磨粒等高性↑→Ra↓硬度↑→钝化磨粒脱落↓→Ra↑硬度↓→磨粒脱落↑→Ra↑硬度合适、自励性好↑→Ra↓太硬、太软、韧性、导热性差↑→Ra↓砂轮粒度工件材料性质砂轮修正磨削用量砂轮硬度砂轮V↑→Ra↓ap、工件V↑→塑变↑→

Ra↑粗磨ap↑→生产率↑精磨ap↓→Ra↓(ap=0光磨)4.4.3影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制影响表面层物理力学性能的主要因素表面物理力学性能影响金相组织变化因素影响显微硬度因素影响残余应力因素塑变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化冷塑性变形热塑性变形金相组织变化切削热4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制表面层加工硬化的产生定义：机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制表面层的冷作硬化衡量表面层加工硬化的指标衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：1）表面层的显微硬度HV；2）硬化层深度h；3）硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0×100％

式中HV0——工件原表面层的显微硬度。

f↑，冷硬程度↑◆切削用量影响◆刀具影响

rε↑，冷硬程度↑其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)图4-65后刀面磨损对冷硬影响◆工件材料材料塑性↑，冷硬倾向↑切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）切削深度影响不大图4-64f和v对冷硬的影响硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：454.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制切削加工表面层的冷作硬化磨削速度↑→冷硬程度↓（弱化作用加强）工件转速↑→冷硬程度↑纵向进给量影响复杂磨削深度↑→冷硬程度↑◆磨削用量◆砂轮砂轮粒度↑→冷硬程度↓砂轮硬度、组织影响不显著◆工件材料材料塑性↑→冷硬倾向↑材料导热性↑→冷硬倾向↑图4-66磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制磨削加工表面层的冷作硬化定义：

机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制表面层残余应力1）冷态塑变工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形状态。切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。2）热态塑变表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力(其原理见图)3）金相组织变化比容大的组织→比容小的组织→体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大）表面层残余应力的产生图切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制表面层残余应力4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制表面层残余应力磨削裂纹的产生磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系。在磨削过程中，当工件表面层产生的残余应力超过工件材料的强度极限时，工件表面就会产生裂纹。磨削裂纹常与烧伤同时出现。

微裂及特点：深度极浅，呈网状或垂直于磨削方向；存在于表层或表层之下。在交变载荷作用下，裂纹会迅速发展避免微裂纹的措施：减小磨削热的产生和传散减小径向进给量，选用较软的砂轮，及时修正砂轮，减小工件与砂轮的接触面积，有效的冷却。切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升。

定义：磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹。这种现象称为磨削烧伤。淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤有三种形式。表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制表面层金相组织变化与磨削烧伤回火烧伤淬火烧伤退火烧伤磨削时工件表面温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。磨削烧伤的三种形式4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制表面层金相组织变化与磨削烧伤磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。磨削用量砂轮与工件材料磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承钢、不锈钢)↓→磨削烧伤↑应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织→磨削烧伤↓1）径向进给量fp↑→

磨削烧伤↑2）轴向进给量fa↑→磨削烧伤↓3）工件速度vw↑→磨削烧伤↓4）砂轮转速vs↑→

磨削烧伤↑影响磨削烧伤的因素及改善途径4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制表面层金相组织变化与磨削烧伤磨削的主运动：砂轮的旋转运动vc4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制磨削运动及磨削用量砂轮转速vs↑→磨削烧伤↑磨削的进给运动：工件的切向运动vwvw↑

生产率↑,

工件磨削烧伤↓;但vw过大，振动↑工件Ra↑4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制磨削运动及磨削用量工件的轴向进给运动fa：工件转一周，工件和砂轮在砂轮轴线方向的相对位移4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制磨削运动及磨削用量轴向进给量fa↑→磨削烧伤↓磨削运动及磨削用量径向进给运动fr：工作台两个行程之间砂轮在半径方向上的相对位移4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制径向进给量fp↑→磨削烧伤↑图内冷却装置1－锥形盖2－通道孔3－砂轮中心孔4－有径向小孔的薄壁套改善冷却条件采用内冷却法→磨削烧伤↓影响磨削烧伤的因素及改善途径4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制表面层金相组织变化与磨削烧伤图开槽砂轮

a）槽均匀分布b）槽不均匀分布

间断磨削→受热↓→磨削烧伤↓影响磨削烧伤的因素及改善途径4.4.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制表面层金相组织变化与磨削烧伤采用开槽砂轮滚压加工是利用经过淬火和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，使受压点产生弹性和塑性