第五章 机械加工表面质量第五章 机械加工表面质量

5-1 5-1 概述概述一、机械加工表面质量含义包括：微观几何形状 表层物理力学性能

（一）加工表面的几何形状特征表面几何误差包括： 形状误差： 波长 / 波幅 >1000

表面轮廓曲线经低通滤波获得 波纹度： 50< 波长 / 波幅 <1000

表面轮廓曲线经带通滤波获得

一般与刃口形状，进给，刀瘤等有关。 表面微观不平度误差： 波长 / 波幅 <50

表面轮廓曲线经高通滤波获得 一般与工艺系统的振动有关。

（二）加工表面层的物理力学性能变化

受加工中力、热等因素的作用，表面金

属力学性能将发生变化：

1 、表层因塑性变形而产生的冷作硬化

2 、表层因受热而发生金相组织变化

3 、表层因力，热等作用而产生残余应力

表面完整性包括：微观几何不平度、力学性能

变化、摩擦反射性能等

二、表面质量对零件使用性能的影响

（一）表面质量对工作精度及其保持性的影响

零件的工作精度主要与微观几何不平度有关

精度保持性主要与表面耐磨性有关

耐磨性则与表面几何质量、表面力学性能有关

一般的磨损过程分为三个阶段：

初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段

初期磨损阶段结束时的磨损量称为初期磨损量。

初期磨损量与表面几何质量有关，一定载荷、润滑条件下初期磨损量与表面粗糙度之间的关系如下图所示：

当载荷增大、润滑条件恶化时，曲线向右上方移动，即：载荷增大、润滑条件恶化时，最佳粗糙度增大。

（二）表面质量对耐腐蚀性的影响

表面质量越差，存在裂纹时，耐腐蚀性降低

（三）表面质量对零件疲劳强度的影响

表面缺陷会引起应力集中，降低疲劳强度。若

表面存在残余压应力，疲劳强度将会提高。

（四）表面质量对零件配合性质的影响表面比较粗糙时，轮廓峰在工作中被逐渐磨掉，零件尺寸发生变化，进而影响到配合性质。一般来说，表面粗糙度应与加工精度相适应：

5-2 5-2 表面粗糙度及其降低的工艺措施表面粗糙度及其降低的工艺措施

一、切削加工（一）几何因素1 、刀尖半径较小时理论粗糙度的计算

平行四边形为切削层理论横截面三角形为残留面积H 为理论粗糙度 f 为进给量κr 为主偏角 κr’ 为副偏角

则： f=Hctg κr+ Hctg κr’

得： H=f/(ctg κr+ ctg κr ’)

2 、刀尖半径较大时理论粗糙度的计算

( 二）物理因素 加工表面实际廓形与理论廓形差别较大，原因是加工中存在积屑瘤鳞刺，振动等物理现象。1 、切削用量的影响（ 1 ）进给量 f 的影响

当： f>0.15mm 时 f ↑ →Rz ↑ f<0.15mm 时 f ↑ →Rz ↗ f<0.02mm 时 f ↑ →Rz →

（ 2 ）切削速度的影响加工脆性材料时，切削速度对于粗糙度影响不大加工塑性材料时，积屑瘤对粗糙度影响很大。

（ 3 ）切削深度 ap 的影响一般切削深度 ap 对于粗糙度影响不大，但太小时，有可能吃不住刀，摩擦严重。2 、工件材质的影响

工件材质韧性、塑性增大， Ra增大

工件材质晶粒越均匀，颗粒越细小， Ra减小

3 、刀具材料的影响刀具越硬，越耐磨，加工 Ra越低硬质合金刀具加工后的 Ra< 高速钢加工后的 Ra

金刚石刀具的性能：

二、磨削加工 砂轮上的磨粒因几何角度，位置不同起三种不同的作用锋利、位置靠前的起切削作用较锋利、位置较靠前的起刻划作用较钝、位置靠后的起抛光作用

磨削表面粗糙度与砂轮、工件材质、磨削用量有关

1 、砂轮： 砂轮粒度↑ →表面粗糙度 Ra↑* 一般磨料的粒度用粒度号表示，每英寸长度

上的网眼个数为粒度号，例 80#， 60# ；• 微粉用最大• 颗粒的最大• 尺寸的微米• 数表示，例• W28、W14。

2 、磨削用量砂轮速度 v 砂↑ →表面粗糙度 Ra ↓

工件速度 v 工↑ →表面粗糙度 Ra ↑

砂轮相对于工件的进给量 f↑ → 表面粗糙度 Ra↑

磨削深度 ap↑ → 表面粗糙度 Ra↑

根据上述实验关系，可以得到经验公式：

3 、砂轮修整砂轮修整质量越高，磨削表面质量越好。

三、超精研、研磨、珩磨、抛光

超精研、研磨、珩磨、抛光加工的共同特点是：

1 、不选择切削用量，只限定压强和加工时间2 、无需精密机床3 、降低表面粗糙度效果明显，提高精度不明显

4 、加工余量小

（一）超精研1 、工作原理：采用细粒度的磨条在一定压力和切削速度下往复运动，对表面进行光整加工。

加工运动： A 、工件低速回转运动； B 、磨条轴向进给运动： C 、磨条高速往复振动。

2 、切削过程：可分为四个阶段（ 1 ）强烈切削阶段：少数波峰上压强很大，

切削作用剧烈。（ 2 ）正常切削阶段：接触面积增大，接触压

强减小，切削作用减弱。（ 3 ）微弱切削阶段：接触面积进一步增大，接触压强进一步减小，磨条起抛光作用。

（ 4 ）停止切削阶段：工件被研平，接触压强很小，磨条与工件之间形成油膜，切削停止。

（二）研磨研磨可以达到很高的精度和表面质量。基本原理：通过介于工件和硬质研具之间的磨料或研磨液的流动产生机械摩擦和化学作用去除微小加工余量。

1 、研磨特点：（ 1 ）研具较软，以铸铁、塑料、硬木制成。（ 2 ）磨料中混有化学物质，机械与化学作用同时进

行，磨粒运动轨迹复杂，保证均匀性。（ 3 ）加工表面质量高。2 、研具：磨具应软硬适当 ,组织均匀。 粗研采用铜、铝，精研采用铸铁。

3 、研磨剂：研磨剂为磨料与油脂的混合剂。

磨料种类：金刚石微粉 ,碳化硅 ,氧化铝等。

油脂起调和磨料 . 化学腐蚀作用。

油脂种类：油酸 ,凡士林 ,变压汽油。

4 、研磨参数（ 1 ）磨料粒度：粒度↑，则粗糙度↑ ， 效率↑。（ 2 ）研磨速度：一般研磨速度 <0.5m/s ， 精研速度 <0.16m/s 。（ 3 ）研磨余量：手工研磨余量 <10μm ， 机械研磨余量 <15μm 。（ 4 ）研磨压强：粗研 0.1~0.3MPa ， 精研 0.01~0.1MPa 。

（三）珩磨：采用精密油石相对于工件作螺旋线运动，油石弹性压在工件表面上。珩磨后表面粗糙度可达 Rz0.4~Rz3.2，有时可达

Rz0.1以下。

（四）抛光：原理与研磨相似，只是研具采用无纺布等软质材料。抛光可用于自由曲面加工。

5-3 5-3 表面层物理、力学性能及表面层物理、力学性能及其改善的工艺措施其改善的工艺措施

一、表面层的冷作硬化1 、定义：加工层材料因塑性变形使晶体间产

生剪切滑移，晶格扭曲、晶粒拉长、破碎和纤维化，材料的强度、硬度都提高的现象称为冷作硬化。

2 、衡量指标： 硬化层深度： h

表层显微硬度： H

硬化程度： N=(H-H0)/H0

3 、物理因素对于冷作硬化的影响切削力↑，则塑性变形↑，冷作硬化↑。变形速度↑，则塑性变形↓ ，冷作硬化↓ 。变形温度 > （ 0.25~0.3 ）倍的金属熔化温度时， 变形金相组织会有所恢复，冷作硬化↓。

（一）影响表面层冷作硬化的因素

1 、刀具：刀刃钝圆半径↑，冷作硬化↑； 后刀面磨损↑，冷作硬化↑。2 、切削用量：切削速度↑，切削温度↑，则 冷作硬化↓； 进给量↑，冷作硬化↑。3 、被加工材料：硬度↑，冷作硬化↓； 塑性↑，冷作硬化↑。

（二）减少表面层冷作硬化的措施

1 、合理选择刀具几何参数 前角↑，冷作硬化↓； 后角↑，冷作硬化↓； 钝圆半径↓ ，冷作硬化↓。2 、限制后刀面磨损3 、合理选择切削用量 切削速度↑，冷作硬化↓； 进给量↓ ，冷作硬化↓ 。

二、表面层的金相组织变化切削一般不会导致金相组织变化，磨削因单位切削截面消耗的功率较大，常常导致金相组织变化。

磨削淬火钢时容易出现的烧伤：回火烧伤：磨削区温度超过马氏体转变温度， 而未达相变温度，产生回火组织 （索氏体或屈氏体）。淬火烧伤：磨削区温度超过相变温度，由于冷 却液急冷，表层出现二次淬火马氏 体。退火烧伤：磨削区温度超过相变温度，不用冷 却液，工件缓慢冷却，发生退火。

表面颜色与烧伤之间的关系：

黑 青 淡青 米黄 淡黄

三、表面层残余应力定义：去除外力和热源作用后 ,零件内部自身 平衡的应力，称残余应力。残余应力的成因：（一）局部温升过高引起的热应力* 材料在高温下，处于塑性状态，因温度升高 体积膨胀而发生塑性流动；* 材料在低温下，处于弹性状态，因温度降低体积减小而发生收缩，受下层材料的限制，

发生弹性变形，形成残余应力。

设材料从 20ºC升至 800ºC ，然后回到 20ºC ，这层

金属长度 l的相对伸长量为：

所产生的残余拉应力为：

（二）局部金相组织变化引起的相变应力残余奥氏体→回火马氏体：体积膨胀，表层为 残余压应力；马氏体→屈（索）氏体：体积收缩，表层为 残余拉应力。（三）表面局部冷塑变形引起的塑变应力在切削方向上存在拉应力，与其垂直的方向上存在压应力。

（四）金属冷塑变形，比容积增大导致的表面 残余应力金属发生冷塑变形，比重下降，体积增大，使：表层存在压应力 下层存在拉应力

四、减小残余拉应力、防止表面烧伤和裂纹 的工艺措施（一）合理选择磨削用量

磨削传热分析模型：

* 磨削区温度与磨削用量之间的关系为：磨削深度↑，磨削温度↑ ；砂轮速度↑，磨削温度↑ ； 工件速度↑，磨削温度↑ ； 进给量↑，磨削温度↓。

* 磨削区温度剃度分布规律：工件速度↑，温度剃度↑ ，高温层厚度↓；可以同时提高砂轮和工件速度，既减小高温层厚度，又控制表面粗糙度。较薄的烧伤层可在清磨时去掉。

磨削 18CrNiWA钢时的无烧伤临界比值曲线：

（二）提高冷却效果1 、采用高压大流量冷却，冲刷砂轮，加强冷却；

2 、在砂轮上安装空气挡板，消除附着气流；3 、利用砂轮孔隙实现内冷却。

（三）提高砂轮磨削性能1 、锐化磨粒，减小摩擦；2 、砂轮硬度不宜过高，保持自锐性；3 、砂轮应具一定弹性，避免过载；4 、使用开槽砂轮；5 、使用螺旋槽砂轮。

五、表面强化工艺主要指冷压工艺，使表面层发生冷塑变形，硬度提高，产生残余压应力。常用冷压工艺有：（一）喷丸强化（二）滚柱滚压强化