机械加工表面质量
第一节 表面质量的含义及其对零件使用性能的影响
一、表面质量的含义 机械加工表面质量:
表面的几何特征：表面粗糙度、表面波度、表面加工纹理和伤痕；
表面层力学物理性能：表面层加工硬化、表面层金相组织的变化和表面层残余应力。
图11-1表示了加工表面层沿深度的变化情况，在最外层为吸附层。该层的总厚度通常不超过8nm。压缩层即为塑性变形区，由切削力造成，厚度约在几十至几百微米内，随加工方法的不同而不同，其上部纤维层由被加工材料与刀具间的摩擦力造成的。因此，表面层的物理力学性能不同于基体，产生了如图11-1b、C所示的显微硬度和残余应力变化。
图11- 1 图11- 2
1．加工表面的几何形状特征： ①表面粗糙度
指加工表面的微观几何形状误差。如图11-2所示，波长与波高(L3/H3)的比值小于50。我国表面粗糙度的现行标准为：GB/T131-93。(推荐性国家标准) 标准规定，表面粗糙度等级用轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz或轮廓最大高度Ry的数值大小表示。并推荐优先采用Ra。 ②表面波度
介于形状误差与表面粗糙度之间的周期性形状误差。它主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动造成的，如图2所示，波长与波高(L2/H2)的比值一般为50～1000。 ③纹理方向
指表面刀纹的方向。它取决于表面形成所采用的机械加工方法。一般对运动副或密封件要求纹理方向。 2．加工表面的物理力学性能的变化：
①表面层因塑性变形引起的加工硬化（冷作硬化）；
在机械加工过程中，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表面层因力或热的作用产生的残余应力；
由于切削力和切削热的综合作用，表面层金属品格会发生不同程度的塑性变形或产生金相组织的变化，
使表层金属产生残余应力
③表面层因切削热或磨削热的作用引起的金相组织变化。
机械加工过程中，由于切削热的作用会引起表面层金属的金相组织发生变化。在磨削淬火钢时，由于磨削热的影响会引起淬火钢的马氏体的分解，或出现回火组织等等。 二、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： ①表面粗糙度对零件耐磨性的影响
零件的磨损可分三个阶段，如图11-3所示。第一阶段是初期磨损阶段。随着磨损的发展，有效接触面积不断增大，压强也逐渐减小，磨损将以较慢的速度进行，进入到磨损的第二阶段，即正常磨损阶段。在这之后，由于有效接触面积越来越大，零件间的金属分子亲和力增加表面的机械咬合作用增大，使零件表面又产生急剧磨损，从而进入磨损的第三阶段，即快速磨损阶段，此时零件将不能使用。
图11- 3 图11- 4
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。表面粗糙度的最优数值与机器零件工况有关，图11-4给出了不同工况下表面粗糙度数值与起始磨损量的关系曲线。 ②刀纹方向对零件耐磨性的影响
表面粗糙度的轮廓形状和表面加工纹理对零件的耐磨性也有影响。因为表面轮廓形状及表面加工纹理影响零件的实际接触面积与润滑情况。轻载时，摩擦副表面纹理方向与相对运动方向一致时，磨损最小。见图11-5。 重载时，由于压强、分子亲和力和储存润滑油等因素的变化，摩擦副的两个表面纹理相垂直、且运动方向平行与下表面的纹路方向时，磨损最小。而两个表面纹理方向均与运动方向一致时易发生咬合，故磨损量反而最大。
图11- 5 轻载刀纹方向对零件耐磨性的影响 图11- 6冷作硬化对零件耐磨性的影响
③冷作硬化对零件耐磨性的影响
表面层的加工硬化使零件的表面层硬度提高，从而表面层处的弹性和塑性变形减小，磨损减少，使零件的耐磨性提高。但硬化过度时，会使零件的表面层金属变脆，磨损会加剧，甚至出现剥落现象。见图11-6。 ④残余应力对零件耐磨性的影响 表面为压应力时，耐磨性高。 2．表面质量对零件耐疲劳性的影响： ①表面粗糙度对零件耐疲劳性的影响
零件在交变载荷的作用下，其表面微观不平的凹谷处和表面层的缺陷处容易引起应力集中而产生疲劳裂纹，造成零件的疲劳破坏。见图11-7。
图11- 7
②残余应力对耐疲劳性的影响
表面层的残余应力对零件疲劳强度也有很大影响，当表面层为残余压应力时，能延缓疲劳裂纹的扩展，提高零件的疲劳强度；当表面层为残余拉应力时，容易使零件表面产生裂纹而降低其疲劳强度。 ③冷作硬化对耐疲劳性的影响
表面层的加工硬化可以在零件表面形成一个冷硬层，因而能阻碍表面层疲劳裂纹的出现，从而使零件疲劳强度提高。但零件表面层冷硬程度过大，反而易于产生裂纹，故零件的冷硬程度与硬化深度应控制在一定范围之内。
3．表面质量对零件耐腐蚀性的影响
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。表面残余应力对零件的耐腐蚀性能也有较大影响
4．表面质量对零件配合精度的影响
相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。因此对有配合要求的表面，必须规定较小的表面粗糙度值。零件的表面质量对零件的使用性能还有其它方面的影响。 三、表面完整性的概念
（1）表面形貌 它主要是用来描述加工后零件表面的几何特征，包括表面粗糙度、表面波度和纹理等。 （2）表面缺陷 它是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。 （3）微观组织与表面层的冶金化学特性
（4）表面层物理力学性能 它主要包括表面层硬化深度和程度、表面层残余应力的大小、方向及分布情况等。
（5）表层其他工程技术特性 这种特性主要有摩擦特性、光的反射率、导电性和导磁性等。
由此可见，表面质量从表面完整性的角度来分析，更强调了表面层内的特性，对现代科学技术的发展有重
大意义。
总之，提高加工表面质量，对保证零件的使用性能、提高零件的寿命是很重要的。
第二节 表面粗糙度及其影响因素
一、切削加工中影响表面粗糙度的因素
影响表面粗糙度的因素主要有几何因素和物理因素。 １．几何因素：
式中 f ——进给量。 Kr ——主偏角。 Kr’——副偏角 考虑刀尖圆弧角：
式中 f ——进给量。 r ——刀尖圆弧半径。
如图11-8、9所示，用刀尖圆弧半径r＝0的车刀纵车外圆时，每完成一单位进给量f后，留在已加工表面上的残留面积，它的高度Rmax即为理论粗糙度的轮廓最大高度Ry。
图11- 8 图11- 9
图11- 10 加工后表面实际轮廓和理论轮廓
切削加工后表面粗糙度的实际轮廓形状，一般都与纯几何因素所形成的理论轮廓有较大的差别，如图11-10。这是由于切削加工中有塑性变形发生的缘故。
生产中，若使用的机床精度高和材料的切削加工性好，选用合理的刀具几何形状、切削用量和在刀具刃磨质量高、工艺系统刚性足够情况下，加工后表面实际粗糙度接近理论粗糙度，这样减小表面粗糙度数值、
提高加工表面质量的措施，主要是减小残留面积的高度Ry。 ２.物理因素
多数情况下是在已加工表面的残留面积上叠加着一些不规则的金属生成物、粘附物或刻痕。形成它们的原因有积屑瘤、鳞刺、振动、摩擦、切削刃不平整、切屑划伤等。 ３.积屑瘤的影响
积屑瘤的生成、长大和脱落将严重影响工件表面粗糙度。
同时，由于部分积屑瘤碎屑嵌在工件表面上，在工件表面上形成硬质点。见图11-11。
图11- 11 图11- 12
鳞刺的影响 鳞刺的出现，使已加工表面更为粗糙不平。 鳞刺的形成分为：
抹拭阶段：前一鳞刺已经形成，新鳞刺还未出现；而切屑沿着前刀面流出，切屑以刚切离的新鲜表面 抹拭刀——屑摩擦面，将摩擦面上有润滑作用的吸附膜逐渐拭净，以致摩擦系数逐渐增大，并使刀具和切屑实际接触面积增大，为这两相摩擦材料的冷焊创造条件，如图11-12(a)。
导裂阶段：由于在第一阶段里，切屑将前刀面上的摩擦面抹拭干净，而前刀面与切屑之间又有巨大的压力作用着，于是切屑与刀具就发生冷焊现象，切屑便停留在前刀面上，暂时不再沿前刀面流出。这时切屑代替前刀面进行挤压，刀具只起支撑切削的作用。其特点是在切削刃前下方，切屑与加工表面之间出现一裂口。如图11-12(b)。
层积阶段：由于切削运动的连续性，切屑一旦停留在前刀面上，便代替刀具继续挤压切削层，使切削层中受到挤压的金属转变为切屑。而这部分新成为切屑的金属，只好逐层的积聚在起挤压作用的那部分切屑的下方。；这些金属一旦积聚并转化为切屑，便立即参与挤压 切削层的工作；同时，随着层积过程的发展，切削厚度将逐渐增大，切削力也随之增大，如图11-12(c)。
刮成阶段：由于切削厚度逐渐增大，切削抗力也随之增大，推动切屑沿前刀面流出的分力Fy也增大。当层积金属达到一定厚度后，Fy力便也随之增大到能够推动切屑重新流出的程度，于是切屑又重新开始沿前刀面流出，同时对切削刃便刮出鳞刺的顶部，如图11-12(d)。至此，一个鳞刺的形成过程便告结束。紧接着，又开始另一个新鳞刺的形成过程。如此周而复始，在工件加工表面上便不断地生成一系列鳞刺。 振动的影响 切削加工时，在工件与刀具之间经常发生振动，使工件表面粗糙度值增大。
从物理因素看，要降低表面粗糙度主要应采取措施减少加工时的塑性变形，避免产生积屑瘤和鳞刺。对此起主要作用的影响因素有切削速度、被加工材料的性质及刀具的几何形状、材料和刃磨质量。 ①切削速度的影响：