机械加工的表面质量

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【摘要】：表面粗糙度会影响配合性质的稳定性。图2.37中刀具副后刀面磨损产生了沟槽，引起已加工表面成锯齿状的凸出部分，使加工表面粗糙度值增大。以上措施均可降低表面粗糙度值。②砂轮　砂轮粒度愈细，单位面积上的磨粒数愈多，加工表面的刻痕细密，加工表面粗糙度愈细。正确选用冷却润滑液并加大流量可减小表面粗糙度值。

2.7　机械加工的表面质量

零件的机械加工质量是指零件加工后的微观几何特性和物理状态，即表面波度、表面粗糙度和表面物理力学性能，后者是指加工表面的冷作硬化，表面层金相组织变化和残余应力，下面就这几方面对零件的使用性能，包括耐磨性、接触刚度、配合性质、耐疲劳强度、耐腐蚀强度等作一分析。另外，对其改善措施提出了具体办法。

2.7.1　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

零件的耐磨性主要决定于两摩擦零件的材料和润滑条件，当零件材料和润滑条件确定后，零件的表面质量对耐磨性又起着主导作用。当摩擦表面的粗糙度较粗时，实际上接触的是凸峰的顶部，压强就大，摩擦阻力大，由于挤压和剪切，引起严重磨损。但是粗糙度过细，不利于贮存润滑油，从而产生分子亲和力，磨损反而加剧。从耐磨性角度来看，表面粗糙度值在Ra0.8～0.4μm为宜。为了改善润滑条件，常用珩磨产生交叉网纹或经刮研使之具有均匀细浅的凹坑来改善贮油条件，以减轻零件的磨损。

2）表面质量对接触刚度的影响

接触表面越粗糙，其实际有效接触面积越小。尽管零件间承受的载荷不变，但压强增大，表面接触应力增大，引起表层变形增大，从而表面接触刚度变小，影响零件的工作精度和抗振性。

3）表面质量对配合性质的影响

表面粗糙度会影响配合性质的稳定性。对于间隙配合，因接触表面的峰顶在初期工作中很快磨损，使间隙增大。对于过盈配合，因装配表面被压平，将使有效过盈减小，降低联接强度。对于过渡配合，也会使配合变松。

4）对疲劳强度的影响

承受交变载荷的零件，表面粗糙、有划痕及微裂纹，则易引起应力集中，使零件疲劳损坏。为了提高零件的疲劳强度，对零件的轴肩、沟槽或拐角处等应力集中区，用精磨、抛光、滚压等减细表面粗糙度。

适度的表面层的冷作硬化，使零件表面硬度和耐磨性有所提高，且能阻止表面已有裂纹的扩展和防止疲劳裂纹的产生。所以，适度的冷作硬化能提高零件的疲劳强度。但是，冷作硬化程度与硬化层深度过大，容易产生微裂纹甚至剥落。

表面层的残余应力状态对零件的疲劳强度也有影响，如果是压应力，能抵消部分工作载荷引起的拉应力，延缓疲劳裂纹的产生和扩展。

5）表面质量对耐腐蚀性的影响

金属腐蚀是化学过程和电化学过程引起的。钢、铁生锈，铜表面变绿都是腐蚀的结果。

金属表面越粗糙，表面微小裂纹越多，腐蚀性气味或液体越容易积存在凹谷底部，特别是电化学作用，使腐蚀作用渗入金属内部。随着时间的推移，因腐蚀产生的裂纹将使零件发生突然的断裂。所以，经精磨、研磨、抛光后表面粗糙变细的零件表面，不易被腐蚀。

表面的残余压应力，使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入；残余拉应力则降低了零件的耐腐蚀性。

2.7.2　影响表面质量的因素

1）影响表面粗糙度的因素及改进措施

机械加工中，产生表面粗糙度的主要因素有几何因素和物理因素。

图2.36　残留切削面积及残留高度

（1）切削加工中影响零件表面粗糙度的因素

产生表面粗糙度的几何因素是切削残留面积、刀刃的刃磨质量和刀刃的磨损。

①切削残留面积高度H　是由刀具相对于工件表面的运动轨迹所形成，它与进给量f、主偏角κ_r、副偏角、刀尖圆弧半径r_ε有关，见下列公式：

由于切削过程中各种因素的干扰和影响，实际粗糙度的最大值往往高于理论计算值，理论粗糙度仅占实际表面粗糙度中的极小成分。

②刀具的刃磨与刃口磨损　二者对表面粗糙度的影响较大。图2.37中刀具副后刀面磨损产生了沟槽，引起已加工表面成锯齿状的凸出部分，使加工表面粗糙度值增大。

图2.37　刀具副后刀面的磨损对粗糙度的影响

（a）主、副刀刃磨损　（b）粗糙度数值增大

产生表面粗糙度的物理因素是切削过程中的塑性变形、摩擦、积屑瘤、鳞刺及工艺系统中的振动。

③切削过程中的变形　切削铸铁等脆性材料时，形成崩碎状切屑，已加工表面出现麻点状痕迹，增大了表面粗糙度值。如图2.38（b）。

图2.38　切削过程中的变形对表面粗糙度的影响

（a）挤裂切屑　（b）崩碎切屑　（c）刀刃两端工件材料的隆起

切削塑性材料时，切屑在分离前的挤压变形及撕裂作用增大了已加工表面的粗糙度值。如图2.38（a）、（c）。韧性越好，切削时的塑性变形程度越大，对表面粗糙度的影响也越严重。常采用大前角刀具、增大切削速度、对低碳钢进行正火处理等方法来减小表面粗糙度值。

④积屑瘤与鳞刺　在一定的切削速度范围内对塑性金属进行切削加工时容易产生积屑瘤或鳞刺。积屑瘤是不稳定的，自生自灭，反复生成与消失，留在已加工表面的一部分形成鳞片状毛刺，造成切削力的不稳定而引起振动，进一步使表面粗糙度变粗。另外，材料变形强化程度越大，与刀具间的摩擦越大，越易形成鳞刺。

⑤工艺系统的振动使切削加工时刀具与工件间的距离发生周期性变化，增大了表面粗糙度值。

（2）降低表面粗糙度值的措施

①选择合理的切削用量　用高速切削来加工塑性材料，当切削速度v＞100m／min时，不会产生积屑瘤和鳞刺；选择小的进给量f，可减少切削残留面积的高度H。

②合理选用刀具材料和几何参数　当工艺系统刚度足够时，采用较大的刀尖圆弧半径r_ε，较小的副偏角，采用比进给量稍大一些的修光刃；加工塑性材料时选用较大的前角r₀；提高刀具的刃磨质量（前、后面的粗糙度值Ra＜1.6μm）；选用与工件材料亲和力小的刀具材料；加工过程中限制刀具的磨损量等。

③使工件材料具有合适的金相组织　例如，加工中碳钢及中碳合金钢时进行调质处理，以提高其硬度，降低塑性。对铸铁而言，应使铸铁中的石墨颗粒尺寸小些。以上措施均可降低表面粗糙度值。

④使用切削液　切削液在加工过程中起冷却和润滑作用，能降低切削区的温度，减少刀刃与工件的摩擦，从而减少了切削过程中的塑性变形并抑制积屑瘤和鳞刺的产生，对减细表面粗糙度有很大的作用。

（3）磨削加工中影响零件表面粗糙度的因素

磨削零件时表面粗糙度是由分布在砂轮表面上的磨粒与被磨工件作相对运动产生的刻痕所组成的。单位面积上的刻痕越多、越细密均匀，则表面粗糙度越细。由于磨粒刃形和分布是不规则的，磨粒为负前角切削。因此，在磨削过程中磨粒在工件表面摩擦、挤压和刻划，使加工表面出现较大的塑性变形，随之，磨削区温度升高，更加剧塑性变形，使表面粗糙度进一步增粗。影响磨削表面粗糙度的工艺因素主要有：

①磨削用量　砂轮速度v_s大，参与切削的磨粒数多，增加了工件单位面积上的刻痕数，同时，又因为是高速磨削，工件材料塑性变形不充分，所以切削速度v_s的提高，可降低表面粗糙度值，磨削深度与工件速度增大，使塑性变形加剧，表面粗糙度值也增加。

②砂轮　砂轮粒度愈细，单位面积上的磨粒数愈多，加工表面的刻痕细密，加工表面粗糙度愈细。但是粒度过细，易堵塞砂轮，磨削时的摩擦、挤压就严重，加剧工件表面的塑性变形，粗糙度也变粗。

砂轮的硬度要适宜，保证磨粒钝化后能自行脱落，使新的磨粒露出而继续切削，即要有良好的“自砺性”。砂轮需及时修整，便于去除已钝化的磨粒，使砂轮具有等高微刃。等高微刃越多，磨出的粗糙度就越细。

③工件材料　工件材料的硬度、塑性、韧性和导热性对表面粗糙度的影响也较显著。材料太硬，磨粒易钝化；太软则易堵塞砂轮；韧性大、导热性差，又易使磨粒早期崩落，破坏了微刃的等高性，从而使粗糙度值增大。

④冷却润滑液和其它因素　磨削时的冷却润滑液对减小磨削力、磨削温度及砂轮的磨损有良好的效果。正确选用冷却润滑液并加大流量可减小表面粗糙度值。

磨削时工艺系统的刚度，主轴的回转精度、砂轮的平衡、工作台运动的平稳性等，都将影响砂轮与工件的瞬时接触状态，从而影响磨削表面的粗糙度值大小。

2）影响加工表面物理力学性能的因素

（1）加工表面的冷作硬化

由于机械加工时工件表层金属受到切削力的作用，产生强烈的塑性变形，使金属的晶格间剪切滑移，晶格严重扭曲、拉长，甚至被破坏，引起金属表面层硬度提高，塑性降低，物理力学性能发生变化。这种现象叫冷作硬化。切削力大，塑性变形大，硬化程度加强；塑性变形速度快，变形不充分，硬化程度弱。另外，机械加工中产生的切削热，提高了表面层的温度，使已强化的金属产生回复现象，使金属失去加工硬化中所得到的物理力学性能，这种现象称软化。切削温度高，持续时间长，回复作用也大。因此，机械加工时表面层的冷硬就是硬化和回复作用的综合结果。表2.4为常用机械加工方法加工钢件时形成的冷硬情况。

表2.4　常用机械加工方法产生的冷硬层深度和硬化程度（加工钢件）

影响加工表面冷作硬化的因素有：

①刀具　刀具前角越大，切削层金属的塑性变形越小，硬化层深度越小；刀刃刃口圆弧半径越大，已加工表面在形成过程中受挤压越大，加工硬化也越大；随着刀具后刀面磨损量的增加，后刀面与已加工表面的摩擦也随之增加，硬化层深度也增大。

②工件材料　工件材料的塑性越大，硬度越低，加工表面层的硬化越严重。例如，磨削低碳钢与磨削淬火钢相比，硬化层深度h由30～60μm降至20～40μm，硬化程度N由160%降低至125%。

③切削条件　当进给量增大时，切削力增大，表层的金属塑性变形加剧，冷硬程度增加；当切削厚度较小时，表层金属冷硬程度不仅不会减小，反而会增大，这是由于刀具刃口圆弧对工件的挤压增加；切削速度增加时，塑性变形不充分，硬化层深度减小，且由于切削速度的增加，切削温度升高，回复作用增大，冷硬层随之减小。如果切削速度很高，导致回复来不及进行，则硬化层深度又有所增加。因此宜选用较高的切削速度。

磨削加工中，既有金属剧烈塑性变形引起的硬化；又有磨削热使磨削区温度急剧升高，导致表层金属软化，甚至发生相变；加上大量切削液使表面层金属冷却而硬化。

影响磨削加工表面硬化的因素：工件材料塑性好，导热性好，硬化倾向大；磨削深度增加，塑性变形加剧，表面冷硬层加深；纵向进给速度大，磨削力大，由于晶格畸变和晶粒间的应力增大，冷硬层增大；提高工件转速，表面冷硬增加；砂轮粒度大，冷硬小；冷却液充分，硬化为主，反之，回复为主，甚至产生相变，导致一定深度内出现回火软化。

综上所述，应使工件表面适度硬化，以提高其表面物理力学性能。

（2）加工表面的残余应力

工件经机械加工后，其表面层都存在残余应力。残余应力会引起工件变形，失去原有精度。残余应力为拉应力时，使疲劳裂纹增加，耐蚀性下降；是压应力时，则使疲劳强度及耐磨性提高。产生残余应力的原因主要有以下几方面：

①切削力引起的残余应力　在切削过程中，刀刃前方的工件材料受前刀面的挤压，使即将成为已加工表面层金属产生压缩变形（沿已加工表面方向），在切削后受基体里层未变形金属的牵制，因而在表层产生残余拉应力，里层产生压应力。同时，刀具的后刀面与已加工表面产生很大的挤压与摩擦，使表层金属受拉伸变形，刀具离开后，在里层金属的作用下，表层金属产生残余压应力。车削后以残余压应力为主。

②热应力引起的残余应力　切削时的强烈塑性变形与摩擦，使已加工表面层比里层的温度高得多，因此，表面层金属产生热膨胀，由于受里层金属阻碍，使表层金属产生热应力，当应力超过材料屈服点时，将使表层金属产生压缩变形。切削后，表层金属比里层冷却快，收缩大，受里层金属的阻碍，使表层金属产生了残余拉应力。切削温度越高，残余拉应力也越大，甚至产生裂纹。所以磨削以残余拉应力为主。

③金相组织的变化引起体积变化而产生的残余应力　不同的金相组织有不同的密度。磨削时产生的高温可能使工件表面层的金相组织发生变化。以淬火钢磨削为例，淬火钢原来是马氏体组织，磨削后，表面层可能产生回火而变为屈氏体或索氏体，密度增大，体积减小，因受里层金属阻碍，故工件表面产生残余拉应力。

（3）表面层金相组织变化与磨削烧伤

车削加工中，切削热大部分被切屑带走，表面温度升高不大，不可能达到相变温度。而磨削中，尤其在冷却液不充分或冷却液不能到达磨削区时，砂轮与工件接触处温升达到相变温度，甚至达1000℃，金相组织发生变化，硬度下降，出现细微裂纹，甚至彩色氧化膜，称之为烧伤。烧伤程度有不同，轻度烧伤表面无色，但金相组织已变化，耐磨性急剧下降，这对于淬火后需经磨削的重要表面是不允许的，所以磨削烧伤要尽量避免。如轴承内外环经精磨后，检验员用肉眼检查不出烧伤在何处，必须用专用检验液逐只检查发现其烧伤部位，以免存在隐患。

影响磨削烧伤的因素有：

①磨削用量　引起烧伤最重要的因素是磨削深度过大，从而引起烧伤程度增大，尤其粗磨削时，磨削深度不能选得太大。工件纵向进给量越大，磨削烧伤越少，为了弥补增大粗糙度值的缺陷，可采用宽的砂轮磨削。工件速度增大，虽然发热量增大，但热作用时间减少，金相组织来不及变化，从而能减少烧伤。因此，用较宽砂轮磨削或提高砂轮线速度可以降低烧伤程度并可减细粗糙度。

②工件材料　工件材料硬度越高，磨削热量越多，材料过软，易堵塞砂轮，使磨削温度上升；工件强度越高，磨削消耗功率越大，发热也越多；工件韧性越大，磨削力越大，发热越多，故材料强度、硬度越大，导热性越差的材料越容易产生磨削烧伤。

③砂轮选择及其修整　砂轮粒度细、硬度高、自砺性差，则磨削温度高。砂轮组织太紧密，砂轮易堵塞容易引起烧伤。

砂轮钝化时，在工件表面打滑，仅起挤压和摩擦作用，使磨削温度增高，也容易引起烧伤。

④冷却条件　冷却液可以带走磨削区的热量，避免烧伤。常见的冷却方法效果欠佳，因为高速旋转的砂轮会造成圆周表面的强气流，使切削液不易进入磨削区达到有效冷却。所以可改用开槽砂轮和内冷却砂轮磨削。

2.7.3　机械加工过程中的振动

机械加工时工艺系统的振动，会使工件表面留下振纹，降低工件的表面质量，也缩短刀具和机床的使用寿命，限制了生产率的提高，强烈的振动会引起刀刃崩裂或产生刺耳的噪声，噪声影响工人的健康。因此，工艺系统的振动是十分有害的。为了保证零件的表面质量和提高生产率，我们必须认真分析产生振动的原因，寻找消除和减小振动的途径。

1）强迫振动

由外界持续的周期性干扰力激发和维持的振动称强迫振动。

（1）强迫振动的特点

①强迫振动本身不能改变干扰力，干扰力与切削过程无关。干扰力消除，振动就停止；

②强迫振动的频率与外界周期性干扰力的频率相同或是它的整数倍；

③干扰力的频率与系统的固有频率相近或相等时，产生共振，振幅达最大值；

④强迫振动的振幅与干扰力、系统的刚度及阻尼有关。干扰力越大、刚度及阻尼越小，则振幅越大。

（2）强迫振动的振源

①机床上高速回转零件的不平衡引起周期性变化的离心力。如砂轮、卡盘、主轴和带轮等的不平衡运转；

②机床传动零件的误差引起周期性变化的传动力。如齿轮的制造及装配误差、滚动轴承的滚动体尺寸误差、液压系统中的液压波动等；

③机床往复运动部件换向时的惯性冲击及切削过程的间隙特性引起的振动。如刨、铣、拉、冲压等加工；

④系统外部的周期性干扰力。如正在进行加工的机床附近有振源，经地基传入引起振动。

（3）减小或消除强迫振动的途径

①对高速回转的零件进行静平衡或动平衡。如磨床砂轮及高精度机床的驱动电机的平衡；

②调整轴承间隙或导轨镶条的间隙；

③提高传动装置的稳定性。如提高齿轮制造和装配精度，以斜齿代替直齿圆柱齿轮的传动，主轴上安装飞轮，精密机床上用叶片泵或螺杆泵代替齿轮泵，在液压系统中采用缓冲装置等；

④隔离外部或内部振源。如高精度机床的动力源与机床本体分别安装在两个基础上，以隔离内部振源；在机床周围挖防振沟以隔离外部振源；

⑤提高接触刚度和增强工艺系统的刚度。如采用刮研接触面，提高接触刚度；调整镶条，减小零部件的配合间隙；采用中心架和跟刀架增强工艺系统的刚度等；

⑥减少切削力的波动改变切削用量及破坏干扰力的频率，以避开共振的可能性。

2）自激振动

在机械加工中由切削过程自身激发产生交变的切削力所引起的不衰减振动。不受外界周期性干扰力的作用发生振动，切削过程终止，振动随之消失，这种振动称自激振动（颤振）。

自振系统是由一个固定能源（电机）、振动系统（工件、刀具、机床）和调节系统（动态的切削过程）所组成的封闭反馈自控系统。如图2.39所示。由固定能源提供能量，经调节系统——切削过程，产生交变力。交变力促进振动系统中的振动元件产生振动位移Δy，这就是激振；振动元件又对调节系统产生反馈作用，再次产生交变力ΔF。这样周而复始，不会衰减，除非切削本身停止。

图2.39　自振系统

（1）自激振动的特点

①自激振动是一种不衰减的振动，其能否产生及其振幅大小，决定于每个振动周期内系统所获得的能量与阻尼消耗能量的对比。能量可以由非交变特性的能源获得，获得的能量大于消耗的能量，则振动持续且振幅也增大；

②由于维持振动的干扰力是由振动过程本身所激发，故振动中止，干扰力及能量补充过程也立即消失；

③自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率，所以，完全由系统本身的参数决定。按其频率高低，可分高频（500～5000Hz）和低频（50～500Hz）。

（2）控制和消除自激振动的措施

①提高振动系统的刚度　尤其是机床零件间的接触刚度；减少运动部件的间隙；提高工艺系统刚度即提高工件、长镗杆和尾座等薄弱环节的刚度；调整小刚度主轴的截面形状及方位，如采用削扁镗杆，外圆车削时车刀反装等措施；

②合理选择刀具的几何参数　刀具几何参数中，对振动影响最大的是主偏角κ_r和前角γ₀。用主偏角κ_r＝90°的直角偏刀车削外圆，可减少切削力F_y对振动的影响；增大前角γ₀，使切削力减少，振幅下降；适当减小刀具后角α₀（α₀＝2°～3°），增加切削阻尼，也可在后刀面上磨出α₀＝0°消振棱；钻孔时适当增大钻头的横刃，以稳定钻头定中心。在刀具安装方面，车削外圆时，使刀尖高于工件中心，镗内孔则刀尖低于工件中心，以获得小的工作后角；

③合理选择切削用量　避开临界切削速度以削减自振。切削45钢自振动的临界切削速度见表2.5，在切断、车端面或用宽刃刀具、成形刀具和螺纹刀具时，切削速度v＜v_lim。纵车及切环形工件端面时，宜选择v＞v_lim。刀具出现高频自振，则可提高切削速度和切削深度。增大进给量f有利于减小自振。周期性地改变车床、磨床头架的主轴转速可消除再生自振；

表2.5　切削45钢自振的临界速度