机械加工表面质量

8.2.1 机械加工表面质量的含义

机械加工表面质量简称表面质量，包含表面的几何特征和表面层物理力学性能两方面内容。

1.表面的几何特征

1）表面粗糙度

表面粗糙度指加工表面的微观几何形状误差。如图8－17所示，其波长L3与波高H3的比值一般小于50。

图8－17 形状误差、表面粗糙度及波度的示意关系

2）表面波度

表面波度是介于形状误差（L1／H1＞1000）与表面粗糙度（L3／H3＜50）之间的周期性的几何形状误差。其波长L2与波高H2之比一般为50～1000。

3）表面纹理方向

表面纹理方向即表面刀纹的方向，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规定纹理方向。

2.表面层物理力学性能

表面层物理力学性能也是衡量表面质量的因素，它主要包括表面层的加工硬化情况、表面层的金相组织变化情况、表面层的残余应力情况等。

8.2.2 表面质量对零件使用性能的影响

1.表面质量对耐磨性的影响

零件的耐磨性不仅与材料、润滑条件有关，而且还与零件的表面质量有关。当两个表面接触时，开始时实际上是表面上一些凸峰相接触，因此实际接触面积比理论接触面积小得多。在外力作用下，凸峰处产生很大的压强，当零件作相对运动时，接触处的部分凸峰就会产生塑性变形被磨损掉。表面越粗糙，凸峰的压力越大，磨损就越快。但这不等于说零件表面粗糙度越小越耐磨。表面粗糙度过小，将会使紧密接触的两个表面间储油能力变差，润滑能力恶化，两表面间将会发生分子黏合现象而咬合起来，加剧磨损。

所以表面粗糙度与初期磨损量之间存在一个最佳值。能获得最小磨损量的粗糙度为零件最耐磨的表面粗糙度，如图8－18所示。

图8－18 表面粗糙度与初期磨损量的关系

1—轻载荷；2—重载荷

在不同的工作条件下，零件的最佳表面粗糙度是不同的。重载荷情况下零件的最佳表面粗糙度要比轻载荷时大。

表面层的加工硬化使零件表面层的硬度提高，有利于提高零件的耐磨性。但过度硬化会使零件表面层金属变脆，组织疏松，甚至产生剥落现象，使零件耐磨性下降。所以零件表面层硬化深度有一个最佳值，可使零件耐磨性最好。

2.表面质量对零件疲劳强度的影响

减小表面粗糙度可以提高零件的疲劳强度。在交变应力作用下，零件表面微观的凹谷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。

零件表面层的残余应力性质对疲劳强度的影响也较大。当表面层残余应力为拉应力时，在拉应力作用下，会使表面的裂纹扩大而降低疲劳强度；而残余压应力则可以延缓疲劳裂纹的扩展，提高零件的疲劳强度。

表面的加工硬化能阻碍疲劳裂纹的出现，但硬化程度过大反而会降低疲劳强度。

3.表面质量对零件耐蚀性的影响

零件表面粗糙度对零件的耐蚀性影响很大。因为表面的微观凹谷处容易积聚腐蚀性物质，表面越粗糙，凹谷越深，腐蚀与渗透作用越强烈。

表面残余应力对零件的耐蚀性也有一定影响。残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不容易进入，可提高零件的耐蚀性；而残余拉应力会降低耐蚀性，使零件易被腐蚀。

4.表面质量对配合性质及零件其他性能的影响

对间隙配合来说，如果表面太粗糙，会使配合表面很快磨损而增大配合间隙，降低配合精度；对于过盈配合来说，如果表面粗糙度太大，在装配时配合表面的波峰会被挤平，减小了实际过盈量，降低配合件间连接强度，影响配合的可靠性。因此，对于有配合的表面，应减小表面粗糙度。

8.2.3 影响切削加工表面粗糙度的工艺因素及改善措施

1.表面粗糙度的形成

1）切削残留形成的粗糙度

在普通切削情形下，由于刀具的几何角度和主、副切削刃与工件之间的相对运动等原因，加工后有一部分金属未被切去，残留在已加工表面上。残留面积的高度直接影响已加工表面的表面粗糙度，如图8－19所示为车外圆的情况。

图8－19 残留面积

设进给量为f，刀尖圆弧半径rε≠0，且刀具主、副偏角分别为κr和κ′r，则图8－19（a）中残留面积高度可由下式计算

设进给量为f，刀尖圆弧半径rε≠0，且主要要依靠刀尖圆弧刃切削时，则图8－19（b）中残留面积高度由下式计算

经整理，略去高次项得

由此可见，减小进给量f和主副偏角κr和，或增大刀尖圆弧半径rε都可减小表面粗糙度。

2）切削过程不稳定因素引起的粗糙度

（1）积屑瘤的影响 由于积屑瘤不稳定，脱落的碎片会粘在已加工表面上，从而增大了表面粗糙度。积屑瘤堆积在切削刃附近，使刀口钝化，造成挤压和过切现象，加工表面出现犁沟，也增大了表面粗糙度。

（2）鳞刺的影响 在较低的切削速度下，切削中碳钢、铬钢（20Cr、40Cr）、紫铜等塑性金属时，在已加工表面上会出现一种鳞片状有裂口的毛刺，称为鳞刺。在拉削、螺纹车削中会出现这种现象，严重影响表面粗糙度。

（3）振动的影响 切削振动不仅会增大表面粗糙度，严重时会影响机床精度和损坏刀具。产生振动的原因较复杂，通常由工艺系统刚度不足和背向力过大造成。

2.影响表面粗糙度的因素及改善措施

1）切削用量

减小进给量有利于减小表面粗糙度。进给量越小，残留面积高度Rmax越小，而且鳞刺、积屑瘤、振动均不易产生。但进给量太小，会加剧刃口对加工表面的挤压，增加冷硬程度。

切削塑性材料时，在低速或高速范围内均不易产生积屑瘤。而在中速下，容易形成积屑瘤和鳞刺。故精加工塑性材料时，为获得较小的表面粗糙度，通常硬质合金刀具采用高速切削，高速钢刀具采用低速切削。对于脆性材料，切削速度对表面粗糙度影响较小。

2）刀具几何角度

刀具前角γ0或后角α0增大，都能减小变形和摩擦，提高刀具的锋利性，还能抑制鳞刺和积屑瘤的生成。故增大前角或后角，能获得较小的表面粗糙度，改善表面质量。

由式（8－8）、式（8－9）可知，减小主、副偏角或增大刀尖圆弧半径都可以减小表面粗糙度。生产中通过修磨＝0的修光刃，可获得较小表面粗糙度。但修光刃不宜太宽，否则会引起振动。提高刀具的刃磨质量，也能得到较小的表面粗糙度。

3）其他因素

合理使用切削液能减少变形、抑制积屑瘤和鳞刺的产生，因而可大大减小表面粗糙度。对于塑性较大的工件材料，常在切削加工前对材料进行调质或正火处理，以获得均匀细密的晶粒组织和较高的硬度，可减小切削加工后的表面粗糙度。

8.2.4 影响磨削加工表面粗糙度的工艺因素及改善措施

1.磨削加工表面粗糙度的形成

由于砂轮的磨粒形状不规则，分布不均匀，每个磨粒又都有较大的钝圆半径，且磨削厚度很小，因此在磨削过程中每个磨粒将起到切削、刻划和抛光的综合作用，从而在加工表面刻划出细微的沟痕和塑性隆起，形成表面粗糙度。

2.影响磨削加工表面粗糙度的工艺因素

1）磨削用量

（1）砂轮速度vs提高砂轮速度，可以使磨粒单位时间内在工件单位面积上磨削次数增加，刻痕数增多，还能使表层金属因来不及充分变形，使塑性隆起减小，所以提高砂轮速度，可减小表面粗糙度。

（2）工件速度vw工件速度vw增加，将使塑性变形增加，表面粗糙度增大。

（3）进给量 轴向进给量fa和径向进给量fr增加，磨削厚度会增加，磨削表面的塑性变形程度增大，表面粗糙度增大。

2）砂轮

（1）粒度 砂轮的磨粒越细，表面粗糙度越小。但磨粒过细，反而使表面粗糙度增大，甚至出现烧伤现象。

（2）硬度 砂轮硬度应适中，使砂轮的半钝化期适当延长。半钝化的砂轮微刃切削作用降低，摩擦抛光作用显著，会使工件获得较小的表面粗糙度。

（3）砂轮的修整 砂轮修整的质量越好，砂轮表面磨粒的等高性越好，磨削出的表面粗糙度越小。

3）工件材料

工件材料的硬度太高，磨粒易磨钝，不易提高表面质量；工件材料的塑性、韧性较大，则塑性变形较大，且砂轮容易被糊塞，也得不到较小的表面粗糙度。

3.改善表面粗糙度的措施

（1）合理选择磨削用量。提高磨削速度，降低轴向进给量和径向进给量，有利于减小表面粗糙度。

（2）合理选择砂轮的粒度号、硬度以及磨料、结合剂等。

（3）提高砂轮的修整质量。尤其是在精磨或超精磨时，必须采用锋利的金刚石刀精细修整砂轮，以提高磨粒微刃的等高性。

（4）改善磨床的性能。砂轮主轴的径向跳动要小，动刚度要高，而且要求磨床在低速时无爬行现象。

此外，合理使用切削液，改善工件材料的性能，也能减小表面粗糙度。

8.2.5 影响表面力学性能的工艺因素及改善措施

1.影响加工硬化的因素

塑性变形越大，切削力越大，硬化现象越严重。因此，提高切削速度、减小进给量和背吃刀量，可以减小切削变形和切削力，减轻硬化程度。

增大刀具的前角和后角、减小刃口钝圆半径、提高刀具的锋利性，可减小挤压变形和切削力，减轻硬化程度。

此外，合理使用切削液，减小刀具后刀面与加工表面的摩擦，也可降低硬化程度。

2.影响表面残余应力的因素

机械加工后，工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化综合作用的结果。在不同的加工条件下，残余应力的性质、大小及分布规律会有明显的差别。切削加工时，主要是冷态塑性变形引起的残余应力，即工件表面受到刀具后刀面的挤压和摩擦而产生伸长塑性变形，最后因基体的弹性恢复在表面层产生残余压应力。磨削加工时，主要是热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化而产生残余应力（表面层常存有残余拉应力）。

3.表面层金相组织的变化与磨削烧伤

1）金相组织的变化与磨削烧伤的产生

在切削加工中，因变形和摩擦所消耗的能量绝大部分转变为切削热，故切削区内温度升高，当温度升高到金相组织变化的临界点时，表层金属就会发生金相组织变化。对于一般的切削加工，影响不大。但对于磨削加工，磨削区的温度很高，容易引起金相组织变化，使强度和硬度下降，产生残余应力，甚至出现微观裂纹，严重时还会在工件表面局部出现各种带色斑点，即形成表面烧伤。

2）影响磨削烧伤的因素

凡影响磨削温度的因素都影响磨削烧伤。

（1）磨削用量 当径向进给量fr增加时，消耗的能量增加，工件表面及里层的温度都将提高，容易造成烧伤，故fr不宜取得太大。

当轴向进给量fa增加时，砂轮与工件接触面积减少，改善了散热条件，磨削温度降低，可减轻烧伤。但fa增加会导致表面粗糙度增大，这时可采用较宽的砂轮弥补。

当工件速度vw增加时，磨削区的温度上升，但此时热源的作用时间减少，因而可减轻烧伤。为了弥补因vw增加导致表面粗糙度增大的缺陷，可提高砂轮速度。实践证明，同时提高工件速度vw和砂轮速度vs，既可减轻表面烧伤，又不致增大表面粗糙度和降低生产率。

（2）砂轮特性 砂轮硬度太高，磨钝的磨粒不易脱落，使磨削温度升高，容易造成烧伤。砂轮组织紧密，气孔率小，易糊塞砂轮，容易造成烧伤。所以采用硬度较软、组织疏松、粗粒度以及结合剂弹性好的砂轮，有利于减轻烧伤现象。

（3）冷却方法 采用切削液能有效降低切削温度，减轻烧伤。然而，普通的冷却方法效果较差。如图8－20所示的常用冷却方法，切削液不易进入磨削区AB，且大量倾注在已经离开磨削区的加工表面上，而这时烧伤已经产生。冷却效果不太好。生产中常采用以下措施来提高冷却效果。

图8－20 常用的冷却方法

图8－21 内冷却砂轮

1—锥形盖；2—切削液通孔；3—砂轮中心腔；4—有径向小孔的薄壁套

①采用内冷却砂轮。如图8－21所示，将切削液引入砂轮的中心腔内，由于离心力的作用，切削液经过砂轮内部的孔隙从砂轮四周的边缘甩出，这样，切削液可直接进入磨削区，发挥有效的冷却作用。

②改进切削液喷嘴和增加切削液流量。因高速磨削产生的强大气流使切削液不易进入切削区，为弥补这一不足，一般可增加切削液流量和压力，并采用在砂轮上安装带有空气挡板的切削液喷嘴，如图8－22所示。喷嘴上有一块横板紧贴砂轮圆周，使强大的气流沿板上面流出，避免气流进入磨削区，两侧的挡板可防止冷却液向两旁飞溅。这对于高速磨削效果显著。

③采用浸油砂轮。把砂轮放在溶化的硬脂酸溶液中浸透，取出后冷却即为油浸砂轮。磨削区热源使砂轮边缘部分的硬脂酸溶化而进入磨削区，从而起到冷却和润滑作用。

图8－22 带有空气挡板的切削液喷嘴

1—液流导管；2—可调气流挡板；3—空腔区；4—喷嘴罩；5—磨削区；6—排液区；7—喷嘴