机械加工表面质量 什么是机械加工表面质量
一、机械加工表面质量对机器使用性能的影响
（一）表面质量对耐磨性的影响
- 表面粗糙度对耐磨性的影响
- 一个刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间，最初阶段只在表面粗糙的的峰部接触，实际接触面积远小于理论接触面积，在相互接触的峰部有非常大的单位应力，使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏，引起严重磨损。
- 零件磨损一般可分为三个阶段，初期磨损阶段、正常磨损阶段和剧烈磨损阶段。
- 表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说表面粗糙度值愈小，其磨损性愈好。但表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。因此，接触面的粗糙度有一个最佳值，其值与零件的工作情况有关，工作载荷加大时，初期磨损量增大，表面粗糙度最佳值也加大。
- 一个刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间，最初阶段只在表面粗糙的的峰部接触，实际接触面积远小于理论接触面积，在相互接触的峰部有非常大的单位应力，使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏，引起严重磨损。
- 表面冷作硬化对耐磨性的影响
- 加工表面的冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。
（二）表面质量对疲劳强度的影响
- 表面粗糙度对疲劳强度的影响
- 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。表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏底能力就愈差。
- 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。表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏底能力就愈差。
- 残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响
- 余应力对零件疲劳强度的影响很大。表面层残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残余应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生
- 表面冷硬一般伴有残余应力的产生，可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利。
- 余应力对零件疲劳强度的影响很大。表面层残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残余应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生
（三)表面质量对耐蚀性的影响
（四）表面质量对配合质量的影响
二、影响表面粗糙度的因素
（一）切削加工影响表面粗糙度的因素
- 刀具几何形状的复映
- 刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状时刀具几何形状的复映。减小进给量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度。
- 此外，适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度，合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小表面粗糙度值的有效措施。
- 刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状时刀具几何形状的复映。减小进给量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度。
- 工件材料的性质
- 加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。
- 加工脆性材料时，其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。
- 加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。
- 切削用量
（二）磨削加工影响表面粗糙度的因素
- 砂轮的粒度
- 砂轮的硬度
- 砂轮的修整
- 磨削速度
- 磨削径向进给量与光磨次数
- 工件圆周进给速度与轴向进给量
- 冷却润滑液
三、影响加工表面层物理机械性能的因素
（一）表面层冷作硬化
- 冷作硬化及其评定参数
- 机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化(或称为强化)。表面层金属强化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化。
- 被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态，只有一有可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化。弱化作用的大小取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。由于金属在机械加工过程中同时受到力和热的作用，因此，加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。
- 评定冷作硬化的指标有三项，即表层金属的显微硬度HV、硬化层深度h和硬化程度N。
- 机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化(或称为强化)。表面层金属强化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化。
- 影响冷作硬化的主要因素
- 切削刃钝圆半径增大，对表层金属的挤压作用增强，塑性变形加剧，导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，导致冷硬增强。
- 切削速度增大，刀具与工件的作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减小，冷硬层深度减小。切削速度增大后，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短乐，将使冷硬程度增加。进给量增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬作用加强。
- 工件材料的塑性愈大，冷硬现象就愈严重。
- 切削刃钝圆半径增大，对表层金属的挤压作用增强，塑性变形加剧，导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，导致冷硬增强。
（二）表面层材料金相组织变化
- 磨削烧伤
- 当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。在磨削淬火钢时，可能产生以下三种烧伤：
- 回火烧伤
- 如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的转变温度，工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织(索氏体或托氏体)，这种烧伤称为回火烧伤。
- 如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的转变温度，工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织(索氏体或托氏体)，这种烧伤称为回火烧伤。
- 淬火烧伤
- 如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属发生二次淬火，使表层金属出现二次淬火马氏体组织，其硬度比原来的回火马氏体的高，在它的下层，因冷却较慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织(索氏体或托氏体)，这种烧伤称为淬火烧伤。
- 如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属发生二次淬火，使表层金属出现二次淬火马氏体组织，其硬度比原来的回火马氏体的高，在它的下层，因冷却较慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织(索氏体或托氏体)，这种烧伤称为淬火烧伤。
- 退火烧伤
- 如果磨削区温度超过了相变温度，而磨削区域又无冷却液进入，表层金属将产生退火组织，表面硬度将急剧下降，这种烧伤称为退火烧伤。
- 当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。在磨削淬火钢时，可能产生以下三种烧伤：
- 改善磨削烧伤的途径
- 磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤由两个途径：一是尽可能地减少磨削热地产生；二是改善冷却条件，尽量使产生地热量少传入工件。
- 正确选择砂轮
- 合理选择切削用量
- 改善冷却条件
- 磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤由两个途径：一是尽可能地减少磨削热地产生；二是改善冷却条件，尽量使产生地热量少传入工件。
（三）表面层残余应力
- 产生残余应力的原因
- 切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生，使表面金属的比容加大
- 由于塑性变形只在表层金属中产生，而表层金属的比容增大，体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止，因此就在表面金属层产生了残余应力，而在里层金属中产生残余拉应力。
- 由于塑性变形只在表层金属中产生，而表层金属的比容增大，体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止，因此就在表面金属层产生了残余应力，而在里层金属中产生残余拉应力。
- 切削加工中，切削区会有大量的切削热产生
- 不同金相组织具有不同的密度，亦具有不同的比容
- 如果表面层金属产生了金相组织的变化，表层金属比容的变化必然要受到与之相连的基体金属的阻碍，因而就有残余应力产生。
- 切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生，使表面金属的比容加大
- 零件主要工作表面最终工序加工方法的选择
- 零件主要工作表面最终工序加工方法的选择至关重要，因为最终工序在该工作表面留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。
- 选择零件主要工作表面最终工序加工方法，须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式。
- 在交变载荷作用下，机器零件表面上的局部微观裂纹，会因拉应力的作用使原生裂纹扩大，最后导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，该表面最终工序应选择能在该表面产生残余压应力的加工方法。
- 零件主要工作表面最终工序加工方法的选择至关重要，因为最终工序在该工作表面留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。
机械加工表面质量，是指零件在机械加工后表面层的微观几何形状误差和物理、化学及力学性能。产品的工作性能、可靠性、寿命在很大程度上取决于主要零件的表面质量。
机器零件的损坏，在多数情况下都是从表面开始的，这是由于表面是零件材料的边界，常常承受工作负荷所引起的最大应力和外界介质的侵蚀，表面上有着引起应力集中而导致破坏的根源，所以这些表面直接与机器零件的使用性能有关。在现代机器中，许多零件是在高速、高压、高温、高负荷下工作的，对零件的表面质量，提出了更高的要求。
任何机械加工方法所获得的加工表面都不可能是绝对理想的表面，总存在着表面粗糙度、表面波度等微观几何形状误差。表面层的材料在加工时还会发生物理、力学性能变化，以及在某些情况下发生化学性质的变化。图1-15(a)表示加工表层沿深度方向的变化情况。在最外
层生成氧化膜或其他化合物，并吸收、渗进了气体、液体和固体的粒子，称为吸附层，其厚度一般不超过8μm。压缩层即为表面塑性变形区，由切削力造成，厚度约为几十至几百微米，
随加工方法的不同而变化。其上部为纤维层，是由被加工材料与刀具之间的摩擦力所造成的。另外，切削热也会使表面层产生各种变化，如同淬火、回火一样使材料产生相变以及晶粒大小的变化等。因此，表面层的物理力学性能不同于基体，产生了如图1-15(b)、(c)所示的显微硬度和残余应力变化。
（a） （b） （c）
图1-15 加工表面层沿深度方向的变化情况
（a）加工变质层 （b）变质层显微硬度 （c）变质层残余应力
机械零件的加工质量，除了加工精度外，还包含表面质量（表面完整性）。了解影响机械加工表面质量的主要工艺因素及其变化规律，对保证产品质量具有重要意义。
机械加工表面质量的含义有两方面的内容：
（１）表面的几何特性
如图1-16所示，加工表面的几何形状，总是以“峰”“谷”形式交替出现，其偏差又有宏观、微观的差别。
①表面粗糙度 它是指加工表面的微观几何形状误差，如图1-16所示，其波长L３与波高H3的比值一般小于50，主要由刀具的形状以及切削过程中塑性变形和振动等因素决定。
②表面波度 它是介于宏观几何形状误差（L1／H1>1000）与微观表面粗糙度（L3／H3<50）之间的周期性几何形状误差。它主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动所引起的，如图1-16所示，其波长L2与波高H2的比值一般为50～1000。一般以波高为波度的特征
图1-16 表面几何特性
参数，用测量长度上五个最大的波幅的算术平均值ω表示，即
ω＝（ω1＋ω2＋ω3＋ω4＋ω5）／5 （1-4）
③表面纹理方向 它是指表面刀纹的方向，取决于该表面所采用的机械加工方法及其主运动和进给运动的关系。一般对运动副或密封件有纹理方向的要求。
④伤痕 在加工表面的一些个别位置上出现的缺陷。它们大多是随机分布的，例如砂眼、气孔、裂痕和划痕等：
（２）表面层物理、化学和力学性能
由于机械加工中切削力和切削热的综合作用，加工表面层金属的物理、力学和化学性能发生一定的变化，主要表现在以下三个方面：
●表面层加工硬化（冷作硬化）。
●表面层金相组织变化及由此引起的表层金属强度、硬度、塑性及耐腐蚀性的变化。
●表面层产生残余应力或造成原有残余应力的变化。
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