【正文】 第七章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 保證機(jī)器的使用性能和延長使用壽命，需提高機(jī)器零件的耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗蝕性、密封性、接觸剛度等性能，主要取決于零件的表面質(zhì)量。機(jī)械加工表面質(zhì)量是機(jī)械零件加工質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。是以機(jī)械零件的加工表面和表面層作為分析和研究對象的。 旨在研究零件表面層在加工中的變化和機(jī)理，掌握機(jī)械加工中各種工藝因素對表面質(zhì)量的影響規(guī)律，控制加工中的各種影響因素，以滿足表面質(zhì)量的要求。 主要討論機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義、表面質(zhì)量對使用性能的影響、表面質(zhì)量產(chǎn)生的機(jī)理等。對生產(chǎn)現(xiàn)場中發(fā)生的表面質(zhì)量問題從理論上作出解釋，提出提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的途徑。本章提要表面質(zhì)量的含義 表面質(zhì)量是指機(jī)器零件加工后表面層的狀態(tài)。有兩部分：⑴ 表面層的幾何形狀 表面粗糙度： 是指表面微觀幾何形狀誤差，其波高與波長的比值在 L1/H1＜ 40的范圍內(nèi)。表面波度： 是介于加工精度（宏觀幾何形狀誤差 L3/H3＞ 1000）和表面粗糙度之間的一種帶有周期性的幾何形狀誤差，其波高與波長的比值在 40≤L2/H2≤1000的范圍。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量圖 表面幾何形狀⑵ 表面層的物理機(jī)械性能表面層冷作硬化（簡稱冷硬）： 零件在機(jī)械加工中表面層金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷態(tài)塑性變形后，引起的強(qiáng)度和硬度都有所提高的現(xiàn)象。表面層金相組織的變化： 由于切削熱引起工件表面溫升過高，表面層金屬發(fā)生金相組織變化的現(xiàn)象。表面層殘余應(yīng)力： 由于加工過程中切削變形和切削熱的影響，工件表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量表面質(zhì)量對零件使用性能的影響對零件耐磨性的影響 在摩擦副的材料、熱處理情況和潤滑條件已經(jīng)確定的情況下， 零件的表面質(zhì)量對耐磨性能起決定零件的表面質(zhì)量對耐磨性能起決定性的作用。性的作用。 兩個表面粗糙度值很大的零件接觸，最初接觸的只是一些凸峰頂部，實際接觸面積比名義接觸面積小得多，這樣單位接觸面積上的壓力就很大，當(dāng)壓力超過材料的屈服極限時，凸峰部分產(chǎn)生塑性變形；當(dāng)兩個零件作相對運動時，就會產(chǎn)生剪切、凸峰斷裂或塑性滑移，初期磨損速度很快。 機(jī)械加工后的表面質(zhì)量圖 表面粗糙度與初期 磨損量關(guān)系 曲線存在 最佳點 ，對應(yīng)零件最耐磨的粗糙度，此時零件的初期磨損量最小。若載荷加重或潤滑條件惡化，磨損曲線將向上向右移動，最佳粗糙度值也隨之右移。 在表面粗糙度大于最佳值時，減小表面粗糙度值可減少初期磨損量。 但當(dāng)表面粗糙度小于最佳值時，零件實際接觸面積就增大，接觸面積之間的潤滑油被擠出，金屬表面直接接觸，因金屬分子間的親和力而發(fā)生粘結(jié)（稱為冷焊），隨著相對運動的進(jìn)行，粘結(jié)處在剪切力的作用下發(fā)生撕裂破壞。有時還由于摩擦產(chǎn)生的高溫，使摩擦面局部熔化（稱為熱焊）等原因，使接觸表面遭到破壞，初期磨損量反而急劇增加。 一對摩擦副在一定的工作條件下通常有一最佳粗糙度值，在確定機(jī)器零一對摩擦副在一定的工作條件下通常有一最佳粗糙度值，在確定機(jī)器零件的技術(shù)條件時應(yīng)該根據(jù)零件工作的情況及有關(guān)經(jīng)驗，規(guī)定合理的粗糙度。件的技術(shù)條件時應(yīng)該根據(jù)零件工作的情況及有關(guān)經(jīng)驗，規(guī)定合理的粗糙度。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量 圖 ，粗糙度值相同，但輪廓形狀不同，其耐磨性相差可達(dá) 3~4倍。試驗表明，耐磨性決定于輪廓峰頂形狀和凹谷形狀。前者決定干摩擦?xí)r的實際接觸面積，后者決定潤滑摩擦?xí)r的容油情況。圖 。 表面粗糙度對耐磨性能的影響，還與 粗糙度的輪廓形狀及紋路方向有關(guān)。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量表面層的冷硬可顯著地減少零件的磨損。原因： 冷硬提高了表面接觸點處的屈服強(qiáng)度，減少了進(jìn)一步塑性變形的可能性，并減少了摩擦表面金屬的冷焊現(xiàn)象。 但如果表面硬化過度，零件心部和表面層硬度差過大，會發(fā)生表面層剝落現(xiàn)象，使磨損加劇。 表面層產(chǎn)生金相組織變化時，由于改變了基體材料原來的硬度，因而也直接影響其耐磨性。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量對零件疲勞強(qiáng)度的影響 在周期性的交變載荷作用下，零件表面微觀不平與表面的缺陷一樣都會產(chǎn)生 應(yīng)力集中 現(xiàn)象，而且表面粗糙度值越大，即凹陷越深和越尖，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，越容易形成和擴(kuò)展疲勞裂紋而造成零件的疲勞損壞。 鋼件對應(yīng)力集中敏感，鋼材的強(qiáng)度越高，表面粗糙度對疲勞強(qiáng)度的影響越大。含有石墨的鑄鐵件相當(dāng)于存在許多微觀裂紋，與有色金屬件一樣對應(yīng)力集中不敏感，表面粗糙度對疲勞強(qiáng)度的影響就不明顯。 加工紋路方向 對疲勞強(qiáng)度的影響更大，如果刀痕與受力方向垂直，則疲勞強(qiáng)度將顯著降低。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量對零件疲勞強(qiáng)度的影響 零件表面的冷硬層能夠阻礙裂紋的擴(kuò)大和新裂紋的出現(xiàn) ，因為由摩擦學(xué)可知疲勞源的位置在冷硬層的中部，因此冷硬可以提高零件的疲勞強(qiáng)度。但冷硬層過深或過硬則容易產(chǎn)生裂紋，反而會降低疲勞強(qiáng)度。所以冷硬要適當(dāng)。 表面層的內(nèi)應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響很大。 表面層殘余的壓應(yīng)力能夠部分地抵消工作載荷施加的拉壓力，延緩疲勞裂紋擴(kuò)展。而殘余拉應(yīng)力容易使已加工表面產(chǎn)生裂紋而降低疲勞強(qiáng)度。帶有不同殘余應(yīng)力表面層的零件，其疲勞壽命可相差數(shù)倍至數(shù)十倍。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量對零件抗腐蝕性能的影響 零件表面粗糙度值越大，潮濕空氣和腐蝕介質(zhì)越容易堆積在零件表面凹處而發(fā)生 化學(xué)腐蝕 ，或在凸峰間產(chǎn)生電化學(xué)作用而引起 電化學(xué)腐蝕 ，故抗腐蝕性能越差。 表面冷硬和金相組織變化都會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。零件在應(yīng)力狀態(tài)下工作時，會產(chǎn)生 應(yīng)力腐蝕 ，若有裂紋，則更增加了應(yīng)力腐蝕的敏感性。因此表面內(nèi)應(yīng)力會降低零件的抗腐蝕性能。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量對零件的其它影響 表面質(zhì)量對零件的 配合質(zhì)量、密封性能及摩擦系數(shù) 都有很大的影響。表面粗糙度值越大，初期磨損量越大，對動配合來說，使用不久就會使配合性質(zhì)發(fā)生變化；對靜配合來說，壓裝時會減少過盈量，降低配合強(qiáng)度。 零件表面層狀態(tài)對其使用性能有如此大的影響是因為：承受載荷應(yīng)力最大的表面層是金屬的邊界，機(jī)械加工后破壞了晶粒的完整性，從而降低了表面的某些機(jī)械性能。表面層有裂紋、加工痕跡等各種缺陷，在動載荷的作用下，可能引起應(yīng)力集中而導(dǎo)致破壞。零件表面經(jīng)過加工后，表面層的物理、機(jī)械、冶金和化學(xué)性能都變得和基體材料不同了。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量切削加工后的表面粗糙度 切削加工時表面粗糙度的形成，大致可歸納為三方面的原因：幾何因素物理因素工藝系統(tǒng)的振動機(jī)械加工后的表面粗糙度幾何因素 由刀具相對于工件作進(jìn)給運動時在加工表面上遺留下來的切削層殘留面積（ 圖 ）。理論上的最大粗糙度 Rmax可由刀具形狀、進(jìn)給量 f，按幾何關(guān)系求得。當(dāng)不考慮刀尖圓弧半徑時： 當(dāng)背吃刀量和進(jìn)給量很小時，粗糙度主要由刀尖圓弧構(gòu)成：機(jī)械加工后的表面粗糙度圖 切削層殘留面積機(jī)械加工后的表面粗糙度物理因素 由圖知，實際粗糙度與理論粗糙度差別較大。 主要是與被加工材料的性能及切削機(jī)理有關(guān)的物理因素的影響。切削過程中刀具的刃口圓角及后刀面對工件擠壓與摩擦而產(chǎn)生塑性變形。韌性越好的材料塑性變形越大，且容易出現(xiàn)積屑瘤與鱗刺，使粗糙度嚴(yán)重惡化。 還有切削用量、冷卻潤滑液和刀具材料等因素影響。 圖 塑性材料加工后表面的實際輪廓和理論輪廓機(jī)械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度影響因素可歸納為三方面： 與磨削過程和砂輪結(jié)構(gòu)有關(guān)的幾何因素 與磨削過程和被加工材料塑性變形有關(guān)的物理因素 工藝系統(tǒng)的振動因素機(jī)械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度 從幾何因素看，砂輪上磨粒的微刃形狀和分布對于磨削后的表面粗糙度是有影響的。磨削表面是由砂輪上大量的磨粒刻劃出無數(shù)極細(xì)的構(gòu)槽形成的，每單位面積上刻痕越多，即通過每單位面積的磨粒數(shù)越多，以及刻痕的等高性能好，粗糙度也就越低。 從物理因素看，大多數(shù)磨粒只有滑擦、耕犁作用。在滑擦作用下，被加工表面只有彈性變形，不產(chǎn)生切屑；在耕犁作用下，磨粒在