机加工表面质量概论

-98-第十三章机械加工表面质量第一节概述机械加工表面质量是零件加工技术要求的一个重要组成部分。主要零件的表面质量，对产品的工作性能、可靠性和耐磨性等都有很大影响。随着工业技术的迅速发展，许多产品要求零件在高速、高压、高温和高负荷下工作，因而对零件的表面质量提出越来越高的要求。一、机械加工表面质量的概念零件的加工表面质量包括零件的表面几何特性和物理力学性能两方面。（一）零件的表面几何特性1．表面粗糙度表面粗糙度是指加工表面上具有的较小距离的峰谷所组成的表面微观几何形状特性。（见图13-l）一般由加工中切削刀具的运动轨迹及工艺系统的高频振动等多种因素所形成。其大小由表面轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz和轮廓最大高度Ry等参数来评定，其中优先推荐Ra参数。2．表面波度表面波度指介于宏观几何形状误差与微观几何形状误差（即表面粗糙度）之间的一种周期性几何形状误差。图13－l表示了表面粗糙度和表面波度的关系。对于表面波度的表征方法，目前尚无统一图13－l的规定。一般有二种表征方法。一种是根据其周期来表征，即波幅和波长；另一种是根据波纹的轮廓形状来表征，如圆弧形、尖峰形和锯齿形等。（二）零件表面的物理力学性能1．因加工表面层的塑性变形所引起的表面加工硬化。2．由于切削和磨削加工等的高温所引起的表面层金相组织的变化。3．因切削加工引起的表面层残余应力。二、机械加工表面质量对零件使用性能的影响（一）表面质量对零件耐磨性的影响零件的耐磨性是机械制造中的重要问题。磨损是一个很复杂的问题，其机理至今尚未清楚。一般认为磨损产生在有相对运动的表面，它不仅与摩擦副的材料和润滑有关，而且还与零件的表面质量有密切关系。当两个零件表面相互接触时，起初只有很少的凸峰顶部真正接-99-触。在外力作用下，凸峰接触部分将产生很大的压强。且表面越粗糙，接触的实际面积越小，产生的压强就越大。这时，当两零件表面作相对运动时，接触部分就会因相互挤压、剪切和图13－2滑擦等而产生表面磨损现象。在有润滑的条件下，零件的磨损过程一般可分为初期磨损、正常磨损和急剧磨损三个阶段。如图13－2所示，在机器开始运转时，由于实际接触面积很小，压强很大，因而磨损很快。这个时间比较短，称为初始磨损阶段，如图中Ⅰ区所示。随着机器的继续工作，相对运动的表面的实际接触面积逐步增大，压强逐渐减小。从而磨损变缓，进入正常磨损阶段。这座时间较长如图中Ⅱ区所示。随着磨损的延续，接触表面的凸峰被磨平，粗糙度变得很小。此时，不利于润滑油的贮存。润滑油也难以进入摩擦区，从而使润滑情况恶化。同时，紧密接触表面会产生很大的分子亲和力，甚至会发生分子粘合，使磨擦阻力增大，结果使磨损进入急剧磨损阶段，如图中Ⅲ区所示。此时，零件实际上已处于不正常的工作状态。实践证明，初期磨损量与零件表面粗糙度有很大关系。图13-3表示在轻载和重载情况下粗糙度对初期磨损量的影响情况。由图中可以看出，在一定条件下摩擦副表面的粗糙度参数总是存在某个最佳点（图中R1a和R2a），在这一点的初期磨损量为最小。最佳粗糙度参数值可根据实际使用条件通过试验求得，一般Ra值在0．04～0．08m左右。表面磨损还与该表面采用的加工方法和成形原理所得到的表面纹理有关。实验证明，在一般情况下，上下摩擦件的纹理方向与相对运动方向一致时，初期磨损量最小；纹理方向与相对运动方向相垂直时，初期磨损量最大。图13-3表面加工冷作硬化对磨损量也有影响，一般能提高耐磨性0.5～1倍。但也不是冷作硬度越高越好，因为过高的硬度会使局部金属组织疏松发脆及有细小裂纹出现，此时，在外力作用下，表面层易产生剥落现象而使磨损加剧。同样，冷作硬化也存在一个最佳硬化硬度。（二）表面质量对零件疲劳强度的消响在交变载荷作用下，零件表面的粗糙度、划痕和微观裂纹等缺陷容易引起应力集中而产生和扩展疲劳裂纹，致使零件疲劳损坏。试验表明，减小表面粗糙度可以使疲劳强度提高30%～40％。-100-加工纹理方向对疲劳强度的影响更大，在纹理方向和相对运动方向相垂直时，疲劳强度将明显降低。表面残余应力对疲劳强度的影响很大，当表面层的残余应力为压应力时，能部分抵消外力产生的拉应力，起着阻碍疲劳裂纹扩展和新裂纹产生的作用，因而能提高零件的疲劳强度。而当残余应力为拉应力时，则与外力施加的拉应力方向一致，就会助长疲劳裂纹的扩展，从而使疲劳强度降低。表面冷作硬化有助于提高零件的疲劳强度，这是由于硬化层能阻止已有裂纹的扩大和新疲劳裂纹的产生。但冷作硬化也不能过大，否则反而易于产生裂纹。（三）表面质量对零件耐腐蚀性能的影响零件工作时，不可避免地受到潮湿空气和其他腐蚀性介质的浸入，这就会引起化学腐蚀和电化学腐蚀。如图13－4所示，由于表面粗糙图13－4度的存在，在表面凹谷处容易积聚腐蚀性介质而产生腐蚀，且凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈；而在粗糙表面的凸峰处则因摩擦剧烈而容易产生电化学腐蚀。由此看来，减小表面粗糙度和波度可提高零件的耐腐蚀能力。零件表面存在残余压应力时，会使零件表面紧密而使腐蚀性物质不易侵入，从而提高耐腐蚀能力，但残余拉应力则相反，会减低耐腐蚀性。对某些敏感金属或合金，在静拉应力和特定环境共同作用下，会导致脆性断裂，从而加速腐蚀作用，此即为应力腐蚀。（四）表面质量对配合性质的影响相配零件的配合性质是由它们之间的过盈量或间隙量来表示的。由于表面微观不平度的存在，使得实际有效过盈量或有效间隙量发生改变，从而引起配合性质和配合精度的改变。当零件间为间隙配合时，若表面粗糙度过大，将引起初期磨损量增大，使配合间隙变大，导致配合性质变化，从而使运动不稳定或使气压、液压系统的泄漏量增大；当零件间为过盈配合时，如果表面粗糙度过大，则实际过盈量将减少，这也会使配合性质改变，降低联接强度，影响配合的可靠性。因此，在选取零件间的配合时，应考虑表面粗糙度的影响。例如为了维持足够的过盈，可在相配零的尺寸中增加一粗糙度Ra值。第二节影响加工表面质量的工艺因素一、切削加工时的影响因素（一）影响切削加工表面粗糙度的因素切削加工时，形成表面粗糙度的主要原因，一般可归纳为几何原因和物理原因。几何原因主要指刀具相对工件作进给运动时，在加工表面留下的切削层残留面积。残留面积越大，表面越粗糙。由切削原理可知，切削残留面积的高度主要与进给量、刀尖圆弧半-101-径及刀具的主、副偏角有关。另外，刀刃刃磨质量对加工表面的粗糙度也有很大影响。物理原因是指切削过程中的塑性变形、摩擦、积屑瘤、鳞刺以及工艺系统中的高频振动等。切削过程中，刀具刃口圆角及后刀面对工件的挤压与摩擦，会使工件已加工表面发生塑性变形，引起已有残留面积歪扭，使粗糙度变大。中速切削塑性金属时，在前刀面上易形成硬度很高的积屑瘤，随着积屑瘤由小变大和脱落使刀具的几何角度和切削深度发生变化，并导致切削加工的不稳定性，从而严重影响表面粗糙度。工艺系统中的高频振动使工件与刀具之间的相对位置发生微幅变动，从而使工件表面的粗糙度增大。由表面粗糙度的形成原因可以看出，影响表面粗糙度的工艺因素主要有下列方面：1．刀具几何参数适当增大前角，刀具易于切入工件，可减小塑性变形，抑制积屑瘤和鳞刺的生长，对减小粗糙度有利。但当速度大于750m／min时，增大前角即不起作用。前角也不宜过大，否则刀刃有可能嵌入工件，至使粗糙度变大。当前角一定时，后角越大，切削刃钝圆半径越小，刀刃越锋利。同时还能减小后刀面与加工表面间的摩擦和挤压，故有利于减小粗糙度。但后角过大，对刀刃强度不利，易产生切削振动，结果反而增大粗糙度。为了减小切削残留面积高度，以减小粗糙度，可适当增大刀尖圆弧半径r和减小主偏角rK、副偏角'rK。2．工件材料工件材料的塑性、金相组织和热处理性能对加工表面的粗糙度有很大影响。一般而言，材料的塑性越大，加工表面越粗糙。低碳钢工件加工表面粗糙度就不如中碳钢低；合金钢不如碳钢；黑色金属不如有色金属。脆性材料易于得较小的表面粗糙度。工件的金相组织的晶粒越均匀、粒度越细，加工后的表面粗糙度越小。显然，正火和回火有利于表面粗糙度的降低。试验证明，热处理硬度越高，加工所得的表面粗糙度越小。工具钢和合金钢等材料，经淬火后加工螺纹、圆柱面和端面时，能获得Ra值小于0.2m的表面粗糙度。3．切削用量提高切削速度（v），可减小加工表面的粗糙度，这是由于高速切削时刀具不易产生积屑瘤，同时也可使切屑和加工表面层的塑性变形程度减轻。另外，采用很低的切削速度也有利于表面粗糙度的降低。图13-5所示为切削速度（v）与表面粗糙度Rz值的关系曲线。进给量的大小对加工表面粗糙度有较大影响。进给量大时，不仅残留面积的高度大，而且切屑变形也大，切屑与前刀面的摩擦以及后刀面与已加工表面的摩擦都加剧，这一些都使加工表面粗糙度增大。因此，减小进给量对降低表面粗糙度很有利。切削深度在一定范围内对表面粗糙度的影响不明显，但太大和太小对表面粗糙度的降低不利。太大时，易产生振动；太小时，正常切削往往不能维持，刀刃会在工件表面打滑，产-102-生剧烈摩擦，把已加工表面划伤，从而引起表面粗糙度的恶化。4．切削液切削液的主要作用为润滑、冷却和清洗排屑。在切削过程中，切削液能在刀具的前、后图13-5刀面上形成一层润滑油膜，减小金属表面间的直接接触，减轻摩擦及粘结现象，降低切削温度，从而减小切屑的塑性变形，抑制积屑瘤与鳞刺的产生。故切削液对减小加工表面粗糙度有很大作用。具体选用切削液应考虑多种因素。精加工时主要应减小工件表面粗糙度和提高刀具耐用度。故中、低速切削时应选用润滑性好的极压切削油或高浓度的极压乳化液。高速切削时润滑效果不好，可选用冷却性为主的低浓度乳化液或化学切削液。螺纹加工、拉削和剃齿加工等刀具的导向部分与加工表面的摩擦较严重，要求尽可能减少螺纹和成形刀具的磨损以保持刀具的尺寸和形状精度，故一般应选用润滑性较好的极压油或高浓度的极压乳化液。粗加工时主要应减小刀具磨损和切削力。在切削一般钢材时，降低切削温度可减小刀具磨损，特别是高速钢刀具，耐温为6000C左右，超过这个临界温度，磨损急剧增加，故宜选冷却性为主的低浓度乳化液或化学切削液。硬质合金刀具耐热性好，常不用切削液。也可用低浓度的乳化液，或化学切削液。这时需要充分冷却，避免从切削区出来的温度很高的硬质合金刀片猝然遇到冷却液，产生巨大的热应力造成裂纹。另外，加工高强度钢，耐热合金等工件时，由于硬点多，机械擦伤作用大，导热系数低，切削热不易散，故对切削液的润滑和冷却两方面都有较高的要求，对高速钢刀具可用含一定量极压添加剂的极压切削油或极压乳化液。不连续切削或系统刚度不够易产生振动时，刀刃上作用冲击载荷。切削液有一定的隔膜效果，有助于提高刀具耐用度。所以可选用粘度较高的油，其承载能力较强，能在一定程度上缓和冲击。以上根据不同的情况进行切削液选择，虽目的有所不同，但对切削表面的粗糙度均有不同程度的影响。（二）影响切削加工表面层物理力学性能的因素1．表面层的冷作硬化在切削过程中，工件表面层由于受到切削力的作用而产生强烈的塑性变形，引起晶格间剪切滑移，晶格严重扭曲拉长、破碎和纤维化。这时，晶粒间的聚合力增加，表面层的强度和硬度增加。这种现象，称为表面加工硬化。加工硬化程度决定于产生塑性变形的力、变形速度和切削温度。切削力越大，则塑性变-103-形越大，硬化程度越高；变形速度越大，塑性形变越不充分，硬化程度就越低。切削热提高了表面层的温度，会使已硬化的金属产生回复现象（称为软化）。切削温度高，持续时间长，则软化作用也大。加工硬化最后取决于硬化和软化的综合效果。影响表面冷作硬化的工艺因素有：（1）刀具几何参数刀具后刀面的磨损量增大，则其与工件表面的摩擦增大，使切削力增大，塑性变形增大，因而表面硬化程度也增大。刀刃圆弧半径增大，将使刀具对加工表面的挤压程度增加，引起表面硬化程度加大。减小刀具前角，将使已加工表面的变形程度增大，加工硬化程度和深度也将增加。（2）切削用量切削速度增大时，刀具与工件的接触时间减少。塑性变形不充分。同时切削速度增大会使切削温度升高，有助于冷硬回复，故使加工硬化程度减轻。进给量加大时，