机械加工表面质量

机械零件的破坏，一般总是从表面层开始的。产品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取决于零件表面层的质量。研究机械加工表面质量的目的就是为了掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，以便运用这些规律来控制加工过程，最终达到改善表面质量、提高产品使用性能的目的。

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

1. 表面粗糙度对耐磨性的影响

摩擦产生在两个接触表面之间，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。

2. 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

金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面和表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响很大。

1. 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。

2. 残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响

残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；而表面层残余压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。

（三）表面质量对耐蚀性的影响

零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多，抗蚀性就愈差。 表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。

（四）表面质量对配合质量的影响

表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量。对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质。对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度。

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

1. 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。

2. 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。

3. 切削用量

（二）磨削加工影响表面粗糙度的因素

正像切削加工时表面粗糙度的形成过程一样，磨削加工表面粗糙度的形成也时由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。

影响磨削表面粗糙的主要因素有：

✧ 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

在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大。

（一）表面层冷作硬化

1. 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，只有一种可能，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。

2. 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。

（二）表面层材料金相组织变化

当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后，表层金属的金相组织将会发生变化。

1. 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：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

2. 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

（三）表面层残余应力

1. 产生残余应力的原因

a. 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。

b. 切削加工中，切削区会有大量的切削热产生

c. 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。

2. 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（即提高工件的“疲劳寿命”）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

件的疲劳强度和耐磨性。 常用的增加金属表面压应力层的机械工艺方法有：喷丸强化和喷丸成型、滚压表面和滚压成型。

（1）喷丸

利用大量高速运动的珠丸打击零件表面，使表面产生冷硬层和残余压应力。喷丸强化效果与喷

、零件材质和表面状态有关。对于材料强度高、零件表然后在变形的零件表面上喷丸，这种方法称为“应力喷丸”。用这种方法可得到较普通喷丸更高的疲劳极限。

（

2）滚压

、

零件材料、尺寸和形状有关。滚压方法只能用于形状简单的机械零件。

注释：

（1）单位质量的物质所占有的容积称为“比容”，用符号"V"表示。其数值是密度的倒数。

（2）金属热处理：在固态下加热、保温和冷却，该变内部组织，提高力学性能和；延长使用寿命，获得所需的性能的加工工艺。

钢的普通热处理包括退火、正火、淬火和回火。

裂；改善金属组织，细化晶粒；调整硬度，改善切削性能，为最终热处理（淬火、回火）作准备。 正火的冷却速度较快，组织较细，硬度和强度有所提高，采用较多。

b.淬火：工件加热到相变温度时，保温后以适当的数度冷却，获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺，目的是提高钢的硬度和耐磨性。 将淬火件加热到相变温度下的某一温度，保温一定时间，然后冷却至室温的热处理工艺方法称为回火，淬火后必须进行回火。

回火的目的是：减小或消除淬火应力，减小变形，防止开裂；通过不同温度的回火来调整工件的硬度，减小脆性，获得所需的塑性和韧性；稳定工件组织和尺寸，避免工件在使用发生变化。

d.调质：淬火加高温回火，称为调制处理；

时效处理可分为”自然时效”和”人工时效”两种.

”自然时效”是将铸件置于露天场地半年以上，便其缓缓地发生形，从而使残余应力消除或减少;

”人工时效”是将铸件加热到550～650℃进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除

较为彻底.

四、详述机械加工工艺方法对表面层物理—机械性能的影响

零件的质量不仅用粗糙度和波度的几何参数来说明，而且还要用表面层的物理—机械性能来表示。机器零件薄表面层内的机械性能、物理性能和化学性能与金属的深处是不同的。

这种薄表面层的厚度是由加工方法决定的，可由几个10 m 到百分之几至十分之几mm。表面层对零件的工作性能有很大的影响。零件的表面质量主要是在最终加工时保证的。前面的加工和毛胚制造过程对于成品的表面质量也有一定的影响，这是因为工件在不同加工阶段的初始性能有工艺遗传性。达到所需的零件表面质量特别是物理—机械性能，并使之在生产条件下保持在规定的水平上，这便是整个工艺过程的任务。

表面层的物理—机械性能表现在它的硬度、组织变化和相变、残余应力的大小、方向和分布情况以及材料晶格的畸变等方面。在这主要简介硬度，残余应力的大小、方向和分布情况的物理—机械性能。零件表面层的物理—机械状态主要由在加工区内发生的弹性和塑性变形以及局部发热所形成的。

1.

在切削过程中，上表面层因承受很大的塑性变形而发生硬化，使表面层硬度增高，并在表面层内产生内应力。在零件用其他加工方法进行机械加工时也同样会出现类似的情况。

HV/0.02距表面距离/微米

HV0.02距表面距离/微米

图5调质 40Cr形变层截面显微硬度

见上图说明，纵坐标上标出了显微硬度H，而在横坐标轴上则标出自标出自金属表面的距离h，通常金属的最上层的薄表面层由于切削力和切削温度所合成的影响而使晶粒受到严重破坏（非晶格状态）。薄表面层的下面即为金属硬化层，再深处便是原有组织。在过渡区内，硬化层可能与原有金属相交错。

金属的显微硬度随着距表面深度的增加而逐渐下降，变形层显微硬度变化的特点有两种情况，一种是表面显微硬度比原有组织硬度高30~50%，同时随着距表面深度的增加，硬度比较缓慢的下降。显微硬度下降的曲线带有接近不变的顷角；另一种是表面显微硬度比原有组织高2~3倍，在离开表面的起始段硬度急剧下降，然后从某一深度起，硬度的下降极为缓慢并平稳地过渡到金属的原有硬度。

硬化层深度及其强化程度首先与切削条件有关。在切下切屑时，有两种对立的过程，即硬化过程和同时发生的消硬化（软化）过程在相互作用，硬化是由于切削力作用而形成并与切削压力成正比；而同时发生的消硬化则是在切削区内由于温升促使再结晶等过程的进行所造成的结果。强度好的和脆性金属的硬化程度要比强度较差的和韧性金属的硬化程度低些，通常在切削强度好金属时，温度一般要高得多。

对硬化的深度和程度有较大影响的因素是切削速度、进给量和刀具的钝化程度，其次是刀具的几何形状和切削深度。

中等硬度钢表面层的硬化深度，在用有韧刀具以工厂采用的切削用量进行机械加工时（车削、钻孔、扩孔、冼削、滚齿等）根据加工条件的不同可在0.1~0.25mm范围内。在重切削条件下，硬化深度可达到1mm甚至更高。

硬化层的显微硬度可达到H=2450~5884MPa(对45号和50号等钢材而言)。对于多数机械加工方法来说，表面层硬度比中心硬度要高50~100%。在有波度时，波峰上和波谷上的硬化层深度是不同的。

当采用基本的方法切削金属时，如果表面有波度，在多数情况下，波顶上的硬度比在没有波度时用同样加工方法加工同样金属的硬度要低些。

2.

金属切削加工时，残余应力往往是集中在表面层内，这种应力可能是压应力，也可能是拉应力。在许多情况下，距表面不同的深度上存在不同性质的残余应力（如右图）。在切削过程中，被加工表面下部和刀具前面的金属层在开始时受到刀具前刀面的压缩，而当刀具的后刀面与被加工表面磨擦时则受到拉伸。上层晶粒的一部分随切屑被带走，而余下的晶粒则沿切削方向被拉长，此时便产生拉应力。当停止切削和消除外界载荷后，塑性变形的表面层在弹性力的作用下力图恢复原来位置；而在它下面的一层金属对此起阻止作用，于是就发生了应力重新分布现象，此时拉应力明显下降。有时当下表面层内有残余拉应力时，在最上层内甚至可能出现压应力。

应力状态在很大程度上决定于表面层内的温度。已经查明，厚度为10~20um的上表面层内温度场的分布情况与在100~150um深层的温度场有明显的区别。切削时上表面层发热的金属力图扩展，而发热温度较低的下层和基体金属则对此起阻碍作用，因而在发热层内产生了压应力。根据冷却程度的不同，上表面层的体积会收缩，但冷却较慢的下层却对此起抑制作用。在冷却以后外表面层便停止收缩并对上层产生一定的影响。此时应力便重新分布：在上表面层形成拉应力，而在下层则形成压应力。

在加工高碳金属工件时，随着塑性变形和热现象的产生，在上表面层内发生相变并同时出现不同组织和体积变化的金属层，以及同时产生残余应力。因为不同的组织具有不同的比容，所以在上表面层内应力分布的特性可能是变化的。例如马氏体具有比屈氏体和奥氏体更大的比容，因此，当马氏体分解并形成屈氏体时会产生残余拉应力；而奥氏体分解和马氏体的产生则会出现压应力。

因此，切削时产生残余应力的主要有以下几方面：一个原因是表面层塑性变形不均匀，而关系到变形金属的单位体积增大和其中残余压应力的发展；另一个原因是薄表面层局部发热，在表面层内产生残余拉应力；还有一个原因是不同金属层的相变，使形成具有不同比容的不同组织。结果，在这些表面层内形成了不同性质和不同大小的残余应力。

残余应力值在980~1275MPa范围内，而其分配区域则是在厚度达0.5~0.7mm的金属层内。

零件的表面覆盖有由附着膜和氧化膜形成的外边界层，这种膜层是任何金属表面不可避免的伴随物。置于空气中的多数表面都受到水蒸汽作用，使金属表面形成厚度为10 ~10 mm的薄膜。薄膜在缓慢氧化后，其下部的金属具有初始的高低起伏形态，而在快速氧化时则形成高于总水平面的氧化棱堆。氧化膜具有防护作用，这种防护程度随金属和氧化物的性质而异，它主要是由薄膜的相对机械性能首先是由硬度决定的。在多数情况下，薄膜的硬度要比基体金属的硬度高。

3.

表面层的深度和一般特性可用显微磨片测试法确定。表面层的显微硬度是在 MT—3型显微硬度计上用金刚石棱堆进行压测的。用斜切口形显微磨片测定表面的深度和距表面不同深度上显微硬度的变化是最方便的。检测显微硬度时所加的载荷为0.05~5N.。

为了检查细加工后表面层的变化情况，可采用X—射线组织分析。此时金属表面层内的残余应力可用试件表面酸蚀法检查，酸蚀厚度为5~10um，每次酸蚀后应摄取射线照片。

厚度在5um以下金属层的变化情况用X—射线分析是难以测定的。在这种情况下，表面层可用基于电子扩散原理的组织电子衍射照相法进行检查，这种方法可对各种材料的最薄表面层的结构进行检查。

表面层内的显微裂纹可用各种探伤法（如磁悬液法、磁感应法、超声法、荧光法等）进行检查。 在研究表面层内的残余应力时，可在消除试件上的应力层后根据试件的变形量进行计算来确定的。对于薄表面层内的残余应力可采用X—射线法检查，这种方法的原理就是对受应力和非受应力金属内原子间的距离进行测量。

综上所述，各种不同工艺加工方法，不仅影响零件表面层的几何参数，而且还影响表面层的物理—机械性能。