機械加工后的零件表面實際上不是理想的光滑表面，它存在著不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂紋等表面缺陷。雖然只有極薄的一層（幾微米~幾十微米），但都錯綜復雜地影響著機械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蝕性和疲勞強度等，從而影響產(chǎn)品的使用性能和壽命。

機械零件的表面決定了產(chǎn)品的性能，尤其是其可靠性和耐用性。我們可以研究零件在加過程中的變化及機理，掌握各種工藝因素對加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，從而利用這些規(guī)律來控制加工過程，最終達到提高加工表面質(zhì)量的目的。

零件的機械加工質(zhì)量包括加工精度和加工表面質(zhì)量。

零件的表面質(zhì)量是指機器零件加工后表面層的狀態(tài)，它分為兩個部分:

（1）表面層的幾何形狀

加工后的零件表面形狀，總是以峰、谷的形式偏離其理想光滑表面。峰與峰（或谷與谷）直接的距離成為波距，用L表示；峰與谷間的高度稱為波高，用H表示。按偏離程度有宏觀和微觀之分。

當L/H＞1000時，屬于宏觀幾何誤差，如平面度、圓度等。

當L/H<50時屬于微觀形狀誤差，稱作表面粗糙度。

當L/H在50~1000之間，稱作表面波度，這主要是機械加工過程中，工藝系統(tǒng)的低頻振動引起的。

（2）表面層的物理機械性能

• 表面層冷作硬化（冷硬）

指零件在機械加工中表面層金屬產(chǎn)生強烈的冷態(tài)塑性變形而引起強度、硬度提高的現(xiàn)象。

表示方法有：

• 顯微硬度H
• 硬化層深度h
• 硬化程度N

N=H/H0X100%

H-加工后表面層的顯微硬度

H0-材料原有的顯微硬度

一般情況下表面硬化層的深度可達0.05 — 0.30mm。

• 表面層金相組織的變化

切削熱溫升引起工件表層溫升過高，表面金屬層發(fā)生金相組織變化的現(xiàn)象。

• 表面層殘余應力

加工中切削變形和切削熱的影響導致工件表層產(chǎn)生殘余應力。

表面質(zhì)量對零件使用性能的影響

（一）表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響

1. 表面粗糙度對耐磨性的影響

零件耐磨性的影響因素：

摩擦副的材料；潤滑條件；表面質(zhì)量(接觸面積)。

零件磨損三個階段：初期磨損階段；正常磨損階段；劇烈磨損階段

磨損過程的基本規(guī)律

表面粗糙度對耐磨性的影響

表面粗糙度太大和太小都不耐磨

表面粗糙度太大，接觸表面的實際壓強增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加劇；

表面粗糙度太小，也會導致磨損加劇。因為表面太光滑，存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發(fā)生分子粘結而加劇磨損。

表面粗糙度的最佳值與機器零件的工作情況有關，載荷加大時，磨損曲線向上、向右移動，最佳表面粗糙度值也隨之右移。

表面粗糙度與初期磨損量的關系

2.冷作硬化對耐磨性的影響

加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。

因為表面的冷作硬化使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。

并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。

過分的冷作硬化，將引起金屬組織過度“疏松”，在相對運動中可能會產(chǎn)生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。

3.表面紋理對耐磨性的影響

表面紋理的形狀及刀紋方向?qū)δ湍バ缘挠绊?，紋理形狀及刀紋方向影響有效接觸面積與潤滑液的存留。

4.表面層產(chǎn)生的金相組織變化零件耐磨性的影響

金相組織的變化引起基體材料硬度的變化，進而影響零件的耐磨性。

（二）表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響

1. 表面粗糙度對疲勞強度的影響

表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。

表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差。

2.表面層冷作硬化與殘余應力對耐疲勞性的影響

適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強度；

殘余應力有拉應力和壓應力之分，

殘余拉應力：易使已加工表面產(chǎn)生裂紋并使其擴展而降低疲勞強度。

殘余壓應力：能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應力，延緩疲勞裂紋的擴展，從而提高零件的疲勞強度。

（三）表面質(zhì)量對耐蝕性的影響

1.表面粗糙度對耐腐蝕性的影響

零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)，凹谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。

2.表面殘余應力對耐腐蝕性能的影響

零件表面殘余壓應力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進入，可增強零件的耐腐蝕性，而表面殘余拉應力則降低零件耐腐蝕性。

（四）表面質(zhì)量對零件配合質(zhì)量的影響

1.表面粗糙度對零件配合精度的影響

間隙配合:粗糙度值增大會使磨損增大，造成間隙增大，破壞了要求的配合性質(zhì)。

過盈配合:裝配過程中一部分表面凸峰被擠平，產(chǎn)生塑性變形，實際過盈量減小，降低了配合件間的聯(lián)接強度。

過渡配合:因多用壓力及錘敲裝配，表面粗糙度也會使配合變松。

2.表面殘余應力對零件工作精度的影響

表面層有較大的殘余應力，就會影響它們精度的穩(wěn)定性。

表面質(zhì)量對零件使用性能還有其它方面的影響：如減小表面粗糙度可提高零件的接觸剛度、密封性和測量精度；對滑動零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損失。表面層的殘余應力會使零件在使用過程中繼續(xù)變形，失去原來的精度，降低機器的工作質(zhì)量。

影響加工表面粗糙度的因素

機械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可歸納為幾何因素和物理力學因素兩個方面。

（一）切削加工時表面粗糙度的影響因素

1. 幾何因素

• 刀尖圓弧半徑rε
• 主偏角kr、副偏角kr′
• 進給量f

殘留面積高度H的計算：

當?shù)都鈭A弧半徑rε=0時，殘留面積高度H為

當?shù)都鈭A弧半徑rε＞0時，

減小進給量f、減小主偏角kr和副偏角kr’、增大刀尖圓弧半徑rε，都能減小理論殘留面積的高度H，也就減小了零件的表面粗糙度。

2. 非幾何因素

（1）工件材料的影響

韌性材料：工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。故對中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，減小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。

脆性材料：加工脆性材料時，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點，使表面粗糙。

（2）切削速度的影響

加工塑性材料時，切削速度對表面粗糙度的影響如圖所示。積屑瘤和鱗刺僅在低速時產(chǎn)生。切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越??；選擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表面粗糙度。

實線——只考慮塑性變形的影響

虛線——考慮刀瘤和鱗刺的影響

切削速度影響最大：v = 10～50m/min范圍，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，表面粗糙度最差。

（3）進給量的影響

減小進給量f固然可以減小表面粗糙度值，但進給量過小，表面粗糙度會有增大的趨勢。

（4）其它因素的影響

此外，合理使用冷卻潤滑液，適當增大刀具的前角，提高刀具的刃磨質(zhì)量等，均能有效地減小表面粗糙度值。

（二）磨削加工時表面粗糙度的影響因素

磨削用量：砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速、軸向進給量（f）、砂輪縱向進給量（ap）。

砂輪的六因素：磨料，粒度，結合劑，硬度，組織，形狀尺寸。

外圓磨削

工件的磨削表面是由砂輪上大量磨?？虅澇鰺o數(shù)極細的刻痕形成的，工件單位面積上通過的砂粒數(shù)越多，則刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。

1.磨削用量對表面粗糙度值的影響

砂輪轉(zhuǎn)速越高，單位時間內(nèi)通過被磨表面的磨粒數(shù)越多，表面粗糙度值就越小?！吧拜喫俣葀↑，Ra↓”

工件轉(zhuǎn)速對表面粗糙度值的影響剛好與砂輪轉(zhuǎn)速的影響相反。工件轉(zhuǎn)速增大，通過加工表面的磨粒數(shù)減少，因此表面粗糙度值增大?！肮ぜ俣葀w↑，Ra ↑”

砂輪縱向進給增大，工件表面被砂輪重復磨削的次數(shù)減少，被磨表面的粗糙度值將增大。——“砂輪縱向進給f↑，Ra ↑”

磨削深度增大，表層塑性變形將隨之增大，被磨表面粗糙度值也會增大?！澳ハ魃疃萢p↑，Ra ↑”

光磨次數(shù)↑，Ra↓

為提高磨削效率，通常在開始磨削時采用較大的徑向進給量，而在磨削后期采用較小的徑向進給量或無進給量磨削，以減小表面粗糙度值。

2.砂輪性能對表面粗糙度值的影響

磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多數(shù)是負前角，切削刃又不銳利，大多數(shù)磨粒在磨削過程中只是對被加工表面擠壓，沒有切削作用。加工表面在多次擠壓下出現(xiàn)溝槽與隆起，又由于磨削時的高溫更加劇了塑性變形，故表面粗糙度值增大。

砂輪粒度：磨粒在砂輪上的分布越均勻、磨粒越細，刃口的等高性越好。則砂輪單位面積上參加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越細密均勻，表面粗糙度值就越小。太細，砂輪已被堵塞使加工表面燒傷。砂輪粒度常取46～60號。

砂輪硬度：太硬，磨粒脫落↓,表面粗糙度增大；太軟，磨粒脫落↑,使表面粗糙度值增大。硬度合適、自勵性好↑→Ra↓常選用中軟砂輪。

砂輪組織：緊密組織在精密磨獲得高精度和較小的表面粗糙度值；疏松組織不易堵塞,適于磨削軟金屬、非金屬軟材料和熱敏性材料。中等組織的砂輪

砂輪修整：砂輪修整除了使砂輪具有正確的幾何形狀外，更重要的是使砂輪工作表面形成排列整齊而又銳利的微刃。因此，砂輪修整的質(zhì)量對磨削表面的粗糙度影響很大。精細修整過的砂輪可有效減小被磨工件的表面粗糙度值。

砂輪磨料：砂輪磨料選擇適當，可獲得滿意的表面粗糙度。

• 氧化物（剛玉）砂輪：磨鋼類零件；
• 碳化物（碳化硅、碳化硼）砂輪：磨鑄鐵、硬質(zhì)合金等；
• 高硬材料（人造金剛石、立方氮化硼）砂輪：可獲極小表面粗糙度值，成本高。

影響加工表面層物理機械性能的因素

（一）加工表面層的冷作硬化

1.表面層冷作硬化的產(chǎn)生

冷作硬化：機械加工時，工件表面層金屬受到切削力的作用產(chǎn)生強烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強度和硬度增加，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強化。

衡量表面層加工硬化程度的指標有下列三項：

1）表面層的顯微硬度H；

2）硬化層深度h；

3）硬化程度N

N=(H-H0)/H0×100％

式中 H0——工件原表面層的顯微硬度。

2.影響冷作硬化的因素

表面層冷作硬化的程度決定于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度及變形時的溫度。力越大，塑性變形越大，則硬化程度越大；速度越大，塑性變形越不充分，則硬化程度越??；變形時的溫度不僅影響塑性變形程度，還會影響變形后金相組織的恢復程度。

（二）表層金屬的金相組織變化

1.磨削燒傷

切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加工區(qū)及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生了一定的溫升。

磨削加工時，表面層有很高的溫度，當溫度達到相變臨界點時，表層金屬就發(fā)生金相組織變化，強度和硬度降低、產(chǎn)生殘余應力、甚至出現(xiàn)微觀裂紋，使工件表面呈現(xiàn)氧化膜顏色。這種現(xiàn)象稱磨削燒傷。

淬火鋼在磨削時，由于磨削條件不同，產(chǎn)生的磨削燒傷有三種形式：

1）回火燒傷

磨削時，如果工件表面層溫度只是超過原來的回火溫度，則表層原來的回火馬氏體組織將產(chǎn)生回火現(xiàn)象而轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^低的回火組織（索氏體或屈氏體），這種現(xiàn)象稱為回火燒傷。

2）淬火燒傷

磨削時工件表面溫度超過相變臨界溫度時，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在冷卻液作用下，工件最外層金屬會出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織。其硬度比原來的回火馬氏體高，但很薄，其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體。由于二次淬火層極薄，表面層總的硬度是降低的，這種現(xiàn)象稱為淬火燒傷。

3）退火燒傷

磨削時，當工件表面層溫度超過相變臨界溫度時，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。若此時無冷卻液，表層金屬空冷冷卻比較緩慢而形成退火組織。硬度和強度均大幅度下降。這種現(xiàn)象稱為退火燒傷。

2.改善磨削燒傷的工藝途徑

• 正確選擇砂輪

選用具有一定彈性的結合劑對緩解磨削燒傷有利。磨削力突然增大時，磨粒可以產(chǎn)生一定的彈性退讓，使磨削徑向進給量減小，可以減輕燒傷程度。

當磨削塑性較大的材料，為了避免砂輪堵塞，選用砂粒較粗的砂輪。

• 合理選擇切削用量

磨削徑向進給量對磨削燒傷影響很大。

磨削徑向進給量增加，磨削力和磨削熱會急劇增加，容易產(chǎn)生燒傷。

適當增加磨削軸向進給量可以減輕燒傷。

• 改善冷卻條件

向磨削區(qū)澆注更多的冷卻液，就能有效防止燒傷現(xiàn)象的發(fā)生。

（三）表面層殘余應力

定義：機械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產(chǎn)生互相平衡的彈性力。這種應力即為表面層的殘余應力。

1.表面層殘余應力的產(chǎn)生的原因

1）冷態(tài)塑變

工件表面受到擠壓與摩擦，表層產(chǎn)生伸長塑變，基體仍處于彈性變形狀態(tài)。切削后，表層產(chǎn)生殘余壓應力，而在里層產(chǎn)生殘余拉伸應力。

2）熱態(tài)塑變

表層產(chǎn)生殘余拉應力，里層產(chǎn)生產(chǎn)生殘余壓應力

3）金相組織變化

切削過程產(chǎn)生的高溫會引起表面層的相變，表面層金相變化的結果會造成體積的變化。表面層體積膨脹時因受到基體的限制產(chǎn)生拉應力；反之，產(chǎn)生壓應力。

機械加工后工件表面層的殘余應力是冷態(tài)塑性變形、熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的綜合結果。

切削加工時起主要作用的往往是冷態(tài)塑性變形，表面層常產(chǎn)生殘余壓縮應力。

磨削裂紋的產(chǎn)生

磨削裂紋和殘余應力有著十分密切的關系。在磨削過程中，當工件表面層產(chǎn)生的殘余應力超過工件材料的強度極限時，工件表面就會產(chǎn)生裂紋。磨削裂紋常與燒傷同時出現(xiàn)。

2.影響表層金屬殘余應力的工藝因素

影響表層金屬殘余應力的主要因素有：刀具幾何參數(shù)、刀具磨損、切削用量以及工件材料等。

1）刀具幾何參數(shù)

刀具幾何參數(shù)中對殘余應力影響最大的是刀具前角。刀具前角由正變?yōu)樨摃r，表層殘余拉應力逐漸減小。當前角為較大負值且切削用量合適時，甚至可得到殘余壓應力。

2）工件材料

切削加工奧氏體不銹鋼等塑性材料時，加工表面易產(chǎn)生殘余拉應力。切削灰鑄鐵等脆性材料時，加工表面易產(chǎn)生殘余壓應力。

3）刀具磨損

刀具后刀面磨損值增大，使后刀面與加工表面摩擦增大，由熱應力引起的殘余應力增強，使加工表面呈殘余拉應力，并使殘余拉應力層深度加大。

4）切削用量

• 切削速度Vc和進給量f對殘余應力的影響較大。
• Vc增加，切削溫度升高，由切削溫度引起的熱應力逐漸起主導作用，殘余應力將增大，但殘余應力層深度減小。
• 進給量f增加，殘余拉應力增大，但壓應力將向里層移動。
• 背吃刀量對殘余應力的影響不顯著。

3.零件工作表面最終工序加工方法對表面層殘余應力的影響

零件工作表面最終工序在該工作表面留下的殘余應力將直接影響零件的使用性能。不同的加工方法在加工表面上殘留的殘余應力不同，因此零件工作表面最終工序加工方法的選擇至關重要。

選擇零件工作表面最終工序加工方法，須考慮該零件工作表面的具體工作條件和可能的破壞形式，盡可能使產(chǎn)生殘余壓應力，提高零件疲勞強度。

改善表面粗糙度的方法

光整加工：不切除或從工件上切除極薄材料層，以減小工件表面粗糙度為目的的加工方法，如超級光磨和拋光等。

研磨：在精加工基礎上利用研具和磨料從工件表面磨去一層極薄金屬的一種磨料精密加工方法。

尺寸公差等級可達IT5～IT3，Ra值可達0.1～0.008μm 。研磨是精密和超精密零件精加工的主要方法之一?？墒沽慵@得極高的尺寸精度、幾何形狀和位置精度，最高的表面粗糙度。

拋光：利用柔性拋光工具和游離磨料顆?；蚱渌麙伖饨橘|(zhì)對工件表面進行的修飾加工。 拋光一般不能提高工件的尺寸精度或幾何形狀精度，而是以得到光滑表面或鏡面光澤為目的。 拋光常作為鍍層表面或零件表面裝飾加工的最后一道工序，其目的是消除磨光工序后殘留在表面上的細微磨痕,以獲得光亮的外觀。

珩磨：利用珩磨頭上的油石條進行孔加工的一種高效率的光整加工方法，需要在磨削或精鏜的基礎上進行。

珩磨的加工精度高，珩磨后尺寸公差等級可達IT6～IT4，Ra值可達0.2～0.025μm。

工件表面強化的常見方法

表面強化技術：按表層強化技術的物理化學過程進行分類，大致可分為五大類：表面變形強化、表面熱處理強化、化學熱處理強化、表面冶金強化、表面薄膜強化。

1. 表面變形強化

通過機械的方法使金屬表面層發(fā)生塑性變形，從而形成高硬度和高強度的硬化層，這種表面強化方法稱為表面變形強化（加工硬化）。

有噴丸、噴砂、冷擠壓、滾壓、冷碾和沖擊、爆炸沖擊強化。

2. 表面熱處理強化

利用固態(tài)相變，通過快速加熱的方法對零件的表面層進行淬火處理稱為表面熱處理，俗稱表面淬火。

特點：表面局部加熱淬火，工件變形??；加熱速度快，生產(chǎn)效率高；加熱時間短，表面氧化脫碳很輕微。

3. 化學熱處理強化

某種元素的固態(tài)擴散滲入，來改變金屬表面層的化學成分，以實現(xiàn)表面強化的方法。

滲硼、滲金屬、滲碳及碳氮共滲、滲氮及氮碳共滲、滲硫及硫氮碳共滲、滲鉻、滲鋁及鉻鋁硅共滲、石墨化滲層。

4. 表面冶金強化

工件表面層金屬的重新融化和凝固，以得到預期的成分或組織的表面強化處理技術。

如：表面自溶性合金或復合粉末涂層、表面融化結晶或非晶態(tài)處理、表面合金化等方法。

5. 表面薄膜強化

應用物理的或化學的方法，在金屬表面涂覆與基體材料性能不同的強化膜層。

電鍍、化學鍍（鍍鉻、鍍鎳、鍍銅、鍍銀等）以及復合鍍、刷鍍或轉(zhuǎn)化處理。

End