Machining Surface Quality 第五章 机械加工表面质量 Machining Surface Quality 第一节 概述 General concepts 1．加工表面层的组成 吸附层 压缩区 加工表面层 （1）吸附层——生成有氧化膜或其它化合物，并吸收、渗进了气体、液体和固体的粒子的最外层。吸附层的厚度一般不超过8nm。 （2）压缩层——即塑性变形区，由切削力造成，厚度约在几十至几百微米内，随着加工方法的不同而变化。 压缩层的上部为纤维层，由被加工材料与刀具之间的摩擦力造成。

表面粗糙度：是指加工表面的微观几何形状特征。 2．衡量加工表面质量的主要技术指标 （1）表面的几何形状特征 表面粗糙度 波度 几何形状特征 表面粗糙度：是指加工表面的微观几何形状特征。 因切削热引起的金相组织变化 冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性增加；但过度的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表面层金属的剥落，使耐磨性下降。 波度：介于加工精度（宏观）和表面粗糙度之间的周期性几何形状特征，主要是由加工中工艺系统的振动引起的。 表面层产生的残余应力 塑性变形引起的冷作硬化 （2）表面层的物理、机械性能变化 变化 表面粗糙度值愈小，其耐磨性愈好；但表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间易发生分子粘接，磨损反而增加。 3.表面质量对零件使用性能的影响 （1）表面质量对零件耐磨性的影响 耐磨性

（2）表面质量对疲劳强度的影响 疲劳 强度 （3）表面质量对零件抗腐蚀性能的影响 抗腐蚀性能 表面残余应力对疲劳强度的影响极大。带有不同残余应力表面层的零件其疲劳寿命可相差数倍甚至几十倍。 （2）表面质量对疲劳强度的影响 在交变载荷的作用下，零件表面的粗糙度、划痕和裂纹等缺陷容易引起应力集中而产生疲劳裂纹，造成疲劳破坏。 疲劳 强度 表面的冷作硬化层能提高零件的疲劳强度。 粗糙表面的凹处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀；在粗糙度顶峰间的电化学作用而发生电化学腐蚀。降低表面粗糙度可以提高零件的抗腐蚀性。 零件在应力状态下工作时，会产生应力腐蚀；表面存在裂纹时，更增加了应力腐蚀的敏感性。 （3）表面质量对零件抗腐蚀性能的影响 表面产生冷作硬化或金相组织变化时亦常会降低抗腐蚀能力。 抗腐蚀性能

（4）表面质量对配合质量的影响 （5）其它影响 间隙配合零件的表面如果粗糙度太大，初期磨损量就大，工作时间一长间隙就会增大，以至改变了原来的配合性质，影响了间隙配合的稳定性；对于过盈配合表面，轴在压入孔内时表面粗糙度的部分凸峰会被挤平，而使实际过盈量比预定的小，影响了配合的可靠性。 （5）其它影响 表面质量对零件的使用性能还有一些其它的影响，如：对没有密封件的液压油缸、滑阀来说，降低粗糙度可以减少泄露，提高其密封性能；较低的表面粗糙度可使零件具有较高的接触刚度；对于滑动零件，降低粗糙度能使摩擦系数降低、运动灵活性增高，并减少发热和功率损失；表面层的残余应力会使零件在使用过程中继续变形，失去原来的精度，降低机器的工作质量等等。

第二节 影响表面质量因素分析 （1）表面粗糙度的形成 鳞刺的出现并不依赖于刀瘤，但刀瘤的存在会影响鳞刺的生成。 形成 第二节 影响表面质量因素分析 刀具的刃口圆角及后刀面的挤压和摩擦使金属材料发生塑性变形而使理论残留面积挤歪或沟纹加深。 1．表面粗糙度 （1）表面粗糙度的形成 刀瘤与鳞刺的影响。 刀具相对工件作进给运动时，在加工表面上遗留下来的切削层残留面积，形成理论粗糙度。 形成 几何因素 物理因素 鳞刺：是已加工表面上出现的鳞片状毛刺般的缺陷。 鳞刺的出现并不依赖于刀瘤，但刀瘤的存在会影响鳞刺的生成。

（2）磨削加工后的表面粗糙度 影响磨削表面粗糙度的主要因素 （3）减小表面粗糙度的措施 磨削加工与切削加工的区别 砂 轮 粒 度 砂 轮 修 负前角切削，隆起现象使表面粗糙度增大，磨削热使表面金属软化，更易于塑性变形。 磨削表面是由大量磨粒刻划的无数极细的沟槽形成，单位面积上刻痕愈多，刻痕的等高性愈好，则粗糙度愈小。 砂轮上磨削刃形状和分布无规律，定量地计算出表面粗糙度非常困难。 磨削加工与切削加工的区别 修整导程、切深与微刃 砂轮粒度愈大，单位面积上的磨粒数愈多，刻痕也愈密而细，所以粗糙度愈小。 影响磨削表面粗糙度的主要因素 砂 轮 粒 度 砂 轮 修 整 砂 轮 速 度 磨工 削件 深速 度度 （3）减小表面粗糙度的措施

①切削速度的影响 ②被加工材料的影响 ③刀具的几何角度、材料、刃磨质量的影响 由几何因素引起的粗糙度过大，可通过减小切削层残留面积来解决。减小进给量、减小刀具的主、副偏角、增大刀尖圆角半径，均能有效地减小表面粗糙度。 由物理因素引起的粗糙度过大，主要应采取措施减少加工时的塑性变形，避免产生刀瘤和鳞刺，对此影响最大的是切削速度和被加工工件材料。 ①切削速度的影响 切削速度愈高，切削过程中切屑和加工表面的塑性变形程度就愈小，因而粗糙度也就愈小。 ②被加工材料的影响 韧性较大的塑性材料，加工后粗糙度愈大；而脆性材料的加工粗糙度比较接近理论粗糙度。对于同样的材料，晶粒组织愈是粗大，加工后的粗糙度也愈大。 ③刀具的几何角度、材料、刃磨质量的影响

体间产生剪切滑移，晶格扭曲、畸变，晶粒拉长、破 碎和纤维化，使材料的强度、硬度都提高了的现象。 刀具的前角对切削过程中塑性变形的影响；塑性变形大，粗糙度值也愈大；后角过小会增大摩擦；刃倾角的大小会影响刀具的实际前角，因此都会影响表面粗糙度。刀具的材料对产生鳞刺、刀瘤有影响，从而对表面粗糙度产生影响。 此外，合理选择冷却液，提高冷却润滑效果，抑制刀瘤、鳞刺的生成，减小切削时的塑性变形，均有利于提高表面粗糙度。 2.加工表面的冷作硬化 （1）冷作硬化及其评定参数 冷作硬化：切削过程中因切削力作用产生的塑性变形使晶 体间产生剪切滑移，晶格扭曲、畸变，晶粒拉长、破 碎和纤维化，使材料的强度、硬度都提高了的现象。 表层的显微硬度H 硬化层深度 h 硬化程度N 评定 指标

砂轮消耗的能量绝大部分转化为热并传给工件表面，使 之温度升高，引起金相组织显著变化的加工表面层。 式中 H0——基体材料的硬度 （2）影响冷作硬化的主要因素 刀具 切削用量 被加工材料 影响 因素 3.加工表面层的金相组织变化——热变质层 热变质层：在磨削加工时，由于磨削比压大，磨削速度高， 砂轮消耗的能量绝大部分转化为热并传给工件表面，使 之温度升高，引起金相组织显著变化的加工表面层。 （1）磨削烧伤 磨削烧伤：当工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金 属所发生的金相组织变化，强度、硬度降低，并伴随有 残余应力产生，甚至出现微观裂纹的现象。

磨削烧伤色：是由磨削热引起的磨削表面上的一种可见的颜 色的变化。 磨削温度超过250~300度，得到与回火相近似的组织。 磨削温度超过相变临界温度（720度），得到二次淬火马氏体组织。 与回火相似，没有冷却液，缓慢冷却而形成退火组织。 回火烧伤 淬火烧伤 退火烧伤 烧伤 类型 磨削烧伤色：是由磨削热引起的磨削表面上的一种可见的颜 色的变化。 （2）改善磨削烧伤的措施 尽量减少磨削时产生的磨削热 迅速将磨削热传走，以降低表层温度 途径 ①改善砂轮的性能，减少磨削热的产生。 如合理选择砂轮：考察砂轮的自锐能力、磨料、组织、硬度等；增大磨削刃间距：如在砂轮上开槽、砂份。

如采用高压大流量冷却——冷却并清洗；加装空气挡板；采用内冷却。 ②正确选择磨削用量。 ③提高冷却效果。 如采用高压大流量冷却——冷却并清洗；加装空气挡板；采用内冷却。 4.加工表面层的残余应力 （1）表面层残余应力的产生 冷塑性变形的影响 热塑性变形的影响 金相组织变化的影响 原因 ①冷塑性变形的影响：加工时在切削力的作用下，加工表面受拉应力产生伸长塑性变形，表面积趋向增大，此时里层处于弹性受压状态，当切削力去除后里层金属趋向复原，对已产生塑性变形的表面层产生残余压应力。

②热塑性变形的影响：表面层在切削热与压力的作用下产生热塑性变形（在压应力作用下材料相对缩短），当切削 过程结束，温度下降至与基体温度一致时，受到基体的作用产生残余拉应力。 ③金相组织变化的影响：切削时产生的高温会引起表面层的相变，不同的金相组织的不同比重、体积变化，使表面 层产生残余应力。由于金相组织变化而使表面层产生的残余应力可能是拉应力，也可能是压应力。 （2）减少和控制表面残余应力的途径 ①最终工序采用精密加工或光整加工工艺； ②采用表面强化工艺，如喷丸强化、滚压加工等； ③采用表面热处理工艺，在工件表面形成残余压应力； ④采用时效处理，消除表面残余应力。 5.控制加工表面质量的途径

（2）采用超精加工、珩磨等光整加工作为最终加工工序 控制加工表面质量可以从以下几个方面入手： （1）控制磨削参数 磨削用量对磨削效率、加工精度、表面质量、表面粗糙度等的影响有些是相互矛盾的。如砂轮修整，从降低表面粗糙度考虑，应修整得细些，但是却因此而引起表面烧伤；所以，光凭经验或手册常常不能全面地保证加工质量。生产中比较可行的方法是通过试验来确定磨削用量。 （2）采用超精加工、珩磨等光整加工作为最终加工工序 超精加工、珩磨、研磨等都是利用磨条以一定的压力压在工件的被加工表面上，并作相对运动以降低工件粗糙度和提高精度的工艺方法，一般用于粗糙度<0.1μm表面的加工。由于切削速度低、磨削压强小，所以加工时产生很少热量，不会产生热损伤，并具有残余压应力。如果加工余量合适，还可以去除磨削加工变质层。

（3）采用喷丸、滚压、辗光等表面强化工艺 用高硬度的滚轮或滚珠对工件表面进行滚压，使其产生塑性变形，表面上原有的凸峰填充到相邻的凹谷中去，减少了表面粗糙度，从而形成一个新的表面。新的金属表面由于晶格发生畸变，从而产生冷硬层和残余压应力，使零件的承载能力得以提高。 喷丸强化是利用大量高速运动的珠丸撞击工件表面。使之产生冷硬层和残余压应力的一种工艺方法。这种方法可以提高零件的抗疲劳强度和使用寿命。 喷丸强化的设备是压缩空气喷弹装置和机械离心喷射装置。喷丸常用0.2~4 mm小段钢丝制成。加工铝制品时，为防止因残留的铁质微粒而引起电解腐蚀，常用铝丸或玻璃丸。喷丸强化工艺主要用于形状复杂而不宜用其它方法强化的零件，如弹簧、齿轮、连杆等。

General concepts of the vibration in the machining 6.表面质量的检查 目前除了表面粗糙度有国家标准及相应的检查方法外，表面质量的其余项目均无检验标准及检查方法。一般零件除检查表面粗糙度外，其余项目可以靠工艺保证，不再进行检查。对于重要零件的表面则必须根据需要决定检查项目。破坏性的检查方法只能用来抽查或用于验证工艺的合理性。 第三节 机械加工中振动的基本概念 General concepts of the vibration in the machining 1.机械加工中振动的分类 机械加工 过程振动 自由振动 强迫振动 自激振动

自由振动：工艺系统受初始干扰力或原有外干扰力停歇后 产生的振动。 强迫振动：工艺系统在外激振力作用下产生的振动。 自激振动：工艺系统在加工过程中激发出的交变力而维持 的振动，也称“切削颤振”。 2.机械加工中的受迫振动与抑制措施 （1）振动系统的简化 实际的工艺系统是一个非常复杂的系统，要对其进行精确的数学描述是非常困难的。在分析工艺系统的振动问题时，往往需要把它简化成若干“无质量”的弹簧和“无弹性”的质量所组成的模型，这个模型称作质量弹簧系统。 根据牛顿定律，可得数学模型：

式中x、x`、x``分别为振动产生时的位移、速度、加速度；F0 sinωt为外激振力，其中F0为振幅，ω为激振力的圆频率。 若不考虑很快衰减的自由阻尼振动部分，则进入稳态的强迫振动的运动方程式为： 式中 A——振动的幅值； φ——振动振幅相对于激振力的相位角。 对上式求导，得x`、x``，然后将x`、x``及上式带入微分方程式得：

动刚度：单位振幅所需的激振力Kd称为动刚度。 式中：λ——频率比， ω0——系统无阻尼时的固有频率， ξ——阻尼比， r0——临界阻尼系数， A0——系统在与激振力幅值相等的静力F0作用下产生的静位移， 动刚度：单位振幅所需的激振力Kd称为动刚度。 机外 机内 （2）受迫振动系统的振源

①受迫振动是由周期性激振力作用而产生的一种稳态振动，只要激振力存在，振动就不会停止。 工艺系统内高速旋转零件质量的不平衡。 切削过程的不连续 机内振源 机床传动系统的制造误差与缺陷。 （3）受迫振动的特点 ①受迫振动是由周期性激振力作用而产生的一种稳态振动，只要激振力存在，振动就不会停止。 ②振动的频率与激振力的频率相同，与系统固有频率无关。 ③振动的振幅与初始条件无关，与激振力、系统刚度、阻尼及频率比λ有关，λ=1时振幅最大——共振。 ④当λ<1时，φ在0~90之间；当λ>1时，φ在90~180之间。φ的这种变化称为反相现象。阻尼比越小，反相现象越明显。

④采用减振器和阻尼器；如通过刮研机床各部件的接触面、适当调整镶条间隙、将轴承预紧等，都是增加阻尼的方法； （4）受迫振动的抑制 ①减小或消除振源的激振力； ②调整振源频率，避开共振区； ③提高工艺系统刚度； ④采用减振器和阻尼器；如通过刮研机床各部件的接触面、适当调整镶条间隙、将轴承预紧等，都是增加阻尼的方法； ⑤提高传动零件的制造精度、改变机床转速、使用不等齿距刀具； 悬臂弹簧片5和小锤4组成振动元件，由衔铁7、电磁铁2及电路组成调节元件产生交变力，交变力使振动元件产生振动，振动元件又对调节元件产生反馈作用。 ⑥隔振；例如移出、加减振垫等方法。 3.机械加工中的自激振动 Self-excited vibration （1）自激振动现象 电铃工作原理

①自激振动的频率接近或等于系统的固有频率。 切削过程中自激振动 切削过程中，刀具与工件之间的振动Y，使切削过程的切削力叠加了动态部分Fd，而Fd作用在工艺系统上，再使工艺系统产生振动Y， Y与Fd两个基本部分由方位来联结。因此可认为有三组参数影响自激振动的发生：即切削过程、工艺系统及它们之间的相互方位。 切削过程 工艺系统 相互方位 影响自激振动的 三组参数 （2）自激振动的特点 ①自激振动的频率接近或等于系统的固有频率。 ②自激振动是一种不衰减的振动，振动系统通过由振动过程 本身所引起的周期性变化的力中获得能量补充，振动的 触发是由内外偶然、瞬间因素造成的。

③切削过程对振动产生激振和反馈作用，若切削过程停止，即使机床仍继续空转，自激振动也会随即消失。 ④自激振动是否产生及振幅的大小，取决于每一振动周期内所获得的能量与所消耗的能量的对比。 合理选择切削用量 （3）自激振动的控制 阻尼器 吸振器 合理选择刀具几何参数 ①合理选择与切削过程有关的参数 提高机床的抗振性； 提高刀具的抗振性； 提高工件安装时的刚度。 ②提高工艺系统的抗振性 ③提高系统的组合刚度——削扁镗杆 ④采用减振装置 ⑤利用变速切削 通过连续改变切削速度，改变工件每一转对振动的相位差角ψ，使振动一周中输入系统的能量有正、负之分，从而对系统的振动进行抑制。