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第 5 章 机械加工表面质量 Surface quality Quality control 表面完整性 —— Surface integrity. 机械加工表面质量包含： 1. 几何参数方面的质量 : 机械加工表面本身的精度 尺寸精度 形状精度 位置精度 2. 物理机械方面的质量：冷硬程度和深度
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第5章 机械加工表面质量 Surface quality Quality control 表面完整性—— Surface integrity
机械加工表面质量包含： 1.几何参数方面的质量:机械加工表面本身的精度 尺寸精度 形状精度 位置精度 2.物理机械方面的质量：冷硬程度和深度 残余应力的性质和大小 本章重点讲解：物理机械方面的质量和表面粗糙度
5.1 机械加工表面质量的概念 5.1.1 机械加工表面质量的含义 1、表面几何学方面的粗糙度——零件最外层表面的微观几 何形状，即表面粗糙度. 2、表面层材质的变化——零件表面层 晶核发生严重的畸变， 使机械物理、化学性质发生变化等产生的现象。即加工硬 化的程 度和深度，残余应力性质和大小.
5.1.2 研究的目的 （1）Ra增大时将有如下影响 ①改变配合性质。 ②对于液压件，因密封性差而发生泄漏； ③机器寿命降低，精度度下降； ④因应力集中而降低零件的疲劳强度。 ⑤容易被腐蚀和生锈; ⑥对外观件与手感件，存在不美观，不舒适，磨手…… ⑦Ra的作用要具体分析，不能说Ra小就越好。
（2）加工硬化对零件的影响 提高耐磨性，但加工硬化后产生大量微裂纹，疲劳强度降低，耐磨性下降。 提高疲劳强度，但下道工序加工困难，刀具VB快，FC增大 （3）残余应力对零件的影响 使零件的挠曲变形，尺寸精度下降，行位误差大，但压应力有利； 微观裂纹使疲劳强度下降，耐磨性下降，拉应力不利。
5.2表面粗糙度及其影响因素 1.切削加工后的表面粗糙度 1）残留面积最大高度的影响
原因：①切削过程中刀具刃口圆角及刀具后刀面的挤压与摩擦，金属材料发生塑性变形，使理想残留面积挤歪或沟纹加深；②存在被加工材料的性质及切削机理有关的物理因素的变化。原因：①切削过程中刀具刃口圆角及刀具后刀面的挤压与摩擦，金属材料发生塑性变形，使理想残留面积挤歪或沟纹加深；②存在被加工材料的性质及切削机理有关的物理因素的变化。
2) 由于切削过程不稳定，切削条件发生了变化 ①积屑瘤的影响：前面学过不必多赘 ②鳞刺的影响。
鳞刺的形 成过程可分为四个阶段： 抹拭阶段； 导裂阶段； 层积阶段； 刮成阶段。 在物理因素方面，降低表面粗糙度主要措施，即消除积屑瘤和鳞刺的措施。
影响积屑瘤和鳞刺产生的因素： (1)切削速度的影响（与第2章内容一致） (2)被加工后料性质的影响（热处理） 韧性愈大的塑性材料，加工后粗糙度愈差，而脆性材料的加工组糙度比较接近理想粗糙度。
(3)刀具的几何形状、材料、刀磨质量的影响 ①刀具的前角γ0。γ0值增大，粗糙度就能降低。γ0为负值粗糙度也将增大； ②后角α0过小会增加摩擦； ③刃倾角λs的大小影响加工表面的粗糙度； ④刀具的材料对产生积屑瘤、鳞刺等现象影响甚大，因此影响表面粗糙度； ⑤提高刃磨质量，降低前、后刀面的刃磨粗糙度，能降低已加工表面粗糙度； ⑥合理选择冷却润滑液有利于降低表面粗糙度。
影响磨削表面粗糙度的主要因素： 1）砂轮的粒度：砂轮的颗粒越细， 粗糙度就小。但过细效率低， 而且修磨时易产生微刃，影响粗 糙度。 2）砂轮的修整：用金刚石笔修整时，相当于在砂轮上形成一道螺纹，修整导程和切深越小，修出的砂轮就越细，磨削刃的等高性就越好，工件表面的粗糙度就越低。
3）砂轮的速度： 提高砂轮的速度可以增加工件单位面积上的划痕数，同时可减少因塑性变形造成的隆起。 4 ） 切深和工件的转速：增大切深和工件的转速将增大表面粗糙度。 5）其他：如零件材料的硬度、冷却液的选择与净 化、轴向进给速度等也是影响表面粗糙度的重要因素。
5.3 机械加工后表面物理机械性能的变化 5.3.1 加工表面的冷作硬化
影响冷作硬化的主要因素有： 1) 刀具的影响
2) 切削用量的影响 切削速度增大，硬化层深度和硬度都有所减小。 进给量f增大时，切削力增大，塑性变形程度也增大，因此硬化现象增大；但在进给量f较小时，由于刀具的刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多，因此硬化现象也会增大。 3) 被加工材料的影响 硬度愈小，塑性愈大的材料切削后的冷硬现象愈严重。
5.3.2 加工表面的金相组织变化——磨削烧伤 影响金相组织变化程度的因素有：工件材料、磨削温度、温度梯度及冷却速度。 回火烧伤：如果磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过其相变临界温度Ac3，则工件表面原来的马氏体组织将产生回火现象，转化成硬度较低的回火组织(索氏体或屈氏体)，一般称之为回火烧伤。 淬火烧伤：如果磨削区温度超过相变温度，又由于冷却液的急冷作用，表面的最外层会出现二次淬火马氏体组织，硬度较原来的回火马氏体高，在它的下层因为冷却较慢，将出现硬度较低的回火组织，一般称之为淬火烧伤。 退火烧伤：不用冷却液进行干磨时超过相交温度，因工件冷却缓慢，磨削后的表面硬度急剧下降，则产生了退火烧伤。
5.3.3 加工表面层的残余应力 当切削过程中表面层组织发生形状变化和组织变化时平衡的弹性应力，称之为表面的残余应力。 1.表面层残余应力的产生原因 （1）里层金属回弹； (2) 冷塑性变化的影响； (3) 热塑性变形的影响； (4) 金相组织变化的影响。 实际机械加工后的表面层残余应力是上述四方面原因产生残余应力的综合结果。在一定条件下，其中某一种或两种原因可能起到主导作用。
2. 磨削裂纹及避免产生裂纹的措施 裂纹的方向常与磨削方向垂直或呈网状，裂纹的产生常与烧伤同时出现。 1）磨削裂纹的产生材料及热处理工序有很大关系。 2）磨削含碳量高的淬火钢时，容易产生磨削裂纹。 3) 工件在淬火后如果存在残余应力，即使在正常的磨削条件下也会出现裂纹。 4) 渗碳、渗氮时如果工艺不当，当磨削时在热应力作用下就容易沿着这些组织发生脆性破坏，而出现网状裂纹。 避免产生裂纹的途径在于降低磨削热与改善其散热条件。 主要措施：(1)在磨削前进行去除应力工序能有效防止磨削裂纹。 (2)提高冷却效果
现有的冷却方法往往效果很差，具体改进措施有：现有的冷却方法往往效果很差，具体改进措施有： 1)采用高压大流量冷却； 2)为减轻高速旋转的砂轮表面 的高压附着气流的作用，可以加装 空气挡板； 3)采用内冷却，但这一方法的缺点是操作者看不到磨削区的火花， 在精密磨削时不能判断试切时的吃刀量，很不方便。
(3) 磨削用量的选择 1）提高工件速度和采用小的切深能够有效地减小残余拉应力 和消除烧伤、裂纹等磨削缺陷。
2）降低砂轮速度也能得到残余压应力，但是会影响生产效率，故一般不常采用。 3）提高砂轮速度的同时相应提高工件速度，可以避免烧伤。
4）对于使用要求较高的高强度钢零件，采用低应力磨削技术。4）对于使用要求较高的高强度钢零件，采用低应力磨削技术。 5) 改善砂轮的磨削性能。 a. 硬度：选择自锐能力强的砂轮 。 b. 磨料：氧化铝砂轮磨削低合金钢、镍钢；碳化硅砂轮磨削铸铁；人造金刚石用于磨削硬质合金时不容易产生裂纹，但不适用于磨削钢件；立方氮化硼(CBN)磨料磨削钢件。 c.粘结剂：精磨采用橡胶粘结剂的砂轮可防止表面产生烧伤。 d.形貌：增大砂轮表面磨粒分布的间距，可以使砂轮和工件间断接触，能够很大程度地减少工件表面的热损伤。
5.4 控制加工表面质量的途径 1.控制磨削参数。 2.采用超精加工、珩磨等光整加工方法作为最终加工工序 3.采用喷丸、滚压、辗光等强化工艺。
5.5 振动对表面质量的影响及其控制 5.5.1 振动对表面质量的影响 1)影响加工的表面粗糙度。 2)影响生产率。 3)影响刀具寿命。 4)对机床、夹具等不利。 *(以毒攻毒）振动对机械加工有不利的一面，但又可以利用 振动来更好地切削，如振动磨削、振动研抛、超声波加工等 都是利用振动来提高表面质量或生产率。
机械加工中产生 的振动，根据其产 生的原因，大体分 为自由振动、强迫 振动和自激振动三 大类。
5.5.2 自由振动 自由振动是系统所受的外界干扰力去除后系统 本身的衰减振动。 由于工艺系统受一些偶然因素的作用(如外界传来的冲击力；机床传动系统中产生的非周期性冲击力；加工材料的局部硬点等引起的冲击力等)，系统的平衡被破坏，只靠其弹性恢复力来维持的振动属于自由振动。振动的频率就是系统的固有频率。由于工艺系统的阻尼作用，这类振动会很快衰减。
5.5.3 强迫振动 强迫振动是由外界周期性的干扰力所支持的不衰减振动 1.切削加工中产生强迫振动的原因 (1)机床方面:机床中某些零件的制造精度不高而引起振动； 皮带接头太粗也会产生振动；某些零件的缺陷，使机床产生振 动则更是明显。 （2）刀具方面：多刃、多齿刀具切削时，由于刀口高度的误 差，容易产生振动， （3）工件：被切削的工件表面上有断续表面或表面余量不 均、硬度不一等，都会在加工中产生振动。 （4）夹具方面：夹紧自锁性差、夹具体刚性较差。 （5）在工艺系统外部也有许多原因造成切削加工中的振动。
2. 强迫振动的特点 1)强迫振动的稳态过程是谐振动，只要干扰力存在，振动不 会被阻尼衰减掉，去除扰力，振动停止。 2)强迫振动的频率等于干扰力的频率。 3)阻尼愈小，振幅愈大，谐波响应轨迹的范围大。 4)在共振区，较小频率变化会引起较大振幅和相位角的变化。 3.消除强迫振动的途径 (1)消振与隔振； (2)消除回转零件的不平衡； (3)提高传动件的制造精度； (4)提高系统刚度，增加阻尼。
1.自激振动的原理 5.5.4 自激振动
2.自激振动的特点 1)自激振动是一种不衰减的振动。 2)自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率，这是与强 迫振动的显著差别。 3)自激振动能否产生以及振幅的大小，决定于每一振动周期 内系统所获得的能量与所消耗的能量的对比情况。 4)自激振动的形成和持续，是由于过程本身产生的激振和反 馈作用。
3.消除自激振动的途径 (1)合理选择与切削过程有关的参数 1)合理选择切削用量 车削中通常切削速度v在50～60m/min左右稳定性最低，最 易产生自激振动，所以可选择高速或低速切削以避免自激振动。 关于进给量f：在加工粗糙度要求的许可条件下选取较大的 进给量以避免自激振动。 切削深度ap：ap愈大，切削力愈大，愈易产生振动。
2)合理选择刀具的几何参数 适当地增大前角γ0、主 偏角кr，能减小切削力而减小 振动。后角α0可尽量取小，但 精加工中由于切深ap，较小， α0过小时，容易引起自激振 动。通常在刀具的主后刀面下 磨出一段后角为负的窄棱面。
3）实际生产中还往往用油石使新刃磨的刃口稍稍钝化，也 根有效。关于刀尖圆弧半径，它本来 就相加工表面粗糙度有 关，对加工中的振动而言，一般不要取得太大。车削时装刀位 置过低或镗孔时装刀位置过高，都易于产生自激振动。 4）使用“油”性非常高的润滑剂也是加工中经常使用的一种 防振办法。
(2) 提高工艺系统本身的抗振性 1)提高机床的抗振性
2) 提高刀具的抗振性 希望刀具具有高的弯曲与 扭转刚度、高的阻尼系数，因 此要求改善刀杆等的惯性矩、 弹性模量和阻尼系数。 3) 提高工件安装时的刚性 主要是提高工件的弯曲 刚性。
