第三章 机械加工表面质量
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习题三：机械加工表面质量
机械加工表面质量一、填空：1．表面质量的含义有两方面的内容，一是表面的几何特征，包括、表面波度、纹理方向；二是表面层的物理力学性能，主要表现在表面层、、。
2.机械加工表面质量将影响零件的耐磨性、耐蚀性、________强度和______质量。
3．表面层的残余应力对疲劳强度有影响，表面层内为残余应力可提高疲劳强度，表面层内为残余应力可降低疲劳强度。
4．工件表面粗糙度越小，在交变载荷的作用下，工件的疲劳强度就____________。
5．切削加工的表面粗糙度主要取决于_______ ，并与切削表面及积屑瘤、鳞刺的产生、切削液等有关。
6.磨削加工时，提高砂轮速度可使加工表面粗糙度数值_______，提高工件速度可使加工表面粗糙度数值_______，增大砂轮粒度号，可使加工表面粗糙度数值______。
7．精加工时，主要考虑加工质量，常利用较小的_____________和进给量，较高的_____________。
8．切削速度提高，冷硬层深度和硬度。
9．残余应力是金属内部的相邻组织发生了的体积变化而产生。
加工过程由表面层若以冷塑性变形为主，则表面层产生残余___ 应力；若以热塑性变形为主，则表面层产生残余_____应力。
10．表面强化工艺有：、、。
11．为了提高零件的使用可靠性，使表面产生残余压应力，有时采用滚压、喷丸等表面工艺。
12．对工件表面进行喷丸强化能使表面层产生冷作硬化和残余____应力。
二、单项选择：1．为减小零件加工表面硬化层深度和硬度，应使切削速度（）A、减小B、中速C、增大D、保持不变2．磨削时磨削热传给较多的是（）A、工件B、砂轮C、切屑D、空气3．当工件表面层温度超过相变温度，如果这时无冷却液，则造成。
A、淬火烧伤B、退火烧伤C、回火烧伤4．磨削淬火钢时，在重磨削条件下，如果使用冷却液，则可能造成的烧伤是。
A、淬火烧伤B、退火烧伤C、回火烧伤5．为减小切削残留面积高度，应。
A、减小主副偏角、减小进给量，增大刀尖圆孤半径。
机械加工表面加工质量
❖ 脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，
由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表 面粗糙。
机械加工表面加工质量
（2）切削速度的影响 （3）进给量的影响
加工塑性材料时，切削速度对
表面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞 刺的影响）见如图4-41所示。
此外，切削速度越高，塑性变 形越不充分，表面粗糙度值越小
（1）磨削用量
▪ 砂轮的转速↑ →材料塑性变形↓ → 表面粗
糙度值↓ ；
▪磨削深度↑、工件速度↑ → 塑性变形↑ →表
面粗糙度值↑ ； 为提高磨削效率，通常在开始磨削时采
用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较 小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表 面粗糙度值。
机械加工表面加工质量
（2）工件材料
•太硬易使磨粒磨钝 →Ra ↑ ； •太软容易堵塞砂轮→Ra ↑ ； •韧性太大，热导率差会使磨
影响显微硬度因素
•塑变引起的冷硬
•金相组织变化引起 的硬度变化
表面物理力学 性能
影响残余应力因素
•冷塑性变形 •热塑性变形 •金相组织变化
影响金相组织变化 因素
•切削热
机械加工表面加工质量
1. 表面层的冷作硬化
（1） 表面层加工硬化的产生
定义：机械加工时，工件表面层金属受到 切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶 格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉 长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强 度和硬度增加，这种现象称为加工硬化， 又称冷作硬化和强化。
机械加工表面加工质量
三、表面层金相组织变化与磨削烧伤
1.表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生
切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加 工区及其邻近区域产生了一定的温升。
定义：磨削加工时，表面层有很高的温度，当 温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织 变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现 微观裂纹。这种现象称为磨削烧伤。
由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表 面粗糙。
机械加工表面加工质量
（2）切削速度的影响 （3）进给量的影响
加工塑性材料时，切削速度对
表面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞 刺的影响）见如图4-41所示。
此外，切削速度越高，塑性变 形越不充分，表面粗糙度值越小
（1）磨削用量
▪ 砂轮的转速↑ →材料塑性变形↓ → 表面粗
糙度值↓ ；
▪磨削深度↑、工件速度↑ → 塑性变形↑ →表
面粗糙度值↑ ； 为提高磨削效率，通常在开始磨削时采
用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较 小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表 面粗糙度值。
机械加工表面加工质量
（2）工件材料
•太硬易使磨粒磨钝 →Ra ↑ ； •太软容易堵塞砂轮→Ra ↑ ； •韧性太大，热导率差会使磨
影响显微硬度因素
•塑变引起的冷硬
•金相组织变化引起 的硬度变化
表面物理力学 性能
影响残余应力因素
•冷塑性变形 •热塑性变形 •金相组织变化
影响金相组织变化 因素
•切削热
机械加工表面加工质量
1. 表面层的冷作硬化
（1） 表面层加工硬化的产生
定义：机械加工时，工件表面层金属受到 切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶 格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉 长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强 度和硬度增加，这种现象称为加工硬化， 又称冷作硬化和强化。
机械加工表面加工质量
三、表面层金相组织变化与磨削烧伤
1.表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生
切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加 工区及其邻近区域产生了一定的温升。
定义：磨削加工时，表面层有很高的温度，当 温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织 变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现 微观裂纹。这种现象称为磨削烧伤。
汽车制造工艺学习题答案作者曾东建贺曙新徐雳石美玉第三章工件的机械加工质量
图3-19 车床和立式铣床的热变形
1.机床热变形及其对加工精度的影响
图3-20 几种磨床的热变形 a)外圆磨床 b)双端面磨床 c)导轨磨床
2.工件热变形及其对加工精度的影响
图3-21 切削热的分布
2.工件热变形及其对加工精度的影响
图3-22 不均匀受热引起 形状变化
3.刀具热变形及其对加工精度的影响
提高工艺系统刚度： （1）提高工件加工时的刚度 （2）提高刀具加工时的刚度 （3）提高机床和夹具的刚度
1）在设计机床或夹具时，应尽量减少其组成零件数量，以减 少总的接触变形量。
2）在加工机床或夹具的组成零件时，应尽量提高有关组成零 件连接的表面的形状精度，并减小其表面粗糙度值。
3）对机床或夹具上的固定联接件，装配时采用预紧措施。
是指加工后零件各表面本身的实际形状与理想零件表面形状 之间的符合程度，如平面度、直线度、圆度、圆柱度、锥度等。 (3)位置精度
是指加工后零件各表面间的实际相互位置与理想零件各表面 之间位置的符合程度，如平行度、垂直度、同轴度等。
二、机械加工表面质量
(1)表面几何学特征 是指零件最外层表面的微观几何形状，通常用表
(2)按标准样件或对刀块(导套)调整时产生调整误差原因 这种因调整方法产生调整误差的主要原因有:标准样件本 身制造的尺寸误差，对刀块(导套)相对于夹具上定位元 件起始基准的尺寸误差，刀具调整时的目测误差，行程 挡块的受力变形，电气开关、离合器、液压控制阀等的 灵敏度，以及切削加工中刀具相对工件加工表面的弹性 退让等。
工艺系统中零件的刚度大、变形小，则系统的刚度也大，变形也小。 提高工艺系统刚度的措施 （1）合理的结构设计 （2）提高连接表面的接触刚度 （3）采用合理的装夹方式 （4）合理使用机床 （5）合理安排工艺
1.机床热变形及其对加工精度的影响
图3-20 几种磨床的热变形 a)外圆磨床 b)双端面磨床 c)导轨磨床
2.工件热变形及其对加工精度的影响
图3-21 切削热的分布
2.工件热变形及其对加工精度的影响
图3-22 不均匀受热引起 形状变化
3.刀具热变形及其对加工精度的影响
提高工艺系统刚度： （1）提高工件加工时的刚度 （2）提高刀具加工时的刚度 （3）提高机床和夹具的刚度
1）在设计机床或夹具时，应尽量减少其组成零件数量，以减 少总的接触变形量。
2）在加工机床或夹具的组成零件时，应尽量提高有关组成零 件连接的表面的形状精度，并减小其表面粗糙度值。
3）对机床或夹具上的固定联接件，装配时采用预紧措施。
是指加工后零件各表面本身的实际形状与理想零件表面形状 之间的符合程度，如平面度、直线度、圆度、圆柱度、锥度等。 (3)位置精度
是指加工后零件各表面间的实际相互位置与理想零件各表面 之间位置的符合程度，如平行度、垂直度、同轴度等。
二、机械加工表面质量
(1)表面几何学特征 是指零件最外层表面的微观几何形状，通常用表
(2)按标准样件或对刀块(导套)调整时产生调整误差原因 这种因调整方法产生调整误差的主要原因有:标准样件本 身制造的尺寸误差，对刀块(导套)相对于夹具上定位元 件起始基准的尺寸误差，刀具调整时的目测误差，行程 挡块的受力变形，电气开关、离合器、液压控制阀等的 灵敏度，以及切削加工中刀具相对工件加工表面的弹性 退让等。
工艺系统中零件的刚度大、变形小，则系统的刚度也大，变形也小。 提高工艺系统刚度的措施 （1）合理的结构设计 （2）提高连接表面的接触刚度 （3）采用合理的装夹方式 （4）合理使用机床 （5）合理安排工艺
第三章机械加工精度(3.2)
若齿轮Z1有转角误差δ1，造成Z2的转角误差为： δ12＝i12δ1 传到丝杠上的转角误差为δ1n，即： Z1
Z2
δ1
δ2
δ1n=i1nδ1
δ2n=i2nδ2
………………
δn δnn=innδn
n
Zn
在任一时刻，各齿轮的转角误差反映到丝杠的总误差为：
i Σ 1 n 2 n nn j jn
学习目的
了解各种因素对加工精度的影响规律，找出提 高加工精度的途径，以保证零件的加工质量。
3. 2 工艺系统的几何误差
一、加工原理误差
加工原理误差是指由于采用了近似的加工方法、近似 的成形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。 例如滚齿用的齿轮滚刀，就有两种误差，一是为了制 造方便，采用阿基米德蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的 刀刃齿廓近似造形误差；二是由于滚刀切削刃数有限，切 削是不连续的，因而滚切出的齿轮齿形不是光滑的渐开线， 而是折线，见图。 成形车刀、成形铣刀也采用了近似的刀具轮廓。
• 答：孔径没有误差，有圆柱度误差。轴线 不直。因为误差敏感方向不断变化。
讨 论
若镗杆进给，即镗杆既旋转又移动（图示）， 导轨误差对加工精度有无影响？
答：不会产生孔的形状误差，但会产生孔的位 置误差。
讨
论
• 刨平面时，导轨误差对加工精度有何影 响？ • 答：产生加工表面的直线度误差、平面 度误差。
主轴回转误差在实际中多表现为漂移。 漂移是指主轴回转轴线在每一转内的每一瞬时的变动 方位和变动量都是变化的一种现象。
Ⅰ理想回转轴线
Ⅱ实际回转轴线
2）影响主轴回转精度的主要因素
轴承本身误差
轴承间隙
轴承间同轴度误差 各段轴颈、轴孔的同轴度误差 主轴系统的刚度和热变形等 但它们对主轴回转精度的影响大小随加工方式而不同。
3.1表面质量概述及表面粗糙度的影响因素
谢谢大家！
②表面层金属的残余应力的影响
拉伸残余应力将使耐疲劳强度下降；压缩残余应力则使耐疲劳强度提高。
3. 表面质量对耐蚀性的影响 （1）表面粗糙度的影响 表面粗糙度值越大，加工表面与气体、液体接触的面积越大，腐蚀物 质越容易沉积于凹坑中，耐蚀性能就越差。 （2）表面层金属力学物理性质的影响 零件表面层有残余压应力时，能够阻止表面裂纹的进一步扩大，有利 于提高零件表面抵抗腐蚀的能力。 4. 表面质量对零件配合质量的影响 (1) 对于间隙配合表面 原有间隙将因急剧的初期磨损而改变，表面粗糙度越大，变化量就 越大，从而影响配合的稳定性。 (2) 对于过盈配合表面 表面粗糙度越大，两表面相配合时表面凸峰易被挤掉，这会使过盈量 减少，影响配合的可靠性。
（4)表面缺陷 加工表面上出现的缺陷，如砂眼、气孔、裂痕等。
2．表面层金属的力学物理性能和化学性能 由于机械加工中力因素和热因素的综合作用，加工表面层金属的力 学物理性能和化学性能将发生一定的变化，主要反映在以下几方面： （1)表面层金属的冷作硬化
机械加工过程中，工件表面层金属都会有一定程度的冷作硬化，使 表面层金属的显微硬度有所提高。
3.2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改进措施
3.2.1 切削加工表面粗糙度 其值主要取决于切削残留面积的高度。影响切削残留面积高度的因素 主要有：刀尖圆弧半径r、主偏角kr、副偏角kr’及进给量f等。 车削、刨削时残留面积高 度的计算示意图如图3。其中图 a 是用尖刀切削的情况，切削 残留面积的高度为：
3.2.2 磨削加工后的表面粗糙度 1．几何因素的影响 单纯从几何因素考虑，可以认为：在单位面积上刻痕越多，即通过单位 面积的磨粒数越多，刻痕的等高性越好，则磨削表面的粗糙度值越小。 （1）磨削用量对表面粗糙度值的影响 砂轮的速度越高、工件速度越低、砂轮的纵向进给减小，工件表面的 每个部位被砂轮重复磨削的次数增加，被磨表面的粗糙度值将减小。
机械加工表面质量
第三章机械加工表面质量第一节概述评价零件是否合格的质量指标除了机械加工精度外，还有机械加工表面质量。
机械加工表面质量是指零件经过机械加工后的表面层状态。
探讨和研究机械加工表面，掌握机械加工过程中各种工艺因素对表面质量的影响规律，对于保证和提高产品的质量具有十分重要的意义。
一机械加工表面质量的含义机械加工表面质量又称为表面完整性，其含义包括两个方面的内容：1．表面层的几何形状特征表面层的几何形状特征如图3-1所示，主要由以下几部分组成：⑴表面粗糙度它是指加工表面上较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特征，即加工表面的微观几何形状误差，其评定参数主要有轮廓算术平均偏差R a或轮廓微观不平度十点平均高度R z；⑵表面波度它是介于宏观形状误差与微观表面粗糙度之间的周期性形状误差，它主要是由机械加工过程中低频振动引起的，应作为工艺缺陷设法消除。
⑶表面加工纹理它是指表面切削加工刀纹的形状和方向，取决于表面形成过程中所采用的机加工方法及其切削运动的规律。
⑷伤痕它是指在加工表面个别位置上出现的缺陷，如砂眼、气孔、裂痕、划痕等，它们大多随机分布。
2．表面层的物理力学性能表面层的物理力学性能主要指以下三个方面的内容：⑴表面层的加工冷作硬化；⑵表面层金相组织的变化；⑶表面层的残余应力。
二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零件的耐磨性是零件的一项重要性能指标，当摩擦副的材料、润滑条件和加工精度确定之后，零件的表面质量对耐磨性将起着关键性的作用。
由于零件表面存在着表面粗糙度，当两个零件的表面开始接触时，接触部分集中在其波峰的顶部，因此实际接触面积远远小于名义接触面积，并且表面粗糙度越大，实际接触面积越小。
在外力作用下，波峰接触部分将产生很大的压应力。
当两个零件作相对运动时，开始阶段由于接触面积小、压应力大，在接触处的波峰会产生较大的弹性变形、塑性变形及剪切变形，波峰很快被磨平，即使有润滑油存在，也会因为接触点处压应力过大，油膜被破坏而形成干摩擦，导致零件接触表面的磨损加剧。
机械制造工艺学(王先逵)第三章参考答案(部分)
3-1 机械加工表面质量包括哪些具体内容？机械加工表面质量，其含义包括两个方面的内容：1．加工表面层的几何形貌主要由以下几部分组成：⑴表面粗糙度；⑵波纹度⑶纹理方向⑷表面缺陷2．表面层材料的力学物理性能和化学性能表面层材料的力学物理性能和化学性能主要反映在以下三个方面：⑴表面层金属冷作硬化；⑵表面层金属的金相组织变化；⑶表面层金属的残余应力。
3-2为什么机器零件一般总是从表面层开始破坏的？加工表面质量对机器使用性能有哪些影响？一、机器零件的损坏，在多数情况下都是从表面开始的，这是由于表面是零件材料的边界，常常承受工作负荷所引起的最大应力和外界介质的侵蚀，表面上有着引起应力集中而导致破坏的微小缺陷，所以这些表面直接与机器零件的使用性能有关。
二、加工表面质量对机器的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、零件配合质量都有影响(一)表面质量对耐磨性的影响1．表面粗糙度、波纹度对耐磨性的影响表面粗糙度值越小，其耐磨性越好；但是表面粗糙度值太小，因接触面容易发生分子粘接，且润滑液不易储存，磨损反而增加；因此，就磨损而言，存在一个最优表面粗糙度值。
2．表面纹理对耐磨性的影响圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好；尖峰状的表面纹理由于摩擦副接触面压强大，耐磨性较差。
在运动副中，两相对运动零件表面的刀纹方向均与运动方向相同时，耐磨性较好；两者的刀纹方向均与运动垂直时，耐磨性最差3．冷作硬化对耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般都能使耐磨性有所提高。
(二)表面质量对耐疲劳性的影响1．表面粗糙度对耐疲劳性的影响表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好2．表面层金属的力学物理性质对耐疲劳性的影响表面层金属的冷作硬化能够阻止疲劳裂纹的生长，可提高零件的耐疲劳强度。
(三)表面质量对耐蚀性的影响1．表面粗糙度对耐蚀性的影响表面粗糙度值越大，耐蚀性能就越差。
2．表面层金属力学物理性质对耐蚀性的影响表面层金属力学物理性质对耐蚀性的影响当零件表面层有残余压应力时，能够阻止表面裂纹的进一步扩大，有利于提高零件表面抵抗耐蚀的能力。
机械加工表面质量
2．表面层物理 力学、化学性能
(1)表面粗糙度 (2)表面波度 (3)纹理方向 (4)伤痕——表面上一些个别位置 上出现的缺陷
(1)表面层加工硬化(冷作硬化)。 (2)表面层金相组织变化。
(3)表面层产生残余应力。
第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响
第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响
影响表层残余应力的因素
三、表层金属的残余应力——拉应力或者压应力
（一）残余应力产生的原因 1）冷塑性变形——使表层产生压缩残余应力，里层产生拉伸 残余应力。
原因：加工表面受刀具或砂轮磨粒的挤压和摩擦，产生拉伸塑性变形 ，此 时里层金属处于弹性变形状态，切削后里层金属趋于弹性恢复，但受 到已产生塑性变形的表层金属牵制
第三章 机械加工表面质量
本章学习主要要解决的问题 1. 机械加工表面质量的含义 2. 为什么要控制机械加工表面质量? 3. 哪些因素会影响表面质量? 4. 怎样提高表面质量?
第三章 机械加工表面质量
第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响
一、机械加工表面质量的含义
1．表面的几何特征
2）热塑性变形——表层产生拉伸残余应力，里层产生压缩残 余应力。
原因：切削和磨削过程中，表层的温度比里层高，表层的热膨胀较大；加 工后零件冷却至室温时，表层金属体积的收缩受到里层的牵制。
影响表层残余应力的因素
3）相变引起的体积变化 金相组织的变化引起表层金属的比容增大，则表层金属将产生 压缩残余应力，而里层金属产生拉伸残余应力； 金相组织的变化引起表层金属的比容减小，则表层金属产生拉 伸残余应力，而里层金属产生压缩残余应力 。
• 提高砂轮速度，降低工件转速，减小纵向进给速度——增大单位面 积的磨粒数
机械加工表面质量--机械加工表面质量对机器使用性能的影响
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一个刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间，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。
表面质量概念机械加工表面质量是指零件在机械加工后表面层
的变化。
２．加工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 （２）表面质量对零件疲劳强度的影响 （３）表面质量对零件耐腐蚀性的影响 （４）表面质量对配合性质的影响 （５）表面质量对零件的使用性能其他
方面的影响
（１）表面质量对零件耐磨性的影响
磨损过程的基本规律： 零件的磨损可分为三个阶段，如图1-17所示。 第Ⅰ阶段：（初期磨损阶段）由于摩擦副开始工作时，两个零件
④伤痕 在加工表面的一些个别位置上 出现的缺陷。
在加工表面的一些个别位置上出现的缺 陷。它们大多是随机分布的，例如砂眼、 气孔、裂痕和划痕等。
（２）表面层物理、化学和力学性能
●表面层加工硬化（冷作硬化）。 ●表面层金相组织变化及由此引起的表层金
属强度、硬度、塑性及耐腐蚀性的变化。 ●表面层产生残余应力或造成原有残余应力
表面层的加工硬化对耐磨性的影响
表面层的加工硬化，一般能提高耐磨性0.5～l 倍。这是因为加工硬化提高了表面层的强度， 减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。但 过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现 疲劳裂纹和产生剥落现象，从而使耐磨性下降。 所以零件的表面硬化层必须控制在一定的范围 之内。
表面互相接触，一开始只是在两表面波峰接触，当零件受力时， 波峰接触部分将产生很大的压强，因此磨损非常显著。 第Ⅱ阶段：经过初期磨损后，实际接触面积增大，磨损变缓，进 入磨损的第Ⅱ阶段，即正常磨损阶段。这一阶段零件的耐磨性最 好，持续的时间也较长。 第Ⅲ阶段：由于波峰被磨平，表面粗糙度参数值变得非常小，不 利于润滑油的储存，且使接触表面之间的分子亲和力增大，甚至 发生分子粘合，使摩擦阻力增大，从而进入磨损的第Ⅲ阶段，即 急剧磨损阶段。
２．加工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 （２）表面质量对零件疲劳强度的影响 （３）表面质量对零件耐腐蚀性的影响 （４）表面质量对配合性质的影响 （５）表面质量对零件的使用性能其他
方面的影响
（１）表面质量对零件耐磨性的影响
磨损过程的基本规律： 零件的磨损可分为三个阶段，如图1-17所示。 第Ⅰ阶段：（初期磨损阶段）由于摩擦副开始工作时，两个零件
④伤痕 在加工表面的一些个别位置上 出现的缺陷。
在加工表面的一些个别位置上出现的缺 陷。它们大多是随机分布的，例如砂眼、 气孔、裂痕和划痕等。
（２）表面层物理、化学和力学性能
●表面层加工硬化（冷作硬化）。 ●表面层金相组织变化及由此引起的表层金
属强度、硬度、塑性及耐腐蚀性的变化。 ●表面层产生残余应力或造成原有残余应力
表面层的加工硬化对耐磨性的影响
表面层的加工硬化，一般能提高耐磨性0.5～l 倍。这是因为加工硬化提高了表面层的强度， 减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。但 过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现 疲劳裂纹和产生剥落现象，从而使耐磨性下降。 所以零件的表面硬化层必须控制在一定的范围 之内。
表面互相接触，一开始只是在两表面波峰接触，当零件受力时， 波峰接触部分将产生很大的压强，因此磨损非常显著。 第Ⅱ阶段：经过初期磨损后，实际接触面积增大，磨损变缓，进 入磨损的第Ⅱ阶段，即正常磨损阶段。这一阶段零件的耐磨性最 好，持续的时间也较长。 第Ⅲ阶段：由于波峰被磨平，表面粗糙度参数值变得非常小，不 利于润滑油的储存，且使接触表面之间的分子亲和力增大，甚至 发生分子粘合，使摩擦阻力增大，从而进入磨损的第Ⅲ阶段，即 急剧磨损阶段。
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二、磨削过程中表面粗糙度的形成
1、形成因素
几何原因 塑性变形
砂轮的粒度和砂轮的修整情况
切削用量
机械加工振动
(1) 几何原因 1）切削用量对表面粗糙度的影响
砂轮的速度↑ ，单位时间内的磨削量↑ ，粗糙度↓ ；
工件的速度↑ ，单位时间内的磨削量↓ ，粗糙度↑ ； 砂轮纵向进给速度↑ ，每部位重复磨削次数 ↑ ，粗糙度↓。
2．表面质量对零件疲劳强度的影响 金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在 零件表面或表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲 劳强度影响较大。
表面粗糙度的影响
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。表面粗糙度值越大，表面的裂纹越深， 纹底半径越小，抗疲劳破坏的能力越差。零件上易产生应力集 中的沟槽、圆角等处的表面粗糙度，对疲劳强度的影响更大。
强度极限就会产生表面裂纹。
二、机械加工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
磨损规律
零件的磨 损可分为 三个阶段
第一阶段 初期磨损阶段
第二阶段 正常磨损阶段 第三阶段 急剧磨损阶段
Ⅰ：磨损快、时间较短。 Ⅱ：随着表面粗糙度峰部不断被碾平和被剪切，实际接触面积不断加大， 单位压力也逐渐减小，摩擦副即进入正常磨损阶段。正常磨损阶段经历的 时间较长。 Ⅲ：随着表面粗糙度的峰部不断被碾平和被剪切，接触面积越大，零件间的 金属分子亲和力增大，表面间机械咬合作用增大，磨损急剧增加。Ⅲ区是剧 烈磨损区，此时摩擦副不能正常工作。
应控制在一定范围内。
3．表面质量对零件耐腐蚀性的影响 表面粗糙 表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质； 度的影响 波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。 零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度 表面残余应力对零件耐腐蚀性影响
残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，
可增强零件的耐腐蚀性；
表面残余应力对疲劳强度的影响 影响极大
残余压应力，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，而使零件疲劳强度提高。
表面层的加工硬化对疲劳强度影响 适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生，有助于
拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；
提高疲劳强度。但加工硬化程度过大，反而易产生裂纹，故加工硬化程度
等）也有所变化。这种现象称为加工硬化，又称作冷作硬化或强化。 加工表面除受力变形外，还受到机械加工中产生的切削热的影响。切 削热在一定条件下会使金属在塑性变形中产生回复现象，使金属失去加工 硬化中所得到的物理力学性能，这种现象称为软化。 因此，金属在加工过程中最后的加工硬化，取决于硬化速度与软化速 度的比率。
由于加工硬化提高了表面层的强度，减少了表面进一步塑
性变形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性0.5 ～ 1倍。
过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现疲劳裂纹和
产生剥落现象，从而使耐磨性下降。
90 80
磨损量 m
70
60 50 320 340 360 380 400 420 HB 440
硬化层应控制在一定的范围内。 残余应力对耐磨性的影响目前无定性结论。 一般地，加工精度要求↑ ，加工成本↑ ，生产效率↓ 。
H 100% H0
其中： H——加工后表面层的显微硬度 H0——材料原有的显微硬度
(2)表面层金相组织变化
指的是加工中，由于切削热的作用引起表层金属金相组织 发生变化的现象。如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面 层的物理机械性能。 (3)表面层产生残余应力 指的是加工中，由于切削变形 和切削热的作用，工件表层及其基 体材料的交界处产生相互平衡的弹 性应力的现象。残余应力超过材料
波距：峰与峰或谷与谷间的距离， 以L表示； 波距与波高 波高：峰与谷间的高度，以H 表示。
L/H>1000时，属于宏观几何形状误差；
L/H<50时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度； L/H=50～ 1000时，称作表面波度；
主要是由机械加工过程中工 艺系统低频振动所引起。
纹理方向 是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采用 的机械加工方法。一般运动副或密封件对纹理方向有要求。
2．加工硬化的衡量指标
1)表面层的显微硬度HV 2)硬化层深度h0
HV0 ——金属原来的显微硬度
3)硬化程度N
4．影响加工硬化的因素
1)切削力↑，塑性变形↑ ，硬化程度和硬化层深度↑ 。如： 切削时进给量↑ ，切削力↑ ，塑性变形程度↑ ，硬化程度↑ ； 磨削时，磨削深度和纵向 进给速度↑ ，磨削力↑ ，塑性 变形加剧，表面冷硬趋向↑ 。 刀具的刃口圆角和后刀面 的磨损量增大，塑性变形↑ ， 冷硬层深度和硬化程度随之↑ 。ຫໍສະໝຸດ 表面纹理方向对耐磨性的影响
表面纹理方向影响金属表面的实际接触面积和润滑液的存留情况。 轻载时，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损 最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。 重载情况下，由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因
素的变化，其规律与上述有所不同。
表面层的加工硬化对耐磨性的影响
(1)与磨削砂轮有关的因素 主要是砂轮的粒度、硬度以及对砂轮的修整等。
砂轮的粒度要适度
砂轮的粒度越细，则砂轮单位面积上
的磨粒数越多，磨削表面的刻痕越细，表 面粗糙度值越小；但较度过细，砂轮易堵 塞，使表面组糙度值增大，同时还易产生 波纹和引起烧伤。 砂轮硬度要合适 砂轮的硬度是指磨粒受磨削力后从砂轮上脱落的难易程度。 砂轮太硬，磨粒磨损后不易脱落，使工件表面受到强烈的摩擦和挤压，
砂轮修正
影响磨削加工表 面粗糙度的因素
砂轮硬度
磨削用量
工件材料性质
§3.3 影响零件表面层物理力学性能的因素及其改善措施
影响显微硬 度因素 塑变引起的冷硬 金相组织变化引起的 硬度变化
表面 物理力学性能
表 现 形 式
影响残余应 力因素
冷塑性变形 热塑性变形 金相组织变化
影响金相组 织变化因素
第三章 机械加工表面质量
零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。
机械产品的失效形式 磨损、腐蚀和疲劳破坏。
因设计不周而导致强度不够；
少数
多数
实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤
其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。
研究机械加工表面质量的目的 掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并 应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高 产品性能的目的。
伤痕 是指在加工表面个别位置出现的缺陷，如沙眼、气 孔、裂痕等。
2、表面层物理力学、化学性能 (1)表面金属层的冷作硬化
指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形（晶粒拉长、细
化），使工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。
冷硬层深度 h 表示方法 硬化程度 N
硬化程度： N
§2.1 机械加工表面质量对零件使用性能的影响
一、机械加工表面质量的含义
1．表面的几何特征
2．表面层物理 力学、化学性能
(1)表面粗糙度
(2)表面波度 (3)纹理方向
(1)表面层加工硬化(冷作硬化)。 (2)表面层金相组织变化。 (3)表面层产生残余应力。
1、表面的几何形状特征 加工后表面形状，总是以 “峰”、“谷”的形式偏离其 理想光滑表面。按偏离程度有 宏观和微观之分。
增加了塑性变形，表面粗糙度值增大，同时还容易引起烧伤；
砂轮太软，磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会增大表面粗糙度值。
砂轮的修整质量 砂轮的修整是用金刚石除去砂轮外层己钝化的磨粒，使磨粒切削刃锋 利，降低磨削表面的表面粗糙度值。
砂轮的修整质量
修整工具 修整砂轮的纵向进给量
与这两者有密切关系
(2)与工件树质有关的因素
表面粗糙度对摩擦副的影响
表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说来，表面 粗糙度值越小，其耐磨性越好。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，接触面的表面粗糙度有一个最佳值——一般由试验确定。
不是表面粗糙度值越小越耐磨， 在一定工作条件下，摩擦副表面总是 存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗 糙度Ra值约为0.32～0.25μm较好。
切削深度↑ ，工件材料塑性变形↑ ，粗糙度↑ ； 另外： 合理选用砂轮和切削液 ，有利于减少塑性变形 ，精度粗糙度 ；
3．加工时的振动
对磨削表面粗糙度来说，振动是主要影响因素。振动产 生的原因很多，将在后面讲述。
二、影响表面粗糙度的因素及其改进措施
影响表面粗 糙度的因素
第一类是与磨削砂轮有关的因素 第二类是与工件材质有关的因素 第三类是与加工条件有关的因素
切削热
冷作硬化 金相组织变化 残余应力
影响表面层物理力学性能的主要因素
一、表面层的加工硬化 1．加工硬化的产生
机械加工过程中，工件表面后金属受切削力作用，产生强烈的塑性 变形、使金属的晶格扭曲，晶粒被拉长、纤维化甚至破碎而引起的表面
层的强度和硬度增加，塑性降低，物理性能（如密度、导电性、导热性
主偏角
副偏角 进给量
物理因素
金相组织越大，粗糙度也越大；
切削液的选用及刀具刃磨质量
切削加工为例
切削残留面积的高度
f H cot K r cot K r'
f2 H 8r ε
•刀尖圆弧半径rε •主偏角kr、副偏角kr′ •进给量f
(2)物理力学因素
被加工材料的性能——塑性变形的影响 切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产生 塑性变形，形成了表面粗糙度。 与切削机理有关的物理因素——刀瘤和鳞刺的影响