表面粗糙度对机械零件使用性能的影响分析

基本概念

4.1.1 表面粗糙度的定义

表面粗糙度(Surface roughness )是指加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观 几何形状特性性它是一种微观几何形状误差，也称为微观不平度。表面粗糙度应与形状误 差(宏观几何形状误差)和表面波度区别开。通常，波距小于 1mm的属于表面粗糙度,

波距在1~10mm的属于表面波度，波距大于 10mm的属于形状误差，如图 4-1所示。

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4.1.2 表面粗糙度对机械零件使用性能的影响

表面粗糙度的大小对零件的使用性能和使用寿命有很大影响。

1. 影响零件的耐磨性

表面越粗糙，摩擦系数就越大，相对运动的表面磨损得越快。然而，表面过于光滑，由于 润滑油被挤出或分子间的吸附作用等原因，也会使摩擦阻力增大和加速磨损。

2. 影响配合性质的稳定性

零件表面的粗糙度对各类配合均有较大的影响。 对于间隙配合，两个表面粗糙的零件在相

对运动时会迅速磨损，造成间隙增大，影响配合性质；对于过盈配合，在装配时表面上微 观凸峰极易被挤平，产生塑性变形，使装配后的实际有效过盈减小，降低联接强度；对于 过渡配合，因多用压力及锤敲装配，表面粗糙度也会使配合变松。

3. 影响疲劳强度

承受交变载荷作用的零件的失效多数是由于表面产生疲劳裂纹造成的。 疲劳裂纹主要是由

于表面微观峰谷的波谷所造成的应力集中引起的。零件表面越粗糙，波谷越深，应力集中 就越严重。因此，表面粗糙度影响零件的抗疲劳强度。

4. 影响抗腐蚀性

粗糙表面的微观凹谷处易存积腐蚀性物质， 久而久之，这些腐蚀性物质就会渗入到金属内

层，造成表面锈蚀。

此外，表面粗糙度对接触刚度、密封性、产品外观、表面光学性能、导电导热性能以及表 面结合的胶合强度等都有很大影响。所以，在设计零件的几何参数精度时，必须对其提出 合理的表面粗糙度要求，以保证机械零件的使用性能。

概况粗糙度：指加工概况具有的较小间距和微小峰谷不服度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），用肉眼是难以区此外，因此它属于微观几何形状误差。概况粗糙度越小，则概况越光滑。概况粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响，主要表示在以下几个方面：

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① 概况粗糙度影响零件的耐磨性。概况越粗糙，配合概况间的有效接触面积越小，压强越大，磨损就越快。

② 概况粗糙度影响配合性质的稳定性。对间隙配合来说，概况越粗糙，就越易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大；对过盈配合来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有效过盈，降低了联结强度。

③ 概况粗糙度影响零件的疲劳强度。粗糙零件的概况存在较大的波谷，它们像尖角缺口和裂纹一样，对应力集中很敏感，从而影响零件的疲劳强度。

④ 概况粗糙度影响零件的抗腐蚀性。粗糙的概况，易使腐蚀性气体或液体通过概况的微观凹谷渗入到金属内层，造成概况腐蚀。

⑤ 概况粗糙度影响零件的密封性。粗糙的概况之间无法严密地贴合，气体或液体通过接触面间的缝隙渗漏。此外，概况粗糙度对零件的外观、丈量精度也有影响。

概况粗糙度有Ra,Rz,Ry 之分，据GB 3505摘录：

概况粗糙度参数及其数值（Surface Roughness Parameters and their

Values）经常使用的3个分别是：

轮廓算数平均偏差(Ra)--arithmetical mean deviation of the profile；

微观不服度十点高度(Rz)--the point height of irregularities；

轮廓最大高度(Ry)--maximum height of the profile。 Ra--在取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值。

Rz--在取样长度内5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和。

Ry--在取样长度L内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。

论机械零件的加工精度与表面粗糙度

摘要：机械产品的性能和使用寿命与组成产品的零件加工质量密切相关,零件的加工质量是保证产品质量基础,衡量零件加工质量的主要指标是加工精度和表面粗糙度。零件的表面质量是机械零件加工质量的重要内容之一,机械零件的表面质量对零件使用时的耐磨性、配合精度、疲劳强度、抗腐蚀性等有很大的影响,提高加工表面的质量,对保证零件的使用性能、提高零件及其机器的寿命具有重要的意 义。本文对机械加工表面质量进行了分析,指出了影响机械加工表面质量的因素,并提出了提高机械加工表面质量的措施,对工程实践有一定的指导作用。

关键词：机械零件 表面质量 机械加工 加工精度 表面粗糙度

机械零件的加工质量,除加工精度外,表面质量也是极其重要的一个方面。任何机械加工方法所获得的已加工表面都不可能达到理想状态,总会存在一定程度的微观几何形状误差、划痕、裂纹、表面金相组织变化和表面残余应力等缺陷,这些缺陷会影响零件的使用性能、寿命、可靠性。因此,机械加工既要保证零件的尺寸、形状和位置精度,又要保证机械加工表面质量。机械加工表面质量,是指零件在机械加工后被加工面的微观不平度,也叫粗糙度,产品的工作性能、可靠性、寿命在很大程度上取决于主要零件的表面质量。研究机械加工精度与表面粗糙度的关系,其目的就是为了掌握机械加工中各个工艺对加工表面质量影响的规律,以便利用这些规律来控制加工过程,最终达到改善产品质量、增强产品使用性能的目的。

1、影响机械零件质量的两个重要因素

机械零件的机加工质量包含尺寸精度和表面质量,机械零件的表面质量又包含加工表面的几何特点和表面层的物理化学性能两个方面的内容。

1.1 加工精度

加工精度是指零件经过加工后的尺寸、几何形状以及各表面的相互位置等参数的实际值与设计理想值相符合的程度,而它们之间的偏离程度就是加工误差,加工误差的大小即反映了加工精度的高低。加工精度是衡量零件加工质量的主要指标,在机械加工过程中,会有很多因素影响工件的加工质量,如何使工件的加工达到质量要求,以及如何减少各种因素对加工精度的影响,就成为加工前必须考虑的问题。为提高加工精度,要对影响机械加工精度的因素、产生加工误差的各项原始误差逐一进行分析,提高零件加工所使用机床的几何精度,提高夹具、量具及刀具本身的精度,控制工艺系统受力、受热变形、刀具磨损、测量误差等。

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