机械加工表面质量的影响要素及控制策略

　　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。加工表面质量，是指机器零件在加工后的表面层状态.一台机器在正常的使用过程中，由于其零件的工作性能逐渐变坏，以致不能继续使用，有时甚至会突然损坏，其原因除少数是因为设计不周而强度不够，或偶然事故引起了超负荷以外，大多数是由于磨损或受到外界介质的腐蚀以及疲劳损坏。磨损、腐蚀和疲劳损坏，都是发生在零件的表面，或是从零件表面开始的。因此，加工表面质量将直接影响到零件的工作性能，尤其是它的可靠性和寿命.随着工业技术的飞速发展，对机器使用的要求越来越高，一些重要零件在高压、高速、高温等高要求条件下工作，表面层的任何缺陷，不仅直接影响零件的工作性能，而且还可能引起应力集中和应力腐蚀等现象，将进一步加速零件的失效.这一切，都与加工表面质量有很大关系，因而表面质量问题越来越受到各方面的重视。

　　1 表面质量的含义

　　任何机械加工所得的表面，实际上不可能是理想的光滑表面，总是存在一定的微观几何形状误差.另外，表面材料在加工时受切削力、切削热的影响，也会使原有的物理-机械性能发生变化。因此，加工表面质量应包括：

　　（1）加工表面粗糙度。是指加工表面的较小间距和微小峰谷的微观几何形状误差。它主要是由于切削加工过程中的刀痕、切削分离时的塑性变形、刀具与被加工表面的摩擦、工艺系统的高频振动等原因造成的。

　　（2）表面层的物理---机械性能变化。表面层的材料在加工时，物理-机械性能变化主要有以下三个方面的内容：

　　1）表面层的冷作硬化。工件在机械加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变化，使表层的强度和硬度都有所提高，这种现象称表面冷作硬化.

　　2）表面层残余应力.在切削加工过程中，由于切削变形和切削热的影响，在加工表面会产生残余应力，如果残余应力超过材料的屈服强度，就会产生表面裂纹，表面的微观裂纹将给零件带来严重的隐患。

　　3）表面层金相组织的变化。工件表面经磨削精加工时，磨削产生的高温，一般可达800~1000 ℃，高的磨削温度会烧坏工作表面，使淬火钢件表面退火，引起表层金属发生相变,将大大降低表面层的物理-机械性能。

　　2 机械加工表面质量对机器使用性能的影响

　　2.1 对耐磨性的影响

　　一个刚加工好的两个接触表面之间，最初阶段只在表面粗糙的峰部接触，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；剧烈磨损阶段。

　　（1）表面粗糙度对零件表面磨损的影响。一般来说，表面粗糙度值愈小，其耐磨损性愈好.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.

　　2.2 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，抗疲劳破坏的能力就愈差。

　　（2）残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响。表面层残余拉应力，将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残余压应力，能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生；表面冷硬化一般伴有残余压应力的产生，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。

　　2.3对耐蚀性的影响

　　零件的耐蚀性，在很大程度上取决于表面粗糙度.表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多，抗蚀性就愈差；表面层的残余拉应力，会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。

　　2.4 对配合质量的影响

　　表面粗糙度值的大小，将影响配合表面的配合质量.对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质；对于过盈配合,装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度.

　　3 影响表面粗糙度的因素

　　（1）切削加工影响表面粗糙度的因素。在加工表面留下了切削层残留面积，其形状是刀具几何形状的复映.减小进给量 vf、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度.此外，适当增大刀具的前角，以减小切削时的塑性变形的程度，合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量，以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小表面粗糙度值的有效措施。

　　（2）工件材料的性质。加工塑性材料时，由于刀具对金属的挤压，产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大.工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。加工脆性材料时，其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙度增大.

　　（3）磨削加工影响表面粗糙度的因素。如同切削加工时表面粗糙度的形成过程一样，磨削加工表面粗糙度的形成，也是由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。影响磨削表面粗糙的主要因素有：

　　1）砂轮的粒度与硬度。砂轮硬度应适当，应使磨粒钝后会及时脱落，露出新的磨粒来继续切削，即具有良好的“自砺性”.砂轮的粒度愈细，即单位面积上的磨粒数愈多，则加工表面的刻痕愈细密，表面粗糙度愈低。但若粒度过细，则容易堵塞砂轮，而使工件表面塑性变形增加，从而影响表面粗糙度的降低。

　　2）砂轮的修整。砂轮应及时修整，以去除已钝化的磨粒，保证砂轮具有微刃性和等高性。用金刚石修整砂轮相当于在砂轮上“车削”外圆，纵向和横向的进给量愈小，修整出来的砂轮表面的微刃性和等高性就愈好，磨出工件表面的粗糙度也愈低.

　　3）磨削速度、径向进给量、光磨次数、工件圆周进给速度与轴向进给量.减小磨削用量和提高砂轮速度，可以增加工件单位面积上的刻痕数，同时可降低因塑性变形造成的表面粗糙度。因为在高速磨削下，磨削表面来不及塑性变形，因而提高砂轮速度有利于降低表面粗糙度。增大磨削深度和提高工件速度会使塑性变形加剧，从而增高粗糙度。为了提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的磨削深度，而在磨削后期采用小的磨削深度，或进行无进给磨削（光磨）,以降低工件表面粗糙度。

　　4）切削液.切削液对加工过程起冷却和润滑作用，能降低切削区的温度，减少刀刃与工件的摩擦，从而减少切削过程的1大作用.

　　5）工件材质。工件材料的硬度、塑性、韧性和导热性能等，对表面粗糙度有显着的影响。工件材料太硬时，磨粒易钝化；太软时，砂轮易堵塞；韧性大和导热性能差的材料，使磨粒早期崩落，而破坏了微刃的等高性，因而均使表面粗糙度增高.

　　4 影响加工表面层物理机械性能的因素

　　在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化,最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热，比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述3 项物理机械性能的变化会很大。

　　4.1 冷作硬化及其评定参数

　　（1）金属的冷作硬化。在机械加工过程中，因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化（或称为强化）。表面层金属强化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化.被冷作硬化的金属，处于高能位的不稳定状态，只要一有可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化.弱化作用的大小，取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。由于金属在机械加工过程中同时受到力和热的作用，因此加工后表层金属的最后性质，取决于强化和弱化综合作用的结果。评定冷作硬化的指标有 3 项：即表层金属的显微硬度 HV、硬化层深度 h 和硬化程度 N.

　　（2）影响冷作硬化的主要因素。切削刃钝圆半径增大，对表层金属的挤压作用增强,塑性变形加剧，导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，导致冷硬增强。切削刃钝圆半径对加工硬化的影响切削速度增大，刀具与工件的作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减小，冷硬层深度减小。切削速度增大后，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了，将使冷硬程度增加。进给量增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬作用加强。工件材料的塑性愈大，冷硬现象就愈严重.

　　4.2表面层材料金相组织的变化

　　（1）磨削烧伤。当被磨工件表面层的温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度和硬度降低,并伴有残余应力产生，甚至出现微观裂纹,这种现象称为磨削烧伤。在磨削淬火钢时，可能产生 3 种烧伤。回火烧伤。如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的转变温度，工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体）,这种烧伤称为回火烧伤.淬火烧伤.如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属发生二次淬火，使表层金属出现二次淬火马氏体组织，其硬度比原来的回火马氏体的高，在它的下层，因冷却较慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织（索氏体或托氏体），这种烧伤称为淬火烧伤。

　　退火烧伤.如果削区温度超过了相变温度，而磨削区域又无冷却液进入，表层金属将产生退火组织，表面硬度将急剧下降，这种烧伤称为退火烧伤。

　　磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤有两个途径：一是正确选择砂轮，合理选择切削用量，尽可能地减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件.

　　（2）表面层残余应力。产生的原因是：加工时在切削力作用下，已加工表面层受拉应力作用，产生伸长塑性变形，表面积趋向增大，此时里层处于弹性变形状态下。当切削力去除后，里层金属趋向复原，但受到已产生塑性变形的表面层的限制，恢复不到原状，因而在表面层产生残余压应力，里层则为拉应力与之相平衡.

　　（3）热塑性变形的影响。表面层在切削热的作用下产生热膨胀，此时基体温度较低，因此表面层热膨胀受基体的限制产生热压缩应力.当表面层的温度超过材料的弹性变形范围时，就会产生热塑性变形（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，因为表面层已产生热塑性变形，但受到基体的限制产生了残余拉应力，里层则产生了压应力。

　　（4）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.由于不同的金相组织有不同的密度，表面层金相变化的结果造成了体积的变化。表面层体积膨胀时，因受到基体的限制，产生了压应力。反之，表面层体积缩小，则产生拉应力。各种金相组织大马氏体比重最小，奥氏体比重最大，磨削淬火钢时若表面层产生回火现象，马氏体转化成索氏体或屈氏体（这两种组织均为扩散度很高的珠光体），因体积缩小，表面层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。若表面层产生二次淬火现象，则表面层产生二次淬火马氏体，其体积比里层的回火组织大，因而表层产生压应力，里层产生拉应力。

　　（5）零件主要工作表面最终工序加工方法的选择。选择零件主要工作表面最终工序加工方法，须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式.在交变载荷作用下，机器零件表面上的局部微观裂纹,会因拉应力的作用使原生裂纹扩大，最后导致零件断裂.从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，该表面最终工序应选择能在该表面产生残余压应力的加工方法。

　　（6）磨削裂纹的产生及防止.当表面层的残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就会产生裂纹，有的磨削裂纹也可能不在工件的外表面，而是在表面层下成为肉眼难以发现的缺陷.裂纹的方向常与磨削方向垂直或成网状，裂纹的产生常与烧伤同时出现。磨削裂纹的产生与材料及热处理工序有很大的关系，磨削硬质合金时，由于其脆性大，抗拉强度低以及导热性差，所以特别容易产生裂纹.磨削含碳量高的淬火钢时，由于其晶界脆弱,也容易产生磨削裂纹。工件在淬火后如果存在残余应力，则即使在正常的磨削条件下也可能会出现裂纹.渗碳、渗氮时如果工艺不当，就会在表面层晶界面上析出脆性的碳化物、氮化物。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.由于磨削热是产生残余拉应力的根本原因，因此防止产生裂纹的途径，也在于降低磨削热以及改善其散热条件，前面所述的减轻表面热损伤的措施，均有利于避免产生表面残余拉应力和裂纹。在磨削工序前后进行去除内应力的低温回火处理，亦能有效地减小表面层的拉应力，防止产生磨削裂纹。

　　5 结束语

　　由于机械加工表面对机器零件的使用性能如耐磨性、接触刚度、疲劳强度、配合性质、抗腐蚀性能及精度的稳定性等有很大的影响，因此对机器零件的重要表面应提出一定的表面质量要求.由于影响表面质量的因素是多方面的，因此应该综合考虑各方面的因素，对表面质量根据需要提出比较经济适用性的要求.

　　参考文献：

　　[1] 姜伟之，等。工程材料的力学性能[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2000.
　　[2] 富成科。机械制造基础[M]. 北京：人民出版社，1998.
　　[3] 顾崇衔。机械制造工艺学[M]. 西安：陕西科学技术出版社，1986.
　　[4] 陈懋圻。机械制造工艺学[M]. 沈阳：辽宁科学技术出版社，1986.
　　[5] 于骏一， 夏 卿， 包善斐。 机械制造工艺学[M]. 长春：吉林教育出版社，1985.