机加工零件的表面质量对零件性能的影响及改善
机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米~几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命。
机械零件的表面决定了产品的性能，尤其是其可靠性和耐用性。我们可以研究零件在加过程中的变化及机理，掌握各种工艺因素对加工表面质量的影响规律，从而利用这些规律来控制加工过程，最终达到提高加工表面质量的目的。
零件的机械加工质量包括加工精度和加工表面质量。
零件的表面质量是指机器零件加工后表面层的状态，它分为两个部分:
（1）表面层的几何形状
加工后的零件表面形状，总是以峰、谷的形式偏离其理想光滑表面。峰与峰（或谷与谷）直接的距离成为波距，用L表示；峰与谷间的高度称为波高，用H表示。按偏离程度有宏观和微观之分。
当L/H＞1000时，属于宏观几何误差，如平面度、圆度等。
当L/H<50时属于微观形状误差，称作表面粗糙度。
当L/H在50~1000之间，称作表面波度，这主要是机械加工过程中，工艺系统的低频振动引起的。
（2）表面层的物理机械性能
- 表面层冷作硬化（冷硬）
指零件在机械加工中表面层金属产生强烈的冷态塑性变形而引起强度、硬度提高的现象。
表示方法有：
- 显微硬度H
- 硬化层深度h
- 硬化程度N
N=H/H0X100%
H-加工后表面层的显微硬度
H0-材料原有的显微硬度
一般情况下表面硬化层的深度可达0.05 — 0.30mm。
- 表面层金相组织的变化
切削热温升引起工件表层温升过高，表面金属层发生金相组织变化的现象。
- 表面层残余应力
加工中切削变形和切削热的影响导致工件表层产生残余应力。
表面质量对零件使用性能的影响
（一）表面质量对零件耐磨性的影响
1. 表面粗糙度对耐磨性的影响
零件耐磨性的影响因素：
摩擦副的材料；润滑条件；表面质量(接触面积)。
零件磨损三个阶段：初期磨损阶段；正常磨损阶段；剧烈磨损阶段
磨损过程的基本规律
表面粗糙度对耐磨性的影响
表面粗糙度太大和太小都不耐磨
表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；
表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。
表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。
表面粗糙度与初期磨损量的关系
2.冷作硬化对耐磨性的影响
加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。
因为表面的冷作硬化使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。
并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。
过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。
3.表面纹理对耐磨性的影响
表面纹理的形状及刀纹方向对耐磨性的影响，纹理形状及刀纹方向影响有效接触面积与润滑液的存留。
4.表面层产生的金相组织变化零件耐磨性的影响
金相组织的变化引起基体材料硬度的变化，进而影响零件的耐磨性。
（二）表面质量对零件疲劳强度的影响
1. 表面粗糙度对疲劳强度的影响
表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。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。
表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。
2.表面层冷作硬化与残余应力对耐疲劳性的影响
适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度；
残余应力有拉应力和压应力之分，
残余拉应力：易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度。
残余压应力：能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。
（三）表面质量对耐蚀性的影响
1.表面粗糙度对耐腐蚀性的影响
零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。
2.表面残余应力对耐腐蚀性能的影响
零件表面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，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。
（四）表面质量对零件配合质量的影响
1.表面粗糙度对零件配合精度的影响
间隙配合:粗糙度值增大会使磨损增大，造成间隙增大，破坏了要求的配合性质。
过盈配合:装配过程中一部分表面凸峰被挤平，产生塑性变形，实际过盈量减小，降低了配合件间的联接强度。
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。
2.表面残余应力对零件工作精度的影响
表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。
表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而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。
影响加工表面粗糙度的因素
机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。
（一）切削加工时表面粗糙度的影响因素
1. 几何因素
- 刀尖圆弧半径rε
- 主偏角kr、副偏角kr′
- 进给量f
残留面积高度H的计算：
当刀尖圆弧半径rε=0时，残留面积高度H为
当刀尖圆弧半径rε＞0时，
减小进给量f、减小主偏角kr和副偏角kr’、增大刀尖圆弧半径rε，都能减小理论残留面积的高度H，也就减小了零件的表面粗糙度。
2. 非几何因素
（1）工件材料的影响
韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。
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。
（2）切削速度的影响
加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响如图所示。积屑瘤和鳞刺仅在低速时产生。切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小；选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。
实线——只考虑塑性变形的影响
虚线——考虑刀瘤和鳞刺的影响
切削速度影响最大：v = 10～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。
（3）进给量的影响
减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。
（4）其它因素的影响
此外，合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。
（二）磨削加工时表面粗糙度的影响因素
磨削用量：砂轮转速、工件转速、轴向进给量（f）、砂轮纵向进给量（ap）。
砂轮的六因素：磨料，粒度，结合剂，硬度，组织，形状尺寸。
外圆磨削
工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。
1.磨削用量对表面粗糙度值的影响
砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越小。——“砂轮速度v↑，Ra↓”
工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。工件转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大。——“工件速度vw↑，Ra ↑”
砂轮纵向进给增大，工件表面被砂轮重复磨削的次数减少，被磨表面的粗糙度值将增大。——“砂轮纵向进给f↑，Ra ↑”
磨削深度增大，表层塑性变形将随之增大，被磨表面粗糙度值也会增大。——“磨削深度ap↑，Ra ↑”
光磨次数↑，Ra↓
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。
2.砂轮性能对表面粗糙度值的影响
磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压，没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。
砂轮粒度：磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。太细，砂轮已被堵塞使加工表面烧伤。砂轮粒度常取46～60号。
砂轮硬度：太硬，磨粒脱落↓,表面粗糙度增大；太软，磨粒脱落↑,使表面粗糙度值增大。硬度合适、自励性好↑→Ra↓常选用中软砂轮。
砂轮组织：紧密组织在精密磨获得高精度和较小的表面粗糙度值；疏松组织不易堵塞,适于磨削软金属、非金属软材料和热敏性材料。中等组织的砂轮
砂轮修整：砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃。因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。精细修整过的砂轮可有效减小被磨工件的表面粗糙度值。
砂轮磨料：砂轮磨料选择适当，可获得满意的表面粗糙度。
- 氧化物（刚玉）砂轮：磨钢类零件；
- 碳化物（碳化硅、碳化硼）砂轮：磨铸铁、硬质合金等；
- 高硬材料（人造金刚石、立方氮化硼）砂轮：可获极小表面粗糙度值，成本高。
影响加工表面层物理机械性能的因素
（一）加工表面层的冷作硬化
1.表面层冷作硬化的产生
冷作硬化：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。
衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：
1）表面层的显微硬度H；
2）硬化层深度h；
3）硬化程度N
N=(H-H0)/H0×100％
式中 H0——工件原表面层的显微硬度。
2.影响冷作硬化的因素
表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度。力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复程度。
（二）表层金属的金相组织变化
1.磨削烧伤
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。
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，使工件表面呈现氧化膜颜色。这种现象称磨削烧伤。
淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤有三种形式：
1）回火烧伤
磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。
2）淬火烧伤
磨削时工件表面温度超过相变临界温度时，则马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。
3）退火烧伤
磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。
2.改善磨削烧伤的工艺途径
- 正确选择砂轮
选用具有一定弹性的结合剂对缓解磨削烧伤有利。磨削力突然增大时，磨粒可以产生一定的弹性退让，使磨削径向进给量减小，可以减轻烧伤程度。
当磨削塑性较大的材料，为了避免砂轮堵塞，选用砂粒较粗的砂轮。
- 合理选择切削用量
磨削径向进给量对磨削烧伤影响很大。
磨削径向进给量增加，磨削力和磨削热会急剧增加，容易产生烧伤。
适当增加磨削轴向进给量可以减轻烧伤。
- 改善冷却条件
向磨削区浇注更多的冷却液，就能有效防止烧伤现象的发生。
（三）表面层残余应力
定义：机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。
1.表面层残余应力的产生的原因
1）冷态塑变
工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形状态。切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。
2）热态塑变
表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力
3）金相组织变化
切削过程产生的高温会引起表面层的相变，表面层金相变化的结果会造成体积的变化。表面层体积膨胀时因受到基体的限制产生拉应力；反之，产生压应力。
机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化的综合结果。
切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形，表面层常产生残余压缩应力。
磨削裂纹的产生
磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系。在磨削过程中，当工件表面层产生的残余应力超过工件材料的强度极限时，工件表面就会产生裂纹。磨削裂纹常与烧伤同时出现。
2.影响表层金属残余应力的工艺因素
影响表层金属残余应力的主要因素有：刀具几何参数、刀具磨损、切削用量以及工件材料等。
1）刀具几何参数
刀具几何参数中对残余应力影响最大的是刀具前角。刀具前角由正变为负时，表层残余拉应力逐渐减小。当前角为较大负值且切削用量合适时，甚至可得到残余压应力。
2）工件材料
切削加工奥氏体不锈钢等塑性材料时，加工表面易产生残余拉应力。切削灰铸铁等脆性材料时，加工表面易产生残余压应力。
3）刀具磨损
刀具后刀面磨损值增大，使后刀面与加工表面摩擦增大，由热应力引起的残余应力增强，使加工表面呈残余拉应力，并使残余拉应力层深度加大。
4）切削用量
- 切削速度Vc和进给量f对残余应力的影响较大。
- Vc增加，切削温度升高，由切削温度引起的热应力逐渐起主导作用，残余应力将增大，但残余应力层深度减小。
- 进给量f增加，残余拉应力增大，但压应力将向里层移动。
- 背吃刀量对残余应力的影响不显著。
3.零件工作表面最终工序加工方法对表面层残余应力的影响
零件工作表面最终工序在该工作表面留下的残余应力将直接影响零件的使用性能。不同的加工方法在加工表面上残留的残余应力不同，因此零件工作表面最终工序加工方法的选择至关重要。
选择零件工作表面最终工序加工方法，须考虑该零件工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式，尽可能使产生残余压应力，提高零件疲劳强度。
改善表面粗糙度的方法
光整加工：不切除或从工件上切除极薄材料层，以减小工件表面粗糙度为目的的加工方法，如超级光磨和抛光等。
研磨：在精加工基础上利用研具和磨料从工件表面磨去一层极薄金属的一种磨料精密加工方法。
尺寸公差等级可达IT5～IT3，Ra值可达0.1～0.008μm 。研磨是精密和超精密零件精加工的主要方法之一。可使零件获得极高的尺寸精度、几何形状和位置精度，最高的表面粗糙度。
抛光：利用柔性抛光工具和游离磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加工。 抛光一般不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度，而是以得到光滑表面或镜面光泽为目的。 抛光常作为镀层表面或零件表面装饰加工的最后一道工序，其目的是消除磨光工序后残留在表面上的细微磨痕,以获得光亮的外观。
珩磨：利用珩磨头上的油石条进行孔加工的一种高效率的光整加工方法，需要在磨削或精镗的基础上进行。
珩磨的加工精度高，珩磨后尺寸公差等级可达IT6～IT4，Ra值可达0.2～0.025μm。
工件表面强化的常见方法
表面强化技术：按表层强化技术的物理化学过程进行分类，大致可分为五大类：表面变形强化、表面热处理强化、化学热处理强化、表面冶金强化、表面薄膜强化。
1. 表面变形强化
通过机械的方法使金属表面层发生塑性变形，从而形成高硬度和高强度的硬化层，这种表面强化方法称为表面变形强化（加工硬化）。
有喷丸、喷砂、冷挤压、滚压、冷碾和冲击、爆炸冲击强化。
2. 表面热处理强化
利用固态相变，通过快速加热的方法对零件的表面层进行淬火处理称为表面热处理，俗称表面淬火。
特点：表面局部加热淬火，工件变形小；加热速度快，生产效率高；加热时间短，表面氧化脱碳很轻微。
3. 化学热处理强化
某种元素的固态扩散渗入，来改变金属表面层的化学成分，以实现表面强化的方法。
渗硼、渗金属、渗碳及碳氮共渗、渗氮及氮碳共渗、渗硫及硫氮碳共渗、渗铬、渗铝及铬铝硅共渗、石墨化渗层。
4. 表面冶金强化
工件表面层金属的重新融化和凝固，以得到预期的成分或组织的表面强化处理技术。
如：表面自溶性合金或复合粉末涂层、表面融化结晶或非晶态处理、表面合金化等方法。
5. 表面薄膜强化
应用物理的或化学的方法，在金属表面涂覆与基体材料性能不同的强化膜层。
电镀、化学镀（镀铬、镀镍、镀铜、镀银等）以及复合镀、刷镀或转化处理。
End