教学要求：

掌握机械加工表面质量的影响因素；

熟悉机械加工工艺系统的振动及其对表面质量的影响；

掌握控制机械加工表面质量的途径。

 

影响加工表面质量的因素

机械加工表面质量对机器零件的使用性能，甚至整机的工作性能都有很大影响。深入研究影响加工表面质量的各种因素及其规律，探究提高和保证加工表面质量的措施和方法是机械制造工艺学研究的重要内容。

一、影响表面粗糙度的工艺因素

影响加工表面粗糙度的工艺因素主要有几何因素和物理因素两个方面。加工方式不同，影响表面粗糙度的工艺因素也各不相同。

1. 切削加工的表面粗糙度

1）几何因素

影响表面粗糙度的几何因素是指刀具相对工件作进给运动时，由于刀具的几何形状、几何参数、进给运动及切削刃本身的粗糙度等影响，未能完全将加工余量切除，在加工表面留下残留面积，形成表面粗糙度。

以车削或刨削加工零件表面为例。切削残留面积的高度与刀尖圆弧半径、主偏角、副偏角以及进给量和刀刃本身的粗糙度等因素有关。

切削深度较大且刀尖圆弧半径很小时，或者采用尖刀刃具切削时，如下图所示，残留面积的高度为

圆弧刀刃切削加工时，残留面积的高度与刀尖圆弧半径和进给量有关，如下图所示的几何关系可近似为

        

减小进给量、增大刀尖圆弧半径、减小主偏角或副偏角都会使表面粗糙度得到改善，但以进给量和刀尖圆弧半径的影响最为明显。

实际加工表面的粗糙度值总是大于上面理论计算的残留面积高度，只有切削脆性材料或高速切削塑性材料时，计算结果才比较接近实际。因此还有其他因素会影响加工表面粗糙度。

2）物理因素

在切削过程中刀具对工件的挤压和摩擦等物理因素使金属材料发生塑性变形，从而影响理论残留部分的轮廓以及表面粗糙度。加工获得的表面粗糙度轮廓形状是几何因素和物理因素综合作用的结果。

影响加工表面粗糙度的物理因素可归结为以下几个方面。

(1)     刀具几何参数及刀具材料   刀具的几何参数对切削加工表面粗糙度影响很大。刀具的主偏角、副偏角和刀尖圆弧半径影响较为显著。适当增大刀具前角可以有效改善加工表面粗糙度。而刀具后角的大小与已加工表面的摩擦有关，后角大的刀具有利于改善表面粗糙度。但后角过大，对刀刃强度不利，易产生切削振动，表面粗糙度值反而增大。

选用强度好，特别是热硬性高的材料制造的刀具，易于保持刃口锋利，而且摩擦系数小、耐磨性好，在切削加工时则能获得较小的表面粗糙度值。

(2)     工件材料及热处理   工件材料的品种、成分和性质，以及热处理方法的不同，加工表面的粗糙度也存在一定差别。

塑性材料切削加工过程中，如低碳钢、耐热钢、铝合金和高温合金等，在一定切削速度下会在刀面形成硬度很高的积屑瘤，从而改变刀具的几何形状和加工进给量，使加工表面的粗糙度严重恶化。而脆性材料加工后，一般其表面粗糙度易于达到要求。

对于同样的工件材料，若金相组织的晶粒粗大，则切削加工获得的表面粗糙度越差。因此，为减小切削加工的表面粗糙度值，常在加工前对工件材料进行调质处理，以获得较均匀的、细密的晶粒组织和较高的硬度。

(3)     切削用量   一般来说，切削深度对加工表面粗糙度影响不明显，但过小的切削深度无法维持正常切削，常会引起刀刃与工件相互挤压、摩擦，使加工表面质量恶化。

切削速度、进给量对表面粗糙度影响较大。较小的切削进给量可减少残留面积的高度，减轻切削力和工件材料的塑性变形程度，从而获得较小的表面粗糙度值。但进给量过小，刀刃不能进行切削而仅形成挤压，致使工件的塑性变形程度增大，使表面粗糙度值变大。切削过程中，切削速度越高，则被加工表面的塑性变形程度越小，表面粗糙度越好。

(4)      刀具的刃磨   考虑到刀具刃口表面粗糙度在工件表面的复映效应，提高刀具的刃磨质量也能改善表面粗糙度。

(5)     润滑冷却液  切削过程中，润滑冷却液可吸收、传递切削区内的热量，减小摩擦、促进切屑分离，减轻力、热的综合作用，抑制刀瘤和鳞刺的产生，减少切削的塑性变形，利于改善加工表面的粗糙度。

2.  磨削加工表面粗糙度

磨削是较为常见的精加工方法，其表面粗糙度的形成也是由几何因素和物理因素决定的，但磨削过程较切削过程复杂。

机械抛光是靠切削、材料表面塑性变形去掉被抛光后的凸起部分而得到平滑面的抛光方法。

1）磨削加工表面粗糙度的形成

磨削加工是通过砂轮和工件的相对运动，使得分布在砂轮表面上的磨粒对工件表面进行磨削加工。砂轮的磨粒分布存在很大的不均匀性和不规则性，尖锐且突出的磨粒可产生切削作用，而不足以形成切削的磨粒可产生刻划作用，形成划痕并引起塑性变形，更低而钝的磨粒则在工件表面引起弹性变形，产生滑擦作用。因此磨削加工的表面是砂轮上大量的磨粒刻划出的无数极细的刻痕形成的。

另外，磨削加工时的速度较高，砂轮磨粒大多具有较大的负前角，磨粒与表面间的相互作用较强，将造成磨削比压大、磨削区的温度较高。如果工件表层温度过高，则表层金属易软化、微熔或产生相变。而且，每个磨粒所切削的厚度仅为0.2μm左右，大多数磨粒在磨削加工过程中仅起到挤压作用，磨削余量是在磨粒的多次挤压作用下经过充分塑性变形出现疲劳剥落产生的，因而磨削加工的塑性变形一般要比切削加工大。

2）影响磨削加工表面粗糙度的工艺因素

影响磨削表面粗糙度的主要工艺因素有如下几个方面。

(1)   砂轮的选择

砂轮的粒度、硬度、组织、材料及旋转质量平衡等因素都会影响磨削表面粗糙度，在选择时应综合考虑。单纯从几何因素考虑，在相同的磨削条件下，砂轮的粒度细，则单位面积上的磨粒多，加工表面上的刻痕细密均匀，磨削获得的表面粗糙度值小。但磨粒太细时，砂轮容易被磨屑堵塞。通常磨粒的大小和磨粒之间的距离用粒度表示，一般常取46号~60号。

砂轮的硬度是指磨粒从砂轮上脱落的难以程度。砂轮选择过硬，则磨粒钝化后不易脱落，使得工件表面受到强烈的摩擦和挤压作用，致使塑性变形的程度增加，增大表面粗糙度值。反之，砂轮选择太软，则磨粒易于脱落，产生磨损不均匀，从而磨削作用减弱，难以保证工件表面的粗糙度。因此没，砂轮硬度选择要适当，通常选用中软砂轮。

砂轮的组织是指磨粒、结合剂和气孔的比例关系。紧密组织能获得高精度和较小的表面粗糙度值，而疏松组织的砂轮不易阻塞，适合加工软金属、非金属软材料和热敏性材料。

砂轮的材料，即磨料的选择要综合考虑加工质量和成本。高硬磨料的砂轮可获得较小的表面粗糙度值，但加工成本很高。

(2)   磨削用量

磨削用量主要指砂轮速度、工件速度、进给量和磨削深度等，即磨削加工的条件。

提高砂轮速度，则通过被磨削表面单位面积上的磨粒数和划痕增加。与此同时，每个磨粒的负荷小，热影响区浅，工件材料的塑性变形的传播速度可能大于磨削速度，工件来不及产生塑性变形，使得表面层金属的塑性变形现象减轻，磨削表面的粗糙度值将明显减小。

工件速度对表面粗糙度值的影响与砂轮速度的影响相反，增大工件速度时，单位时间内通过被磨表面的磨粒数减少，工件表面粗糙度值将增大。

砂轮纵向进给量减少，工件表面被砂轮重复磨削的次数将增加，表面粗糙度值会减小；而轴向进给量减小时，单位时间内加工的长度短，表面粗糙度值也会减小。

磨削深度对表面粗糙度的影响很大。减小磨削深度，工件材料的塑性变形减弱，被磨表面的粗糙度值会减小，但也会降低生产率。

(3)   砂轮的修整

修整砂轮是改善磨削表面粗糙度的重要措施，因为砂轮表面的不平整在磨削时将被复映到被加工表面。修整砂轮的目的是使砂轮具有正确的几何形状和获得具有磨削性能的锐利微刃。

砂轮的修整与修整工具、修整砂轮纵向进给量等有密切关系。以单颗金刚石笔修整砂轮时，金刚石笔纵向进给量越小，金刚石越锋利，修出的砂轮表面越光滑，磨粒微刃的等高性越好，磨出的工件表面粗糙度越小。

此外，工件材料的性质、磨削液等对磨削表面粗糙度的影响也很明显。

二、影响零件表层物理力学性能的因素

机械加工过程中，工件表层在力、热的综合作用下，表面层的物理力学性能会发生变化，使其与金属基体材料性能有所不同。最主要的变化是表层金属显微硬度的改变，金相组织的变化和在表层金属中产生残余应力和表面强化现象。

不同的工件材料，不同的加工条件，会产生不同的表面层特性。

在磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比切削加工时更严重，因而磨削加工表面层的上述三项物理力学性能的变化会很大。

1. 加工表面的冷作硬化

磨削和切削加工中，若加工工件表面层产生的塑性变形使表面层材料沿晶面产生剪切滑移，使晶格扭曲、畸变，产生晶粒拉长、破碎和纤维化，这将引起材料的强化，使工件表面层的强度和硬度增加，这种现象称为冷作硬化。

评定表面层冷作硬化的指标主要以硬化层深度、表面层金属的显微硬度和硬化程度表示。一般硬化程度越大，硬化深度也越大。

表面层冷作硬化的程度取决于产生塑性变形的力、变形速度和变形时的温度。产生塑性变形的力越大，塑性变形越大，硬化程度越大。变形速度越大，则塑性变形越不充分，硬化程度反而减少。变形时的温度会影响塑性变形的程度和变形后金相组织恢复的能力。冷作硬化的表面层金属处于高能位不稳定状态，在某些条件下(如温度变化在某范围内)，金属结构会向稳定的结构转化，从而部分地消除冷作硬化，即弱化。因此，工件加工后表面层的最终性质是强化和弱化作用的综合结果。

实际上，冷作硬化的程度和深度还与金属基体的性质、机械加工的方法和条件有关。下面将以切削和磨削加工为例，分析影响加工工件表面层冷作硬化的工艺因素。

1）影响切削加工表面冷作硬化的因素

切削加工过程中，被加工材料、刀具几何参数和切削用量均在不同程度上影响表面层的冷作硬化程度。

(1)     被加工材料的影响   工件材料的硬度越小、塑性越大，切削后的冷硬程度越严重。

(2)     刀具几何参数的影响   刀具的前角、刃钝圆半径和后面的磨损对冷硬程度有很大影响，而后角、主偏角、副偏角及刀尖圆弧半径等的影响不大。刀具刃钝圆半径增大时，加工后表面的冷硬层深度和硬度也随之增大。

(3)     切削用量的影响   在切削用量中，以切削速度和进给量影响较大。在不致引起表层金相组织发生相变的范围内，增加切削速度时，刀具与工件的接触时间缩短，使得塑性变形程度减小，硬化层深度和硬度都有所减小。进给量增大时，切削力增大，表层的塑性变形程度也增大，从而加剧表面层的冷作硬化程度。但进给量较小时，由于刀具刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多，反而会增大硬化程度。

2）影响磨削加工表面冷作硬化的因素

相比较而言，磨削加工的温度比切削加工温度高很多，磨削过程中的弱化作用或金相组织的变化起主导作用，使得磨削加工表面的硬化规律较为复杂。

(1)     被加工材料的影响   工件材料的塑性好，则磨削加工时塑性变形大，冷硬倾向大。导热性能佳的材料，磨削加工产生的热量不易集中于表面层，弱化倾向小。

如磨削高碳工具钢T8时，加工表面冷硬程度平均达60%~65%；而磨削纯铁时，加工表面冷硬程度可达75%~80%，甚至有时可达140%~150%。

其原因在于纯铁的塑性好，磨削时的塑性变形大，强化倾向大，而且纯铁的导热性比高碳钢高，热不易集中于表面层，弱化倾向小。

(2)     磨削用量的影响   磨削速度的提高会减弱塑性变形的程度，而且磨削区温度的增高会加强弱化作用。所以，高速磨削加工表面的冷硬程度一般比普通磨削低。相对而言，工件速度对冷硬程度的影响与磨削速度的影响基本相反。

磨削加工的磨削力会随磨削深度的加大而增大，从而加工件表面的塑性变形程度，表面冷硬倾向增大。

加大纵向进给速度时，磨削加工的磨削力加大，冷硬倾向增大。但纵向进给速度的提高也可能使磨削区产生较大的热量而使冷硬减弱。因而加工表面的冷硬状况要考虑这两种因素的综合作用。

2. 加工表面的金相组织变化与磨削烧伤

1）表面层金相组织的变化及磨削烧伤的发生

机械加工过程中，加工时所消耗的能量绝大部分转化为热能，而使工件表面的加工区域及其附近区域的温度升高。当温升超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织的变化。

一般的切削加工不一定产生加工表面层金相组织的变化，原因是单位内切削截面所消耗的功率不是很大，温度升高一般不会达到相变温度。

磨削加工时，磨削比压和磨削速度较高，切除单位截面金属所消耗的功率大于其他加工方法。这些热量部分由切屑带走，很小一部分传给砂轮。假若冷却效果不好，则这些热量中的大部分(80%左右)将传给被加工工件表面，使工件表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力的产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。所以磨削加工是一种典型的、易使加工表面层产生金相组织变化的加工方法。

影响磨削加工时表面层金相组织变化的因素主要有工件材料、磨削温度、温度梯度及冷却速度等。然而，各种材料的金相组织及其转变特性是不同的。如轴承钢、高速钢及镍铬钢等高合金钢材料，磨削时若冷却不充分则容易使工件表面层上形成的瞬时高温，产生磨削烧伤。磨削淬火钢时，根据温度的不同一般分为三种烧伤。

(1)   回火烧伤  如果磨削区的温度超过马氏体的转变温度(中碳钢为350℃)，但末超过淬火钢的相变临界温度(碳钢的相变温度约为720℃)时，则工件表面层金属的马氏体组织会产生回火现象，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。

(2)   淬火烧伤  如果磨削区温度超过了相变温度，且在冷却液的急冷作用下，表面会出现二次淬火马氏体组织，硬度比原来的回火马氏体高，但其厚度很薄。在它的下层，因冷却较慢会出现硬度比原来回火马氏体低的回火索氏体或托氏体。这称为淬火烧伤。

(3)   退火烧伤  如果磨削区温度超过相变温度，但磨削过程没有冷却液，这时工件表层金属将被退火，表面硬度急剧下降。这称为退火烧伤。一般干磨时很容易产生这种情况。

2）防止磨削烧伤的工艺措施

如果在磨削加工中出现磨削烧伤现象，零件的使用性能将会受到严重影响。磨削热是磨削烧伤的根源，故而改善磨削烧伤的途径主要有两个：一是减少磨削热的产生；二是改善冷却条件。实际中，通常采用以下工艺途径改善磨削烧伤的程度。

(1)   合理选择砂轮  

(2)   控制磨削用量  

(3)   改善冷却条件  

目前通用的冷却方法较差，由于砂轮的高速旋转，圆周方向产生强大气流，使得磨削液很难直接送入磨削区，冷却效果很差。而内冷却是一种较为有效的方法，如下图所示。

工作原理是将严格过滤后的冷却液通过中空主轴法兰套引入砂轮的中心腔内，在离心力的作用下冷却液会通过砂轮内部的孔隙向砂轮四周的边缘洒出，冷却液就有可能直接注入磨削区。然而，内冷却装置会产生大量水雾，影响加工条件，而且磨削冷却液必须严格过滤，要求杂质不超过0.02%，以防止堵塞砂轮内部孔隙。所以，其应用不广。

实际中多采用开槽砂轮，即在砂轮的圆周上开一些横槽，开槽砂轮的形状如上图所示，这就能使砂轮将冷却液带入磨削区；同时，开槽可使砂轮间断磨削，工件受热时间缩短，金相组织来不及转变，开槽砂轮还能起到风冷作用，改善散热条件。因此，开槽砂轮可有效地防止烧伤现象产生。开槽的形状主要有两种形式：均匀等距开槽和变距开槽。

(4)   回火工序处理  对某些塑性低、导热系数小的材料，如淬火高碳钢、渗碳钢、耐热台金、球墨铸铁等，磨削前在适当的温度下安排回火工序处理，可减少裂纹的产生。

3. 加工表面的残余应力

在机械加工过程中，当加工表面层相对基体材料发生形状变化、体积变化或金相组织的变化后，外载荷去掉后仍在工件表面层及其与基体材料的交界处残存相互平衡的应力，称为残余应力。

1）表面层产生残余应力的原因

表面层产生残余应力的原因主要有以下三方面。

(1)     冷塑性变形的影响   机械加工过程中，被加工工件表面在切削里的作用下会产生强烈的塑性交形，使表面层金属的比容增大、体积膨胀。而基体金属受应力较小，处于弹性变形状态。因此，表面层金属的变形受到与它相连的里层基体金属的阻碍，从而在表面层内产生了残余压应力，里层产生残余拉应力。当刀具切离后，里层基体金属的弹性变形将逐渐恢复，而表面层金属的塑性变形不能恢复。趋向复原的内层基体金属将受到表面层已塑性变形金属的限制，故而表面层有残余压应力，里层有残余拉应力与之平衡。

(2)     热塑性变形的影响   机械加工时，工件表面层受切削热的作用而产生热膨胀。由于表面层金属的温度比里层基体金属的温度高，表面层的热膨胀会被里层基体金属的膨胀所阻碍，因而表面层产生压缩应力，而在里层产生热态拉应力。若表面层产生的压缩应力没有超过材料的屈服极限，不会产生塑性变形；若表面层在加工时温度很高，产生的压缩应力超过材料的屈服极限时，就会产生热塑性变形。

加工时温度越高，发生热塑性变形的倾向越大，产生的残余应力也越大。残余应力的大小，除与温度有关外，也与材料的特性有关，即与屈服极限的曲线及温度升降的斜率有关。

(3)     金相组织的变化   不同的金相组织，具有不同的密度和比容。机械加工过程中，如果工件表面层的金相组织发生变化，则工件表面层金属的比容也会发生变化。这种比容的变化必然受到里层基体金属的阻碍，从而产生残余应力。如果金相组织的变化引起表面层金属的比容减小，则表面层金属产生拉应力，而里层产生压应力；反之，若金属的比容增大，表面层金属将产生压应力，而里层产生拉应力。如在磨削淬火钢时，由于磨削热导致表层可能产生回火，表层金属组织将由马氏体转变为接近珠光体的屈氏体或索氏体，密度增大，比热容减小，表层金属要产生相变收缩但会受到基体金属的阻止，从而在表层金属产生残余拉应力，里层金属产生残余压应力。如果磨削时表层金属的温度超过相变温度且冷却已充分，则表层金属将转变为淬火马氏体，密度减小，比热容增大，则表层金属产生残余压应力，里层金属产生残余拉应力。

实际上，机械加工后表面层的残余应力是上述三方面原因综合作用的结果。

2）影响残余应力的工艺因素

影响残余应力的主要工艺因素有工件材料的性质、刀具(砂轮)、切削用量及冷却润滑液等方面。具体情况要根据切削的塑性变形、切削温度和金相组织变化的影响程度而定。

(1)     切削加工影响残余应力的工艺因素   刀具的后角、刀尖的圆角半径及刃钝圆半径对表面层残余应力的影响不大，这是因为后角受到刀刃强度的制约变化不大，而刀尖的圆角半径和刃钝圆半径在刃磨后很小。刀具几何参数中前角的残余应力影响较大。实际上当刀具磨损到一定程度时，切削力以及刀具和工件的摩擦会显著增加，使表面层温度会升高，表面层的塑性变形加剧，因而刀具的磨损对残余应力影响较大。

加工用量对残余应力的影响比较复杂，它与工件的材料、原来的状态以及具体的加工条件等有关。在一般情况下，残余应力的数值和方向与切削速度有关。以较低的速度切削时，工件表面层会产生残余拉应力。但随着切削速度的增大，拉应力值将逐渐减小，并在一定切削速度以上转变为残余压应力。这说明低速切削时切削热的作用占主导作用，表层产生残余拉应力。而随着切削速度的提高，表层温度逐渐提高至淬火温度，表层金属的金相组织发生变化，使残余拉应力的数值逐渐减小。高速切削时，表层金属的金相组织变化起主导作用，因而表层产生残余压应力。进给量增加时，残余应力的数值及扩展深度均随进给量的增加而增加。增加切削深度，残余应力也会随之稍有增加。

(2)     磨削加工影响残余应力的工艺因素  一般而言，工件材料的硬度越高、塑性越低、导热性能越差，则表面金属产生残余拉应力的倾向越大。磨削导热性能差的高强度合金钢时，表面层的残余拉应力很可能超过材料的强度极限，表面甚至会产生裂纹。

磨削用量是影响残余应力的首要因素。通过提高工件速度、减小磨削深度，均可减小残余应力。当磨削深度减小到一定程度，可获得较低残余应力的表面。而增大工件速度和进给速度，将使表面金属的塑性变形程度加剧，从而表层金属中产生残余拉应力的趋势减小，产生残余压应力的趋势增大。

磨削时，轻磨削条件下因没有金相组织变化，温度影响也很小，主要是塑性变形的影响在起作用，因而产生浅而小的残余压应力；中等磨削条件下，产生浅而大的拉应力；重磨条件下，如磨削淬火钢，则产生深而大的拉应力(最外表面可能出现小而浅的压应力)，是热态塑性变形和金相组织变化起主导作用。

3）零件加工后表面层的残余应力

在不同的条件下，表面层残余应力的可能所差别。例如：切削加工中，切削热不多时则以冷态塑性变形为主；若切削热多则以热态塑性变形为主。加工方法的不同，也可能某一种或两种因素占主导地位。如图6.4为三类磨削条件下产生的工件表面层残余应力。

(1) 精细磨削条件下产生浅而小的残余压应力，因为表层金属的金相组织没有变化，主要是塑性变形的影响起主导作用。

(2)精磨条件下则产生浅而大的拉应力。

(3)粗磨条件下产生深而大的拉应力，原因在于热态塑性变形和金相组织的变化影响占据主导作用。

4）零件加工后表面层的磨削裂纹的产生

当表面层存在残余应力时，可使工件的疲劳强度和耐磨性能提高；而表面层存在残余拉应力时，会使工件的疲劳强度和耐磨性能降低。当残余应力值超过材料的疲劳极限时，工件表面层就会出现磨削裂纹。

磨削裂纹一般很浅(约0.25~0.50mm)，基本垂直于磨削方向或呈网状。磨削裂纹的产生常与磨削烧伤同时出现。当零件加工表面层存在磨削烧伤和磨削裂纹时，将使零件的疲劳强度和使用寿命受到严重影响。因此，在磨削加工中应严格控制表面层残余拉应力，以免产生磨削裂纹。