第五章 机械加工表面质量工艺工程系
一、机械加工表面质量的含义
机械加工后的表面，总存在一定的微观几何形状的偏差，表面层的物理力学性能也发生变化。因此，机械加工表面质量包括加工表面的几何特征和表面层物理力学性能两个方面的内容。
( 一 ) 加工表面的几何特征
加工表面的微观几何特征主要包括表面粗糙度和表面波度两部分组成
1,表面粗糙度 表面粗糙度主要是由刀具的形状以及切削过程中塑性变形和振动等因素引起的，它是指已加工表面的微观几何形状误差。
2,表面波度 主要是由加工过程中工艺系统的低频振动引起的周期性形状误差介于形状误差（ L 1/H 1﹥ 1000）与表面粗糙度（ L 3/H
3﹤ 50）之间。
( 二 )加工表面层的物理力学性能
表面层的物理力学性能包括表面层的加工硬化、残余应力和表面层的 金相组织变化。
1,表面层的加工硬化
表面层的加工硬化一般用硬化层的深度和硬化程度 N来评定：
N= [ （ H-H 0 ） / H 0]× l00％
式中 H —— 加工后表面层的显微硬度； H 。 —— 原材料的显微硬度。
2,表面层金相组织的变化
在加工过程 (特别是磨削 )中的高温作用下，工件表层温度升高，当温度超过材料的相变临界点时，就会产生金相组织的变化，大大降低零件使用性能，这种变化包括晶粒大小、形状、析出物和再结晶等。金 相组织的变化主要通过显微组织观察来确定。
3,表面层残余应力
在加工过程中，由于塑性变形、金相组织的变化和温度造成的体积变 化的影响,表面层会产生残余应力。 目前对 残余应力的判断大多是定性的,它对零件使用性能的影响大小取决于它的方向、大小和分布状况。
二、表面完整性
（一）表面形貌 主要描述加工后零件的几何特征，它包括表面粗糙度、
表面波度和纹理等。
（二）表面缺陷
它是指加工表面上出现的宏观裂纹、伤痕和腐蚀现象等，对零件的使用有很大影响。
（三）微观组织和表面层的冶金化学性能
主要包括微观裂纹、微观组织变化及晶间腐蚀等。
（四）表面层物理力学性能
主要包括表面层硬化深度和程度、表面层残余应力的大小、分布。
（五）表面层的其他工程技术特征
主要包括摩擦特性、光的反射率、导电性和导磁性等。
影响加工表面粗糙度的因素及改善措施
一、切削加工中影响表面粗糙度的因素
1、是刀刃和工件相对运动轨迹所形成的残留面积 —— 几何因素；
2、是加工过程中在工件表面产生的塑性变形、积屑瘤、
鳞刺和振动等物理因素；
3、是与加工工艺相关的工艺因素。
二,降低表面粗糙度值的工艺措施
由于表面粗糙度的成因与切削刀具之间的特殊关系，现就切削加工和磨削加工分别叙述降低表面粗糙度值的工艺措施。
1．选择合理的切削用量
2,选择合理的刀具几何参数
3.改善工件材料的性能
4.选择合适的切削液
5.选择合适的刀具材料
6.防止或减小工艺系统振动
三、磨削加工中影响表面粗糙度的因素及其改善的工艺措施
1.磨削用量
2.砂轮
（ 1）选择适当粒度的砂轮
（ 2）精细修整砂轮工作表面
影响加工表面物理力学性能的因素
一、加工表面层的冷作硬化
( 一 )影响表面层冷作硬化的因素
刀具,切削用量,被加工材料
( 二 )减少表面层冷作硬化的措施
1,合理选择刀具的几何参数，采用较大的前角和后角，并在刃磨时尽量减小其切削刃口圆角半径；
2,使用刀具时，应合理限制其后刀面的磨损程度；
3,合理选择切削用量，采用较高的切削速度和较小的进给量；
4,加工时采用有效的切削液。
二、表面层的金相组织变化
（一）影响表面层的金相组织变化的因素
回火烧伤,淬火烧伤,退火烧伤
（二）防止磨削烧伤的工艺措施
1,合理选择磨削用量
2,合理选择砂轮并及时修整
3,改善冷却方法
三、表面层的残余应力
工件经机械加工后，其表面层都存在残余应力。
残余压应力可提高工件表面的耐磨性和受拉应力时的疲劳强度，残余拉应力的作用正好相反。
若拉应力值超过工件材料的疲劳强度极限时，
则使工件表面产生裂纹，加速工件的损坏。引起残余应力的原因有以下三个方面：
( 一 )冷塑性变形引起的残余应力
( 二 )热塑性变形引起的残余应力
( 三 )金相组织变化引起的残余应力
振动对机械加工过程的影响
机械加工过程中，工艺系统常常会发生振动，即在工件和刀具的切削刃之间，除了名义上的切削运动外，还会出现一种周期性的相对运动。产生振动时，工艺系统的正常切削过程便受到干扰和破坏，从而使零件加工表面出现振纹，降低了零件的加工精度和表面质量，频率低时产生波度，频率高时产生微观不平度。强烈的振动会使切削过程无法进行，
甚至造成刀具,崩刃,。为此，常被迫降低切削用量，致使机床、刀具的工作性能得不到充分的发挥，限制了生产率的提高。振动还影响刀具的耐用度和机床的寿命，发出噪声，
恶化工作环境，影响工人健康。
振动按其产生的原因来分类有三种：自由振动、受迫振动和自激振动。
自激振动的特点
1,自激振动是一种不衰减的振动。振动过程本身能引起周期性变化的力，此力可从非交变特性的能源中周期性地获得能量的补充，以维持这个振动。
2,自激振动频率等于或接近系统的固有频率，即由系统本身的参数决定。
3,自激振动振幅大小取决于每一振动周期内系统获得的能量与消耗能量的比值。当获得的能量大于消耗的能量时，则振幅将不断增加，一直到两者能量相等为止。反之振幅将不断减小。
当获得的能量小于消耗的能量时，自激振动也随之消失。
控制自激振动的途径
1,合理选择切削用量
2,合理选择刀具几何角度
3,提高工艺系统抗振性
4,采用减振装置
5,合理调整振型的刚度比
一、机械加工表面质量的含义
机械加工后的表面，总存在一定的微观几何形状的偏差，表面层的物理力学性能也发生变化。因此，机械加工表面质量包括加工表面的几何特征和表面层物理力学性能两个方面的内容。
( 一 ) 加工表面的几何特征
加工表面的微观几何特征主要包括表面粗糙度和表面波度两部分组成
1,表面粗糙度 表面粗糙度主要是由刀具的形状以及切削过程中塑性变形和振动等因素引起的，它是指已加工表面的微观几何形状误差。
2,表面波度 主要是由加工过程中工艺系统的低频振动引起的周期性形状误差介于形状误差（ L 1/H 1﹥ 1000）与表面粗糙度（ L 3/H
3﹤ 50）之间。
( 二 )加工表面层的物理力学性能
表面层的物理力学性能包括表面层的加工硬化、残余应力和表面层的 金相组织变化。
1,表面层的加工硬化
表面层的加工硬化一般用硬化层的深度和硬化程度 N来评定：
N= [ （ H-H 0 ） / H 0]× l00％
式中 H —— 加工后表面层的显微硬度； H 。 —— 原材料的显微硬度。
2,表面层金相组织的变化
在加工过程 (特别是磨削 )中的高温作用下，工件表层温度升高，当温度超过材料的相变临界点时，就会产生金相组织的变化，大大降低零件使用性能，这种变化包括晶粒大小、形状、析出物和再结晶等。金 相组织的变化主要通过显微组织观察来确定。
3,表面层残余应力
在加工过程中，由于塑性变形、金相组织的变化和温度造成的体积变 化的影响,表面层会产生残余应力。 目前对 残余应力的判断大多是定性的,它对零件使用性能的影响大小取决于它的方向、大小和分布状况。
二、表面完整性
（一）表面形貌 主要描述加工后零件的几何特征，它包括表面粗糙度、
表面波度和纹理等。
（二）表面缺陷
它是指加工表面上出现的宏观裂纹、伤痕和腐蚀现象等，对零件的使用有很大影响。
（三）微观组织和表面层的冶金化学性能
主要包括微观裂纹、微观组织变化及晶间腐蚀等。
（四）表面层物理力学性能
主要包括表面层硬化深度和程度、表面层残余应力的大小、分布。
（五）表面层的其他工程技术特征
主要包括摩擦特性、光的反射率、导电性和导磁性等。
影响加工表面粗糙度的因素及改善措施
一、切削加工中影响表面粗糙度的因素
1、是刀刃和工件相对运动轨迹所形成的残留面积 —— 几何因素；
2、是加工过程中在工件表面产生的塑性变形、积屑瘤、
鳞刺和振动等物理因素；
3、是与加工工艺相关的工艺因素。
二,降低表面粗糙度值的工艺措施
由于表面粗糙度的成因与切削刀具之间的特殊关系，现就切削加工和磨削加工分别叙述降低表面粗糙度值的工艺措施。
1．选择合理的切削用量
2,选择合理的刀具几何参数
3.改善工件材料的性能
4.选择合适的切削液
5.选择合适的刀具材料
6.防止或减小工艺系统振动
三、磨削加工中影响表面粗糙度的因素及其改善的工艺措施
1.磨削用量
2.砂轮
（ 1）选择适当粒度的砂轮
（ 2）精细修整砂轮工作表面
影响加工表面物理力学性能的因素
一、加工表面层的冷作硬化
( 一 )影响表面层冷作硬化的因素
刀具,切削用量,被加工材料
( 二 )减少表面层冷作硬化的措施
1,合理选择刀具的几何参数，采用较大的前角和后角，并在刃磨时尽量减小其切削刃口圆角半径；
2,使用刀具时，应合理限制其后刀面的磨损程度；
3,合理选择切削用量，采用较高的切削速度和较小的进给量；
4,加工时采用有效的切削液。
二、表面层的金相组织变化
（一）影响表面层的金相组织变化的因素
回火烧伤,淬火烧伤,退火烧伤
（二）防止磨削烧伤的工艺措施
1,合理选择磨削用量
2,合理选择砂轮并及时修整
3,改善冷却方法
三、表面层的残余应力
工件经机械加工后，其表面层都存在残余应力。
残余压应力可提高工件表面的耐磨性和受拉应力时的疲劳强度，残余拉应力的作用正好相反。
若拉应力值超过工件材料的疲劳强度极限时，
则使工件表面产生裂纹，加速工件的损坏。引起残余应力的原因有以下三个方面：
( 一 )冷塑性变形引起的残余应力
( 二 )热塑性变形引起的残余应力
( 三 )金相组织变化引起的残余应力
振动对机械加工过程的影响
机械加工过程中，工艺系统常常会发生振动，即在工件和刀具的切削刃之间，除了名义上的切削运动外，还会出现一种周期性的相对运动。产生振动时，工艺系统的正常切削过程便受到干扰和破坏，从而使零件加工表面出现振纹，降低了零件的加工精度和表面质量，频率低时产生波度，频率高时产生微观不平度。强烈的振动会使切削过程无法进行，
甚至造成刀具,崩刃,。为此，常被迫降低切削用量，致使机床、刀具的工作性能得不到充分的发挥，限制了生产率的提高。振动还影响刀具的耐用度和机床的寿命，发出噪声，
恶化工作环境，影响工人健康。
振动按其产生的原因来分类有三种：自由振动、受迫振动和自激振动。
自激振动的特点
1,自激振动是一种不衰减的振动。振动过程本身能引起周期性变化的力，此力可从非交变特性的能源中周期性地获得能量的补充，以维持这个振动。
2,自激振动频率等于或接近系统的固有频率，即由系统本身的参数决定。
3,自激振动振幅大小取决于每一振动周期内系统获得的能量与消耗能量的比值。当获得的能量大于消耗的能量时，则振幅将不断增加，一直到两者能量相等为止。反之振幅将不断减小。
当获得的能量小于消耗的能量时，自激振动也随之消失。
控制自激振动的途径
1,合理选择切削用量
2,合理选择刀具几何角度
3,提高工艺系统抗振性
4,采用减振装置
5,合理调整振型的刚度比
