二、表面质量概述
任何机械加工所得到的零件表面，实际上都不是完全理想的表面。实践表明，机械零件的破坏，一般总是从表面层开始的。机械零件的表面质量对零件的耐磨性、抗疲劳性以及耐蚀性等影响很大。这表明零件的表面质量是至关重要的，它对产品的质量有很大影响。随着用户对产品质量要求的不断提高，某些零件必须在高速、高温等特殊条件下工作，表面层的任何缺陷都会导致零件失效，因此机械加工表面质量问题显得更加突出和重要。
研究加工表面质量的目的，就是要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，以便应用这些规律控制加工过程，最终达到提高加工表面质量、提高产品使用性能的目的。
（一）加工表面质量的含义
加工表面质量包括两个方面的内容：零件经过机械加工后表面层的微观几何形状误差和表面层金属的力学物理性能和化学性能。
1.加工表面层的几何形状特征
零件加工后表面层的几何形状可用图4-3来描述。
图4-3 粗糙度和波度之间的关系示意图
（1）表面粗糙度。其波长与波高之比L3/H3＜50的称为表面粗糙度，表面粗糙度是加工表面的微观几何形状误差，理论上是刀尖划痕所形成的。
（2）波度。加工表面不平度中波长与波高之比L2/H2＝50～1 000的几何形状误差称为波度，它是由机械加工中的振动引起的。其中波长与波高之比L1/H1＞1 000的属于宏观几何形状误差，如平面度误差、圆度误差、圆柱度误差等。
（3）纹理方向。纹理方向是指表面刀纹的方向，取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。
（4）伤痕。伤痕是在加工表面上一些个别位置上出现的缺陷，如砂眼、气孔、裂痕等。
2.表面层金属的力学物理性能和化学性能
由于机械加工中力因素和热因素的综合作用，加工表面层金属的力学物理性能和化学性能将发生一定的变化，主要反映在以下几个方面。
（1）表面层金属的冷作硬化。表面层金属硬度的变化用硬化程度和深度两个指标来衡量。机械加工过程中表面层金属产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，塑性减小，统称为冷作硬化。在机械加工过程中，工件表面层金属都会有一定程度的冷作硬化，使表面层金属的显微硬度有所提高。一般情况下，硬度层的深度可达0．05～0．30mm；若采用滚压加工，硬化层的深度可达几毫米。
（2）表面层金属的金相组织变化。机械加工过程中，由于切削热的作用会使在工件的加工区域温度急剧升高，当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。例如，在磨削淬火钢件时，由于磨削热的影响会引起淬火钢的马氏体的分解，常出现回火烧伤、退火烧伤等金相组织变化，将严重影响零件的使用性能。
（3）表面层残余应力。机械加工过程中由于切削变形和切削热等因素的作用在工件表面层材料中产生的内应力，称为表面层残余应力。在铸、锻、焊、热处理等加工过程中产生的内应力与这里介绍的表面残余应力的区别在于：前者是在整个工件上平衡的应力，它的重新分布会引起工件的变形；后者则是在加工表面材料中平衡的应力，它的重新分布不会引起工件变形，但它对机器零件表面质量有重要影响。
（二）表面质量对机器零件使用性能的影响(https://www.daowen.com)
1.表面质量对耐磨性的影响
零件的耐磨性不仅与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关，而且还与摩擦副表面质量有关。
图4-4 表面粗糙度对耐磨性的影响
（1）表面粗糙度对耐磨性的影响。表面粗糙度值大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰间相互咬合、挤裂，使磨损加剧，表面粗糙度值越大越不耐磨；但表面粗糙度也不能太小，表面太光滑，因为存不住润滑油使接触面间容易发生分子黏接，也会导致磨损加剧。表面粗糙度对耐磨性的影响曲线如图4-4所示。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工况有关，载荷加大时，磨损曲线向上向右位移，最佳粗糙度值也随之右移。在一定条件下，摩擦副表面总是存在一个最佳表面粗糙度Ra（为0．32～1．25μm），表面粗糙度过大或过小都会使起始磨损量增大。
（2）表面纹理方向对零件耐磨性影响。在轻载运动副中，摩擦副两个表面的纹路方向与相对运动方向一致时耐磨性好，摩擦副两个表面的纹路方向与相对运动方向垂直时耐磨性差，这是因为摩擦副在相互运动中，切去了妨碍运动的加工痕迹。但在重载时，摩擦副两个表面的纹路方向与相对运动方向一致时却容易发生咬合，磨损量反而大；摩擦副两个表面的纹路方向相互垂直，且运动方向平行于下表面的刀纹方向，磨损量较小。
图4-5 表面冷硬程度与耐磨性的关系
（3）表面层金属的物理机械性能对耐磨性的影响。加工表面冷作硬化一般有利于提高耐磨性，其原因是冷作硬化提高了表面层的显微硬度，但是，并非硬化程度越高耐磨性越好，过度的冷作硬化会使表面层金属组织变的疏松，甚至出现裂纹，降低耐磨性，如图4-5所示。
2.表面质量对零件耐疲劳性的影响
表面粗糙度对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产生应力集中，出现疲劳裂纹，加速疲劳破坏。零件上容易产生应力集中的沟槽、圆角等处的表面粗糙度对疲劳强度的影响更大。图4-6表示表面粗糙度对疲劳强度的影响。减小零件的表面粗糙度，可以提高零件的疲劳强度。表面层残余应力对疲劳强度的影响极大，表面层残余压应力有利于提高零件的耐疲劳强度。零件表面存在一定的冷作硬化，可以阻碍表面疲劳裂纹的产生，缓和已有裂纹的扩展有利于提高疲劳强度；但冷作硬化强度过高时，可能会产生较大的脆性裂纹反而降低疲劳强度。所以适度的冷作硬化可以提高零件的疲劳强度。
3.表面质量对耐腐蚀性的影响
空气中所含的气体和液体与零件接触时会凝聚在零件表面上使表面腐蚀。零件表面粗糙度越大，加工表面与气体、液体接触面积越大，腐蚀作用就越强烈。加工表面的冷作硬化和残余应力，使表层材料处于高能位状态，有促进腐蚀的作用，一般都会降低零件表面的耐腐蚀性。所以，减小表面粗糙度，控制表面的加工硬化和残余应力，可以提高零件的抗腐蚀性能。
4.表面质量对配合质量的影响
对于间隙配合，表面粗糙度越大，磨损越严重，导致配合间隙增大，配合精度降低。对于过盈配合，装配时表面粗糙度较大部分的凸峰会被挤平，使实际的配合过盈量少，降低配合表面的结合强度。因此，配合精度要求较高的表面，应具有较小的表面粗糙度。
图4-6 表面粗糙度对耐疲劳性的影响
