1、机械加工质量,机械制造技术基础,6.1.1加工精度的概念,加工质量主要指机械加工精度和表面质量。加工精度是指零件在加工后的实际几何参数（尺寸、几何形状和表面相互位置）与理想零件的几何参数相符合的程度。其符合程度愈高，则加工精度愈高，反之，愈低。实际加工时不可能也没有必要把零件做得与理想零件完全一致，而总会有一定的偏差，即加工误差。只要这些误差在规定的范围内，即能满足机器使用性能的要求。加工误差是指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，所以，加工误差的大小反映了加工精度的高低。,6.1.2表面质量的概念,表面质量是指零件表面几何特征和物理力学性能。它主要有如下两方面内容：,6.1.3
2、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）表面粗糙度对零件耐磨性的影响 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。,二、表面质量对零件疲劳强度的影响,（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 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
3、作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响 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，残余拉应力容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则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、表面质量对零件耐腐蚀性能的影响,（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 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。因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。（2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 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
4、件耐腐蚀性。 (3) 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。,四、表面质量对零件工作精度的影响,（1）表面粗糙度对零件配合精度的影响 表面粗糙度较大，则降低了配合精度。（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。,6.2.1影响加工精度和表面质量的因素,机械加工中，机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统在完成任何一个加工过程中，都将有许多原始误差影响零件的加工精度。它们是机床的几何误差，包括微量进给误差、成形运动误差及磨损误差；工件的安装
5、误差；测量误差以及加工中各种力和切削热所引起的误差等。这些误差可分为两部分：一部分与工艺系统本身的结构和状态有关；一部分与切削过程有关。 按照这些误差的性质将其归纳为四个方面。 工艺系统的几何误差。包括加工方法的原理误差、机床的几何误差、调整误差、刀具和夹具的制造误差、工件的安装误差以及工艺系统磨损所引起的误差。 工艺系统受力变形所引起的误差。 工艺系统热变形所引起的误差。 工件内应力所引起的误差。包括零件的毛坯制造和切削加工中的内应力引起的误差。,6.2.1.1工艺系统的几何误差,一、原理误差原理误差是指由于采用了近似的加工方法、近似的成形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。例如滚齿用的齿轮滚
6、刀，就有两种误差，一是为了制造方便，采用阿基米德蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造形误差；二是由于滚刀切削刃数有限，切削是不连续的，因而滚切出的齿轮齿形不是光滑的渐开线，而是折线。 成形车刀、成形铣刀也采用了近似的刀具轮廓。 采用近似的成形运动和刀具刃形，不但可以简化机床或刀具的结构，而且能提高生产效率和加工的经济效益。,二、机床的几何误差,机床几何误差组成,1、主轴回转误差,（1）机床主轴回转误差的概念主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线（一般用平均回转轴线来代替）产生的偏移量。实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。由于主轴实际回转轴线在空间的位置是在不断变化的，由上述三种运动
7、所产生的位移（即误差）是一个瞬时值。,主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响,镗削加工：镗刀回转，工件不转 假设由于主轴的纯径向跳动而使轴线在y坐标方向作简谐运动，其频率与主轴转速相同，简谐幅值为A； 则: Y = Acos （ t） 且主轴中心偏移最大（等于A）时，镗刀尖正好通过水平位置1处。当镗刀转过一个角时（位置1），刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分别计算得：y=Acos+Rcos=(A+R)cosZ=Rsin将上两式平方相加得:表明此时镗出的孔为椭圆形。,镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响,车床加工：工件回转，刀具移动假设主轴轴线沿y轴作简谐运动，在工件的1处（主轴中心偏移最大之处）切
8、出的半径比在工件的2、4处切出的半径小一个幅值A；在工件的3处切出的半径比在工件的2、4处切出的半径大一个幅值A。这样，上述四点工件的直径都相等，其它各点直径误差也很小，所以车削出的工件表面接近于一个真圆。 Y2+Z2=R2+A2Sin2由此可见，主轴的纯径向跳动对车削加工工件的圆度影响很小。,车削时纯径向跳动对加工精度的影响,轴向窜动对车、镗削加工精度的影响,主轴的轴向窜动对内、外圆的加工精度没有影响，但加工端面时，会使加工的端面与内外圆轴线产生垂直度误差。主轴每转一周，要沿轴向窜动一次，使得切出的端面产生平面度误差（图）。当加工螺纹时，会产生螺距误差。,主轴轴向窜动对端面加工精度的影响,角
9、度摆动对车、镗削加工精度的影响,主轴纯角度摆动对加工精度的影响，取决于不同的加工内容。车削加工时工件每一横截面内的圆度误差很小，但轴平面有圆柱度误差（锥度）。车外圆：得到圆形工件，但产生圆柱度误差（锥体）车端面：产生平面度误差镗孔时，由于主轴的纯角度摆动使得主轴回转轴线与工作台导轨不平行，使镗出的孔呈椭圆形，如图所示。,主轴纯角度摆动对镗孔精度的影响,2、机床导轨误差,机床导轨是机床中确定某些主要部件相对位置的基准，也是某些主要部件的运动基准。,现以卧式车床为例，说明导轨误差是怎样影响工件的加工精度的。,（1）导轨在水平面内直线度误差的影响,当导轨在水平面内的直线度误差为y时（图）,引起工件在
10、半径方向的误差为：R=y由此可见：床身导轨在水平面内如果有直线度误差，使工件在纵向截面和横向截面内分别产生形状误差和尺寸误差。当导轨向后凸出时，工件上产生鞍形加工误差；当导轨向前凸出时，工件上产生鼓形加工误差。,(2)导轨在垂直面内直线度误差,导轨在垂直面内直线度误差的影响,床身导轨在垂直面内有直线度误差，会引起刀尖产生切向位移Z，造成工件在半径方向产生的误差为：设：Z=Y=0.01mm ，R=50mm ， 则由于法向原始误差而产生的加工误差 R= Y =0.01mm, 由于切向原始误差产生的加工误差 R =0.000001mm 此值完全可以忽略不计，因此该误差对工件的尺寸精度和形状精度影响甚
11、小。,结论：,原始误差引起工件相对于刀具产生相对位移，若产生在加工表面法向方向（误差敏感方向），对加工精度有直接影响；产生在加工表面切向方向（误差非敏感方向） ，可忽略不计。,（3）前后导轨平行度误差的影响,床身前后导轨有平行度误差（扭曲）时，会使车床溜板在沿床身移动时发生偏斜，从而使刀尖相对工件产生偏移，使工件产生形状误差（鼓形、鞍形、锥度）。,3、机床传动链误差,在车螺纹、插齿、滚齿等加工时，刀具与工件之间有严格的传动比要求。要满足这一要求，机床内联系传动链的误差必须控制在允许的范围内。,三、调整误差,机械加工中存在着很多工艺系统的调整问题，由于任何一次调整工作不可能绝对准确，所以存在误差
12、。这种误差称为调整误差。 引起调整误差的因素很多，例如调整时所用的刻度盘、行程机构的精度以及与他们配合使用的离合器、电器开关、控制开关等的灵敏度。,四、刀具夹具的制造误差及工件的安装误差,机械加工中常用的刀具有：一般刀具、定尺寸刀具及成形刀具。一般刀具（如车刀、镗刀、铣刀等）的制造误差对加工精度没有直接的影响。定尺寸刀具（如钻头、绞刀、拉刀及槽铣等）的尺寸误差直接影响被加工零件的尺寸精度。同时刀具的工作条件，如机床主轴的跳动因刀具安装不当引起的径向或端面圆跳动等都会使加工面的尺寸扩大。成形刀具（如成形刀、成形铣刀以及齿轮滚刀等）的误差主要影响被加工面的形状精度。 夹具的制造误差一般是指定位元件
13、、导向元件及夹具体等零件的加工和装配误差。 工件的安装误差，包括工件的定位误差和夹紧误差。,五、工艺系统磨损所引起的误差,机床在长期使用中，由于各部件的结构、工作条件和维护情况等各方面的不同，形成各表面间不同程度的磨损。这些磨损必将扩大机床的原始误差，影响零件的各项加工精度。 夹具和量具使用中的磨损，将会引起工件的定位误差和测量误差。 刀具的磨损，会直接影响刀具相对被加工表面的位置，造成一批零件的尺寸误差。长的轴类零件，由于刀具的磨损还会造成形状误差。,6.2.1.2工艺系统受力变形引起的加工误差,一、工艺系统的刚度,工艺系统刚度的概念,工艺系统的刚度，是以系统中各个环节的刚度来进行计算的。,
14、2. 机床部件刚度特点,机床结构复杂，组成的零部件多，各零部件之间有不同的联接和运动方式，因而机床部件的刚度问题就比较复杂。它的计算至今还没有合适的方法，需要通过实验来测定。 图为单向加载时车床刚度测定示意图。主轴部件、尾座及刀架的变形可分别从千分表2、3和6读出。 这种方法测得的y方向位移是背向力Fp作用下引起的变形。,图 单向静载测定车床刚度 1心轴 2、3、6千分表 4测力环 5螺旋加力器,车床刀架部件的刚度曲线,一次加载 二次加载 三次加载,（1）机床部件刚度的特点,1） 背向力Fp与刀架变形ydj不是线性关系。2） 加载曲线与卸载曲线不重合。3） 加载曲线与卸载曲线不封闭（卸载后 由
15、于存在残余变形，曲线回不到原点）。4）部件的实际刚度远比按实体结构的估计 值小。,（2）影响机床部件刚度的因素,连接表面间的接触变形（图示） 薄弱零件本身的影响（图） 接合面间的间隙 接合面间摩擦力的影响,两零件结合面间的接触情况,机床部件刚度的薄弱环节,a) 溜板中的楔铁 b) 轴承套,二、工艺系统受力变形对加工精度的影响,1、切削力作用位置变化引起的加工误差,工艺系统受力变形随切削位置而变化,根据材料力学的挠度计算公式，其切削点工件的变形量为：从上式的计算结果和车削的实际情况都可证实，切削后的工件呈鼓形，其最大直径在通过轴线中点的横截面内。,刚度变化造成工件误差,1理想的工件形状；2k头k
16、尾时车出的工件形状,2、切削力大小变化引起的加工误差（误差复映）,毛坯形状误差复映,切削过程中，由于毛坯加工余量和材料硬度的变化，引起切削力和工艺系统受力变形的变化，因而产生了工件的尺寸误差和形状误差。这种切削力的变化引起的工件加工误差，可用误差复映规律进行分析。,由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映到工件上，此种现象称为“误差复映”。,设毛坯最大背吃刀量为ap1，最小背吃刀量为ap2，则毛坯误差m ap1 ap2。根据金属切削原理，在一定的切削条件下，切削力与背吃刀量成正比，即：,工艺系统变形为：,则工件误差为：,误差复映系数。 一般机床的刚度K都比较大，所以误差复映系数是一个很小的数。
17、也就是说，复映误差要大大小于毛坯的误差。上述公式也说明，通过多次加工就可以逐步消除复映误差的影响。,五、减小工艺系统受力变形的措施,6.2.1.3工艺系统热变形引起的加工误差,（一）概 述工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形，从而破坏工件与刀具间正确的相对位置，造成加工误差。据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%70%。工艺系统的热变形不仅严重地影响加工精度，而且还影响加工效率的提高。实现数控加工后，加工误差不能再由人工进行补偿，全靠机床自动控制，因此热变形的影响就显得特别重要。工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的一个重大研究课题。,（二）机床热变形对加工精度的
18、影响,机床热变形会使机床的静态几何精度发生变化而影响加工精度，其中主轴部件、床身、导轨、立柱、工作台等部件的热变形，对加工精度影响最大。 各类机床其结构、工作条件及热源形式均不相同，因此机床各部件的温升和热变形情况是不一样的。1、车、铣、钻、镗类机床：主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热、润滑油发热。 2、龙门刨床、牛头刨床、立式车床类机床导轨副的摩擦热 3、各种磨床砂轮主轴轴承的发热和液压系统的发热,（三）工件热变形对加工精度的影响,工件均匀受热在精密丝杆加工中，工件的热伸长会产生螺距的累积误差。在较长的轴类零件加工中，将出现锥度误差。2. 工件不均匀受热在刨削、铣削、磨削加工平面时，工件单面受热，
19、上下平面间产生温差，导致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生了中凹，造成了几何形状误差。,（四）刀具热变形对加工精度的影响,刀具产生热变形的主要热源是切削热。刀具受热的伸长量可以达003005mm。刀具伸长影响加工精度，对加工中小零件来说一般只影响其尺寸精度，加工长轴外圆等会影响其形状精度。刀具能够迅速达到热平衡，而刀具的磨损又能与刀具受到伸长进行部分的补偿，故刀具变形对加工精度的影响并不显著。,（五）减少工艺系统热变形的主要途径,从结构设计上采取的技术措施 热对称结构设计有利于减少机床热变形。工艺上采取的技术措施 保持恒定温度，采用强制冷却等工艺措施的实施有利于减
20、少热变形及其对加工精度的影响。,6.2.1.4工件的内应力变形,1、毛坯制造中产生的残余应力 在铸造、锻造、焊接及热处理过程中，由于工件各部分冷却收缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，在毛坯内部就会产生残余应力。毛坯的结构越复杂，各部分壁厚越不均匀以及散热条件相差越大，毛坯内部产生的残余应力就越大。具有残余应力的毛坯，其内部应力暂时处于相对平衡状态，虽在短期内看不出有什么变化，但当加工时切去某些表面部分后，这种平衡就被打破，内应力重新分布，并建立一种新的平衡状态，工件明显地出现变形。,铸件残余应力引起的变形,2、冷校直引起的残余应力 在外力F的作用下，工件内部的应力重新分布，如图b所示，在轴
21、心线以上的部分产生压应力（用负号表示），在轴心线以下的部分产生拉应力（用正号表示）。在轴心线和两条虚线之间，是弹性变形区域，在虚线以外是塑性变形区域。当外力F去除后，弹性变形本可完全恢复，但因塑性变形部分的阻止而恢复不了，使残余应力重新分布而达到平衡，如图c所示。对精度要求较高的细长轴（如精密丝杠），不允许采用冷校直来减小弯曲变形，而采用加大毛坯余量，经过多次切削和时效处理来消除内应力，或采用热校直。,3、切削加工中引起的残余应力 工件在切削加工时，其表面层在切削力和切削热的作用下，会产生不同程度的塑性变形，引起体积改变，从而产生残余应力。这种残余应力的分布情况由加工时的工艺因素决定。内部有残
22、余应力的工件在切去表面的一层金属后，残余应力要重新分布，从而引起工件的变形。在拟定工艺规程时，要将加工划分为粗、精等不同阶段进行，以使粗加工后内应力重新分布所产生的变形在精加工阶段去除。对质量和体积均很大的笨重零件，即使在同一台重型机床进行粗精加工也应该在粗加工后将被夹紧的工作松开，使之有充足时间重新分布内应力，在使其充分变形后，然后重新夹紧进行精加工。,4、减小或消除内应力的技术措施,合理设计零件结构。在零件结构设计中，应尽量缩小零件各部分厚度尺寸之间的差异，以减小铸、锻件毛坯在制造中产生的应力。 采取时效处理。对精密零件实施自然时效处理，其余类型零件实施人工时效处理或振动时效处理，可减小或
23、消除内应力。,6.2.2 表面质量的影响因素分析,6.2.2.1影响表面粗糙度的因素（一）切削加工表面粗糙度1、几何因素刀尖圆弧半径r、主偏角kr、副偏角kr、进给量f,车削、刨削时残留面积高度,2、物理力学因素（1）工件材料的影响塑性材料：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。（2）切削速度的影响（3）其它因素的影响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
24、效地减小表面粗糙度值。,（二）磨削加工表面粗糙度,（1）砂轮的磨粒 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。（2）砂轮修整（3）磨削用量砂轮转速越高，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。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。工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大。砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。,机械加工中的振动,一、振动对机械加工的影响振动会在工件加工表面出现振纹，降低了
25、工件的加工精度和表面质量； 振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损；振动使机床连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床丧失精度； 强烈的振动及伴随而来的噪声，还会污染环境，危害操作者的身心健康。为减小加工过程中的振动，有时不得不降低切削用量，使机械加工生产率降低。,二、机械加工中振动的种类及其主要特点,6.3提高加工精度和表面质量的途径,6.3.1提高加工精度的途径一、查明原因直接消除查明产生加工误差的主要因素后，设法对其直接进行消除或减弱，如细长轴加工用跟刀架会导致工件弯曲变形，现采用反拉法切削工件受拉不受压不会因偏心压缩而产生弯曲变形,反拉法切削细长轴 a) 正向进给 b)
26、 反向进给,二、误差补偿法误差补偿法是人为地造出一种新的原始误差，去抵消原来工艺系统中存在的原始误差，尽量使两者大小相等、方向相反而达到使误差抵消得尽可能彻底的目的。,通过导轨凸起补偿横梁变形,三、误差分组法误差分组法是把毛坯或上工序加工的工件尺寸经测量按大小分为n组，每组尺寸误差就缩减为原来的1/n。然后按各组的误差范围分别调整刀具位置，使整批工件的尺寸分散范围大大缩小。四、误差转移法误差转移法就是把原始误差从误差敏感方向转移到误差的非敏感方向。例如转塔车床的转位刀架采用“立刀”安装法; 利用镗模进行镗孔，主轴与镗杆浮动联接。五、就地加工法全部零件按经济精度制造，然后装配成部件或产品，且各零
27、部件之间具有工作时要求的相对位置，最后以一个表面为基准加工另一个有位置精度要求的表面，实现最终精加工，这就是“就地加工”法，也称自身加工修配法。六、误差平均法误差平均法就是利用有密切联系的表面之间的相互比较和相互修正或者利用互为基准进行加工，以达到很高的加工精度。七、积极控制法积极控制法的特点是能在加工循环中利用测量装置连续地测出工件实际尺寸，随时给刀具以附加的补偿量以控制刀具和工件间的相对位置，直至实际值与调定值的差值不超过公差为至。,6.3.2提高表面质量的途径,一、控制磨削参数二、采用超精加工、珩磨等光整加工方法作为终加工工序三、采用喷丸、滚压、辗光等强化工艺,6.3机械加工误差的统计分析,在生产中，误差性质的判别应根据工件的实际加工情况决定。在不同的生产场合，误差的表现性质会有所不同，原属于常值系统性的误差有时会变成随机性误差。 例如：对一次调整中加工出来的工件来说，调整误差是常值误差，但在大量生产中一批工件需要经多次调整，则每次调整时的误差就是随机误差了。,二、加工误差的统计分析方法,加工误差的统计分析法就是以生产现场对工件进行实际测量所得的数据为基础，应用数理统计的方法，分析一批工件的情况，从而找出产生误差的原因以及误差性质，以便提出解决问题的方法。 在机械加工中，经常采用的统计分析法主要有分布图分析法和点图分析法。,
