机械制造技术基础第7章.ppt

1、机械加工质量机械加工质量第七章第七章机械加工质量机械加工质量7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度7.2 7.2 机械加工表面质量机械加工表面质量7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 7.1.1 7.1.1 机械加工精度机械加工精度 7.1.1.1 机械加工精度概念 机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和相互位置）与理想几何参数的符合程度,工件的加工精度包括尺寸精度、几何形状精度和相互位置精度等三个方面。实际几何参数与理想几何参数的偏离程度称为加工误差,加工误差越小，加工精度就越高。7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 7.1.2 7.1.2 影响机械加工精度的因素影

2、响机械加工精度的因素 机械加工中，工件和刀具装夹在机床上，由机床提供运动和动力实现切削加工，这样，机床-夹具-刀具-工件就构成了一个系统，这个系统称为工艺系统。由于工艺系统各种原始误差的存在，使工件与刀具之间正确的几何关系遭到破坏而产生加工误差。按照误差产生的原因，分三种情况讨论工艺系统对机械加工精度的影响。7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 7.1.2.1 工艺系统几何误差对加工精度的影响（1）加工原理误差 加工原理误差是由于采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓等进行加工而产生的误差。如用成型刀具加工复杂的曲线表面时，刀具刃口完全符合理论曲线的轮廓相当困难，所以往往采用圆弧、直线等简单

3、的线型近似逼近曲线的轮廓。如用模数铣刀加工齿轮，为了减少生产中铣刀的数量，实际上只用一套（826把）模数铣刀来分别加工在一定齿数范围内的所有齿轮，由于每把铣刀均是按一种模数的一种齿数设计和制造的，因而用其来加工其他齿数的齿轮时，就会产生齿形的原理误差。7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度（2）机床的几何误差 机床的制造误差、安装误差、使用中的磨损等都会在加工中直接影响刀具与工件的相互位置精度，造成加工误差。一般情况下，只能用一定精度的机床加工一定精度的工件。机床的几何误差主要包括：主轴回转误差、导轨导向误差和传动链误差。主轴回转误差 主轴回转误差即指主轴实际回转轴线相对理论回转轴线的“漂移

4、”。主轴回转误差可分为三种基本形式:轴向窜动、径向窜动和角度摆动，如图7-1所示。7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 图7-1 主轴回转误差的基本形式 7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 导轨导向误差 机床导轨副是实现直线运动的主要部件，其制造和装配精度是影响直线运动精度的主要因素。对机床导轨的精度要求，主要有以下三个方面：在水平面内的直线度；在垂直面内的直线度；前后导轨的平行度。导轨在水平面内直线度误差的影响如图7-2所示。在车削较短的零件时影响较小，若车削细长轴，这一误差将明显地反映到工件上，工件将产生鞍形或鼓形加工误差。7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度图7-2 车床导

5、轨在水平面内直线度误差引起的加工误差1-截平面 2-导轨 3-理想的导轨交线 4-导轨实际交线 5-假想工件尺寸 6-车刀7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 导轨在垂直面内直线度误差的影响如图7-3所示，同样会引起刀尖在切削行程内位置变化 ，而工件在半径方向的误差 ，影响较小，可忽略不计。但对龙门刨床、龙门铣床及导轨磨床来说，导轨在垂直面内的直线度误差将直接反映到工件上。图7-3 床身导轨在垂直面内有直线度引起的误差7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 导轨面间平行度误差的影响如图7-4所示，这类误差会使车床床鞍在沿床身移动时发生倾斜,从而使刀尖相对于工件产生偏移,进而影响加工精度，

6、加工出的零件形状可能为鼓形、鞍形或呈锥度等。图7-4 车床导轨面间的平行度误差7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 机床的传动链误差 对于某些加工方法,为保证工件的加工精度,要求工件和刀具间必须有准确的传动关系。若传动链存在误差，将直接影响最后的加工精度。另外,刀具误差、夹具误差及工件的定位误差等也对工件的加工精度产生影响。7.1.2.2 工艺系统的力效应对加工精度的影响 在切削加工中，工艺系统的各个组成元件，在切削力、夹紧力、传动力、重力、惯性力等外力作用下会产生相应的变形（弹性变形和塑性变形），这种变形将使工件和刀具相对位置发生变化，从而产生加工误差。（1）工艺系统刚度 工艺系统的刚度

7、 定义为：零件加工表面法向分力 与刀具在切削力作用下，相对工件在该方向的位移 的比值，即 工艺系统的总变形量应是：而 =式中 _工艺系统的总变形量（mm）；_工艺系统的总刚度（N/mm）；_机床变形量（mm）；_机床刚度（N/mm）；_夹具变形量（mm）；_夹具刚度（N/mm）；_刀具变形量（mm）；_刀具刚度（N/mm）；_工件变形量（mm）；_工件刚度（N/mm）；7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 所以，工艺系统刚度一般式为：因此，当知道工艺系统各个部分的刚度后，即可求出系统刚度。用刚度一般式求解某一系统刚度时，应根据具体情况进行分析。如车削

8、外圆时，车刀本身在切削力作用下的变形对加工误差的影响很小，可忽略不计，此时计算式中可省去刀具刚度一项。7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度（2）误差复映 在切削加工中，由于工件毛坯加工余量或材料硬度的变化，会引起切削力和工艺系统受力变形的变化，因而使工件产生加工误差。图7-5 零件形状误差的复映7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 图7-5所示为车削一个有圆度误差的毛坯，将刀尖调整到要求的尺寸（图中的双点划线圆），在工件转动一圈的过程中，刀具的切削深度在发生变化，当车刀车至毛坯椭圆长半轴时为最大切削深度 ，车至椭圆短半轴时为最小切削深度 ，其余在椭圆长、短半轴之间切削，切削深度介于 和

9、 之间。因此，切削力也随着切削深度的变化由 变化到 。根据前面的分析，工艺系统将产生相应的变形，即由 变到 （刀尖相对于工件产生 到 的位移），这样就形成了被加工表面的圆度误差，这种现象称为“误差复映”。一般工艺系统刚度越高，复映在工件上的误差就越小,所以要减少工件的复映误差，可通过增加工艺系统的刚度或减少径向切削力系数（如增大主偏角、减小进给量）来实现。7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 另外，夹紧力、重力、惯性引起的离心力等也都将不同程度的造成工件的加工误差 7.1.2.3 工艺系统热变形对加工误差的影响 在机械加工过程中，工艺系统在各种热源的影响下，会产生复杂的变形，从而破坏工件与

10、刀具间的相对位置关系和相对运动的准确性，造成加工误差。（1）机床热变形及其对加工精度的影响 图7-6所示为车床在工作状态下的热变形。由于主轴箱的热变形，导致主轴轴心线抬高，同时还发生倾斜。导轨也因为热变形而产生弯曲，结果造成车床前后顶尖连心线与导轨不平行。7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 图7-6 车床的热变形7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度（2）工件热变形及其对加工精度的影响 在切削加工中，工件的热变形主要是切削热引起的，有些大型精密零件同时还受环境温度的影响。轴类零件在车削或磨削时，一般是均匀受热，温度逐渐升高，其直径也逐渐胀大，胀大部分将被刀具切去，待工件冷却后则形成圆柱

11、度和直径尺寸的误差。细长轴在双顶尖间车削时，热变形使工件伸长，将导致工件的弯曲变形，加工后产生圆柱度误差。（3）刀具热变形引起的加工误差 切削热虽然大部分被切屑带走或传入工件，传给刀具的热量只占很小部分，但因刀具切削部分体积小、热容量小，所以还是有相当大的温升和热变形，对加工精度的影响不容忽视。7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 7.1.2.4 提高加工精度的工艺措施 根据生产实际情况,可采取以下几个方面的措施提高工件的加工精度:（1）直接减少误差法 直接减少误差法是在生产中应用较广的一种基本方法,它是在查明产生加工误差的主要因素之后,设法对其直接消除或减少。如车削细长轴时，由于受力和热

12、的影响，使工件产生弯曲变形，如图7-7（a）所示。工件弯曲变形后，在高速回转下，由于离心力的作用，加剧了弯曲变形，并引起振动。工件在切削热的作用下必然产生热伸长，若卡盘和尾座顶尖之间的距离是固定的，则工件在轴向没有伸缩的余地，因此产生会轴向力，将加剧工件的弯曲变形。7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 可以采取如下措施以减少上述原始误差：采取反向进给的切削方法，如图7-7（b）所示。图7-7 顺向进给和反向进给车削细长轴的比较 7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度 采用大进给量反向切削和大的主偏角车刀，以增大轴向力，工件在较大的轴向力的拉伸作用下，还能消除颤动，使切削更加平稳。在卡盘一

13、端的工件上车出一个直径 （D为工件坯料的直径）缩径部分，如图7-8所示。这样，柔性增加了，消除了由于坯料本身的弯曲而在卡盘强制夹持下轴心线随之歪斜的影响。图7-8 缩径法7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度（2）误差补偿法 误差补偿法即是人为地造出一种新的原始误差，去抵消原工艺系统中固有的原始误差，以达到减少加工误差，提高加工精度的目的。如在精密丝杠的加工中，机床传动链误差将直接反映到被加工零件的螺距上，使精密丝杠的加工精度受到一定的限制，在生产实际中广泛应用误差补偿的原理来减小传动链误差对零件加工精度的影响。（3）误差转移法 在机床精度达不到零件的加工要求时，通过误差转移的方法，能够用一

14、般精度的机床加工高精度的零件。例如，用镗床镗孔时，孔系的位置精度和孔间距的尺寸精度依靠镗模和镗杆的精度来保证，镗杆与机床主轴之间采用挠性连接，使机床误差与加工精度无关。7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度（4）“就地加工”法 在加工和装配中，有些精度问题牵涉到很多零部件间的相互关系，如果单纯通过提高零部件的精度来满足设计要求，有时很困难，甚至不可能实现，若采用“就地加工”法就可解决这类难题。如在六角车床制造中，转塔上六个装刀具的孔，其轴心线必须保证和机床主轴旋转中心线重合，而六个平面又必须与主轴中心线垂直。如果按传统的精度分析与精度保证方法，不仅使加工误差小到难以制造的程度，而且装配后精度

15、更达不到技术要求。生产中常采用“就地加工”法，即对这些重要表面在装配之前不进行精加工，等转塔装配到机床上后，再在自身机床上对这些表面作进一步的精加工，从而达到所需的精度。7.1 7.1 机械加工精度机械加工精度（5）误差分组法 在成批生产条件下,对配合精度要求很高的零件,当不可能用提高加工精度的方法来获得时,则可采用误差分组法。这种方法是先对配偶件进行逐一测量，并按一定的尺寸间隔分成相等数目的组，然后再按相应的组分别进行配对。（6）误差平均法 对配合精度要求很高的轴和孔，常采用研磨方法来达到。研具本身并不要求具有很高的精度，但它却能在和工件作相对运动中对工件进行微量切削，最终达到很高的精度。这

16、种表面间相对研擦和磨损的过程，也就是误差相互比较和相互消除的过程，称为“误差平均法”。7.2 7.2 机械加工表面质量机械加工表面质量 产品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等性能，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。7.2.1 7.2.1 表面质量表面质量 表面质量主要包括零件表面的几何特性和表面层物理力学性能两个方面。7.2.1.1 表面几何特性 （1）表面粗糙度 表面粗糙度是指加工表面的微观几何形状误差。图7-9（a）表示的是粗糙度轮廓算术平均偏差。表面粗糙度主要是由机械加工中切削刀具在工件表面留下的加工痕迹所形成，其波长与波高的比值一般小于50。7.2 7.2 机械加工表面质量机

17、械加工表面质量图7-9 表面粗糙度与波度a）表面粗糙度 b）表面波度7.2 7.2 机械加工表面质量机械加工表面质量 （2）表面波度 表面波度是介于宏观几何形状误差（）与微观几何形状误差（即粗糙度）之间的周期性几何形状误差。在图7-9（b）中,A表示波度的高度。表面波度通常是由于加工过程中工艺系统的低频振动所造成，其波长与波高的比值一般为501000。7.2.1.2 表面层物理力学性能 表面层物理力学性能主要是指下列三个方面：（1）表面层加工硬化（冷作硬化）。（2）表面层金相组织的变化。（3）表面层残余应力。7.2 7.2 机械加工表面质量机械加工表面质量 7.2.2 7.2.2 机械加工表面

18、质量对零件使用性能的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响 7.2.2.1 表面粗糙度的影响 机械零件表面粗糙度的大小将影响零件的耐磨性、零件的配合性质、疲劳强度及零件的抗腐蚀性能等。7.2.2.2 表面冷作硬化的影响 机械加工过程中都会产生不同程度的冷作硬化现象，从而使零件表面层硬度增加，脆性增大，抗冲击的能力下降。冷硬层一般能提高零件的耐磨性和疲劳强度，但当冷作硬化现象达到一定程度后，会使零件表面产生裂纹，其耐磨性和疲劳强度反而会下降。因此，在机械加工中应特别注意不使其产生过度的冷作硬化现象。7.2 7.2 机械加工表面质量机械加工表面质量 7.2.2.3 表面残余应力的影响 加工过程中

19、所产生的表面残余应力有拉应力和压应力之分。若为压应力，则能部分抵消交变载荷施加的拉应力，阻碍和延缓疲劳裂纹的产生或扩大，从而可以提高零件的疲劳强度。若为拉应力，则容易使零件在交变载荷作用下产生裂纹，从而降低零件的疲劳强度。7.2 7.2 机械加工表面质量机械加工表面质量 7.2.3 7.2.3 影响加工表面质量的工艺因素及提高表面质量影响加工表面质量的工艺因素及提高表面质量的工艺方法的工艺方法 7.2.3.1 降低加工表面粗糙度的措施 降低表面粗糙度的工艺措施主要有：（1）选择合理的切削用量 （2）选择适当的刀具几何参数 （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

20、料 （6）防止或减小工艺系统振动7.2 7.2 机械加工表面质量机械加工表面质量 7.2.3.2 7.2.3.2 影响加工表面性能的因素影响加工表面性能的因素 （1）加工表面层的冷作硬化 冷作硬化是指在切削或磨削过程中，加工表面层产生的塑性变形使晶体间产生剪切滑移，使晶格严重扭曲并产生晶粒的拉长、破碎和纤维化，从而引起表面层的强度和硬度提高的现象。表面层的硬化程度取决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，冷作硬化程度也越大。变形速度越大，塑性变形越不充分，冷作硬化程度也就相应减小。变形时的温度影响塑性变形程度,温度高，硬化程度减小。7.2 7.2 机械加工表面质量机

21、械加工表面质量 表面层冷作硬化程度还受到刀具、切削用量以及被加工材料等多方面因素的影响。为了降低加工表面层冷作硬化程度，一般可采取如下措施：合理选择刀具的几何参数，采用较大的刀具前角和后角，并在刃磨时尽量减小其切削刃口圆角半径。使用刀具时，应合理规定其刀具耐用度。合理选择切削用量，采用较高的切削速度和较小的进给量。加工时注意选择合适的切削液。7.2 7.2 机械加工表面质量机械加工表面质量（2）表面层金属组织的变化 机械加工过程中，在加工区由于加工时所消耗的能量绝大部分转化为热能而使加工表面出现温度的升高。尤其是对一些高合金钢，如轴承钢、高速钢、镍铬钢等，由于其传热性能特别差，当温度升高到超过

22、金属组织变化的临界点时，在不能得到充分冷却时，常易出现相当程度的金属组织变化，并伴随出现极大的表面残留拉应力，甚至产生裂纹。零件加工表面层的烧伤和裂纹将使它的性能大幅度下降，甚至根本不能使用。7.2 7.2 机械加工表面质量机械加工表面质量（3）表面层的残留应力 工件经机械加工后，其表面层都存在残留应力。残留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，残留拉应力的作用正好相反。承受交变载荷作用的零件，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，加速工件的失效。在磨削加工过程中，产生残余拉应力、烧伤和裂纹的主要原因是磨削区的温度过高。为降低磨削区温度，可从减少磨削热的产

23、生和加速磨削热的传散这两条途径入手，其具体措施如下：7.2 7.2 机械加工表面质量机械加工表面质量 合理选择磨削用量 减小磨削深度可以减小工件表面的温升，故有利于减轻烧伤。增加工件速度和进给量，由于热源作用时间减少，使金属组织来不及变化，也能减轻烧伤，但会导致表面粗糙度值增大。一般采用提高砂轮速度和采用较宽砂轮来弥补。合理选择砂轮并及时修整 砂轮的粒度越细，硬度越高，自砺性越差，则磨削温度也增高。砂轮组织态紧密时，磨屑堵塞砂轮，易出现烧伤。砂轮钝化后，大多数磨粒只在加工表面挤压、摩擦而不起切削作用，使磨削温度升高,故应及时修整或调换砂轮。7.2 7.2 机械加工表面质量机械加工表面质量 改善冷却方法 采用切削液可带走磨削区的热量，避免烧伤。可采用如图7-10所示的内冷却砂轮。切削液从中心通入,靠离心力作用，通过砂轮内部的空隙从砂轮四周的边缘甩出，因此切削液可直接进入磨削区，冷却效果甚好。但必须采用特制的多孔砂轮，并要求切削液经过仔细过滤以免堵塞砂轮。图7-10 内冷却砂轮结构