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第三章 工件的机械加工质量,第一节 机械加工质量的基本概念 一、机械加工精度 机械加工后所获得的零件各表面的尺寸、形状以及各表面的相互位置不可能绝对准确，总会存在一定的误差。及其零件经过机械加工后，各表面的实际尺寸实际形状和实际相互位置与其理想值的接近程度称为加工精度。实际值越接近理想值，则加工精度越高，加工误差越小。 零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度三个方面。机械加工精度的具体内容是 （1）尺寸精度 是指 加工后零件表面本身或表面之间的实际尺寸与理想尺寸之间的符合程度，如长度、宽度、高度、直径等。 （2）几何形状精度 是指加工后零件表面本身的实际形状与理想零件表面形状之间的符合程度，如平面度、直线度、圆度、圆柱度、锥度。,3）位置精度 是指加工后零件各表面间实际相互位置与理想零件个表面之间的位置符合程度，如平行度、垂直度、同轴度等。,二、机械加工表面质量 零件表面质量包括表面粗糙度和表面层的物理力学性能。其具体内容是： （1）表面几何学特征 是指零件最外层表面的微观几何形状，通常用表面粗糙度，波度表示。 （2）表面层材质的变化 是指在一定深度的零件表面层出现与机体材料组织不同的变质情况，主要指表面层因塑性变化引起的冷作硬化、表层因切削热引起的金相组织变化、表面层产生的残余应力。 教工表面质量的重要性在于，它对机器零件的使用性能以及整部机械的工作性能有很大的影响。,三、获得加工精度的方法和经济加工精度,（一） 获得尺寸精度的方法 1）试切法 通过多次走刀来获得所需的加工精度。一般过程是： 试切测量调整再试切的循环反复过程。 特点：生产率低，工件尺寸误差取决于工人的技术水平。适用小批生产。 2）调整法 按规定的尺寸预先调整好刀具和工件在机床上的位置及进给行程并在一批零件的加工过程中保持这个相对位置不变，从而获得所需尺寸精度。 特点：生产率较高，加工尺寸的稳定性好，适用于大批生产。 3）定尺寸刀具法 利用刀具的相应尺寸来保证被加工部位的尺寸。如钻头、铰刀等刀具，适用于批量生产。 4）主动测量法 加工中边加工，边测量，达到尺寸时，机床自动停止进给。 特点：加工精度高，生产率高，质量稳定。目前要用在在线测量及数字显示中，适于大批量生产。,5）自动控制法,利用自动检测装置，进给装置和控制系统，使工件在加工过程中自动测量、补偿，当工件达到要求时机床停止加工。 主要用在自动生产线上或自动加工机床上。 （二）工件形状的获得方法 1）轨迹法 依靠刀具运动轨迹来获得所需要工件形状的一种方法。 2）成形法 成形法是使用成形刀具加工，获得工件表面的方法。 3）展成法 在加工时刀具和工件作展成运动，在展成运动过程中，刀刃包络出被加工表面的形状，称为展成法，（范成法、滚切法）。,（三）获得位置精度的方法,机械加工中，零件表面的相互位置精度主要取决于工件工件的装夹定位方式。按生产批量、加工精度要求和工件大小不同，工件的安装方式主要有两种：找正装夹法；专用机床夹具装夹法。详情请参阅本书第四章有关内容。 （四）经济加工精度 1.加工经济精度： 指在正常生产条件下(采用符合质量标准的设备、工艺装备和使用标准技术等级的工人，不延长加工时间)所能保证的公差等级。 2.表面粗糙度: 是与加工经济精度相对应的，即公差等级愈高，表面粗糙度愈小。,第二节 影响加工精度的因素,几个概念： 1、工艺系统 在机械加工中，将机床、刀具、夹具、工件所构成的系统称为工艺系统。 2、定位误差 由于工件的装夹定位而产生的误差称为定位误差。 3、安装误差 夹具在机床上的安装产生的误差称为安装误差。 4、对刀误差 由于对刀元件位置不准确产生的误差称为对刀误差。 5、加工误差 零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状、相互位置）与理想几何参数之间的偏差。,一、加工误差的组成,零件的加工是在工艺系统内完成的。零件的几何尺寸、几何表面和表面之间的相互位置关系取决于刀具与工件之间的相对运动关系。工件和刀具安装在机床和夹具上，在机床的带动下实现运动，并受机床和夹具的约束。因此，工艺系统各种误差就会以不同的程度和方式反映为零件的加工误差。工艺系统的误差，一方面是系统各环节本身及其相互之间的几何关系、运动关系与调整测量等因素的误差；另一方面是加工过程中因负载等因素使系统偏离其理论状态而产生的误差。 二、误差的分类 从误差是否被人们掌握来分，加工误差分为系统误差和随机误差。若误差的大小和方向均已掌握，称为系统误差。例如，采用近似加工方法产生的误差。若误差没有定量的规律，称为随机误差。例如，由于内应力的重新分配引起工件的变形或工件材质不均匀引起的变形。,从工艺因素的角度考虑，可将产生加工误差的原因分为：,1.加工原理误差 加工原理误差是由于采用近似的加工方法所产生的误差。包括近似的成形运动、近似的刀具轮廓、近似的运动关系等不同类型。 2.工艺系统的几何误差 由于工艺系统中各组成环节的实际几何参数和位置，相对于理想几何参数和位置发生偏离而引起的误差，统称为几何误差。 3.工艺系统受力变形引起的误差 由于工艺系统在切削力、夹紧力、重力、惯性力等作用下会产生变形，从而破坏了已调整好的工艺系统各组成部分的相互位置关系，导致加工误差的产生。,4.工艺系统受热变形引起的误差,在加工过程中，由于受切削热、摩擦热以及工作场地周围热源的影响，工艺系统的温度会产生复杂的变化。在各种热源的作用下，工艺系统会发生变形，导致系统中各组成部分的相互位置发生改变，使工件和刀具的相对位置和相对运动关系产生误差。 5.工件内应力引起的误差 内引力是工件自身的误差因素。工件经过冷热加工后会产生一定的内应力，通常情况下内应力处于平衡状态，但具有内应力的工件经加工后，平衡状态被破坏，应力重新分布，只有通过工件的变形来完成，所以会产生误差。 6.测量误差 由于测量方法、量具精度，以及工件和环境温度等因素对测量结果准确性的影响而产生的误差。,三、产生加工误差的主要因素,一）原理误差： 1.定义：指采用近似的成形运动或近似刀具轮廓进行加工而产生的误差。 2.特点：简化机床、刀具结构；提高效率和效益。 二、机床的几何误差： 1.导轨误差： 导轨在水平、垂直平面内直线度误差（3-2）； 主轴与导轨平行度误差（3-4）。 2.机床的主轴回转误差 定义：指主轴实际回转轴线相对理论回转轴线的“漂移”。 分类：轴向窜动；径向跳动；角度摆动。 影响因素：主轴误差、 轴承误差及热变形误差。 3. 传动链误差：传动元件、制造、安装误差。 三、其它误差：刀具、夹具和测量调整误差。,二）工艺系统受力变形引起的误差,1.工艺系统的定义： 由机床、夹具、工件和刀具构成的系统为工艺系统。 2.物体刚度的定义： 物体抵抗外力欲使其变形的能力。 3.工艺系统的刚度： 零件加工表面法向法向分力,与刀具在切削力的作用下,相对工件在该方向的位移y的比值。 4.工艺系统刚度的一般表达式： js= f y / y 5.影响机床部件刚度因素 1）连接表面接触变形的影响。 2）部件中薄弱零件的影响。 3）间隙、摩擦力的影响。,6.工艺系统受力变形引起的加工误差： 1）由于切削力着力点位置变化而使零件产生形状误差。 2）由于切削力大小变化引起的加工误差： a.毛坯几何形状引起的切削力变化。 b.由于材料硬度不均引起切削力变化。 c.刀具变形引起的误差。 3）其它力引起的加工误差 a.重力、夹紧力引起的加工误差。 b.惯性力、传动力引起加误差。 c.误差复映现象：p49,三）工艺系统受热变形引起的误差,1.工艺系统热源及热平衡 1)热源： 内部热源： 切削热由刀具与工件、切削摩擦产生；摩擦热由运动部分摩擦产生。 外部热源： 环境温度指工作环境；热辐射指太阳光辐射。 2)热平衡：q吸 = q散 2.机床热变形引起的加工误差 1)主轴热变形而产生的加工误差。 2)导轨热变形而产生的加工误差。,3.工件热变形引起的加工误差： 1)轴类零件易产生形状、尺寸误差。 2)丝杠易产生螺距累积误差。 3)床身导轨面的磨削，导轨易产生直线度误差。 4)薄圆环磨削，易产生圆度误差。 4.减少热变形的措施： 减少切削热；降低摩擦热；隔离热源；强制冷却；恒温加工；热补偿法等。,四）工件内应力产生加工误差,1.内应力的概念 1）内应力的含义：指除去载荷后，存在工件内的应力。 2）内应力来源及特点 来源：金属内部组织发生不均匀变化而产生。 特点：是一种不稳定状态。 2.内应力产生的原因： 毛坯制造、冷校直、机械加工等易产生内应力。 3.消除内应力的方法 1）合理设计的零件结构。 2）采用时效处理、退火和正火的热处理方法。 3）合理安排机械加工工艺。,第三节 表面质量的含义及影响因素,一、表面质量含义： 是零件加工后表面层状态完整性的表征。它主要包括表面的几何特征和表层物理力学性能。 1.表面的几何特征 1)表面粗糙度：指已加工面的微观几何形状误差。 2)表面波度：即介于宏观几何形状误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差。 2.表层物理力学性能 1)加工硬化：工件加工后表面强度、硬度提高象。 2)表面层的残余应力 指机械加工中工件表面层所产生的残余应力。 3)表面层金相组织变化。 加工后工件表层金属的金相组织发生了变化。,二、影响表面粗糙度的因素及控制,一）影响表面粗糙度的主要因素 1、几何因素： 1）刀尖半径较小时理论粗糙度的计算 是刀刃和工件相对运动轨迹所形成的残面积。 平行四边形为切削层理论横截面三角形为残留面积 则： f=hctg r+ hctg r 得：h=f/(ctg r+ ctg r ) 2、刀尖半径较大时理论粗糙度的计算 2)物理因素：是在加工过程中在工件表面产生塑性变形，并产生积屑瘤、鳞刺和振动等。,2积屑瘤 1)积屑瘤定义 在一定的条件下切削塑性金属时，由于前刀面挤压及摩擦的作用，使切屑底层中的一部分金属停滞和堆积在切削刃口附近，形成硬块，能代替 切削刃进行切削，这个硬块称为切屑瘤。 2）积屑瘤产生的原因 切屑底面对前刀面强烈摩擦，当接触面达到一定温度和压力时，表面产生粘结现象，形成积屑瘤。 3)积屑瘤的特点：不稳定性， 4)积屑瘤的控制措施： 提高工件材料硬度；选择低、高速切削；采用切削液；增大前角，减小切削厚度等。 3.降低表面粗糙度值的主要措施 1)选择合理的切削用量： 采用小进给量；低、高速切削；防止打滑现象。 2)选择合理的刀具几何参数： 增大刃倾；刀尖圆弧半径；减小主偏、副偏角等。 3)改善工件材料的性能 采用合理的热处理方法改善材料的性能。 4)合理选择切削液 5)选择合适刀具材料,三、影响表层物理力学性能因素,1、加工硬化 1）定义：加工层材料因塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格扭曲、晶粒拉长、破碎和纤维化，材料的强度、硬度都提高的现象称为冷作硬化（加工硬化）。 2）衡量指标：硬化层深度：h 表层显微硬度：h 硬化程度：n=(h-h0)/h0 3）影响加工硬化的主要因素： 刀具、切削用量、工件材料 2.表面层的残余应力 1）表面层残余应力产生的原因： 冷态塑变、热态塑变、金相组织变化 2）影响表面层残余应力的因素： 切削加工、磨削加工、工件材料,3.加工表面层金相组织变化及烧伤： 1）表面层金相组织变化的原因： 主要是加工时，产生大量的热量使工件表面温度升高，达到组织转变温度而产生的。 2）表面烧伤的形式 有回火烧伤；淬火烧伤；退火烧伤。 4.表面强化的措施 1）滚压加工： 利用具有较高硬度的滚轮或滚珠对工件表面进行加工使其产生塑性。 2）喷丸强化： 利用大量高速运动的珠丸撞击工件表面，使之产生冷应层和残余压应力的一种加工方法。,四、机械加工中振动,1.强迫振动： 1）含义：是由工艺系统内，外部周期交变的激振力（振源）作用下引起的振动。 2）产生的原因： 机床上高速回转件的不平衡；传动系统中误差；切削力的变化；外部振源。 3）强迫振动的特点： a.振动自身不能引起干扰力的变化，干扰力停止，振动停止。 b.强迫振动的频率与外界干扰力频率相同。 c.强迫振动的振幅大小与初始条件无关，主要取决于干扰力的频率与系统固有频率的比值。当=1时振幅大，这种现象称共振。 4）减少强迫振动的措施： 消除振源；提高刚度；隔振；采用减振器和阻尼器等。,2.自激振动 1）定义：由振动系统本身产生的交变力激发和维持的振动。 2）特点：a .是一种不衰减的振动；b.频率等于固有频率；c.振幅大小取决于输入和消耗能量对比，输入能量大于消耗能量振动能维持，否则停止。 3）减轻和消除的措施： a.合理选择切削用量：vc或vc，则振动；f，则振动；ap，则振幅a。 b.合理的选择刀具的几何参数：前角和主偏角增大，则振幅减小；的后角和刀尖圆弧半径减小，则振幅减