课件：加工表面质量和精度解析.ppt

2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,1,机械工程师资格考试,第四部分 机械制造工艺,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,2,4.4.5 加工表面质量和精度,机械加工质量,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,3,1. 机械加工精度,加工精度：是指零件加工后，其几何参数的实际数值与图纸规定的设计数值相符合的程度。 尺寸精度 几何形状精度 相互位置精度,1）加工精度的概念,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,4,1）加工精度的概念, 尺寸精度, 相互位置精度, 几何形状精度,加工表面的实际尺寸与设计尺寸的符合程度 （公差带的宽度和公差带的位置） 在国标中尺寸公差分20级（IT01、IT0、IT1IT18）,加工表面的实际几何要素与理想几何要素的符合程度 在国标中形状公差有六项： 直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。,加工表面的实际几何要素的位置与理想几何要素的位置的符合程度 国标中位置公差有八项 平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、 对称度、位置度、圆跳动、全跳动。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,5,2）加工误差与原始误差,加工误差,原始误差,包括机床、夹具、刀具及工件在内的机械加工工艺系统各环节的误差。,指零件加工后，其几何参数的实际数值与图纸规定的设计数值不符合的程度，即实际数值与设计数值之差。,原始误差的来源（工艺系统）,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,6,工艺系统的制造误差及磨损,工艺系统的力、热效应引起的变形,加工过程其他原始误差,原始误差的来源（工艺系统）,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,7,原始误差与加工误差的关系,原始误差对加工误差的影响主要是它在加工（工序）尺寸方向上的分量的大小的作用。,一般是切削加工表面的法向。原始误差在该方向对加工精度影响最大。,误差敏感方向,一般是切削加工表面的切向。原始误差在该方向对加工精度影响最小。,误差不敏感方向,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,8,3) 获得加工精度的方法,试切法：通过试切测量调整再试切获得尺寸精度的方法, 尺寸精度的获得方法,调整法：通过预调好的机床、夹具、刀具、工件的相对位置，来保证一批工件尺寸精度的方法。,定尺寸刀具法：用一定形状和尺寸的刀具加工获得。,自动控制法：用一定的测量、进给及控制装置，边加工边测量边调整，自动完成一个加工循环。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,9,3) 获得加工精度的方法, 形状精度的获得方法,成形运动法,轨迹成形法: 利用刀具与工件间的相对运动轨迹来获得形状。,成形刀具法：利用成形刀具加工获得表面形状。,展成法：利用刀具与工件相对运动关系，使工件被刀具切削成一定形状的包络线所构成的加工表面。,非成形运动法,人工修配 样板加工 划线加工,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,10,3) 获得加工精度的方法, 位置精度的获得方法,主要由机床和夹具精度以及工件的安装精度来保证。 装夹的方式： 直接找正装夹 划线找正装夹 夹具装夹。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,11,直接找正装夹,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,12,划 线 找 正 装 夹,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,13,夹 具 装 夹,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,14,4) 工艺系统几何误差,机床精度取决于其制造精度、装配精度及磨损情况。 主要有主轴误差、导轨误差、传动链误差等。, 机床误差,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,15,车床加工将产生同轴度、垂直度等位置误差； 镗床和钻床会造成孔径的扩大。,主轴误差,主轴几何偏心引起的误差,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,16,主轴回转误差分析,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,17,主轴纯径向跳动对加工精度的影响,车削外圆、镗孔时产生圆度误差。,主轴纯角度摆动对加工精度的影响,车削加工时产生圆度、圆柱度或端面形状误差； 镗削加工时将产生圆度或圆柱度误差,主轴纯轴向窜动对加工精度的影响,端面跳动、螺距周期误差。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,18,主轴误差对加工精度的影响要具体情况具体分析,镗床镗孔时刀具随机床主轴回转，切削力和误差敏感方向也在变化，轴线的位置变化会直接反映到工件上去。,车削是工件回转，切削力和误差敏感方向不变，只有水平方向误差才1:1地反映到工件上。,相同的误差对于不同加工方法影响各不相同。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,19,提高主轴回转精度的措施,提高主轴部件的制造精度，选用高精度滚动轴承或采用动压、静压轴承（刚度高、回转精度高）； 对滚动轴承进行预紧，以消除间隙或产生微量过盈，提高轴承刚度。 采用合理的工艺方法来消除主轴回精度对加工精度的影响，主轴只起传递动力和运动的作用。, 采用固定顶尖定位加工，工件轴线不变 采用电磁无心磨削加工,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,20,工件与主轴之间有偏心量产生传递扭矩，切削力与电磁力合力使工件紧贴在可调支承，主轴转动与工件定位无关。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,21,导轨误差（以车削为例）,直线度误差：,导轨扭曲：,螺纹加工、齿轮加工等要求刀具与工件间保持固定的传动关系，传动误差将影响螺纹导程、齿轮的分度精度等。,传动误差,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,22, 刀具误差,展成法：加工表面是无数刀刃轨迹的包络面，刀刃形状为加工表面的共扼曲线，刀具误差会影响加工表面的形状误差。,轨迹法：工件表面是刀尖与工件相对运动轨迹的包络面。 定尺寸刀具：如钻头、铰刀、拉刀等，尺寸、形状直接影响工件尺寸和形状精度。 刀具磨损：直接影响刀具的尺寸、形状等，进而影响加工工件的尺寸和形状。,刀具误差包括刀刃廓形制造、刃磨误差及刀具安装误差。 成形法：刀具表面廓形“复印”到加工表面上。安装误差也直接影响加工表面形状精度。例如：车削螺纹，车刀安装偏高或偏低，三角形牙型轮廓会变成双曲线。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,23, 夹具制造误差,定位元件、刀具导向装置、对刀装置、分度机构以及夹具体等零件及组件的制造、装配误差。 夹具磨损引起的定位误差。,夹具制造误差主要是：, 工件的装夹误差 装夹不正确、夹紧变形等, 测量误差 测量是对加工的引导，测量方法、原理、水平等引起的误差均会造成误导。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,24,5) 工艺系统受力变形,指加到系统上的作用力P与由它产生的在作用力方向上的位移y的比值。即K=P/y, 工艺系统的刚度,机械加工过程中，在重力、切削力、惯性力、传动力等外力作用下，工艺系统都会变形，破坏刀具与工件间的正确位置，从而产生加工误差。,指垂直于待加工表面的切削分力Py与工件在Py方向的位移之比值。K=Py/y,刚度,工艺系统的刚度,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,25,工艺系统的变形包括：工件的变形、机床的变形、夹具的变形和刀具的变形等。即,所以工艺系统刚度的一般形式为,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,26, 切削力对加工精度的影响,误差复映：有形状误差（或相互位置误差）的工件毛坯，加工时，因加工余量不均，引起切削力变化，使工艺系统产生变形。由此形成的形状误差（或位置误差）仍以与毛坯相似的形式、程度不同地反映在新的加工表面上。,为小于1的正数，每次切削的复映系数为 1 ， 2 ， 3 最终误差复映系数为=123 1，故切削次数越多这种“复映”的误差越小。,工件误差g对毛坯误差 m的复映程度称为误差复映系数。即 = g / m,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,27,例：车削加工短圆柱毛坯。该毛坯有圆度误差（椭圆），系统刚度可近似看成常数。因此切削过程中由于背吃刀量的不断变化，系统的变形量也随之变化，导致加工后的表面仍为椭圆。,因y系统 = Fp / k系统，所以上式可表达为,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,28,车削细长工件,细长工件刚度低，切削 时工件产生弯曲变形而 让刀，且不同的部位变 形程度不同，加工工件 为腰鼓形。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,29,车削短而粗的刚性轴,短轴刚度高，切削时工艺系统（主要是机床）的各部分 刚度不等，不同的部位变形程度不同而让刀，加工工件为 马鞍形，且最小直径出现在中间靠近刚度高的一侧。,在刀具切削点处，工件轴线的位移yx为,工艺系统的总变形量为yx和y刀架的简单叠加为,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,30,切削力作用的其他情况,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,31, 惯性力对加工精度的影响,单爪拨盘产生离心力而产生定位端面位置误差；传递力矩与切削力矩平衡，径向变形是切削力与传动力所引起的变形量的叠加，结果为：心脏线轮廓。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,32, 夹紧力对加工精度的影响,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,33, 重力对加工精度的影响,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,34,减小工艺系统受力变形的措施,提高工艺系统的刚度 包括结构刚度、连接刚度、接触刚度等。,工艺装备自身刚度不足。机床、刀具、夹具都可能存在此类问题。,零件相互之间使用的连接件刚度不足。,零件表面的宏观、微观几何误差使实际接触面积减小而引起的刚度不足。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,35,减小工艺系统受力变形的措施, 控制受力大小和方向 通过合理选择切削参数、刀具角度控制切削力或分力的大小； 利用对称性抵消作用力； 浮动镗刀、双刃镗刀、对称切削、质量偏心时采用平衡块平衡等。 改变切削力的方向，避开误差敏感方向。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,36,减小工艺系统受力变形的措施,通过一定的工艺措施减小系统已有误差对加工精度的影响。,消除主轴回转原始误差对工件加工的影响,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,37,减小工艺系统受力变形的措施,改变走刀方向减小受力变形的影响,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,38,）减小工艺系统受力变形的措施, 采用合理的装夹和加工方式,2019/8/25,39,可编辑,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,40,） 减小工艺系统受力变形的措施, 缩短切削力作用点和支承点的距离，也可使用辅助支承提高零件刚度。 如使用中心架、跟刀架等, 合理使用机床 悬伸长度短、运动间隙小、不运动部件要锁紧。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,41, 其它措施 补偿系统受力变形,减小工艺系统受力变形的措施,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,42, 其它措施 转移误差敏感方向,减小工艺系统受力变形的措施,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,43, 其它措施 转移误差,减小工艺系统受力变形的措施,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,44,）工艺系统热变形,工艺系统热源 切削热、传动系统摩擦能耗发热、派生热源（切屑、冷却液落在床身上）、外部热源。,工艺系统热变形对加工精度的影响 （1）机床由于各部分受热不均匀，发生弯曲和扭曲变形，降低了机床几何精度，影响加工精度； （2）加工短小工件时可以忽略，但测量时要考虑热胀冷缩； （3）车长轴时，温度逐渐升高，刀具和工件变形渐大，切除量逐渐增大，加工工件产生圆柱度误差。均匀热变形量计算：,（4）工件单面受力（如铣、刨、磨等），一面受热，工件上拱，加工后加工表面出现中凹。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,45,减少热变形影响的措施,减少发热源：分离电机、液压系统等； 热补偿：均化温度场。如对机床的某些部位进行加热，使各部分温度均匀，以达到减小热变性的目的； 保持系统热平衡：加工前先预热，平衡后在加工； 环境恒温。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,46,例：,1. 工件刚度极大，床头刚度大于床尾，分析加工后加工表面形状误差。,(a) 左小右大锥形； (b) 形成内凹端面； (c) 马鞍形，小径靠床头。,2. 车削工件，产生图示误差，分析主要原因。,(a) 锥形：导轨与主轴不平行、刀具磨损； (b) 腰鼓形：工件刚性差，产生让刀； (c) 马鞍形：工件刚性好，机床两端刚性差。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,47,7）工件内应力引起的变形, 工件的内应力 是指当外载荷去掉后仍然存在于工件内部的应力。存在内应力时工件处于不稳定的平衡状态，应力变化将产生变形。 内应力产生的原因 毛坯制造中产生内应力 在铸造、锻造、焊接及热处理中工件受热不均及金相组织变化时体积的变化而产生内应力。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,48,表面（薄的部位）先冷却凝固 芯部（厚的部位）后冷却,金相组织变化会引起材料密度变化 马氏体的密度小（马=7.75） 奥氏体的密度大（奥=7.96）,局部相变体积变大时受压应力 局部相变体积缩小时受拉应力,先冷却部分受压应力 后冷却部分受拉应力,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,49,刚性较差的、易变形的细长工件，采用冷校直的方法纠正弯曲变形时产生内应力。,切削过程中切削塑性变形、相变等使工件表面产生残余应力。,弹性变形区域,塑性变形区域, 冷校直引起内应力, 切削加工过程中产生内应力,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,50, 消除内应力的措施,合理设计零件结构：铸件、锻件壁厚均匀，焊接件焊缝分布均匀等； 尽量不采用冷校直工艺：精密件严禁冷校直，可热校直或加大余量多切削； 合理安排时效处理消除内应力； 合理安排工艺过程：粗加工后过一定时间后再精加工，或者粗加工后松开工件重新以较小的力装夹等，都可以收到较好的效果。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,51,2. 加工表面质量,表面微观几何形状： 表面粗糙度（S/H40） 表面波度（50S/H1000) 表面层物理机械性能：表面层冷作硬化 表面层残余应力 表面层相变,1） 表面质量的概念,指零件加工后的表面微观几何形状和表面的物理力学性能状态。表面质量包括：,表面质量对零件的耐磨性、疲劳性能、配合性能、耐腐蚀性等有很大影响,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,52,2）表面质量对零件使用性能的影响, 对零件耐磨性的影响,表面粗糙的影响,表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙时，高点干摩擦，磨损快；表面太光洁时润滑油无法进入，造成材料粘结磨损。 表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关一般为 Ra0.321.25m,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,53,2）表面质量对零件使用性能的影响, 对零件耐磨性的影响,表面硬化的影响,加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,54,2）表面质量对零件使用性能的影响, 对零件耐磨性的影响,金相组织变化的影响,切削过程的金相组织变化时工件表面硬度变化（一般会使工件硬度降低）而影响耐磨性。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,55,2）表面质量对零件使用性能的影响, 对零件疲劳强度的影响,表面粗糙度的影响,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。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,56,2）表面质量对零件使用性能的影响, 对零件疲劳强度的影响,表面硬化的影响,表面层硬度、强度适当提高，使微观裂纹的形成、扩展受阻，可以提高疲劳强度；过度硬化会产生裂纹，使疲劳强度降低。,残余应力的影响,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。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,57,2）表面质量对零件使用性能的影响, 对零件配合性质的影响,表面粗糙度的影响,零件之间的配合性质取决于过盈量和间隙值的大小，表面粗糙度的存在会影响有效过盈量和间隙值。表面粗糙度越大，初期磨损越快，对配合性质的影响也越大。,残余应力的影响,表面层存在残余应力时，会影响配合尺寸的稳定性，从而影响零件的配合性质。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,58,2）表面质量对零件使用性能的影响, 对零件耐腐蚀性能的影响,表面粗糙度的影响,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。,残余应力的影响,零件表面残余压应力时使零件表面组织紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性；而表面残余拉应力时，则会降低零件耐腐蚀性。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,59,3）影响加工表面粗糙度主要因素及其控制,表面粗糙度产生的原因,H=f/(cotr+cotr),H=f 2/(8r), 残留面积,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,60,表面粗糙度产生的原因,刃口挤压塑性变形,（2）切削过程中塑性变形及其它物理因素引起的粗糙度, 积屑瘤, 鳞刺,较低速切削塑性较差的材料产生节状（或粒状）切屑，切屑在前刀面上周期性停留代替前刀面推挤切削层，使塑性变形向切线以下延伸，造成已加工表面拉应力太大而导裂形成鳞片状的毛刺。,材料脆性,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,61,选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。, 减小表面粗糙度的措施, 切削速度,加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响主要与积屑瘤、鳞刺的产生有关。,此外，切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小, 选择合适的切削条件,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,62,对表面粗糙度无直接影响。, 减小表面粗糙度的措施, 进给量,减小进给量可以减小残留面积高度，所以可减小表面粗糙度值。, 选择合适的切削条件, 背吃刀量,进给量、背吃刀量都不能太小，否则由于刀刃圆弧的存在无法切入切削层，在加工表面上引起附加的塑性变形，使表面粗糙度值加大。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,63, 减小表面粗糙度的措施, 切削液, 选择合适的切削条件,切削液冷却、润滑作用,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,64, 减小表面粗糙度的措施,刀具材料, 合理选用刀具几何参数和刀具材料,刀具几何参数,刀尖圆弧半径、主偏角直接影响残留面积高度； 增大前角，塑性变形减小，Ra小； 增大后角，刀具与工件的摩擦减小， Ra小； 刃倾角会影响实际工作前角； 提高刀具的刃磨质量。,主要从减小积屑瘤产生的角度分析： 采用与工件材料分子亲和力小的刀具材料； 选择硬度、强度较高的刀具材料；,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,65, 减小表面粗糙度的措施, 材料的晶粒, 改善工件材料的性能和金相组织, 材料的塑性,中低速切削时，工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。对低碳钢进行正火处理、对中碳钢进行调质处理、对高碳钢进行退火，可以改善切削性能，减小表面粗糙度。 加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。,同样材料晶粒组织大 Ra，常用正火、调质处理,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,66, 减小表面粗糙度的措施,减小表面粗糙度； 改变表面应力状态（压应力）； 表面形变强化； 有利于提高疲劳强度和硬度，延长使用寿命。, 使用特殊的加工方法,细颗粒硬质合金刀具 Ra0.10.5，精车Ra0.1 金刚石车刀，超高速（3000m/min）精车Ra0.025, 微量切削, 滚压加工、喷丸、碾光, 提高工艺系统的抗振性, 采用超精加工、珩磨等光整加工方法作为最终工序,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,67,4）影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制,影响表面层物理力学性能的主要因素,表面层物理 力学性能,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,68, 表面层的冷作硬化, 表面层加工硬化的产生,机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎裂，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化或形变强化。, 衡量表面层加工硬化的指标,衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项： 1）表面层的显微硬度HV； 2）硬化层深度h； 3）硬化程度N N=(HV-HV0)/HV0100 式中 HV0工件原表面层的显微硬度,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,69, 影响表面层加工硬化的因素,刀具几何形状的影响,切削刃 r、前角、后面磨损量VB 表层金属的塑变加剧冷硬,削用量的影响,切削速度v塑性变形冷硬 进给量 f切削力塑性变形冷硬,工件材料性能的影响,材料塑性 塑性变形 冷硬,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,70, 表面层残余应力,机械加工中工件表面层材料发生塑性变形时，在表面层与基体材料的交界处会产生互相平衡的作用力。这种内力即为表面层的残余应力。,冷态塑性变形引起的残余应力,工件表面受到挤压与摩擦时，大多是法向被压缩、切向被拉伸，而基体在阻碍表层的塑性变形时，自身也发生弹性变形。切削后，基体弹性回复，在塑性变形的表层与基体之间产生内应力。表层为压应力，而里层为拉伸应力。,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,71, 热态塑性变形引起的残余应力,表层受热发生塑性变形，冷却时受到基体的阻碍而产生残余拉应力，里层由于表层的收缩作用产生残余压应力。, 金相组织变化引起的残余应力,比容大的组织比容小的组织体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大）,回火烧伤表层拉应力 （马氏体=7.75索氏体=7.78） 退火烧伤表层拉应力 （马氏体=7.75奥氏体=7.96） 淬火烧伤表层压应力 （ 表层回火马氏体淬火马氏体=7.75、 内部回火马氏体索氏体=7.78 ）,2019/8/25,绵阳新晨动力金工车间,72,表面残余应力状态,磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系。在磨削过程中，当工件表面层产生的残余应力超