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第四章 机械加工质量41机械加工精度一、概述1. 加工精度与加工误差 加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。实际加工不可能做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。2.加工经济精度 由于在加工过程中有很多因素影响加工精度，所以同一种加工方法在不同的工作条件下所能达到的精度是不同的。任何一种加工方法，只要精心操作，细心调整，并选用合适的切削参数进行加工，都能使加工精度得到较大的提高，但这样会降低生产率，增加加工成本。加工误差与加工成本C成反比关系。某种加工方法的加工经济精度不应理解为某一个确定值，而应理解为一个范围，在这个范围内都可以说是经济的。3. 原始误差 由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统(简称工艺系统)会有各种各样的误差产生，这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式(或扩大、或缩小)反映为工件的加工误差。 工艺系统的原始误差主要有工艺系统的几何误差、定位误差、工艺系统的受力变形引起的加工误差、工艺系统的受热变形引起的加工误差、工件内应力重新分布引起的变形以及原理误差、调整误差、测量误差等。二、工艺系统的几何误差1 加工原理误差原理误差是指由于采用了近似的成形运动、近似的刀刃形状等原因而产生的加工误差。例如，用模数铣刀铣齿，理论上要求加工不同模数、齿数的齿轮，就应该用不同模数、齿数的铣刀。生产中为了减少模数铣刀的数量，每一种模数只设计制造有限几把（例如 8把、15把、26把）模数铣刀，用以加工同一模数各种不同齿数的齿轮。当所加工齿轮的齿数与所选模数铣刀刀刃所对应的齿数不同时，就会产生齿形误差。此种误差就是原理误差。2.机床的几何误差 加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。机床的磨损将使机床工作精度下降。 （1）、主轴回转误差 机床主轴是装夹工件或刀具的基准，并将运动和动力传给工件或刀具，主轴回转误差将直接影响被加工工件的精度。 主轴回转误差是指主轴各瞬间的实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。它可分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动三种基本形式。 机床主轴是用来装夹工件或刀具，并将运动和动力传给工件或刀具的重要零件，主轴回转误差将直接影响被加工工件的形状精度和位置精度。主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。主轴回转误差分解为径向圆跳动、轴向圆跳动和角度摆动三种不同形式的误差。. 径向圆跳动：是主轴回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量。车外圆时它使加工面产生圆度和圆柱度误差。产生径向圆跳动误差的主要原因有：主轴支承轴颈的圆度误差、轴承工作表面的圆度误差等。. 轴向圆跳动：是主轴回转轴线沿平均回转轴线方向的变动量。车端面时它使工件端面产生垂直度、平面度误差。产生轴向国跳动的原因是主轴轴肩端面和推力轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。. 角度摆动：主轴回转轴线相对平均回转轴线成一倾斜角度的运动。车削时，它使加工表面产生圆柱度误差和端面的形状误差。提高主轴及箱体轴承孔的制造精度，选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。（2）、导轨误差 导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准，也是机床运动的基准。车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(扭曲)。 卧式车床导轨在水平面内的直线度误差1将直接反映在被加工工件表面的法线方向（加工误差的敏感方向）上，对加工精度的影响最大。卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差2可引起被加工工件的形状误差和尺寸误差。但2对加工精度的影响要比1小得多。由右图2可知，若因2而使刀尖由a下降至b，不难推得工件半径R的变化量。 当前后导轨存在平行度误差(扭曲)时，刀架运动时会产生摆动，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生形状误差。由右图可见，当前后导轨有了扭曲误差3之后，由几何关系可求得y(H/B)3。一般车床的H/B2/3，车床前后导轨的平行度误差对加工精度的影响很大。 除了导轨本身的制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也使造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。 （3） 、传动链误差 传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。传动链误差是指传动链始末两端传动元件相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。机床传动链误差是影响表面加工精度的主要原因之一。提高传动元件的制造精度和装配精度，减少传动件数，均可减小传动链误差。3.刀具的几何误差 刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。采用定尺寸刀具成形刀具展成刀具加工时，刀具的制造误差会直接影响工件的加工精度；而对一般刀具(如车刀等)，其制造误差对工件加工精度无直接影响。 4、调整误差5、测量误差41机械加工精度（二）三、工艺系统受力变形引起的误差1.工艺系统的刚度工艺系统抵抗变形的能力机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降。2 .工艺系统受力变形对加工精度的影响 （1）由于切削力变形对加工精度的影响细长轴的情况中间粗两头细的腰鼓形状短粗轴的情况中间细两头粗（2）毛坯形状误差的复映误差复映规律，加工过程中，由于工件的加工余量发生变化工件材质不均等因素引起的切削力变化，使工艺系统变形发生变化，从而产生加工误差。 若毛坯A有椭圆形状误差(如右图)。让刀具调整到图上双点划线位置，由图可知，在毛坯椭圆长轴方向上的背吃刀量为ap1，短轴方向沙国内的背吃刀量为ap2。由于背吃刀量不同，切削力不同，工艺系统产生的让刀变形也不同，对应于ap1产生的让刀为y1，对应于ap2产生的让刀为y2,故加工出来的工件B仍然存在椭圆形状误差。由于毛坯存在圆度误差毛ap1-ap2，因而引起了工件的圆度误差工y1-y2，且毛愈大，工愈大，这种现象称为加工过程中的毛坯误差复映现象。工与毛之比值称为误差复映系数，它是误差复映程度的度量。 (3)其它作用力的影响由于夹紧变形引起的误差工件在装夹过程中，如果工件刚度较低或夹紧力的方向和施力点选择不当，将引起工件变形，造成相应的加工误差。 工件或夹具刚度过低或夹紧力作用方向、作用点选择不当，都会使工件或夹具产生变形，造成加工误差。例如，用三爪自定心卡盘装夹薄壁套简镗孔时，夹紧前薄壁套筒的内外圆是圆的，夹紧后工件呈三棱圆形；镗孔后，内孔呈圆形；但松开三爪卡盘后， 卡盘后，外圆弹性恢复为圆形，所加工孔变成为三棱圆形，使镗孔孔径产生加工误差。为减少由此引起的加工误差，可在薄壁套筒外面套上一个开口薄壁过渡环，使夹紧力沿工件圆周均匀分布。惯性力的影响传动力的影响重力的影响3.减小工艺系统受力变形的途径 由前面对工艺系统刚度的论述可知，若要减少工艺系统变形，就应提高工艺系统刚度，减少切削力并压缩它们的变动幅值。 1 提高工艺系统刚度 l 提高工件和刀具的刚度l 提高机床刚度 l 采用合理的装夹方式和加工方式2减小切削力及其变化合理地选择刀具材料，增大前角和主偏角，对工件材料进行合理的热处理以改善材料地加工性能等，都可使切削力减小。41机械加工精度（三）四、工艺系统受热变形引起的误差工艺系统热变形对加工精度的影响比较大，特别是在精密加工和大件加工中，由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%70%。机床、刀具和工件受到各种热源的作用，温度会逐渐升高，同时它们也通过各种传热方式向周围的物质和空间散发热量。当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。（一）.工艺系统的热源内部热源和外部热源切削热切削加工过程中，消耗于切削层弹、塑性变形及刀具与工件、切屑间摩擦的能量，绝大部分转化为切削热。切削热将传入工件、刀具、切屑和周围介质，它是工艺系统中工件和刀具热变形的主要热源。在车削加工中，传给工件的热量占总切削热的30左右，切削速度越高，切屑带走的热量越多，传给工件的热量就越少；在铣削、刨削加工中，传给工件的热量占总切削热的比例小于30；在钻削和健削加工中，因为大量的切屑滞留在所加工孔中，传给工件的热量往往超过 50；磨削加工中传给工件的热量有时多达80以上，磨削区温度可高达8001000左右。（二）工艺系统热变形对加工精度的影响1工件热变形对加工精度的影响机械加工过程中，使工件产生热变形的热源主要是切削热。对于精密零件，环境温度变化和日光、取暖设备等外部热源对工艺系统的局部辐射等也不容忽视。车削或磨削轴类工件外圆时，可近似看成是均匀受热的情况。工件均匀受热影响工件的尺寸精度，其变形量否L（mm）可按下式估算 对于精密加工，热变形是一个不容忽视的重要问题。热变形对精密加工件的影响是很大的。 磨削加工薄片类工件的平面，如图 418所示，就属于不均匀受热的情况，上、下表面间的温差将导致工件中部凸起，加工中凸起部分被切去，冷却后加工表面呈中凹形，产生形状误差。工件凸起量与工件长度上的平方成正比，且工件越薄，工件的凸起量越大。2刀具热变形对加工精度的影响使刀具产生热变形的热源主要是切削热。切削热传入刀具的比例虽然不大（车削时约为5左右），但由于刀具体积小，热容量小，所以刀具切削部分的温升仍较高。粗加工时，刀具热变形对加工精度的影响一般可以忽略不计；对于加工要求较高的零件，刀具热变形对加工精度的影响较大，将使加工表面产生尺寸误差或形状误差。3机床热变形对加工精度的影响 使机床产生热变形的热源主要是摩擦热、传动热和外界热源传人的热量。 由于机床内部热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件的温升是各不相同的，机床零部件间会产生不均匀的变形，这就破坏了机床各部件原有的相互位置关系。不同类型的机床，其主要热源各不相同，热变形对加工精度的影响也不相同。车床、铣床和钻、逢类机床的主要热源来自主轴箱。车床主轴箱的温升将使主轴升高；由于主轴前轴承的发热量大于后轴承的发热量，故主轴前端比后端高；主轴箱的热量传给床身，还会使床身和导轨向上凸起。磨床通常都有液压传动系统和高速回转的磨头，并使用大量切削液，它们都是磨床的主要热源。 （三）减小工艺系统热变形的途径 1减少发热量 机床内部的热源是产生机床热变形的主要热源。凡是有可能从主机分离出去的热源，如电动机、液压系统和油箱等，应尽量放在机床外部。 为了减小热源发热，在相关零部件的结构设计时应采取措施改善摩擦条件。例如，选用发热较少的静压轴承或空气轴承作主轴轴承，在润滑方面也可改用低粘度的润滑油、锂基油脂或油雾润滑等。 通过控制切削用量和刀具几何参数，可减少切削热。 2改善散热条件 向切削区加注冷却润滑液，可减少切削热对工艺系统热变形的影响。有些加工中心机床采用冷冻机对冷却润滑液进行强制冷却，效果明显。 3均衡温度场 在外移热源时，还应注意考虑均衡温度场的问题。 4改进机床结构五、残余应力引起的变形1.基本概念没有外力作用而存在于零件内部的应力，称为残余内应力。工件上一旦产生内应力之后，就会使工件金属处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位的稳定状态转化，并伴随有变形发生，从而使工件丧失原有的加工精度。2.残余应力产生的原因 热加工中内应力的产生在热处理工序中由于工件壁厚不均匀、冷却不均、金相组织的转变等原因，使工件产生内应力。图示一个内外壁厚相差较大的铸件。浇铸后，铸件将逐渐冷却至室温。由于壁1和壁2比较薄，散热较易，所以冷却比较快。 （2）冷校直产生的内应力丝杠一类的细长轴经过车削以后，棒料在轧制中产生的内应力重新分布，产生弯曲，如右图示。冷校直就是在原有变形的相反方向加力F，使工件向反方向弯曲，产生塑性变形，以达到校直的目的。在F力作用下，工件内部的应力分布如图b所示。当外力F去除以后，弹性变形部分本来可以完成恢复而消失，但因素心变形部分恢复不了，内外层金属就起了互相牵制的作用，产生了新的内应力平衡状态，如图c所示，所以说，冷校直后的工件虽然减少了弯曲，但是依然处于不稳定状态，还会产生新的弯曲变形。3.减小内应力变形误差的途径 （1）合理设计零件结构 在设计零件结构时，应尽量做到壁厚均匀、结构对称，以减小内应力的产生。（2）合理安排工艺过程 工件中如有内应力产生，必然会有变形发生，但迟变不如早变，应使内应力重新分布引起的变形能在进行机械加工之前或在粗加工阶段尽早完成，不让内应力变形发生在精加工阶段或精加工之后。六、提高加工精度的途径 减小原始误差 转移原始误差 均分原始误差 均化原始误差 误差补偿42机械加工表面质量（一）一、表面质量的基本概念（一） 加工表面的几何形状误差1、 表面粗糙度：是加工表面的微观几何形状误差，其波长与波高的比值一般小于50。2、 表面波度：加工表面不平度中，波长与波高的比值等于50-1000的几何形状误差称为波度。3、 纹理方向：是加工表面刀纹的方向（二） 表面层的物理及机械性能1、 表面层的加工硬化：机械加工过程中，使表面层金属的硬度有所提高的现象。一般情况下表面硬化层的深度可达0.05-0.30mm。评定冷作硬化的指标有如下三项： （1） 表层金属的显微硬度H； （2） 硬化层深度h； （3） 硬化程度H，其按下式计算： H=（H-H0）/H0 % 式中：H 0 为工件内部金属原来的硬度。2、 表面层金属的金相组织的变化：机械加工过程中，由于切削热的作用引起表面层金属的金相组织发生变化。3、 表面层金属的残余应力：已前已经介绍，在此不重复。二、机械加工表面质量对机器使用性能的影响（一）表面质量对耐磨性的影响1.表面粗糙度对耐磨性的影响 一个刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间，最初阶段只在表面粗糙的的峰部接触，实际接触面积远小于理论接触面积，在相互接触的峰部有非常大的单位应力，使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏，引起严重磨损。 零件磨损一般可分为三个阶段，初期磨损阶段、正常磨损阶段和剧烈磨损阶段。表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说表面粗糙度值愈小，其磨损性愈好。但表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。因此，接触面的粗糙度有一个最佳值，其值与零件的工作情况有关，工作载荷加大时，初期磨损量增大，表面粗糙度最佳值也加大。任何机器零件，不论采用多么精密的机床和先进的工艺来加工，总会发现加工后的表面并不完全平整，这是由于切削过程中刀具相对零件的运动轨迹、刀具和零件表面的摩擦、切削时零件表层金属的撕裂以及机床和刀具的振动等原因造成的。 加工后表面上由间距很小的微小峰谷所形成的表面不平，即为表面粗糙度，或称微观几何形状误差。如图341所示。 图 341 加工误差 图342 磨损量和时间关系曲线 2.表面冷作硬化对耐磨性的影响 （二）表面质量对疲劳强度的影响金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面和表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响很大。 1.表面粗糙度对疲劳强度的影响在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。 2.残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响残余应力对零件疲劳强度的影响很大。表面层残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残余应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生。（三)表面质量对耐蚀性的影响零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多。抗蚀性就愈差。表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。（四）表面质量对配合质量的影响表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量。对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质。对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度。42机械加工表面质量（二）三、影响表面粗糙度的因素及控制在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大。（一）、切削加工影响表面粗糙度的因素切削加工时影响表面粗糙度的因素有三个方面：几何因素、物理因素和工艺系统振动。1.刀具几何形状的复映 刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状时刀具几何形状的复映。减小进给量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度。 此外，适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度，合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小表面粗糙度值的有效措施。2.工件材料的性质 加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。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。 3.切削用量（二）、磨削加工影响表面粗糙度的因素 正像切削加工时表面粗糙度的形成过程一样，磨削加工表面粗糙度的形成也时由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。影响磨削表面粗糙度的主要因素有：1.砂轮的粒度砂轮的粒度号数越大，磨粒的尺寸越小，参加磨削的磨粒就越多，磨削出的表面就越光滑。2.砂轮的硬度 3.砂轮的修整：修整质量越高，磨削出的表面就越光滑。4.磨削速度 砂轮磨削速度v越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数就越多，工件表面就越光滑。注：磨削加工中，工件的速度越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数将减少，反而会使表面粗糙度值增加。 5.磨削径向进给量与光磨次数6.工件圆周进给速度与轴向进给量 ：7.冷却润滑液四、影响表面层物理力学性能的因素及控制 机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化（或称为强化）。表面层金属强化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化。被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态，只有一有可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化。 弱化作用的大小取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。由于金属在机械加工过程中同时受到力和热的作用，因此，加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。评定冷作硬化的指标有三项，即表层金属的显微硬度HV、硬化层深度