模块七 机械加工质量.doc

模块七 机械加工质量教学目标理解机械加工质量的两大指标，即加工精度和表面质量；掌握影响加工精度和表面质量的原因；掌握提高加工精度和表面质量的措施；了解机械加工表面质量的内容；掌握改善表面粗糙度的措施；了解表面物理力学性能的内容；掌握工表面质量对零件使用性能的影响；了解磨削烧伤的形式及影响的因素；具有定性分析机械加工误差的初步能力；具有正确选择刀具几何参数和切削用量以改善表面粗糙度的能力。产品的质量与零件的加工质量、产品的装配质量密切相关，而零件的加工质量是保证产品质量的基础，它包括零件的加工精度和表面质量两方面。项目一 机械加工精度机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数(尺寸、形状及各表面相互位置等参数)的符合程度。机械加工精度包括尺寸精度、形状精度、位置精度，三者间的公差值为形状公差小于位置公差，位置公差小于尺寸公差。实际加工时不可能也没必要把零件做得与理想零件完全一致，而总会存在一些加工误差。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，加工误差的大小反应了加工精度的高低。加工误差大小，取决于加工过程中刀尖与工件理想加工表面相对位置的变动量，因此，研究加工误差或加工精度离不开工艺系统。工艺系统是由机床、刀具、夹具和工件所组成的统一体。任务一 获得加工精度方法1.获得尺寸精度的方法1)试切法是通过“试切测量调整再试切”，反复进行直到达到要求的尺寸精度为止，然后以此尺寸切削整个待加工表面。试切法的精度高，工艺装备简单，效率低（需作多次调整、试切、测量、计算），对操作者技术水平要求高，质量不稳定，一般只用于单件小批生产。2)调整法是指加工时预先用样件或标准件调整机床、夹具、刀具和工件的相对位置，加工一个零件，测量合格后，再成批加工同一种工件。调整法的实质是利用机床上的定程装置或对刀装置或预先调整刀架，使刀具相对于机床或夹具达到一定的位置精度，然后加工一批工件。调整法比试切法的加工精度稳定性好，有较高的生产率，对机床操作工的要求不高，但对机床调整精度的要求高，常用于成批生产和大量生产。 3)定尺寸刀具法是用刀具的相应尺寸来保证工件加工部位尺寸的方法。即用具有一定尺寸精度的刀具（如铰刀、扩孔钻、钻头等）来保证工件被加工部位（如孔）的精度。定尺寸法的操作方便，生产率较高，加工精度比较稳定，几乎与工人的技术水平无关，生产率较高，在各种类型的生产中广泛应用。4)主动测量法是指在加工过程中采用专门的测量装置主动测量工件尺寸并控制工件尺寸精度的方法。主动测量的质量稳定、生产率高，是机械加工的发展方向。2.获得形状精度的方法1)轨迹法是依靠刀尖运动轨迹获得形状精度的方法。即刀具相对于工件作有规律的运动，以刀尖轨迹获得表面几何形状。刀尖的运动轨迹取决于刀具和工件的相对成形运动，因而所获得的形状精度取决于成形运动的精度。如数控车床、普通车削、刨削加工等均属轨迹法。2)成形法是利用成形刀具对工件进行加工的方法。即用成形刀具取代普通刀具并替代一个成形运动。成形法可以简化机床结构，提高生产率，零件形状精度取决于刀具形状精度。3)展成法是利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法。展成法的加工表面是切削刃和工件作展成运动形成的包络面，其精度取决于切削刃形状和展成运动的精度。展成法主要用于各种齿轮齿廓、花键键齿、蜗轮轮齿等表面加工。3.获得位置精度的方法1)直接找正法是利用量具直接在机床或夹具上找正装夹工件的方法。例如：用四爪卡盘装夹轴类零件时，先用百分表按工件外圆找正，然后夹紧工件进行车削加工。直接找正法的生产率较低，对工人的技术水平要求高，一般只用于单件小批生产。2)划线找正法是利用划针和量具在毛坯或半成品上划出基准线，然后按基准线找正装夹工件。划线找正法生产率较低，位置精度低，一般用于形状复杂、尺寸较大的工件。3)夹具法是利用夹具的定位元件使工件获得正确位置的方法。夹具法定位方便、迅速、精度高，但夹具的制造周期长、费用高，一般用于成批或大批生产。任务二 影响加工精度的因素机械加工中有许多误差因素影响零件的加工精度，其中工艺系统误差是影响加工精度的主要因素。工艺系统误差包括工艺系统的几何误差、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、工件残余应力所引起的误差。一、工艺系统的几何误差对加工精度的影响工艺系统几何误差包括加工方法的原理误差、机床几何误差、刀具误差、夹具误差、调整误差等。1.加工原理误差加工原理误差是指在加工时采用近似的成形运动或近似刀具轮廓而产生的误差。如用成形法加工直齿渐开线齿形时，用一把铣刀加工同模数的不同齿数的齿轮；又如齿轮滚刀的制造是采用阿基米德蜗杆代替渐开线蜗杆，滚切齿轮时，切出的齿廓是接近渐开线的折线而不是理想渐开线；还有在数控加工中用直线或圆弧逼近代替所要求的曲线等都会产生误差。采用近似的成形运动或近似的刀具轮廓，虽然会带来加工原理误差，但可以简化机床或刀具的结构，提高生产率和经济效益，因此在生产中得到广泛的应用。2.机床的几何误差机床几何误差对加工精度影响较大的主要有主轴回转误差、导轨导向误差和传动链误差。1)主轴回转误差主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对于理论回转轴线的“漂移”。机床主轴是安装工件或刀具的基准，其回转误差会影响工件的表面形状、相互位置精度及表面粗糙度等。主轴回转误差的形式有轴向窜动、径向跳动和角度摆动三种，如图7l所示。 a) 径向跳动 b) 角度摆动径向跳动 c) 轴向窜动 d)三种误差综合图7l主轴回转误差的形式径向跳动是指瞬时回转轴线平行于平均回转轴线的径向运动。如图7la所示。它主要影响加工工件的圆度和圆柱度。 角度摆动是指瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度，如图7lb所示。它对工件的形状精度影响很大，如车外圆时会产生锥度，镗孔时会产生椭圆形孔。轴向窜动是指瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向位移，如图7lc所示。它主要影响工件的端面形状精度和轴向尺寸精度，对内、外圆柱面加工没有影响。如加工螺纹时，易使螺距产生累积误差。加工端面时，会使端面与内、外圆轴线产生垂直度误差；主轴每旋转一周，要沿轴向窜动一次，使得切出的端面产生平面度误差（在端面中心附近出现一个凸台），如图72所示。图72轴向窜动对端面的影响主轴回转误差在不同方向上对加工精度影响不同。如车削外圆表面时，回转误差沿刀具与工件接触点的法线方向分量 y对精度影响最大，即工件半径方向的误差为 R y。而回转误差的切向分量 z影响最小，反映到工件半径方向上的误差为R z22R，此值完全可以忽略不计，如图73所示。由以上分析可知，法线方向产生的误差较大，一般称为误差敏感方向。切线方向产生的误差很小，一般称为误差非敏感方向。分析主轴回转误差对加工精度的影响，应着重分析误差敏感方向的影响。 a) 切线方向产生的误差 b) 法线方向产生的误差图73回转误差对加工精度的影响 2)机床导轨误差机床导轨是机床主要部件间相对位置和相对运动的基准，依靠导轨面保持刀具与工件之间的导向精度。机床导轨误差主要有导轨在水平面内直线度误差、导轨在垂直面内直线度误差。导轨面间平行度误差。机床导轨在水平面内直线度误差为，如图74a所示。此项误差对于车削或外圆磨削加工，将引起工件在半径方向上产生误差R。当车削或磨削较长外圆表面时，将使工件产生圆柱度误差，如图74b所示。 a)导轨水平面内的误差 b)磨削外圆产生误差 图74导轨在水平面内直线度误差机床导轨在垂直面内直线度误差，如图75所示。此项误差对于车床和外圆磨床将引起工件在半径方向上产生误差R的值很小(误差的非敏感方向)，对加工精度影响很小。但此项误差对平面磨床、龙门刨床、铣床等将引起法向位移(误差敏感方向)，对工件垂直方向的尺寸精度、平行度、平面度等影响较大。 图75导轨垂直面内的误差 图76导轨面间平行度误差车床两导轨的平行度产生误差(扭曲)，使大溜板产生横向倾斜，刀具产生位移，引起工件产生形状误差(鼓形、鞍形、锥形)，其误差值 yH B，如图76所示。3)机床传动链误差在传动链中各传动元件的制造误差、安装误差和工作中的磨损，必将破坏准确的传动关系，使工件产生误差。如车削螺纹时，要求工件旋转一周刀具直线移动一个导程(对于单头螺纹即为一个螺距)，由于丝杠导程和各齿轮的制造误差都必将引起螺纹导程产生误差。3.刀具误差刀具误差主要指刀具的制造、磨损和安装误差等，刀具误差对加工精度的影响因刀具种类不同而不同。机械加工中常用的刀具有一般刀具、定尺寸刀具和成形刀具。一般刀具(如车刀、单刃镗刀、平面铣刀等)的制造误差，对加工精度没有直接的影响。但当刀具与工件的相对位置调整好以后，在加工过程中刀具的磨损将会影响工件尺寸或形状精度。定尺寸刀具(如钻头、铰刀、拉刀、槽铣刀等)的制造误差及磨损，直接影响工件加工面的尺寸精度。成形刀具(如成形车刀、成形铣刀、齿轮刀具等)的制造和磨损，主要影响被加工件的形状精度。4.夹具误差夹具误差主要包括工件的定位误差、夹紧误差、夹具安装误差和对刀误差等，其中夹具的定位元件、导向元件、夹具体的加工与装配误差，对被加工工件的位置误差有较大的影响。夹具的磨损是逐渐而缓慢的过程，它对加工误差的影响不明显，但是设计时应考虑磨损的类型，以便及时更换磨损的元件，以保持其几何精度。5.调整误差零件加工的每一道工序中，为了获得被加工表面的形状、尺寸和位置精度，必须对机床、夹具和刀具进行调整。而采用任何调整方法及使用任何调整工具都难免带来一些误差，这就是调整误差。当采用试切法调整时，产生调整误差的因素有测量误差、进给机构的位移误差、最小切削厚度产生的尺寸误差。当采用调整法调整时，产生调整误差的因素有定程机构的误差、样件或样板的制造误差、安装误差和对刀误差等。当工艺系统已达到工艺要求情况下，调整误差是影响加工精度的主要因素。二、工艺系统受力变形对加工精度的影响工艺系统在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力等的作用下，会产生相应的变形(弹性变形及塑性变形)，从而破坏刀刃和工件之间已调整好的正确位置关系，产生加工误差，如图77所示。 a) 车削细长轴 b) 磨削内孔图77工艺系统受力变形产生的误差1.工艺系统的刚度任何一个物体受力后总要产生一定的变形，作用力F与在作用力方向上引起的变形量y的比值Fy，称为物体的刚度。而工艺系统的受力变形，在敏感方向对加工精度影响最大，即通过刀尖加工表面的法线方向位移。因此，工艺系统的刚度是指被加工表面法线上总切削分力Fp与工艺系统在该方向上总位移量y的比值，即Fpy (71)式中 K工艺系统的刚度（N/mm），Fp加工表面法线方向上的总切削分力（N），y 工艺系统的总位移量（mm）。工艺系统的总位移量y是由各个组成部分变形叠加而成的，即 y = y jc + y dj + y jj + y g式中 y jc 、y dj 、y jj 、y g分别为机床、刀具、夹具、工件的位移量。工艺系统各个组成部分的刚度分别为K jcF p y jc， K djF p y dj，K jjF p y jj，K gF p y g由工艺系统各个组成部分刚度可求出工艺系统刚度的一般表达式 (72)式中 机床刚度（Nmm）； 夹具刚度（Nmm）； 刀具刚度（Nmm）； 工件刚度（Nmm）。用工艺系统刚度一般表达式求解某一系统刚度时，应根据具体情况进行分析。例如，车削外圆时，车刀本身在切削力作用下沿切向(不敏感方向)的变形对加工误差影响很小，可以忽略不计，这时计算式中可以省去刀具刚度一项。再如，箱体零件镗孔时，镗杆受力变形对加工精度影响较大，而工件刚度较大，受力变形很小，故可略去工件刚度一项。2.切削力作用点位置变化对加工精度的影响1)在两顶尖间车削短粗光轴时，由于工件刚度较大，在切削力作用下相对于机床、夹具的变形要小得多，故可忽略不计。此时，工艺系统变形完全取决于机床头架、尾座(包括顶尖)和刀架的变形，如图78a所示。在切削加工中，当车刀处于图示位置时，在背向力Fp的作用下，头架由A点位移到A点，尾座由B点位移到B点，刀架由C点位移到C点，它们的位移量分别为y tj 、y wj 、y dj 。而工件轴线AB位移到AB，在刀具切削点处，工件轴线位移量y x为： y xy tj + ( y wj y tj )X /L (73)工艺系统的总位移量为： yy x + y dj = (74)由式(74)可以看出，工艺系统变形是随着切削力作用点位置变化而变化，即x值变化引起位移量y变化，从而引起背吃刀量变化，使工件产生马鞍形的圆柱度误差。 a) 车短粗光轴 b) 车细长轴图78切削力作用点位置变化引起的加工误差2)在两顶尖间车削细长轴时，由于工件刚度较小，在切削力的作用下，其变形大大超过机床头架、尾座(包括顶尖)和刀架的变形。即机床头架、尾座(包括顶尖)和刀架的变形可忽略不计，工艺系统的总变形完全取决于工件的变形，如图78b所示。在切削加工中，当车刀处于图示位置时，工件轴心线产生弯曲变形，由材料力学的计算公式，其切削点的变形量为 (75)式中 E工件材料弹性模量； I工件截面惯性矩。由式(75)可以看出，工艺系统变形是随着切削力作用点位置变化而变化，即x值变化引起位移量y变化，从而引起背吃刀量变化，使工件产生腰鼓形的圆柱度误差。不同类型机床，切削力作用点位置变化引起刚度变化不同，产生加工误差也有差别。例如，内圆磨床和单臂龙门刨床加工时，由于系统刚度随着切削力作用点位置变化，产生加工误差的形式如图79所示。3.切削力大小变化对加工精度的影响在切削加工中，由于被加工表面几何形状误差或材料的硬度不均匀，都会使切削力的大小发生变化，从而造成工件产生加工误差。如图710所示，工件毛坯的圆度误差较大，车削时背吃刀量在ap1和ap2之间变化，则背向力Pa将随着背吃刀量的变化而变化，工件变形由y1变到 y2。因此，车削后的工件仍然具有圆度误差，这种现象称为误差复映。当毛坯的误差较大，一次走刀不能满足加工精度要求时，需要多次走刀来消除误差复映。 图79系统刚度变化引起的加工误差 图710车削时的误差复映4.惯性力、传动力、夹紧力、重力对加工精度的影响1)惯性力对加工精度的影响。在切削加工中，高速旋转的零部件(包括夹具、工件和刀具等)的不平衡将产生离心力(FQ)。 FQ在每一转中不断地改变着方向，当离心力FQ与切削力Fy方向相反时，将工件推向刀具，使背吃刀量增加；当离心力FQ与切削力Fy方向相同时，工件被拉离刀具，使背吃刀量减小；其结果将使工件产生圆度误差。2)传动力对加工精度的影响。在车床或磨床类机床上加工轴类零件时，常用单爪拨盘带动工件旋转，如图711所示。当传动力方向与切削力Fy方向相同时，工件被拉离刀具，背吃刀量减小；当传动力方向与切削力Fy方向相反时，将工件推向刀具，背吃刀量增加；其结果将使工件产生圆度误差(为心脏线形状)。 图711传动力引起的加工误差 图712重力引起的加工误差3)重力对加工精度的影响。在工艺系统中，零部件的自重也会引起变形，如龙门铣床、龙门刨床的刀架横梁在刀架箱重力作用下产生变形，使工件产生平面度误差，如图712所示。 4)夹紧力对加工精度的影响。在加工刚性较差的工件时，若夹紧不合理会使工件产生变形造成形状误差，如图713所示。如在车床或磨床上，用三爪卡盘夹紧薄壁套筒加工内孔，夹紧后工件内孔呈三棱形，如图713a所示；加工后内孔为圆形如图713b所示；但是松开后套筒因弹性恢复，该孔又变成了三棱形，如图713c所示。 a) b) c)图713夹紧力引起的加工误差三、工艺系统热变形对加工精度的影响在机械加工过程中，工艺系统在各种热源的影响下，常产生复杂的变形，破坏了工件与刀具的相对位置精度，造成了加工误差。在精密加工中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的4070。热变形不仅降低了系统的加工精度，而且还影响了加工效率的提高。 1.工艺系统的热源与热平衡(1)工艺系统的热源工艺系统热变形的热源可分为内部热源和外部热源两类。内部热源包括切削热和摩擦热，外部热源包括环境温度和热辐射等。切削热是切削过程中，切削层金属的弹性变形和塑性变形以及刀具与工件、刀具与切屑的摩擦所产生。切削热可通过工件、切屑、刀具、夹具、机床、切削液以及周围介质传出。车削加工时，大量的切削热被切屑带走，传给工件的热量约占30，传给刀具的约占10。加工孔时，由于大量切屑滞留在孔中，散热条件不好，切削热传给工件的热量约占50以上。磨削加工时，由于切屑很小，切屑带走的热量也少，大约有80的热量传给工件，使其加工表面温度达8001000，影响工件的加工精度和表面质量(脱碳或烧伤)。摩擦热主要是机床传动元件之间摩擦和液压系统中运动部件摩擦产生的热，如电动机、轴承、齿轮传动副、导轨副、液压泵、阀等运动部件均会产生摩擦热，这是机床热变形的主要热源。环境温度是指机床工作地周围环境温度随气温昼夜温差的变化，相邻设备散热等，这种环境温度的变化会影响加工精度，尤其是对大型和精密工件的加工精度影响比较显著。热辐射主要指太阳光的辐射。如靠近窗口的机床易受阳光的辐射，使机床的温度升高而产生热变形，从而影响加工精度，尤其对精密工件的加工精度影响较明显。(2)工艺系统的热平衡工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐升高。同时，它们也通过各种传热方式向周围散发热量。当单位时间内传入和散发的热量相等时，工艺系统达到了热平衡状态，工艺系统的热变形也就趋于稳定。在实际生产中，机床开动后温度缓慢升高，经过一段时间温度升至平衡状态，其热变形也就趋于稳定。此时引起的加工误差较小，因此，精密加工应在工艺系统达到热平衡状态下进行。2.机床热变形对加工精度的影响机床受热源的影响，各部分温度将发生变化，由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件将发生不同程度的热变形，破坏了机床原有的几何精度，从而引起加工误差。对于车床、铣床、镗床类机床的主要热源是主轴箱中的轴承、齿轮、离合器等传动副的摩擦使主轴箱和床身的温度上升，造成机床主轴抬高和倾斜，影响零件的加工精度。对于大型机床如导轨磨床、龙门铣床等长床身的机床，其热变形主要发生在导轨上。由于导轨的摩擦热，使导轨面与床身底面形成温差，造成床身产生中凸的弯曲变形，影响加工精度。常见几种机床热变形，如图714所示。 a)车床 b)铣床 c)平面磨床 d)导轨磨床图714几种机床热变形3.工件热变形对加工精度的影响在切削加工中，工件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。由于加工方法、工件材料、结构尺寸的不同，工件热变形对加工精度的影响也不同。 轴类零件在车削或磨削时，一般是均匀受热，温度逐渐升高，其直径也逐渐膨胀，膨胀部分将被刀具切除，待工件冷却后则形成圆柱度和直径尺寸的误差。例如在顶尖间车削细长轴时，热变形将使工件伸长，导致工件的弯曲变形，加工后将产生圆柱度误差。精密丝杠磨削时，工件的受热伸长会引起螺距的累积误差。丝杠螺距精度越高，热变形影响越严重。床身导轨面的磨削，由于单面受热，导轨面与底面产生温差而引起热变形，使导轨面产生直线度误差。在平面磨床上磨削板类工件时，由于工件单面受热，导致工件产生向上凸起的热变形，磨削后使工件产生平面度误差，如图715所示。薄圆环磨削，工件近似均匀受热，但磨削时磨削热量大，工件质量小，温升高，在夹压处散热条件较好，该处温度较其他部分低，加工后工件会产生圆度误差，如图716所示。 图715板材磨削 图716薄圆环磨削4.刀具热变形对加工精度的影响切削热传给刀具的热量不多，但因刀具切削部分质量小(体积小)，热容量小，所以刀具切削部分的温度较高。连续切削时，刀具的热变形在切削初期增加很快，经过约1020min即达到热平衡，此时热变形很小，对加工精度的影响较小。间断切削时，由于有短暂的冷却时间，热变形在较小的范围内变动，对加工精度的影响很小。四、工件残余应力对加工精度的影响残余应力（内应力）是指外部载荷除去以后，仍然残存在工件内部的应力。残余应力是由金属内部组织发生了不均匀的体积变化而产生的，促使这种变化的因素主要来自铸造、锻造、焊接及切削加工。零件的内应力一般处于暂时平衡状态，当外界条件发生变化（如环境温度变化、继续进行切削加工、受到撞击等），内应力的暂时平衡就会被打破而进行重新分布，这时工件将产生变形，甚至出现裂纹等。零件内应力的重新分布不仅影响零件加工精度，而且对装配精度也有很大的影响。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，由于工件各部分的冷却收缩不均匀及金相组织转变时体积变化，在毛坯内部就会产生残余应力。毛坯的结构越复杂，各部分的壁厚越不均匀及散热条件差别越大，毛坯内部产生的残余应力也越大。具有残余应力的毛坯内部应力暂时处于相对平衡状态。但当条件变化后，这种暂时的平衡状态便被破坏，内应力就要重新分布，使工件产生明显地变形。例如，一个内外厚薄不同的铸件在浇铸后的冷却过程中产生内应力的情况。如图717所示。 a) b)图717铸件残余应力引起的变形铸件冷却时，由于壁1和壁2比较薄，散热较易，冷却速度比壁3快。当壁l和壁2从塑性状态冷却至弹性状态时，壁3尚处于塑性状态。所以壁1和壁2冷却收缩时，壁3不起阻止变形作用，铸件内部不会产生内应力。当壁3冷却至弹性状态时，壁1和壁2的温度已降低很多，收缩速度比壁3收缩慢，此时壁3的收缩受到壁1和壁2的阻碍。因此，壁3产生拉应力，而壁1和壁2产生压应力，形成了相对平衡的状态，如图717a所示。如果在铸件壁2上开一个缺口，则壁2的压应力消失。原来应力相对平衡被破坏，工件的内应力要重新分布。铸件在壁1和壁3的内应力作用下，壁3收缩，壁1膨胀，工件发生弯曲变形，直至内应力达到新的相对平衡为止，如图717b所示。2.冷校直引起的残余应力细长轴类零件，如光杠、丝杠、曲轴、凸轮轴等在加工和运输中很容易产生弯曲变形，为纠正这种弯变形，常采用冷校直工序，这种方法简单方便，但会带来内应力，引起工件变形而影响加工精度。例如，轴类零件冷校直是在弯曲的中部施加压力F，使其产生反弯曲变形，这时，轴的上部分受压力，下部分受拉力，当去除外力后，应力重新分布使轴类零件变形达到校直的目的，如图718所示。轴类零件这种相对平衡状态是暂时的，只要外界条件变化，就会使内应力重新分布而使工件产生变形。因此，对于精密零件不允许安排冷校直工序。当零件产生弯曲变形时，如果变形较小，可用多次切削加工方法消除变形。如果变形较大，则可用热校直的方法消除变形。 a) b) c) 图717冷校直引起的残余应力3.切削时产生的残余应力工件在进行切削加工时，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，从而产生残余应力。这种残余应力由加工时的工艺因素决定。特别是高速切削、强力切削、磨削等加工中，切削热的作用占主要地位。任务三 提高加工精度的措施提高加工精度的主要措施有减少机床几何误差，减少工艺系统的受力变形，减少工艺系统热变形，减少或消除残余应力等。一、减少机床几何误差的措施1.提高主轴回转精度1)提高主轴的轴承精度。轴承是影响主轴回转精度的主要部件，对精密机床一般采用精密滚动轴承或静压滑动轴承。2) 对滚动轴承进行预紧，以消除轴承间隙。3) 采取合理的工艺方法，减少主轴回转误差对加工精度的影响。例如，在外圆磨削加工中，采用是顶尖安装工件，可避免主轴回转误差对加工精度的影响。4)提高主轴支承轴颈、箱体支承孔、轴承内外环滚道、滚动体的制造精度。2.提高机床导轨面的形形状和位置精度。3.提高机床传动精度减少传动链中的环节，缩短传动链；提高传动副的制造和装配精度；消除传动间隙和采用误差校正机构等措施。二、减少工艺系统受力变形的措施1.提高接触刚度提高接触刚度能有效提高工艺系统的刚度。常用的方法是改善工艺系统主要零件接触表面的配合质量，如提高机床导轨的刮研质量，提高锥孔与锥体、顶尖孔与顶尖的接触质量，提高配合面的形状精度，减少表面粗糙度，使实际接触面增加等都能有效地提高接触刚度。提高接触刚度的另一措施是预加载荷，消除接触面间的间隙，增大实际接触面，减少受力后的变形量。2.提高机床零部件刚度在切削加工中，由于机床零部件刚度较低而产生变形和振动，影响加工精度和生产率。在实际生产中，常采用一些辅助装置来提高机床零部件的刚度，如图718所示。 a)在转塔车床上采用固定导向支承套 b) 在主轴孔内装导向支承套图718提高机床零部件刚度3.提高工件刚度在切削加工中，由于工件本身刚度较低或工件各个部位刚度不均匀，在切削力作用下往往会产生加工误差。在这种情况下，提高工件的刚度是保证加工精度的主要措施。例如，在车削细长轴时采用中心架或跟刀架来减小切削力作用点到工件支承面之间的距离，以提高工件的刚度，如图719所示。a)采用中心架b)采用跟刀架 图719提高工件刚度措施4.合理安装工件在加工薄壁零件时，合理选择工件安装方法，可以减小工件的形状误差，如图720a所示。 a)不合理的安装方法 b) 合理的安装方法 图720磨削薄板工件在平面磨床上磨削薄板工件时，由于工件本身存在形状误差，当磁力将工件吸向磁盘表面时，工件将产生弹性变形，磨削后由于弹性恢复工件表面又产生翘曲，如图720a所示。合理的安装方法是在工件与磁力盘之间垫橡胶垫再将工件夹紧，此时橡胶垫被压缩以减少工件的变形，便于将工件弯曲部分磨掉，经多次正反面交替磨削可获得较高的平面度，如图720b所示。在机床上用三爪卡盘夹紧薄壁套筒工件时，可采用加大三爪的接触面积或在套筒外加一个开口过渡环，以增大夹紧力接触面积减小工件变形，如图721所示。 a) b)图721夹紧力引起的加工误差三、减少工艺系统热变形的措施1.减少发热和隔离热源切削过程中，合理选择切削用量、合理安排工艺路线、粗精加工分开等措施都可减少切削热的产生。也可将机床中的电动机、变速箱、液压装置和冷却系统等热源从主机上分离出去。对于不能分离出去的热源，如主轴轴承、丝杠副、高速运动的导轨副、摩擦离合器等，可从结构和润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热，例如采用静压轴承、静压导轨、低粘度润滑油等。2.改善散热条件为了消除机床内部热源的影响，可以采用强制冷却的办法，如风冷、水冷循环润滑等控制机床的温度和热变形。目前，大型数控床机、加工中心机床都普遍使用冷冻机对润滑油和切削液进行强制冷却，以提高冷却的效果。3.采用热补偿法采用热补偿法均衡机床的温度场，使机床产生均匀的热变形以减少对加工精度的影响。如图722所示为平面磨床采用热空气法均衡机床的温度场。磨床主轴箱内的热空气由风扇排出，通过特设的管道引向防护罩和立柱后壁空间，然后排出。这样使原来温度较低的立柱后壁温度升高，以减少立柱前后壁的温度差，降低立柱的弯曲变形，使被加工的端面平行度误差降低为原来的l314。 图722热空气法均衡机床温度场 图723热补偿油沟均衡机床温度场如图723为M7150A型平面磨床采用均衡温度场的示意图。该机床床身较长，加工时工作台纵向运动速度较高，致使床身上下部温差较大，导致床身导轨产生中凸的热变形。改善措施是将油池l搬出主机并做成一个单独的油箱；此外，在床身下部开出热补偿油沟2，利用带有余热的回油流经床身下部，使床身下部温度升高，以达到减少床身上下部的温差；从而降低床身导轨的热变形。除上述的措施外，还可以采用恒温加工或合理设计机床布局和结构等措施来减少机床的热变形。四、减少残余应力的措施1.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的差异，以减少铸、锻件毛坯在制造中产生的残余应力。2.增加消除残余应力的专门工序对铸、锻、焊接件进行退火或回火，工件淬火后进行回火；对精度要求高的零件在粗加工或半精加工后进行时效处理等都可以达到消除残余应力的目的。时效处理分为自然时效和人工时效处理两种。自然时效是指在毛坯制造之后，或粗、精加工之间，让工件停留一段时间，利用温度的自然变化，经过多次热胀冷缩，使工件的内应力逐渐消除。这种方法效果好，但需要时间长，一般较少应用。人工时效是将工件放在炉内加热到一定温度，再随炉冷却以达到消除应力的目的。人工时效分为高温和低温两种时效处理。前者一般用于毛坯制造或粗加工以后进行，后者多在半精加工后进行。3.合理安排工艺过程安排机械加工工艺时，把粗、精加工分开在不同的工序中进行，使粗加工后产生的变形在精加工阶段消除，以减少对精加工的影响。在大型工件的加工时，粗、精加工往往在一道工序中完成，这时应在粗加工后松开工件使其自由变形，然后再进行精加工，这样也能减少或消除粗加工产生的残余应力。复习思考题1.名词解释加工误差、加工精度、误差复映、定位误差、主轴回转误差2.填空题(1)工艺系统是由 、 、 和 组成的。(2)主轴回转误差基本形式有 、 、 。(3)内部热源包括 和 ；外部热源包括 和 。 3.判断题(正确的打，错误的打X) (1)车削加工是一种易引起工件表面金相组织变化的加工方法。( ) (2)车床主轴的纯轴向窜动对车削内外圆的形状精度有影响。( ) (3)车削加工时，造成车床主轴抬高或倾斜的主要原因是主轴箱和床身温度上升。( ) (4)加工表面层产生的残余压应力，能提高零件的疲劳强度。 ( )3.卧式车床导轨在水平面和垂直面的直线度误差对加工精度影响较大是哪一项?为什么?4.在卧式镗床上采用镗模镗削箱体孔时，影响加工精度的主要因素有哪些?5.在车床上用顶尖安装工件，车削轴类零件时，出现如图所示的形状误差，试分析误差产生的原因。a) b) c)题5图6.什么是误差敏感方向，车床与镗床的误差敏感方向有何不同?7.提高加工精度的主要措施有哪些，8.减少或消除内应力的措施确哪些?项目二 机械加工表面质量任务一 表面质量对零件使用性能的影响任何机械加工方法获得零件表面都不是完全理想的光滑表面，总是会存在一定程度的微观不平度、残余应力、冷作硬化及金相组织变化等表面缺陷，这些表面缺陷对产品的使用性能和寿命有很大的影响。一、表面质量的含义机械加工表面质量是指零件表面机械加工后的表面状态，主要包括两个方面的内容，即表面几何形状特征和表面层的物理力学性能。1.表面几何形状特征任何机械加工后的表面几何形状，总是以“峰”和“谷”交替出现的形式偏离理想的光滑表面，形成微小的几何误差。按波长和波高的比值不同，可分为三种形式，如图724所示。 图724表面几何形状特征1)表面粗糙度。即已加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状误差。它主要由机械加工中切削刀具运动轨迹所形成，其波长和波高的比值小于50（L3/H350）。2)宏观几何形状误差。即加工表面的直线度、平面度等，其波长和波高的比值大于1000（L1/H11000）。3)表面波度。即介于宏观几何形状误差与表面粗糙度之间的几何形状误差。它主要由切削刀具的偏移和振动形成，其波长和波高的比值在501000之间（L2/H2 = 501000）。2.表面层的物理力学性能 在切削过程中工件材料受到切削力和切削热等因素的作用，使已加工表面层的物理和力学性能发生一定程度的变化，其内容主要包括以下三方面。1)表面层的加工硬化是指已加工表面由于挤压产生塑性变形，表面层硬度高于工件材料硬度的现象。2)表面层金相组织的变化是指机械加工中，工件表面加工区温度急剧升高，导致表面层金相组织发生变化。3)表面层的残余应力是指工件表面层发生形状变化或组织改变时，在表面层产生的应力。 二、表面质量对零件使用性能的影响1.表面质量对零件耐磨性的影响(1)表面粗糙度对耐磨性的影响表面粗糙度对耐磨性的影响较大，当零件表面粗糙度值较大时，两个配合表面开始接触只有多数波峰相接触，其实际接触面积要比理论接触面积小得多。由于波峰处的压应力很大，使润滑油膜被破坏而产生干摩擦，降低零件的耐磨性。零件表面越粗糙，其工作时的磨损量也越大。当零件表面粗糙度值较小时，接触表面间没有储存润滑油的空间，它们的分子吸引力会增加，造成粘接磨损，使磨损量显著地增加。因此，在一定的工作条件下，一对接触表面的粗糙度值通常有一个最佳值，如图725所示。图中Ra1、Ra2分别为轻载和重载的表面粗糙度最佳值，重载工作条件下，零件的最佳粗糙度值要比轻载工作条件下的粗糙度值大。图725磨损量与表面粗糙度(2)表面层加工硬化对耐磨性的影响零件表面层的加工硬化可减小接触表面间的弹性和塑性变形，从而提高耐磨性。当表面硬化严重时，将引起表面层金属组织的过度疏松，甚至会产生微观裂纹和剥落现象，降低了零件的耐磨性。因此，任何一种材料都有一个表面加工硬化程度的最佳值，高于或低于最佳值零件的耐磨性都会降低。(3)金相组织变化对耐磨性的影响在机械加工时，当切削温度过高时(多在磨削时发生)会使已加工表面层的金相组织发生变化，导致表面层硬度下降，使零件表面层耐磨性下降。2.表面质量对零件耐腐蚀性的影响(1)表面粗糙度对耐蚀性的影响零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于零件的表面粗糙度。当零件表面粗糙度值较大时，波谷深度大，容易积聚腐蚀性介质而引起化学腐蚀，使零件的耐腐蚀性降低。反之，零件表面粗糙度值较小可提高零件的耐腐蚀能力。(2)表面层残余应力对耐蚀性的影响零件表面层的残余压应力可使零件表面致密，腐蚀性物质不容易渗透进入，从而提高零件的耐腐蚀性。相反，零件表面层的残余拉应力会降低零件的耐腐蚀能力。3.表面质量对零件疲劳强度的影响(1)表面粗糙度对疲劳强度的影响零件表面粗糙度值越大，其微观轮廓谷底的夹角和曲率半径一般越小，容易引起应力集中，在交变载荷的作用下，易产生疲劳裂纹，导致零件产生疲劳破坏。不同材料对应力集中的敏感性也不同，晶粒细小、组织致密的材料表面粗糙度对疲劳强度的影响较大。(2)表面层加工硬化对疲劳强度的影响零件表面的冷硬层能阻碍疲劳裂纹的出现和抑制已有裂纹的继续扩大，因而能提高零件的疲劳强度。但表面硬化程度太大会使零件表面层组织脆性增大，容易引起裂纹，降低零件的疲劳强度。所以零件表面的冷硬程度应控制在一定范围内。(3)表面层残余应力对疲劳强度的影响零件表面层存在残余压应力时，能阻碍疲劳裂纹的产生和扩大，有利于提高零件的疲劳强度。生产中常用表面强化工艺如滚压加工、喷丸强化等来提高疲劳强度。但表面层存在残余拉应力时，会加快疲劳裂纹的产生和扩大，降低零件的疲劳强度。(4)表面加工纹理和伤痕对疲劳强度的影响零件表面的加工纹理过深时容易产生应力集中，从而降低疲劳强度，特别是当零件所受应力方向与纹理方向垂直时尤为明显。零件表面层的伤痕，如砂眼、气孔、裂痕，在应力集中时会很快产生疲劳裂纹，加快零件的疲劳破坏。任务二 表面粗糙度形成及影响因素一、切削加工表面粗糙度形成及影响因素1.表面粗糙度的形成在切削加工时，由于刀具几何角度和主、副切削刃与工件之间的相对运动等原因，工件被切削层中总有一小部分材料未被切除而残留在已加工表面上，该残留面积的高度(Rmax)是形成表面粗糙度的主要原因，如图726所示为车削加工时产生的残留面积。a) b)图726残留面积当刀尖圆弧半径时， ，当刀尖圆弧半径时， 。由此可知，切削加工时，减小进给量，减小主、副偏角或增大刀尖圆弧半径都可减小残留面积的高度(Rmax)，从而降低切削加工表面的粗糙度值。此外，加工过程中的积屑瘤、鳞刺和振动也是形成表面粗糙度的重要因素。2.影响表面粗糙度的因素(1)切削用量的影响进给量的影响。当进给量增大时，残留面积也增大，从而增大了表面粗糙度值。当进给量小于0.15mm/r时，继续减小进给量，对工件的表面粗糙度不再有明显的改善。因此，切削加工时应选合理的进给量以利于减小工件表面粗糙度值。切削速度的影响。在低速或高速切削塑性材料时，通常不会产生积屑瘤，故加工表面粗糙度值较小，但在中等速度切削塑性材料容易产生积屑瘤和鳞刺，使加工表面粗糙度值增大，切削速度与表面粗糙度的关系如图727所示。图727切削速度与表面粗糙度的关系背吃刀量的影响。背吃刀量对表面粗糙度影响较小，但背吃刀量过小，切削时会出现挤压、打滑等现象，从而导致表面粗糙度增大。(2)刀具几何角度的影响前角的影响。适当增大前角，刀刃较为锋利，塑性变形减小，有利于降低表面粗糙度值。但前角过大，刀刃有切人工件的倾向，表面粗糙度反而增大。采用负前角切削时，表面粗糙度值也会增加。后角的影响。当前角一定时，增大后角，会使刀刃变得锋利，还能减小后刀面与已加工表面间的摩擦和挤压，从而有利于减小加工表面的粗糙度值，但后角过大，容易产生切削振动，反而会使加工表面粗糙度值加大。刀尖圆弧半径的影响。当增大刀尖圆弧半径时，加工表面的残留面积高度减小，从而减小表面粗糙度值。但刀尖圆弧半径过大会增大切削过程中的挤压和塑性变形，易产生切削振动，使加工表面的粗糙度增加。主偏角和副偏角的影响。当主偏角和副偏角减小时，加工表面的残留面积高度减小，加工表面的粗糙度值减小。但主偏角和副偏角过小会使切削层宽度增大，导致表面粗糙度值增大。(3)刀具材料的影响刀具材料的耐磨性好，易于保持刃口的锋利；刀具材料摩擦系数较小有利于排屑，切削变形也小；刀具材料与被加工材料金属亲和力小，切削过程中不容易产生积屑瘤和鳞刺；这些因素都使加工表面的粗糙度值减小。 (4)工件材料的影响 工件材料的性能对表面粗糙度也有一定得影响。当工件材料的塑性、韧性较大时，加工后表面粗糙度值较大。对于同一种材料，晶粒越粗大，表面粗糙度值也越大；晶粒越细小，表面粗糙度值越小。实际生产中为了减小加工表面的粗糙度值，可在切削加工前对材料进行调质或正火处理，以获得均匀致密的组织和合适的硬度值。二、磨削加工表面粗糙度形成及影响因素1.表面粗糙度的形成磨削加工是利用分布在砂轮表面上的磨粒通过砂轮与工件的相对运动进行切削。由于磨粒在砂轮表面上分布不均匀，且磨削的深度很小，在磨削过程中磨粒在加工表面上刻划出无数较细微的沟槽，沟槽两边会伴随着塑性隆起，形成表面粗糙度。2.影响表面粗糙度的因素(1)切削用量的影响磨削速度（砂轮线速度）的影响。提高砂轮线速度，磨粒单位时间内通过加工表面的磨痕数量增加，使加工表面上的塑性变形和沟槽两侧塑性隆起的残留量变小，可显著减小磨削表面的粗糙度值。工件线速度的影响。在其他条件不变的情况下，提高工件的线速度，磨粒单位时间内通过加工表面的磨痕数量减少，磨削表面的粗糙度值增大。磨削深度的影响。当磨削深度增大时，磨削力和磨削温度都会增大，磨削表面的塑性变形也增大，从而增大表面粗糙度。为了提高磨削效率，一般粗磨时采用较大的磨削深度，精磨时采用较小的磨削深度或无进给磨削，以降低磨削表面的粗糙度值。(2)砂轮的影响砂轮粒度的影响。砂轮粒度号越大，单位面积上通过的磨粒越多，加工表面上的磨痕越细密，表面粗糙度值越小。但磨粒过细时，砂轮易堵塞，磨削性能下降，加工表面粗糙度值反而会增大，同时还会引起磨削烧伤。砂轮硬度的影响。砂轮硬度过高，磨粒钝化后不易脱落，使加工表面受到强烈摩擦和挤压作用，塑性变形程度增大，表面粗糙度增大，同时还会引起磨削烧伤现象。砂轮太软时，磨粒容易脱落，磨削作用减弱，产生磨损不均匀的现象，从而使磨削表面的粗糙度值增大。实际生产中为了获得较小的粗糙度值，通常选用中软砂轮。砂轮材料的