提高、控制机械加工精度和表面质量

提高机械加工精度和表面质量的方提高机械加工精度和表面质量的方 法措施法措施 学学 院 机械电气化工程学院院 机械电气化工程学院 班班 级 机械级 机械 13 213 2 学学 号 号 80112092278011209227 姓姓 名 王雨东名 王雨东 任课教师 廖结安任课教师 廖结安 提高机械加工精度和表面质量的方法措施提高机械加工精度和表面质量的方法措施 王雨东王雨东 机械电气化工程学院机械机械电气化工程学院机械 13 213 2 班班 摘要 摘要 机械产品的使用性能的提高和使用寿命的增加与组成产品的零件加工质量密切相关 零件的加工质量是保证产品质量基础 衡量零件加工质量好坏的主要指标有 加工精度和 表面粗糙度 本文主要通过分析机械加工中可能产生误差的主要原因 对零件表面粗糙度 零件表面层的物理力学性能 加工硬化 残余应力 金相组织的变化与磨削烧伤 等因素 的分析和研究 根据其变化的基本规律和产生误差各方面的因素 提出了提高机加工精度 的相应措施 关键词 机械加工 表面质量 精度 工艺因素 误差 控制措施 中图分类号 TH161 一 提高机械加工表面质量的措施之分析 随着现代机器制造工业的飞速发展 一些重要的零件必须在高速 高温 高压和重载 的条件下工作 对其表面质量提出更高的要求 但是 任何机械加工方法所获得的已加工 表面都不可能达到理想状态 总会存在一定程度的微观几何形状误差 划痕 裂纹 表面 金相组织变化和表面残余应力等缺陷 这些缺陷会影响零件的使用性能 寿命 可靠性 因此 机械加工既要保证零件的尺寸 形状和位置精度 又要保证机械加工表面质量 1 机械加工表面质量对零件使用性能的影响 在机械加工中 零件的加工表面产生微观不平 残余应力等各种缺陷 虽然仅存 于零件极薄的表面层中 却严重影响着机械零件的精度 耐磨性 配合性 抗腐蚀性和疲 劳强度等 从而进一步影响机械的使用性能和使用寿命 1 1 表面质量对耐磨性的影响 零件的耐磨性不仅与材料 润滑条件有关 而且还与零件的表面质量有关 当两个表 面接触时 开始时接触表面实际上是一些凸峰顶部接触 实际接触面积是理论接触面积的 一小部分 在外力的作用下 凸峰接触部分将产生很大的压强 当零件作相对运动时 接 触处的部分凸峰就会产生塑性变形被磨掉 实验证明 表面越粗糙 凸峰处压力越大 磨 损加快 表面粗糙度值小 零件接触面积大 耐磨性就好 若表面粗糙度值过小 将使紧 密接触的两个光滑表面间的贮油能力变差 润滑条件恶化 变成干摩擦 加剧磨损 所以 并不是表面粗糙度值越小越耐磨 表面粗糙度与初期磨损量之间存在一个最佳值 1 2 表面质量对零件抗腐蚀性能的影响 当零件在有腐蚀性介质的环境下工作时 腐蚀性介质容易吸附和积聚在粗糙表面的谷 处 并通过微细裂纹向内渗透 实践证明 表面粗糙度越高 零件的腐蚀作用越强烈 此 外 表面残余应力对零件的耐腐蚀性也有较大的影响 残余压应力使零件表面紧密 阻碍 腐蚀性物质进入 可增强零件耐腐蚀性 而残余拉应力则可降低耐腐蚀性 因此 减小零 件表面粗糙度 使表面具有适当的残余应力和加工硬化 均可提高抗腐蚀性能 1 3 表面质量对零件疲劳强度的影响 在交变载荷作用下 零件表面微观不平 划痕等都会引起应力集中而产生疲劳裂纹造 成零件的疲劳破坏 实验表明 对于承受交变载荷的零件 减小其容易产生应力集中部位 如圆角 沟槽处 的表面粗糙度 可以明显提高零件的疲劳强度 另外 当表面层残余 应力为拉应力时 在拉力作用下 会使表面的裂纹扩大而降低疲劳强度 而残余压应力则 可以延缓疲劳裂纹扩展 提高零件疲劳强度 表面层的加工硬化能阻碍疲劳裂纹的出现 但硬化程度过大反而会降低疲劳强度 1 4 表面质量对配合性质的影响 对于间隙配合 如果表面太粗糙 会使配合表面很快磨损而增大配合间隙 降低配合 精度 特别对于液压系统 气压系统的元件 会使泄露量增大 造成机器不能正常工作 对于过盈配合而言 如果表面粗糙度值过大 装配时配合表面的波峰会被挤平 减小了实 际过盈量 降低了配合件的连接强度 从而影响了配合的可靠性 因此 有配合要求的表 面一般都要求有适当小的表面粗糙度 配合要求越高 要求配合的表面粗糙度值越小 2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及控制措施 2 1 切削加工 影响表面粗糙度的主要工艺因素 1 刀具的几何参数 材料和刃磨质量 刀具的几何参数中对表面粗糙度影响最大主要是副偏角 主偏角 刀尖圆弧半径 在 一定的条件下 减小副偏角 主偏角 刀尖圆弧半径都可以降低表面粗糙度 在同样条件 下 硬质合金刀具加工的表面粗糙度值低于高速钢刀具 而金刚石 立方氮化硼刀具又优 于硬质合金 但由于金刚石与铁族材料亲和力大 故不宜用来加工铁族材料 另外 刀具 的前 后刀面 切削刃本身的粗糙度直接影响加工表面的粗糙度 因此 提高刀具的刃磨 质量 使刀具前后刀面 切削刃的粗糙度值应低于工件的粗糙度值 2 切削条件 与切削条件有关的工艺因素 包括切削用量 冷却润滑情况 中 低速加工塑性材料 时 容易产生积屑瘤和鳞刺 所以 提高切削速度 减少积屑瘤和鳞刺 减小零件已加工 表面粗糙度值 对于脆性材料 一般不会形成积屑瘤和鳞刺 所以 切削速度对表面粗糙 度基本上无影响 进给速度增大 塑性变形也增大 表面粗糙度值增大 所以 减小进给 速度可以减小表面粗糙度值 但是 进给量减小到一定值时 粗糙度值不会明显下降 正 常切削条件下 切削深度对表面粗糙度影响不大 因此 机械加工时不能选用过小的切削 深度 合理选用切削液 对工件起到冷却 润滑作用 减少被加工材料的变形和摩擦 降低 切削区温度 抑制积屑瘤和鳞刺的生成 是减少表面粗糙度值有效途径 3 工艺系统的精度和刚度 要想获得很小表面粗糙度 要求工艺系统具有足够的运动精度和刚度 2 2 磨削加工 影响磨削加工表面粗糙度的工艺因素 1 砂轮 1 粒度磨粒越细 单位面积上的磨粒数越多 刻划沟痕越细密 表面粗糙度越小 但磨粒过细 砂轮易堵塞 磨削性能下降 磨削力和磨削温度下降 反而增大表面粗糙度 甚至出现烧伤现象 2 硬度砂轮的硬度要适中 太软 磨粒易脱落 使粗糙度增加 太硬 磨钝了的磨 粒又不易脱落 堵塞砂轮 增加工件材料的塑性变形 也会使工件表面变粗糙 3 砂轮修整砂轮磨钝后必须进行认真修整 目的是使砂轮具有正确的几何形状和锐 利刀刃 砂轮修整的质量越好 砂轮的表面磨粒的等高性越好 磨削出表面粗糙度值越小 2 磨削用量 1 砂轮转速提高砂轮转速 可以减小表面粗糙度 2 工件转速增大工件转速 塑性变形增加 表面粗糙度值也增加 3 工件材料若工件的材料硬度太高 磨粒易磨钝 不易提高表面质量 若工件材料的 塑性 韧性较大 变形大 易堵塞砂轮 也得不到较小表面粗糙度值 2 3 减小机械加工表面粗糙度的加工方法 1 超精密切削 超精密切削是指加工精度高于亚微米 0 1um 级 表面粗糙度值 Ra 在 0 025um 以下 的切削加工方法 单晶金刚石车刀是目前应用最广泛的超精密切削刀具材料 常用来加工 铜 铝或其它有色金属材料 获得超精密表面 2 超精加工 超精加工是一种由切削过程过渡到摩擦抛光过程的加工方法 能获得较高加工表面粗 糙度 Ra 0 01 0 1um 目前 超精加工广泛用于曲轴 凸轮轴 刀具 轴承 精密量仪 及电子仪器等精密零件 3 珩磨 珩磨是利用珩磨工具 细粒度油石或油条 对工件表面施加一定的压力 同时作相对 旋转和往复直线运动 切削工件上极小余量精加工方法 目前广泛应用于中小批生产中孔 的精加工 加工孔的范围很大 直径从几毫米到 1 米 长度从 10 毫米到 20 米 珩磨后的 工件表面粗糙度值控制在 0 025 0 2mm 之间 圆度和圆柱度在 0 003 0 005mm 之间 4 研磨 研磨是用研磨工具 研棒或研套 和研磨剂从工件表面上研去一层极薄金属的精加工 方法 能获得很高表面质量和加工精度 研磨后的工件尺寸和形状误差可达 0 1 0 3mm 表 面粗糙度 Ra 可以达到 0 01 0 04mm 5 抛光 抛光加工是用涂敷有抛光膏的布轮 皮轮等软性工具 利用机械 化学或电化学作用 去除工件表面微观不平处的峰顶 以获得光亮 平整表面的加工方法 抛光加工多用于要 求很低表面粗糙度 尺寸精度要求不太严格的场合 3 影响零件表面层物理力学性能的工艺因素及控制措施 机械加工过程中 在切削力和切削热的作用下 工件表面一定深度内的表面层材料沿 径向产生剪切滑移 晶格扭曲 晶粒拉长并纤维化 金相组织发生变化 导致材料物理 机械性能不同于基体材料 形成变质层 加工硬化 残余应力 金相组织变化等 从而影 响零件表面质量 3 1 表面层的加工硬化 表面层的加工硬化程度取决于产生塑性变形时力 变形速度和变形温度 试验证明 力越大 塑性变形就越大 产生的加工硬化也越大 变形速度越大 塑性变形就越不充分 产生硬化程度相应减小 变形温度高 则硬化程度减小 因此 提高切削速度 减小进给 量和背吃刀量 都可以减小切削变形和切削力 减轻加工硬化 增大刀具前角和后角 减 小刃口钝圆半径 提高刀具的锋利性 可以减小挤压变形和切削力 从而减轻加工硬化 另外 合理 用切削液 减小刀具后刀面与加工表面间摩擦 同样降低加工硬化程度 3 2 表面残余应力 机械加工后 工件表面层的残余应力是冷态塑性变形 热态塑性变形和金相组织变化 三者综合作用结果 切削加工时主要由冷态塑性变形引起的残余应力 磨削加工时主要是 热态塑性变形和金相组织变化引起体积变化而产生的残余应力 总之 凡能减小塑性变形 和降低切削或磨削温度的因素 都可以减少零件表层残余应力 3 3 表面层的金相组织变化 磨削烧伤 机械加工中 因变形和摩擦所消耗的能量大部分转变为切削热 当切削区温度达到临 界点 727 时 表层金属会发生金相组织变化 只有磨削加工 由于磨削速度高 磨削 厚度小 磨粒负前角切削等原因 产生的热量比切削加工大得多 磨削区温度很高 工件 表面层温度达 900 以上 容易引起金相组织变化 导致强度和硬度下降 产生残余应力 出现微观裂纹 严重时产生烧伤现象 影响磨削烧伤的因素 1 磨削用量当磨削深度增大时 工件表层的温度则明显增加 易引起烧伤或加剧烧 伤 故磨削深度不能太大 同时提高工件转速和砂轮转速 既可以减轻工件表面的烧伤 又可以提高生产率 增大工件的纵向进给速度 磨削区表面温度降低 烧伤减小 为了弥 补纵向进给速度增大而导致表面粗糙度值增大 可采用较宽砂轮进行磨削加工 2 砂轮特性为了降低磨削区温度 减轻烧伤 应采用硬度较软 组织疏松 粗粒度 及结合剂弹性好的砂轮 3 冷却方法采用切削液能有效地降低切削区温度 可以避免烧伤 目前 通用的冷 却方法效果较差 实际上没有多少切削液进入磨削区 比较最有效的冷却方法有内冷却 高压大流量冷却法 喷雾冷却润滑法和浸油砂轮等 4 结束语 只有了解和掌握影响机械加工表面质量的因素 才能在生产实践中 采取相应的工艺 措施 减少零件因表面质量缺陷而引起的加工质量问题 从而提高机械产品的使用性能 寿命和可靠性 二 提高机械加工精度的措施之分析 机械加工 以下简称机加工 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 在机加工中 产生误差是不可避免的 但误差必须在规定允许 的范围内 本人对机加工中的误差进行了分析归纳 根据其变化的一些基本规律 从而采 取相应的措施减少机加工误差 以提高机加工精度 现与大家一起探讨 1 机加工产生误差主要因素 1 1 定位误差 一是基准不重合误差 在零件图上用来确定某一表面尺寸 位置所依 据的基准称为设计基准 在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸 位置所依 据的基准称为工序基准 在机床上对工件进行加工时 须选择工件上若干几何要素作为加 工时的定位基准 如果所选用的定位基准与设计基准不吻合 就会产生基准不重合误差 二是定位副制造不准确误差 夹具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得绝对准确 它们 的实际尺寸 或位置 都允许在分别规定的公差范围内变动 工件定位面与夹具定位元件共 同构成定位副 由于定位副制造得不准确和定位副间的配合间隙引起的工件最大位置变动 量 称为定位副制造不准确误差 1 2 主轴回转误差 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 产生主轴径向回转误差的主要原因有 主轴几段轴颈的同轴度误差 轴承本 身的各种误差 轴承之间的同轴度误差 主轴绕度等 适当提高主轴及箱体的制造精度 选用高精度的轴承 提高主轴部件的装配精度 对高速主轴部件进行平衡 对滚动轴承进 行预紧等 都可提高机床主轴的回转精度 1 3 传动链误差 传动链的传动误差是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间相 对运动的误差 传动误差是由传动链中各组成环节的制造和装配误差和使用过程中的磨损 所引起 1 4 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重点表现在三个方面 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 除了导轨本身的制造误差外 导轨的不均匀磨损 及安装质量 也是造成导轨误差的重要因素 1 5 刀具的几何误差 任何刀具在切削过程中 都会不可避免地产生磨损 由此引起 工件尺寸和形状的改变 正确地选用刀具材料和选用新型耐磨的刀具材料 合理地选用刀 具几何参数和切削用量 正确地采用冷却液等 均能最大限度地减少刀具的尺寸磨损 必 要时还可采用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿 1 6 工艺系统受力变形产生的误差 是工件刚度 工艺系统中如果工件刚度相对于 机床 刀具 夹具来说比较低 在切削力的作用下 工件由于刚度不足而引起的变形对加 工精度的影响就比较大 是刀具刚度 外圆车刀在加工表面法线 y 方向上的刚度很大 其变形可以忽略不计 镗直径较小的内孔 刀杆刚度很差 刀杆受力变形对孔加工精度就 有很大影响 是机床部件刚度 机床部件由许多零件组成 机床部件刚度迄今尚无合适的简易计算方法 目前主要还是用 实验方法来测定机床部件刚度 变形与载荷不成线性关系 加载曲线和卸载曲线不重合 卸载曲线滞后于加载曲线 只有当加载曲线起点才和卸载曲线终点重合 残余变形才逐渐 减小到零 1 7 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 50 1 8 调整误差 在机加工的每一工序中 总要对工艺系统进行这样或那样的调整工作 由于调整不可能绝对地准确 因而产生调整误差 在工艺系统中 工件 刀具在机床上的 互相位置精度 是通过调整机床 刀具 夹具或工件等来保证的 当机床 刀具 夹具和 工件毛坯等的原始精度都达到工艺要求而又不考虑动态因素时 调整误差的影响 对加工 精度起到决定性的作用 1 9 测量误差 零件在加工时或加工后进行测量时 由于测量方法 量具精度以及工 件和主客观因素都直接影响测量精度 2 提高机加工精度的措施 2 1 减少原始误差 提高加工零件所使用机床的几何精度 提高夹具 量具及工具本 身精度 控制工艺系统受力 受热变形产生的误差 减少刀具磨损 内应力引起的变形误 差 尽可能减小测量误差等均属于直接减少原始误差 为了提高机加工精度 需对产生加 工误差的各项原始误差进行分析 根据不同情况对造成加工误差的主要原始误差采取相应 的解决措施 对于精密零件的加工应尽可能提高所使用精密机床的几何精度 刚度和控制 加工热变形 对具有成形表面的零件加工 则主要是如何减少成形刀具形状误差和刀具的 安装误差 2 2 误差补偿法 对工艺系统的一些原始误差 可采取误差补偿的方法以控制其对零 件加工误差的影响 2 2 1 误差补偿法 该方法是人为地造出一种新的原始误差 从而补偿或抵消原来工 艺系统中固有的原始误差 达到减少加工误差 提高加工精度的目的 2 2 2 误差抵消法 利用原有的一种原始误差去部分或全部地抵消原有原始误差