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机制工艺与夹具设计,第三章机械加工质量,第三章机械加工质量（一）机械加工精度（二）机械加工表面质量,Chap.：机械加工质量,（一）机械加工精度,一概述二影响加工精度的因素及其分析三加工误差的综合分析四提高加工精度的工艺措施,Chap.3-1:机械加工精度,一、概述,高产、优质、低消耗，产品技术性能好、使用寿命长，这是机械制造企业的基本要求。而质量则是最根本的问题加工质量指标分为：加工精度宏观几何参数加工表面质量微观几何参数和表面物理-机械性能等方面的参数,概述,Moretolearn,概述,机械加工精度零件在加工后的几何参数（尺寸、几何形状、表面间的相互位置）的实际值与理论值相符合的程度机械加工精度包括：尺寸精度、形状精度、位置精度三者有联系，也有区别,Moretolearn,所谓理想零件，即对表面形状而言，就是绝对正确的圆柱面、平面、锥面等；对表面位置而言，就是绝对的平行、垂直、同轴和一定的角度等；对尺寸而言，就是零件尺寸的公差带中心由于机械加工中的种种原因，不可能把零件做得绝对精确，总会产生偏差。这种偏差即加工误差。,概述,二、影响加工精度的因素及其分析,工艺系统由机床、夹具、刀具和工件构成的一个完整系统原始误差工艺系统中的误差,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,影响加工精度的因素及其分析,1加工原理误差（理论误差）原理误差即在加工中采用了近似的加工运动、近似的刀具轮廓和近似的加工方法而产生的原始误差,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,影响加工精度的因素及其分析,近似的刀具和工件的运动联系所带来的加工误差例如车模数螺纹时，传动比I=只要能保证加工精度和零件的使用性能，一定的原理误差是允许的。这种误差不应超过相应公差的1015%。,Moretolearn,近似的刀具轮廓带来的误差例如用模数铣刀铣齿轮，由于：铣刀的成形面不是纯粹的渐开线；模数相同而齿数不同的渐开线齿轮齿形是不同的，一把铣刀铣一组齿数的齿轮，故存在原理误差再如，用齿轮滚刀加工齿轮时，滚刀也是采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线蜗杆,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,近似的加工方法带来的误差例如，用尖车刀车外圆，也不是光滑的圆柱面，而是一个螺旋面,影响加工精度的因素及其分析,2机床、刀具、夹具的制造误差与磨损机床误差包括机床本身各部件的制造误差、安装误差和使用过程中磨损,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,影响加工精度的因素及其分析,主轴回转运动误差及其影响因素回转运动的精度取决于其回转中心相对刀具或工件的位置精度，即取决于机床主轴的回转精度主轴回转误差有三种：主轴的径向跳动、主轴的轴向窜动、主轴的角度摆动,影响加工精度的因素及其分析,影响主轴回转精度的因素：滑动轴承轴颈或滚动轴承滚道圆度误差滚动轴承内环的壁厚误差滑动轴承轴颈、轴承套或滚动轴承滚道的波度滚动轴承滚子的圆度误差和尺寸偏差轴承间隙以及切削中的受力变形轴承定位端面与轴心线垂直度误差轴承端面之间的平行度误差锁紧螺母端面的跳动等,导轨误差导轨是确定主要部件相对位置的基准，也是运动基准，各项误差直接影响被加工工件的精度对导轨的精度要求主要有：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）,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,影响加工精度的因素及其分析,导轨误差对加工精度的影响：如车削时导轨在水平面内弯曲，向前凸出，则出现鼓形误差；向后凸出，则出现鞍形误差,传动链误差传动链误差产生的原因传动元件的制造误差、传动元件的装配误差、使用过程中的磨损,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,影响加工精度的因素及其分析,减少传动链误差对加工精度的影响，可采取如下措施：缩短传动链提高传动链的制造精度和装配精度设法消除传动链的间隙采用误差校正机构提高传动精度,刀具的制造误差与磨损刀具的制造误差刀具的制造误差对加工精度的影响，根据刀具的种类不同而不同。定尺寸刀具以刀具尺寸误差为主；成形刀具以刀具形状误差为主刀具的磨损：分为三个阶段：初始磨损、正常磨损、急剧磨损,影响加工精度的因素及其分析,减少刀具制造误差对加工精度的影响的措施：提高制造精度合理选择刀具材料合理选择切削用量合理选择刀具几何参数合理选择冷却润滑准确刃磨，减少磨损,影响加工精度的因素及其分析,夹具的制造误差与磨损夹具的制造误差主要是定位元件、夹紧元件、导向元件、分度元件、夹具体等的制造误差夹具的误差除制造误差外，还有夹具安装、工件装夹等误差对加工精度也会带来很大影响夹具的磨损主要是定位元件和导向元件的磨损为减少夹具误差对加工精度的影响，夹具的制造误差必须小于工件的公差；及时更换易损件,影响加工精度的因素及其分析,3工艺系统受力变形及对加工精度的影响工艺系统受力变形的现象加工过程中的力：切削力、传动力、夹紧力、重力、控制力、惯性力、干扰力等,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,工艺系统的刚度刚度工艺系统受外力作用后抵抗变形的能力在上述力的作用下，工艺系统受力变形，刀具和工件相对退让。设刀具相对工件在切削接触点法线方向的相对位移量为y，则工艺系统的刚度是：,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,工艺系统的刚度特性力和变形不是直线关系，即不符合虎克定律加载和卸载曲线不重合卸载后，变形不能恢复到起点部件刚度比我们想象的小,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,影响部件刚度的因素接触变形（接触点的变形）薄弱零件本身的变形间隙的影响摩擦的影响施力方向的影响,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,工艺系统的刚度对加工精度的影响归纳起来为下列常见形式：由于受力点位置的变化而产生的工件形状误差误差复映毛坯材料硬度不均匀使切削力产生变化，工艺系统受力变形随之变化而产生加工误差工艺系统中其它作用力使工艺系统中某些环节受力变形而产生加工误差,影响加工精度的因素及其分析,误差复映规律误差复映由毛坯加工余量和材料硬度的变化引起切削力和工艺系统受力变形的变化，因而产生工件的尺寸、形状误差的现象,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,误差复映规律误差复映系数：定量反映毛坯误差经过加工后减少的程度=当加工过程有多次走刀时，每次走刀的复映系数为1、2、3，则总复映系数总=123可简化为总（1）n,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,由于1，所以经过多次走刀，则可能使毛坯误差复映到工件上的误差减少到公差带允许值的范围内例：一个工艺系统，其误差复映系数为0.25，工件在本工序前的圆度误差0.5mm，为保证本工序0.01mm的形状精度，本工序最少走刀几次？解：0.5(0.25)n0.01解得n=3,影响加工精度的因素及其分析,减少工艺系统受力变形的措施提高表面配合质量，以提高接触刚度或者预加载荷，以提高接触刚度或者锁紧暂不需移动的部件，以提高接触刚度设置辅助支承，提高部件刚度,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,影响加工精度的因素及其分析,缩短切削力作用点和支承点的距离，提高工件刚度选择合理的零件结构和断面形状提高刀具刚度；改善材料性能合理装夹工件，减少夹紧变形,4工艺系统热变形及对加工精度的影响工艺系统热变形的现象工艺系统受热升温而使工件、刀具及机床的许多部分会因温度升高而产生复杂变形改变工件、刀具、机床间的相互位置破坏刀具与工件间相互运动的正确性改变已调整好的加工尺寸引起切削深度和切削力改变破坏传动链的精度,影响加工精度的因素及其分析,引起热变形的热源：内部热源：切削热，摩擦热，电气等外部热源：环境温度变化，取暖设备，热幅射等,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,影响加工精度的因素及其分析,减少和控制工艺系统热变形的主要途径结构措施采用热对称结构使关键件的热变形在无害于加工精度的方向移动合理安排支承位置，使产生热变形位移的有效部分缩短发热量大的热源采取足够的冷却措施，采用热补偿方法减少热变形均衡关键件的温升，避免弯曲隔离热源,工艺措施环境恒温，避免光照保持工艺系统热平衡，如加工前机床空转一段时间（精密加工中途不停车）装夹时考虑加工热变形方向注意选材提高切削速度和走刀量保持刀具锋利（降低切削热）粗、精加工分开切削区施加充分的冷却液,影响加工精度的因素及其分析,5工件的内应力引起的变形基本概念内应力当外载荷去除后，仍残留在工件内部的应力,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,内应力的成因：内因：由于金属内部宏观的或者微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的外因：热加工或者冷加工温度变化伴随金相组织变化冷热不均，金相组织变化切削加工，强烈的塑性变形引起表层应力,影响加工精度的因素及其分析,几种产生内应力的工艺过程毛坯制造中产生的内应力铸造、锻造、焊接和热处理过程中，因热胀冷缩不匀以及金相组织转变冷校直带来的内应力,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,切削加工的附加应力切除金属后，破坏了原有的内应力平衡高温、高压下，局部表面层因不均匀的塑性变形而产生内应力时效中产生的二次应力时效过程冷却阶段产生的二次残余应力,影响加工精度的因素及其分析,消除内应力的措施改变加工工艺和加工用量人工时效（热处理）和自然时效敲击振动合理设计结构采用特殊加工手段,影响加工精度的因素及其分析,6度量误差、调整误差以及安装误差度量误差引起测量误差的原因：量具本身的误差测量方法引起测量力引起温度引起,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,影响加工精度的因素及其分析,减少或消除度量误差的措施提高量具精度，合理选择量具注意操作方法注意测量条件,调整误差工艺系统的调整问题有：机床的调整、夹具的调整、刀具的调整不同的调整方式，有不同的误差来源,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,试切法调整度量误差：试切调整过程中由于度量失误或不准而引起误差加工余量影响：最小切屑厚度太小，以致刀刃打滑，不起切削作用微量进给误差：最后一刀容易出现爬行,影响加工精度的因素及其分析,Moretolearn,各机构调整机构的制造精度机构的灵敏度调整的准确性样件或样板调整大批量，多刀加工时采用样板本身的误差（制造和安装误差）对刀误差,影响加工精度的因素及其分析,安装误差定位误差基准不重合引起定位元件和定位面制造误差元件配合间隙引起夹紧误差夹紧机构的夹紧力不当引起夹紧方式不当引起夹紧状态不良引起,影响加工精度的因素及其分析,三、加工误差的综合分析,1误差的性质误差分为两类：系统性误差当连续加工一批零件时，误差的大小和方向或是保持不变，或是按一定规律变化。前者称为常值系统性误差，后者称为变值系统性误差,加工误差的分析,Moretolearn,常值系统性误差有：原理误差，刀具、夹具、量具、机床的制造误差，调整误差，系统受力变形变值系统性误差有：工艺系统热变形，刀具、夹具、量具、机床磨损,加工误差的分析,Moretolearn,随机性误差加工一批零件时，其误差的大小和方向无规律地变化，这类误差称为随机性误差随机性误差有：复映误差，定位误差，夹紧误差，多次调整引起的误差，内应力引起的误差,加工误差的分析,2加工误差的数理统计分析法实际分布曲线将零件按尺寸大小以一定的间隔范围分成若干组，同一尺寸间隔内的零件数称为频数mI，零件总数n；频率为mi/n。以频数或频率为纵坐标，以零件尺寸为横坐标，画出直方图，进而画成一条折线，即为实际分布曲线,加工误差的分析,理论分布曲线实践证明，当被测量的一批零件（机床上用调整法一次加工出来的一批零件）的数目足够大而尺寸间隔非常小时，则所绘出的分布曲线非常接近“正态分布曲线”正态分布曲线的方程为：,加工误差的分析,Moretolearn,加工误差的分析,利用正态分布曲线可以分析产品质量；可以判断加工方法是否合适；可以判断废品率的大小，从而指导下一批的生产零件出现的概率已达99.73%，在此尺寸范围之外（）的零件只占0.27%,加工误差的分析,Moretolearn,加工误差的分析,如果代表零件的公差T，则99.73%就代表零件的合格率，0.27%就表示零件的废品率因此，=T时，加工一批零件基本上都是合格品了，即时，产品无废品,四、提高加工精度的工艺措施,1直接消除和减少误差法例如车细长轴的三条措施：采用反向走刀（进给）切削采用大进给量和大主偏角（9093）车刀在卡盘一端车出一个缩颈,提高加工精度的工艺措施,Moretolearn,2误差补偿法人为地制造出一种新的或者利用原有的一种原始误差去抵消另一种原始误差例如预加载荷精加工磨床床身导轨；用校正机构提高丝杆车床传动链精度3误差转移法将工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等转移到不影响加工精度的方向去例如，镗模镗孔，主轴与镗杆采用浮动联接,提高加工精度的工艺措施,4误差平均法例如，研磨加工高精度的轴和孔，利用误差相互比较、相互消除来提高精度；再如，刮研精密平板5“就地加工”法例如车床配制主轴法兰盘；再如转塔车床加工转塔上的六个刀架安装孔6控制误差法对付变值系统性误差必须采用可变补偿的方法,提高加工精度的工艺措施,三种形式：主动测量：加工过程中随时测量，随时进行误差补偿偶件配合测量：以互配件中的一件作为基准去控制另一件积极控制起决定性作用的加工条件：例如精密螺纹磨床的自动恒温控制,提高加工精度的工艺措施,（二）机械加工表面质量,一零件的表面质量及其对使用性能的影响二影响机械加工表面粗糙度的因素三影响表面物理力学性能的工艺因素四磨削的表面质量五控制表面质量的工艺途径,Chap.3-2:机械加工表面质量,一、零件的表面质量及其对使用性能的影响,1概述表面质量是指零件加工后的表面层状态表面质量影响零件的工作性能、可靠性、寿命,零件的表面质量及其对使用性能的影响,Moretolearn,表面质量的主要内容：表面层的几何形状特征表面粗糙度：即表面微观几何形状误差表面几何形状：即表面宏观不平度波度：介于宏观几何误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差,零件的表面质量及其对使用性能的影响,Moretolearn,表面层的物理力学性能的变化物理力学性能：表面层塑性变形引起的冷作硬化层深度；表面层硬度的变化；表面层内的残余应力；刀瘤引起的撕裂、折皱等；微观及宏观裂纹；性能（如极限强度等）的变化；重熔金属的沉积层,零件的表面质量及其对使用性能的影响,Moretolearn,金相组织：相变；再结晶；过时效。化学性质：晶间腐蚀和选择性浸蚀；表面脆化（氢脆）,零件的表面质量及其对使用性能的影响,Moretolearn,2表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件耐磨性的影响两零件作相对运动时，接触的凸峰处产生弹性变形、塑性变形、剪切等现象，即产生磨损；磨损达到一定程度，接触面积增大，金属分子间的亲和力使表面咬焊；表面轮廓形状、加工纹路以及吸附层、冷作硬化层等也影响耐磨。,零件的表面质量及其对使用性能的影响,Moretolearn,零件表面层材料的冷作硬化，能提高表面层的硬度，增强表面层的接触刚度，减少摩擦表面间发生弹性和塑性变形的可能性，使金属之间咬合的现象减少，因而增强耐磨性。但硬化过度会降低金属组织的稳定性，使表层金属脆化而脱落，致使磨损加剧。,零件的表面质量及其对使用性能的影响,表面质量对零件疲劳强度的影响表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷引起应力集中而产生疲劳损坏；表面层的残余应力和冷作硬化能提高疲劳强度（故有专门的表面强化工艺：喷丸、滚压）；但硬化过度会降低金属组织的稳定性，使表层金属脆化而脱落或产生裂纹，致使磨损加剧。,零件的表面质量及其对使用性能的影响,表面质量对零件抗腐蚀性能的影响零件表面粗糙的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀或电化学腐蚀；在应力状态下，特别是在拉应力状态下工作，容易出现裂纹，引起晶间破坏，产生应力腐蚀。,零件的表面质量及其对使用性能的影响,表面质量影响零件的配合性质相配零件的配合关系是利用间隙量和过盈量来表示的，由于表面粗糙度的存在，使得有效的间隙或过盈量发生变化，影响配合精度和配合性质；动配合件的磨损改变原来的配合性质，影响动配合的稳定性；粗糙的静配合的实际过盈量比预定的小，静配合的可靠性差。,零件的表面质量及其对使用性能的影响,表面质量对零件其他性能的影响零件的表面质量还将对零件的密封性能、零件的接触刚度、运动的灵活性和发热损失、原有精度等产生影响。,零件的表面质量及其对使用性能的影响,3影响表面质量的因素机械加工表面不可能是理想光滑表面表面层材料加工时会产生物理、化学变化切削力、切削热使表层产生各种变化外界介质的腐蚀等等,零件的表面质量及其对使用性能的影响,二、影响机械加工表面粗糙度的因素,1影响切削加工表面粗糙度的因素几何因素尖刀切削时：带圆角半径的刀切削时：,影响机械加工表面粗糙度的因素,Moretolearn,影响表面粗糙度的几何因素有：刀具的几何形状和几何角度进给量刀刃本身的粗糙度物理因素切削力和摩擦力塑性变形过程中形成的积屑瘤切削过程中工件表面上形成鳞刺,影响机械加工表面粗糙度的因素,Moretolearn,工艺系统的动态因素振动机械振动分为自由振动、强迫振动、自激振动三大类，金属切削过程中，主要是强迫振动和自激振动两种类型振动主要是产生波度、粗糙度而影响零件表面质量,影响机械加工表面粗糙度的因素,2降低表面粗糙度的工艺措施合理选择刀具的几何角度适当增大前角、后角增大刀尖圆弧半径减小主、副偏角改善材料切削性能减小材料塑性（采取正火、调质等方法）细化材料晶粒（热处理）,影响机械加工表面粗糙度的因素,合理选择切削用量合理选择切削速度，避开积屑瘤、鳞刺产生的切削速度区减少进给量切削深度不宜过小正确使用切削液乳化液、硫化油、植物油等性能各有不同，应合理选用,影响机械加工表面粗糙度的因素,采用辅助加工方法常用的有：研磨、珩磨、超精加工等提高工艺系统的精度和刚度主运动和进给运动系统的精度要高系统的刚度和抗振性好受力变形和热变形要小,影响机械加工表面粗糙度的因素,三、影响表面物理力学性能的工艺因素,1表面层的残余应力表面层残余应力的产生当切削过程中表面层组织发生形状变化和组织变化时，在表面层及其与基体材料的交界处就会产生互相平衡的弹性应力，称为表面残余应力,影响表面物理力学性能的工艺因素,残余应力分类：零件整个尺寸范围内平衡的残余应力晶粒范围内平衡的残余应力晶胞间平衡的残余应力残余应力产生的原因冷塑性变形（切削力的作用）热塑性变形（切削热的作用）金相组织变化（切削高温作用下，引起表面层金属发生相变）通常是上述三种原因综合作用的结果,影响表面物理力学性能的工艺因素,2表面层的加工硬化表面冷作硬化现象切削（含磨削）过程中，刀具前面迫使金属受到挤压而产生塑性变形，使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并使晶粒拉长、破碎和纤维化，引起材料强化、硬度提高，这就是冷作硬化现象,影响表面物理力学性能的工艺因素,表面层硬化后的金属性质的具体特点为：晶体形状改变（拉长、破碎）晶体方向改变（塑性变形后形成一定方向，纤维化）变形抵抗力增加（产生冷作硬化）导电性、导磁性、导热性亦有变化表面层产生残余应力决定表面层硬化程度的因素产生塑性变形的力塑性变形的速度塑性变形时的温度,影响表面物理力学性能的工艺因素,影响加工冷作硬化的因素切削用量（主要是切削速度、进给量。切削速度的影响：低速时，塑性变形大，冷硬大；速度增加，冷硬减少；但速度超过100m/min时，冷硬又增加。进给量增大，塑性变形增大，冷硬增加；进给量太小，刀具挤压作用增大，冷硬增加。）,影响表面物理力学性能的工艺因素,Moretolearn,影响表面物理力学性能的工艺因素,刀具（刀具的刃口圆角大和后刀面的磨损严重以及前刀面的粗糙度高，都将使得刀具对工件表面层金属的挤压和摩擦作用增加，因而冷硬程度和深度都增加。）工件材料的影响（工件材料硬度越低，切削时塑性变形越大，冷硬现象越严重。）,四、磨削的表面质量,1磨削加工的特点磨削精度高，通常作为终加工工序磨削过程比切削复杂，一般滑擦、刻划、切削作用是同时进行的磨削速度高，通常v砂=4050m/s，目前甚至高达v砂=80200m/s磨削温度高，磨削点附近的瞬时温度可高达8001000，会引起烧伤和裂纹径向切削力大，会引起机床发生振动和弹性变形,磨削的表面质量,2影响磨削加工表面粗糙度的因素砂轮的线速度：砂轮线速度越高，粗糙度越低工件的线速度：工件线速度越低，粗糙度越低纵向进给量：纵向进给量增加，粗糙度增大光磨次数：光磨次数越多，粗糙度越低,磨削的表面质量,Moretolearn,磨削的表面质量,砂轮性质对粗糙度影响：砂轮的粒度砂轮的硬度砂轮的修整工件材料的影响：工件材料太软、太硬、太韧都不容易降低粗糙度,3磨削表面层的残余应力磨削裂纹问题磨削过程中残余应力的产生磨削加工比切削加工的表面残余应力更为复杂：一方面，磨粒切削刃为负前角，法向切削力一般为切向切削力的23倍（切削加工时只有0.5倍）磨粒对加工表面作用，引起冷塑性变形，产生压应力；另一方面，磨削温度高，易引起热塑性变形，表面出现拉应力,磨削的表面质量,Moretolearn,磨削的表面质量,磨削时，残余应力可能超过材料的强度极限，零件会产生裂纹，有的在外表层，有的在内层下；裂纹方向常与磨削方向垂直，或呈网状；裂纹常与烧伤同现,磨削裂纹产生的原因磨削用量：磨削深度和纵向走刀量大，则塑性变形大，切削温度高，拉应力过大，可能产生裂纹工件材料：含碳量高者易裂纹热处理工序：与淬火方式、速度及操作方法有关,磨削的表面质量,Moretolearn,消除和减少磨削裂纹的措施合理选材正确制订热处理工艺逐渐减小切除量改善散热条件，加强冷却效果，设法降低切削热合理选择砂轮,磨削的表面质量,4磨削表面层金相组织变化磨削烧伤问题磨削过程中的烧伤问题磨削过程中，由于磨削温度很高，而且磨削热有6080%传给工件，当磨削温度超过相变临界点时，