机械制造技术基础第4章14秋

1、 产品的质量与零件的加工质量、产品产品的质量与零件的加工质量、产品 的装配质量密切相关，的装配质量密切相关，而零件的加工质量而零件的加工质量 是保证产品质量的基础。是保证产品质量的基础。 4.1 机械加工精度概述机械加工精度概述 尺寸精度尺寸精度 形状精度形状精度 位置精度位置精度 （通常形状误差限制在位置公差内，位（通常形状误差限制在位置公差内，位 置公差限制在尺寸公差内）置公差限制在尺寸公差内） 表面粗糙度表面粗糙度 波度波度 纹理方向纹理方向 伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）伤痕（划痕、裂纹、砂眼等） 加工精度加工精度 表面质量表面质量 表面几何形状精度表面几何形状精度 表面缺陷层表面缺陷层

2、表层加工硬化表层加工硬化 表层金相组织变化表层金相组织变化 表层残余应力表层残余应力 图图4-1 加工质量包含的内容加工质量包含的内容 4.1.1 加工精度与加工误差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、形加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形 状及各表面相互位置等参数）与理想几何参数的符合程度。状及各表面相互位置等参数）与理想几何参数的符合程度。 符合程度越高，加工精度就越高。反之，越低。符合程度越高，加工精度就越高。反之，越低。 理想几何参数理想几何参数 表面表面绝对平面、圆柱面等；绝对平面、圆柱面等； 位置位置绝对平行、垂直、同轴等；绝对平行、垂直、同轴

3、等； 尺寸尺寸位于公差带中心。位于公差带中心。 1.加工精度加工精度 加工误差是指零件加工后的实际几何参数对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，加工误差的大理想几何参数的偏离程度，所以，加工误差的大 小反映了加工精度的高低。小反映了加工精度的高低。 实际加工时不可能也没有必要把零件做得与实际加工时不可能也没有必要把零件做得与 理想零件完全一致，而总会有一定的偏差，即加理想零件完全一致，而总会有一定的偏差，即加 工误差。只要这些误差在规定的范围内，即能满工误差。只要这些误差在规定的范围内，即能满 足机器使用性能的要求。足机器使用性能的要求。 2.加工误差加工误差

4、 4.1.2 尺寸、形状和位置精度间的关系尺寸、形状和位置精度间的关系 独立原则是处理形位公差和尺寸公差关系的独立原则是处理形位公差和尺寸公差关系的 基本原则，即尺寸精度和形位精度按照使用要求基本原则，即尺寸精度和形位精度按照使用要求 分别满足；分别满足； 在一般情况下，尺寸精度高，其形状和位在一般情况下，尺寸精度高，其形状和位 置精度也高；通常，零件的形状误差约占相应尺置精度也高；通常，零件的形状误差约占相应尺 寸公差的寸公差的3050；位置误差约为尺寸公差的；位置误差约为尺寸公差的 6585。 通常：通常： 4.1.3 获得加工精度的方法获得加工精度的方法 1.获得尺寸精度的方法获得尺寸精

5、度的方法 试切法试切法 定尺寸刀具法定尺寸刀具法 调整法调整法 自动控制法自动控制法 2. 获得形状精度的方法获得形状精度的方法 刀尖轨迹法刀尖轨迹法 成形刀具法成形刀具法 展成法展成法 3. 获得位置精度的方法获得位置精度的方法 机床精度机床精度 夹具精度夹具精度 装夹精度装夹精度 4.1.4 原始误差原始误差 由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统 的误差是工件产生加工误差的根源。我们把工艺系统的各的误差是工件产生加工误差的根源。我们把工艺系统的各 种误差称之为原始误差。种误差称之为原始误差。 原始误差是产生加工误差的根源，它包括：原始

6、误差是产生加工误差的根源，它包括： 工艺系统静误差工艺系统静误差 工艺系统几何误差工艺系统几何误差 工艺系统动误差工艺系统动误差 测量误差测量误差 工艺系统热变形工艺系统热变形 工艺系统内应力变形工艺系统内应力变形 机床热变形机床热变形 工件热变形工件热变形 刀具热变形刀具热变形 外力作用点变化外力作用点变化 外力方向变化外力方向变化 外力大小变化外力大小变化 工艺系统力变形工艺系统力变形 刀具磨损刀具磨损 主轴回转误差主轴回转误差 导轨误差导轨误差 传动链误差传动链误差 一般刀具一般刀具 定尺寸刀具定尺寸刀具 成形刀具成形刀具 展成法刀具展成法刀具 试切法试切法 调整法调整法 机床几何误差机

7、床几何误差 原理误差原理误差 调整误差调整误差 定位误差定位误差 刀具几何误差刀具几何误差 夹具几何误差夹具几何误差 4.1.5 误差的敏感方向误差的敏感方向 n各种原始误差的大小和方向是各不相同的；各种原始误差的大小和方向是各不相同的； n加工误差则必须在工序尺寸方向度量；加工误差则必须在工序尺寸方向度量； n不同的原始误差对加工精度有不同的影响。不同的原始误差对加工精度有不同的影响。 R Y R R R =X 2 0 2 Y Y R R （4-1） X RX （4-2） 显然： XY RR 图4-4 误差敏感方向 Y R0 X a） Y R0 X b） 4.2.1、原理误差、原理误差 原理

8、误差是指由于采用了近似的加工方法、近似的成原理误差是指由于采用了近似的加工方法、近似的成 形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。 n采用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆齿轮滚刀滚齿采用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆齿轮滚刀滚齿 4.2 工艺系统的几何误差工艺系统的几何误差 13 原理性误差原理性误差 图： 原理性加工误差 4.2.2 测量误差测量误差 量具误差量具误差 测量人员测量人员 测量方法测量方法 4.2.3 装夹误差装夹误差 L0.05 6F7 10 F7 k6 20 H 7 g 6 Y Z 图4-19 钻径向孔的夹具 工件装夹误差工件装夹误差 定位误差定位误差

9、 夹紧误差夹紧误差 夹具对定误差夹具对定误差 对刀误差对刀误差 夹具位置误差夹具位置误差 一般刀具一般刀具 定尺寸刀具定尺寸刀具 成形刀具成形刀具 展成法刀具展成法刀具 如普通车刀、单如普通车刀、单 刃镗刀和面铣刀等的刃镗刀和面铣刀等的 制造误差对加工精度制造误差对加工精度 没有直接影响，没有直接影响， 定尺寸刀具（如定尺寸刀具（如 铰刀、圆孔拉刀等）铰刀、圆孔拉刀等） 的尺寸误差直接影响的尺寸误差直接影响 被加工工件的尺寸精被加工工件的尺寸精 度。刀具的安装和使度。刀具的安装和使 用不当，也会影响加用不当，也会影响加 工精度。工精度。 成形刀具（如成形车成形刀具（如成形车 刀、成形铣刀、盘形

10、齿刀、成形铣刀、盘形齿 轮铣刀等）的误差主要轮铣刀等）的误差主要 影响被加工面的形状精影响被加工面的形状精 度度 展成法刀具（如齿轮展成法刀具（如齿轮 滚刀、插齿刀等）加工齿滚刀、插齿刀等）加工齿 轮时，刀刃的几何形状及轮时，刀刃的几何形状及 有关尺寸精度会直接影响有关尺寸精度会直接影响 齿轮加工精度齿轮加工精度 4.2.4 刀刀 具具 误误 差差 4.2.5 机床几何误差机床几何误差 机床几何误差的来源机床几何误差的来源 机床制造机床制造 磨损磨损 安装安装 机床几何误差的组成机床几何误差的组成 主轴回转误差主轴回转误差 导轨误差导轨误差 传动链误差传动链误差 运动间位置关系误差运动间位置关

11、系误差 机床的几何误差组成机床的几何误差组成 机床几何误差机床几何误差 机床传动链误差机床传动链误差 机床主轴回转误差机床主轴回转误差 机床导轨误差机床导轨误差 轴向窜动轴向窜动 径向跳动径向跳动 角度摆动角度摆动 水平面内直线度水平面内直线度 垂直面内直线度垂直面内直线度 前后导轨的平行度前后导轨的平行度 内联传动链始末两内联传动链始末两 端传动元件间相对端传动元件间相对 运动误差运动误差 运动间位置关系误差运动间位置关系误差 1、机床主轴回转误差、机床主轴回转误差 （1）机床主轴回转误差的概念）机床主轴回转误差的概念 主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线（一般用平均主轴的实际回转轴线对其理想

12、回转轴线（一般用平均 回转轴线来代替）产生的偏移量。回转轴线来代替）产生的偏移量。 主轴回转误差的基本形式主轴回转误差的基本形式 轴向窜动轴向窜动 纯径向跳动纯径向跳动 纯角度摆动纯角度摆动 实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。由于主轴实际实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。由于主轴实际 回转轴线在空间的位置是在不断变化的，由上述三种运动所产生的位回转轴线在空间的位置是在不断变化的，由上述三种运动所产生的位 移（即误差）是一个瞬时值。移（即误差）是一个瞬时值。 n(2)主轴回转轴线的误差运动主轴回转轴线的误差运动 na.主轴回转轴线的误差运动三种基本形式主轴回转轴线的误差运动三

13、种基本形式 轴向窜动轴向窜动 径向跳动径向跳动 角度摆动角度摆动 21 主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响 镗削加工：镗削加工：镗刀回转，工件不转 假设由于主轴的纯径向跳动而使轴线在y坐标方向作简谐 运动（如下图），其频率与主轴转速相同，简谐幅值为A； 则: Y = Acos （ t） 且主轴中心偏移最大（等于A）时，镗刀尖正好通过水平 位置1处。 当镗刀转过一个角时（位置1），刀尖轨迹的水平分 量和垂直分量分别计算得： y=Acos+Rcos=(A+R)cos Z=Rsin 将上两式平方相加得: / + / =1 表明此时镗出的孔为椭圆形。

14、2 y 2 z 2 )(RA 2 R 22 镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响 . AA R Om 1 1， ， Acos O 2 3 4 O Rsin (A+R）cos 23 主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响 车外圆时：车外圆时：工件回转，刀具移动工件回转，刀具移动 假设主轴轴线沿假设主轴轴线沿y轴作简谐运动（如下图所轴作简谐运动（如下图所 示），在工件的示），在工件的1处（主轴中心偏移最大之处）处（主轴中心偏移最大之处） 切出的半径比在工件的切出的半径比在工件的2、4处切出的半径小一个处切出的半径小一个 幅值

15、幅值A；在工件的；在工件的3处切出的半径比在工件的处切出的半径比在工件的2、 4处切出的半径大一个幅值处切出的半径大一个幅值A。 2222 2yzRA COS 24 主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响 这样，上述四这样，上述四 点工件的直径都相点工件的直径都相 等，其它各点直径等，其它各点直径 误差也很小，所以误差也很小，所以 车削出的工件表面车削出的工件表面 接近于一个真圆。接近于一个真圆。 由此可见，主轴由此可见，主轴 的纯径向跳动对的纯径向跳动对 车削加工工件的车削加工工件的 圆度影响很小。圆度影响很小。 推力轴承 取决于止推轴承两个滚道

16、的精度和取决于止推轴承两个滚道的精度和 滚动体的精度。滚动体的精度。 滚道端面平面度误差及与回转轴线滚道端面平面度误差及与回转轴线 的垂直度误差（图的垂直度误差（图4-124-12） 滑动轴承： 主轴轴颈的轴向载荷面或主主轴轴颈的轴向载荷面或主 轴轴承端面与轴线的垂直度轴轴承端面与轴线的垂直度 误差。误差。 大小取决于精度高者。大小取决于精度高者。 a） b） 0 图4-12 止推轴承端面误差对主轴 轴向窜动的影响 轴向窜动轴向窜动 轴向窜动的影响轴向窜动的影响 主轴的轴向窜动对内、外圆的加工精度没有主轴的轴向窜动对内、外圆的加工精度没有 影响，但加工端面时，会使加工的端面与内外圆影响，但加工

17、端面时，会使加工的端面与内外圆 轴线产生垂直度误差。轴线产生垂直度误差。 主轴每转一周，要沿轴向窜动一次，使得切主轴每转一周，要沿轴向窜动一次，使得切 出的端面产生平面度误差（出的端面产生平面度误差（图图4-6）。当加工螺纹）。当加工螺纹 时，会产生螺距误差。时，会产生螺距误差。 图图46 主轴轴向窜动对端面加工精度的影响主轴轴向窜动对端面加工精度的影响 28 主轴轴承误差分析主轴轴承误差分析 主轴部件采用滑动轴承作为支承时：主轴部件采用滑动轴承作为支承时：主轴轴径在主轴轴径在 滑动轴承的轴瓦孔内旋转（如下图所示）：滑动轴承的轴瓦孔内旋转（如下图所示）： 29 主轴轴承误差分析主轴轴承误差分析

18、 对于车床主轴对于车床主轴 对于车床主对于车床主 轴轴 车削外圆时：车削外圆时：由于切削力的方向不由于切削力的方向不 变，主轴旋转时，主轴轴颈始终被变，主轴旋转时，主轴轴颈始终被 压向轴瓦孔的某一侧如上图压向轴瓦孔的某一侧如上图(a)所所 示，故主轴轴颈的圆度误差将直接示，故主轴轴颈的圆度误差将直接 传给被切削的工件。传给被切削的工件。 而轴瓦孔的圆度误差基本不影而轴瓦孔的圆度误差基本不影 响主轴轴线的回转精度。响主轴轴线的回转精度。 30 主轴轴承误差分析主轴轴承误差分析 . 对于镗床主对于镗床主 轴轴 主轴上的切削力的方向是随镗刀的旋转而改变主轴上的切削力的方向是随镗刀的旋转而改变 ,如上

19、图如上图(b)所示，在切削力所示，在切削力F的作用下，主轴总是的作用下，主轴总是 以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位 接触，部分轴颈表面在轴瓦孔的孔壁上滑动，故接触，部分轴颈表面在轴瓦孔的孔壁上滑动，故 轴瓦孔的形状误差将直接传给工件轴瓦孔的形状误差将直接传给工件 而轴颈的形状误差将不影响加工精度。而轴颈的形状误差将不影响加工精度。 * 几何轴线与平均轴线成空间锥角几何轴线与平均轴线成空间锥角 车削和镗孔时工件每一横截面内的圆度误差很小，圆柱车削和镗孔时工件每一横截面内的圆度误差很小，圆柱 度误差（锥度）。度误差（锥度）。 * 几何轴线与平均轴

20、线成平面锥角几何轴线与平均轴线成平面锥角 镗孔椭圆柱，车削圆柱，圆柱度误差（锥度）。如镗孔椭圆柱，车削圆柱，圆柱度误差（锥度）。如图图4-7所所 示。示。 角度摆动对车、镗削加工精度的影响角度摆动对车、镗削加工精度的影响 主轴纯角度摆动对加工精度的影响，取决于不同主轴纯角度摆动对加工精度的影响，取决于不同 的加工内容。的加工内容。 图图47 主轴纯角度摆动对镗孔精度的影响主轴纯角度摆动对镗孔精度的影响 提高回转精度的措施提高回转精度的措施 高精度轴承；高精度轴承； 提高主轴、主轴箱、主轴部件精度；提高主轴、主轴箱、主轴部件精度； 动平衡。动平衡。 2、直线运动精度、直线运动精度 直线运动精度主

21、要是导轨的导向精度。主要取决直线运动精度主要是导轨的导向精度。主要取决 于导轨制造精度及其与工作台的接触精度。于导轨制造精度及其与工作台的接触精度。 机床导轨误差的基本形式机床导轨误差的基本形式 水平面内的直线度水平面内的直线度 垂直面内的直线度垂直面内的直线度 前后导轨的平行度前后导轨的平行度 （扭曲）（扭曲） 现以卧式车床为例，说明导轨误差是怎样影响工件现以卧式车床为例，说明导轨误差是怎样影响工件 的加工精度的。的加工精度的。 35 机床导轨误差机床导轨误差 导轨精度要求主要有以下三方面：导轨精度要求主要有以下三方面： 在水平面内的直线度在水平面内的直线度（以卧式车床为例）（以卧式车床为例

22、） 36 机床导轨误差机床导轨误差 n. 误差误差1将直接反映在工件加工表面法线方将直接反映在工件加工表面法线方 向（误差敏感方向）上，向（误差敏感方向）上，对加工精度影响最大对加工精度影响最大。 刀尖在水平面内的运动轨迹刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形造成工件轴向形 状误差状误差。 在垂直面内的直线度在垂直面内的直线度 对工件的尺寸和形状误差影响比对工件的尺寸和形状误差影响比1小小 得多（如下图）：得多（如下图）： 37 在垂直面内的直线度在垂直面内的直线度 对卧式车床对卧式车床R R 2/2/D ,D ,若设若设 2= 0.1mm,2= 0.1mm,DD=40mm=40mm， 则则R

23、 R =0.00025mm=0.00025mm，影响可忽略不计，影响可忽略不计。 而对平面磨床、龙门刨床误差将直接反映在工件上。而对平面磨床、龙门刨床误差将直接反映在工件上。 （3）前后导轨平行度误差的影响）前后导轨平行度误差的影响 床身前后导轨有平行度误差（扭曲）时，会使车床床身前后导轨有平行度误差（扭曲）时，会使车床 溜板在沿床身移动时发生偏斜，从而使刀尖相对工件产溜板在沿床身移动时发生偏斜，从而使刀尖相对工件产 生偏移，使工件产生形状误差（鼓形、鞍形、锥度）。生偏移，使工件产生形状误差（鼓形、鞍形、锥度）。 从图从图4-11可知，车床前后导轨扭曲的最终结果反可知，车床前后导轨扭曲的最终结

24、果反 映在工件上，于是产生了加工误差映在工件上，于是产生了加工误差y。从几何关从几何关 系中可得出：系中可得出： yH/B 一般车床一般车床H2B/3，外圆磨床外圆磨床HB，因此该项原因此该项原 始误差对加工精度的影响很大。始误差对加工精度的影响很大。 图图411 车床导轨扭曲对工件形状精度影响车床导轨扭曲对工件形状精度影响 4 机床传动链误差机床传动链误差 在车螺纹、插齿、滚齿等加工时，刀具与工件之在车螺纹、插齿、滚齿等加工时，刀具与工件之 间有严格的传动比要求。要满足这一要求，机床内联间有严格的传动比要求。要满足这一要求，机床内联 系传动链的误差必须控制在允许的范围内。系传动链的误差必须控

25、制在允许的范围内。 （1）机床传动链误差定义）机床传动链误差定义 指内联系传动链始末指内联系传动链始末 两端执行元件间相对运动两端执行元件间相对运动 的误差。的误差。 （2）机床传动链误差描述）机床传动链误差描述 例如，车螺纹时，要求主轴与传动丝杠的转速比恒定例如，车螺纹时，要求主轴与传动丝杠的转速比恒定 （图示），即（图示），即 iTTiii iT zzzz zzzz S 4321 8642 7531 Z1 Z2 （3）传动误差的产生）传动误差的产生 2 1 12 z z i 1122 i 1 2 12i121 18i1 图图 车螺纹的传动误差示意图车螺纹的传动误差示意图 S工件导程；工件导

26、程；T丝杠导程；丝杠导程；Z1Z8各齿轮齿数各齿轮齿数 （3）减少传动链误差的措施）减少传动链误差的措施 1）尽量缩短传动链。）尽量缩短传动链。 2）提高传动件的制造和安装精度，尤其是末端）提高传动件的制造和安装精度，尤其是末端 零件的精度。零件的精度。 3）尽可能采用降速运动，且传动比最小的一级）尽可能采用降速运动，且传动比最小的一级 传动件应在最后。传动件应在最后。 4）采用误差校正机构。）采用误差校正机构。 工艺系统：工艺系统： 机床、夹具、机床、夹具、 工件、刀具工件、刀具 切削力、传动力、切削力、传动力、 惯性力、夹紧力、惯性力、夹紧力、 重力重力 产生加工误差产生加工误差 （举例）

27、（举例） 破坏了刀具、工破坏了刀具、工 件间相对位置件间相对位置 4.3 加工过程中原始误差对加工精度的影响加工过程中原始误差对加工精度的影响 工艺系统受力变形现象工艺系统受力变形现象 4.3.1 工艺系统受力变形引起的加工误差工艺系统受力变形引起的加工误差 45 1 1、工艺系统受力变形现象、工艺系统受力变形现象 46 工艺系统的刚度工艺系统的刚度 工艺系统整体抵抗其变形的能力工艺系统整体抵抗其变形的能力。其大小为：其大小为： n径向切削分力径向切削分力Fy与工艺系统在该方向上的变形与工艺系统在该方向上的变形y 的比值，即：的比值，即： n =K系 工艺系统刚度的概念工艺系统刚度的概念 y

28、F y 47 工艺系统的刚度是由组成工艺系统各部件的刚度工艺系统的刚度是由组成工艺系统各部件的刚度 决定的决定的。工艺系统的总变形量为：。工艺系统的总变形量为： 各环节的刚度：各环节的刚度： 代入上式，可得：代入上式，可得： 由此可知，工艺系统的刚度的倒数等于系统各环节 刚度的倒数之和。工艺系统的刚度主要取决于薄弱 环节的刚度。 工件夹具刀具机床系 yyyyy 系统刚度与环节刚度系统刚度与环节刚度 工件 工件 夹具 夹具 刀具 刀具 机床 机床 ； y F K y F K y F K y F K yyyy 工件夹具刀具机床系统 KKKKK 11111 切削力切削力 大小变化引起的加工误差（误差

29、复映）大小变化引起的加工误差（误差复映） 在加工过程中，由于工件加工余量或材料硬度不均匀，在加工过程中，由于工件加工余量或材料硬度不均匀， 都会引起径向力的变化，从而使工艺系统受力变形不一致都会引起径向力的变化，从而使工艺系统受力变形不一致 而产生加工误差。而产生加工误差。 以车削短圆柱工件外圆为例以车削短圆柱工件外圆为例: 毛坯形状误差复映图毛坯形状误差复映图 由于工艺系统受力变形的变化而使毛坯形状误差复映到由于工艺系统受力变形的变化而使毛坯形状误差复映到 加工后工件表面的现象称为加工后工件表面的现象称为“误差复映误差复映”。 由于毛坯存在的圆度误差由于毛坯存在的圆度误差m=ap1-ap2

30、引起了工件产生圆度误差引起了工件产生圆度误差w=y1 -y2 =w/m 称为误差复映系数 称为误差复映系数 压强增大压强增大破坏油膜破坏油膜金属挤裂、破碎、切金属挤裂、破碎、切 断断加速磨损；加速磨损； vRa过小过小分子亲合力增大分子亲合力增大润滑油挤出润滑油挤出表面咬合表面咬合 加速磨损。加速磨损。 v表面粗糙度大和太小都不耐磨。如图表面粗糙度大和太小都不耐磨。如图4-38所示。所示。 v表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加 大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随

31、之右移。之右移。 4.5.2 表面质量对零件使用性能的影响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表面质量对零件耐磨性的影响 图图438 表面粗糙度与初期磨损量的关系表面粗糙度与初期磨损量的关系 2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响 加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐 磨性。磨性。 冷作硬化冷作硬化硬度提高，塑性降低硬度提高，塑性降低摩擦副接触部分的弹性变摩擦副接触部分的弹性变 形和塑性变形减少形和塑性变形减少减少磨损减少磨损。 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越

32、高。 冷作硬化过度冷作硬化过度脆性增加脆性增加金属剥落金属剥落加速磨损。加速磨损。 2表面质量对零件疲劳强度的影响表面质量对零件疲劳强度的影响 1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度表面粗糙度应力集中应力集中疲劳裂纹疲劳裂纹抗疲劳强度抗疲劳强度 表面粗糙度对耐疲劳性的影响还与材料对应力集中表面粗糙度对耐疲劳性的影响还与材料对应力集中 的敏感程度和材料的强度极限有关。的敏感程度和材料的强度极限有关。 钢材对应力集中最为敏感，钢材的强度极限越高，钢材对应力集中最为敏感，钢材的强度极限越高， 对应力集中的敏感程度就越大，而铸铁和有色金属对对应力集中的敏感程度就

33、越大，而铸铁和有色金属对 应力集中的敏感性较弱。应力集中的敏感性较弱。 2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳 强度的影响强度的影响 适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。 拉应力拉应力抗疲劳强度抗疲劳强度 残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力容易使残余应力有拉应力和压应力之分，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已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度 压应力压应力抗疲劳强度抗疲劳强度 残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，

34、 延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。 3.表面质量对零件配合质量的影响表面质量对零件配合质量的影响 1）表面粗糙度对零件配合精度的影响）表面粗糙度对零件配合精度的影响 表面粗糙度较大，则降低了配合精度。表面粗糙度较大，则降低了配合精度。 对于间隙配合表面：表面粗糙度越大对于间隙配合表面：表面粗糙度越大初期磨初期磨 损损配合间隙配合间隙 对于过盈配合表面：表面粗糙度越大对于过盈配合表面：表面粗糙度越大过盈量过盈量 配合精度配合精度 2）表面残余应力对零件工作精度的影响）表面残余应力对零件工作精度的影响 表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度

35、表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度 的稳定性。的稳定性。 4表面质量对零件耐腐蚀性能的影响表面质量对零件耐腐蚀性能的影响 1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 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。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。因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。 2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 残余压应力残余压应力抗裂纹扩展能力抗裂纹扩展能力抗腐蚀的能力抗腐蚀的能力 残余

36、拉应力残余拉应力应力腐蚀应力腐蚀抗腐蚀的能力抗腐蚀的能力 表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减小表表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减小表 面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动 零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。 表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响 零件表面质量零件表面质量 粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度太大、太小都不耐磨 适度冷硬能提高耐磨性适度冷硬能提高耐磨性 对疲劳强度的对疲劳强度的 影响影响 对耐磨性影响对耐磨性

37、影响 对耐腐蚀性能对耐腐蚀性能 的影响的影响 对工作精度的对工作精度的 影响影响 粗糙度越大，疲劳强度越差粗糙度越大，疲劳强度越差 适度冷硬、残余压应力能提高疲适度冷硬、残余压应力能提高疲 劳强度劳强度 粗糙度越大、工作精度降低粗糙度越大、工作精度降低 残余应力越大，工作精度降低残余应力越大，工作精度降低 粗糙度越大，耐腐蚀性越差粗糙度越大，耐腐蚀性越差 压应力提高耐腐蚀性，拉应力反压应力提高耐腐蚀性，拉应力反 之则降低耐腐蚀性之则降低耐腐蚀性 4.5.3 影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制 机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几机械加工中，表面粗

38、糙度形成的原因大致可归纳为几 何因素和物理力学因素两个方面。何因素和物理力学因素两个方面。 （一）切削加工表面粗糙度（一）切削加工表面粗糙度 1、几何因素、几何因素 刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r 主偏角主偏角kr、副偏角副偏角kr 进给量进给量f（图图440） 图图440 车削、刨削时残留面积高度车削、刨削时残留面积高度 H=f/(cotr+cotr) (4-1) H=f 2/(8r) (4-2) 2、物理力学因素、物理力学因素 （1）工件材料的影响）工件材料的影响 v韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加 工表面愈粗糙。工表面愈粗糙。

39、v 脆性材料：加工脆性材料时，其切屑呈碎粒状，由于切脆性材料：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。屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。 （2）切削速度的影响）切削速度的影响 加工塑性材料时，切削速度加工塑性材料时，切削速度 对表面粗糙度的影响（对积屑瘤对表面粗糙度的影响（对积屑瘤 和鳞刺的影响）见如图和鳞刺的影响）见如图4-41所示。所示。 此外，切削速度越高，塑性此外，切削速度越高，塑性 变形越不充分，表面粗糙度值越变形越不充分，表面粗糙度值越 小小 选择低速宽刀精切和高速精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。切

40、，可以得到较小的表面粗糙度。 （3）其它因素的影响）其它因素的影响 此外，合理使用冷却此外，合理使用冷却 润滑液，适当增大刀具的润滑液，适当增大刀具的 前角，提高刀具的刃磨质前角，提高刀具的刃磨质 量等，均能有效地减小表量等，均能有效地减小表 面粗糙度值。面粗糙度值。 图图441 加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响 影响切削加工表面影响切削加工表面 粗糙度的因素粗糙度的因素 刀具几何形状刀具几何形状 刀具材料、刃磨质量刀具材料、刃磨质量 切削用量切削用量 工件材料工件材料 残留面积残留面积 Ra 前角前角 Ra 后角后角摩擦摩擦Ra v Ra f

41、Ra ap对对Ra影响不大，太小会影响不大，太小会 打滑，划伤已加工表面打滑，划伤已加工表面 材料塑性材料塑性 Ra 常用正火、调质处理常用正火、调质处理 刀具材料强度刀具材料强度 Ra 刃磨质量刃磨质量 Ra 冷却、润滑冷却、润滑 Ra （二）磨削加工表面粗糙度（二）磨削加工表面粗糙度 工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出 无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的 砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好， 表面粗糙度值越小。表面粗糙度值越小。 磨粒在砂轮上的分布越均

42、匀、磨粒越细，刃口的磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的 等高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒等高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒 越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗 糙度值就越小。糙度值就越小。 （1）砂轮粒度与硬度）砂轮粒度与硬度 磨粒太细，砂轮易被磨屑磨粒太细，砂轮易被磨屑 堵塞，使表面粗糙度值增堵塞，使表面粗糙度值增 大，若导热情况不好，还大，若导热情况不好，还 会烧伤工件表面。会烧伤工件表面。 砂轮太硬，使表面粗糙度砂轮太硬，使表面粗糙度 增大；砂轮选得太软，使增大；砂轮选得太软，使 表面粗糙度值增大。表面粗糙度值增

43、大。 （4）磨削用量）磨削用量 砂轮的转速砂轮的转速 材料塑性变形材料塑性变形 表面粗糙度值表面粗糙度值 ； 磨削深度磨削深度、工件速度工件速度 塑性变塑性变 形形 表面粗糙度值表面粗糙度值； （3）工件材料）工件材料太硬易使磨粒磨钝太硬易使磨粒磨钝 Ra ； 太软容易堵塞砂轮太软容易堵塞砂轮Ra ； （2）砂轮修整）砂轮修整 砂轮修整除了使砂砂轮修整除了使砂 轮具有正确的几何形状轮具有正确的几何形状 外，更重要的是使砂轮外，更重要的是使砂轮 工作表面形成排列整齐工作表面形成排列整齐 而又锐利的微刃（图而又锐利的微刃（图4 47）。）。 图图447 砂轮上的磨粒砂轮上的磨粒 影响磨削加工表面影

44、响磨削加工表面 粗糙度的因素粗糙度的因素 磨粒磨粒Ra 金刚石笔锋利金刚石笔锋利，进给量进给量 Ra 磨粒等高性磨粒等高性Ra 硬度硬度钝化磨粒脱落钝化磨粒脱落 Ra 硬度硬度磨粒脱落磨粒脱落Ra 硬度合适、自励性好硬度合适、自励性好Ra 太硬、太软、韧性、导热性差太硬、太软、韧性、导热性差 Ra 砂轮粒度砂轮粒度 工件材料性质工件材料性质 砂轮修正砂轮修正 磨削用量磨削用量 砂轮硬度砂轮硬度 砂轮砂轮V Ra ap、工件工件V 塑变塑变 Ra 4.5.4 影响表面层物理力学性能的影响表面层物理力学性能的 主要因素及其控制主要因素及其控制 表面物理力学表面物理力学 性能性能 影响金相组织变化影

45、响金相组织变化 因素因素 影响冷作硬化因素影响冷作硬化因素 影响残余应力因素影响残余应力因素 塑变引起的冷硬塑变引起的冷硬 切削热的弱化切削热的弱化 冷塑性变形冷塑性变形 热塑性变形热塑性变形 金相组织变化金相组织变化 切削热切削热 一一. 表面层的冷作硬化表面层的冷作硬化 （1 1） 表面层加工硬化的产生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、纤维化甚至碎化，从而使表面滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面

46、层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又 称冷作硬化和强化。称冷作硬化和强化。 机械加工过程中产生的切削热，将使金属冷作硬化机械加工过程中产生的切削热，将使金属冷作硬化 得到恢复，成为弱化现象。得到恢复，成为弱化现象。 （2 2） 衡量表面层冷作硬化的指标衡量表面层冷作硬化的指标 衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：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）表面层的显微硬度HV； 2）硬化层深度硬化层深度h； 3）硬化程度硬化程度N N=(HV-HV0)/HV0100 （8-3） 式中式中 HV0工件原表面层的显微硬度。

47、工件原表面层的显微硬度。 （3）影响表面层加工硬化的因素影响表面层加工硬化的因素 刀具几何形状的刀具几何形状的 影响影响 切削刃切削刃 r r、后面磨损量、后面磨损量VBVB、前角前角 表层金属的塑变加剧表层金属的塑变加剧冷硬冷硬 切削用量的影响切削用量的影响 切削速度切削速度vv塑变塑变冷硬冷硬 工件材料性能的工件材料性能的 影响影响 材料塑性材料塑性冷硬冷硬 1.1.影响切削加工冷作硬化的因素影响切削加工冷作硬化的因素 砂轮粒度砂轮粒度 磨粒磨粒 单磨粒载荷单磨粒载荷 冷硬冷硬 磨削用量的影响磨削用量的影响 磨削速度磨削速度塑变塑变热热 冷硬冷硬 磨削深度磨削深度磨削力磨削力塑变塑变冷硬冷

48、硬 工件材料性能的工件材料性能的 影响影响 材料塑性材料塑性冷硬冷硬 2.2.影响磨削加工冷作硬化的因素影响磨削加工冷作硬化的因素 二二 表面层残余应力表面层残余应力 机械加工中工件表面层组织发生变化时，机械加工中工件表面层组织发生变化时， 在表面层及其与基体材料的交界处会产生在表面层及其与基体材料的交界处会产生 互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层 的残余应力。的残余应力。 （1）表面层残余应力的产生）表面层残余应力的产生 1 1） 冷态塑冷态塑变变 工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑 变，基体仍处于弹性变形状态。

49、切削后，表层产变，基体仍处于弹性变形状态。切削后，表层产 生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。 2 2） 热态塑变热态塑变 表层产生残余拉应力，里层产生残余压表层产生残余拉应力，里层产生残余压 应力应力( (其原理见图其原理见图) ) 3 3）金相组织变化）金相组织变化 比容大的组织比容大的组织比容小的组织比容小的组织体积收缩，产体积收缩，产 生拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容生拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容 大）大） 切削用量 刀具 工件材料 图4-68 f 对残余应力的影响 工件：45，切削条件：vc=86m/min， ap=2

50、mm，不加切削液 残余应力(Gpa) 0.20 0 0.20 0100200300400 距离表面深度(m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r 仅讨论切削加工 图4-67 vc 对残余应力的影响 0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削 条件：ap=0.3mm, f=0.05mm/r, 不加切削液 050100150200 距离表面深度(m) 残余应力(Gpa) -0.20 0 0.20 vc =213m/min vc =86m/min vc =7.7m/min 定义：磨削加工时，表面层有很高的温度，当定义：磨削加工时，表面层有很高的温度，

51、当 温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组 织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至 出现微观裂纹。这种现象称为磨削烧伤。出现微观裂纹。这种现象称为磨削烧伤。 淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的 磨削烧伤有三种形式。磨削烧伤有三种形式。 三三 表面层金相组织变化与磨削烧伤表面层金相组织变化与磨削烧伤 表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生 磨削残余应力通常是由磨削温度磨削残余应力通常是由磨削温度 和金相组织变化引起的。和金相组织变化引起的。 磨削表面残余拉应力达到材料强磨削表面残余拉应力达到材料强 度极限，在表层或表面层下产生微裂度极限，在表层或表面层下产生微裂 纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈 网状，常与烧伤同时出