机械加工精度

1、第二节 机械加工精度 高产、优质、低消耗，产品技术性能好、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要求。而质量则是最根本的问题加工质量指标分为：加工质量指标分为：l加工精度加工精度宏观几何参数宏观几何参数l加工表面质量加工表面质量微观几何参数和表面微观几何参数和表面物理物理-机械性能等方面的参数机械性能等方面的参数K 机械加工精度机械加工精度零件在加工后的几零件在加工后的几何参数何参数（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的实际值与理论值相符合的程度程度机械加工精度包括： 尺寸精度

2、、形状精度、位置精度尺寸精度、形状精度、位置精度三者有联系，也有区别三者有联系，也有区别所谓理想零件，即对表面形状而言，即对表面形状而言，就是绝对正确的圆柱面、平面、锥面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尺寸而言，就是零件尺寸的公差带中心心由于机械加工中的种种原因，不可能由于机械加工中的种种原因，不可能把零件做得绝对精确，总会产生把零件做得绝对精确，总会产生偏差。这种偏差即这种偏差即加工误差。一、获得加工精度的方法获得尺寸精度的方法 试切

3、法：通过试切通过试切测量测量调整调整再再试切，反复进行到工件尺寸达到规定试切，反复进行到工件尺寸达到规定要求为止要求为止 调整法：先调整好刀具和工件在机床先调整好刀具和工件在机床上的相对位置，并在一批零件的加工上的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持这个位置不变，以保证工过程中保持这个位置不变，以保证工件被加工尺寸件被加工尺寸 定尺寸刀具法：通过刀具的相应尺寸通过刀具的相应尺寸保证加工表面的尺寸精度保证加工表面的尺寸精度 自动控制法：将测量、进给装置和控将测量、进给装置和控制系统组成一个自动加工系统，通过制系统组成一个自动加工系统，通过自动测量和数字控制装置，在达到尺自动测量和数字控制装置，

4、在达到尺寸精度后自动停止加工寸精度后自动停止加工 主动测量法：边加工边测量加工尺寸边加工边测量加工尺寸获得形状精度的方法 刀尖轨迹法：通过刀尖运动的轨迹来通过刀尖运动的轨迹来获得形状精度的方法获得形状精度的方法 仿形法：刀具依照仿形装置进给获得刀具依照仿形装置进给获得工件形状精度的方法工件形状精度的方法 成形法：利用成形刀具对工件加工获利用成形刀具对工件加工获得形状精度的方法得形状精度的方法 展成法：利用工件和刀具的展成切削利用工件和刀具的展成切削运动进行加工的方法运动进行加工的方法获得位置精度的方法 直接找正定位法：用划针或百分表直接用划针或百分表直接在机床上找正工件位置在机床上找正工件位置

5、 划线找正定位法：先按零件图在毛坯上先按零件图在毛坯上划好线，再以所的划线为基准找正它在划好线，再以所的划线为基准找正它在机床的位置机床的位置 夹具定位法：在机床上安装好夹具，工在机床上安装好夹具，工件放在夹具中定位件放在夹具中定位 机床控制法：利用机床的相对位置精度利用机床的相对位置精度保证位置精度保证位置精度二、影响加工精度的因素及其分析工艺系统工艺系统由机床、夹具、刀具和工由机床、夹具、刀具和工件构成的一个完整系统件构成的一个完整系统原始误差原始误差工艺系统中的误差工艺系统中的误差 来自两个方面：来自两个方面：l加工前就存在的工艺系统本身的误差加工前就存在的工艺系统本身的误差l加工过程中

6、因工艺系统受力变形等引起加工过程中因工艺系统受力变形等引起的误差的误差 1加工原理误差加工原理误差（理论误差） 原理误差原理误差即在加工中采用了近即在加工中采用了近似的加工运动、近似的刀具轮廓和似的加工运动、近似的刀具轮廓和近似的加工方法而产生的原始误差近似的加工方法而产生的原始误差近似的加工方法带来的误差l例如，用尖车刀车外圆，也不是例如，用尖车刀车外圆，也不是光滑的圆柱面，而是一个螺旋面光滑的圆柱面，而是一个螺旋面近似的刀具和工件的运动联系所带来的加工误差l例如车模数螺纹时，例如车模数螺纹时， l传动比传动比I = =l只要能保证加工精度和零件的使用性只要能保证加工精度和零件的使用性能，一

7、定的原理误差是允许的。这种能，一定的原理误差是允许的。这种误差不应超过相应公差的误差不应超过相应公差的1015%。PP机床丝杆螺距工件螺距14231zzzz近似的刀具轮廓带来的误差l例如用模数铣刀铣齿轮，由于：铣刀的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，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，故存在原一把铣刀铣一组齿数的齿轮，故存在原理误差理误差l再如，用齿轮滚刀加工齿轮时，滚刀也再如，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是采用阿基米德基本蜗杆或法向直

8、廓蜗杆代替渐开线蜗杆杆代替渐开线蜗杆 2工艺系统的几何误差工艺系统的几何误差机床几何误差 包括机床本身各部件的制造误差、安装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误差和使用过程中磨损K 主轴回转运动误差及其影响因素l回转运动的精度取决于其回转中心相对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的回转精度l主轴回转误差有三种：主轴的径向跳动、主轴回转误差有三种：主轴的径向跳动、主轴的轴向窜动、主轴的角度摆动主轴的轴向窜动、主轴的角度摆动l影响主轴回转精度的因素：影响主轴回转精度的因素：滑动轴承轴颈或滚动轴

9、承滚道圆度误差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滑动轴承轴颈、轴承套或滚动轴承滚道的波度的波度滚动轴承滚子的圆度误差和尺寸偏差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轴承端面之间的平行度误差锁紧螺母端面的跳动等锁紧螺母端面的跳动等 K 导轨误差l导轨是确定主要部件相对位置的基准，导轨是确定主要部件相对位置的基准，也是运动基准，各项误差也是运动基准，各项误差 直接影响被直接影响被加工工件的

10、精度加工工件的精度 l对导轨的精度要求主要有：对导轨的精度要求主要有：在水平面内的直线度在水平面内的直线度在垂直面内的直线度在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）l导轨误差对加工精度的影响：导轨误差对加工精度的影响： 如车削如车削时导轨在水平面内弯曲，向前凸出，则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，则出现鞍形出现鼓形误差；向后凸出，则出现鞍形误差误差K 传动链误差传动链误差产生的原因传动链误差产生的原因l传动元件的制造误差、传动元件的装配传动元件的制造误差、传动元件的装配误差、使用过程中的磨损误差、使用过程中的磨损减少传动链误差对加工精度的影响

11、，减少传动链误差对加工精度的影响，可采取如下措施：可采取如下措施：l缩短传动链缩短传动链l采用降速传动采用降速传动l提高传动链的制造精度和装配精度提高传动链的制造精度和装配精度l设法消除传动链的间隙设法消除传动链的间隙l采用误差校正机构提高传动精度采用误差校正机构提高传动精度刀具的制造误差与磨损K 刀具的制造误差l刀具的制造误差对加工精度的影响，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；成形刀具刀具以刀具尺寸误差为主；成形刀具以刀具形状误差为主以刀具形状误差为主K 刀具的磨损：分为三个阶段：初始磨分为三个阶段：初始磨

12、损、正常磨损、急剧磨损损、正常磨损、急剧磨损 减少刀具制造误差对加工精度的影响减少刀具制造误差对加工精度的影响的措施：的措施：l提高制造精度提高制造精度l合理选择刀具材料合理选择刀具材料l合理选择切削用量合理选择切削用量l合理选择刀具几何参数合理选择刀具几何参数l合理选择冷却润滑合理选择冷却润滑l准确刃磨，减少磨损准确刃磨，减少磨损夹具的制造误差与磨损l夹具的制造误差主要是定位元件、夹紧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、夹具体等元件、导向元件、分度元件、夹具体等的制造误差的制造误差l夹具的误差除制造误差外，还有夹具安夹具的误差除制造误差外，还有夹具安装、工件装夹等误差

13、对加工精度也会带装、工件装夹等误差对加工精度也会带来很大影响来很大影响l夹具的磨损主要是定位元件和导向元件夹具的磨损主要是定位元件和导向元件的磨损的磨损l为减少夹具误差对加工精度的影响，夹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；及具的制造误差必须小于工件的公差；及时更换易损件时更换易损件 3工艺系统受力变形及对加工精度的工艺系统受力变形及对加工精度的影响影响工艺系统受力变形的现象工艺系统受力变形的现象l加工过程中的力：切削力、传动力、加工过程中的力：切削力、传动力、夹紧力、重力、控制力、惯性力、干夹紧力、重力、控制力、惯性力、干扰力等扰力等工艺系统的刚度工艺系统的刚度

14、l刚度刚度工艺系统受外力作用后抵抗变工艺系统受外力作用后抵抗变形的能力形的能力l在上述力的作用下，工艺系统受力变形，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：，则工艺系统的刚度是：)/(mmNyFJy系统工艺系统的刚度特性l力和变形不是直线关系，即不符合虎克力和变形不是直线关系，即不符合虎克定律定律l加载和卸载曲线不重合加载和卸载曲线不重合l卸载后，变形不能恢复到起点卸载后，变形不能恢复到起点l部件刚度比我们想象的小部件刚度比我们想象的小影响

15、部件刚度的因素l接触变形接触变形（接触点的变形）l薄弱零件本身的变形薄弱零件本身的变形l间隙的影响间隙的影响l摩擦的影响摩擦的影响l施力方向的影响施力方向的影响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：l由于受力点位置的变化而产生的工件形由于受力点位置的变化而产生的工件形状误差状误差l误差复映误差复映l毛坯材料硬度不均匀使切削力产生变化，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工艺系统受力变形随之变化而产生加工误差误差l工艺系统中其它作用力使工艺系统中某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些环节受力变形而产生加工误差误差复映

16、规律K 误差复映由毛坯加工余量和材料硬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、形状形的变化，因而产生工件的尺寸、形状误差的现象误差的现象K 误差复映规律l误差复映系数误差复映系数：定量反映毛坯误差经：定量反映毛坯误差经过加工后减少的程度过加工后减少的程度 =l当加工过程有多次走刀时，每次走刀的当加工过程有多次走刀时，每次走刀的复映系数为复映系数为1、2、3，则总复映系数，则总复映系数总总=123 可简化为可简化为 总总（1）n坯工系统JifCp75. 0l由于由于 1，所以经过多次走刀，则可，所以经过多次走刀，则可

17、能使毛坯误差复映到工件上的误差减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少到公差带允许值的范围内 例：例：一个工艺系统，其误差复映系数一个工艺系统，其误差复映系数为为0.25，工件在本工序前的圆度误差，工件在本工序前的圆度误差0.5mm，为保证本工序，为保证本工序0.01mm的形状的形状精度，本工序最少走刀几次？精度，本工序最少走刀几次？l解：解：0.5(0.25)n0.01 解得解得 n=3减少工艺系统受力变形的措施l提高表面配合质量，以提高接触刚度提高表面配合质量，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，以提高或者锁紧

18、暂不需移动的部件，以提高接触刚度接触刚度设置辅助支承，提高部件刚度设置辅助支承，提高部件刚度l缩短切削力作用点和支承点的距离，缩短切削力作用点和支承点的距离，提高工件刚度提高工件刚度l选择合理的零件结构和断面形状选择合理的零件结构和断面形状l提高刀具刚度；改善材料性能提高刀具刚度；改善材料性能l合理装夹工件，减少夹紧变形合理装夹工件，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床的许多部分会因温度升高而产生复杂变形变形l改变工件、刀具、机

19、床间的相互位置改变工件、刀具、机床间的相互位置l破坏刀具与工件间相互运动的正确性破坏刀具与工件间相互运动的正确性l改变已调整好的加工尺寸改变已调整好的加工尺寸l引起切削深度和切削力改变引起切削深度和切削力改变l破坏传动链的精度破坏传动链的精度引起热变形的热源：l内部热源：内部热源： 切削热，摩擦热，电气等切削热，摩擦热，电气等l外部热源：外部热源： 环境温度变化，取暖设备，热幅射等环境温度变化，取暖设备，热幅射等减少和控制工艺系统热变形的主要途径K 结构措施l采用热对称结构采用热对称结构l使关键件的热变形在无害于加工精度的使关键件的热变形在无害于加工精度的方向移动方向移动l合理安排支承位置，使

20、产生热变形位移合理安排支承位置，使产生热变形位移的有效部分缩短的有效部分缩短l发热量大的热源采取足够的冷却措施，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采用热补偿方法减少热变形l均衡关键件的温升，避免弯曲均衡关键件的温升，避免弯曲l隔离热源隔离热源K 工艺措施l环境恒温，避免光照环境恒温，避免光照l保持工艺系统热平衡，如加工前机床空保持工艺系统热平衡，如加工前机床空转一段时间转一段时间（精密加工中途不停车）l装夹时考虑加工热变形方向装夹时考虑加工热变形方向l注意选材注意选材l提高切削速度和走刀量提高切削速度和走刀量l保持刀具锋利保持刀具锋利（降低切削热）l粗、精加工分开粗、精

21、加工分开l切削区施加充分的冷却液切削区施加充分的冷却液 5工件的内应力引起的变形工件的内应力引起的变形基本概念 内应力内应力当外载荷去除后，仍残留在工当外载荷去除后，仍残留在工件内部的应力件内部的应力内应力的成因：K 内因：内因：由于金属内部宏观的或者微观的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组织发生了不均匀的体积变化而产生的K 外因：外因：热加工或者冷加工热加工或者冷加工l温度变化伴随金相组织变化温度变化伴随金相组织变化l冷热不均，金相组织变化冷热不均，金相组织变化l切削加工，强烈的塑性变形引起表层应力切削加工，强烈的塑性变形引起表层应力几种产生内应力的工艺过程l毛

22、坯制造中产生的内应力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热胀冷缩不匀以及金相组织转变l冷校直带来的内应力冷校直带来的内应力l切削加工的附加应力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塑性变形而产生内应力l时效中产生的二次应力时效中产生的二次应力l时效过程冷却阶段产生的二次残余应力时效过程冷却阶段产生的二次残余应力消除内应力的措施l改变加工工艺和加工用量改变加工工艺和加工用量l人工时

23、效（热处理）和自然时效人工时效（热处理）和自然时效l敲击振动敲击振动l合理设计结构合理设计结构l采用特殊加工手段采用特殊加工手段 6度量误差、调整误差以及安装误差度量误差、调整误差以及安装误差度量误差K 引起测量误差的原因：l量具本身的误差量具本身的误差l测量方法引起测量方法引起l测量力引起测量力引起l温度引起温度引起K 减少或消除度量误差的措施l提高量具精度，合理选择量具提高量具精度，合理选择量具l注意操作方法注意操作方法l注意测量条件注意测量条件调整误差l工艺系统的调整问题有：机床的调整、工艺系统的调整问题有：机床的调整、夹具的调整、刀具的调整夹具的调整、刀具的调整l不同的调整方式，有不同

24、的误差来源不同的调整方式，有不同的误差来源K 试切法调整l度量误差：试切调整过程中由于度量失度量误差：试切调整过程中由于度量失误或不准而引起误差误或不准而引起误差l加工余量影响：最小切屑厚度太小，以加工余量影响：最小切屑厚度太小，以致刀刃打滑，不起切削作用致刀刃打滑，不起切削作用l微量进给误差：最后一刀容易出现爬行微量进给误差：最后一刀容易出现爬行K 各机构调整l机构的制造精度机构的制造精度l机构的灵敏度机构的灵敏度l调整的准确性调整的准确性K 样件或样板调整 大批量，多刀加工时采用l样板本身的误差样板本身的误差（制造和安装误差）l对刀误差对刀误差安装误差K 定位误差l基准不重合引起基准不重合

25、引起l定位元件和定位面制造误差定位元件和定位面制造误差l元件配合间隙引起元件配合间隙引起K 夹紧误差夹紧误差l夹紧机构的夹紧力不当引起夹紧机构的夹紧力不当引起l夹紧方式不当引起夹紧方式不当引起l夹紧状态不良引起夹紧状态不良引起三、加工误差的综合分析 1误差的性质误差的性质误差分为两类：K 系统性误差 当连续加工一批零件时，误差的大小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，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后者称为变值系统性误差l常值系统性误差有：原理误差，刀具、常值系统性误差有：原理误差

26、，刀具、夹具、量具、机床的制造误差，调整误夹具、量具、机床的制造误差，调整误差，系统受力变形差，系统受力变形l变值系统性误差有：工艺系统热变形，变值系统性误差有：工艺系统热变形，刀具、夹具、量具、机床磨损刀具、夹具、量具、机床磨损K 随机性误差l加工一批零件时，其误差的大小和加工一批零件时，其误差的大小和方向无规律地变化，这类误差称为方向无规律地变化，这类误差称为随机性误差随机性误差l随机性误差有：复映误差，定位误随机性误差有：复映误差，定位误差，夹紧误差，多次调整引起的误差，夹紧误差，多次调整引起的误差，内应力引起的误差差，内应力引起的误差 2加工误差的数理统计分析法加工误差的数理统计分析法

27、实际分布曲线实际分布曲线l将零件按尺寸大小以一定的间隔范将零件按尺寸大小以一定的间隔范围分成若干组，同一尺寸间隔内的围分成若干组，同一尺寸间隔内的零件数称为频数零件数称为频数mi，零件总数，零件总数n；频；频率为率为mi/n。以频数或频率为纵坐标，。以频数或频率为纵坐标，以零件尺寸为横坐标，画出直方图，以零件尺寸为横坐标，画出直方图，进而画成一条折线，即为实际分布进而画成一条折线，即为实际分布曲线曲线理论分布曲线理论分布曲线l实践证明，当被测量的一批零件（机床实践证明，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）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

28、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所绘出的分布曲线非常接近“正态分布正态分布曲线曲线”l正态分布曲线的方程为：正态分布曲线的方程为：222)(21xxeyl利用正态分布曲线可以分析产品质量；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零件出现的概率已达99.73%，在此尺寸，在此尺寸范围之外（范围之外（ ）的零件只占）的零件只占0.27%3xl如果代表零件的公差如果代表零件的公差T，则，则 99.73% 就就代表零件的合格率，

29、代表零件的合格率，0.27%就表示零件就表示零件的废品率的废品率l因此，因此， = T 时，加工一批零件时，加工一批零件基本上都是合格品了，即时，产品无基本上都是合格品了，即时，产品无废品废品3x四、提高加工精度的工艺措施 1直接消除和减少误差法直接消除和减少误差法 例如车细长轴的三条措施：例如车细长轴的三条措施：l采用反向走刀（进给）切削采用反向走刀（进给）切削l用大进给量和大主偏角（用大进给量和大主偏角（9093）车刀）车刀l在卡盘一端车出一个缩颈在卡盘一端车出一个缩颈 2误差补偿法误差补偿法l人为地制造出一种新的或者利用原有的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

30、误差一种原始误差去抵消另一种原始误差l例如预加载荷精加工磨床床身导轨；用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校正机构提高丝杆车床传动链精度 3误差转移法误差转移法l将工艺系统的几何误差、受力变形和热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变形等转移到不影响加工精度的方向去l例如，镗模镗孔，主轴与镗杆采用浮动例如，镗模镗孔，主轴与镗杆采用浮动联接联接 4误差平均法误差平均法l例如，研磨加工高精度的轴和孔，利用例如，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；误差相互比较、相互消除来提高精度；再如，刮研精密平板再如，刮研精密

31、平板 5“就地加工就地加工”法法l例如车床配制主轴法兰盘；再如转塔车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床加工转塔上的六个刀架安装孔 6控制误差法控制误差法l对付变值系统性误差必须采用可变补偿对付变值系统性误差必须采用可变补偿的方法的方法 三种形式：l主动测量：主动测量：加工过程中随时测量，随加工过程中随时测量，随时进行误差补偿时进行误差补偿l偶件配合测量：偶件配合测量：以互配件中的一件作以互配件中的一件作为基准去控制另一件为基准去控制另一件l积极控制起决定性作用的加工条件：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例如精密螺纹磨床的自动恒温控制一

32、、零件的表面质量及其对使用性能的影响 概述概述l表面质量是指零件加工后的表面层状态表面质量是指零件加工后的表面层状态l表面质量影响零件的工作性能、可靠性、表面质量影响零件的工作性能、可靠性、寿命寿命第三节 机械加工表面质量表面质量的主要内容：K 表面层的几何形状特征l表面粗糙度：即表面微观几何形状误差表面粗糙度：即表面微观几何形状误差l表面加工纹理：即表面切削加工刀纹的表面加工纹理：即表面切削加工刀纹的形状和方向形状和方向l表面波度：介于宏观几何误差与表面粗表面波度：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糙度之间的周期性几何形状误差l伤痕：加工表面个别位置出现的缺陷伤痕：加工表面

33、个别位置出现的缺陷 表面层的物理力学性能的变化l 物理力学性能：表面层塑性变形引起的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；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、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；重熔金属的沉积层的变化；重熔金属的沉积层l金相组织：相变；再结晶；过时效。相变；再结晶；过时效。l化学性质：晶间腐蚀和选择性浸蚀；表晶间腐蚀和选择性浸蚀；表面脆化面脆化（氢脆）二、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l两零件作相对运动时，接触的凸峰处产两零件

34、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，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。附层、冷作硬化层等也影响耐磨。l零件表面层材料的冷作硬化，能提高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变形的可能性，

35、使金属之间咬合的现象减少，因而增强耐磨性。但硬化过象减少，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。金属脆化而脱落，致使磨损加剧。表面质量对零件疲劳强度的影响l表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷引起表面粗糙度、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、（故有专门的表面强化工艺：喷丸、滚压）滚压）；但硬化过度会降低金属组织；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的稳定性，使

36、表层金属脆化而脱落或产生裂纹，致使磨损加剧。产生裂纹，致使磨损加剧。表面质量对零件抗腐蚀性能的影响l零件表面粗糙的凹谷处容易积聚腐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，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。引起晶间破坏，产生应力腐蚀。表面质量影响零件的配合性质l相配零件的配合关系是利用间隙量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度的存在，使得有效的间隙或

37、过盈量发生变化，影响配合精度和配合量发生变化，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；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。的小，静配合的可靠性差。表面质量对零件其他性能的影响l零件的表面质量还将对零件的密封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、原有精度等产生活性和发热损失、原有精度等产生影响。影响。 影响表面质量的因素影响表面质量的因素l机械加工表面不可能是理想光滑机械加工表面不可能

38、是理想光滑表面表面l表面层材料加工时会产生物理、表面层材料加工时会产生物理、化学变化化学变化l切削力、切削热使表层产生各种切削力、切削热使表层产生各种变化变化l外界介质的腐蚀等等外界介质的腐蚀等等三、影响机械加工表面粗糙度的因素及 降低表面粗糙度的工艺措施 1影响切削加工表面粗糙度的因素影响切削加工表面粗糙度的因素几何因素l尖刀切削时：尖刀切削时：l带圆角半径的刀切削时：带圆角半径的刀切削时：) (rrkctgctgkfH028rfH K 影响表面粗糙度的几何因素有：l刀具的几何形状和几何角度刀具的几何形状和几何角度l进给量进给量l刀刃本身的粗糙度刀刃本身的粗糙度物理因素l切削力和摩擦力切削力

39、和摩擦力l塑性变形过程中形成的积屑瘤塑性变形过程中形成的积屑瘤l切削过程中工件表面上形成鳞刺切削过程中工件表面上形成鳞刺工艺系统的动态因素振动l机械振动分为自由振动、强迫振动、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，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主要是强迫振动和自激振动两种类型型l振动主要是产生波度、粗糙度而影振动主要是产生波度、粗糙度而影响零件表面质量响零件表面质量 2降低表面粗糙度的工艺措施降低表面粗糙度的工艺措施合理选择刀具的几何角度l适当增大前角、后角适当增大前角、后角l增大刀尖圆弧半径增大刀尖圆弧半径l减小主、副偏角减小主、副偏

40、角改善材料切削性能l减小材料塑性减小材料塑性（采取正火、调质等方法）l细化材料晶粒（热处理）细化材料晶粒（热处理）合理选择切削用量l合理选择切削速度，避开积屑瘤、鳞合理选择切削速度，避开积屑瘤、鳞刺产生的切削速度区刺产生的切削速度区l减少进给量减少进给量l切削深度不宜过小切削深度不宜过小正确使用切削液l乳化液、硫化油、植物油等性能各有乳化液、硫化油、植物油等性能各有不同，应合理选用不同，应合理选用采用辅助加工方法l常用的有：研磨、珩磨、超精加工等常用的有：研磨、珩磨、超精加工等提高工艺系统的精度和刚度l主运动和进给运动系统的精度要高主运动和进给运动系统的精度要高l系统的刚度和抗振性好系统的刚度

41、和抗振性好l受力变形和热变形要小受力变形和热变形要小四、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的残余应力表面层残余应力的产生l当切削过程中表面层组织发生形状变化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，称为表面残余应力力，称为表面残余应力残余应力分类：l零件整个尺寸范围内平衡的残余应力零件整个尺寸范围内平衡的残余应力l晶粒范围内平衡的残余应力晶粒范围内平衡的残余应力l晶胞间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l冷塑性变形冷塑性变形

42、（切削力的作用）l热塑性变形热塑性变形（切削热的作用）l金相组织变化金相组织变化（切削高温作用下，引起表面层金属发生相变）v通常是上述三种原因综合作用的结果通常是上述三种原因综合作用的结果 2表面层的加工硬化表面层的加工硬化表面冷作硬化现象 切削切削（含磨削）（含磨削）过程中，刀具前面迫过程中，刀具前面迫使金属受到挤压而产生塑性变形，使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，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，这就是冷作硬材料强化、硬度提高，这就是冷作硬化现象化现象表面层硬化后的金属性质

43、的具体特点为：l晶体形状改变（拉长、破碎）晶体形状改变（拉长、破碎）l晶体方向改变（塑性变形后形成一定方向，晶体方向改变（塑性变形后形成一定方向，纤维化）纤维化）l变形抵抗力增加（产生冷作硬化）变形抵抗力增加（产生冷作硬化）l导电性、导磁性、导热性亦有变化导电性、导磁性、导热性亦有变化l表面层产生残余应力表面层产生残余应力决定表面层硬化程度的因素l产生塑性变形的力产生塑性变形的力l塑性变形的速度塑性变形的速度l塑性变形时的温度塑性变形时的温度影响加工冷作硬化的因素 切削用量切削用量（主要是切削速度、进给量。（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，切削速度的影响：低速时，塑

44、性变形大，冷硬大；速度增加，冷硬减少；但速度冷硬大；速度增加，冷硬减少；但速度超过超过100m/min时，冷硬又增加。进给量时，冷硬又增加。进给量增大，塑性变形增大，冷硬增加；进给增大，塑性变形增大，冷硬增加；进给量太小，刀具挤压作用增大，冷硬增量太小，刀具挤压作用增大，冷硬增加。）加。）l刀具刀具（刀具的刃口圆角大和后刀面的（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，因而冷硬程度和深和摩擦作用增加，因而冷硬程度和深度都增加。）度都增加。）l工件材料的影响工件材料的影

45、响（工件材料硬度越低，（工件材料硬度越低，切削时塑性变形越大，冷硬现象越严切削时塑性变形越大，冷硬现象越严重。）重。）五、磨削的表面质量 1磨削加工的特点磨削加工的特点l磨削精度高，通常作为终加工工序磨削精度高，通常作为终加工工序l磨削过程比切削复杂，一般滑擦、刻划、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切削作用是同时进行的l磨削速度高，通常磨削速度高，通常v砂砂=4050m/s，目前甚，目前甚至高达至高达v砂砂=80200m/sl磨削温度高，磨削点附近的瞬时温度可高磨削温度高，磨削点附近的瞬时温度可高达达8001000，会引起烧伤和裂纹，会引起烧伤和裂纹l径向切削力大，会引

46、起机床发生振动和弹径向切削力大，会引起机床发生振动和弹性变形性变形 2影响磨削加工表面粗糙度的因素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，粗砂轮线速度越高，粗糙度越低糙度越低工件的线速度：工件线速度越低，粗工件线速度越低，粗糙度越低糙度越低纵向进给量：纵向进给量增加，粗糙纵向进给量增加，粗糙度增大度增大光磨次数：光磨次数越多，粗糙度越光磨次数越多，粗糙度越低低砂轮性质对粗糙度影响：l砂轮的粒度砂轮的粒度l砂轮的硬度砂轮的硬度l砂轮的修整砂轮的修整工件材料的影响：工件材料太软、太工件材料太软、太硬、太韧都不容易降低粗糙度硬、太韧都不容易降低粗糙度 3磨削表面层的残余应力磨削表面

47、层的残余应力磨削裂纹磨削裂纹问题问题磨削过程中残余应力的产生l磨削加工比切削加工的表面残余应力更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，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法向切削力一般为切向切削力的23倍倍（切削加工时只有（切削加工时只有0.5倍）磨粒对加工表倍）磨粒对加工表面作用，引起冷塑性变形，产生压应力；面作用，引起冷塑性变形，产生压应力；另一方面，磨削温度高，易引起热塑性另一方面，磨削温度高，易引起热塑性变形，表面出现拉应力变形，表面出现拉应力l磨削时，残余应力可能超过材料的强磨削时，残余应力可能超过材料的强度极限，零件会产生

48、裂纹，有的在外度极限，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；裂纹常与磨削方向垂直，或呈网状；裂纹常与烧伤同现烧伤同现磨削裂纹产生的原因l磨削用量：磨削深度和纵向走刀量大，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，拉应力过则塑性变形大，切削温度高，拉应力过大，可能产生裂纹大，可能产生裂纹l工件材料：含碳量高者易裂纹工件材料：含碳量高者易裂纹l热处理工序：与淬火方式、速度及操作热处理工序：与淬火方式、速度及操作方法有关方法有关消除和减少磨削裂纹的措施l合理选材合理选材l正确制订热处理工艺正确制订热处理工艺l逐渐减小切除量逐渐减小切除量l改善散热条件，加强冷却效果，设法降改善散热条件，加强冷却效果，设法降低切削热低切削热l合理选择砂轮合理选择砂轮 4磨削表面层金相组织变化磨削表面层金相组织变化磨削磨削烧伤问题烧伤问题磨削过程中的烧伤问题l磨削过程中，由于磨削温度很高，而磨削过程中，由于磨削温度很高，而且磨削热有且磨削热有6080%传给工件，当磨削传给工件，当磨削温度超过相变临界点时，则会引起工温度超过相变临界点时，则会引起工件表面的金相组织发生变化，此时表件表面的金相组织发生变化，此时表面层的显微硬度也相应发生变化，这面层的显微硬度也相应发生变化，这种现象称为磨