第三章 机械加工质量

1、3-1 机械加工质量的概述3-4 加工质量对机器零件使用性 能的影响3-3 表面质量的形成及影响因素第三章 机械加工质量 3-1机械加工质量的概述零件质量 精度 表面质量 一、加工精度 加工误差：加工后零件各表面的尺寸、形 状、以及各表面间的相互位置的误差。 加工精度 尺寸精度 形状精度 位置精度 尺寸精度：指零件的直径、长度和表面间距 离等尺寸的实际值和理想值的接近程度。形状精度：指零件表面或线的实际形状与理想形状的接近程度。加工精度加工精度：零件经过机加工后，各表面的实 际尺寸，实际形状和实际位置与其理想值的 接近程度。包括 表面粗糙度 表面层的物理机械性能 表面质量是指机械加工后零件层的

2、状况。二、表面质量位置精度：指零件表面或线的实际位置和理想位置的接近程度。3-2产生加工误差的重要因素 重要因素 工艺系统环境 操纵工人 一、机床误差 机床本身的制造误差 磨损 安装误差 （一）机床导轨的直线度（导轨误差）1.在水平面内误差 y （图3-2） 则直径误差为 2y2.在垂直面内误差 y （图3-3） （2/d + y）=(2/d)2 + Z2 dy +y2 =Z2 水平面内 y=Z2/d (y2省略) 令Z=0.3mm d=100mm y=(0.3/100)2=0.0009 很小 1若主轴轴线与导轨在水平面内不行,工件被加工成锥体。设平行度误差为a/L则工件加工表面的误差为K=2

3、a/L（二）机床主轴轴线与导轨若的平行度 而在垂直面内导轨误差为加工零件直径影响 很小。在水平面内导轨误差对加工零件直径影响很大，必须控制。是误差的敏感方向。直线度例：水平面内平行度误差为300mm长度上0.03mm. 如加工一个长度L=50mm的零件，产生的直线误差为:mmmmd01. 05030003. 02 2、若主轴轴线与导轨在垂直面不平行。则 工件表面被加工成双曲面回转体。 （三）若机床主轴旋转时轴线位置的变化 （影响工件的圆度） 3.导轨的磨损对工件也将产生影响。2.在镗床上加工时，工件不转，切削力是变化的，主轴轴颈始终以某一母线紧压着轴承表面的不同部位，滑动轴承的圆度将反映到工件

4、上，而主轴轴颈的圆度对工件没有影响。1.当车床主轴采用滑动轴承时，切削力始终作用在轴承表面某一部位上，则主轴上颈的圆度就会反映到工件上去。 1. 定尺寸刀具 2. 非定尺寸刀具 3. 粗加工时，刀具的磨损 刀具磨损与切削路程的关系 (图3-8) 二、刀具误差使用中的磨损刀具本身的误差刀具误差（一）工艺系统及其刚度的概念工艺系统：由机床、夹具、工件及刀具所构成的弹性系统。工艺系统的刚度：在外力作用下，工艺系统抵抗变形的能力。 静刚度刚度 动刚度 三、工艺系统的弹性变形静刚度：如果引起工艺系统弹性变形的作用力是静态力，则由此力和变形关系所决定的刚度称为静刚度。动刚度：如果作用力是交变力（随时间变化

5、的），则由该力和变形关系所确定的刚度称为动刚度。mmNyFJys（式中 工艺系统刚度， 为 ） sJsJ1mmNdywyty设力头A，导架B，刀尖C的压移为 、 和 。xy设工件为刚体，在任一切削C的压移为 。jy.dxjyyy机床的压移为 :kyytx而(二) 机床的刚度及其对加工精度的影响 (图3-9) 由A AB BD D和AAEH.EH. LxYtYwKtwtxyyLxyyLxLFFyALxFFyBtwyyLxKxLFLFyA而xFLFyB(图3-9)22LxJFLxLJFywwtyxLxLJFytytLxJFywyw，TAtJFy wBwJFy，(图3-9)dwtjyjJLxJLxL

6、JyFJ111122dwwytyjJFLxJFLxLJFy22wtwJJLJx00dxdJj0令 得刚度的极值在x 处 tdLjJJJ111 床尾x=L, dwtJJJJJ11141121 tdjJJJ1110床头 x=0,2L二机床刚度J是变化的。常取x= (中点) 的刚度代表机床刚度。dwtjJJJJ111maxtJwJdJ注： 、 、 为床头、床尾、刀架的刚度。22dxJdj又 0 即有最大值影响机床刚度的其他因素 （）连接件的刚度（）机床零件本身的刚度。图3-12（）接触刚度（）零件间的间隙机床加工前空转一定时间 滚动轴承的间隙不断进行良好的调整。图3-13 接触刚度：是指零件表面抵抗

7、外力而产生变形的能力。 （三）工件的刚度及其对加工精度的影响( 图3-17) （3）工件在卡盘上并用后顶尖支承：上两 种的复合 （1）工件在两顶尖间的加工：工件成鼓形（图3-14） （2）工件在卡盘中的加工：工件成喇叭形（图3-15） 当零件的刚性很差时，很容易产生夹紧变形。如图3-17所示三爪卡片夹紧薄壁套筒时的情况。 注意：加工薄壁零件时，夹紧力应在工件圆周上均匀分布。如采用液性塑料夹具（后面详细介绍）。（四) 刀具的刚度及其对加工精度的影响（图3-19b) 孔的轴向、横向剖面均变化。 (图3-19a) 孔的轴向剖面直径一致。 孔的横剖面直径变化，产 生圆度误差。主轴的悬伸量对主轴刚度影响

8、较大。如镗削加工机床主轴和工作台刚度很高，而刀具、刀杆刚度较低对加工精度影响较大。syjygydjy其中： 工艺系统变形 机床变形 工件变形 刀具变形 djgjsyyyy则: 若将整个工艺系统的变形都在同一个点 和同一个方向上 （五）工艺系统的刚度及其对加工精度的影响 djgjsJJJJ1111或:djgjsJJJJ1111即：djygyJysyJFJFJFJF则：djgjswwwwJw1000J1mmN1Numw :单位 而Jw1w设刚度的倒数为柔度 即 一、误差复映规律： (图3-20)75. 0faCFpFzZZyFF1yF2yF 工件法向切削分力： 、sysywJFJFyy21211y

9、2y压移： 、1pa2pa背吃刀量： 、w工件加工误差（直径上）pa2FC与工件材料、刀具几何形状等 有关的系数。背吃刀量；进给量；主要与刀具几何角度有关的系数，一般为0.4；式中fsZsZwJFJF21275. 0175. 0pFzpFzsafCafCJ2175. 0ppFzsaafCJbFzsfCJ75. 0yFw将 代入 式中得(图3-20) 显然 值愈小，加工后工件的精度愈高。 321n75. 0fCJFzsbw 复映系数 sJ由上式可知，当工艺系统刚度 愈大， 加工后工件的偏心（或其它形状误差）愈 小，即加工后工件的精度愈高。b而 =2e （e偏心） 而上式也可写成： wywbFzs

10、FfCJ75. 0sysywJFJF21可记算出工艺系统的刚度值。 二：精度要求高的工件，要有粗、半精加工、精加工和光整加工等几道工序。以便加工误差降低之允许的范围内。 由以上分析，可以把误差复映的概念推广到下 列几点： （1）每一件毛坯的形状误差，不管是圆度，圆 锥度，同轴度等都以一定的复映系数复映 成工件的加工误差，这是由于切削余量不 均匀而引起的。 （2）在车削的一般情况下，由于工艺系统刚度 比较高，复映系数远小于，在23次走 刀后，毛坯误差迅速下降。尤其是第二次， 第三次走刀时的进给量f，f常常是递 减的（半精车，精车），复映系数 和 也就是递减，加工误差的下降更快。 23（3）在大批

11、大量的生产中，都是利用定尺寸调整 法加工的，即刀具在整到一定切削深度后， 就一件一件连续加工下去，不再逐次试切和 调整切深。 所以在一般车削时，只有在粗加工时用误差复映规律值算加工误差才有意义。但是在工艺系统刚度低的场合下（如镗孔时镗杆较细，车削时工件较细长以及磨孔时磨杆较细等），则误差复映的现象比较明显，有时需要从实际反映的复映系数着手来分析提高加工精度的途径。 另外，毛坯材料硬度的不均匀、工艺系统中其 它力的变化如：传动力、惯性力、夹紧力、工 件的重量、机床移动部件的重量等的变化，也 将造成加工误差。 这样，对于一批尺寸大小有参差的毛坯而言，每件毛坯的加工余量都是不一样的，由于误差复映的结

12、果，也就是造成了一批工件的“尺寸分散”。为了保持尺寸分散不超过允许的公差范围，就有必要查明误差复映的大小。这也是分析和解决加工精度问题时常常遇到的一项工作。四：工艺系统的热变形 （一）、机床热变形引起的加工误差 床头箱温升 热源 切削热 摩擦热和传动热 环境影响 温度T加热平衡冷却时间t主轴 轴心线上升 在水平方向产生位移（影响较大） （图3-21a）（图3-22a）当主轴较长且或后端轴向定位时，主轴 前端的伸长量 ： LtLLl：线膨胀系数 l(图3-22)外圆磨床床身壁板不均匀引起的变形 (图3-23)端面磨床立柱的热变形 （二）、工件热变形引起的加工误差 (图3-24)为车削时切削热的分

13、配图。 大量切削热被切屑带走， 切屑带走的热量的百分比越大，传动工件的热量越小，一般占总热量的30%左右。高速切削时在10%以下，传给刀具的热量最少，一般在5%以下，高速切削时在1%以下。 V铣削、刨削加工时，传给工件的热量一般在30%以下。 钻孔、镗孔时，因大量的切屑留在孔内，一般在50%以下。 磨削时，磨削热传给切屑的热量较少，一般在4%。传给砂轮的热量为12%，而传入工件为84%左右，而传热时间少，热源面积又小，故热量相当集中。所以磨削区温度可达8001000或更多。磨削热既影响加工精度，也影响表面质量。 此外，磨削热和切削热还会在机床内部形成所谓的“次生热源”。 切削热量： vtKFQ

14、z如多刀车削轴转零件： (且多次工件行程可以为工件受热均匀) L 式中 切向切削分力； zF 切削时间； 切削热传人工件的百分比。 Ktv切削速度；则工件的温升为： VcQt 工件材料的比热容； 工件材料的密度； 工件的体积。CVtLLll工件线膨胀系数 工件的热变行量单面加工薄片类零件时，当产生(如图3-25b)所示变形。 工件中间变形量： 2Lx 8tg 很小， 8Lx 薄片上的膨胀量 tLBEl8L 则 8tLl82Ltxl（注：热变形将随零件长 度的增加而迅速增加） 改善措施：（1）强制冷却 ；（3）工件夹紧时，要考虑工件的 线性热变形的补偿。如弹簧 后顶尖等 。（2）提高切削速度V；

15、图（3-26） 车刀的热变形曲线 刀具热平衡时间较短，一般连续工作1620min，此时车刀热变形一般在0.030.05mm左右 。车刀的热变形与下列因素有关： 1）提高切削用量中的任一项，车刀 的热伸长量增加； （三）、刀具热变形引起的加工误差2）车刀伸长量与刀杆横剖面尺寸近似 的成反比； 3）硬质合金刀片越厚，车刀的热伸量 越小； 4）车刀的热伸量与被加工工件的强度 极限近似的成正比； 5）有冷却液时，车刀的热伸长量可大 为减小。 减少工艺系统受力变形是机械变形在机械加工中保证质量和增加产量的有效途径。根据生产实际的经验，可以归纳为以下几个方面： （一）高工艺系统中零件间的配合表面质量， 以

16、提高接触刚度。 四、减少工艺系统受力变形的途径图3-27（a） 表示卧轴矩台平面磨床的主轴轴承中所采用的预加载荷装置，它使滚动轴承内外环和钢珠之间造成初期局部变形。 图3-27（b）表示铣床主轴常用的拉杆装置，它使铣刀杆的锥部和主轴的锥孔紧密接触，这些都是提高机床主轴部件刚度的有效措施。 图3-27（c） 表示加了预加载荷后部件刚度由 提高 到的变化。 0KK（二）设置辅助支承提高部件刚度。 图3-28（a） 表示在转塔车床上加工时用的辅助支承式的装置，它可以大大提高牌楼式刀架的刚度。 图3-28（b） 也是转塔车床上常用的提高刀架和镗杠刚度的措施。 （三）当工件刚度成为产生加工误差的薄弱环

17、节时缩短切削力作用点和支承点的距 离也可以提高工件的刚度。 图3-30（a）是在车削长轴时，利用中心架，使支承间的距离缩短一半，工件的刚度就比不用中心架提高了8倍。图3-30（b） 采用跟刀架车削细长轴时，切削力作用点与跟刀架支承点间的距离便减少到510mm，工件的刚度便可提高。 图3-30（c） 在卡盘加工中用了后顶尖支承后，比不用后顶尖时，工件刚度的提高更为显著。 (四）防止微量进给下“爬行”的措施：随着精加工工艺的日益发展，对微量位移精度的要求越来越高。 图3-35（a）表示爬行的“下降”特性，即滑动速度低于临界速度时，摩擦系数小于静摩擦系数。 图3-35（b）、(c)和(d)表示产生爬

18、行过程。 （一）结构措施1）热对称结构。机床大件结构和布局对机床的热态特性有很大的影响。近年来国内外都进行了系统的研究，提出了所谓热对称结构的设计思想。图3-55立柱热对称结构 图3-56牛头刨床滑枕结构热变形及其改造2）在设计上使关键件的热变形在无害于加工精度的方向上移动。图3-57 主轴箱图3-58 支承距离对砂轮架热位移的影响五、减少机床热变形对加工精度影响的基本途径3）合理的安排支承的位置，使产生热位移 （对加工精度有直接影响）的有效部分缩短。 4）对发热量大的热源（如装人式电动机、泵、油池、轴承等）采用足够冷却的措施：扩大散热表面，保证良好的自然冷却条件 （不形成热空气袋），使用强制

19、式的空气冷却、水冷却、循环润滑等措施。 5）均衡关键件的温升，避免弯曲变形。 6）隔离热源可以从根本上减少机床的热变形。 （二）工艺措施 1）在安装机床的区域保持恒定的环境温度，如均匀安排车间内加热器、取暖系统等的位置，使热流的方向不朝向机床，以及建立车间门斗或帘幕等。 2）将精密机床中的坐标镗床、螺纹机床和齿轮等安装在恒温室中使用。 3）让机床在开车后空转一段时候，在达到或接近热平衡后再进行加工。 4）尽量及时清理切屑。 六、工件内应力（残余应力） 内应力：工件去掉外力后，留在其内的应力。 内应力重新分布 内应力引起的原因： 1.在毛坯制造的过程中，若其某些部分冷却 速度不均且又相互受到牵制

20、时，将产生残余应力。 2.在机械加工过程中，由于力和热的作用，使工件表面层产生塑性变形，也会产生相应的残余应力，并造成加工后的工件变形。 3.在长棒料或细长零件（如细长轴，丝杠，曲轴等）的冷校直过程中，也会因局部的塑性变形而产生残余应力。 （图3-28） 减小或消除残余应力的措施 ：1.合理的设计零件结构 2.利用时效处理 自然时效 人工时效 六、其他原因 （一）原理误差 原理误差用近似的加工方法，近似的传动比和近似形状的刀具进行加工时所产生的误差。近似方法的加工往往可使加工简单，简化机床。 （二）测量误差 测量误差指工件实际尺寸与量具表示出的尺寸之间的差值。 加工 一般精度的零件 精密零件

21、测量误差占工件公差的 1/51/10 1/3左右 测量误差产生的原因： 1.测量器具本身的精度影响 2.温度的影响 3.人为的影响 （三）调整误差。 七、总加工误差的合成 偶然性系统误差：误差的出现没有明显的规律性，是偶然性的。（随机误差） 系统误差： 顺序加工一批零件，误差总 是存在的，当误差的数值 不变时 常值性系统误差 按某种规律变化时 变 值系统误差 （一）计算法 （二）分布曲线法 某尺寸工件数 工件总数（频率）工件实际尺寸（图3-29） 近似正态分布曲线（高斯曲线） ：尺寸分布范围。 ab尺寸分散值 Tab公差 1） 曲线有一定的尺寸分散范围（即 ）。 ab 2） 曲线对分散范围中心

22、对称分布的，有 一个最高点，位于对称中心，靠近平 均尺寸的零件数占大部分。 3） 尺寸最大或最小的零件数是极少数。 高斯曲线特点：高斯曲线方程： 22221xey式中 实际尺寸和尺寸平均值差， x 即 ， ，余类推； LLx11LLx22误差出现的概率； y实际尺寸的均匀根偏差 nxxxn22221自然对数的底； e零件的总数。 nnLLLLn21而 nLLLLLLn22221 由概率论可知，在 范围内的零 件占零件总数的25%； 3 . 0 x在 范围内的零件占零件总数的50%； 7 . 0 x在 范围内的零件占零件总数的75%； 1 . 1x在 范围内的零件占零件总数的99.73%。 3x

23、3x由此可以推断：绝对多数零件尺寸都在 范围内。 即：若工序 T6 则: 没有废品。 加工中若有常值系统性误差，则分布曲线对坐标原点的位置要发生变化，当分布曲线的形状不受影响。（图3-31） 而若是随机误差的影响，分布曲线的形状将改变。 （图3-32） （图3-33） （图3-34） （三）点图法高斯曲线的缺陷：只能进行事后的成品分析，而不能在加工过程中控制废品的产生；没有反映出零件加工的顺序，不能把系统性误差和随机误差区别。 例题：点图法： a)表示单位零件点图 相应零件的尺寸依次加工的零件号相应各组零件尺寸零件组的顺序号b)表示零件尺寸的分散 相应各组零件平均尺寸组号数 c)表示零件尺寸随

24、时间 变化的趋向 实际应用时，小组零件数选510个。 （图3-36） 控制生产过程点图（质量控制图） 一、表面粗糙度 表面粗糙度的形成 在大量生产中，可利用点图控制工艺过程，避免产生废品。 3-3表面质量的形成及影响因素残留面积 m 图（a）、（b） 2f1f2R1Rrk图（c） rk3R、maxrrctgkctgkfR图（d）、（e） 刀尖原弧半径 2r51Rr4R （一）切削的残留痕迹2cosmaxrrR2cos1r2sin22r可用 代替 ， 2sin212sinrf22sin且 甚小， 由左图几何关系可得： rfI2rfrfrR84222max 式中： 刀尖圆弧半径 r进给量 fmax

25、Rrkkfrr、 即降低表面粗糙度 滞流层、积屑瘤 （图3-38） 滞流层：加工钢时，切削沿前刀面流动，由于高温、高压和摩擦阻力的缘故，与前刀面接触的切削底层流动缓慢，称为滞流层。积屑瘤：在一定条件下，滞流层停止不前，脱离切削粘附在前刀面上而形成积屑瘤。 （二）积削瘤的影响鳞刺就是在已加工表面上出现鳞片状毛刺，它大大增加零件表面粗糙度。 鳞刺形成的四个阶段： （1）抹拭阶段 （图3-41a）（2）导裂阶段 （图3-41b）（3）层积阶段 （图3-41c）（4）刮成阶段 （图3-41d） （三）鳞刺机加工时的振动，刀具对工件产生周期性的位移，在加工表面上形成波纹似的痕迹。 振动的影响： 加大表面

26、粗糙度，刀具变钝及崩刃，破坏机床的联结，限制生产率，严重时将不能进行切削加工。 （四）工艺系统的振动由外界具有一定频率周期性变化的激振力所引起的振动。 振动 强迫振动： 自激振动： 由振动过程本身引起某种切削力的周期性变化，也由这个周期性变化的切削力反过来加强和维持振动，使振动系统补充了由阻尼振动作用消耗的能量。 二、表面强化 （图3-43） nr切削过程中，由于刀具有钝圆半径 ，金属层 受挤压 a回弹 加工表面与后刀面 加工表面晶粒间 摩擦 表面层硬度和强度提高， 延伸率、收缩率降低 表面硬化层 叫做表面强化或冷作硬化。 表面层塑性变形 晶格畸变同时，切削过程 切削热 表面层温度 晶格复原，

27、机械性能部分恢复。 若温升很高 表面层再结晶 表面强化消失叫弱化 机械加工：表面强化加弱化（同时发生） 一般表面强化占主导地位 三、残余应力残余应力产生原因： 塑性变化 体积增大（密度减小）压应力拉应力1）纤维拉长压应力拉应力2）拉应力3）（图3-45）切削 切削热压应力一、表面质量对零件耐磨性的影响 （图3-46） 两表面实际接触情况 磨损量工作时间t初期磨损量重载荷，润滑（恶化）差轻载荷，润滑良好1aR2aR)(umRa3-4加工质量对机器零件使用性能的影响在一定条件下有一个初期磨损量最小的表面粗糙度，称为最佳表面粗糙度。 由此可知，表面粗糙度并非越小越好。表面加工痕迹方向对磨损也有影响。

28、 （图3-49） a)单位压力较小，润滑充分： 1.磨损最小（加工痕迹方向与磨损运动 方向并列）。 2.磨损最大（加工痕迹方向与磨损运动方向垂直）。 加工痕迹妨碍磨损运动的进行。 容易被切去。 b)单位压力较大： 3.磨损最小。（加工痕迹方向与磨损运动 方向垂直） 咬合磨损可能性较小。 磨损最大。（加工痕迹方向与磨损运动 方向平行） 二、表面质量对零件疲劳强度的影响 疲劳损坏条件：循环的交变载荷，应力集中 在谷底处，从而产生裂纹。 零件的疲劳强度：（零件的材料+表面粗 糙度） 铸铁，有色金属对应力集中不敏感。 大小对零件疲劳强度影响不大。 aR金属表面强化有助于提高零件的疲劳强度。 零件表面的压缩残余应力有利于提高零件的疲劳强度，故常采用喷丸或滚挤压加工。 三、表面质量对零件抗腐蚀性的影响 在工件表面有残余压应力和表面强化有利于提高零件的抗腐蚀性能力。 四、表面质量对零件配合质性质的影响 间隙配合中 小，将有助于提高抗腐蚀性能力。 aR较大aR配合间隙增大很快磨损过盈配合中 五、其他影响 较大aR对没有密封件的液压油缸、滑阀， ： aR（滑动零件）降低摩擦系数，增加运 动灵活性，减少发热和功率损失。