机械加工质量2

第三章

机械加工质量授课教师：丁晓映集美大学机械与能源工程学院§3.1概述——零件的加工质量是保证机械产品工作性能和产品寿命的基础。

衡量进行加工质量的指标有两方面：加工精度表面质量上一页下一页一、机械加工精度和加工误差

——在机械加工过程中，由于各种因素的影响，使刀具和工件间的正确位置发生偏移，因而加工出来的零件不可能与理想的要求完全符合，两者的符合程度可用机械加工精度和加工误差来表示。1、机械加工精度：——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。上一页下一页

——从保证产品的使用性能分析，没有必要把每个零件都加工得绝对准确，可以允许有—定的加工误差，只要加工误差不超过图样规定的偏差，即为合格品。

2、加工误差：

——指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的偏离程度。加工精度越高，则加工误差越小，反之越大。——加工精度的高低以国家有关公差标准来表示。保证和提高加工精度实际上是限制和降低加工误差。上一页下一页3、机械加工精度包含的内容尺寸精度形状精度位置精度机械加工精度三者之间的关系：（1）当尺寸精度要求高时，相应的位置精度和形状精度也要求高。形状公差应限制在位置公差内，位置公差应限制在尺寸公差内。（2）当形状精度要求高时，相应的位置精度和尺寸精度不一定要求高。上一页下一页4、加工精度与加工成本和生产效率的关系一般：加工精度要求↑→加工成本↑→生产效率↓

5、研究加工精度的目的——弄清各种原始误差对加工精度影响的规律→掌握控制加工误差的方法→获得预期的加工精度，必要时能指出进一步提高加工精度的途径。6、研究加工精度的方法因素分析法统计分析法

——在实际生产中，常常结合起来应用。先用统计分析法寻找误差的出现规律，初步判断产生加工误差的可能原因，然后运用单因素分析法进行分析、试验，以便迅速、有效地找出影响加工精度的主要原因。上一页下一页二、影响加工精度的因素——零件的尺寸、几何形状和表面间相互位置的形成，归根到底取决于工件和刀具在切削过程间的相互位置。由于工艺系统存在各种原始误差，它们以不同的方式和程度反映为加工误差。1、原始误差机床夹具刀具工件——机械加工工艺系统→机械加工系统∴工艺系统误差称为原始误差工艺系统误差是“因”，是根源；加工误差是“果”，是表现。上一页下一页2、原始误差产生加工误差的根源，它包括：工艺系统静误差主轴回转误差导轨误差传动链误差一般刀具定尺寸刀具成形刀具展成法刀具

试切法调整法外力作用点变化外力方向变化外力大小变化机床几何误差工艺系统几何误差原理误差调整误差测量误差定位误差工艺系统动误差工艺系统力变形工艺系统热变形工艺系统内应力变形刀具几何误差夹具几何误差机床热变形工件热变形刀具热变形上一页下一页三、误差的敏感方向——在加工过程中，各种原始误差的影响会使刀具和工件间正确的几何关系遭到破坏，引起加工误差，各种原始误差的大小和方向各不相同，而加工误差则必须在工序尺寸方向度量。因此，不同的原始误差对加工精度有不同的影响。——当原始误差的方向与工序尺寸方向一致时，其对加工精度的影响最大。——以外圆车削为例说明两者的关系上一页下一页

如图，车削时工件的回转轴线为O，刀尖正确位置在A。设某一瞬时由于各种原始误差的影响，使刀尖位移到A’，AA’即为原始误差δ，它与OA间的夹角为φ，——当原始误差的方向恰为加工表面的法向方向(φ＝0°)时，引起的加工误差最大；可以看出：由此引起工件加工后的半径由R0＝OA变为R＝OA’，故半径上的加工误差△R为：

上一页下一页———当当原始始误误差差的的方方向向恰恰为为加加工工表表面面的的切线线方方向向(φφ＝＝90°°)引引起起的的加加工工误差差最最小小。———把对对加加工工精精度度影影响响最最大大的的那那个个方方向向称称为为误差差的的敏敏感感方方向向———对加加工工精精度度影影响响最最小小的的那那个个方方向向则则称称为为误差差的的不不敏敏感感方方向向上一一页页下一一页页———加加工工原原理理误误差差是是指指采采用用了了近近似似的的成成形形运运动动或或近近似似的的切切削削刃刃轮轮廓廓进进行行加加工工而而产产生生的的误误差差。。（书书P150））一、、加加工工原原理理误误差差§3.2工工艺艺系系统统的的几几何何精精度度对对加加工工精精度度的的影影响响注意意：：采用用近近似似的的成成形形运运动动或或近近似似的的切切削削刃刃轮轮廓廓，，虽虽然然会会带带来来加加工工原原理理误误差差，，但但往往往往可可简简化化机机床床或或刀刀具具的的结结构构，，提提高高生生产产效效率率，，有有时时反反而而能能得得到到较较高高的的加加工工精精度度。。∴只要要刀刀具具误误差差不不超超过过规规定定的的精精度度要要求求、、在在生生产产中中仍仍能能得得到到广广泛泛的的应应用用。。上一一页页下一一页页二、、调调整整误误差差———在在机机械械加加工工的的每每一一工工序序中中。。总总是是要要对对工工艺艺系系统统进进行行这这样样或或那那样样的的调调整整工工作作，，不不可可能能绝绝对对准准确确，，因因而而产产生生调调整整误误差差。。工艺艺系系统统的的调调整整的的基基本本方方式式(1)试试切切法法调调整整(2)调调整整法法调调整整(1)试试切切法法调调整整应用用：：单件件小小批批生生产产中中方法法：：对工工件件进进行行试切切——测测量量——调调整整——再再试试切切，直直到到达达到到要要求求的的精精度度为为止止。。上一一页页下一一页页1)测测量量误误差差这时时，，引引起起调调整整误误差差的的因因素素有有：：2)进进给给机机构构的的位位移移误误差差———由量量具具本本身身精精度度、、测测量量方方法法及及使使用用条条件件引引起起。。3)试试切切时时与与正正式式切切削削时时切切削削层层厚厚度度不不同同的的影影响响———在微微量量调调整整刀刀具具的的位位置置、、低低速速微微量量进进给给中中，，常常常常出出现现进进给给机机构构的的““爬爬行行””现现象象，，其其结结果果使使刀刀具具的的实实际际位位移移与与刻刻度度盘盘上上的的数数值值不不一一致致、、造造成成加加工工误误差差。。———精加加工工时时，，切切削削刃刃只只起起挤挤压压作作用用而而不不起起切切削削作作用用，，但但正正式式切切削削时时的的深深度度较较大大工工件件。。上一页页下一页页(2)调整整法调调整影响调调整精精度的的因素素有：：1）影影响试试切法法调整整精度度的因因素，，因为采采用调调整法法对工工艺系系统进进行调调整时时，也也要以以试切切为依依据。。2）用用定程程机构构调整整时，，调整精精度取取决于于行程程挡块块、靠靠模及及凸轮轮等机机构的的制造造精度度和刚刚度；；3）用用样件件或样样板调调整时时，调整精精度取取决于于样件件或样样板的的制造造、安安装和和对刀刀精度度；4）工工艺系系统初初调好好以后后，——般要要试切切几个个工件件，并并以其其平均均尺寸寸作为为判断断调整整是否否准确确的依依据。。由于试试切加加工的的工件件数(称为为抽样样件数数)不不可能能太多多，不不能完完全反反映整整批工工件切切削过过程中中的各各种随随机误误差，，故试切切加工工几个个工件件的平平均尺尺寸与与总体体尺寸寸不能能完全全符合合，也也造成成加工工误差差。上一页页下一页页三、机机床的的制造造误差差与磨磨损——机机床的的制造造误差差、安安装误误差以以及使使用中中的磨磨损都都直接接影响响工件件的加加工精精度。。机床导导轨导导向误误差机床主主轴回回转误误差机床传传动链链的误误差机床误误差——机机床床导轨轨误差差多达达21项——机机床导导轨是是实现现直线线运动动的主主要部部件，，其制制造和和装配配精度度是影影响直直线运运动的的主要要因素素，直接影影响工工件的的加工工质量量。——对对加工工精度度影响最最大的是导轨和主轴的精度度。——分析导导轨误误差对对加工工精度度的影影响时时，主要考考虑导轨误误差引引起刀刀具与与工件件在误误差敏敏感方方向的的相对对位移移。上一页页下一页页1）导导轨在在水平平面内内直线线度误误差（1））机床床导轨轨的直直线度度误差差的影影响→纵向切切削时时刀尖尖的运运动轨轨迹不不为直直线→其相对对于轴轴线的的距离离发生生变化化→工件件圆圆柱柱度度误误差差。。2））导导轨轨在在垂垂直直面面内内直直线线度度误误差差→车刀刀刀刀尖尖位位置置沿沿工工件件外外圆圆的的切切线线方方向向变变化化→对工工件件的的直直径径影影响响较较小小。。上一一页页下一一页页（2））导导轨轨面面间间平平行行度度（（扭扭曲曲））误误差差（书书P151））（图中中ΔΔ→→δδ））———一般般车车床床H/B≈≈2/3，，外外圆圆磨磨床床H/B≈≈1→此此原原始始误误差差不不能能忽忽视视。。上一一页页下一一页页（3））机机床床主主轴轴旋旋转转时时轴轴线线位位置置的的变变化化主轴轴的的误误差差轴承承的的误误差差轴承承的的间间隙隙与轴轴承承配配合合零零件件的的误误差差主轴轴系系统统的的径径向向不不等等刚刚度度和和热热变变形形等等影响响主主轴轴回回转转运运动动误误差差的的主主要要因因素素———对于于不不同同类类型型的的机机床床，，其其影影响响因因素素也也各各不不相相同同。。→影响响工工件件的的圆圆度度上一一页页下一一页页（3））机机床床主主轴轴旋旋转转时时轴轴线线位位置置的的变变化化a））切削削载载荷荷→主轴轴的的轴轴颈颈始始终终压压紧紧在在轴轴承承表表面面的的一一定定部部位位→主轴轴轴轴颈颈的的圆圆度度会会反反映映到到工工件件中中。。b））切削削力力方方向向时时刻刻在在变变→主轴轴的的轴轴颈颈始始终终以以其其某某一一母母线线压压紧紧着着轴轴承承表表面面的的不不同同部部位位→滑动动轴轴承承（（轴轴承承孔孔））的的圆圆度度将将反反映映到到工工件件上上。。———如果果用用滚动动轴承承→轴承承的的径径向向跳跳动动必必须须保保证证严严格格的的公公差差→采用用精精密密轴轴承承和和正正确确的的安安装装方方法法上一一页页下一一页页三、、其其他他几几何何误误差差一般般刀刀具具(如如普普通通车车刀刀、、单单刃刃镗镗刀刀和和平平面面铣铣刀刀等等)的的制制造造误误差差，，对对加加工工精精度度没没有有直直接接影影响响。。1、、刀刀具具误误差差一般般刀刀具具定尺尺寸寸刀刀具具成形形刀刀具具机加加工工中中常常用用的的刀刀具具有有：：定尺尺寸寸刀刀具具(如如钻钻头头、、铰铰刀刀、、拉拉刀刀等等)的的尺尺寸寸误误差差直直接接影影响响加加工工工工件件的的尺尺寸寸精精度度。。刀刀具具在在安安装装使使用用中中不不当当将将产产生生跳跳动动，，也也将将影影响响加加工工精精度度。。成形刀刀具(如成成形车车刀、、成形形铣刀刀及齿齿轮刀刀具等等)的的制造造误差差和磨磨损，，主要要影响响被加加工表表面的的形状状精度度。上一页下一页1）定位元元件、刀具具导向元件件、分度机机构和夹具具体的制造造误差2）夹具元元件装配误误差3）夹具在在长期使用用过程中工工作表面的的磨损2、工件的的装夹误差差与夹具制制造、磨损损——工件装夹误误差是指定位误误差和夹紧紧误差夹具制造、、磨损上一页下一页1）工件在在加工过程程中要用各各种量具、、量仪等进进行检验测测量，再根根据测量结结果对工件件进行试切切或调整机机床。3、测量误误差∴要正确地选择择和使用量具，以保保证测量精精度。上一页下一页2）量具本本身的制造造误差、测测量时的接接触力、温温度、目测测正确程度度等，都直直接影响加加工误差。。§3.3工工艺系系统的受力力变形对加加工精度的的影响一、基本概概念1、工艺系系统加工中中受到的力力有：切削力传动力惯性力夹紧力重力等——工艺系统在在这些力的的作用下，，将产生相相应的变形形→将破坏切削削刃和工件件之间已调调整好的正正确的位置置关系→产生加工误误差。上一页下一页（2）在内内圆磨床上上用横向切切入磨孔时时，磨出的的孔会产生生带有锥度度的圆柱度度误差。如如图（b））所示。（1）车削削细长轴时时，工件在在切削力作作用下的弯弯曲变形，，加工后会会产生鼓形形的圆柱度度误差如图图（a）所所示。（a）（b）上一页下一页2、工艺系系统受力对对其性能的的影响1）是加工工中一项很很重要的原原始误差2）严重影影响工件的的加工精度度3）还影响响加工表面面质量4）限制加加工生产率率的提高3、工艺系系统承受受受力变形能能力的评价价——从材料力学学知道，任任何一个受受力物体总总要产生一一些变形。。物体承受受受力变形形的能力可可由静刚度度(简称刚刚度)来表表示。上一页下一页——切削加加工中，在在各种外力力作用下，，工艺系统统各部分将将在各个受受力方向产产生相应的的变形。——在切削削力F的作作用下，分分力Fy与与y方向上上的变形量量Y之比：：工艺系统刚刚度：对于工艺系系统受力变变形，主要要研究误差差敏感方向向。因此，工艺艺系统刚度度jg定义为：jg=Fy/Y=切削力在在y方向的的分力/在在切削力F的作用下产生的y方向的变变形工艺系统受受力变形对对加工精度度的影响：：→形状误差差、尺寸误误差上一页下一页——当工艺系统刚刚度变化不不大，近似似地作为常常数时，由由于被加工表面面的形状误差差或材料硬硬度不均匀匀→切削力变化→受力变形不不一致→产生加工误误差。二、毛坯误误差的复映映规律工件就形成成圆度误差差，这种现现象称为“误差复映映”。例：车削，，工件毛坯坯存在圆度度误差(例例如椭圆)，如图所所示。由于工件毛毛坯存在圆圆度误差车削时使切切削深度在在ap1与ap2之间变化。。——切削分分力f也随随切削深度度a的变化化由最大ymax变到最小ymin工艺系统将将产生相应应的变形1、误差复复映上一页下一页——当毛坯误差差较大，一一次进给不不能满足加加工精度要要求时，需需要多次进进给来消除除毛坯误差差Δm复映到工件件上。2、误差复复映规律的的应用——由于误差复映系系数ε总是小于1，而且是是—个远远远小于1的的系数，小小数相乘更更小。因此此．一般IT7要求求的工件经经过2—3次进给后后，可能使使Δm复映到工件件上的误差差减小到公公差允许值值的范围内内。应用：1）估算加加工后的工工件误差2）根据工工件的公差差值与毛坯坯误差值来来确定加工工次数——可增加工艺艺系统刚度度或减少径径向切削力力系数→减少工件的的复映误差差上一页下一页三、减少工工艺系统受受力变形的的措施（书P153）——减少工艺系系统受力变变形，是机机械加工中中保证产品品质量和提提高生产率率的主要途途径之一，，根据生产产实际情况况，可采取取以下几方方面措施。。1、提高工工艺系统刚刚度jg；2、减小切切削力及加加工过程中中切削力的的变化，特特别是减小小敏感方向向的切削力力及其变化化；3、转移、、补偿工艺艺系统的受受力变形。。上一页下一页§3.4工工艺系系统的热变变形对加工工精度的影影响——在机械加工工过程中，，工艺系统统在各种热热源的影响响下常产生生复杂的变变形，破坏坏工件与切切削刃相对对的正确位位置，从而而产生加工工误差。一、概述——据统计，在在精密加工工中，由于于热变形引引起的加工工误差约占占总加工误误差的40％一70％。高效效、高精度度、自动化化加工技术术的发展，，使工艺系系统热变形形问题变得得更为突出出，已成为为机械加工工技术进一一步发展的的一个重要要的研究课课题。上一页下一页1、引起工工艺系统受受热变形的的热源：系统内部热热源(切削热热和摩擦热热)系统外部热热源(如太太阳辐射热热)导热传热对流传热辐射传热2、热的传传递方式：：——当单位位时间内的的热量传入入与传出相相等时，温温度不再升升高，这时时工艺系统统就达到热热平衡状态态。在热平平衡状态下下，工艺系系统各部分分的温度就就保持在一一相对固定定的数值上上，因而各各部分的热热变形也就就相应地趋趋于稳定。。这就是我们们要追求的的目标。一方面，工工艺系统受受热源影响响，温度逐逐渐升高；；另一方面，，热量通过过各种传导导方式向周周围散发。。上一页下一页——由切削削过程中切切削层金属属的弹性、、塑性变形形及刀具与与工件、切切屑间的摩摩擦所产生生，并由工工件、刀具具、夹具、、机床、切切屑、切削削液及周围围介质传出出。1.切削削热——车削时，大量的切切削热由切切屑带走，，传给工件件的为10％～30％，传给给刀具的为为1％～5％。3、工艺系系统的热源源——孔加工工时，大量切屑屑滞留在孔孔中，使大大量的切削削热(50％左右右)传入工工件。——磨削时时，由于磨屑屑小，带走走的热量很很少，大部部分传入工工件，故易易产生磨削削烧伤。上一页下一页2.摩擦热热——主要由由机床和液液压系统中中的运动部部分产生的的，如电动动机、轴承承、齿轮等等传动副、、导轨副、、液压泵、、阀等运动动部分产生生的摩擦热热。摩擦热热是机床热热变形的主主要热源。。——主要是是环境温度度的变化和和热的辐射射，大型和和精密工件件的加工受受此影响较较大。3.外部热热源上一页下一页二、机床热热变形引起起的加工误误差——机床受热源源的影响，，各部分温温升将发生生变化。由由于热源分分布的不均均匀和机床床结构的复复杂性，机机床各部件件将发生不不同程度的的热变形，，破坏了机机床原有的的几何精度度，从而降降低了机床床的加工精精度。例：车床类类机床后果：主轴箱和床床身的温度度上升，造造成机床主主轴抬高和和倾斜。主要热源：：是主主轴轴箱箱轴轴承承的的摩摩擦擦热热和和主主轴轴箱箱中中油油池池的的发发热热；；上一一页页下一一页页几种种机机床床的的热热变变形形趋趋势势平面面磨磨床床车床床铣床床双端端面面磨磨床床上一一页页下一一页页三、、工工件件热热变变形形引引起起的的加加工工误误差差切削削热热（（是是主主要要的的））外部部热热源源（（对对于于精精密密件件不不可可忽忽视视））使工工件件产产生生变变形形的的热热源源———不不同同的的加加工工方方法法，，不不同同的的工工件件材材料料、、结结构构和和尺尺寸寸件件的的受受热热变变形形也也不不相相同同。。例1：：精密密丝丝杠杠磨磨削削时时，，工工件件的的热热伸伸长长会会引引起起螺螺距距的的累累积积误误差差。。例2：：细长长轴轴在在顶顶尖尖间间车车削削时时：：———热热变变形形使使工工件件伸伸长长，，导导致致工工件件因因弯弯曲曲变变形形而而产产生生圆圆柱柱度度误误差差。。上一一页页下一一页页———单单面面受受热热，，与与底底面面产产生生温温差差，，引引起起热热变变形形，，影影响响导导轨轨的的直直线线度度。。例3：：床身身导导轨轨面面的的磨磨削削———此此时时粗粗、、精精加加工工间间隔隔时时间间较较短短，，粗粗加加工工时时的的热热变变形形将将影影响响到到精精加加工工，，工工件件冷冷却却后后，，将将产产生生加加工工误误差差。。例4：：在三三工工位位的的组组合合机机床床上上，，通通过过钻钻——扩扩——铰铰加加工工孔孔如：：工工件件的的尺尺寸寸是是：：外外径径40mm，，孔孔径径为为20mm，，长长40mm，，材材料料为为钢钢材材。。钻钻孔孔时时切切削削用用量量为为n＝310r／／min，，f＝0.36mm。钻钻孔后后，温温升达达107℃℃，，接接着扩扩孔和和铰孔孔，当当工件件冷却却后孔孔的收收缩量量已超超过精精度规规定值值。∴在这种种情况况下一一定要要采取取冷却却措施施，否否则将将出现现废品品。上一页页下一页页如：高高速钢钢刀具具车削削时刃刃部的的温度度可高高达700～～800℃℃，，刀具具的热热伸长长量可可达0.03～～0.05mm。因因此，，其影影响不不可忽忽略。。四、刀刀具热热变形形引起起的加加工误误差——刀具的的热变变形主主要是是切削削热引引起的的，传传给刀刀具的的热量量虽不不多，，但由由于刀刀具体体积小小、热热容量量小且且热量量又集集中在在切削削部分分，因因此切切削部部分仍仍产生生很高高的温温升。。上一页页下一页页五、减减少和和控制制工艺艺系统统热变变形的的主要要途径径（5）1．减减少热热源的的发热热2．用用热补补偿方方法减减少热热变形形3．采采用合合理的的机床床部件件结构构减少少热变变形的的影响响4．加加速达达到工工艺系系统的的热平平衡状状态5．控控制环环境温温度上一页页下一页页§3.5工工件内内应力力的影影响——残余应应力是是指外外部载载荷去去除后后，仍仍残存存在工工件内内部的的应力力。零件中中的残残余应应力