机械制造课件

机械工程学院机械制造基础1第4章机械加工质量4.1机械加工精度

4.1.1概述

4.1.2获得加工精度的方法

4.1.3工艺系统几何误差

4.1.4工艺系统受力变形

4.1.5工艺系统热变形

4.1.6工件内应力引起的变形

4.1.7加工误差的综合

4.1.8保证和提高加工精度的途径4.2加工表面质量

4.2.1表面质量的基本概念

4.2.2影响加工表面粗糙度主要因素及其控制

4.2.3影响表面物理、力学性能的因素及其控制机械工程学院机械制造基础24.1机械加工精度4.1.1概述

1）加工精度的概念

加工精度：是指零件加工后，其几何参数的实际数值与图纸规定的设计数值相符合的程度。加工精度包括：尺寸精度：加工表面的实际尺寸与设计尺寸的尺寸误差不超过一定的尺寸公差范围。在国标中尺寸公差分20级（IT01、IT0、IT1~IT18）。几何形状精度：加工表面的实际几何要素对理想几何要素的变动量不超过一定公差范围。在国标中形状公差有六项：直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。相互位置精度：加工表面的实际几何要素对由基准确定方向或位置的理想几何要素的变动量。在国标中位置公差有八项：平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度、位置度、圆跳动、全跳动。机械工程学院机械制造基础32）原始误差的来源及其与加工误差l

加工误差：是指零件加工后，其几何参数的实际数值与图纸规定的设计数值不符合的程度，即实际数值与设计数值之差。

l

原始误差：包括机床、夹具、刀具及工件在内的机械加工工艺系统各环节的误差，是造成零件加工误差的工艺因素。l原始误差与加工误差的关系原始误差对加工误差的影响表现为其在工序尺寸上的分量的大小。误差敏感方向：原始误差对加工精度影响最大的方向。误差不敏感方向：原始误差对加工精度影响最小的方向。机械工程学院机械制造基础4l

原始误差的来源(1)工件定位与夹紧误差：定位误差、夹紧变形。(2)工艺系统静（几何）误差：机床、夹具、刀具的制造误差。(3)调整误差：工艺系统位置调整产生的误差。(4)工艺系统的动（过程）误差：工艺系统受力及内应力、热等产生的变形及磨损。(5)测量误差：测量方法及测量器具的误差。(6)加工原理误差：用近似的表面成形运动代替理论的表面成形运动，用近似的刀具刃形代替正确的刃形等产生的加工误差。（例齿轮加工、车模数蜗杆p=πm等）机械工程学院机械制造基础54.1.2获得加工精度的方法（2）调整法：通过预调好的机床、夹具、刀具、工件，在加工中自行获得尺寸精度。（3）尺寸刀具法：用一定形状和尺寸的刀具加工获得。（4）自动控制法：用一定装置，边加工边自动测量控制加工。2.

形状精度的获得方法成形运动法

（1）轨迹法：利用刀具与工件间的相对运动轨迹来获得形状。（2）成形法：利用成形刀具加工获得表面形状。（3）展成法：利用刀具与工件相对运动使工件被刀具切削成一定形状的包络线。l.

尺寸精度的获得方法（1）试切法：试切——测量——调整——再试切非成形运动法：人工修配、样板加工、划线加工等。机械工程学院机械制造基础6获得加工精度的方法3.

位置精度的获得方法（1）一次装夹获得法（2）多次装夹获得法装夹的方式：直接找正装夹、划线找正装夹、夹具装夹。机械工程学院机械制造基础74.1.3工艺系统几何误差机床误差

机床精度取决于其制造精度、装配精度及磨损情况，其中对加工精度影响最大的是主轴误差、导轨误差等。主轴几何偏心：车床上，与定位基准面间产生同轴度、垂直度等位置误差；镗床和钻床会造成孔径的扩大。

主轴回转误差（主轴轴线漂移）：纯径向跳动：车削外圆、镗孔时产生圆度误差。纯轴向窜动：车端面产生平面度误差；车螺纹产生螺距小周期误差。纯角度摆动：产生圆柱度或端面形状误差。机械工程学院机械制造基础8主轴误差对加工精度的影响：

相同的误差对于不同加工方法影响各不相同。例如：镗床镗孔时刀具随机床主轴回转，切削力和误差敏感方向也在旋转，轴线的漂移会直接反映到工件上去。车削是工件回转，切削力和误差敏感方向不变，只有水平方向误差才1:1地反映到工件上。机械工程学院机械制造基础9提高主轴回转精度的措施:（1）提高主轴部件的制造精度，选用高精度滚动轴承或采用动压、静压轴承（刚度高、回转精度高）；（2）对滚动轴承进行预紧，以消除间隙或产生微量过盈，提高轴承刚度。（3）采用合理的工艺方法来消除主轴回精度对加工精度的影响，主轴只起传递动力和运动的作用。例：采用固定顶尖定位加工，工件轴线不变。采用电磁无心磨削加工，工件与主轴之间有偏心量产生传递扭矩，切削力与电磁力合力使工件紧贴在可调支承，主轴转动与工件定位无关。机械工程学院机械制造基础10导轨误差：对加工误差的影响（以车削为例）直线度误差：导轨扭曲：导轨与主轴位置误差：传动误差：螺纹加工、齿轮加工等要求刀具与工件间保持固定的传动关系，传动误差将影响螺纹导程、齿轮的分度精度等。机械工程程学院机机械械制造基基础112.刀刀具误差差展成法：：加工表面面是无数数刀刃轨轨迹的包包络面，，刀刃形形状为加加工表面面的共扼扼曲线，，刀具误误差会影影响加工工表面的的形状误误差。轨迹法：：工件表面面是刀尖尖与工件件相对运运动轨迹迹的包络络面。定尺寸刀刀具：如钻头、、铰刀、、拉刀等等，尺寸寸、形状状直接影影响工件件尺寸和和形状精精度。刀具磨损损：直接影响响刀具的的尺寸、、形状等等。刀具误差差包括刀刀刃廓形形制造、、刃磨误误差及刀刀具安装装误差。。成形法：：刀具表面面廓形““复印””到加工工表面上上。安装装误差也也直接影影响加工工表面形形状精度度。例如如：车削削螺纹，，车刀安安装偏高高或偏低低，三角角形牙型型轮廓会会变成双双曲线。。机械工程程学院机机械械制造基基础123.夹夹具制造造误差定位元件、、刀具导向向装置、对对刀装置、、分度机构构以及夹具具体等零件件及组件的的制造误差差、组装位位置误差，，引起加工工表面尺寸寸及位置误误差。夹具磨损引引起的定位位误差。夹具制造误误差主要是是：机械工程学学院机机械制造基基础134.1.4工艺系系统受力变变形1.工工艺系统受受力变形分分析机械加工过过程中，在在重力、切切削力、惯惯性力、传传动力等外外力作用下下，工艺系系统都会变变形，破坏坏刀具与工工件间的正正确位置，，从而产生生加工误差差。刚度：指加到系系统上的作作用力P与由它产产生的在作作用力方向向上的位移移y的比值值。即K=P/y工艺系统的的刚度：指垂直于于待加工表表面的切削削分力Py与工件在Py方向的位移移之比值。。Ks=Py/y根据材料力力学计算，，两顶尖加加工工件简简化为简支支梁：机械工程学学院机机械制造基基础142.工工艺系统受受力对加工工精度的影影响（1）切削力力对加工精精度的影响响误差复映：：有形状误差差（或相互互位置误差差）的工件件毛坯，在在加工后，，因加工余余量不均，，切削力变变化，使工工艺系统产产生了相应应的变形，，其形状误误差（或位位置误差））仍以与毛毛坯相似的的形式、程程度不同地地反映在新新的加工表表面上。工工件误差Δg对毛坯误差差Δm的复映程度度称为误差差复映系数数ε。即εε=ΔΔg/Δm例：车削加加工短圆柱柱毛坯，该该毛坯有圆圆度误差（（椭圆），，这时系统统刚度可即即近似看成成常数。因因此切削过过程中背吃吃刀量在不不断变化，，从而导致致系统的变变形量也随随之而变，，最终加工工后的表面面仍为椭圆圆。ε为小于1的正数，，每次切削削的复印系系数为1，2，3…最终误差复复映系数为为ε=1·2·3…«1，故切削次次数越多误误差越小。。机械工程学学院机机械制造基基础15车削细长工工件细长工件刚刚度低，切切削时工件件产生弯曲曲变形而让让刀，且不不同的部位位变形程度度不同，加加工工件为为腰鼓形。。车削短而粗粗的刚性轴轴短轴刚度高高，切削时时工艺系统统（主要是是机床）的的各部分刚刚度不等，，不同的部部位变形程程度不同而而让刀，加加工工件为为马鞍形，，且最小直直径出现在在中间靠近近刚度高的的一侧。机械工程学学院机机械制造基基础16惯性力引起起加工误差差单爪拨盘产产生离心力力而产生定定位端面位位置误差；；传递力矩矩与切削力力矩平衡，，半径方向向变形是切切削力与传传动力产生生位移量代代数和，相相加后结果果为：心脏脏线轮廓。。夹紧变形重力变形机械工程学学院机机械制造基基础17缩短切削力力作用点和和支承点的的距离，也也可使用辅辅助支承提提高零件刚刚度。合理使用机机床：悬伸长度短短、运动间间隙小、不不运动部件件要锁紧。。其它措施：：补偿系统受受力变形、、转移误差差敏感方向向、转移误误差等。3.减小小工艺系统统受力变形形的措施提高工艺系系统的刚度度：包括结构刚刚度、连接接刚度、接接触刚度等等。控制受力大大小和方向向：通过合理选选择切削参参数、刀具具角度控制制切削力或或分力的大大小，也可可利用对称称性抵消作作用力；改改变切削力力的方向，，避开误差差敏感方向向。采用合理的的装夹和加加工方式。机械工程学学院机机械制造基基础184.1.5工艺系系统热变形形工艺系统热热源：切削热、传传动系统摩摩擦能耗发发热、派生生热源（切切屑、冷却却液落在床床身上）、、外部热源源。工艺系统热热变形对加加工精度的的影响：（1）机床床由于各部部分受热不不均匀，发发生弯曲和和扭曲变形形，降低了了、机床几几何精度，，影响加工工精度；（2）加工工短小工件件，加工可可以忽略，，但测量时时要考虑热热胀冷缩；；（3）车长长轴时，温温度逐渐升升高，刀具具和工件变变形渐大，，切除量逐逐渐增大，，加工工件件产生圆柱柱度误差；；均匀热变变形量计算算：（4）工件单单面受力（（如铣、刨刨、磨等）），一面受受热，工件件上拱，加加工后加工工表面出现现中凹。机械工程学学院机机械制造基基础19减少热变形形影响的措措施减少发热源源：分离电电机、液压压系统等；；热补偿：均均化温度场场，实际村村各部分温温度均匀；；保持系统热热平衡：加加工前先预预热，平衡衡后在加工工；环境恒温。。机械工程学学院机机械制造基基础20例：1.工工件件刚度度极大大，床床头刚刚度大大于床床尾，，分析析加工工后加加工表表面形形状误误差。。(a)左左小右右大锥锥形；；(b)形形成成内凹凹端面面；(c)马马鞍形形，小小径靠靠床头头。2.车车削削工件件，产产生图图示误误差，，分析析主要要原因因。(a)锥锥形：：导轨轨与主主轴不不平行行、刀刀具磨磨损；；(b)腰腰鼓形形：工工件刚刚性差差，产产生让让刀；；(c)马马鞍形形：工工件刚刚性好好，机机床两两端刚刚性差差。机械工工程学学院机机械制制造基基础214.1.6工工件件内应应力引引起的的变形形工件的的内应应力是指当当外载载荷去去掉后后仍然然存在在与工工件内内部的的应力力。存存在内内应力力是工工件处处于不不稳定定的平平衡状状态，，应力力变化化将产产生变变形。。内应力力产生生的原原因：：1）毛毛坯制制造中中产生生内应应力：：在铸造造、锻锻造、、焊接接及热热处理理中工工件受受热不不均及及金相相组织织变化化时体体积的的变化化而产产生内内应力力。通常表表面（（薄的的部位位）先先冷却却凝固固，芯芯部（（厚的的部位位）后后冷却却，因因此先先冷却却部分分受压压应力力，后后冷却却部分分受拉拉应力力。马氏体体的密密度小小（γ马=7.75），，奥氏氏体的的密度度大（（γ奥=7.96），，局部部相变变体积积变大大时受受拉应应力，，局部部相变变体积积缩小小时受受压应应力。。2）冷冷校直直引起起内应应力：：刚性较较差的的、易易变形形的细细长工工件，，采用用冷校校直的的方法法纠正正弯曲曲变形形时产产生内内应力力。3）切切削加加工过过程中中产生生内应应力：：切削过过程中中切削削塑性性变形形、相相变等等使工工件表表面产产生残残余应应力。。机械工工程学学院机机械制制造基基础22消除内内应力力的措措施合理设设计零零件结结构：：铸件件、锻锻件壁壁厚均均匀，，焊接接件焊焊缝分分布均均匀等等；尽量不不采用用冷校校直工工艺：：精密密件严严禁冷冷校直直，可可热校校直或或加大大余量量多切切削；；合理安安排时时效处处理消消除内内应力力；合理安安排工工艺过过程：：粗加加工后后过一一定时时间后后再精精加工工，粗粗加工工后松松开工工件重重新以以较小小的力力装夹夹等。。机械工工程学学院机机械制制造基基础234.1.7加加工工误差差的综综合1）误误差的的性质质（1）系系统误误差：：连续加加工一一批工工件时时，加加工误误差的的大小小和方方向保保持一一定或或按某某一确确定规规律变变化。。前者者称为为常值值系统统误差差，后后者称称为变变值系系统误误差。。（2）随随机误误差：：连续加加工一一批工工件时时，加加工误误差的的大小小和方方向都都是无无规律律地变变化。。随机机误差差服从从统计计规律律。2）加加工误误差的的综合合加工误误差的的综合合是根根据加加工情情况分分析加加工精精度的的影响响因素素，分分项计计算主主要误误差，，判断断其性性质，，综合合求得得加工工误差差。系统误误差按按代数数和合合成：：机械工工程学学院机机械制制造基基础24随机误误差的的合成成概率法法综合合：其中1.2是随随机误误差的的相对对分布布系数数（简简化近近似取取值））总的标标准偏偏差：：机械工工程学学院机机械制制造基基础253）加加工误误差的的统计计分析析分布曲曲线法法概率直直方图图与分分布曲曲线在正常常加工工条件件下，，用调调整法法加工工一批批工件件所得得的尺尺寸分分布曲曲线符符合正正态分分布曲曲线。。机械工工程学学院机机械制制造基基础26正态分分布曲曲线正态分分布密度函数:算术平平均值值:（工件件尺寸寸分布布中心心）标准偏偏差（（均方方根偏偏差））：分布概概率（（分布布面积积）：其中：：机械工工程学学院机机械制制造基基础27实例：：一批活活塞精精镗后后销孔孔检验验尺寸寸如表表，图图样尺尺寸φ28-0.015mm分布中中心：：标准差差：σ=0.0022公差带带中点点=28-0.015/2=27.9925机械工工程学学院机机械制制造基基础28不合格格品率率计算算：1.计计算算：2.查查表表：φφ(z)3.计计算算：合格品品率=φφ(z1)+φ(z2)不合格格品率率：FA=0.5-φ(z1)FB=0.5-φ(z2)机械工工程学学院机机械制制造基基础29工艺能能力系系数工艺能能力系系数Cp=T/(6σ)工艺能能力系系数工工艺方方案的的工艺艺能力力，通通常分分为五五级。。机械工工程学学院机机械制制造基基础30例题：：车削一一批小小轴，，直径径φ20-0.1mm，，测量量结果果服从从正态态分布布，公公差带带中心心与分分布中中心差差0.03mm，标标准差差σ=0.025mm，，求合合格品品率和和废品品率，，工艺艺能力力系数数Cp。解：zA=xA/σ=(T/2+0.03)/σσ=(0.1/2+0.03)/0.025=3.2FA=φ(zA)=0.499zB=xB/σ=(T/2-0.03)/σσ=(0.1/2-0.03)/0.025=0.8FB=φ(zB)=0.288合格品品率=FA+FB=0.787废品率率=1-0.787=0.213工艺能能力系系数：：Cp=T/(6σ)=0.1/(6*0.025)=0.6667机械工工程学学院机机械制制造基基础31例题：：在外圆圆磨床床上加加工一一批光光轴，，设计计要求求尺寸寸为φ40±±0.03mm，平平均值值=40.01mm加工工后测测得工工件的的尺寸寸呈正正态分分布，，且已已知σσ=0.01mm，，求：：（（1））划出出工件件尺寸寸分布布曲线线图和和尺寸寸公差差范围围；（（2）计计算工工艺能能力系系数；；（（3））废品品率是是多少少？能能否修修复？？1解:（1）分分布曲曲线如如图。。（2））工艺艺能力力系数数：Cp=T/(6σσ)=0.06/(6*0.01)=1（3））不合合格品品都是是尺寸寸过大大，为为可修修复不不合格格品，，不合合格品品率为为：F=0.5-(z)=0.5-0.4772=2.28%机械工工程学学院机机械制制造基基础32控制图图法：：控制图图又称称点图图，生生产中中常用用单值值控制制图和和均值值-极差差控制制图（（-R图图）。。1）单单值控控制图图：一般用用于单单件加加工时时间长长和希希望尽尽早发发现异异常，，需要要逐件件画点点，个个别件件的偶偶然因因素影影响判判断。。2）均均值-极差差控制制图：：机械工工程学学院机机械制制造基基础334.1.8保保证和和提高高加工工精度度的途途径减少或或消除除原始始误差差；补偿或或抵消消原始始误差差；转移原原始误误差；；误差分分组；；误差平平均法法；就地加加工法法；加工过过程控控制法法。机械工工程学学院机机械制制造基基础344.2加加工工表面面质量量4.2.1表表面质质量的的基本本概念念1）表表面质质量的的含义义：指零件件加工工后的的表面面微观观几何何形状状和表表面的的物理理机械械性能能状态态。表表面质质量包包括：：表面微微观几几何形形状：：表面粗粗糙度度（S/H<40））表面波波度（（50<S/H<1000)表面层层物理理机械械性能能：表面层层冷作作硬化化表面层层残余余应力力表面层层相变变机械工工程学学院机机械制制造基基础352）表表面质质量对对零件件使用用性能能的影影响表面质质量对对零件件耐磨磨性的的影响响：初期磨磨损快快，跑跑合后后进入入正常常磨损损。表面粗粗糙时时，高高点干干摩擦擦，磨磨损快快；表表面太太光洁洁时润润滑油油无法法进入入，造造成材材料粘粘结磨磨损，，最佳佳Ra0.32~1.25μm。表面硬硬化，耐磨磨性提提高。。表面相相变影响耐耐磨性性。表面质质量对对疲劳劳强度度的影影响：：表面越越粗糙糙，抗疲疲劳性性越差差。表面硬硬化抗疲劳劳性提提高，，但硬硬化程程度过过高，，易出出现疲疲劳裂裂纹、、剥落落现象象。表层压压应力力，提高高抗疲疲劳性性，表层拉拉应力力，降低低抗疲疲劳性性。表面质质量对对零件件耐腐腐蚀性性的影影响：：表面越越粗糙糙，抗抗腐蚀蚀能力力越差差。凹凹陷处处易于于杂质质形成成原电电池，，造成成电化化学腐腐蚀。。表面质质量对对配合合性质质的影影响表面质质量对对接触触刚度度的影影响：：表面越越粗糙糙，接接触刚刚度越越低，，联接接牢固固性、、接触触位置置准确确性越越差。。机械工工程学学院机机械制制造基基础364.2.2影影响加加工表表面粗粗糙度度主要要因素素及其其控制制l切削过过程中中塑性性变形形及其其它物物理因因素引引起的的粗糙糙度（1）积积屑瘤瘤（2））鳞刺刺：较较低速速切削削塑性性较差差的材材料产产生节节状或或粒状状切屑屑，切切屑在在前刀刀面上上周期期性停停留代代替前前刀面面推挤挤切削削层，，造成成塑性性变形形向切切线以以下延延伸，，造成成已加加工表表面拉拉应力力太大大而导导裂，，形成成鳞片片状毛毛刺，，这就就是鳞鳞刺。。（3）刃刃口挤压压塑性变变形（4）材材料脆性性表面粗糙糙度产生生的原因因：l残留面积积机械工程程学院机机械械制造基基础37表面粗糙糙度产生生的原因因：l工艺系统统的振动动自由振动动：靠系统弹弹性恢复复力维持持的振动动。强迫振动动：靠外界周周期干扰扰力持续续作用系系统被迫迫产生振振动。自激振动动：系统本身身引起的的交变力力作用而而产生的的振动。。切出时切切削力做做正功，，获得能能量；切切入时做做负功，，消耗能能量。当当做正功功大于负负功时，，系统产产生振动动。负摩擦理理论（切屑与刀刀具摩擦擦力随相相对速度度增加而而下降，，做功产产生能量量）再生效应应（前后两次次切削部部分重叠叠相位滞滞后时，，易产生生振动）振型耦合合原理（振动系统统刚度主主轴，使使振动过过程中切切削截面面积变化化而引起起切削力力的变化化，支持持振动。。）机械工程程学院机机械械制造基基础38降低表面面粗糙度度的措施施：l选择合适适的切削削条件（1）切削削速度（2）减减小进给给量（3）切切削深度度（背吃吃刀量））（4）切切削液l合理选用用刀具几几何参数数和刀具具材料（1）采用用合理的的刀具几几何参数数（2）采采用与工工件材料料分子亲亲和力小小的刀具具材料l改善工件件材料的的性能和和金相组组织l使用特殊殊的加工工方法机械工程程学院机机械械制造基基础394.2.3影影响