汽车制造工艺学五

第7章机械加工质量分析12337.1机械加工质量的基本概念7.2工艺系统几何误差与控制7.3工艺系统受力变形误差及其控制返回347.4工艺系统热变形误差与控制357.5影响表面质量的因素及其控制7.1机械加工质量的基本概念

汽车产品制造质量包括零件制造质量和装配质量两方面内容，零件机械加工质量是保证产品质量的基础。机械加工质量包括加工几何精度与表面加工质量。加工几何精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。表面质量包括表面几何形状精度和缺陷层等，如图7一1所示

零件加工精度是指零件实际几何参数与设计几何参数的接近程度。加工误差是指零件实际几何参数与偏离设计几何参数的数值大小。加工精度用公差等级衡量，其等级数越低则精度越高。加工误差用数值表示，误差值越大则精度越低。

一般情况下，零件加工精度越高时，加工成本相对越高，生产效率则越低。

加工精度包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度。三者关系如下:表面形状误差二尺寸公差伊(30%~50%),表面位置误差“尺寸公差x(65%一85%)。由此可知，形状公差应该限制在位置公差之内;位置公差应限制在尺寸公差之内。尺寸精度越高时，形状和位置精度越高。下一页返回7.1机械加工质量的基本概念

表面质量指零件表面的几何特征和表面层的物理、力学性能。表面的几何特征包括表面粗糙度和波度。物理力学性能包括塑性变形、组织变化和表层金属中的残余内应力。1.加工表面几何形状

机械加工后的表面几何形状总是以“峰”“谷”交替形式出现。

表面粗糙度是指加工表面的微观几何形状误差。国家标准规定:表面粗糙度用在一定长度内(称为基本长度)轮廓的算术平均偏差值Ra或轮廓最大高度R:作为评定指标。

表面波度是介于宏观几何形状与微观几何形状误差之间的周期性几何形状误差。LlH=50-1000，则称为表面波度。表面波度通常是由加工过程中工艺系统的低频振动所引起的。上一页下一页返回7.1机械加工质量的基本概念2.加工表面层物理力学性能变化材料的表面层在加工时会产生物理、力学和化学性质的变化，常常在最外层生成氧化膜或其他化合物并吸收、渗进气体粒子，此称之为吸附层。在加工过程中由切削力造成的材料表面为压缩区，将形成塑性变形区域，厚度约在几十至几百微米之内，并随加工方法的不同而改变。压缩区上部为纤维层，由被加工材料与刀具间的摩擦所造成。另外，切削热也会使材料表层产生如同淬火、回火一样的相变以及晶粒大小的改变等。上一页下一页返回7.1机械加工质量的基本概念表面层的物理力学性能不同于基体，其主要表现为以下三方面:(1)表层发生冷作硬化其表层产生冷作硬化的原因在于工件在机械加工过程中，表层受力产生塑性变形，使其内部晶体发生剪切滑移，晶格扭曲、晶粒拉长或破碎甚至纤维化，使表层材料的强度和硬度提高，这种现象称为表面冷作硬化。(2)表层形成残余应力在切削特别是在磨削加工中，由于切削变形和切削热的影响，导致材料表层与内部基体材料间因热胀冷缩不同而处于相互牵制、平衡的弹性应力状态，从而形成残余应力。(3)表层金相组织的可能变化在机械加工特别是磨削加工中，由于切削热的集中，使得材料表面产生高温，促使其发生不同程度的金相组织和性能改变。上一页下一页返回7.1机械加工质量的基本概念工件、刀具、机床和夹具四要素组成了机械加工工艺系统。机械加工工艺系统中产生的误差称为原始误差。工艺系统误差来源于机械制造系统。机械制造系统的组成包括施行方法、机械实体和切削过程三大部分。1.按时间顺序产生的原始误差(1)加工前误差加工前误差包括原理误差、加工误差(装夹误差、调整误差)、机床误差、工装误差和毛坯误差。上一页下一页返回7.1机械加工质量的基本概念(2)加工过程误差加工过程误差包括工艺系统受力变形误差、工艺系统热变形误差和刀具磨损误差。(3)加工后误差加工后误差包括内应力变形和测量误差。2.按影响因素分类的工艺系统误差①工艺系统几何误差。②工艺系统受力变形误差。③工艺系统热变形误差。下节按以上三个方面，逐一展开分析讨论工艺系统的误差以及应该采取的对应措施上一页返回7.2工艺系统几何误差与控制加工原理误差是指采用近似成形运动或近似刀刃轮廓进行加工而产生的误差。实际上绝大多数加工均采用近似成形运动与近似刀刃轮廓。如图7-2所示，滚刀滚切渐开线齿面时的齿形误差就是加工原理误差，这是因为滚刀是由有限个非光滑渐开线切削刃所包络而形成的近似刀刃轮廓。用三坐标数控铣床加工复杂曲面时，采用的也是近似刀具轮廓，其所形成的误差亦属于加工原理误差。采用近似成形运动或近似刀刃轮廓的好处是能够简化机床结构或刀具形状，提高生产效率。当加工误差不超过10%一15%公差值时，一般可满足生产要求。有时因机床结构或刀具形状的简化可使近似加工的精度比使用准确切削刃轮廓及准确成形运动进行加工所得到的精度还要高。因此，在生产中，存在一定加工原理误差的加工方法仍在广泛使用。下一页返回7.2工艺系统几何误差与控制在零件加工的每一道工序中对机床、夹具和刀具进行调整，1.试切调整法试切调整法的工作顺序是:寸一比较，按差值重复上述过程切削整个表面，如图7一3所示。2.按定程机构调整，为了获得被加工表面的合格形状、尺寸和位置精度，必须但采用任何调整方法及使用任何调整工具都难免带来一些原始误差，这就是调整误差。初调刀具位置一试切一测量尺，当达到所要求的尺寸后，再定程机构包括行程挡块、靠模和凸轮等;调整块备有限位块、对刀块限位块可保证工件定位准确和刀具位移准确;用对刀块对刀调整，将使刀具与工件处于相对理想位置，如图7-4所示。钻套也属于一种限位块，钻套可确定钻头的位置，如图7一5所示上一页下一页返回7.2工工艺系统几几何误差与与控制3.按样件件或样板调调整在大批大量量生产中常常采用多刀刀加工，往往往通过样样件来调整整切削刃间间的相对位位置。4.在线调调整在线调整实实际上包括括在线测量量工件尺寸寸并及时调调整刀具进进给量。这这种方法适适用于高精精度零件加加工。测量量、调整和和切削等机机构可以综综合为相互互联系、协协调的自动动化系统，，如图7-6所示。必须指出，，采用任何何调整方法法及使用任任何调整工工具都难免免带来一些些原始误差差。比如，，用试切法法调整会存存在测量误误差、进给给机构的位位移误差以以及受到最最小极限切切削厚度的的影响;用用调整法调调整将必然然存在定程程机构误差差，样板或或样件调整整时的样板板或样件的的误差等。。表7一1集中了调整整误差来源源及形成因因素上一页下一页返回7.2工工艺系统几几何误差与与控制7.2.3主轴轴回转误差差1.主轴误误差分解机床主轴回回转运动误误差，即主主轴实际回回转线对其其理想回转转轴线的漂漂移，如图7-7所示其误差差形式可以以分解为径径向跳动、、轴向窜动动和角度摆摆动三种，，如图7一8所示实际上，主主轴回转误误差的三种种基本形式式一般将同同时存在。。2.主轴误误差原因产生主轴径径向误差的的原因主要要来自主轴轴误差和轴轴承误差。。主轴误差差包括主轴轴径的圆度度误差和同同轴度误差差。轴承误误差主要指指轴承孔的的圆度误差差。上一页下一页返回7.2工艺系统几几何误差与与控制当主轴采用用滑动轴承承支承时，，主轴轴径径和轴承孔孔双方的圆圆度误差将将对主轴回回转精度产产生直接影影响。对于于工件回转转类机床，，在切削力力F作用下主轴轴会出现径径向偏移，，其将以不不同的部位位和轴承内内孔某一部部位相接触触。此时主主轴形状误误差突出为为影响回转转精度的主主要因素，，而轴承内内孔的圆度度误差对主主轴回转精精度却没有有任何影响响。图图7-9(a)所示为车床床主轴不圆圆度影响回回转精度的的情况，图7-9(a)中戈为径向向跳动量。。对于刀具回回转类机床床，切削力力的方向随随主轴回转转而变化，，主轴轴径径以某一固固定位置与与轴承孔的的不同位置置相接触。。这时，轴轴承孔的形形状精度突突出为影响响回转精度度的主要因因素。图7-9(b)表示锁床轴轴承孔不圆圆度影响回回转精度的的情况。另外，主轴轴可能会出出现轴向窜窜动，其主主要是由主主轴承载轴轴肩与轴线线的垂直度度误差所引引起的。上一页下一页返回7.2工工艺系统几几何误差与与控制3.主轴回回转误差的的影响在分析主轴轴回转误差差对加工精精度的影响响时，首先先要注意到到主轴回转转误差在不不同方向上上的影响是是不同的。。分析主轴轴回转误差差对加工精精度的影响响时，应着着重分析误误差敏感方方向的影响响。各种原始误误差的大小小和方向各各不相同。。因此，不不同方向的的原始误差差对加工精精度的影响响互不相同同。当原始始误差与加加工精度两两者方向一一致时，原原始误差对对加工精度度的影响最最大，两者者一致的方方向称为敏敏感方向，，而敏感方方向险哈是是切削平面面的法线方方向。在敏敏感方向上上，原始误误差将以1:1的的比例转变变成加工误误差。上一页下一页返回7.2工艺系统几几何误差与与控制在除敏感方方向以外的的其他方向向上，原始始误差的影影响都将不不同程度地地减小。以以卧式车床床上车外圆圆为例，如如图7一10所示，当存存在某种原原始误差而而使车刀在在水平方向向偏离正确确位置△R时，在工件件直径方向向所产生的的加工误差差应为:当车刀在垂垂直方向偏偏离正确位位置△y,时，由图7一11中三角形可可知:展开后略去去二阶微量量(OR)2，则在工件件直径方向向产生的加工误差为为:上一页下一页返回7.2工工艺系统几几何误差与与控制敏感方向随随机床类型型而异，因因此，敏感感方向可分分为固定和和变化两种种类型。如如在车床上上加工，因因刀具固定定，使得切切削平面固固定不变，，此为敏感感方向固定定情况。而而在锁床上上加工，因因锁刀回转转，切削平平面旋转，，故敏感方方向为变化化型，从而而对这类机机床的主轴轴回转精度度要求更高高。表7-2列出了常用用机床的敏敏感方向。。实际上，，各类机床床主轴回转转误差对加加工精度影影响的结果果是:机床床主轴径向向跳动会使使工件产生圆度误误差若锁孔孔时锁杆做做水平简谐谐运动，则则锁刀轨迹迹就是椭圆圆，如图7-12所示主主轴轴轴向窜动会会形成下列列误差:加加工端平面面时，会造造成被加工工平面与圆圆柱面不垂垂直;加工工螺纹时，，会产生小小周期螺距距误差。在锁床上锁锁孔时，锁锁杆角度摆摆动会锁削削出椭圆柱柱面来上一页下一页返回7.2工工艺系统几几何误差与与控制4.提高主主轴精度措措施根据前面分分析，首先先要求主轴轴前轴承选选用精度、、刚度较高高的轴承，，并对滚动动轴承进行行预紧。当当采用滑动动轴承时，，则应采用用静压轴承承。其次是是提高主轴轴箱体支承承孔、主轴轴轴颈等与与轴承配合合相关表面面的加工精精度。再者者，为了使使主轴回转转误差不影影响工件，，还可采取取一些相应应措施，如如采用死顶顶尖磨削外外圆，只要要保证定位位中心孔的的形状与位位置精度，，即可加工工出高精度度的外圆柱柱面上一页下一页返回7.2工艺系统几几何误差与与控制7.2.4机床导轨误误差机床导轨副副是实现导导轨直线运运动的主要要部件，其其制造和装装配精度是是影响轨迹迹直线运动动精度的主主要因素。。导轨误差差会对零件件的加工精精度产生直直接影响。。如图7一13所示，车床床导轨[见图7一13(a)〕水平误差△△y,将使工件[见图7一13(b)出现半径误误差△R。当磨削长长外圆柱表表面时，磨磨床导轨将将引起工件件的圆柱度度误差。导轨在垂直直面内直线线度误差对对加工精度度的影响。。导轨在垂垂直方向上上的误差将使平平面磨床、、龙门刨床床、铣床等等产生法向向位移，其其误差直接接反映到工工件的加工工表面(误差敏感方方向)上体现为水水平面上的形状误差差。导轨在在垂直面内内直线度误误差对车床床影响较小小。从图7一14可看出，当当导轨在垂垂直面内直直线度存在在误差△:时，反映到到工件半径径方向上的的误差为△△R，而反映出出的加工误误差则可以以忽略不计计。根据关关系式:上一页下一页返回7.2工艺系统几几何误差与与控制所以此值完完全可以忽忽略不计。。机床导轨面面间平行度度误差的影影响。如图7一15所示，车床床两导轨的的平行度产产生误差(扭曲)，使鞍座出出现横向倾倾斜，刀具具相应发生生位移，因因而引起工工件形状误误差。由图图7一15可知:机床导轨对对主轴轴心心线平行度度误差的影影响。当在在车床类或或磨床类机机床上加工工工件时，，如果导轨轨与主轴轴轴心线不平平行，则会会引起工件件的几何形形状误差。。例如车床床导轨与主主轴轴心线线在水平面面内不平行行，会使工工件的外圆圆柱表面产产生锥度;在垂直面内内不平行时时，会使工工件加工成成马鞍形。。上一页下一页返回7.2工艺系统几几何误差与与控制7.2.5机床传动误误差对于某些加加工方法，，为保证工工件的精度度，要求工工件和刀具具间必须保保持准确的的传动关系系。如车削削螺纹时，，要求工件件旋转一周周，刀具直直线移动一一个导程。。机床传动动时必须保保持持S=iT为恒值。其其中，S为工件导程程，T为丝杠导程程，i为齿轮传动动比。所以以车床丝杠杠导程和各各齿轮的制制造误差都都必将引起起工件螺纹纹导程的误误差。为了了减少机床床传动误差差对加工精精度的影响响，可以采采用如下措措施。1.减少传动链链中的环节节，缩短传传动链因为传动链链的传动误误差等于组组成传动链链各传动件件传递误差差之和。例例如在车床床上加工较较高精度螺螺纹时，不不经过进给给箱，而用用交换齿轮轮直接传动动给丝杠，，以缩短传传动链长度度，减少传传动链的传传动误差。。上一页下一页返回7.2工工艺系统几几何误差与与控制2.采用降降速传动链链由前面分析析可知，传传动比小，，传动元件件误差对传传动精度的的影响就小小，而传动动链末端传传动元件的的误差对传传动精度影影响最大。。因此，采采用降速传传动是保证证传动精度度的重要原原则。对于于螺纹或丝丝杠加工机机床，为保保证降速传传动，机床床传动丝杠杠的导程应应大于工件件螺纹导程程。对于齿齿轮加工机机床，分度度蜗轮的齿齿数一般很很大，其目的是得到到大的降速速传动比。。3.提高传传动副特别别是末端传传动副的制制造和装配配精度，消消除传动间间隙传动链链中各传动动件的加工工、装配误误差对传动动精度均有有影响，其其中最后的的传动件的的误差影响响最大。如如滚齿机上上切出的齿齿轮的齿距距误差及齿距累积误误差大部分分是由分度度蜗轮副引引起的。所所以滚齿机机上分度蜗蜗轮副的精精度等级应应比被加工工的齿轮精精度高1一一2级。4.采用误误差补偿在采用误差差补偿时，，先用测量量仪器测出出传动误差差，然后根根据该测量量值在原传传动链中人人为地加入一个误误差，其大大小与传动动链本身的的误差相等等而方向相相反，使之之相互抵消消。该方法法称为误差差补偿。图7一16所示为精密密丝杠螺距距误差补偿偿装置上一页下一页返回7.2工工艺系统几几何误差与与控制7.2.6刀具具几何误差差刀具误差包包括刀具的的制造、磨磨损和安装装误差等。。机械加工工中常用的的刀具有一一般刀具、、定尺寸刀刀具和成形形刀具。一一般刀具如如普通车刀刀、单刃锁锁刀、平面面铣刀等的的制造误差差，对加工工精度没有有直接影响响。但当刀刀具与工件件的相对位位置调整好好以后，在在加工过程程中，刀具具的磨损将将会增加加加工误差。。定尺寸刀刀具如钻头头、铰刀、、拉刀、槽槽铣刀等的的制造误差差及磨损误误差，均直直接影响工工件的加工工尺寸精度度。成形刀刀具，如成成形车刀、、成形铣刀刀、齿轮刀刀具等的制制造和磨损损误差，主主要影响被被加工工件件的形状精精度。7.2.7夹具具几何误差差夹具误差主主要是指定定位误差、、夹紧误差差、夹具安安装误差、、对刀误差差以及夹具具的磨损等等。上一页下一页返回7.2工工艺系统几几何误差与与控制7.2.8测量量误差测量结果与与被测真值值之差，称称为测量误误差。测量量误差来源源于测量方方法和测量量装置误差差也会因温温度、湿度度、气压、、振动、照照明、尘埃埃与电磁场场等环境变变化而引起起。工件在在加工中进进行的测量量和加工后后的测量，，总会产生生测量误差差。为为了减减少测量误误差，提高高检验效率率，降低工工人的技术术要求，在汽车生产产中大量采采用专用量量具、检具具来测量零零件。如图图7一17所示的光光滑极限量量规即为一一种专用量量具。专用用量具和检检具是针对对具体零件件尺寸而制制造的，大大多数只用用来判断零零件是否合合格而实际际不反映真真值。只有有某些特殊殊需要的专专用量具和和检具，需需要通过专专业设计和和制造来反反映真值。。专用量具具、检具包包括光滑极极限量规、、高度和深深度量规、、圆锥规、、花键规、、样板及综综合检验夹夹具等。上一页返回7.3工工艺系统受受力变形误误差及其控控制7.3.1概述述由机床、夹夹具、刀具具、工件组组成的工艺艺系统，受受切削力、、传动力、、惯性力、、夹紧力以以及重力等等的作用，，会相应因因各种力的的作用而产产生变形。。这种变形形将破坏工工艺系统各各组元间已已调整好的的正确位置置关系，从从而形成加加工误差之之例例如，车车削细长轴轴时，工件件在切削力力作用下会会发生弯曲变形形，使之加加工后产生生腰鼓形的的圆柱度误误差，如图7一18(a)所示示;又如，，在内圆磨磨床上用横横向切人磨磨孔时，由由于磨头主主轴弯曲变变形，使得得所磨出的的孔会出现现带有锥度度的圆柱度度误差，如如图7一18(b)所所示。从材料力学学中得知，，任何一个个物体在受受力后总要要产生一定定的变形，，人们常把把作用力F与其引起起在作用力力方向上的的变形量Y的比值，，称为物体体的刚度k下面我们们就来讨论论工艺系统统受力变形形对误差的的影响与控控制。下一页返回7.3工工艺系统受受力变形误误差及其控控制7.3.2对工工艺系统刚刚度的认识识机械加工工工艺系统是是一个弹性性系统。弹弹性系统在在外力作用用下产生的的变形位移移的大小取取决于外力力大小和系系统抵抗外外力的能力力。工艺系系统抵抗外外力使其变变形的能力力称为工艺艺系统的刚刚度。工艺艺系统的刚刚度用切削削力和在该该力方向上上所引起的的刀具与工工件间相对对变形位移移的比值来来表示。由由于切削力力有三个分分力，在切切削加工中中对加工精精度影响最最大的是刀刀刃沿加工工表面的法法线方向(Y方向上上)的分力力，因此，，计算工艺艺系统刚度度时，通常常只考虑此此方向上的的切削分力力Fv和变变形位移量量yk=FYy,即即(7一4)上一页下一页返回7.3工工艺系统受受力变形误误差及其控控制1.车床刀刀架刚度变变形曲线众所周知，，机床部件件由许多零零件组成。。机床部件件的刚度，，即其抵抗抗外力使其其变形的能能力，迄今今尚无合适适的简易计计算方法，，主要用实实验方法来来测定。图7一19所示为车床床刀架刚度度变形曲线线。分析图图7一19中实验曲曲线，可以以总结出机机床刀架刚刚度具有以以下特点:①变形与载载荷不成线线性关系。。②加载曲线线和卸载曲曲线不重合合，卸载曲曲线滞后于于加载曲线线。两曲线线间所包容容的面积就就是加载和和卸载循环环中所损耗耗的能量。。该能量消消耗于摩擦擦力所做的的功和接触触变形功。。③第一次卸载载后，变形恢恢复不到第一一次加载的起起点，这说明明存在有残余余变形。经多多次加载、卸卸载后，加载载曲线起点才才和卸载曲线线终点重合，，残余变形才才逐渐减小到到零。④机床部件的的实际刚度远远比我们按实实体估算的要要小。上一页下一页返回7.3工艺系统受力力变形误差及及其控制2.工艺系统刚度度对加工精度度的影响(1)刀架刚度的影影响在加工过程中中，由于工件件加工余量发发生改变将引引起切削力变变化，所以刀刀架后移会产产生加工误差差。若若毛坯存在在有椭圆形状状误差。如图7一20所示，令毛坯坯椭圆长轴方方向上吃刀量量为ap1，短轴方向吃吃刀量为ap2。由于椭圆长轴轴、短轴两方方向吃刀量和和切削力不同同，故刀架后后移也不同。。设对应于ap1，产生的让y2对应于ap2产生的让刀为为y2，则加工出来来的工件必然然存在一定的的椭圆形状误误差。由于毛毛坯存在圆度度误差，，故将将引起工件的的圆度误差为为，，且△毛越大，△工越大。这种现现象称为加工工过程中的毛毛坯误差复映映现象。上一页下一页返回7.3工艺系统受力力变形误差及及其控制(2)工件刚度的影影响图7-21所示为车床上上车削细长杆杆，此时工件件发生弯曲，，影响加工精精度由此，加加工中一般采采取加装跟刀刀架、活顶尖尖和改变走刀刀方向的措施施来提高加工工精度。3.提高工艺系统统刚度措施合理设计零部部件结构。在在设计零部件件结构时，应应尽量减少连连接面数口，，并防止有局局部低刚度环环节出现。对对于基础件、、支撑件，应应合理选择零零件结构和截截面形状，以以提高机床部部件中零件间间的接合刚度度。必要时，，应给机床部部件预加反向向载荷等。采采用辅助支撑撑。例如，在在加工细长轴轴时，工件的的刚性差，采采用中心架或或跟刀架，或或采用中间驱驱动方式，有有助于提高工工件的刚度。。上一页下一页返回7.3工艺艺系统受力变变形误差及其其控制如图7-22(a)所示曲曲轴车床采用用中间驱动而而不是端头驱驱动，明显缩缩短了驱动部部位与被加工工轴颈距离，，降低了对刚刚度的要求。。图7一22(b)所所示为六角车车床采用导套套和导杆辅助助支撑副提高高刀架刚度措措施。采采用合理理的装夹和加加工方式。例例如，在卧式式铣床上铣削削角铁形零件件，如按图7一22(c)左所示示装夹和加工工方式，则工工件刚度较低低;如改用图图7一22(c)右所示装夹夹和加工方式式，则工件刚刚度明显提高高。加工箱体体零件时，粗粗加工采用短短定位销，精精加工采用长长定位销，以以消除定位孔孔磨损的影响响，如图7一一22(d)所所示。加工汽汽车凸轮轴则则采用托轮增增加刚性，如如7—22所所示。上一页下一页返回7.3工艺系统受力力变形误差及及其控制减小载荷及其其变化。为了了提高工艺系系统刚度，建建议采取适当当的工艺措施施来减小工艺艺系统中的载载荷和变化。。首先应该合合理选择刀具具几何参数，，例如增大前前角、让主偏偏角接近900等;其次是控制切切削用量，如如适当减少进进给量和背吃吃刀量，以减减小切削力，，相应减小受受力变形;再者，将毛坯坯分组，使加加工中的各组组毛坯余量相相对均匀，这这样能减少切切削力的变化化，从而能够够减小复映误误差上一页返回7.4工艺系统热变变形误差与控控制7.4.1工艺系统热源源工件、刀具等等的热变形对对加工精度影影响较大，特特别是在精密密加工和大件件加工中，热热变形所引起起的加工误差差通常会占到到工件总误差差的40%一70%引起工艺系统统热变形的热热源可分为内内部热源和外外部热源两大大类。1.内部热源内部热源包括括切削热和摩摩擦热。在切削过程中中，消耗于切切削的弹、塑塑性变形能及及刀具、工件件和切屑之间间摩擦的机械械能，绝大部部分都转变成成了切削热。。在车削加工工中，切屑所所带走的热量量可达50%一80%，传给工件的的热量约为30%，传给刀具的的热量不超过过5%。下一页返回7.4工艺艺系统热变形形误差与控制制工艺系统中的的摩擦热主要要是由机床运运动部件产生生的，如电动动机、轴承、、齿轮、丝杠杠副、导轨副副、离合器、、液压泵和阀阀等。尽管摩摩擦热比切削削热少，但其其在工艺系统统中是局部发发热，会引起起局部温升和和变形，破坏坏了系统原有有的几何精度度，对加工精精度也会带来来严重影响。。2.外部热源源外部热源的热热辐射包括照照明灯光、加加热器等对机机床的热辐射射，同时也不不容忽视周围围环境温度，，如不同昼夜夜温度对机床床热变形的影影响。控制外外部热源的热热辐射影响对对于大型和精精密加工尤为为重要。上一页下一页返回7.4工艺系统热变变形误差与控控制7.4.2工艺系统热变变形引起的误误差1.机床热变形对对加工精度的的影响一般机床的体体积较大，热热容量大，虽虽温升不高，，但其变形量量却不容忽视视。机床结构构较复杂，其其达到热平衡衡所需的时间间较长，各部部分的受热变变形不均，会会破坏原有的的相互位置精精度，造成工工件的加工误误差。机床结构和工工作条件不同同，机床热变变形的热源和和变形形式也也不尽相同。。对于车、铣铣、钻、锁类类机床，其主主轴箱中的齿齿轮、轴承摩摩擦发热和润润滑油发热是是其主要热源源，因而使得得主轴箱及与与之相连部分分，如床身或或立柱的温度度升高而产生生较大变形。。车床主轴发发热使主轴箱箱在垂直面与与水平面内发发生偏移和倾倾斜，如图7一23(a)所示。图7一23(b)所示为车床主主轴温升、位位移随运转时时间变化而变变化的情况。。由图7-23可见，Y方向的位移量量远大于X方向的位移量量，由于Y方向是误差非非敏感方向，，故对加工精精度影响较小小。上一页下一页返回7.4工艺系统热变变形误差与控控制2.刀具热变形所所引起的误差差尽管在切削加加工中传入刀刀具的热量很很少，但由于于刀具的尺寸寸和热容量小小，故仍有相相当程度的温温升，从而引引起刀具的热热伸长并造成成加工误差。。例如车削时时高速钢车刀刀的工作表面面温度可达700℃一800℃，硬质合金车车刀可达1000℃℃，刀具伸长量量可达0.03一0.0Smm图7-24所示为车刀热热伸长量与切切削时间的关关系。在车刀刀连续切削的的情况下，切切削开始时，，刀具的温升升和热伸长较较快，随后趋趋于缓和，经经30min逐步达到热平平衡。当切削削停止时，刀刀具温度开始始下降较快，，以后逐渐减减缓。刀具断续加工工时，变形趋趋于零。如加加工一批短小小轴件，在加加工过程中机机床、工件、、刀具趋于热热平衡。上一页下一页返回℃7.4工艺系统热变变形误差与控控制在连续冷却条条件下经20min后温度趋于室室温，变形趋趋于零3.工件热变形引引起的误差(1)工件均匀受热热图一些简单单的均匀受热热工件，如车车、磨轴类件件的外圆，待待加工后冷却却到室温时其其长度和直径径将有所收缩缩，由此而产产生尺寸误差差差ΔL，ΔL可用简单的热热伸长公式进进行估算，即即:(2)工件非均匀受受热工件受热不均均会引起内部部产生热应力力和外部变形形。如磨削零零件的单一表表面，由于工工件单面受热热会产生向上上翘曲变形y,，加工冷却后后将形成中凹凹的形状误差差y,.如图7一25(a)所示。y,’的量值可根据据图7-25(b)所示几何关系系得出如下下下件中凹形状状误差y,的关系式，即即:上一页下一页返回7.4工艺艺系统热变形形误差与控制制由式(7-7)可知，，工件的长度度L越大，厚厚度H越小，，则中凹形状状误差y,就就越大。在铣铣削或刨削薄薄板零件平面面时，也有类类似情况发生生。为减小由由工件热变形形带来的加工工误差，在工工件长度L和和厚度H基本本一定的前提提下，应重点点控制好工件件上下表面温温差△t。(3)控制工工艺系统热变变形的主要措措施为了有效地控控制工艺系统统的热变形，，主要措施是是采用高效的的冷却方式，，加强其散热热能力，以加加速系统热量量的散发，如如喷雾冷却、、冷冻机强制制冷却等。图7一26所示为坐标锁锁床的主轴箱箱用恒温喷油油循环强制冷冷却的实验结结果。当不采采用强制冷却却时，机床运运转6h后，，主轴与工作作台之间在垂垂直方向会发发生190N,m的位移移(见图7一一26中曲线线1)，而且且机床尚未达达到热平衡。。当采用强制制冷却后，上上述热变形位位移减少到15N,m,见图7-26中曲线2)，可见强制制冷却的效果果是非常显著著的。上一页下一页返回7.4工艺艺系统热变形形误差与控制制控制工艺系统统热变形的另另一依据是减减少热量产生生和传入。其措施施是合理选用用切削和磨削削用量、正确确使用刀具和和砂轮、及时时刃磨刀具和和修整砂轮等等，以免产生生过多的加工工热。从机床床的结构和润润滑方式上考考虑，要注意意减少运动部部件之间的摩摩擦，减少液液压传动系统统的发热，隔隔离电动机、、齿轮变速箱箱、油池、磨磨头(见图7一27)等热源，使使系统的发热热及其对加工工精度的影响响得以有效控控制。均衡温温度场。在机机床设计时，，采用热对称称结构和热补补偿结构，使使机床各部分分受热均匀热变形方向和和大小趋于一一致，或使热热变形方向为为加工误差非非敏感方向，，以减小工艺艺系统热变形形对加工精度度的影响。图7一28所示为平面磨磨床所采用的的均衡温度场场的示意图。。该机床油池池位于床身底底部，油池发发热会使床身身产生中凹达达0.364mm。经经改进，在导导轨下配置油油沟，导入热油循环环.使床身上下下温差大大减减小.热变形形量也随之减减小上一页下一页返回7.4工艺艺系统热变形形误差与控制制图7一29所示的立式平平面磨床采用用热空气加热热温升较低的的立柱后壁，，以均衡立柱柱前后壁的温温升，减小立立柱的向后倾倾斜。图7一一29中热空空气从电动机机风扇排出，，通过特设软软管引向立柱柱后壁空间。。采用该措施施后，磨削平平面的平面度度误差可降到到未采取措施施前的1/4一1/3。缩小发热零件件长度。如图7一30所示为外圆磨磨床横向进给给机构示意图图，图7一30(b)中对螺母母位置进行改改进，缩小了了丝杠热变形形长度，使得得热变形引起起的丝杠的螺螺距累积误差差减小，因而而砂轮的定位位精度较高。。对发发热热零零部部件件拟拟采采用用热热对对称称结结构构。。如如图7一一31所示示，，在在传传统统牛牛头头刨刨床床滑滑枕枕截截面面结结构构内内，，由由于于导导轨轨面面的的高高速速滑滑动动，，导导致致摩摩擦擦生生热热，，使使滑滑枕枕上上冷冷下下热热，，产产生生弯弯曲曲变变形形。。如如果果将将导导轨轨布布置置在在截截面面中中间间，，滑滑枕枕截截面面上上下下对对称称，，显显然然可可以以减减小小导导轨轨面面的的弯弯曲曲变变形形控控制制环环境境温温度度，，安安排排精精密密加加工工在在恒恒温温室室内内进进行行。。上一一页页下一一页页返回回7.4工艺艺系系统统热热变变形形误误差差与与控控制制7.4.3内应应力力引引起起的的误误差差零件件在在没没有有外外加加载载荷荷的的条条件件下下，，仍仍然然残残存存在在工工件件内内部部的的应应力力称称内内应应力力或或残残余余应应力力。。工工件件在在铸铸造造、、锻锻造造及及切切削削加加工工后后，，内内部部常常常常会会存存在在各各种种内内应应力力(也称称热热应应力力)。零零件件内内应应力力的的重重新新分分布布不不仅仅影影响响零零件件的的加加工工精精度度，，而而且且对对装装配配精精度度也也有有很很大大的的影影响响。。内内应应力力存存在在于于工工件件内内部部，，且且其其存存在在和和分分布布情情况况相相当当复复杂杂，，下下面面作作一一些些定定性性分分析析。。1.毛坯坯的的内内应应力力铸、、锻锻、、焊焊等等毛毛坯坯在在生生产产过过程程中中，，由由于于各各部部分分结结构构厚厚薄薄不不均均，，导导致致冷冷却却速速度度与与热热胀胀冷冷缩缩不不均均匀匀而而相相互互牵牵制制，，形形成成内内应应力力。。一一般般规规律律是是厚厚处处(缓冷冷部部位位)产生生拉拉应应力力，，相相连连薄薄处处(快冷冷部部位位)产生生压压应应力力，，变变形形将将朝朝向向减减小小内内应应力力的的方方向向弯弯曲曲。。图7一32所示示为为车车床床床床身身，，在在铸铸造造时时，，床床身身导导轨轨表表面面及及床床腿腿面面冷冷却却速速度度较较快快，，中中间间部部分分冷冷却却速速度度较较慢慢，，因因此此形形成成了了上上、、下下表表层层出出现现压压应应力力、、中中间间部部分分(导轨轨截截面面主主体体)处于于拉拉应应力力的的状状态态。。上一一页页下一一页页返回回7.4工工艺艺系系统统热热变变形形误误差差与与控控制制2.冷冷校校直直引引起起的的内内应应力力细长长的的轴轴类类零零件件，，如如发发动动机机凸凸轮轮轴轴等等在在加加工工和和运运输输中中很很容容易易产产生生弯弯曲曲变变形形。。数数轴轴类类零零件件在在装装配配前前需需要要安安排排冷冷校校直直工工序序。。这这种种方方法法简简单单方方便便，，但但会会带带来来内内应应力力变变形形而而影影响响零零件件加加工工精精度度。。因因此此，，大大多多，，引引起起工工件件图7一33所示为冷冷校直时时引起内内应力的的情况。。在弯曲曲的轴类类零件中中部施加加压力F，使其其产生反反弯曲，，此时，，轴的上上层受压压，下层层受拉，，外层为为塑变区区，内层层为弹变变区得适适当，新新分布，，在去除除外力后后，塑变变区的变变形将保保留下来来，而弹弹变区的的变形将将全部恢恢复如果果外力加加，内应应力重工工件弯曲曲得以校校直。但但是，如如果变形形控制不不当，则则会引起起工件重重新变形形而影响响零件加加工精度度。上一页返回7.5影影响表面面质量的的因素及及其控制制机械零件件的破坏坏一般总总是从表表面层开开始，而而产品的的性能，，尤其是是它的可可靠性和和耐久性性，在很很大程度度上取决决于零件件表面层层的质量量。研究究机械加加工表面面质量的的目的就是是为了掌掌握机械械加工中中各种工工艺因素素对加工工表面质质量影响响的规律律，以便便运用这这些规律律来控制制加工过过程，达达到改善善表面质质量、提提高产品品使用性性能的目目的。7.5.1加工表表面粗糙糙度影响响因素及及改进1.加工工表面的的表面粗粗糙度切削加工工表面的的表面粗粗糙度主主要取决决于切削削残留面面积的高高度，并并与切削削表面塑塑性变形形及积屑屑瘤的产产生有关关。(1)切切削残留留面积由于刀具具切削刃刃的几何何形状、、几何参参数、进进给运动动及切削削刃本身身的表面面粗糙度度等原因因，未能能将被加加工表面面上的材材料层完完全干净净地去除除掉，在在已加工工表面上上遗留下下残留面面积，残残留面积积的高度度便构成成了表面面粗糙度度Rz下一页返回7.5影影响表面面质量的的因素及及其控制制(2)切切削表面面塑性变变形和积积屑瘤图7一35所示为加加工塑性性材料时时切削速速度对表表面粗糙糙度的影影响。如如图7一一35所所示，切切削速度度:处于于30一一SOm/min时，，表面粗粗糙度值值最大，，这是因因为此时时容易产产生积屑屑瘤或鳞鳞刺。鳞鳞刺是指指切削加加工表面面在切削削速度方方向产生生的鱼鳞鳞片状的的毛刺。。积屑瘤和和鳞刺均均会使表表面粗糙糙度值加加大。当当切削速速度超过过100m/min时时，表面面粗糙度度值反而而下降并并趋于稳稳定。结论:选选择低速速宽刀精精切和高高速精切切，往往往可以得得到较小小的表面面粗糙度度值。上一页下一页返回7.5影影响表面面质量的的因素及及其控制制一般来讲讲，材料料韧性越越大或塑塑性变形形趋势越越大，被被加工表表面的表表面粗糙糙度就越越大切削削脆性材材料比切切削塑性性材料容容易达到到表面粗粗糙度的的要求。。对于同同样的材材料，金金相组织织越粗大大，切削削加工后后的表面面粗糙度度值也越越大。为为减小切切削加工工后的表表面粗糙糙度值，，常在精精加工前前进行调调质处理理(淬火火+高温温回火)，目的在于于得到均均匀细密密的晶粒粒组织和和较高的的硬度。。此外，合合理选择择切削液液、适当当增大刀刀具法前前角和提提高刀具具的刃磨磨质量等等，均能能有效地地减小加加工表面面粗糙度度值上一页下一页返回7.5影影响表面面质量的的因素及及其控制制2.磨削削加工的的衣面粗粗糙度(1)磨磨削用量量对粗糙糙度的影影响磨削时，，砂轮的的速度越越高，单单位时间间内通过过被磨表表面的磨磨粒数就就越多，，因而工工件表面面的表面面粗糙度度值就越越小，如如图7一36(a)所所示。工件速度度对表面面粗糙度度的影响响刚好与与砂轮速速度的影影响相反反。增大大工件速速度时，，单位时时间内通通过被磨磨表面的的磨粒数数减少，，表面粗粗糙度值值将增加加，如图图7一36(b)所所示。磨削深度度(背吃吃刀量)增大，，表层塑塑性变形形将随之之增大，，被磨表表面粗糙糙度值也也会增大大，如图图7一36(c)所所示。另外，砂砂轮的纵纵向进给给减小，，工件表表面的每每个部位位被砂轮轮重复磨磨削的次次数增加加，被磨磨表面的的表面粗粗糙度值值将减小小。上一页下一页返回7.5影影响表面面质量的的因素及及其控制制(2)砂砂轮结构构对表面面粗糙度度的影响响砂轮结构构中，砂砂轮粒度度越细，，磨削的的表面粗粗糙度值值越小。。但磨粒粒太细时时，砂轮轮易被磨磨屑堵塞塞，若导导热情况况不好，，反而会会在加工工表面产产生烧伤伤等现象象，使表表面粗糙糙度值增增大。因因此，砂砂轮粒度度常取为为46一一60号号砂砂轮轮硬度的的影响。。砂轮太太硬，磨磨粒不易易脱落，，磨钝了了的磨粒粒不能及及时被新新磨粒替替代，会会使表面面粗糙度度值增大大;砂轮轮太软，，磨粒易易脱落，，磨削作作用减弱弱，也会会使表面面粗糙度度值增大大。因此此，常选选用中软软砂轮。。砂轮修整整。砂轮轮修整对对工件表表面粗糙糙度也有有重要影影响。精精细修整整过的砂砂轮可有有效减小小被磨工工件的表表面粗糙糙度值。。上一页下一页返回7.5影响表面面质量的的因素及及其控制制7.5.2影响表层层力学性性能因素素及改进进1.表面冷作作硬化工件加工工时，由由于受到到切削力力和切削削热的作作用，表表面金属属层的力力学物理理性能会会产生很很大变化化，如表表层金属属的显微微硬度发发生变化化。评定硬化化组织的的指标有有三项:表层金属属的显微微硬度HV、硬化层层深度h和硬化程程度N。式中，HVo—工件表面面硬化层层内层金金属的显显微硬度度。各种加工工方式对对钢件表表面的硬硬化程度度与硬化化深度的的影响见见表7-3上一页下一页返回7.5影影响表面面质量的的因素及及其控制制影响加工工硬化的的主要因因素有切切削用量量、刀具具几何参参数及磨磨损和工工件材料料等。(1)切切削用量量的影响响当加大进进给量时时，表层层金属的的显微硬硬度通常常将随之之增大。。这是因因为随着着进给量量的增大大，切削削力增大大，表层层金属的的塑性变变形加剧剧，冷硬硬程度也也会相应应增加，，如图7一37所示。背吃刀量量对表层层金属冷冷作硬化化的影响响不大，，但对于于磨床，，磨削深深度越深深，对冷冷硬影响响越大，，如图7一38所示上一页下一页返回7.5影响表面面质量的的因素及及其控制制(2)刀具的影影响刀具前角角y,越大，切切削变形形越小，，加工硬硬化程度度和硬化化层深度度均相应应减小。。如图7一39所示，刀刀具后刀刀面磨损损宽度VB从Omm增大到0.3mm，显微硬硬度由330HV增大到340HV，这是由由于磨损损宽度加加大后，，刀具后后刀面与与被加工工工件的的摩擦加加剧，塑塑性变形形增大，，导致表表面冷硬硬增大。。然而，，当磨损损宽度继继续加大大时，摩摩擦热急急剧增大大，弱化化趋势凸凸显，表表层金属属的显微微硬度反反而逐渐渐下降，，直至稳稳定在某某一个水水平(3)工件材料料的影响响众所周知知，工件件材料硬硬度越低低用的低低碳、中中碳或合合金结构构钢而言言严重。。塑性增增加，加加工硬化化程度和和硬化层层深度越越大。上一页下一页返回7.5影响表面面质量的的因素及及其控制制就汽车岸岸由于其其塑性变变形能力力强，所所以在机机械加工工中其表表面硬科科2.材料的金金相组织织变化(1)磨削烧伤伤磨削工件件时，当当其表面面层温度度达到或或超过金金属材料料的相变变温度时时，表层层金属材材料的金金相组织织将发生生部分相相变，表表层显微微硬度也也会相应应变化，，并伴随随有残余余应力产产生，甚甚至出现现微裂纹纹，还会会出现彩彩色氧化化膜，这这种现象象称为磨磨削烧伤伤。(2)磨削裂纹纹一般情况况下，磨磨削表面面多呈残残余拉应应力。磨磨削淬火火钢、渗渗碳钢及及硬质合合金工件件时，常常常沿垂垂直于磨磨削的方方向产生生微小龟龟裂，严严重时发发展成龟龟壳状微微裂纹，，且有的的裂纹不不在工件件外表面面而是在在表面层层下，用用肉眼根根本无法法发现。。上一页下一页返回7.5影响表面面质量的的因素及及其控制制裂纹常与与磨削方方向垂直直或呈网网状，并并且与烧烧伤同时时出现。。其危害害是降低低零件的的疲劳强强度，甚甚至出现现早期低低应力断断裂。(3)磨削烧伤伤改进措措施1)正确选择择砂轮对于导热热性差的的材料如如不锈钢钢，为避避免产生生烧伤