机械加工精度与加工表面质量

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。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。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）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。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。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。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。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。10导轨误误差：：对加工工误差差的影影响（（以车车削为为例））直线度度误差差：导轨扭扭曲：：导轨与与主轴轴位置置误差差：传动误误差：：螺纹纹加工工、齿齿轮加加工等等要求求刀具具与工工件间间保持持固定定的传传动关关系，，传动动误差差将影影响螺螺纹导导程、、齿轮轮的分分度精精度等等。112.刀具误误差展成法法：加工表表面是是无数数刀刃刃轨迹迹的包包络面面，刀刀刃形形状为为加工工表面面的共共扼曲曲线，，刀具具误差差会影影响加加工表表面的的形状状误差差。轨迹法法：工件表表面是是刀尖尖与工工件相相对运运动轨轨迹的的包络络面。。定尺寸寸刀具具：如钻头头、铰铰刀、、拉刀刀等，，尺寸寸、形形状直直接影影响工工件尺尺寸和和形状状精度度。刀具具磨磨损损：：直接接影影响响刀刀具具的的尺尺寸寸、、形形状状等等。。刀具具误误差差包包括括刀刀刃刃廓廓形形制制造造、、刃刃磨磨误误差差及及刀刀具具安安装装误误差差。。成形形法法：：刀具具表表面面廓廓形形““复复印印””到到加加工工表表面面上上。。安安装装误误差差也也直直接接影影响响加加工工表表面面形形状状精精度度。。例例如如：：车车削削螺螺纹纹，，车车刀刀安安装装偏偏高高或或偏偏低低，，三三角角形形牙牙型型轮轮廓廓会会变变成成双双曲曲线线。。123.夹具具制制造造误误差差定位位元元件件、、刀刀具具导导向向装装置置、、对对刀刀装装置置、、分分度度机机构构以以及及夹夹具具体体等等零零件件及及组组件件的的制制造造误误差差、、组组装装位位置置误误差差，，引引起起加加工工表表面面尺尺寸寸及及位位置置误误差差。。夹具具磨磨损损引引起起的的定定位位误误差差。。夹具具制制造造误误差差主主要要是是：：134.1.4工艺艺系系统统受受力力变变形形1.工艺艺系系统统受受力力变变形形分分析析机械械加加工工过过程程中中，，在在重重力力、、切切削削力力、、惯惯性性力力、、传传动动力力等等外外力力作作用用下下，，工工艺艺系系统统都都会会变变形形，，破破坏坏刀刀具具与与工工件件间间的的正正确确位位置置，，从从而而产产生生加加工工误误差差。。刚度度：指指加加到到系系统统上上的的作作用用力力P与由由它它产产生生的的在在作作用用力力方方向向上上的的位位移移y的比比值值。。即即K=P/y工艺艺系系统统的的刚刚度度：指指垂垂直直于于待待加加工工表表面面的的切切削削分分力力Py与工工件件在在Py方向的位位移之比比值。Ks=Py/y根据材料料力学计计算，两两顶尖加加工工件件简化为为简支梁梁：142.工艺系统统受力对对加工精精度的影影响（1）切削力力对加工工精度的的影响误差复映映：有形状误误差（或或相互位位置误差差）的工工件毛坯坯，在加加工后，，因加工工余量不不均，切切削力变变化，使使工艺系系统产生生了相应应的变形形，其形形状误差差（或位位置误差差）仍以以与毛坯坯相似的的形式、、程度不不同地反反映在新新的加工工表面上上。工件件误差Δg对毛坯误误差Δm的复映程程度称为为误差复复映系数数ε。即ε=Δg/Δm例：车削加工工短圆柱毛坯坯，该毛坯有有圆度误差（（椭圆），这这时系统刚度度可即近似看看成常数。因因此切削过程程中背吃刀量量在不断变化化，从而导致致系统的变形形量也随之而而变，最终加加工后的表面面仍为椭圆。。ε为小于1的正数，每次次切削的复印印系数为1，2，3…最终误差复映映系数为ε=1·2·3…«1，故切削次数数越多误差越越小。15车削细长工件件细长工件刚度度低，切削时时工件产生弯弯曲变形而让让刀，且不同同的部位变形形程度不同，，加工工件为为腰鼓形。车削短而粗的的刚性轴短轴刚度高，，切削时工艺艺系统（主要要是机床）的的各部分刚度度不等，不同同的部位变形形程度不同而而让刀，加工工工件为马鞍鞍形，且最小小直径出现在在中间靠近刚刚度高的一侧侧。16惯性力引起加加工误差单爪拨盘产生生离心力而产产生定位端面面位置误差；；传递力矩与与切削力矩平平衡，半径方方向变形是切切削力与传动动力产生位移移量代数和，，相加后结果果为：心脏线线轮廓。夹紧变形重力变形17缩短切削力作作用点和支承承点的距离，，也可使用辅辅助支承提高高零件刚度。。合理使用机床床：悬伸长度短、、运动间隙小小、不运动部部件要锁紧。。其它措施：补偿系统受力力变形、转移移误差敏感方方向、转移误误差等。3.减小工艺系统统受力变形的的措施提高工艺系统统的刚度：包括结构刚度度、连接刚度度、接触刚度度等。控制受力大小小和方向：通过合理选择择切削参数、、刀具角度控控制切削力或或分力的大小小，也可利用用对称性抵消消作用力；改改变切削力的的方向，避开开误差敏感方方向。采用合理的装装夹和加工方方式。184.1.5工艺系统热变变形工艺系统热源源：切削热、传动动系统摩擦能能耗发热、派派生热源（切切屑、冷却液液落在床身上上）、外部热热源。工艺系统热变变形对加工精精度的影响：：（1）机床由于各各部分受热不不均匀，发生生弯曲和扭曲曲变形，降低低了、机床几几何精度，影影响加工精度度；（2）加工短小工工件，加工可可以忽略，但但测量时要考考虑热胀冷缩缩；（3）车长轴时，，温度逐渐升升高，刀具和和工件变形渐渐大，切除量量逐渐增大，，加工工件产产生圆柱度误误差；均匀热热变形量计算算：（4）工件单面受受力（如铣、、刨、磨等）），一面受热热，工件上拱拱，加工后加加工表面出现现中凹。19减少热变形影影响的措施减少发热源：：分离电机、、液压系统等等；热补偿：均化化温度场，实实际村各部分分温度均匀；；保持系统热平平衡：加工前前先预热，平平衡后在加工工；环境恒温。20例：1.工件刚度极大大，床头刚度度大于床尾，，分析加工后后加工表面形形状误差。(a)左小右大锥形形；(b)形成内凹端面面；(c)马鞍形，小径径靠床头。2.车削工件，产产生图示误差差，分析主要要原因。(a)锥形：导轨与与主轴不平行行、刀具磨损损；(b)腰鼓形：工件件刚性差，产产生让刀；(c)马鞍形：工件件刚性好，机机床两端刚性性差。214.1.6工件内应力引引起的变形工件的内应力力是指当外载荷荷去掉后仍然然存在与工件件内部的应力力。存在内应应力是工件处处于不稳定的的平衡状态，，应力变化将将产生变形。。内应力产生的的原因：1）毛坯制造中中产生内应力力：在铸造、锻造造、焊接及热热处理中工件件受热不均及及金相组织变变化时体积的的变化而产生生内应力。通常表面（薄薄的部位）先先冷却凝固，，芯部（厚的的部位）后冷冷却，因此先先冷却部分受受压应力，后后冷却部分受受拉应力。马氏体的密度度小（γ马=7.75），奥氏体的的密度大（γ奥=7.96），局部相变变体积变大时时受拉应力，，局部相变体体积缩小时受受压应力。2）冷校直引起起内应力：刚性较差的、、易变形的细细长工件，采采用冷校直的的方法纠正弯弯曲变形时产产生内应力。。3）切削加工过过程中产生内内应力：切削过程中切切削塑性变形形、相变等使使工件表面产产生残余应力力。22消除内应力的的措施合理设计零件件结构：铸件件、锻件壁厚厚均匀，焊接接件焊缝分布布均匀等；尽量不采用冷冷校直工艺：：精密件严禁禁冷校直，可可热校直或加加大余量多切切削；合理安排时效效处理消除内内应力；合理安排工艺艺过程：粗加加工后过一定定时间后再精精加工，粗加加工后松开工工件重新以较较小的力装夹夹等。234.1.7加工误差的综综合1）误差的性质质（1）系统误差：：连续加工一一批工件时时，加工误误差的大小小和方向保保持一定或或按某一确确定规律变变化。前者者称为常值值系统误差差，后者称称为变值系系统误差。。（2）随机误差差：连续加工一一批工件时时，加工误误差的大小小和方向都都是无规律律地变化。。随机误差差服从统计计规律。2）加工误差差的综合加工误差的的综合是根根据加工情情况分析加加工精度的的影响因素素，分项计计算主要误误差，判断断其性质，，综合求得得加工误差差。系统误差按按代数和合合成：24随机误差的的合成概率法综合合：其中1.2是随机误差差的相对分分布系数（（简化近似似取值）总的标准偏偏差：253）加工误差差的统计分分析分布曲线法法概率直方图图与分布曲曲线在正常加工工条件下，，用调整法法加工一批批工件所得得的尺寸分分布曲线符符合正态分分布曲线。。26正态分布曲曲线正态分布密度函数:算术平均值值:（工件尺寸寸分布中心心）标准偏差（（均方根偏偏差）：分布概率（（分布面积积）：其中：27实例：一批活塞精精镗后销孔孔检验尺寸寸如表，图图样尺寸φ28-0.015mm分布中心：：标准差：σ=0.0022公差带中点点=28-0.015/2=27.992528不合格品率率计算：1.计算：2.查表：φ(z)3.计算：合格品率=φ(z1)+φ(z2)不合格品率率：FA=0.5-φ(z1)FB=0.5-φ(z2)29工艺能力系系数工艺能力系系数Cp=T/(6σ)工艺能力系系数工艺方方案的工艺艺能力，通通常分为五五级。30例题：车削一批小小轴，直径径φ20-0.1mm，测量结果果服从正态态分布，公公差带中心心与分布中中心差0.03mm，标准差σ=0.025mm，求合格品品率和废品品率，工艺艺能力系数数Cp。解：zA=xA/σ=(T/2+0.03)/σ=(0.1/2+0.03)/0.025=3.2FA=φ(zA)=0.499zB=xB/σ=(T/2-0.03)/σ=(0.1/2-0.03)/0.025=0.8FB=φ(zB)=0.288合格品率=FA+FB=0.787废品率=1-0.787=0.213工艺能力系系数：Cp=T/(6σ)=0.1/(6*0.025)=0.666731例题：在外圆磨床床上加工一一批光轴，，设计要求求尺寸为φ40±0.03mm，平均值=40.01mm加工后测得得工件的尺尺寸呈正态态分布，且且已知σ=0.01mm，求：（（1）划出工件件尺寸分布布曲线图和和尺寸公差差范围；（（2）计算工艺艺能力系数数；

（3）废品率是是多少？能能否修复？？1解:（1）分布曲线线如图。（2）工艺能力力系数：Cp=T/(6σ)=0.06/(6*0.01)=1（3）不合格品品都是尺寸寸过大，为为可修复不不合格品，，不合格品品率为：F=0.5-(z)=0.5-0.4772=2.28%32控制图法：：控制图又称称点图，生生产中常用用单值控制制图和均值值-极差控制图图（-R图）。1）单值控制制图：一般用于单单件加工时时间长和希希望尽早发发现异常，，需要逐件件画点，个个别件的偶偶然因素影影响判断。。2）均值-极差控制图图：334.1.8保证和提高高加工精度度的途径减少或消除除原始误差差；补偿或抵消消原始误差差；转移原始误误差；误差分组；；误差平均法法；就地加工法法；加工过程控控制法。344.2加工表面质质量4.2.1表面质量的的基本概念念1）表面质量量的含义：：指零件加工工后的表面面微观几何何形状和表表面的物理理机械性能能状态。表表面质量包包括：表面面微微观观几几何何形形状状：：表面面粗粗糙糙度度（（S/H<40）表面面波波度度（（50<S/H<1000)表面面层层物物理理机机械械性性能能：：表面面层层冷冷作作硬硬化化表面面层层残残余余应应力力表面面层层相相变变352）表表面面质质量量对对零零件件使使用用性性能能的的影影响响表面面质质量量对对零零件件耐耐磨磨性性的的影影响响：：初期期磨磨损损快快，，跑跑合合后后进进入入正正常常磨磨损损。。表面面粗粗糙糙时时，，高高点点干干摩摩擦擦，，磨磨损损快快；；表表面面太太光光洁洁时时润润滑滑油油无无法法进进入入，，造造成成材材料料粘粘结结磨磨损损，，最最佳佳Ra0.32~1.25μμm。表面面硬硬化化，耐耐磨磨性性提提高高。。表面面相相变变影响响耐耐磨磨性性。。表面面质质量量对对疲疲劳劳强强度度的的影影响响：：表面面越越粗粗糙糙，抗抗疲疲劳劳性性越越差差。。表面面硬硬化化抗疲疲劳劳性性提提高高，，但但硬硬化化程程度度过过高高，，易易出出现现疲疲劳劳裂裂纹纹、、剥剥落落现现象象。。表层层压压应应力力，提提高高抗抗疲疲劳劳性性，，表层层拉拉应应力力，降降低低抗抗疲疲劳劳性性。。表面面质质量量对对零零件件耐耐腐腐蚀蚀性性的的影影响响：：表面面越越粗粗糙糙，，抗抗腐腐蚀蚀能能力力越越差差。。凹凹陷陷处处易易于于杂杂质质形形成成原原电电池池，，造造成成电电化化学学腐腐蚀蚀。。表面面质质量量对对配配合合性性质质的的影影响响表面面质质量量对对接接触触刚刚度度的的影影响响：：表面面越越粗粗糙糙，，接接触触刚刚度度越越低低，，联联接接牢牢固固性性、、接接触触位位置置准准确确性性越越差差。。364.2.2影响响加加工工表表面面粗粗糙糙度度主主要要因因素素及及其其控控制制l切削削过过程程中中塑塑性性变变形形及及其其它它物物理理因因素素引引起起的的粗粗糙糙度度（1）积积屑屑瘤瘤（2）鳞鳞刺刺：：较较低低速速切切削削塑塑性性较较差差的的材材料料产产生生节节状状或或粒粒状状切切屑屑，，切切屑屑在在前前刀刀面面上上周周期期性性停停留留代代替替前前刀刀面面推推挤挤切切削削层层，，造造成成塑塑性性变变形形向向切切线线以以下下延延伸伸，，造造成成已已加加工工表表面面拉拉应应力力太太大大而而导导裂裂，，形形成成鳞鳞片片状状毛毛刺刺，，这这就就是是鳞鳞刺刺。。（3）刃刃口口挤挤压压塑塑性性变变形形（4）材材料料脆脆性性表面粗糙糙度产生生的原因因：l残留面积积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