《机械制造技术 第2版》课件 -张善文 第四章　机械加工质量

第六章机械加工质量第一节概述

第二节影响加工精度的因素

第三节加工精度的统计分析

第四节提高加工精度的工艺措施

第五节影响表面质量的因素

第六节提高表面质量的途径第一节概述一、机械加工精度

二、机械加工表面质量

机械加工精度产品质量是企业的生命线按现代质量观它包括设计质量、制造质量和服务质量零件制造质量是保证产品质量的基础(一)、加工精度的基本概念加工质量指标分加工精度和加工表面质量加工精度指零件加工后实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数相符的程度。符合程度愈高，加工精度愈高。实际值与理想值之差称为加工误差。一、机械加工精度

零件的加工精度包括

尺寸精度、形状精度、位置精度

通常尺寸精度要求高形位精度要求也越高常用加工误差的大小来评价加工精度的高低加工误差越小，加工精度越高获得加工精度的方法

（1）获得尺寸精度的方法

1）试切法用于单件小批生产

2）调整法用于成批大量生产

3）定尺寸刀具法生产率高，刀具制造复杂

4）自动控制法切削测量补偿调整（2）获得形状精度的方法

1）轨迹法利用刀尖运动轨迹形成工件表面形状

2）成形刀具法由刀刃的形状形成工件表面形状

3）展成法由切削刃包络面形成工件表面形状（3）获得相互位置精度的方法主要由机床精度、夹具精度和工件的装夹精度来保证

本章学习目的：

了解各种因素对加工精度的影响规律，找出提高加工精度的途径，以保证零件的加工质量。

原始误差

加工前误差加工中误差加工后误差调整误差机床误差刀具制造误差夹具误差加工原理误差工件装夹误差工艺系统受力变形刀具磨损残余应力引起变形测量误差工艺系统热变形(二)、影响加工精度的因素图5-3由δz引起的加工误差原始误差所引起的切削刃与工件间的相对位移，如果产生在加工表面的法线方向，则对加工误差有直接的影响；如果产生在加工表面的切线方向上，就可以忽略不计。我们把加工表面的法向称之为误差的敏感方向。(三)误差的敏感方向1）表面层的加工硬化2）表面层金相组织的变化3）表面层的残余应力（2）表面层的物理力学性能（1）表面的几何形状特征1）表面粗糙度微观误差波距＜1mm2）表面波度微观与宏观之间波距1～10mm（一）、概述1.表面质量的基本概念二、机械加工表面质量（二）.表面质量对使用性能的影响（1）表面质量对零件耐磨性的影响零件磨损三个阶段：初期磨损阶段正常磨损阶段剧烈磨损阶段一般来说表面粗糙度值越小耐磨性越好。但太小不易储油接触面发生分子粘接，磨损增加。表面加工硬化使表层硬度增加耐磨性提高。但硬化过度会使表层剥落，加快零件的磨损。表面金相组织的变化会导致表层硬度发生变化，影响零件的耐磨性。（2）表面质量对疲劳强度的影响（4）表面质量对配合质量的影响（3）表面质量对耐腐蚀性的影响表面粗糙度值越大，抗疲劳破坏能力越差；表面残余拉应力促使裂纹扩展，压应力阻止裂纹扩展；表层加工硬化适度会提高疲劳强度，过大易产生裂纹表面粗糙度值越大，抗腐蚀性越差；表层加工硬化及金相组织变化易产生内应力，导致应力腐蚀开裂，降低零件腐蚀性，而压应力有利微裂纹闭合表面粗糙度值越大，零件配合精度越低。第二节影响加工精度的因素一、原理误差

二、工艺系统的几何误差

三、加工过程误差原始误差

零件加工的误差是由于工件与刀具在切削过程中相互位置发生变动而造成。工件和刀具安装在夹具和机床上，工件、刀具、夹具、机床构成了一个完整的工艺系统。工艺系统的种种误差，是造成零件加工误差的根源，故称之为原始误差。一、原理误差（1）加工原理误差

近似的成形运动或刃形所产生的误差，多为形状误差（2）机床的误差

1）主轴回转误差①主轴回转误差概念主轴回转时实际回转轴线与理想回转轴线的偏移量

三种基本形式：

a.

纯径向跳动b.纯角度摆动c.轴向窜动

二、工艺系统的几何误差②影响主轴回转精度的主要因素

轴承本身误差、轴承间隙、轴承间同轴度误差，各段轴颈、轴孔的同轴度误差主轴系统的刚度和热变形等。

但它们对主轴回转精度的影响大小随加工方式而不同主轴采用滑动轴承的车床类，主轴受力方向一定，主轴颈圆度误差影响较大，轴承内径圆度误差没影响镗床主轴受力随镗刀旋转方向不断变化轴承孔误差影响大滚动轴承结构复杂，影响主轴精度因素也较复杂除轴承本身精度外，与配合件精度有很大关系如主轴轴颈、支承座孔等精度产生轴向窜动主要原因是主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。主轴不同形式的回转误差引起的加工误差不同车床上加工外圆内孔时，主轴径向跳动引起工件圆度和圆柱度误差，对工件端面无影响；

轴向窜动对圆柱表面影响不大，对端面垂直度平面度影响大，车削螺纹时会造成导程的周期性误差；

纯角度摆动会造成车削外圆或内孔的锥度误差；在镗孔时，会使镗出的孔为椭圆形。纯角度摆动会造成车削外圆或内孔的锥度误差；在镗孔时，若工件进给会使镗出的孔为椭圆形。提高主轴及支承座孔的加工精度，选用高精度轴承，提高主轴部件装配精度、预紧和平衡等，提高主轴回转精度。2）机床导轨误差

导轨精度要求主要有以下三方面：

①在水平面内的直线度（以卧式车床为例）Δ1将直接反映在工件加工表面法线方向（误差敏感方向）上，误差ΔR=Δ1

，对加工精度影响最大。刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。②在垂直面内的直线度

Δ２对工件的尺寸和形状误差影响比Δ1小得多对卧式车床ΔR≈Δ22/D若设Δ2=

0.1mm,D=40mm，则ΔR

=0.00025mm，影响可忽略不计。而对平面磨床、龙门刨床误差将直接反映在工件上。导轨在垂直面内的直线度的特殊情况为斜坡状，加工的工件轴向形状为鞍形。③前后导轨的平行度（扭曲）卧式车床或外圆磨床若前后导轨存在平行度误差时，刀具和工件之间相对位置发生变化，刀尖运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生形状误差。

若扭曲误差为Δ3,工件误差ΔR≈(H/B)Δ3

，一般车床H/B≈2/3，外圆磨床H/B≈1，误差对加工精度影响很大除导轨制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也是造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。可采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨导轨表面淬火等措施。３）机床传动链误差

指机床内传动链始末两端的传动元件间相对运动的误差，一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。产生的原因是传动链中各传动元件的制造误差、装配误差及磨损等。若传动齿轮i在某一时刻产生转角误差为Δφi，则它所造成传动链末端元件的转角误差：Δφwi

=Ki

Δφi

Ki

为该轴到末端元件的总传动比，称为误差传递系数，若Ki大于1则误差被扩大；反之，若Ki小于1误差被缩小。各传动件对工件精度影响的总和为：

Δφ∑=∑Δφwi=

∑Ki

Δφi减少传动链误差的措施：①尽可能缩短传动链，减少传动元件数目；②尽量采用降速传动，误差被缩小；③提高传动元件、特别是末端元件的制造和装配精度；④消除传动间隙；⑤采用误差补偿机构或自动补偿装置。（3）刀具的几何误差

包括刀具切削部、装夹部的制造误差及刀具安装误差①

定尺寸刀具刀具尺寸精度直接影响工件尺寸精度②成形刀具刀具形状精度直接影响工件形状精度③展成刀具刀刃形状精度会影响工件加工精度④一般刀具制造精度对工件加工精度无直接影响（4）夹具的几何误差

包括夹具制造误差、安装误差及磨损

对工件尺寸精度和位置精度影响很大（5）定位误差

包括基准不重合误差、定位副制造不准确误差

直接影响工件的尺寸精度和位置精度（6）调整误差

在工序的调整工作中所存在的误差即调整误差一次调整后存在的误差对这一批零件的影响是不变的。但大批量加工中存在多次调整，不可能每次完全相同。对全部零件来说，每次调整误差为偶然性误差。机床调整误差可理解为零件尺寸分布曲线中心的最大偏移量。加工中不产生废品的条件：Δfb+Δt≤T机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降。1.基本概念图5-12受力变形对工件精度的影响

a)车长轴b)磨内孔三、加工过程误差（一）、工艺系统受力变形引起的误差工艺系统中如果工件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，工件由于刚性不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大，其最大变形量可按材料力学有关公式估算。2.工件刚度外圆车刀在加工表面法线（y）方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。镗直径较小的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。3.刀具刚度(1)机床部件刚度图5-14车床部件静刚度的测定

1—心轴2、3、6—千分表

4—测力环5—螺旋加力器4.机床部件刚度图5-15车床刀架部件的刚度曲线1—加载曲线2—卸载曲线(2)影响机床部件刚度的因素由于零件表面存在宏观几何形状误差和微观几何形状误差，结合面的实际接触面积只是名义接触面积的一小部分(图所示)，在外力作用下，实际接触区的接触应力很大，产生了较大的接触变形。1)结合面接触变形的影响图5-16两零件结合面间的接触情况4.机床部件刚度2)摩擦力的影响图5-17摩擦力对机床部件刚度的影响4.机床部件刚度

3)低刚度零件的影响在机床部件中，个别薄弱零件对刚度的影响很大。

4)间隙的影响机床部件在受力作用时，首先消除零件间在受力作用方向上的间隙，这会使机床部件产生相应的位移。4.机床部件刚度(1)由于工艺系统刚度变化引起的误差5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响图5-18车削外圆时工艺系统受力变形对加工精度的影响(2)由于切削力变化引起的误差在加工过程中，由于工件的加工余量发生变化、工件材质不均等因素引起的切削力变化，使工艺系统变形发生变化，从而产生加工误差。图5-19毛坯形状误差的复映5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响(3)由于夹紧变形引起的误差

(4)其他作用力的影响除上述因素外，重力、惯性力、传动力等也会使工艺系统的变形发生变化，引起加工误差。图5-21夹紧力引起的加工误差a)夹紧后b)镗孔后c)放松后d)加过渡环后夹紧5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响

(1)提高工艺系统刚度

1)提高工件和刀具的刚度

2)提高机床刚度

3)采用合理的装夹方式和加工方式

(2)减小切削力及其变化合理地选择刀具材料、增大前角和主偏角、对工件材料进行合理的热处理以改善材料的加工性能等，都可使切削力减小。6.减小工艺系统受力变形的途径

1)切削热切削热对工件加工精度的影响最为直接。

2)摩擦热和能量损耗工艺系统因运动副(如齿轮副、轴承副、导轨副、螺母丝杠副、离合器等)相对运动所生摩擦热和因动力源(如电动机、液压系统等)工作时的能量损耗而发热。

3)派生热源工艺系统内部的部分热量通过切屑、切削液、润滑液等带到机床其它部位，使系统产生热变形。（二）、工艺系统受热变形引起的误差1.工艺系统的热源

(1)内部热源内部热源来自工艺系统内部，其热量主要是以热传导的形式传递的。

(2)外部热源外部热源来自工艺系统外部。

1)环境温度以对流传热为主要传递形式的环境温度的变化(如气温的变化，人造冷、热风，地基温度的变化等)影响工艺系统的受热均匀性，从而影响工件的加工精度。

2)辐射热以辐射传热为传递形式的辐射热(如阳光、灯光照明、取暖设备、人体温度等)因其对工艺系统辐射的单面性或局部性而使工艺系统的热变形发生变化，从而影响工件的加工精度。2.工件热变形对加工精度的影响工件在机械加工中所产生的热变形，主要是由切削热引起的。

(1)工件均匀受热在加工像轴类等一些形状简单的工件时，如果工件处在相对比较稳定的温度场中，此时就认为工件是均匀受热。

(2)工件不均匀受热在铣、刨、磨平面时，工件单面受切削热作用，上下表面之间形成温差△θ，导致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生了中凹，造成了几何形状误差。3.刀具热变形对加工精度的影响刀具热变形的热源主要是切削热。图5-25车刀的热变形曲线

4.机床热变形对加工精度的影响由于机床热源分布的不均匀、机床结构的复杂性以及机床工作条件的变化很大等原因，机床各个部件的温升是不相同的，甚至同一个零件的各个部分的温升也有差异，这就破坏了机床原有的相互位置关系。图5-26车床的热变形5.减小工艺系统热变形的途径(1)减少发热和隔热(2)改善散热条件(3)均衡温度场(4)改进机床结构(5)加快温度场的平衡(6)控制环境温度

没有外力作用而存在于零件内部的应力，称为内应力。工件上一旦产生内应力之后，就会使工件金属处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位的稳定状态转化，并伴随有变形发生，从而使工件丧失原有的加工精度。（三）、内应力重新分布引起的误差1.基本概念2.内应力的产生

在铸、锻、焊、热处理等工序中由于工件壁厚不均、冷却不均、金相组织的转变等原因，使工件产生内应力。(1)热加工中内应力的产生图5-32铸件因内应力而引起的变形(2)冷校直产生的内应力图5-33校直引起的内应力2.内应力的产生3.减小内应力变形误差的途径

(1)改进零件结构在设计零件时，尽量做到壁厚均匀，结构对称，以减少内应力的产生。

(2)增设消除内应力的热处理工序铸件、锻件、焊接件在进入机械加工之前，应进行退火、回火等热处理，加速内应力变形的进程；对箱体、床身、主轴等重要零件，在机械加工工艺中尚需适当按排时效处理工序。

(3)合理安排工艺过程粗加工和精加工宜分阶段进行，使工件在粗加工后有一定的时间来松弛内应力。

1.机械加工过程中的强迫振动

机械加工中的强迫振动与一般机械中的强迫振动没有什么区别，强迫振动的频率与干扰力的频率相同或是它的倍数。强迫振动的振源有来自机床内部的机内振源和来自机床外部的机外振源两大类。（一）、机械加工过程中的强迫振动（四）、机械加工过程中的振动2.机械加工过程中强迫振源的查找方法图5-50振动信号的时间历程图和频谱图第一步可对在加工现场拾取的振动信号(见图a)进行频谱分析，以确定强迫振动的频率成分(如图b中的f1、f2)；第二步对机床加工中所有可能出现的强迫振源频率进行估算，列出振源频率数据表备查；第三步将经过频谱分析得到的强迫振动的频率与振源频率数据表进行比较，找出产生强迫振动的振源；第四步通过试验来验证上面所找的振源是否正确。

1)机械加工中的自激振动是在没有周期性外力(相对于切削过程而言)干扰下所产生的振动运动，这一点与强迫振动有原则区别。

2)自激振动的频率接近于系统的某一固有频率，或者说，颤振频率取决于振动系统的固有特性。这一点与强迫振动根本不同，强迫振动的频率取决于外界干扰力的频率。

3)自由振动受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动却不因有阻尼存在而衰减为零。（二）、机械加工过程中的自激振动(颤振)1.机械加工过程中的自激振动2.机械加工过程中产生自激振动的条件如果在一个振动周期内，振动系统从电动机获得的能量大于振动系统对外界做功所消耗的能量，若两者之差刚好能克服振动时阻尼所消耗的能量，则振动系统将有等幅振动运动产生。图5-53车削外圆单自由度振动系统模型3.机械加工过程中自激振动的激振机理在金属切削过程中，除极少数情况外，刀具总是部分地或完全地在带有波纹的表面上进行切削的。首先来研究车刀作径向切削的情况，此时车刀只作横向进给，车刀将完全地在工件前一转切削时留下的波纹表面上进行切削，如图所示。(1)振纹再生原理图5-54自由正交切削(2)振型藕合原理图5-57振型耦合型颤振原理示意图实际振动系统一般都是多自由度系统。3.机械加工过程中自激振动的激振机理（三）、控制机械加工振动的途径1.消除或减弱产生振动的条件(1)消除或减弱产生强迫振动的条件1)减小机内外干扰力2)调整振源频率3)采取隔振措施(2)消除或减弱产生自激振动的条件1)减小重叠系数2)减小切削刚度3)增加切削阻尼1.消除或减弱产生振动的条件(3)调整振动系统小刚度主轴的位置图5-60削扁锤杆1.消除或减弱产生振动的条件

(1)高工艺系统的刚度

提高工艺系统薄弱环节的刚度，可以有效地提高机床加工系统的稳定性。增强联接结合面的接触刚度、对滚动轴承施加预载荷、加工细长工件外圆时采用中心架或跟刀架、镗孔时对镗杆设置镗套等措施，都可以提高工艺系统的刚度。

(2)增大工艺系统的阻尼

工艺系统的阻尼主要来自零件材料的内阻尼、结合面上的摩擦阻尼以及其它附加阻尼。2.工艺系统的动态特性3.各种消振减振装置(1)动力式减振器图5-62动力式减振器

1—橡皮圈2—橡皮垫3—主振系统质量m1

4—弹簧阻尼元件5—附加质量m1

(2)摩擦式减振器图5-63装在车床尾座上的摩擦减振器1—后顶尖2—填料圈3—尾座套筒3.各种消振减振装置(3)冲击式减振器图5-64冲击式减振镗杆和镗刀3.各种消振减振装置第三节加工精度的统计分析一、加工误差的性质

二、加工误差的统计分析加工误差的分类1）系统误差

常值系统误差：原理机床刀夹量具制造调整误差变值系统误差：机床刀具热变形、刀具磨损2）随机误差:误差复映定位夹紧操作误差内应力变形对系统误差可循其规律加以调整或补偿来消除对随机误差只能缩小其变动范围无法完全消除一、加工误差的性质

1）正态分布的数学模型、特征参数和特殊点

正态分布曲线方程两个特征参数：算术平均值x和标准偏差σ二、加工误差的统计分析正态分布的特殊点①处概率密度函数有最大值②x=x±σ处为拐点2）标准正态分布

=0，σ=1

实际生产中为非标准正态分布需转换

令z=(x-)/σxxx即图中阴影面积可利用概率密度积分表计算3）工件尺寸在某区间内的概率工件尺寸落在

±3σ范围内的概率为99.73%若尺寸分布中心与公差中心重合，不产生废品的条件是：T≥6σ

Q废=0.5–φ(x)若中心不重合存在常值系统误差Δ系，T≥6σ＋Δ系x工艺过程的分布图分析（1）工艺过程的稳定性指均值和标准差稳定不变的性能，取决于变值系统误差（2）工艺过程分布图分析

制作分布图了解质量指标分布、加工能力、是否有废品

1）样本容量的确定通常取n=50～2002）样本数据整理与计算

剔除异常数据，确定尺寸分散范围R、尺寸间隔数j、

区间宽度Δx3）绘制实际分布图

纵坐标为频数：同间隔尺寸工件数目

4）绘制理论分布图

纵坐标将概率密度转换成频数，分散范围±3σ

理论最大频数f′max=ymaxn

Δx

对应x=处

拐点处频数f′σ=yσn

Δx

对应x=±σ处xx5）工艺过程分布图分析

①判断加工误差性质系统误差、随机误差②确定工序能力及等级

工序能力系数Cp指满足加工精度的程度Cp=T/6σ③确定不合格率

（2）分布图分析法特点

1）采用大样本，较接近实际地反映工艺过程总体；

2）能将常值系统误差从误差中区分开；

3）在全部样本加工后绘出曲线，不能反映先后顺序，不能将变值系统误差从误差中区分开；

4）不能及时提供工艺过程精度的信息，事后分析；

5）计算复杂，只适合工艺过程稳定的场合。点图分析法计算简单，能及时提供主动控制信息，可用于稳定过程、也可用于不稳定过程。工艺过程的点图分析（1）逐点点图依次测量每件尺寸记入横坐标为零件号纵为尺寸的图表中（2）均值-极差点图

采用顺序小样本（4～6），由小样本均值点图和极差点图组成，横坐标为小样本组序号。具体作法如下：①定期测小样本尺寸；②计算均值和极差R：

R=xmax-xmin

③确定中心线和R小样本组20～30④确定上下控制线ES、EI

、UCL、LCL，定期描点xx均值点图上下控制线的确定：极差点图上下控制线的确定：均值点图反映了质量指标分布中心(系统误差)的变化极差点图反映了质量指标分布范围(随机误差)的变化（3）均值-极差点图分析

生产过程稳定的标志：①没有点子超出控制线；②大部分点在中线附近波动，小部分点在控制线附近；③点子无明显规律性生产过程不稳定的标志：①点子超出控制线或密集在控制线附近；②连续７点以上出现在中线一侧；③明显规律性，如上升或下降倾向；④点子有周期性波动根据点子分布情况及时查找原因采取措施1.若极差R未超控制线，说明加工中瞬时尺寸分布较稳定。2.若均值有点超出控制线，甚至超出公差界限，说明存在某种占优势的系统误差，过程不稳定。若点图缓慢上升，可能是系统热变形；若点图缓慢下降，可能是刀具磨损。3.采取措施消除系统误差后，随机误差成主要因素，分析其原因，控制尺寸分散范围。1.消除或减小原始误差如加工细长轴时易产生弯曲和振动，增大主偏角减小背向力，使用跟刀架或中心架增加工件刚度。但在进给力作用下，会因“压杆失稳”而被压弯；在切削热的作用下，工件会变长，也将产生变形。

采取措施：采用反向进给的切削方法，使用弹性的尾座顶尖。第四节提高加工精度的工艺措施2.转移原始误差如镗孔时镗杆与主轴采用浮动连接，使用镗模将机床误差转移到新装置上加以控制；转塔刀架的转位误差转移到误差不敏感方向3.误差分组法4.误差补偿法如精密孔轴配合将公差扩大加工再测量分组装配；上道工序误差太大，将工件分组再分别调整加工利用原有误差或制造误差来抵消原始误差。如龙门铣床因铣削头自重产生下凹变形，刮研横梁导轨使上凸；加工曲轴时前后刀架同时切削，径向力方向相反；精磨磨床床身导轨预加载荷，用配重代替工作时的部件5.就地加工（自干自）6.自动测量补偿、恒温控制等机床零件装到工作位置上再精加工，消除误差影响。如牛头刨、龙门刨工作台面装配在自身机床上进行“自刨自”精加工，以保证对滑枕、横