机械制造技术基础-第4章机械加工质量

2025/11/3机械制造技术基础1第4章机械加工质量2025/11/3机械制造技术基础24.1机械加工质量的基本概念4.2机械加工精度4.3机械加工表面质量本节要点2025/11/3机械制造技术基础3（1）加工精度指零件经机械加工后，其几何参数（尺寸、形状、表面相互位置）的实际值与理想值的。符合程度愈高，加工精度也愈高。一般机械加工精度是在零件工作图上给定的，包括：（1）尺寸精度：限制加工表面与其基准间尺寸误差不超过一定的范围；（2）形状精度：限制加工表面宏观几何形状误差，如圆度、圆柱度、平面度、直线度等；（3）位置精度：限制加工表面与其基准间的相互位置误差，如平行度、垂直度、同轴度、位置度等。尺寸精度、形状精度和相互位置精度三者之间的联系：形状误差应限制在位置公差内，位置误差应限制在尺寸公差内1.加工精度4.1.1加工精度与工件获得精度的方法2025/11/3机械制造技术基础4（1）获得尺寸精度的方法1）试切法。通过试切—测量—调整—再试切的方法反复进行,直到被加工零件的尺寸精度达到要求为止。费时费力,一般只适用于单件小批生产。2）定尺寸刀具法。用刀具的尺寸直接保证零件被加工表面尺寸精度的方法。加工精度主要取决于刀具的制造、刃磨质量和切削用量。生产率较高，但刀具制造较复杂，常用于孔、螺纹和成形表面的加工。3）调整法。预先调整好刀具和工件在机床上的相对位置,并在一批零件的加工过程中始终保持这个位置不变,以保证零件被加工尺寸。加工后工件精度的一致性好，适用于成批、大量生产。4）自动控制法。用测量装置、进给机构和控制系统构成加工过程的自动循环，自动完成加工中的切削、测量、补偿调整等一系列的工作，当工件达到要求的尺寸时，机床自动退刀停止加工。质量稳定，生产率高，加工柔性好，能适应多品种生产。2.获得尺寸精度的方法4.1.1加工精度与工件获得精度的方法2025/11/3机械制造技术基础5表面质量是指表面粗糙度、波度及表面层的物理机械性能。任何机械加工方法所获得的加工表面,实际上都不可能是绝对理想的表面。1.机械加工表面质量的基本概念1）表面粗糙度和波度表面粗糙度：加工表面的微观几何形状误差。波长L与峰值H之比L/H<50。波度：介于加工精度（宏观）和表面粗糙度之间的周期性几何形状误差，L/H=50～1000，引起波度的主要原因是工艺系统在加工过程中的振动。宏观几何形状误差：L/H>1000的几何形状误差，如圆度、平面度等。图4-1

表面粗糙度、波纹度和几何形状误差4.1.2加工表面质量2025/11/3机械制造技术基础62025/11/3机械制造技术基础72025/11/3机械制造技术基础8

1.机械加工表面质量的基本概念4.1.2加工表面质量2025/11/3机械制造技术基础92.机械加工表面质量对机器使用性能的影响表面质量表面粗糙度及波度表面物理机械性能对耐磨性的影响初期磨损阶段：磨损显著,也称跑合阶段。正常磨损阶段：磨损缓慢。也是零件的正常工作阶段。急剧磨损阶段：磨损加剧，致使工件不能继续正常工作。如右图所示，在一定条件下，摩擦副表面有一个最佳粗糙度值。摩擦副表面粗糙度较小时，金属的亲和力增加，不易形成润滑油膜，从而使磨损增加。摩擦副表面粗糙度较大时，使实际接触面积减小，单位面积压力加大，也不易形成润滑油膜，同样使磨损加剧。（1）加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。（2）金相组织变化引起基体材料硬度的变化，进而影响零件的耐磨性。图4-2表面粗糙度对初级磨损量影响的实验曲线耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力，材料的耐磨性用磨损率表示1）表面质量对零件耐磨性的影响4.1.2加工表面质量表面质量表面粗糙度表面层物理机械性能对疲劳强度的影响零件表面的粗糙度、划痕和裂纹等缺陷容易引起应力集中，形成疲劳裂纹并扩展之，从而降低了疲劳强度。试验表明，减少表面粗糙度可以使受交变载荷的零件的疲劳强度提高30%～40%。表面层残余应力的性质和大小对疲劳强度的影响极大。当表面层具有残余压应力时，可以抵消部分交变载荷引起的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，因而提高了零件的疲劳强度。残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度；残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高疲劳强度。适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。2025/11/3机械制造技术基础102.机械加工表面质量对机器使用性能的影响2）表面质量对零件疲劳强度的影响4.1.2加工表面质量2025/11/3机械制造技术基础112.机械加工表面质量对机器使用性能的影响3）表面质量对配合精度的影响表面粗糙度对配合精度的影响很大。对于动配合表面，如果粗糙度过大，初期磨损比较严重，从而使间隙增大，降低配合精度和间隙配合的稳定性。对于过盈配合表面，轴在压入孔内时表面粗糙度的部分凸峰会挤平，使实际过盈量减小，影响了过盈配合的连接强度和可靠性。4）表面质量对零件耐腐蚀性的影响当零件在潮湿的空气中或腐蚀性的介质中工作时，会发生化学腐蚀和电化学腐蚀。前者是由于在粗糙表面凹谷处积聚腐蚀介质而产生；后者是由于两种不同金属材料的表面相接触时，在表面粗糙度顶峰间产生的电化学作用而被腐蚀掉。降低表面粗糙度可以提高零件的抗腐蚀性。5）其他影响如对密封性能，零件的接触刚度，滑动表面间的摩擦系数等。4.1.2加工表面质量2025/11/3机械制造技术基础124.1机械加工质量的基本概念4.2机械加工精度4.3机械加工表面质量本节要点2025/11/3机械制造技术基础13在机械加工中，零件的尺寸、几何形状和表面间相对位置的形成，取决于工件和刀具在切削运动过程中相互位置的关。机械加工中，由机床、夹具、刀具和工件等组成的系统，称为工艺系统。工艺系统本身的结构和状态、操作过程以及加工过程中的物理、力学现象而产生刀具和工件之间的相对位置关系发生偏移的各种因素而产生的误差，称为原始误差。原始误差会在加工中以不同的程度和方式反映为零件的加工误差，是加工误差产生的根源。1.原始误差的概念机械加工工艺系统的几何误差包括机床、夹具、刀具的误差，是由制造误差、安装误差以及使用中的磨损引起的。4.2.1原始误差与加工误差2025/11/3机械制造技术基础14以滚齿机滚切齿轮为例，在滚切时产生加工误差的因素有：装夹误差———齿轮靠心轴定位，心轴与齿轮孔的配合间隙使孔的中心线偏离心轴中心，这种偏移是由于定位引起的，称为定位误差。如果夹紧力过大，夹紧时齿轮会产生变形，因夹紧力过大而引起的误差称夹紧误差。定位误差和夹紧误差统称为工件装夹误差。调整误差———滚齿机加工的调整主要有两项，一是滚刀轴与齿轮水平面倾斜角调整，二是挂轮计算。倾斜角调整与挂轮计算误差称为调整误差。加工误差———由于加工过程中的切削力、切削热、摩擦等物理现象，工艺系统会产生受力变形、热变形、刀具磨损等原始误差，影响了在机床调整时所获得的工件、刀具间的相对位置精度，引起加工误差。2.工艺系统的原始误差的分类图4-3滚齿机滚齿加工的装夹图1—心轴2—齿轮坯4.2.1原始误差与加工误差2025/11/3机械制造技术基础15度量误差———齿轮加工中要进行公法线长度或固定弦齿厚的测量，测量方法和量具本身的误差自然就加入到度量的读数之中，称为度量误差。原理误差———滚切加工是展成法，为得到渐开线齿面，滚刀采用渐开线基本蜗杆。由于制造上的困难，生产上实际采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆，因而产生误差，这种误差称为原理误差。为了保证加工精度，必须使工艺系统的各个组成部分（机床、刀具、工件、夹具）获得并在加工过程中保持正确的相互关系。原始误差可能在加工前已经存在，

如定位误差、调整误差,也可能在加工中产生并随加工过程变化，

如刀具磨损。前者可以通过重新调整机床给予补偿。各种加工误差并不是孤立存在的，而是相互影响的。2.工艺系统的原始误差的分类4.2.1原始误差与加工误差2025/11/3机械制造技术基础16由于采用近似的成形运动或近似的刀刃轮廓所引起的误差。以齿轮模数铣刀对齿轮表面成形铣削为例：齿形表面的渐开线形状由齿轮的模数和齿数决定，如果每种模数每种齿数都制造一把相应的成形铣刀，势必造成成形铣刀数太多，对成本、管理等不利；实际生产中对每一种模数只采用一套模数（8~26把）铣刀，加工一定齿数范围内的所有齿轮。因而被加工齿轮齿数与刀具设计齿数不符合时，齿形就有了偏差，齿形偏差是由于原理误差而造成的加工误差。1.原理误差4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础171.原理误差4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础18对加工精度有重大影响的机床误差有主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。1）机床导轨误差机床导轨是确定机床移动部件的相对位置及其运动的基准。它的各项误差直接影响零件的加工精度。以车床导轨为例：当车床的床身导轨在水平面内有了弯曲，在纵向切削过程中，当导轨向后凸出时，工件就产生鼓形加工误差；当导轨向前凸出时，就产生鞍形加工误差。当导轨在水平面内的弯曲使刀尖在水平面内位移Δy时，引起工件在半径上的误差为ΔR′=Δy

或ΔD′=2Δy，如图4-5(a)所示。2.机床误差4.2.2影响加工精度的因素图4-5刀具在不同方向的位移量对工件直径的影响2025/11/3机械制造技术基础191）机床导轨误差当车床的床身导轨在垂直面内有弯曲，会使工件在纵剖面内形成双曲线的一部分，可以近似地看成锥形或鞍形。此时引起工件的半径误差为ΔR。当导轨在垂直面内的弯曲使刀尖在垂直面内位移Δz时，如图4-5(b)所示，则有：在垂直面内导轨的弯曲对加工精度的影响很小，可以忽略不计；而在水平面内的同样大小的导轨弯曲就不能忽视。2.机床误差图4-5刀具在不同方向的位移量对工件直径的影响4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础20误差敏感方向2.机床误差一般来说，工艺系统原始误差所引起的刀尖与工件间的相对位移，若产生在加工表面的法线方向，则对加工精度就有直接的影响；若产生在切线方向，就可忽略不计。把对加工误差影响大的加工表面的法线方向称为误差敏感方向。在转塔车床上加工时，往往把刀具垂直安装，如图所示。这时，导轨在垂直平面内的误差就直接影响到工件的直径尺寸。采用垂直装刀的原因是：六角转塔在工作中频繁转位换刀，长期保持转位精度是很困难的，转位精度的修复费工费时。垂直装刀可以使转位误差位于加工表面的切向，即误差的不敏感方向，转位误差对加工精度的影响则可忽略不计。图4-6六角车床刀具的安装4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础21主轴回转误差：指主轴各瞬间的实际回转轴线对其理想回转轴线（各瞬时回转轴线的平均位置）的变动量。三种基本形式：1）径向圆跳动。是实际回转轴线始终平行于理想轴线的方向作径向运动。影响工件圆柱面的形状精度。2）轴向窜动。是实际回转轴线始终沿理想轴线的方向作轴向运动。主要影响工件的形状精度、位置精度和轴向尺寸精度。3）角度摆动。是实际回转轴线始终与理想轴线倾斜一个角度作摆动，但其交点位置固定不变。影响工件圆柱面与端面的加工精度。主轴回转误差实际上是上述三种运动的合成，因此主轴不同横截面上轴心线的运动轨迹既不相同，也不相似，造成主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线的“漂移”。影响主轴回转误差的主要因素有：主轴支承轴颈的误差、轴承的误差、轴承的间隙、箱体支承孔的误差、与轴承相配合零件的误差及主轴刚度和热变形等。2）主轴误差2.机床误差4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础222.机床误差主轴轴向窜动对加工精度的影响：车削对外圆或内孔的影响不大，而车削端面时，将造成工件端面的平面度误差，以及端面相对于内、外圆的垂直度误差；加工螺纹时，产生螺距周期性误差主轴的角度摆动影响工件加工表面的圆度误差，而且影响工件加工表面的圆柱度误差。基本形式车床上车削镗床上镗削内、外圆端面螺纹孔端面纯径向跳动影响极小，近似真圆无影响影响极小圆度误差，椭圆孔无影响纯轴向窜动无影响平面度、垂直度（端面凸轮形）螺距误差无影响平面度，垂直度误差纯角度摆动近似圆柱（理论上为锥形）影响极小，垂直度误差圆柱度误差，椭圆柱孔垂直度，平面度（马鞍形）4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础23主轴的纯径向跳动对车削和镗削的加工精度的影响是不同的，现以一个简单的特例来说明。设主轴纯径向跳动使主轴几何轴线在y坐标方向做简谐直线运动，其运动频率与主轴回转频率相等，振幅为A。图4-7纯径向跳动对镗孔圆度的影响图4-8车削时纯径向跳动对圆度的影响4.2.2影响加工精度的因素2.机床误差2025/11/3机械制造技术基础242.机床误差传动链的传动误差，是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差。是按展成法原理加工工件（如螺纹、齿轮、蜗轮及其他零件）时，影响加工精度的主要因素。传动链中的各传动元件（齿轮、蜗轮、蜗杆），都因有制造误差、装配误差和磨损而产生转角误差，这些误差的累积，就是传动链的传动误差。传动误差用传动链末端元件的转角误差作为衡量标准。若传动链是升速传动，则传动元件的转角误差将被扩大；反之，则转角误差将被缩小。车削螺纹时，要求工件旋转一周，刀具直线移动一个导程3）传动链误差4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础252.机床误差减少传动链误差的方法：（1）缩短传动链，减少误差源数目。（2）提高传动元件，特别是提高末端传动元件的制造精度和装配精度，以减小误差源。可采用各种消除间隙装置以消除传动齿轮间的间隙。（3）尽可能采用降速传动，按降速比递增的原则分配各传动副的传动比。末端传动元件的误差传递系数等于1，它的误差将直接反映到工件上，因此末端传动元件应尽可能地制造得精确些。（4）采用误差校正机构。测出传动误差，在原传动链中人为地加入一个误差，其大小与传动链本身的误差相等且方向相反，从而使之相互抵消。3）传动链误差4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础261）试切法加工的调整误差产生误差的原因有：度量误差、加工余量的影响和微进给误差。粗加工试切时，由于余量比较大，不会产生刀具打滑。因为试切余量小于切削余量，试切部分受力变形小，让刀小，所以粗加工所得的尺寸比试切尺寸大一些。精加工试切时，试切的最后一刀，吃刀很小，容易产生刀具没有吃入工件金属层而在其上打滑的现象(锐利刀刃不打滑的吃刀深度可达5μm，钝化的刀刃则为20～50μm)。如果此时认为试切尺寸已经合格，就进行纵向走刀,则新切到部分的切深比试切部分大(镗孔则相反)，见图4-9。微量进给误差：在试切最后一刀，对刀具(或砂轮)的径向进给进行调整时，由于进给机构的刚度及传动链间隙的影响，会产生爬行现象，使刀具实际的径向移动比手轮上转动的刻度数偏大或偏小，以致难以控制尺寸精度，造成加工误差。在机械加工的各个工序中，需要对机床、夹具及刀具进行调整。由于调整不可能绝对准确，带来了一项原始误差，即调整误差。3.调整误差4.2.2影响加工精度的因素图4-9试切调整(a)精加工(b)粗加工2025/11/3机械制造技术基础27在大批大量生产中，除了影响试切法调整误差的因素外，影响调整误差的因素还有：1）按定程机构调整。行程挡块、靠模、凸轮制造误差、安装误差、磨损、刚度等，以及与其配合使用的离合器、行程开关、控制阀等控制元器件的灵敏度和运动精度，成了影响调整误差的主要因素。2）按样件或样板调整。样件或样板本身的制造误差、安装误差、对刀误差就成了影响调整误差的主要因素。按标准样块或对刀块（导套）调整刀具时，影响刀具调整精度的主要因素有标准样件本身的尺寸误差、刀块（导套）相对工件定位元件之间的位置尺寸误差、刀具调整时的目测误差、切削加工时刀具相对于工件加工表面的弹性退让和行程挡块的受力变形等。3.调整误差2）调整法加工的调整误差4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础28

4.工艺系统的受力变形在车床上加工一根细长轴时，两头细中间粗的误差。由于工件的刚性太差，因而受到切削力产生变形，产生腰鼓形的加工误差。1）工艺系统的刚度4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础29

4.工艺系统的受力变形①工件刚度②刀具刚度一般刀具在切削力作用下产生的变形对加工精度影响并不显著。但在镗孔时，由于镗杆悬伸很长，其变形对加工精度的影响便很严重。镗刀杆可以看成一悬臂梁，其刚度为：③机床和夹具的刚度机床和夹具都由若干零件和部件组成，受力变形情况要复杂得多。因此，为确定机床的刚度，一般采用试验测定法。即在机床上模拟实际受力状态，作出受力变形曲线，根据受力变形曲线进行分析计算。4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础304.工艺系统的受力变形2）工艺系统受力变形对加工精度的影响①由于切削力作用点位置变化而使工件产生形状误差如图6-10，以顶尖装夹车削光轴为例，工件两支点的距离为L，背向力Fp随刀具纵向切削而改变位置。床头位置由A→A′、尾架位置由B→B′、刀架位置由C→C′，其值分别为Ytw、Yww、Ydw，相应地使工件中心位置由AB→A′B′，在X处位移量为Yx。刀具作用点C处总位移：

由图可见：按刚度定义：分别为床头、尾架、刀架的刚度由理论力学可算出：图4-10工艺系统的位移随施力点位置变化的情况4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础314.工艺系统的受力变形2）工艺系统受力变形对加工精度的影响①由于切削力作用点位置变化而使工件产生形状误差将各式带入(6-9)得：机床刚度为：距离前顶尖X处工件的变形为：工艺系统受力在Y方向的总位移：工艺系统刚度为：图4-10工艺系统的位移随施力点位置变化的情况4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础324.工艺系统的受力变形加工过程中，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，从而产生加工误差等。切削深度不同，切削力不同，工艺系统产生的让刀变形也不同，加工出来的工件仍然存在椭圆形状误差。由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映到工件上，此种现象称为“误差复映”。•误差复映的数值可根据刚度计算公式求得。如果工艺系统的刚度为k，则车削时工件的圆度误差（半径上）为Δg=Δ1-Δ1=(Fp1-Fp2)/kFp1=Cap1，

Fp2=Cap2C为与刀具几何参数及切削条件（刀具材料、工件材料、切削类型、进给量与切削速度、切削液等）有关的系数ε称为误差复映系数，通常是个小于1的正数，是误差复映程度的度量，定量地反映了毛坏误差加工后减小的程度，与工艺系统的刚度成反比，与径向切削力系数C成正比。工艺系统刚度越高，ε越小，也即复映在工件上的误差越小。要减少工件的复映误差，可增加工艺系统的刚度或减小径向切削力系数（例如增大主偏角、减少进给量等）。ε总=ε1×ε2×ε3…×εn工件经多道工序或多次走刀加工之后，工件的误差就会减小到工件公差所许可的范围内②毛坯误差的复映4.2.2影响加工精度的因素图4-11毛坯形状误差的复映2025/11/3机械制造技术基础334.工艺系统的受力变形1）夹紧力的影响当工件刚度较差时，或夹紧方法和夹紧力的作用点不当时，都会引起工件的夹紧变形，从而造成加工的形状误差或位置误差。例如用三爪卡盘夹持薄壁套筒零件进行镗孔，会使已加工孔变成三角棱圆形。2）自身重力的影响图6-12a)、b)是大型立车在刀架和横梁自重的作用下引起横梁变形的实例，它使所加工的工件端面产生平面度误差，使加工出的工件外圆呈锥度。图6-12c)是在靠模车床上加工尺寸较大的光轴时，由于尾架刚度比床头低，尾架的下沉变形比床头大，使加工表面产生锥度的圆柱度误差的实例。这种误差可通过调整靠模板的斜度来补偿。③工艺系统受其他作用力而产生的加工误差图4-12机床部件和工件自重所引起的误差4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础345.其他原始误差的影响（1）内部热源。主要指切削热和摩擦热，产生于工艺系统内部，属于传导传热。1）切削热。是切削加工过程中最主要的热源。在切削（磨削）过程中，切削的弹、塑性变形能及刀具、工件和切屑之间摩擦的机械能，绝大部分都转变成了切削热。2）摩擦热。主要是机床和液压系统中运动部件产生的，如电动机、轴承、齿轮、丝杠副、导轨副、离合器、液压泵、阀等各运动部分产生的摩擦热。在工艺系统中是局部发热，会引起局部温升和变形，破坏了系统原有的几何精度，对加工精度会带来严重影响。（2）外部热源。主要是指环境温度（气温、室温变化、热、冷风等）和各种热辐射（日光、照明、暖气、体温等），产生于工艺系统外部，属于对流传热，对大型和精密件的加工影响较大。工艺系统热变形对加工精度的影响比较大，特别是在精密加工和大件加工中，由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%~70%。机床、刀具和工件受到各种热源的作用，温度会逐渐升高，通过各种传热方式向周围的物质和空间散发热量。当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础355.其他原始误差的影响①机床热变形对加工精度的影响车床空转时主轴升温实验数据表明，主轴在水平方向的位移有10μm，而垂直方向的位移有180~200μm，这对于刀具水平安装的卧式车床的加工精度影响较小，但对于刀具垂直安装的自动车床和转塔车床的加工精度的影响就不容忽视了车、铣、钻、镗类机床，主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热和润滑油发热是其主要热源，使主轴箱及与之相连部分（如床身或立柱）的温度升高而产生较大变形，从而造成了机床主轴抬高和倾斜。龙门刨床、导轨磨床等大型机床由于它们的床身较长，如导轨面与底面间有温差，就会产生较大的弯曲变形，从而影响加工精度。床身上下表面产生温差，不仅是由于工作台运动时导轨面摩擦发热所致，环境温度的影响也是重要的原因。例如一台长12m、高0.8m的导轨磨床床身，导轨面与床身底面温差1°C时，其弯曲变形量可达0.22mm。4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础365.其他原始误差的影响②刀具热变形对加工精度的影响尽管在切削加工中传入刀具的热量很少，但由于刀具的尺寸和热容量小，因此仍有相当程度的温升，从而引起刀具的热伸长并造成加工误差。用高速钢刀具车削时，刃部的温度高达700~800°C，刀具热伸长量可达0.03~0.05mm，因此对加工精度的影响不容忽略。曲线1是车刀连续切削时的热伸长曲线。切削开始时，刀具的温升和热伸长较快，随后趋于缓和，逐步达到热平衡，车刀的散热量等于传给车刀的热量，车刀不再伸长。当车刀停止切削后，刀具温度开始下降较快，以后逐渐减缓曲线2为加工一批短小轴件的刀具热伸长曲线。在工件的切削时间Tg内，刀具伸长，在装卸工件时间Tj内，刀具又冷却收缩，在加工过程中逐渐趋于热平衡。图4-14刀具热伸长曲线4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础375.其他原始误差的影响③工件热变形对加工精度的影响当工件受热不均，如磨削零件单一表面时，由于工件单面受热而产生向上翘曲变形y，加工冷却后将形成中凹的形状误差工件的长度L越大，厚度H越小，则中凹形状误差y'就越大。在铣削或刨削薄板零件平面时，也有类似情况发生。为减小工件的热变形带来的加工误差，应控制工件上下表面的温差Δt。[例]高600mm，长2000mm的床身（铸铁α为10.4×10-6（1/°C）），若加工时上表面温升为3℃，则变形量为：此值已大于精密导轨平直度要求。4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础386.残余应力的影响残余应力是指外部载荷去除后，仍残存在工件内部的应力。工件在铸造、锻造及切削加工后，内部会存在各种残余应力。残余应力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，使残余应力重新分布，并伴随有变形发生，从而使工件丧失原有的加工精度。零件残余应力的重新分布影响零件的加工精度和装配精度4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础397.残余应力的产生（1）热加工中产生的残余应力在铸造、锻造、焊接、热处理等热加工过程中，由于工件壁厚不均匀导致热胀冷缩不均匀、金相组织的转变等原因，使工件产生残余应力。工件结构越复杂、壁厚相差越大、散热条件越差，残余应力就越大。为了克服这种内应力重新分布而引起的变形，特别是对大型和精度要求高的零件，一般在铸件粗加工后安排进行时效处理，然后再作精加工。4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础407.残余应力的产生（2）冷校直产生的残余应力丝杆一类的细长轴刚性差，在加工和使用过程中容易产生弯曲变形。弯曲的工件（原来无残余应力）常采用冷校直。在原有变形的相反方向加力，使工件向反方向弯曲，产生塑性变形，以达到校直的目的。在F2的作用下，工件继续变形，在轴心线以上的部分产生了压应力，在轴心线以下部分产生了拉应力。外层材料产生塑性变形（在虚线以外是塑性变形区域，应力分布成曲线），内层依然是处于弹性变形状态（在轴心线和上下两条虚线之间是弹性变形区域，应力分布成直线）。当外力F2去除以后，弹性变形部分本来可以完成恢复而消失，但因塑性变形部分恢复不了，内外层金属就起了互相牵制的作用，产生了新的内应力平衡状态4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础417.残余应力的产生（3）切削加工中产生的残余应力工件表面在切削力作用力下，出现不同程度的塑性变形和金属组织的变化而引起局部体积改变，因而产生残余应力。残余应力的分布情况由加工时的各种工艺因素所决定。表层金属产生弹性变形，体积膨胀，受到里层组织的阻碍，故表层产生压应力，里层产生拉应力。若表层温度超过弹性变形范围，则会产生热塑性变形，表层温度下降快，冷却收缩也比里层大，当温度降至弹性变形范围内，表层产生拉应力，里层将产生平衡的压应力。存在残余应力的零件的金属组织，即使在常温下，其内应力也会缓慢而不断地变化，直到内应力消失为止。在变化过程中，零件的形状将逐渐改变，使原有的加工精度逐渐消失。控制表面残余应力：1.采用滚压、喷砂、喷丸等办法对精密零件加工的零件进行表面处理，使表面产生局部塑性表现向四周扩张，因材料扩张受阻而产生很大的残余压应力，从而有效地提高零件的疲劳强度。2.采用人工时效的办法消除表面残余应力。3.采用精细车、精细磨、研磨、珩磨、超精加工等方法作为工件的最终加工。加工余量小，切削力，切削热小，不仅可以去除前道工序造成的表面变质及表面残余应力，又可避免产生新的表面残余应力。4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础428.减少或消除残余应力的措施1）合理设计零件结构改进零件结构，即设计零件时，尽量做到壁厚均匀，结构对称，以减少内应力的产生。2）合理安排热处理和时效处理对铸、锻、焊接件进行退火、回火及时效处理，零件淬火后进行回火，对精密零件，如丝杠、精密主轴等，应多次安排时效处理。3）合理安排工艺过程粗、精加工宜分阶段进行，使粗加工后有一定时间让残余应力重新分布，以减少对精加工的影响。4.2.2影响加工精度的因素2025/11/3机械制造技术基础43在查明影响加工精度的主要原始误差因素之后，设法对其直接进行消除或减小的方法。车削细长轴时，由于受力和热的影响，使工件产生弯曲变形。在采用“大走刀反向切削法”，再辅之以弹簧后顶尖和跟刀架，使工件受拉伸，会大大消除热伸长的危害。工艺上常用中心架和跟刀架减小车削细长轴时的变形。1.直接减小或消除原始误差薄环形零件在磨削中，采用了树脂结合剂黏合加强工件刚度的办法，使工件在自由状态下得到固定，解决了控制薄环形零件两端面平行度的问题。具体方法：将薄环形状零件在自由状态下黏结到一块平板上，将该平板放到具有磁力的平面上，然后自上磨平工件的上端面。加工完，使结合剂热化，将工件从平板上取下，再以磨平的这一面作为基准，磨另一面，以保证其平行度。4.2.3提高工艺系统加工精度的途径2025/11/3机械制造技术基础442.误差补偿法人为地造出一种新的原始误差去抵消原来工艺系统中固有的原始误差，达到减少加工误差、提高加工精度的目的。1）采用校正装置，如用校正机构提高丝杠车床传动链精度；2）以弹性变形补偿热变形，导轨磨床等大型机床磨削时导轨面附加一个向下夹紧力使导轨弹性变形下弯，磨削时导轨面温度上升至水平状态进行磨削；3）以几何误差补偿受力变形，龙门铣床的横梁在横梁自重和立铣头自重的共同影响下会产生下凹变形，在刮研横梁导轨时故意使导轨面产生向上凸起的几何形状误差。4）以热变形补偿热变形，立式平面磨床立柱前壁温度高，产生后倾，采用热空气加热立柱后壁，以热变形补偿热变形。4.2.3提高工艺系统加工精度的途径2025/11/3机械制造技术基础45实质上是将工艺系统的几何误差、受力变形和受热变形等转移到不影响加工精度的方向上。车床的误差敏感方向是工件的直径方向，选用立轴转塔车床车削工件外圆时，转塔刀架的转位误差会引起刀具在误差敏感方向上的位移，将严重影响工件的加工精度。如果将转塔刀架的安装形式改为图示情况，刀架转位误差所引起的刀具位移对工件加工精度的影响就很小。转塔车床在生产中都采用"立刀"安装法，把刀刃的切削基面放在垂直平面内，这样可把刀架的转位误差转移到误差不敏感的切线方向。在利用镗模进行镗孔时，主轴与镗杆浮动连接，这样就使镗孔的误差不受机床误差的影响，其机床的几何误差转移到浮动连接的部件上，镗孔精度由夹具镗模来保证。3.误差转移法4.2.3提高工艺系统加工精度的途径2025/11/3机械制造技术基础46均分原始误差就是当坯件精度太低，引起的定位误差或复映误差太大时，将坯件按其误差大小均分成n组，每组坯件的误差就缩小为原来的1/n，再按组调整刀具和工件的相对位置以减小坯件误差对加工精度的影响。例如，某厂采用心轴装夹工件剃齿，齿轮内孔尺寸为(IT6)，心轴实际尺寸25.002mm。由于配合间隙过大，剃齿后工件齿圈径向跳动超差。为减小配合间隙又不再提高加工精度，采用均分原始误差方法，按工件内孔尺寸大小分成3组，与相应的心轴配合，见表6-2,使每组配合间隙在0.005mm之内，保证了剃齿加工要求。4.误差平均法4.2.3提高工艺系统加工精度的途径2025/11/3机械制造技术基础47“就地加工”的办法就是把各相关零件、部件先行装配，使它们处于工作时要求的相互位置，然后就地进行最终加工。“就地加工”的目的在于，消除机器或部件装配后的累积误差。如六角转塔车床的制造中，为保证转塔上六个安装刀架孔的中心与机床主轴回转轴线的重合度及孔的端面与主轴回转轴线的垂直度，在转塔装配到车床床身后，再在主轴上装镗杆和径向进给小刀架，对转塔上的孔和端面进行最终加工。此外，普通车床上对花盘平面或软爪夹持面的修正、龙门刨床上对工作台面的修正等。5.就地加工法主动测量指加工过程中随时测量出工件实际尺寸(形状、位置精度)，根据测量结果控制刀具与工件的相对位置，这样，工件尺寸的变动始终在自动控制之中。在数控机床上，一般都带有对各个坐标移动量的检测装置(如光栅尺、感应同步器)。检测信号作为反馈信号输入控制装置，实现闭环控制，以确保运动的准确性，从而提高加工精度。6.主动测量与闭环控制4.2.3提高工艺系统加工精度的途径2025/11/3机械制造技术基础48在连续加工的一批工件中，其加工误差的大小和方向都保持不变，或者按一定规律变化，统称为系统性误差。（1）常值系统误差（2）变值系统误差1.系统性误差加工误差系统性误差随机性误差常值系统误差变值系统误差在连续加工一批工件中，其加工误差的大小和方向都保持不变或基本不变的系统误差。加工原理误差，机床、刀具、夹具量具的制造误差，以及工艺系统在均值切削力下的受力变形等引起的加工误差等均与加工时间无关，其大小和方向在一次调整中也基本不变。机床、夹具、量具等磨损引起的加工误差，在一次调整的加工中无明显的差异在连续加工一批工件中，其加工误差的大小和方向按一定规律变化的系统误差。机床、刀具和夹具等在热平衡前的热变形误差以及刀具的磨损等，随加工时间而有规律地变化对于常值系统误差误差，若能掌握其大小和方向，就可以通过调整消除；对于变值系统误差，若能掌握其大小和方向随时间变化的规律，则可通过自动补偿消除4.2.4机械加工误差的综合分析方法2025/11/3机械制造技术基础49在连续加工一批工件中，其加工误差的大小和方向是随机性的无规则变化的，称为随机性误差。是工艺系统中随机因素所引起的加工误差，由许多相互独立的工艺因素微量地随机变化和综合作用的结果。随机性误差是不可避免的，但可以从工艺上采取措施来控制其影响。随机性误差，只能缩小它们的变动范围，而不可能完全消除。随机性误差从表面上看似乎没有规律，无从分析，但是应用数理统计的方法可以找出一批工件加工误差的总体规律，然后在工艺上采取措施来加以控制。2.随机性误差毛坏的余量大小不一致或硬度不均匀将引起切削力的变化，在变化的切削力作用下由于工艺系统的受力变形而导致的加工误差就带有随机性，属于随机性误差。定位误差、夹紧误差（夹紧力大小不一致）、多次调整的误差、残余应力引起的工件变形误差等都属于随机性误差。如提高工艺系统刚度，提高毛坯加工精度（使余量均匀），毛坯热处理（使硬度均匀），时效（消除内应力）等。4.2.4机械加工误差的综合分析方法2025/11/3机械制造技术基础502025/11/3机械制造技术基础512025/11/3机械制造技术基础524.1机械加工质量的基本概念4.2机械加工精度4.3机械加工表面质量本节要点2025/11/3机械制造技术基础531.切削加工表面粗糙度的形成切削加工表面粗糙度主要取决于切削残留面积的高度，并与切削表面塑性变形及积屑瘤的产生有关。在切削加工表面上，垂直于切削速度方向的表面粗糙度称为横向粗糙度，在切削速度方向上测量的表面粗糙度称为纵向粗糙度。横向粗糙度较大，主要由几何因素和物理因素两方面形成，纵向粗糙度则主要由物理因素形成。机床-刀具-工件系统的振动也常是主要的影响因素（1）几何因素刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状是刀具几何形状的复映。减小主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径在刀具上修磨出修光刃，均可减小残留面积的高度。车削加工残留面积的最大高度直线刀刃切削Rmax=f/(cotκr+cotκ’r)圆弧刀刃切削Rmax=rε(1-cosα）

≈f2/(8rε)4.3.1机械加工表面粗糙度及影响因素2025/11/3机械制造技术基础541.切削加工表面粗糙度的形成（2）物理因素切削脆性材料(如铸铁)时,产生崩碎性切屑，这时切屑与加工表面的分界面很不规则，从而使表面粗糙度恶化，同时石墨由铸铁表面脱落产生脱落痕迹，也影响表面粗糙度。切削塑性材料时，刀具的刃口圆角及后刀面的挤压和摩擦使金属发生塑性变形，导致理论残留面积的挤歪或沟纹加深，增大了表面粗糙度。切削过程中出现的刀瘤与鳞刺，会使表面粗糙度严重恶化。在加工塑性材料时，它是影响表面粗糙度的主要因素。刀瘤是切削过程中切屑底层与前刀面冷焊的结果。刀瘤是不稳定的，它不断形成、长大、前端受冲击而崩碎。刀瘤还会伸出切削刃之外，在加工表面上划出深浅和宽窄都不断变化的刀痕，使表面质量更加恶化。鳞刺是已加工表面上产生的周期性的鳞片状毛刺。在较低及中高的切削速度下，切削塑性材料时，常常出现鳞刺，它会使表面粗糙度等级降低2～4级。4.3.1机械加工表面粗糙度及影响因素2025/11/3机械制造技术基础552.影响切削加工表面粗糙度的因素（1）工件材料塑性材料：工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，表面愈粗糙。晶粒组织越粗大，表面粗糙度越大。常在切削加工前进行调质或正火处理，以得到均匀细密的晶粒组织和较高的硬度。脆性材料：粗糙度比较接近理论值。（2）刀具的几何形状、材料、刃磨质量1）前角ro。ro值增大时，塑性变形程度减小，表粗糙度减小。ro为负值时，塑性变形增大，表面粗糙度增大。后角αo过小会增加摩擦，表面粗糙度增大。刃倾角λs的大小会影响刀具的实际前角，影响粗糙度。2）提高刀具的材料与刃磨质量。如用金刚石车刀精车铝合金时，由于摩擦系数较小，刀面上就不会产生切屑的粘附、冷焊现象，能减小表面粗糙度。（3）切削用量切削用量中对加工表面粗糙度影响最大的是切削速度v加工塑性材料时，v越高，塑性变形程度就越轻，粗糙度越小。较高的切削速度常能防止积屑瘤、鳞刺的产生。加工脆性金属时，影响较小。4.3.1机械加工表面粗糙度及影响因素2025/11/3机械制造技术基础563.磨削加工后的表面粗糙度磨削表面由砂轮上大量的磨粒刻划出的无数极细的沟槽形成。每单位面积上刻痕越多，即通过单位面积上的磨粒数越多，以及刻痕的等高性越好，则粗糙度也就越小。磨削速度高，磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压，没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。4.3.1机械加工表面粗糙度及影响因素2025/11/3机械制造技术基础574.磨削加工时表面粗糙度的控制（1）磨削砂轮1）砂轮粒度砂轮的粒度影响最大，粒度愈细，则砂轮工作表面的单位面积上磨粒数愈多，因而在工件表面上的刻痕也愈细愈密，粗糙度小。2）砂轮硬度太硬，磨粒不易脱落，磨钝的磨粒不能及时被新磨粒替代，工件表面受到强烈的磨擦和挤压作用，塑性变形加剧，使表面粗糙度值增大；此外，砂轮的磨料、结合剂与组织对磨削表面粗糙度都有影响，应根据加工情况进行合理的选择。（2）砂轮修整使砂轮具有正确的几何形状，使砂轮工作表面形成排列整齐又锐利的微刃。精细修整过的砂轮可有效减小被磨工件的表面粗糙度值。（3）砂轮速度提高砂轮速度可以增加砂轮在工件单位面积上的刻痕。同时，提高磨削速度可以使每个刃口切掉的金属量减小，即塑性变形量减少；还可以使塑性变形不能充分进行，从而使加工表面粗糙度减小。（4）磨削深度与工件速度增大磨削深度和工件速度将增加塑性变形程度,从而增大粗糙度。实际磨削中常在磨削开始时采用较大的磨削深度以提高生产率，而在最后采用小的磨削深度或无进给磨削以降低粗糙度。4.3.1机械加工表面粗糙度及影响因素2025/11/3机械制造技术基础581.加工表面的冷作硬化（1）冷作硬化及其评定参数加工表面层的冷作硬化