汽车制造工艺学（第4版）课件：机械加工质量

机械加工质量目录01机械加工精度与表面质量02产生加工误差的主要因素03机械加工表面质量的形成及其影响因素PART

1机械加工精度与表面质量一、机械加工精度1.加工精度加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和表面间的相互位置)与理想几何参数的符合程度。符合程度越高,加工精度就越高。由于加工过程中各种因素的影响,加工出的零件不可能与理想的要求完全符合,会产生加工误差。加工误差是指加工后零件的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度。从保证产品的使用性能分析,允许有一定的加工误差,只要加工误差不超过图样规定的偏差即为合格品。加工精度和加工误差是从两个不同的角度来评定加工零件的几何参数,加工精度的低和高就是通过加工误差的大和小来表示的。加工精度的具体内容如下:(1)尺寸精度指零件的直径、长度和表面间距离等尺寸的实际值和理想值的接近程度。(2)形状精度指零件表面或线的实际形状与理想形状的接近程度。(3)位置精度指零件表面或线的实际位置与理想位置的接近程度。零件的加工精度越高则加工成本也越高,而生产效率相对越低。因此设计人员应根据零件的使用要求,合理地规定零件的加工精度;工艺人员则应根据设计要求、生产条件来制订适当的工艺方法,以保证加工误差不超过允许范围。2.影响加工精度的因素(原始误差)在机械加工中,由机床、刀具、夹具和工件等组成的统一体,称为工艺系统。工艺系统各种原始误差的存在,会使工件与刀具间正确的几何关系遭到破坏而产生加工误差。这些原始误差中,其中一部分与工艺系统的初始状态有关,如机床、刀具及夹具的制造误差,工件因装夹产生的误差以及采用近似成型方法加工而产生的加工原理误差等,称为工艺系统的几何误差;另一部分在加工过程中产生的误差,如加工过程中产生的切削力、切削热和摩擦等,会引起工艺系统受力变形,受热变形和磨损都会影响调整后获得的工件与刀具之间的相对位置,造成的各种误差称为工艺系统的动误差。一、机械加工精度3.原始误差与加工误差的关系图4-1误差的敏感方向二、加工表面质量的概念与内容1.表面加工质量的概念机械加工表面质量包括两方面内容:加工表面的几何形状误差和表面层金属的力学物理性能及化学性能变化。加工表面的几何形状误差包括3个部分,如图4-2所示。(1)表面粗糙度。表面粗糙度是加工表面的微观几何形状的误差,其波长L3与波高H3比值一般小于50。(2)波纹度。加工表面平面度中波长L2与波高H2比值等于50~1000的几何形状误差称为波纹度,它是由加工中的振动所引起的。(3)纹理方向。纹理方向是指表面刀纹的方向,它取决于表面形成所采用的机械加工方法。2.表面层金属的力学物理性能和化学性能由于机械加工中力因素和热因素的综合作用,加工表面层的力学物理性能和化学性能都会发生一定的变化,主要表现为:表面层加工硬化、表面层金相组织变化、表面层金属产生残余应力。图4-2加工表面的几何形状误差以及形状误差、表面粗糙度及波纹度的关系a)加工表面的几何形状误差;b)形状误差、表面粗糙度及波纹度的关系三、加工表面质量对零件使用性能的影响1.表面质量对零件耐磨性的影响零件的磨损可分为3个阶段,如图4-3所示。第一阶段称初期磨损阶段。由于摩擦副开始工作时,两个零件表面互相接触,一开始只是在两表面波峰接触,实际的接触面积只是名义接触面积的一小部分。当零件受力时,波峰接触部分将产生很大的压强,因此磨损非常显著。经过初期磨损后,实际接触面积增大,磨损变缓,进入磨损的第二阶段,即正常磨损阶段。这一阶段零件的耐磨性最好,持续的时间也较长。最后,由于波峰被磨平,表面粗糙度值变得非常小,不利于润滑油的储存,且使接触表面之间的分子亲和力增大,甚至发生分子黏合,使摩擦阻力增大,从而进入磨损的第三阶段,即急剧磨损阶段。表面粗糙度对摩擦副的初期磨损影响很大,但也不是表面粗糙度值越小越耐磨。图4-4所示为表面粗糙度对初期磨损量影响的试验曲线。从图中可以看到,在一定工作条件下,摩擦副表面总是存在一个最佳表面粗糙度值。最佳表面粗糙度值为0.32~1.25μm。表面纹理方向对耐磨性也有影响,这是因为它能影响金属表面的实际接触面积和润滑液的存留情况。轻载情况下,两表面的纹理方向与相对运动方向一致时,磨损最小;当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时,磨损最大。但是在重载情况下,由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因素的变化,其规律与上述有所不同。表面层的加工硬化一般能提高耐磨性0.5~1倍。这是因为加工硬化提高了表面层的强度,减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。但过度的加工硬化会使金属组织疏松,甚至出现疲劳裂纹和产生剥落现象,从而使耐磨性下降。如图4-5所示,存在一个最佳硬化程度,可使零件的耐磨性最好。图4-3磨损过程的基本规律图4-4表面粗糙度与初期磨损量的关系1-轻负荷;2-重负荷图4-5表面冷硬程度与耐磨性的关系三、加工表面质量对零件使用性能的影响2.表面质量对零件疲劳强度的影响在交变载荷作用下,零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷最易形成应力集中,并发展成疲劳裂纹,导致零件疲劳破坏。因此,对于重要零件表面如连杆、曲轴等,应进行光整加工,减小表面粗糙度值,提高其疲劳强度。表面残余应力对疲劳强度的影响极大。由于疲劳破坏是从表面开始,由拉应力产生的疲劳裂纹引起的。因此,表面如具有残余压应力,能延缓疲劳裂纹的产生、扩展,而使零件疲劳强度提高。表面层的加工硬化对疲劳强度也有影响。适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生,有助于提高疲劳强度。但加工硬化程度过大,反而易产生裂纹,故加工硬化程度应控制在一定范围内。3.表面质量对零件耐腐蚀性的影响零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值越大,越容易积聚腐蚀性物质;波谷越深,渗透与腐蚀作用越强烈。表面残余应力对零件耐腐蚀性也有较大影响。残余压应力使零件表面紧密,腐蚀性物质不易进入,可增强零件的耐腐蚀性,而拉应力则降低耐腐蚀性。4.表面质量对配合性质的影响相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。对间隙配合而言,表面粗糙度值太大,会使配合表面很快磨损而增大配合间隙,改变配合性质,降低配合精度。对过盈配合而言,装配时配合表面的波峰被挤平,减小了实际过盈量,降低了连接强度,影响了配合的可靠性。PART

2产生加工误差的主要因素一、机床的几何误差1.机床主轴回转运动误差1)主轴回转运动误差的概念与形式机床主轴的回转运动误差,直接影响加工精度,尤其是在精加工时,该误差往往是影响工件圆度误差的主要因素。如坐标镗床、精密车床和精密磨床,都要求主轴有较高的回转精度。机床主轴做回转运动时,主轴的各个截面必然有它的回转中心,在主轴的任一截面上,主轴回转时若只有一点速度始终为零,则这一点即为理想回转中心。但在主轴的实际回转过程中,理想的回转中心是不存在的,而存在一个其位置时刻变动的回转中心,此中心称为瞬时回转中心,主轴各截面瞬时回转中心的连线称为瞬时回转轴线。所谓主轴的回转运动误差,是指主轴的瞬时回转轴线相对其平均回转轴线(瞬时回转轴线的对称中心),在规定测量平面内的变动量。变动量越小,主轴回转精度越高;反之越低。主轴的回转运动误差可分解为端面圆跳动、径向圆跳动、角度摆动3种基本形式,如图4-6所示。(1)端面圆跳动。瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动,如图4-6a)所示。它主要影响端面形状和轴向尺寸精度。(2)径向圆跳动。瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动,如图4-6b)所示。它主要影响圆柱面的精度。(3)角度摆动。瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度,但其交点位置固定不变的运动,如图4-6c)所示。在不同横截面内,轴心运动误差轨迹相似,它影响圆柱面与端面加工精度。上述运动是指单纯的主轴回转运动误差,实际中常是上述几种运动的合成运动。图4-6主轴回转误差的基本形式a)端面圆跳动;b)径向圆跳动;c)角度摆动一、机床的几何误差1.机床主轴回转运动误差2)主轴回转运动误差的影响因素影响主轴回转运动误差的主要因素是主轴的误差、配合零件的误差及主轴系统的径向不等刚度和热变形等。对于不同类型的机床,其影响因素也各不相同。如对工件回转类机床(如车床、外圆磨床),因切削力的方向不变,作用在支撑上的作用力方向也不变化。此时,主轴的支撑轴颈的圆度误差影响较大,而轴承孔圆度误差影响较小,如图4-7a)所示;对于刀具回转类机床(如钻、铣镗床),切削力方向随旋转方向而改变,此时,主轴支撑轴颈的圆度误差影响较小,而轴承孔的圆度误差影响较大,图4-7b)所示为轴颈回转到不同位置时与轴承孔接触的情况。3)提高主轴回转精度的措施(1)提高主轴部件的制造精度。首先应提高轴承的回转精度,如选用高精度的滚动轴承,或采用高精度的多油楔动压轴承和静压轴承;其次是提高箱体支撑孔、主轴轴颈和与轴承相配合表面的加工精度。(2)对滚动轴承进行预紧。对滚动轴承适当预紧以消除间隙,甚至产生微量过盈。由于轴承内、外圈和滚动体弹性变形的相互制约,既增加了轴承刚度,又对轴承内、外圈滚道和滚动体的误差起均化作用,因而可提高主轴的回转精度。此外,可采取措施使主轴的回转精度不反映到工件上去,常采用两个固定顶尖支撑,主轴只起传动作用。工件的回转精度完全取决于顶尖和中心孔的形状误差和同轴度误差,而提高顶尖和中心孔的精度要比提高主轴部件的精度容易且经济得多。例如,外圆磨床磨削外圆柱面时,就采用固定顶尖支撑。图4-7两类主轴回转误差的影响a)工件回转类机床;b)刀具回转类机床一、机床的几何误差2.机床导轨误差机床导轨副是实现直线运动的主要部件,其制造和装配精度是影响直线运动的主要因素,直接影响工件的加工质量。1)磨床导轨在水平面内直线度误差的影响如图4-8所示,导轨在x方向存在误差Δ,磨削外圆时工件沿砂轮法线方向产生位移。引起工件在半径方向上的误差ΔR=Δ。当磨削长外圆时,造成圆柱度误差。2)磨床导轨在垂直面内直线度误差的影响如图4-9所示,由于磨床导轨在垂直面内存在误差Δ,磨削外圆时,工件沿砂轮切线方向产生位移(误差非敏感方向),此时工件产生圆柱度误差,ΔR≈Δ2/2R,其值很小(ΔR为半径尺寸误差)。但对平面磨床、龙门刨床、铣床等法向方向的位移(误差敏感方向),将直接反映被加工工件的表面形成的形状误差。3)导轨面间平行度误差的影响如车床两导轨的平行度误差(扭曲)使床鞍产生横向倾斜,刀具产生位移,因而引起工件形状误差,如图4-10所示。由几何关系可知:机床的安装对导轨的原有精度影响也很大,尤其是刚性较差的长床身,在自重的作用下容易产生变形。因此,安装地基和安装方法如何,都将直接影响导轨的变形,产生工件加工误差。一、机床的几何误差3.机床传动链误差1)传动链误差的概念在螺纹加工或用展成法加工齿轮等工件时,必须保证工件与刀具间有严格的运动关系,例如在滚齿机上用单头滚刀加工直齿轮时,要求滚刀与工件之间具有严格的运动关系:滚刀转一转,工件转过一个齿。这种运动关系是由刀具与工件间的传动链来保证的。对于图4-11所示机床传动系统,可具体表示为:传动链中的各传动元件,如齿轮、蜗轮、蜗杆,因有制造误差(主要是影响运动精度的误差)、装配误差(主要是装配偏心)和磨损而破坏正确的运动关系,使工件产生误差。所谓传动链的传动误差,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。它是按展成原理加工工件(如螺纹、齿轮、蜗轮以及其他零件)时,影响加工精度的主要因素。图4-10车床导轨面间的平行度误差图4-11滚齿机传动链图一、机床的几何误差3.机床传动链误差2)传动链误差的传递系数传动链误差一般可用传动链末端元件的转角误差来衡量。由于各传动件在传动链中所处的位置不同,它们对工件加工精度(即末端件的转角误差)的影响程度是不同的。例如,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。假设滚刀轴均匀旋转,若具体z1有转角误差Δϕ1,而其他各传动件无误差,则传到末端件(亦即第n个传动元件)上所产生的转角误差Δϕ1n为:一、机床的几何误差3.机床传动链误差3)减少传动链传动误差的措施(1)尽可能缩短传动链(减少传动元件数量)。例如,图4-12所示为一台大批生产中应用的螺纹磨床的传动系统,机床用可换的母丝杠与被加工工件在同一轴线上串联起来,母丝杠螺距等于工件螺距,传动链最短,就可得到较高的传动精度。(2)减少各传动元件装配时的几何偏心,提高装配精度。(3)提高传动链末端元件的制造精度。在一般的降速传动链中,末端元件的误差影响最大,故末端元件(如滚齿机的分度蜗轮、螺纹加工机床的母丝杠)的精度就应最高。(4)在传动链中按降速比递增的原则分配各传动副的传动比。传动链末端传动副的降速比取得越大,则传动链中其余各传动元件误差的影响就越小。为此,分度蜗轮的齿数应取得较多,母丝杠的螺距也应较大,这将有利于减少传动链误差。(5)采用校正装置。校正装置的实质是在原传动链中人为地加入一误差,其大小与传动链本身的误差相等而方向相反,从而使之相互抵消。图4-12精密螺纹磨床传动系统1-工作台;2-工件;3-砂轮;4-蜗杆副;5-螺母;6-母丝杠一、机床的几何误差4.其他几何误差1)刀具误差机械加工中常用的刀具有:一般刀具、定尺寸刀具和成型刀具。一般刀具(如普通车刀、单刃镗刀和平面铣刀)的制造误差对加工精度没有直接影响。定尺寸刀具(如钻头、铰刀、拉刀)的尺寸误差直接影响加工工件的尺寸精度。刀具在安装使用中不当将产生跳动,也将影响加工精度。成型刀具(如成型车刀、成型铣刀及齿轮刀具)的制造误差和磨损,主要影响被加工表面的形状精度。2)工件的装夹误差与夹具磨损工件装夹误差是指定位误差和夹紧误差,此外,夹具在长期使用过程中工作表面的磨损,也直接影响工件的加工精度。3)测量误差工件在加工过程中要用各种量具、量仪等进行检验测量。再根据测量结果对工件进行试切或调整机床。量具本身的制造误差、测量时的接触力、温度、目测正确程度等,都直接影响加工误差。因此,要正确地选择和使用量具,以保证测量精度。4)调整误差在机械加工的每一工序中,总是要对工艺系统进行不同的调整工作。由于调整不可能绝对准确,因而产生调整误差。一、机床的几何误差4.其他几何误差4)调整误差工艺系统的调整有如下两种基本方式。不同的调整方式有不同的误差来源。(1)试切法调整。单件小批生产中,通常采用试切法调整。方法是:对工件进行试切—测量—调整—再试切,直到达到要求的精度为止。这时,引起调整误差的因素如下:①测量误差。由于量具本身精度、测量方法不同及使用条件的差别(如温度、操作者的细心程度),它们都影响测量精度,因而产生加工的误差。②进给机构的位移误差。在试切中,总是要微量调整刀具的位置。在低速微量进给中,常会出现进给机构的“爬行”现象,其结果使刀具的实际位移与刻度盘上的数值不一致,造成加工误差。③试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响。精加工时,试切的最后一刀往往很薄,切削刃只起挤压作用而不起切削作用,但正式切削时的深度较大,切削刃不打滑,就会多切工件。因此,工件尺寸就与试切时不同,形成工件的尺寸误差。(2)调整法调整。采用调整法对工艺系统进行调整时,也要以试切为依据。因此,上述影响试切法调整精度的因素,同样对调整法也有影响。此外,影响调整精度的因素还有:用定程机构调整时,调整精度取决于行程挡块、靠模及凸轮等机构的制造精度和刚度,以及与其配合使用的离合器、控制阀等的灵敏度;用样件或样板调整时,调整精度取决于样件或样板的制造、安装和对刀精度;工艺系统初调好以后,一般要试切几个工件,并以其平均尺寸作为判断调整是否准确的依据。由于试切加工的工件数(称为抽样件数)不可能太多,不能完全反映整批工件切削过程中的各种随机误差,故试切加工几个工件的平均尺寸与总体尺寸不能完全符合,也造成加工误差。二、工艺系统的受力变形对加工精度的影响由机床、夹具、工件和刀具组成的工艺系统,在外力(主要是切削力)的作用下会产生弹性变形,这种变形将破坏切削刃和工件之间已调整好的位置关系,导致加工误差。在外力作用下,工艺系统抵抗变形的能力称为工艺系统的刚度,其包括以下两种。(1)刀具刚度。象外圆车刀在加工表面法线方向上的刚度很大,其变形可忽略不计;而镗直径较小的内孔时,刀杆的刚度很差,刀杆受力变形对孔加工精度有很大影响。(2)机床部件刚度。机床部件系统由许多零件(主轴、尾座、刀架等)组成。有关机床部件刚度迄今尚无合适的简易计算方法。目前主要是采用实验方法测定机床部件刚度。影响机床部件刚度的因素有结合面接触变形的影响、摩擦力的影响、低刚度零件的影响、间隙的影响等。工艺系统在切削力、夹紧力、重力和惯性力等作用下会产生变形,从而破坏了已调整好的工艺系统各组成单元的相互位置关系,必然会导致加工误差,也会使加工过程不稳定。三、工艺系统热变形对加工精度的影响在机械加工过程中,工艺系统要产生热量,其热的来源主要有3方面:切削热、摩擦热和传动热、周围环境的外界热源和阳光辐射热等。受上述各种热的影响,工艺系统就会产生热变形。这种变形将破坏刀具与工件间的正确几何关系和运动关系,造成工件的加工误差。工艺系统的热变形不仅影响加工精度,而且还影响加工效率。随着机械加工向高精、高效、自动化方向的发展,使工艺系统热变形问题变得更加突出,已成为现代机械加工技术发展必须研究的重要课题。机械加工过程中,工艺系统要产生热量,热的来源主要有以下3个方面。(1)切削热。切削热是被加工材料塑性变形以及前后刀面摩擦功转变成的热量。由于热的传导,它主要对工件和刀具有较大的影响。(2)摩擦热和传动热。摩擦热是机床运动零件的摩擦(齿轮、轴承、导轨等)转变的热量,传动热是液压传动(油泵、油缸等)和电动机的温升等,这类热对机床的影响较大。(3)周围环境的外界热源和阳光辐射热等。在各种精密加工中,热变形的影响特别突出,因为在这种场合下,切削力一般都比较小,工艺系统刚度不足所引起的加工误差也比较小,而热变形引起的误差就相对地大了。图4-13车床主轴热变形曲线三、工艺系统热变形对加工精度的影响1.机床热变形引起的加工误差机床由于受热而产生变形的情况,视机床类型而异。车床类机床工作时,热源主要由床头箱中轴承和齿轮在运转中的摩擦引起,由于床头箱受热变形,主轴位置升高,在水平方向也产生位移,影响加工精度较大的是水平方向上的位移。图4-13所示为床头箱发热导致车床主轴产生垂直和水平方向位移的情况。图中位移在最初进行较快,随后逐渐减缓,4~5h后达到热平衡,位移就停止。热平衡后如让机床停止工作,它就冷却下来,但冷却的时间却长达20h左右。图中主轴在垂直方向的位移为0.049mm,在水平方向为0.011mm。主轴位移的大小与主轴的转速有关,转速愈高则位移愈大。为减少机床热变形的影响,一般在工作前开动机床,让它空转一段时间,使热变形稳定后再工作。有的精密机床(如坐标镗床)要置于恒温室内,室内温度保持20℃±0.5℃。床头箱箱体各点的温度在10~50℃范围内,轴承处的温度最高。主轴的温度比箱体的平均温度高30%~40%,当主轴很长时,必须考虑它受热膨胀后的轴向位移,因为它影响工件轴向尺寸的精度,如主轴由后轴承实现轴向定位,由于箱体和主轴温差Δt,则卡盘轴向移为:这时,必须定期调整机床来补偿这个误差。磨床类机床工作时,由于液压系统和电动机等不合理的布局,它们在传动中所产生的热量常使机床各部分结构受热不均匀,而导致工作台偏转。三、工艺系统热变形对加工精度的影响2.工件热变形引起的加工误差工件所受的热主要来自切削区域,切削热的分布情况如图4-14所示。加工精密零件或薄壁零件时,加工环境的温度变化也会产生明显的影响。均匀的温度变化,将使工件的尺寸变化;不均匀的温度变化,会改变工件的形状。如多刀车削轴类零件且工作行程次数较多,可认为工件将均匀受热,这时工件上的切削热量Q可按下式粗略计算:图4-14切削热的分布三、工艺系统热变形对加工精度的影响2.工件热变形引起的加工误差单面加工薄片类零件时,容易引起不均匀的温度变化,从而使工件产生形状误差。图4-15所示薄片长L、厚δ,加工时上下面温度差Δt=t1-t2,设材料线膨胀系数为αl,则由于上下表面温差,工件向上凸起。工件中间的变形量为:从式(4-16)可知,热变形随零件长度的增加而迅速增大。此外,太阳光的照射,暖气装置热量的辐射,都将使工件产生不均匀的热变形。为了减小工件的热变形,主要采取如下措施。(1)采取强烈冷却。(2)提高切削速度,使大部分切削热来不及传至工件而随切屑带走。(3)夹紧工件时,要考虑它们线性热变形的补偿,例如在磨床、多刀车床上采用弹簧后顶尖、液压后顶尖或气动后顶尖。三、工艺系统热变形对加工精度的影响3.刀具热变形引起的加工误差刀具的热源主要是切削热。虽然切削热传给刀具的比例较少(图4-16)。但由于刀具体积小,所以刀面上的温度还是比较高的。车刀的刀头受热后伸长,工件被加工的直径就随之减小。图4-16所示为车刀的热变形曲线,它的热变形规律与机床相似,也是按指数曲线上升和降低,只是刀体热容量小,达到热平衡的时间短得多,一般连续工作行程16~20min就达到了。达到热平衡时,车刀热变形一般在0.03~0.05mm。实际工作中,常不可能连续工作行程16min以上(加工面小、切削时间短),而是有停歇的间断切削,这时刀具的热变形就要小些。车刀的热变形与下列因素有关。(1)提高切削用量中的任一项,都能使车刀的热伸长量增加。(2)车刀热伸长量与刀杆横剖面尺寸近似呈反比。(3)硬质合金刀片越厚,车刀的热伸长量越小。(4)车刀的热伸长量与被加工材料的强度极限近似地成正比。(5)有冷却液时,车刀的热伸长量可大为减小。图4-16车刀的热变形曲线三、工艺系统热变形对加工精度的影响4.工件内应力(残余应力)工件去掉外力后,存留在工件内部的应力称为内应力(或残余应力)。内应力总是拉伸应力和压缩应力并存而处于平衡状态,即合力为零。当外界条件发生变化,如温度改变或工件被切除一层金属,则原来的内应力平衡状态遭到破坏,工件将发生形状变化,形成新的平衡状态,这个形成新平衡状态的过程称为内应力重新分布。工件产生内应力的原因,从工艺过程来说,是零件材料不均匀的体积变化,它来源于以下3个方面:(1)零件不均匀的加热和冷却;(2)零件材料金相组织的转变;(3)强化时塑性变形的结果。在有内应力的情况下对铸件进行机械加工,由于切去一层金属,内应力将重新分布而使工件形状改变。因此,加工某些复杂铸件的重要表面(如发动机缸体的缸孔)时,在粗加工后,要经过很多其他工序才安排精加工,目的就是让内应力充分重新分布,待工件变形稳定后再进行精加工。为了减小复杂铸件的内应力,除了在结构上尽量做到壁厚均匀外,还可采用自然时效和人工时效的方法。经过表面淬火的零件,也会产生内应力,因为这时表面层的金属组织转变了,即从原来密度比较大的奥氏体转变为密度比较小的马氏体。因此表面层的金属体积要膨胀,但受到内层金属的阻碍,在表面层产生压缩应力,在内层产生拉伸应力。机械加工后,零件表面也产生内应力。四、其他原因引起的误差1.原理误差用近似的加工方法、近似的传动比和近似形状的刀具进行加工时,都会产生加工误差,这属于原理误差,亦称为理论误差或方法误差。滚切渐开线齿廓就是近似加工方法的实例,由于滚刀的齿数是有限的,所以滚切的渐开线不是理想的光滑渐开线,只是多条趋近于该曲线的折线。被加工齿轮的齿数愈多,滚刀的容屑槽数越多且头数越少时,形成的线段数就越多,折线就越接近于理论渐开线。不仅滚切法是近似的加工方法,滚刀也是近似形状的刀具,所以也会引起加工误差。在许多情况下,一些机床的成型运动传动链只能近似得到所需表面,例如车螺纹时,如果螺距具有几位小数,在选择挂轮时,因为挂轮的齿数是固定的,所以往往只能得到近似的螺距。应当指出,当包括原理误差在内的加工误差总和不超过规定的工序公差时,就可以采用近似的加工方法。近似方法往往比理论上精确的方法简单,它有利于简化机床结构,降低刀具成本和提高生产率。2.测量误差测量误差是指工件实际尺寸与量具表示出的尺寸之间的差值。加工一般精度的零件时,测量误差可占工件公差的1/10~1/5,而加工精密零件时,测量误差可占工件公差的1/3左右。测量误差通常由下述原因产生。1)计量器具本身精度的影响计量器具的精度决定于它的结构、制造和磨损情况。所用的计量器具不同,测量误差的变动范围也很大,例如用光学比较仪测量轴类零件时,误差不超过1μm;用千分尺测量时,测量误差可达5~10μm;而用游标卡尺测量时则达150μm,所以必须根据零件被测尺寸的精密程度选择适当的计量器具。2)温度的影响例如直径为ϕ100mm的钢轴在加工完毕后,温度从20℃升高至60℃,如果立即测量,由于材料热膨胀的原因,直径增大0.048mm。即使在常温条件下,车间内的温度也不是固定的,其变动范围可达3~4℃,在此温度变动范围内也将产生测量误差,对钢件来说,在100mm长度上可达0.003~0.004mm,所以精密测量要在恒温室内进行,以消除温度变化引起的误差。在精密测量时,还要十分注意辐射热(如太阳、灯光)的影响,有时不允许用手直接接触量具,以防止热传导而产生测量误差。3)人的主观原因如测量时读数的误差;测量过程中因用力不当而引起量具、量仪的变形等。四、其他原因引起的误差3.调整误差切削加工时,如果要获得规定的尺寸,那么就必须对机床、刀具和夹具进行调整。在单件、小批生产中,普遍用试切法调整;而在成批、大量生产中,则常用调整法。显然,试切法不可避免会产生误差,而调整法中,对刀有误差,挡块、电器行程开关、行程控制阀等的精度和灵敏度都影响调整的准确。因此,不论哪种调整方法,想获得绝对准确的规定尺寸是不可能的,这就产生了调整误差。PART

3机械加工表面质量的形成及其影响因素一、表面质量的形成及其具体内容1.表面加工质量的含义经过机械加工后的零件表面不可能是绝对理想的表面,一方面存在着微观几何形状误差;另外,在加工时表面层的金属还会产生物理力学性能和化学性能变化。图4-17a)所示为加工表面层沿深度方向的变化情况。在最外层生成氧化膜及其他化合物,并吸收或渗进了气体、液体和固体的粒子,称为吸附层,其厚度一般不超过8nm。再向内是压缩层,即为表面塑性变形区,它是由切削力造成的,其厚度为几十至几百微米,随加工方法的不同而变化。其上部是由被加工材料与刀具之间的摩擦力所造成的纤维层。此外,切削热也会使表面层产生各种变化,如同淬火、回火一样,会使材料产生相变及晶粒大小的变化。因此,机械加工方法所获得的表面层的物理力学性质已不同于基体,产生了如图4-17b)、c)所示的显微硬度和残余应力变化。图4-17加工表面层沿深度方向的变化情况一、表面质量的形成及其具体内容2.表面质量含义的内容机械加工表面质量的含义包括以下两方面内容。(1)表面层的几何形状误差。①表面粗糙度。表面粗糙度是指加工表面的微观形状误差,如图4-2b)所示,其波长L3与波高H3的比值一般小于50。在我国关于表面粗糙度的现行标准是《产品几何技术规范(GPS)技术产品文件中表面结构的表示法》(GB/T131)。在确定表面粗糙度时,可在Ra、Ry、Rz三项特征参数中选取,优先选用Ra。②表面波纹度。表面波纹度是介于形状误差(L1/H1>1000)与表面粗糙度(L3/H3<50)之间的周期性形状误差,它主要是由机械加工过程中工艺系统的低频振动所引起的,如图4-2b)所示,其波长L2与波高H2的比值一般为50~1000。关于表面波纹度现有工业和信息化部发布的《磨削表面波纹度》(JB/T9924),尚无国家标准。③纹理方向。纹理方向是指表面刀纹的方向,它取决于表面形成所采用的机械加工方法。一般对运动副或密封件要求纹理方向。④伤痕。伤痕是在加工表面的个别位置上所出现的缺陷,如砂眼、气孔、裂痕等。(2)表面层金属的物理力学性能。由于机械加工中力因素和热因素的综合作用,加工表面层金属的力学物理性能以及化学性能将发生一定的变化,主要表现为以下几点。①表面层金属的加工硬化(冷作硬化)。②表面层金属的金相组织发生变化。③表面层产生残余应力。二、影响表面粗糙度的因素及其改善措施1.切削的残留痕迹切削加工表面粗糙度值主要取决于切削残留面积的高度。影响切削残留面积高度的因素主要有:刀尖圆弧半径rε、主偏角kr、副偏角k'r以及进给量f等,如图4-18所示。图4-18给出了车削、刨削时残留面积高度的计算示意图,图中a)是用尖刀切削,其残留面积的高度为:图4-18b)是采用圆弧刀刃切削时情况,此时残留面积高度为:由式(4-17)和式(4-18)可知,进给量f和刀尖圆弧半径rε对切削加工表面粗糙度有很明显的影响,故选择较小的进给量f和较大的刀尖圆弧半径rε,将会改善表面粗糙度。图4-18车削、刨削时残留面积的高度二、影响表面粗糙度的因素及其改善措施2.切削加工中发生塑性变形由于切削加工中伴随有塑性变形,会出现积屑瘤和鳞刺等,从而使加工表面质量恶化。积屑瘤与鳞刺的形成与工件材料的塑性、硬度以及切削速度有关。3.工艺系统的振动机械加工时的振动不仅会增大表面粗糙度值,也会使刀具很快变钝或崩刃,机床连接处也将遭到破坏,从而妨碍生产率的提高,并降低加工表面的质量。机械加工时的振动有两种,即强迫振动和自激振动。(1)强迫振动。由外界具有一定频率的周期性变化的激振力所引起的振动称为强迫振动。其特征为机床振动的频率与激振力的频率一致,且不会自行消失。而当激振频率接近或等于工艺系统本身的固有频率时,就会产生共振现象。此时振幅极大并对工艺系统危害严重,应力求避免。机械加工时产生强迫振动的原因有以下几方面:由其他机床或设备传来的振动,机床传动件制造和装配误差引起的振动,由于断续切削产生切削力周期性变化引起的振动以及因旋转工件或机床回转部分不平衡产生离心力而引起的振动。(2)自激振动。没有外界周振性激振力时所产生的振动称为自激振动。此时,激振力是由切削运动本身产生的。其特征是:切削过程停止,激振力也随之消失;自激振动的频率接近于系统的固有频率,也不会自行衰减。对于自激振动激振机理,目前存在不同的学说,比较公认的有再生原理、振型耦合原理、负摩擦原理及滞后原理。(3)机械加工振动的防治。消减振动的途径主要有3个方面:消除或减弱产生机械加工振动的条件;改善工艺系统的动态特性,提高工艺系统的稳定性;采用各种消振减振装置。减小加工表面粗糙度值的措施:在实际加工时选择低速宽刀精切和高速精切,可以得到较小的表面粗糙度值。由于被加工材料的金相组织越粗大,其切削加工后的表面粗糙度值也越大,因此在精加工之前进行调质处理以获得具有较高硬度的均匀细密的晶粒组织,能减小切削加工后的表面粗糙度值。此外,采取合理选择切削液,适当加大刀具的前角以及提高刀具的刃磨质量等措施,均能有效地减小表面粗糙度值。三、影响表面层物理力学性能的因素及其改进措施1.表面层的加工硬化1)加工硬化的产生原因及衡量指标机械加工过程中产生强烈的塑性变形,使金属的晶格扭曲、畸变,晶粒间产生滑移,晶粒被拉长,从而引起表面层金属的硬度与强度增加。这种现象称为加工硬化,亦称作冷作硬化或加工强化。表面层金属加工硬化后会增大金属变形的阻力,减小其塑性,金属的物理性质(如密度、导电性、导热性等)也有所变化。金属加工硬化的结果,使金属处于高能位不稳定状态,只要一有条件,金属的冷硬结构就本能地向较稳定的结构转化。受机械加工过程中产生的切削热的影响,金属在塑性变形中产生的冷硬现象将得到恢复,从而使金属失去加工硬化中所得到的物理力学性能,称为软化。金属同时受切削力因素和热因素作用,故机械加工后表面层金属的最后性质取决于硬化速度与软化速度的比率。评定加工硬化的指标有下列3项。三、影响表面层物理力学性能的因素及其改进措施1.表面层的加工硬化2)影响加工硬化的因素(1)切削力越大,塑性变形越大,硬化程