兰交大机械制造技术课件05机械加工质量及其控制

第五章机械加工质量及其控制

保证机械产品质量是机械制造人员的首要任务。产品的制造质量包括零件的制造质量和产品的装配质量两个方面。零件的制造质量将直接影响产品的性能、效率、寿命及可靠性等质量指标，它是保证产品制造质量的基础。零件的机械加工质量，它包括机械加工精度和表面质量两个方面。第一节

机械加工精度概述第二节影响机械加工精度的因素第三节加工误差的统计分析第四节机械加工表面质量第五节机械加工过程中的振动返回第一节机械加工精度概述一、加工精度与加工误差

加工精度：是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和相互位置）与理想几何参数的接近程度；实际值愈接近理想值，加工精度就愈高。零件的加工精度包含尺寸精度形状精度和位置精度等三方面的内容。零件加工精度①.尺寸精度②.形状精度③.位置精度

①.尺寸精度：机械加工后零件的直径、长度和表面间距离等尺寸的实际值与理想值的接近程度

②.形状精度：机械加工后零件几何图形的实际形状与理想形状的接近程度

③.位置精度：机械加工后零件几何图形的实际位置与理想位置的接近程度

公差：加工过程中有很多因素影响加工精度。实际加工不可能把零件做得与理想零件完全一致，总会产生大小不同的偏差。从保证产品的使用性能分析，也没有必要把每个零件都加工得绝对精确,而只要求它在某一规定的范围内变动，这个允许变动的范围，就是公差。

制造者的任务就是要使加工误差小于图样上规定的公差。加工误差：零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和相互位置）对理想几何参数的偏离量称为加工误差。

保证和提高加工精度的问题，实际上就是控制和减少加工误差的问题。二、加工经济精度加工过程中有很多因素影响零件的加工精度，即使是同一种加工方法在不同的工作条件下所能达到的加工精度也是不相同的。加工经济精度：是指在正常生产条件下（采用符合质量标准的设备。工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间）所能保证的加工精度。

每一种加工方法的加工经济精度并不是固定不变的，它将随着工艺技术的发展，设备及工艺装备的改进，以及生产管理水平的不断提高而逐渐提高。返回第二节影响机械加工精度的因素

机械加工系统（简称工艺系统）的组成：机床、夹具、刀具和工件。

影响加工精度的主要因素有：

l）工艺系统的几何误差，包括机床、夹具和刀具等的制造误差及其磨损。

2）工件装夹误差。

3）工艺系统受力变形引起的加工误差。

4）工艺系统受热变形引起的加工误差。

5）工件内应力重新分布引起的变形。

6）其他误差，包括原理误差、测量误差、调整误差等。一、工艺系统的几何误差（一）机床的几何误差加工中，刀具相对于工件的成形运动，通常都是通过机床完成的。工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。

机床制造误差中对工件加工精度影响较大的误差有：主轴回转误差、导轨误差和传动误差。

1．主轴回转误差

机床主轴是用来装夹工件或刀具，并将运动和动力传给工件或刀具的重要零件，主轴回转误差将直接影响被加工工件的形状精度和位置精度。主轴回转误差：是指主轴实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。

主轴回转误差分解为径向圆跳动、轴向圆跳动和角度摆动三种不同形式的误差。

（1）径向圆跳动：图4-2a）是主轴回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量。车外圆时它使加工面产生圆度和圆柱度误差。产生径向圆跳动误差的主要原因有：主轴支承轴颈的圆度误差、轴承工作表面的圆度误差等。图4-3

（2）轴向圆跳动：图4-2b）是主轴回转轴线沿平均回转轴线方向的变动量。车端面时它使工件端面产生垂直度、平面度误差。产生轴向国跳动的原因是主轴轴肩端面和推力轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。

（3）角度摆动：图4-2c）主轴回转轴线相对平均回转轴线成一倾斜角度的运动。车削时，它使加工表面产生圆柱度误差和端面的形状误差。提高主轴及箱体轴承孔的制造精度，选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。2．导轨误差导轨是机床中确定各主要部件相对位置关系的基准。（1）导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响

导轨在水平面内有直线度误差Δy时，在导轨全长上刀具相对于工件的正确位置将产生Δy的偏移量，使工件半径产生ΔR=Δy的误差。导轨在水平面内的直线度误差将直接反映在被加工工件表面的法线方向（误差敏感方向）上，对加工精度的影响最大。

（2）导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度的影响

导轨在垂直平面内有直线度误差Δz时，也会使车刀在水平面内发生位移，使工件半径产生误差ΔR。与Δz值相比，ΔR属微小量，由此可知，导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度影响很小，一般可忽略不计。（3）导轨间的平行度误差对加工精度的影响

当前后导轨在垂直平面内有平行度误差（扭曲误差）时，刀架将产生摆动，刀架沿床身导轨作纵向进给运动时，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生圆柱度误差。导轨间在垂直方向有平行度误差时，将使工件与刀具的正确位置在误差敏感方向产生偏移量，使工件半径产生ΔR=Δy的误差，对加工精度影响较大。

除了导轨本身的制造误差之外，导轨磨损是造成机床精度下降的主要原因。选用合理的导轨形状和导轨组合形式，采用耐磨合金铸铁导轨、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨以及对导轨进行表面淬火处理等措施均可提高导轨的耐磨性。图4-7滚齿机传动系统图３．传动链误差

传动链误差：是指传动链始末两端传动元件相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。机床传动链误差是影响表面加工精度的主要原因之一。提高传动元件的制造精度和装配精度，减少传动件数，均可减小传动链误差。图

（二）刀具的几何误差

刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。采用定尺寸刀具（例如钻头、铰刀、键槽铣刀、圆拉刀等）加工时，刀具的尺寸误差和磨损将直接影响工件尺寸精度。采用成形刀具（例如成形车刀、成形铣刀、齿轮模数铣刀、成形砂轮等）加工时，刀具的形状误差和磨损将直接影响工件的形状精度。对于一般刀具（例如车刀、健刀、铣刀等），其制造误差对工件加工精度无直接影响。

刀具的尺寸磨损量NB是在被加工表面的法线方向上测量的。刀具的尺寸磨损NB与切削路程l的关系如图4－8所示。新刃磨刀具切削初期，刀具磨损较剧烈，这段时间的刀具磨损量称为初期磨损量NB；进入正常磨损阶段后，磨损量与切削路程成正比，其斜率称为相对磨损，相对磨损表示每切削1000m路程刀具的尺寸磨损量；当切削路程时，磨损急剧增加，这时应停止切削。图

刀具的尺寸磨损量可用下式计算

选用新型耐磨刀具材料，合理选用刀具几何参数和切削用量，正确刃磨刀具，正确采用冷却润滑液等，均可减少刀具的尺寸磨损。必要时，还可采用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿。

（三）夹具的几何误差

夹具的作用是使工件相对于刀具和机床占有正确的位置，夹具的几何误差对工件的加工精度（特别是位置精度）有很大影响。在图4－9所示钻床夹具中，影响工件孔轴线a与底面B间尺寸L和平行度的因素有：钻套轴线与夹具定位元件支承平面C间的距离和平行度误差；夹具定位元件支承平面C与夹具体底面d的垂直度误差；钻套孔的直径误差等。图

在设计夹具时，对夹具上直接影响工件加工精度的有关尺寸的制造公差一般取为工件上相应尺寸公差的1／2－1／5。夹具元件磨损将使夹具的误差增大。为保证工件加工精度，夹具中的定位元件、导向元件、对刀元件等关键易损元件均需选用高性能耐磨材料制造。

二、装夹误差

装夹误差包括：定位误差、夹紧误差。

（一）定位误差定位误差：因定位不正确而引起的误差。

定位误差的产生：是由于定位基准与工序基准不重合以及定位面和定位元件制造不准确而引起。图

定位误差的组成：由基准不重合误差和定位副（含工件定位基面和定位元件）制造不准确误差两部分组成。定位误差值为上述两项误差在工序尺寸方向上的代数和：由基准不重合引起的误差：

△jb=Td/2

（二）夹紧误差

工件或夹具刚度过低或夹紧力作用方向、作用点选择不当，都会使工件或夹具产生变形，造成加工误差。

例如：用三爪自定心卡盘装夹薄壁套简镗孔时，夹紧前薄壁套筒的内外圆是圆的，夹紧后工件呈三棱圆形；镗孔后，内孔呈圆形；但松开三爪卡盘后，外圆弹性恢复为圆形，所加工孔变成为三棱圆形，使镗孔孔径产生加工误差。为减少由此引起的加工误差，可在薄壁套筒外面套上一个开口薄壁过渡环，使夹紧力沿工件圆周均匀分布。三、工艺系统受力变形引起的误差

（一）工艺系统刚度

1．工艺系统刚度机械加工中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、惯性力和重力等的作用下，将产生相应变形,使工件产生加工误差。工艺系统在外力作用下产生变形的大小，不仅取决于作用力的大小，还取决于工艺系统的刚度。图

垂直作用于工件加工表面的背向力与工艺系统在该方向上的变形y的比值，称为工工艺系统刚度（N／㎜）工艺系统在某一位置受力作用产生的变形量应为工艺系统各组成环节在此位置受该力作用产生的变形量的代数和，即根据刚度定义知：，，，，将它们代入上式得

由式（4－6）知，工艺系统刚度的倒数等于系统各组成环节刚度的倒数之和。若已知各组成环节的刚度，即可由式（4－6）求得工艺系统刚度。工艺系统刚度主要取决于薄弱环节的刚度。

2．机床刚度

机床结构较为复杂，它由许多零、部件组成，其刚度值迄今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用实验方法进行测定。测得机床部件刚度、、之后，就可以通过计算求得机床刚度。由刚度定义，上式可写为机床刚度与各组成部件的刚度的关系式为:

分析上式可知，机床刚度取决于其组成部件的刚度，并主要取决于薄弱部件的刚度，提高机床刚度要从提高弱刚度部件的刚度人手。

3．机床部件刚度是一台车床刀架部件的实测度曲线图，曲线反映了三次加载、卸载过程中的变形情况。分析图4－14所示刀架刚度试验曲线可知，机床部件刚度具有以下特点；

l）变形与载荷不成线性关系，曲线上各点的实际刚度（各点斜率）是不同的，这说明机床部件的变形不纯粹是弹性变形。如图2）加载曲线和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线；两曲线所包容的面积代表加载和卸载循环中消耗的能量，它消耗于克服部件内零件间摩擦力和接触塑性变形所做的功。

3）第一次卸载后，刀架恢复不到第一次加载的起点，这说明有残余变形存在，经多次加载和卸载后，加载曲线起点才和卸载曲线终点重合，残余变形才逐渐减小到零。4）部件实测刚度远比按实体结构估算值小。一个外形尺寸很大的刀架，它的实测平均刚度值只相当于一个截面积较小的铸铁悬臂梁的刚度，其原因在于刀架外形尺寸看起来很大，但它是由许许多多零件组装而成，零件间有间隙，结合面间有接触变形，由于这些因素的影响，总的变形就大了。

（二）工艺系统刚度对加工精度的影响

1．加工过程中由于工艺系统刚度发生变化引起的误差

图例

2．由于切削力变化引起的误差加工过程中，由于毛坯加工余量和工件材质不均等因素，会引起切削力变化，使工艺系统变形发生变化。从而产生加工误差。

误差复映现象：

车削一具有锥形误差的毛坯，加工表面上必然有锥形误差；待加工表面上有什么样的误差，加工表面上必然也有同样性质的误差，这就是切削加工中的误差复映现象。图

误差复映系数：加工前后误差之比值，称为误差复映系数，它代表误差复映的程度。分析式（4－11）可知ε与成反比；这表明工艺系统刚度愈大，误差复映系数愈小，加工后复映到工件上的误差值就愈小。尺寸误差和形位误差都存在复映现象。如果我们知道某加工工序的复映系数，就可以通过测量待加工表面的误差统计值来估算加工后工件的误差统计值。

当工件表面加工精度要求高时，须经多次切削才能达到加工要求。第一次切削的复映系数；第二次切削的复映系数，…，则该加工表面总的复映系数因每个复映系数均小于1，故总的复映系数将是一个很小的数值。

（三）减小工艺系统受力变形的途径由工艺系统刚度表达式（4－4）可知，减少工艺系统变形的途径为：提高工艺系统刚度；减小切削力及其变化。

1．提高工艺系统刚度提高工艺系统刚度应从提高其各组成部分薄弱环节的刚度入手，这样才能取得事半功倍的效果。提高工艺系统刚度的主要途径是：

（1）设计机械制造装备时应切实保证关键零部件的刚度在机床和夹具中应保证支承件（如床身、立柱、横梁、夹具体等）。主轴部件和传动件有足够的刚度。

（2）提高接触刚度提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。减少组成件数，提高接触面的表面质量，均可减少接触变形，提高接触刚度。对于相配合零件，可以通过适当预紧消除间隙，增大实际接触面积。

（3）采用合理的装夹方式和加工方法提高工件的装夹刚度，应从定位和夹紧两个方面采取措施。

2．减小切削力及其变化改善毛坯制造工艺，减小加工余量，适当增大前角和后角，改善工件材料的切削性能等均可减小切削力。为控制和减小切削力的变化幅度，应尽量使一批工件的材料性能和加工余量保持均匀。

四、工艺系统受热变形引起的误差

工艺系统在热作用下产生的局部变形，会破坏刀具与工件的正确位置关系，使工件产生加工误差。热变形对加工精度影响较大，特别是在精密加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差通常会占到工件加工总误差的40％－70％。随着高精度、高效率及自动化加工技术的发展，工艺系统热变形问题日益突出。

（一）工艺系统的热源

l．切削热

切削加工过程中，消耗于切削层弹、塑性变形及刀具与工件、切屑间摩擦的能量，绝大部分转化为切削热。切削热将传入工件、刀具、切屑和周围介质，它是工艺系统中工件和刀具热变形的主要热源。

在车削加工中，传给工件的热量占总切削热的30％左右，切削速度越高，切屑带走的热量越多，传给工件的热量就越少；在铣削、刨削加工中，传给工件的热量占总切削热的比例小于30％；在钻削加工中，因为大量的切屑滞留在所加工孔中，传给工件的热量往往超过50％；磨削加工中传给工件的热量有时多达80％以上，磨削区温度可高达800～1000℃左右。

2．摩擦热和动力装置能量损耗发出的热机床运动部件（如轴承、齿轮、导轨等）为克服摩擦所做机械功转变的热量，机床动力装置（如电动机、液压马达等）工作时因能量损耗发出的热，它们是机床热变形的主要热源。

3．外部热源主要是指周围环境温度通过空气的对流以及日光、照明灯具、取暖设备等热源通过辐射传到工艺系统的热量。

外部热源的热辐射及环境温度的变化对机床热变形的影响，有时也是不可忽视的。靠近窗口的机床受到日光照射的影响，上下午的机床温升和变形就不同，而且日照通常是单向的局部的，受到照射的部分与未经照射的部分之间就有温差。

热平衡：工艺系统在工作状态下，一方面它经受各种热源的作用使温度逐渐升高，另一方面，它同时也通过各种传热方式向周围介质散发热量。当工件、刀具和机床的温度达到某一数值时，单位时间内传出和传入的热量接近相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。在热平衡状态下，工艺系统各部分的温度保持在某一相对固定的数值上，工艺系统的热变形将趋于相对稳定。

（二）工艺系统热变形对加工精度的影响

1．工件热变形对加工精度的影响机械加工过程中，使工件产生热变形的热源主要是切削热。对于精密零件，环境温度变化和日光、取暖设备等外部热源对工艺系统的局部辐射等也不容忽视。车削或磨削轴类工件外圆时，可近似看成是均匀受热的情况。工件均匀受热影响工件的尺寸精度，其变形量（mm）可按下式估算：

对于精密加工，热变形是一个不容忽视的重要问题。热变形对精密加工件的影响是很大的。磨削加工薄片类工件的平面，所示，就属于不均匀受热的情况，上、下表面间的温差将导致工件中部凸起，加工中凸起部分被切去，冷却后加工表面呈中凹形，产生形状误差。工件凸起量与工件长度上的平方成正比，且工件越薄，工件的凸起量越大。图

2．刀具热变形对加工精度的影响使刀具产生热变形的热源主要是切削热。切削热传入刀具的比例虽然不大（车削时约为5％左右），但由于刀具体积小，热容量小，所以刀具切削部分的温升仍较高。粗加工时，刀具热变形对加工精度的影响一般可以忽略不计；对于加工要求较高的零件，刀具热变形对加工精度的影响较大，将使加工表面产生尺寸误差或形状误差。

3．机床热变形对加工精度的影响使机床产生热变形的热源主要是摩擦热、传动热和外界热源传入热量。由于机床内部热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件的温升是各不相同的，机床零部件间会产生不均匀的变形，这就破坏了机床各部件原有的相互位置关系。不同类型的机床，其主要热源各不相同,热变形对加工精度的影响也不相同。

车床、铣床和钻、镗类机床的主要热源来自主轴箱。车床主轴箱的温升将使主轴升高；由于主轴前轴承的发热量大于后轴承的发热量，故主轴前端比后端高；主轴箱的热量传给床身，还会使床身和导轨向上凸起。磨床通常都有液压传动系统和高速回转的磨头，并使用大量切削液，它们都是磨床的主要热源。图图

（三）减小工艺系统热变形的途径

1．减少发热量机床内部的热源是产生机床热变形的主要热源。凡是有可能从主机分离出去的热源,如电动机、液压系统和油箱等，应尽量放在机床外部。为了减小热源发热，在相关零部件的结构设计时应采取措施改善摩擦条件。例如，选用发热较少的静压轴承或空气轴承作主轴轴承，在润滑方面也可改用低粘度的润滑油、锂基油脂或油雾润滑等。

通过控制切削用量和刀具几何参数，可减少切削热。

2．改善散热条件向切削区加注冷却润滑液，可减少切削热对工艺系统热变形的影响。有些加工中心机床采用冷冻机对冷却润滑液进行强制冷却，效果明显。

3．均衡温度场在外移热源时，还应注意考虑均衡温度场的问题。

4．改进机床结构1—主轴2—主轴箱3—套筒五、工件内应力重新分布引起的误差

（一）内应力及其对加工精度的影响

1．内应力内应力：亦称残余应力，是指在没有外力作用下或去除外力作用后残留在工件内部的应力。工件一旦有内应力产生，就会使工件材料处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位转化，转化速度或快或慢，但迟早总是要转化的，转化的速度取决于外界条件。

当带有内应力的工件受到力或热的作用而失去原有的平衡时，内应力就将重新分布以达到新的平衡，并伴随有变形发生，使工件产生加工误差。

2．内应力产生的原因

（1）热加工中产生的内应力

在铸造、锻压、焊接和热处理等加工中，由于工件壁厚不均、冷却不均或金相组织转变等原因，都会使工件产生内应力。

（2）冷校直产生的内应力一些刚度较差容易变形的轴类零件，常采用冷校直方法使之变直。

3．内应力重新分布引起的变形如果工件内部存在拉、压平衡的内应力，经过加工后，原有的内应力平衡状态受到破坏，工件就将通过变形重新建立新的应力平衡。a）铸件内应力平衡状态b）刨去一层材料时应力状态c）通过变形建立新的应力平衡d）工件的变形情况

（二）减小或消除内应力变形误差的途径

（1）合理设计零件结构在设计零件结构时，应尽量做到壁厚均匀、结构对称，以减小内应力的产生。

（2）合理安排工艺过程工件中如有内应力产生，必然会有变形发生，但迟变不如早变，应使内应力重新分布引起的变形能在进行机械加工之前或在粗加工阶段尽早完成，不让内应力变形发生在精加工阶段或精加工之后。

铸件、锻件、焊接件在进人机械加工之前，应安排退火、回火等热处理工序；对箱体、床身等重要零件，在粗加工之后尚需适当安排时效工序；工件上一些重要表面的粗、精加工工序宜分阶段安排，使工件在粗加工之后能有更多的时间通过变形使内应力重新分布，待工件充分变形之后再进行精加工，以减小内应力对加工精度的影响。六、其他误差

l．原理误差原理误差：是指由于采用了近似的成形运动、近似的刀刃形状等原因而产生的加工误差。例如，用模数铣刀铣齿，理论上要求加工不同模数、齿数的齿轮，就应该用不同模数、齿数的铣刀。生产中为了减少模数铣刀的数量，每一种模数只设计制造有限几把（例如8把、15把、26把）模数铣刀，用以加工同一模数各种不同齿数的齿轮。当所加工齿轮的齿数与所选模数铣刀刀刃所对应的齿数不同时，就会产生齿形误差。此种误差就是原理误差。

机械加工中，采用近似的成形运动或近似的刀刃形状进行加工，虽然会由此产生一定的原理误差，但却可以简化机床结构和减少刀具数，只要加工误差能够控制在允许的制造公差范围内，就可采用近似加工方法。

2．调整误差在机械加工过程中，有许多调整工作要做，例如，调整夹具在机床上的位置，调整刀具相对于工件的位置等。调整误差：由于调整不可能绝对准确，由此产生的误差，称为调整误差。引起调整误差的因素很多，例如调整时所用刻度盘、样板或样件等的制造误差，测量用的仪表、量具本身的误差等。

3．测量误差

测量误差：是工件的测量尺寸与实际尺寸的差值。加工一般精度的零件时，测量误差可占工序尺寸公差的1／5～1/10；加工精密零件时，测量误差可占工序尺寸公差的1／3左右。产生测量误差的原因主要有：量具量仪本身的制造误差及磨损，测量过程中环境温度的影响，测量者的测量读数误差，测量者施力不当引起量具量仪的变形等。七、提高加工精度的途径

1．减小和消除原始误差减小和消除原始误差是提高加工精度的主要途径。

这表明，采用图b所示刀架安装形式转移误差，可以显著降低转塔刀架的转位误差对加工精度的影响。图4-29立轴转塔车床刀架转位误差的转移

2．转移原始误差

3．均分原始误差加工中如果有因上一道工序的加工误差过大，由于误差复映等原因，使得本工序不能保证工序加工要求时，可以采用误差分组的办法，将上工序加工的工件按实测尺寸分为n组，使每组工件的误差分散范围缩小为原来的1／n，然后按组调整刀具与工件的相对位置，就可以显著减小上工序加工误差对本工序加工精度的影响。

例如：在精加工齿轮齿圈时，为保证加工后齿圈与内孔的同轴度要求，应尽量减小齿轮内孔与心轴的配合间隙；为此可将齿轮内孔尺寸分为n组，然后配置相应的n根不同直径的心轴，一根心轴相应加工一组孔径的齿轮，这样做，可显著提高齿圈与内空的同轴度。

4．误差补偿误差补偿技术在机械制造中的应用十分广泛。图4－30是车精密丝杠时所用的一套螺距误差补偿装置。车床主轴每转一转，光电码盘发出1024或2048个脉冲；光栅式位移传感器测量刀架纵向位移量信号经A／D转换同步输人计算机，经数据处理实时求取螺距误差数据后，再由计算机发出螺距误差补偿控制信号，驱动if电陶瓷微位移刀架（它装在溜板刀架上）作螺距误差补偿运动。图

实测结果表明，采取误差补偿措施后，单个螺距误差可减少89％，累积螺距误差可减少99％，误差补偿效果显著。返回第三节加工误差的统计分析一、概述

在实际生产中，影响加工精度的因素很多，工件的加工误差是多因素综合作用的结果，且其中不少因素的作用往往带有随机性。对于一个受多个随机因素综合作用的工艺系统，只有用概率统计的方法分析加工误差，才能得到符合实际的结果。

加工误差的统计分析方法，不仅可以客观评定工艺过程的加工精度，评定工序能力系数，而且还可以用来预测和控制工艺过程的精度。

（一）系统性误差与随机性误差

加工误差的分类：按照加工误差的性质，加工误差可分为系统性误差和随机性误差。

1．系统性误差

系统性误差的分类：分为常值性系统误差和变值性系统误差两种。常值性系统误差：在顺序加工一批工件时,加工误差的大小和方向皆不变，此误差称为常值性系统误差；例如原理误差，定尺寸刀具的制造误差等。变值性系统误差：在顺序加工一批工件时，按一定规律变化的加工误差，称为变值性系统误差；例如，当刀具处于正常磨损阶段车外圆时，由于车刀尺寸磨损所引起的误差。

常值性系统误差与加工顺序无关,变值性系统误差与加工顺序有关。对于常值性系统误差，若能掌握其大小和方向，可以通过调整消除；对于变值性系统误差，若能掌握其大小和方向随时间变化的规律，也可通过采取自动补偿措施加以消除。2．随机性误差

随机性误差：在顺序加工一批工件时，加工误差的大小和方向都是随机变化的，这些误差称为随机性误差。例如，由于加工余量不均匀、材料硬度不均匀等原因引起的加工误差，工件的装夹误差、测量误差和由于内应力重新分布引起的变形误差等均属随机性误差。可以通过分析随机性误差的统计规律，对工艺过程进行控制。

（二）机械制造中常见的误差分布规律

1．正态分布如图4-31a）在机械加工中，若同时满足以下三个条件，工件的加工误差就服从正态分布。

l）无变值性系统误差（或有但不显著）。

2）各随机误差之间是相互独立的。

3）在随机误差中没有一个是起主导作用的误差因素。

2．平顶分布如图4-31b）在影响机械加工的诸多误差因素中，如果刀具尺寸磨损的影响显著，变值性系统误差占主导地位时，工件的尺寸误差将呈现平顶分布。平顶分布曲线可以看成是随着时间而平移的众多正态分布曲线组合的结果。

3．双峰分布如图4-31c）若将两台机床所加工的同一种工件混在一起，由于两台机床的调整尺寸不尽相同，两台机床的精度状态也有差异，工件的尺寸误差呈双峰分布。

4．偏态分布如图4-31d）采用试切法车削工件外圆或螳内孔时，为避免产生不可修复的废品，操作者主观上有使轴径加工得宁大勿小、使孔径加工得宁小勿大的意向,按照这种加工方式加工得到的一批零件的加工误差呈偏态分布。返回第四节机械加工表面质量

机器零件的破坏，一般都是从表面层开始的，这说明零件的表面质量至关重要，它对产品质量有很大影响。研究表面质量的目的，就是要掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，以便应用这些规律控制加工过程，最终达到提高表面质量、提高产品使用性能的目的。一、加工表面质量的概念

加工表面质量包含以下两个方面的内容：

1．表面粗糙度与波度根据加工表面轮廓的特征（波距L与波高H的比值），可将表面轮廓分为以下三种：

L／H＞1000：称为宏观几何形状误差，例如圆度误差、圆柱度误差等，它们属于加工精度范畴；

L／H＝50～1000，称为波纹度，它是由机械加工振动引起的；如图L／H＜50，称为微观几何形状误差，亦称表面粗糙度。

2．表面层材料的物理力学性能和化学性能表面层材料的物理力学性能，包括表面层的冷作硬化、残余应力以及金相组织的变化。

（1）表面层的冷作硬化冷作硬化：机械加工过程中表面层金属产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，塑性减小，统称为冷作硬化。

（2）表面层残余应力

表面层残余应力：机械加工过程中由于切削变形和切削热等因素的作用在工件表面层材料中产生的内应力，称为表面层残余应力。

在铸、锻、焊、热处理等加工过程产生的内应力与这里介绍的表面残余应力的区别在于前者是在整个工件上平衡的应力，它的重新分布会引起工件的变形；后者则是在加工表面材料中平衡的应力，它的重新分布不会引起工件变形，但它对机器零件表面质量有重要影响。

（3）表面层金相组织变化机械加工过程中，在工件的加工区域，温度会急剧升高，当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。例如磨削淬火钢件时，常会出现回火烧伤、退火烧伤等金相组织变化，将严重影响零件的使用件能。二、机械加工表面质量对机器使用性能的影响

1．表面质量对耐磨性的影响零件的耐磨性不仅与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关，而且还与摩擦副表面质量有关。

（1）表面粗糙度对耐磨性的影响表面粗糙度值大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰间相互咬合、挤裂，使磨损加剧，表面粗糙度值越大越不耐磨；但表面粗糙度值也不能太小，表面太光滑，因存不住润滑油使接触面间容易发生分子粘接，也会导致磨损加剧。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工况有关，载荷加大时，磨损曲线向上向右位移，最佳粗糙度值也随之右移。

（2）表面冷作硬化对耐磨性的影响机械加工后的表面，由于冷作硬化使表面层金属的显微硬度提高，可降低磨损。加工表面的冷作硬化，一般能提高耐磨性；但是过度的冷作硬化将使加工表面金属组织变得“疏松”，严重时甚至出现裂纹，使磨损加剧。

（3）表面纹理对耐磨性的影响在轻载运动副中，两相对运动零件表面的刀纹方向均与运动方向相同时，耐磨性好；两者的刀纹方向均与运动方向垂直时，耐磨性差，这是因为两个摩擦面在相互运动中，切去了妨碍运动的加工痕迹。但在重载时，两相对运动零件表面的刀绞方向均与相对运动方向一致时容易发生咬合，磨损量反而大；两相对运动零件表面的刀纹方向相互垂直，且运动方向平行于下表面的刀绞方向，磨损量较小。

2．表面质量对零件疲劳强度的影响

表面粗糙度对零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易产生应力集中，出现疲劳裂纹，加速疲劳破坏。零件上容易产生应力集中的沟槽、圆角等处的表面粗糙度，对疲劳强度的影响更大。

减小零件的表面粗糙度，可以提高零件的疲劳强度。零件表面存在一定的冷作硬化，可以阻碍表面疲劳裂纹的产生，缓和已有裂纹的扩展，有利于提高疲劳强度；但冷作硬化强度过高时，可能会产生较大的脆性裂纹反而降低疲劳强度。加工表面层如有一层残余压应力产生，可以提高疲劳强度。

3．表面质量对抗腐蚀性能的影响大气中所含的气体和液体与零件接触时会凝聚在零件表面上使表面腐蚀。零件表面粗糙度越大，加工表面与气体、液体接触面积越大，腐蚀作用就越强烈。加工表面的冷作硬化和残余应力，使表层材料处于高能位状态，有促进腐蚀的作用。减小表面粗糙度，控制表面的加工硬化和残余应力，可以提高零件的抗腐蚀性能。

4．表面质量对零件配合性质的影响对于间隙配合，零件表面越粗糙，磨损越大，使配合间隙增大，降低配合精度；对于过盈配合，两零件粗糙表面相配时凸峰被挤平，使有效过盈量减小，将降低过盈配合的连接强度。三、加工表面的表面粗糙度

切削加工的表面粗糙度值主要取决于切削残留面积的高度。对于刀尖圆弧半径的刀具，工件表面残留面积的高度如图4-42a）如图

对于刀尖圆弧半径的刀具，工件表面残留面积的高度如图4-42b）减小f、、及增大，均可减小残留面积的高度H值。

切削加工表面粗糙度的实际轮廓形状，一般都与纯几何因素形成的理论轮廓有较大的差别，这是由于切削加工中有塑性变形发生的缘故。加工塑性材料时，切削速度对加工表面粗糙度的影响如图4－43所示。在图示某一切削速度范围内，容易生成积屑瘤，使表面粗糙度增大。加工脆性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响不大。图

加工相同材料的工件，晶粒越粗大，切削加工后的表面粗糙度值越大。为减小切削加工后的表面粗糙度值，常在加工前或精加工前对工件进行正火、调质等热处理，目的在于得到均匀细密的晶粒组织，并适当提高材料的硬度。

适当增大刀具的前角，可以降低被切削材料的塑性变形；降低刀具前刀面和后刀面的表面粗糙度可以抑制积屑瘤的生成；增大刀具后角，可以减少刀具和工件的摩擦；合理选择冷却润滑液，可以减少材料的变形和摩擦，降低切削区的温度；采取上述各项措施均有利于减小加工表面的粗糙度。

磨削加工表面粗糙度的形成也是由几何因素和表面层材料的塑性变形决定的。表面粗糙度的高度和形状是由起主要作用的某一类因素或是某一个别因素决定的。例如，当所选取的磨削用量不至于在加工表面上产生显著的热现象和塑性变形时，几何因素就可能占优势，对表面粗糙度高度起决定性影响的可能是砂轮的粒度和砂轮的修正用量；与此相反，如果磨削区的塑性变形相当显著时，砂轮粒度等几何因素就不起主要作用，磨削用量可能是影响磨削表面粗糙度的主要因素。四、加工表面的物理力学性能

（一）表面层材料的冷作硬化

1．冷作硬化及其评定参数冷作硬化：切削过程中产生的塑性变形，会使表层金属的晶格发生扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，甚至破碎，这些都会使表层金属的硬度和强度提高，这种现象称作冷作硬化，亦称强化。

冷作硬化的程度取决于塑性变形的程度。

弱化：被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态，只要一有可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化。弱化作用的大小取决于温度的高低、热作用时间的长短和表层金属的强化程度。由于在加工过程中表层金属同时受到变形和热的作用，加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。

评定冷作硬化的指标是：表层金属的显微硬度HV，硬化层深度h和硬化程度N，N＝［（HV－HV。）／HV。］×100％，式中HV。为工件内部金属的显微硬度。

2．影响冷作硬化的因素

（1）刀具的影响切削刃钝圆半径越大，已加工表面在形成过程中受挤压程度越大，加工硬化也越大；当刀具后刀面的磨损量增大时，后刀面与已加工表面的摩擦随之增大，冷作硬化程度也增加；减小刀具的前角，加工表面层塑性变形增加，切削力增大，冷作硬化程度和深度都将增加。

（2）切削用量的影响切削速度增大时，刀具对工件的作用时间缩短，塑性变形不充分，随着切削速度的增大和切削温度的升高，冷作硬化程度将会减小。背吃刀量和进给量f增大，塑性变形加剧，冷作硬化加强。

（3）加工材料的影响被加工工件材料的硬度愈低、塑性越大时，冷硬现象愈严重。有色金属的再结晶温度低，容易弱化，因此，切削有色合金工件时的冷硬倾向程度要比切削钢件时小。

（二）表面层材料金相组织变化加工表面温度超过相变温度时，表层金属的金相组织将会发生相变。切削加工时，切削热大部分被切屑带走，因此影响较小，多数情况下，表层金属的金相组织没有质的变化。磨削加工时，切除单位体积材料所需消耗的能量远大于切削加工，磨削加工所消耗的能量绝大部分要转化为热，磨削热传给工件，使加工表面层金属金相组织发生变化。

磨削淬火钢时，会产生三种不同类型的烧伤：

①回火烧伤：如果磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变临界温度（碳钢的相变温度为723℃），这时工件表层金属的金相组织，由原来的马氏体转变为硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体），这种烧伤称为回火烧伤。

②淬火烧伤：如果磨削区温度超过了相变温度，在切削液急冷作用下，使表层金属发生二次淬火，硬度高于原来的回火马氏体，里层金属则由于冷却速度慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织，这种烧伤称为淬火烧伤。

③退火烧伤：若工件表层温度超过相变温度，而磨削区又没有冷却液进入，表层金属产生退火组织，硬度急剧下降，称之为退火烧伤。

磨削烧伤严重影响零件的使用性能，必须采取措施加以控制。

控制磨削烧伤有两个途径：一是尽可能减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量减少传人工件的热量。采用硬度稍软的砂轮，适当减小磨削深度和磨削速度，适当增加工件的回转速度和轴向进给量，采用高效冷却方式（如高压大流量冷却、喷雾冷却、内冷却）等措施，都可以降低磨削区温度，防止磨削烧伤。

（三）表面层残余应力

1．加工表面产生残余应力的原因

（1）表层材料比容增大切削过程中加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压与摩擦，产生塑性变形，由于晶粒碎化等原因，表层材料比容增大。由于塑性变形只在表面层产生，表面层金属比容增大，体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层基体材料的阻碍，故表层材料产生残余压应力，里层材料则产生与之相平衡的残余拉应力。

（2）切削热的影响切削加工中，切削区会有大量的切削热产生，工件表面的温度往往很高。（3）金相组织的变化切削时的高温会使表面层的金相组织发生变化。

不同的金相组织有不同的密度，亦即具有不同的比容。表面层金属金相组织变化引起的体积变化，必然受到与之相连的基体金属的阻碍，因此就有残余应力产生。当表面层金属体积膨胀时，表层金属产生残余压应力，里层金属产生残余拉应力；当表面层金属体积缩小时，表层金属产生残余拉应力，里层金属产生残余压应力。

2．零件主要工作表面最终加工工序加工方法的选择工件加工最终工序加工方法的选择至关重要，因为最终工序在被加工工件表面上留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。工件加工最终工序加工方法的选择与机器零件的失效形式密切相关。机器零件失效主要有以下三种不同的形式：

（1）疲劳破坏在交变载荷的作用下，机器零件表面开始出现微观裂纹，之后在拉应力的作用下使裂纹逐渐扩大，最终导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏能力的角度考虑，最终工序应选择能在加工表面（尤其是应力集中区）产生压缩残余应力的加工方法。

（2）滑动磨损两个零件作相对滑动，滑动面将逐渐磨损。滑动磨损的机理十分复杂，它既有滑动摩擦的机械作用，又有物理化学方面的综合作用（例如粘接磨损，扩散磨损，化学磨损）。（3）滚动磨损两个零件作相对滚动，滚动面会渐渐磨损。滚动磨损主要来自滚动摩擦的机械作用，也有来自粘接、扩散等物理、化学方面的综合作用。返回第五节机械加工过程中的振动

机械加工过程中产生的振动，是一种十分有害的现象，这是因为：

1）刀具相对于工件振动会使加工表面产生波纹，这将严重影响零件的使用性能。

2）刀具相对于工件振动，切削截面、切削角度等将随之发生周期性变化，工艺系统将承受动态载荷的作用，刀具易于磨损（有时甚至崩刃），机床的连接特性会受到破坏，严重时甚至使切削加工无法进行。

3）为了避免发生振动或减小振动，有时不得不降低切削用量，致使机床、刀具的工作性能得不到充分发挥，限制了生产效率的提高。综上分析可知，机械加工中的振动对于加工质量和生产效率都有很大影响，须采取措施控制振动。一、机械加工过程中的强迫振动强迫振动：机械加工过程中的强迫振动是指在外界周期性于扰力的持续作用下，振动系统受迫产生的振动。机械加工过程中的强迫振动与一般机械振动中的强迫振动没有本质上的区别。机械加工过