《机械制造工艺与装备（第四版）》-课件 第九章 切削加工质量

§9-3加工误差的综合分析31§9-1基本概念2§9-2影响加工精度的因素及提高加工质量的措施§9-4影响表面粗糙度的因素及改善表面质量的措施4加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数的符合程度。加工误差是指加工后零件的实际几何参数(尺寸、表面形状和表面相互位置)与理想几何参数的偏离程度。工件和刀具分别安装在夹具和机床上，并受到夹具和机床的约束，由机床、夹具、刀具和工件组成的系统称为工艺系统。工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。二、产生加工误差的因素一、加工精度与加工误差§9-1基本概念若原始误差在加工前已经存在，即在非工作状态下检验出的误差，称为工艺系统静态误差，如机床和夹具的制造误差、刀具的尺寸误差、毛坯尺寸误差等都属于静态误差；若原始误差是在工作状态下产生的，则称为工艺系统动态误差。研究加工精度时，通常按照工艺系统误差的性质将其归纳为四个方面：1.工艺系统的几何误差。2.工艺系统受力变形所引起的误差。3.工艺系统热变形所引起的误差。4.工件内应力变化所引起的误差。上述各种因素在机械加工过程中将对加工精度产生综合性作用。加工条件不同，误差构成也不同，不是在任何加工中所有误差因素都会同时出现。（3）纹理方向:纹理方向是指表面刀纹的方向，它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。1.加工表面的几何形状误差（1）表面粗糙度:表面粗糙度是加工表面的微观几何形状误差，其波长与波高比值一般小于50。（2）波纹度:加工表面不平度中波长与波高的比值等于50～1000的几何形状误差称为波纹度，它是由机械加工中的振动引起的。（4）伤痕:伤痕是加工表面上一些个别位置处出现的缺陷，如砂眼、气孔、裂痕等。三、表面质量（3）加工表面的残余应力:在机械加工中，当表面层金属发生形状、体积或金相组织变化时，将在表面层金属与基体间产生残余应力。形成残余应力的原因主要有以下三个方面：1）冷态塑性变形引起残余应力。2）热态塑性变形引起残余应力。3）金相组织变化引起残余应力。2.表面层金属的力学性能、物理性能和化学性能（1）表面冷作硬化：在加工过程中，工件表层材料在切削力的作用下产生塑性变形，使晶粒间产生剪切滑移，晶格扭曲，并使晶粒拉长、破碎，从而使加工表面层材料的强度和硬度提高，塑性下降，这种现象称为冷作硬化。（2）表面层金相组织变化：在机械加工中会产生很高的切削热，直接影响着工件表面层材料的金相组织。§9-2影响加工精度的因素及提高加工质量的措施（1）近似的刀具轮廓1.加工原理误差（理论误差）（2）近似的成形运动轨迹（3）近似传动比的成形运动一、工艺系统的几何误差（1）机床误差1）导轨导向误差。导轨导向精度是指机床导轨副的运动件实际运动方向与理想运动方向的符合程度，这两者之间的偏差称为导轨误差。①在水平面内的直线度Δy（弯曲）。②在垂直面内的直线度Δz（弯曲）。③前后导轨的平行度δ（扭曲）。2.机床、刀具、夹具的制造误差及工件的定位误差刨床的误差敏感方向为垂直方向。因此，其床身导轨在垂直平面内的直线度误差对加工表面产生影响较大，它引起加工表面的直线度及平面度误差，如图9-7所示。镗床误差敏感方向是随主轴回转而变化的，故导轨在水平面及垂直面内的直线度误差均直接影响加工精度。在普通镗床上镗孔时，工作台进给、导轨不直或扭曲，都会引起所加工孔的轴线不直；当导轨与主轴回转轴线不平行时，则镗出的孔呈椭圆形；若导轨与主轴轴线的夹角为α，则椭圆短轴和长轴之比为a/b=cosα，如图9-8所示。2）主轴回转误差。它的回转精度是机床精度的一项重要指标，主要影响零件加工表面的形状精度、位置精度和表面粗糙度。主轴回转误差可分为轴向窜动、径向圆跳动和角度摆动三种基本形式。主轴回转误差主要由主轴的制造误差、轴承的误差与轴承配合件的误差，以及配合间隙、主轴系统的径向刚度和热变形等组成。对于不同的加工方法，不同形式的主轴回转误差所造成的加工误差通常是不相同的。表9-1仅列出主轴回转误差的基本形式对车削加工和镗削加工的影响。3）传动链误差。是由于传动链中的传动元件存在制造误差和装配误差引起的。使用过程中的磨损也会产生传动链误差。（2）刀具、夹具误差及工件的定位误差1）刀具误差。定尺寸刀具（如麻花钻、铰刀、拉刀、键槽铣刀等）的尺寸和形状误差与磨损会直接影响工件的尺寸及形状精度；刀具的安装和使用不当，产生跳动，也将影响加工精度。成形刀具（如成形车刀、成形铣刀等）的制造和磨损误差主要影响工件的形状精度。2）夹具误差。夹具误差主要是指定位元件、导向元件、对刀装置、分度机构及夹具体等零件的制造、装配误差。3）工件的定位误差。定位误差是指由于定位不正确所引起的误差，也属于一种几何误差。1.工艺系统的刚度作用力F（静载）与由它所引起的在作用力方向上产生的变形量y的比值称为物体的静刚度k，简称刚度。如图9-10a所示，车削长轴时，由于轴的变形，车完的轴会出现中间粗、两头细的形状误差。在内圆磨床上以切入式磨孔时，由于内圆磨头轴的弹性变形，内孔会出现锥度误差，如图9-10b所示。二、工艺系统受力变形所引起的加工误差（2）在工艺系统刚度低的场合下（如镗孔时镗杆较细、车削时工件较细长以及磨孔时磨杆较细等），则误差复映的现象比较明显，有时需要以实际反映的复映系数着手分析提高加工精度的途径。（3）在大批量生产中，都是采用定尺寸调整法加工的。当毛坯尺寸大小有误差时，会使加工余量发生变化，由于误差复映的结果，也就造成了一批工件的“尺寸分散”。（1）各种毛坯形状误差，不论是圆度、圆柱度、同轴度等都会以一定的复映系数复映成工件的加工误差。2.误差复映3.其他力引起的加工误差（1）夹紧力引起的加工误差（3）惯性力引起的加工误差（2）重力引起的加工误差1.机床的热变形及其对加工精度的影响如图9-16所示为车床在工作状态下的热变形。三、工艺系统热变形引起的加工误差2.工件热变形及其对加工精度的影响（1）工件受热均匀（2）工件受热不均匀磨削长L、厚H

的薄板时，工件单面受热，上下表面之间形成温差Δt，从而导致弯曲变形，如图9-18所示。加工过程中工件会向上凸出，测量虽然合格，但冷却后会产生下凹面而造成超差。3.刀具的热变形及其对加工精度的影响A曲线表示车刀在连续工作状态下的热伸长曲线，开始切削时温升较快，伸长较大，以后温升逐渐平缓而达到热平衡状态。B曲线表示间断切削时车刀温度忽升忽降所形成的变形过程。间断切削车刀总的热变形比连续切削小一些，最后趋于δ

范围内变动。C

曲线表示切削停止后刀具冷却的变形过程。（1）毛坯制造中产生的内应力（热应力）1.残余应力的种类四、工件残余应力引起的加工误差（2）冷校直带来的内应力（塑变应力）（3）切削加工的附加拉力（切削应力）切削加工对应力的影响有两部分：一是由于切除一层金属，破坏了零件原有的内应力平衡，使内应力重新分布和再平衡；二是切削时，局部表面层在高温、高压下，由于不均匀的塑性变形而产生的应力。2.减少或消除残余应力的措施（1）合理设计零件结构（2）对工件进行热处理和时效处理1）高温时效2）低温时效（3）合理安排工艺过程（1）合理采用先进工艺与设备1.误差预防（2）直接减小误差法（3）转移原始误差法：转移原始误差法是指创造一定条件，把工艺系统的原始误差转移到误差的非敏感方向或其他不影响加工精度的方向上的加工方法。五、提高加工精度的工艺措施（4）误差分组法：误差分组法就是把毛坯或上道工序的尺寸按误差大小分为n

组，这样每组毛坯的误差就缩小为原来的1/n，然后按组分别调整刀具与工件的相对位置或选用合适的定位元件，从而大大缩小整批工件的尺寸分散范围。（5）误差平均法：误差平均法就是利用有密切联系的表面之间的相互比较、相互修整，或者互为基准进行加工，就能让这些局部较大的误差比较均匀地影响整个加工表面，使传递到工件表面的加工误差较为均匀，因而工件的加工精度也就大大提高。（6）就地加工法：“自磨自”或“自车自”（1）主动测量2.误差补偿（3）积极控制起决定作用的加工条件（2）偶件配合加工1.系统性误差当顺序加工一批零件时，产生误差的大小和方向若保持不变称为常值系统性误差；若按一定的规律变化则称为变值系统性误差。加工原理误差，机床、刀具、夹具、量具的制造误差和调整误差等都是常值系统性误差。2.随机性误差（又称偶然性误差）在加工一批零件时，产生误差的大小和方向是无规律地变化的，是由于各种彼此之间没有任何依赖关系的随机因素共同作用而产生的。因此，随机性误差出现的时机和大小事先是不确定的。一、加工误差的分类§9-3加工误差的综合分析成批加工某种零件，抽取其中一定数量进行测量，抽取的这批零件称为样本，其件数n称为样本容量。以工件尺寸（或误差）为横坐标，以频数或频率为纵坐标，就可作出该批工件加工尺寸（或误差）的实验分布图，即直方图。二、实验分布图分析组数k

一般应根据样本容量来选择，见表9-2。（3）查实测数据表9-3中符合某组界偏差值零件的数量，确定频数mi，记录各组数据，整理成频数分布表，见表9-4。（4）根据表9-4所列数据画出直方图，如图9-26所示。（5）在直方图上作出最大极限尺寸Amax=60.06mm及最小极限尺寸Amin=60.01mm的标志线，并计算x

均和S。由样本的平均值公式可得，x

均

=37.00μm。由标准差公式可得，S=9.06μm。零件工作表面的耐磨性不仅与摩擦副的材料和润滑情况有关，而且还与两个相互运动零件的表面质量有关。1.表面粗糙度对零件耐磨性的影响一、表面粗糙度对零件使用性能的影响§9-4影响表面粗糙度的因素及改善表面粗糙度的措施表面粗糙度值越大，疲劳强度越低；越是优质钢材，晶粒越细小，组织越致密，则表面粗糙度对疲劳强度的影响越大。2.表面粗糙度对零件疲劳强度的影响3.表面粗糙度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Ra。表面粗糙度值越大，凹谷越深，越容易积聚腐蚀性物质，渗透与腐蚀作用越强烈。4.表面粗糙度对零件配合性质的影响无论是间隙配合、过渡配合还是过盈配合，若表面粗糙度值过大，则必然影响它们的实际配合性质。1.切削加工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。影响切削残留面积高度的因素主要包括刀尖圆弧半径、主偏角、副偏角及进给量等。二、影响表面粗糙度的主要因素及改善措施

图9-30描述了加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响。在实际切削时，选择低速宽刀精切和高速精切，往往可以得到较高的表面质量。（1）几何因素的影响1）磨削用量对表面粗糙度的影响。2）砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响。（2）表面层金属的塑性变形（物理因素的影响）1）磨削用量。2）砂轮的选择。2.磨削加工的表面粗糙度（1）改用更低或更高的切削速度，并选用较小的进给量，可以有效地抑制鳞刺和积屑瘤的生长。（2）在中、低速切削时，加大前角对抑制鳞刺和积屑瘤有良好的效果，同时，适当加大后角对减小鳞刺也有一定的效果。（3）改用润滑性能良好的切削液，如动物油、植物油、极压乳化液或在切削液中添加硫、磷、氯等的极压切削油等。（4）必要时可对工件先进行正火、调质等热处理，以提高工件的硬度，降低塑性和韧性。1.切削加工中减小表面粗糙度值的措施三、减小表面粗糙度值的措施（1）当磨削温度不太高时，可以降低工件的线速度