《机械制造技术》-第十章

10.1机械加工精度10.1.1概述

1.机械加工精度与加工误差机械加工精度是指工件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数相符合的程度。它们之间的差异称为加工误差，误差越大，加工精度越低;反之，加工精度越高。加工精度包括3个方面。

(1)尺寸精度指加工后零件的实际尺寸与设计尺寸相符合的程度。

(2)形状精度指加工后零件表面的实际几何形状与理想的几何形状相符合的程度。

(3)位置精度指加工后零件有关表面之间的实际位置与理想位置相符合的程度。

下一页返回10.1机械加工精度2.原始误差在机械加工中，机床、夹具、工件和刀具构成了一个完整的系统，称为工艺系统。由于工艺系统本身的结构和加工过程中各部分的相对位置关系偏离理想状态所产生的误差称为原始误差，它可以在加工过程中传递给工件，降低工件的精度，分为两类。

(1)与工艺系统本身初始状态有关的原始误差。①原理误差，即加工原理上存在的误差。②工艺系统几何误差，可归纳为两类。工件与刀具的相对位置在静态下存在的误差，如刀具和夹具的制造误差、调整误差及安装误差;工件与刀具的相对位置在运动状态下存在的误差，如机床的主轴回转运动误差、导轨的导向误差、传动链的传动误差等。上一页下一页返回10.1机械加工精度(2)与加工过程有关的原始误差。①工艺系统力效应引起的变形，如工艺系统受力变形、工件内应力引起的变形及振动等。②工艺系统热效应引起的变形，如机床、刀具、工件的热变形等。③刀具磨损。

3.误差的敏感方向切削加工过程中，由于各种原始误差的影响，破坏刀具和工件间的正确几何关系引起加工误差。各种原始误差的大小和方向是各不相同的，当原始误差的方向与工序尺寸方向一致时，对加工精度的影响最大。下面以外圆车削为例来进行说明。上一页下一页返回10.1机械加工精度

如图10-1所示，车削时工件的回转轴心是0，刀尖正确位置在A，某瞬时由于原始误差的影响，使刀尖位移到A‘。即为原始误差δ，它与(OA间的夹角为Φ，工件加工后的半径由R0=变为R=，故半径上(即工序尺寸方向上)的加工误差△R为

(10-1)

可以看出，当原始误差的方向恰为加工表面法线方向时(Φ=0。)，引起的加工误差△R0=δ为最大，当原始误差的方向恰为加工表面的切线方向时，引起的加工误差为最小，通常可以忽略。为了便于分析原始误差对加工精度的影响，把影响加工精度最大的方向(即通过刀刃的加工表面的法线方向)称为误差的敏感方向。上一页下一页返回10.1机械加工精度10.1.2加工原理误差加工原理误差是由于采用了近似的加工运动方式或者近似的刀具轮廓而产生的误差。

(1)采用近似的加工运动方式造成的误差。加工时，为了得到所要求的工件表面，必须在工件与刀具的相对运动之间采用完全准确的运动联系。这样，有时使机床或夹具极为复杂，制造极为困难，难以达到要求的加工精度，有时甚至不可能做到。如在车削模数螺纹时，理论上要求车床主轴与丝杠的传动比u=L/t=πm/t(t是螺距，L是导程)，由于L=πm式中有π这个无理数因子，采用任何挂轮组合只能得到近似数值，加工后的模数螺纹就存在齿距误差和齿距累积误差。上一页下一页返回10.1机械加工精度(2)采用近似的刀具轮廓所造成的误差。用成形刀具加工复杂的曲面时，要使刀具刃口做得完全符合理论曲线的轮廓，有时非常困难，往往采用圆弧、直线等简单近似的线型代替理论曲线。如用滚刀加工渐开线齿轮时，为了滚刀的制造方便，生产中多采用阿基米德蜗杆滚刀或法向直廓蜗杆滚刀来代替渐开线蜗杆滚刀，从而产生了加工原理误差。10.1.3工艺系统的制造和磨损误差工艺系统中的各组成部分，包括机床、刀具、夹具的制造误差、安装误差、使用中的磨损都直接影响工件的加工精度。这里着重分析对工件加工精度影响较大的主轴回转运动误差、机床导轨误差和传动链传动误差及刀具、夹具的制造误差及磨损等。

上一页下一页返回10.1机械加工精度1.主轴回转误差

(1)主轴回转误差的类型。主轴回转误差是指主轴的实际回转轴线与平均回转轴线相偏离的程度，其符合程度是主轴回转精度。主轴回转误差可分解为3种形式，纯轴向窜动、纯径向跳动和纯角度摆动，如图10-2所示。

(2)影响主轴回转误差的主要因素。由实践和理论分析表明，影响主轴回转误差的主要因素有主轴的误差、轴承的误差、床头箱体主轴孔的误差及与轴承配合零件的误差等。当采用滑动轴承时，影响主轴回转误差的因素有主轴颈和轴瓦内孔的圆度误差及轴颈和轴瓦内孔的配合精度。上一页下一页返回10.1机械加工精度

对于工件转动类机床(如车床)，轴瓦内孔的圆度误差对加工误差影响很小。由于切削力方向不变，回转的主轴轴颈总是与轴瓦内孔的某固定部分接触，因而轴瓦内孔的圆度误差对主轴回转误差影响几乎为零，如图10-3(a)所示。对于刀具转动类机床(如撞床)，由于切削力方向是变化的，轴瓦的内孔总是与主轴颈的某一固定部分接触，因而轴瓦内孔的圆度误差对主轴回转误差影响较大，主轴轴颈的圆度误差对主轴回转误差影响较小，如图10-3(b)所示。采用滚动轴承影响主轴回转误差的因素很多，如内圈与主轴颈的配合精度，外圈与箱体孔配合精度，内、外圈滚道的圆度误差，内圈孔与滚道的同轴度，外圈面与滚道的同轴度，以及滚动体的形状精度和尺寸精度。上一页下一页返回10.1机械加工精度

箱体的轴承孔不圆，使外圈滚道变形;主轴轴颈不圆，使内圈滚道变形，都会产生主轴回转误差。主轴前后轴颈之间、床头箱体的前后轴承孔之间的同轴度误差，会使滚动轴承内、外圈相对倾斜，主轴产生径向跳动和端面跳动。此外，主轴上的定位轴套、锁紧螺母端面的跳动等也会影响主轴回转误差。

(3)减小主轴回转误差的措施。①提高主轴、箱体的制造精度。主轴回转精度的80%取决于主轴和箱体的精度和装配质量，20%取决于轴承精度。②滚动轴承采用预紧，以消除轴承间隙。③高速主轴部件要进行动平衡，以消除激振力。④采用多油楔动压轴承(限于高速主轴)。

上一页下一页返回10.1机械加工精度⑤采用静压轴承。静压轴承是液体摩擦，摩擦系数为0.0005，具有很高的回转精度。⑥采用固定顶尖结构。例如磨床前顶尖固定，不随主轴回转，则工件圆度只和一对顶尖及工件顶尖孔的精度有关，而与主轴回转精度的关系很小。主轴回转只起传递动力带动工件转动的作用。

2.机床导轨误差机床导轨副是机床中确定各主要部件位置关系的基准，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精度。

(1)机床导轨误差的类型。①导轨在水平面内的直线度误差。上一页下一页返回10.1机械加工精度

如图10-4所示，磨床导轨在X方向上存在误差△，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△R=△。当磨削长外圆柱表面时，造成圆柱度误差。②导轨在垂直面内的直线度误差。如图10-5所示，由于磨床导轨在垂直面内存在误差△，磨削外圆时，工件沿砂轮切线方向(误差非敏感方向)产生位移h，此时工件在半径方向上产生误差△R≈Δ/(2R)，其值甚小。但导轨在垂直方向上的误差对平面磨床、龙门刨床、铣床等将引起法向方向(误差敏感方向)的位移，将直接反映到被加工工件的表面，造成工件的形状误差。③导轨在水平和垂直面内的综合误差(扭曲)。上一页下一页返回10.1机械加工精度

若车床前后导轨平行度误差使大溜板产生横向倾斜扭曲，刀具产生位移，因而引起工件形状误差，如图10-6所示。由几何关系可知，工件产生的半径误差值为△R=Δx=HΔ/B。一般车床H/B≈2/3，外圆磨床H/B≈1,因此导轨扭曲引起的加工误差不容忽视。④导轨对主轴回转轴线的位置误差。若导轨与机床主轴回转轴线不平行或不垂直，则会引起工件的几何形状误差，如车床导轨与主轴回转轴线在水平面内不平行，会使工件的外圆柱表面产生锥度。(2)机床导轨误差的影响因素。机床制造误差，包括导轨、溜板的制造误差是影响导轨误差的重要因素。上一页下一页返回10.1机械加工精度

机床安装不正确引起的导轨误差，往往远大于制造误差，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，若安装不正确或地基不牢固，都将使床身导轨产生变形。导轨磨损是造成导轨误差的另一重要原因，由于使用程度不同及受力不均，导轨沿全长上各段的磨损量不等，就引起导轨在水平面和垂直面内产生位移及倾斜。

(3)减小机床导轨误差的措施。①提高机床导轨、溜板的制造精度及安装精度。②采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨、静压导轨、导轨表面淬火等提高导轨的耐磨性。③正确安装机床和定期检修等提高导轨精度。

上一页下一页返回10.1机械加工精度3.传动链误差传动链误差是指内联系传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差。它是按展成法原理加工工件(如螺纹、齿轮、蜗轮等)时影响加工精度的主要因素。

(1)传动链误差的产生。在滚齿机上用单头滚刀加工直齿轮，要求滚刀转一圈，工件转过一个齿，这是由刀具与工件间的传动链必须严格保证的正确的传动关系。传动链中的齿轮、蜗轮、蜗杆等有制造误差(主要是影响运动精度的误差)、装配误差(主要是装配偏心)和磨损时，就会破坏正确的运动关系，这些误差的累积就是传动链误差，它使工件产生加工误差。加工螺纹、蜗轮时，情况相同。

上一页下一页返回10.1机械加工精度(2)减小传动链误差的措施。①减少传动环节，缩短传动链，以减少误差来源。②提高传动元件，特别是末端传动元件(如车床丝杠螺母副、滚齿机分度蜗杆副)的制造精度和装配精度。③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越大，则传动链中其余各传动元件误差对传动精度的影响就越小。如齿轮加工机床，分度蜗轮的齿数一般比被加工齿轮的齿数多，目的就是得到很大的降速传动比，一些精密滚齿机的分度蜗轮的齿数在1000齿以上。④采用误差校正机构。其实质是测出传动误差，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。

上一页下一页返回10.1机械加工精度4.刀具、夹具的制造误差及磨损

(1)刀具误差是由于刀具制造误差和刀具磨损所引起的。机械加工中常用的刀具有一般刀具、定尺寸刀具和成形刀具。一般刀具(普通车刀、单刃撞刀和平面铣刀等)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、拉刀等)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，也将影响加工精度。成形刀具和展成刀具(如成形车刀、成形铣刀及齿轮刀具等)的制造误差，直接影响被加工表面的形状精度。刀具的磨损会直接影响刀具相对被加工表面的位置，造成被加工零件的尺寸误差和形状误差。例如用成形刀具加工时，刀具刃口的不均匀磨损将直接复映在工件上，造成形状误差。上一页下一页返回10.1机械加工精度

在加工较大表面(一次走刀需较长时间)时，刀具的尺寸磨损会严重影响工件的形状精度;车削长轴外圆时，刀具的逐渐磨损会使工件产生锥形的圆柱度误差;用调整法加工一批工件时，刀具的磨损会扩大工件尺寸的分散范围。

(2)夹具的制造误差一般指定位元件、导向元件等零件的加工和装配误差。这些误差对被加工零件的精度影响较大，所以在设计和制造夹具时，凡影响零件加工精度的尺寸都应该严格控制。夹具磨损的过程是逐渐而缓慢的，会引起工件的定位误差，影响不很明显。对它们进行定期的检测和维修，以便提高其几何精度。

5.测量误差

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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。

6.调整误差在机械加工的每一个工序中，总是要对工艺系统进行这样或那样的调整工作。由于调整不可能绝对准确，就带来了一项原始误差，即调整误差。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，引起调整误差的因素除测量误差外，主要还有以下几个。

上一页下一页返回10.1机械加工精度①进给机构的位移误差。在试切中，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。②最小切削层厚度极限的影响。精加工时，试切的最后一刀余量往往很小，若切削余量小于最小切削厚度极限，切削刃只起挤压作用而不起切削作用;而正式切削时的深度较大，切削刀不打滑，就会多切工件。因此，工件尺寸就与试切时不同，造成工件的尺寸误差。

(2)调整法调整。用调整法加工时，若调整过程本身是以试切法为依据的，则上述影响试切法调整精度的因素对调整法加工同样有影响。此外，影响调整精度的因素还有以下几种。

上一页下一页返回10.1机械加工精度①定程机构的误差。定程机构的制造和调整误差及它们的受力变形和它们配合使用的电、液、气动元件的灵敏度等是调整误差的主要来源。②样件或样板的误差。样件或样板的制造误差、安装误差和对刀误差及它们的磨损等都对调整精度有影响。③抽样件数的影响。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。上一页下一页返回10.1机械加工精度10.1.4工艺系统的受力变形对加工精度的影响1.工艺系统的刚度机械加工中，工艺系统在切削力、传动力、惯性力、夹紧力及重力等的作用下，将产生相应的变形，破坏已调好的刀具和工件之间正确的位置关系，从而产生加工误差。例如，车削细长轴时，工件在切削力作用下弯曲变形，加工后会产生腰鼓形的圆柱度误差;在内圆磨床上磨孔时，由于磨头主轴受力弯曲变形，磨出的孔会产生带有锥度的圆柱度误差。工艺系统在各种外力作用下，将在各个受力方向产生相应的变形，我们主要研究误差敏感方向上的变形。因此，工艺系统刚度左定义为加工表面法向(误差敏感方向)切削力Fp与工艺系统的法向变形δ的比值。

上一页下一页返回10.1机械加工精度k=Fp/δ(10-2)

可见，刚度(K值)大，则工艺系统不易变形;反之，则容易变形。

2.工艺系统刚度的计算

(1)工艺系统的总刚度。工艺系统的各个部分在外力Fp作用下都会产生变形，故工艺系统的总变形量是

(10-3)

根据刚度的定义，代入式(10-3)，工艺系统刚度计算的一般式为:(10-4)上一页下一页返回10.1机械加工精度

即，工艺系统刚度的倒数等于系统各组成部分刚度的倒数之和。

(2)工件、刀具的刚度。当工件、刀具的形状比较简单时，其刚度可用材料力学的有关公式进行近似计算。例如装夹在卡盘中的棒料及压紧在车床方刀架上的车刀刚度，可按悬臂梁受力变形的公式计算

(10-5)

又如支承在两顶尖间加工的棒料，可用两支点简支梁受力变形的公式计算

(10-6)式中L—工件(刀具)长度，单位为mm;上一页下一页返回10.1机械加工精度E—材料的弹性模量，对于钢，E=;I—工件或刀具的截面惯性矩，单位为;δ1—外力作用在梁端点的最大位移，单位为mm;δ2—外力作用在梁中点的最大位移，单位为mm(3)机床部件、夹具部件的刚度。对于由若干个零件组成的机床部件及夹具，结构复杂，其受力变形与各零件间的接触刚度和部件刚度有关，很难用公式表达，其刚度目前主要用实验方法测定。测定方法有单向静载测定法和三向静载测定法。由于夹具一般总是固定在机床上使用，可视为机床的一部分，一般情况下它的刚度不作单独讨论。上一页下一页返回10.1机械加工精度3.工艺系统受力变形引起的加工误差

(1)受力点位置变化引起的加工误差。切削过程中，工艺系统的刚度会随切削力作用点位置的变化而变化，引起工件的加工误差。下面以在车床上用双顶尖定位加工光轴为例来说明这个问题。假定工件短而粗，同时车刀悬伸长度很短，即工件和刀具的刚度好，其受力变形相对机床的变形要小得多，可忽略不计。工艺系统的变形主要取决于机床，即机床头架、尾座(含顶尖)和刀架的位移，如图10-7(a)所示。又假定工件的加工余量很均匀，并且由于机床变形而造成的背吃刀量变化对切削力的影响也很小，即假定在加工过程中切削力保持不变。上一页下一页返回10.1机械加工精度①机床的变形。当车刀以径向切削力Fp进给到如图10-7(a)所示的位置时，车床主轴箱(头架)受作用力FA，相应的变形δtj=;尾座受作用力FB，相应的变形δuz=;刀架受作用力Fp，相应的变形δdj=。这时，工件轴心线AB位移到A'B'，因而刀具切削点处工件轴线的位移δz为

(10-7)式中Z—车刀至头架的距离。考虑到刀架的变形量δdj，与工件轴线的变形量δz的方向相反，所以机床总的变形为

(10-8)

由刚度定义有上一页下一页返回10.1机械加工精度式中—头架、尾座、刀架的刚度。代入式(10-8)，最后可得机床的总变形为

(10-9)

这说明，随着切削力作用点位置的变化，工艺系统的变形是变化的。显然这是由于工艺系统的刚度随切削力作用点变化而变化所致。由式(10-9)可求出工艺系统刚度的倒数为

(10-10)当Z=L/2时，工艺系统刚度的倒数为

(10-11)上一页下一页返回10.1机械加工精度

还可用极值的方法，求出当时，机床变形最小

(10-12)

由于工艺系统的变形是随着切削力作用点位置的变化而变化的，z值的变化引起系统变形的变化，进而引起背吃刀量的变化，结果使工件产生形状误差。②工件的变形。若在两顶尖间车削细长轴，由于工件细长，刚度小，在切削力作用下，其变形大大超过机床、夹具和刀具所产生的变形，因此机床、夹具和刀具的受力变形可略去不计，工艺系统刚度主要取决于工件的变形。如图10-7(b)所示，由材料力学中简支梁公式计算工件在切削点的变形量

(10-13)上一页下一页返回10.1机械加工精度

显然，当z=0或z=L时，δg=0;当z=L/2时，工件刚度最小，变形最大，

(10-14)

因此加工后的工件产生两端细、中间粗的腰鼓形圆柱度误差。③工艺系统的总变形。当同时考虑机床和工件的变形时，工艺系统的总变形为二者的叠加。对于本例，车刀的变形可以忽略，故工艺系统的总变形为上一页下一页返回10.1机械加工精度

不同类型的机床，由于切削力作用点的变化而引起刚度的变化形式各不相同，其造成的加工误差也有差别。例如，立式车床、龙门刨床、龙门铣床等的横梁及刀架、铣床滑枕内的主轴等，其刚度均随刀架位置或滑枕伸出长度不同而异，对它们的分析也可参照上例方法进行。

(2)切削力大小变化所引起的加工误差。在切削加工中，毛坯余量和材料硬度的不均匀，会引起切削力大小的变化。工艺系统由于受力大小的不同，变形的大小也相应发生变化，从而产生加工误差。车削外圆加工，毛坯具有椭圆形状误差，刀具按正确位置调整(如图10-8所示虚线圆的位置)。上一页下一页返回10.1机械加工精度

由于毛坯的形状误差，在工件每转一转中，背吃刀量在最大值ap1与最小值ap2之间变化。假设毛坯材料的硬度是均匀的，那么ap1处的切削力Fp1最大，相应的变形δ1也最大;ap2处的切削力Fp2最小，相应的变形δ2也最小。车削后得到的工件仍然具有圆度误差。由此可见，当车削具有圆度误差式=ap1-ap2的毛坯时，由于工艺系统受力变形的变化而使工件产生相应的圆度误差△g=δ1-δ2。这种具有形状或位置误差的工件毛坯，经过机械加工后仍具有与毛坯相似的形状或位置误差的现象，称为“误差复映”。因误差复映现象而使工件产生的加工误差称为复映误差。为了表示误差复映程度的大小，定义为

ε=Δg/Δm(10-16)上一页下一页返回10.1机械加工精度ε称为误差复映系数。由于△g总是小于Δm，所以ε是一个小于1的正数。它定量地反映了毛坯误差经加工后所减小的程度，并表明工艺系统刚度越高，则二越小，毛坯复映到工件上的误差也越小。减小径向切削力或增大工艺系统刚度都能使二减小。例如，减小进给量f，既可减小ε，又可提高加工精度，但切削时间增长。如果设法增大工艺系统刚度，如车削细长轴采用跟刀架，不但能减小加工误差△g，而且可以在保证加工精度的前提下相应增大进给量，提高生产率。增加走刀次数可大大减小工件的复映误差。设ε1，ε2，ε3...,εn,分别为第1，第2，第3,…，第n次走刀时的误差复映系数，则…上一页下一页返回10.1机械加工精度

总的误差复映系数，则由于工艺系统误差复映系数ε总是远小于1，经多次走刀后，ε∑降至一个极小的数值。工件加工误差也逐渐降低到允许的范围内，这说明了工件加工要多次走刀，经过粗、精加工才能达到较高加工精度的原因。由以上分析可知，当工件毛坯有形状误差(如圆度、圆柱度、直线度误差等)或相互位置误差(如同轴度、平行度、垂直度误差等)时，加工后仍然会有类似的误差出现。在成批大量生产中用调整法加工一批工件时，若毛坯尺寸不一而导致加工余量不均匀，那么误差复映会造成加工后这批工件的尺寸分散。材料硬度不均匀，同样会引起切削力的变化，使工件的尺寸分散范围扩大，甚至超差而产生废品。上一页下一页返回10.1机械加工精度(3)减小工艺系统受力变形的措施。①提高工件加工时的刚度。例如车削细长轴时，为提高细长轴的刚度，可采用如下措施。减小工件支承长度，常采用跟刀架或中心架;可采取增大前角γo，主偏角Kγ选为90及适当减小进给量f和切削深度ap等措施，减小工件所受背向力Fr;采用反向走刀法，使工件从原来的轴向受压变为轴向受拉。②提高工件安装时的夹紧刚度。例如薄壁件，由于工件本身有形状误差，用电磁吸盘吸紧时，工件产生弹性变形，磨削后松开工件，因弹性恢复工件表面仍有形状误差(翘曲)，如图10-9(a),(b),(c)所示。上一页下一页返回10.1机械加工精度

解决办法是在工件和电磁吸盘之间垫入一个薄橡皮(0.5mm以下)。当吸紧时，橡皮被压缩，工件变形减小，经几次反复磨削逐渐修正工件的翘曲，将工件磨平，如图10-9(d),(e),(f)所示。③提高机床部件的刚度和部件间的接触刚度。在机械加工时，常用一些辅助装置提高机床部件的刚度。部件的接触刚度远远低于机床部件的刚度，因此，提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键，常用的方法有改善工艺系统主要零件接触面的配合质量。如机床导轨副、锥体与锥孔、顶尖与顶尖等配合面采用刮研与研磨，提高配合表面的形状精度，降低表面粗糙度。对机床部件的各配合表面预紧可以消除配合间隙，还可以使接触表面之间产生预变形，大大提高接触刚度。上一页下一页返回10.1机械加工精度10.1.5工艺系统的热变形对加工精度的影响机械加工中，工艺系统在各种热源的作用下产生一定的热变形。由于工艺系统热源分布的不均匀性及各部分结构、材料不同，使工艺系统各部分的变形产生差异，从而破坏了刀具与工件的正确位置及运动关系而产生加工误差。尤其对于精密加工，热变形引起的加工误差占总加工误差的1/2以上，因此，控制热变形已成为一项重要的任务和研究课题。

1.工艺系统的热源加工过程中，工艺系统的热源主要有两大类，内部热源和外部热源。

(1)内部热源。①切削热。切削过程中，金属的变形及刀具、工件、切屑间摩擦消耗的能量绝大多数转化为切削热。上一页下一页返回10.1机械加工精度

②摩擦热。机床中的各种运动副，如导轨副、齿轮副、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副、摩擦离合器等，在相对运动时因摩擦而产生热量。机床的各种动力源如液压系统、电机、马达等，工作时也要产生能量损耗而发热。这些热量是机床热变形的主要热源。

(2)外部热源。①环境温度。工作地周围温度随环境气温变化而变化，而且不同位置的温度也各不相同。加工大型精密件往往需要较长时间。由于昼夜温差使工艺系统热变形不均匀，从而产生加工误差。②热辐射。来自阳光、照明灯、暖气设备及人体等的热辐射。

2.工艺系统的热平衡如图10-10所示为一般机床的温度和时间曲线。上一页下一页返回10.1机械加工精度

由图可见，当机床处于预热期时，温度随时间而升高，其热变形将随温度的升高而变化，故对加工精度的影响比较大。机床开始后一段时间(约2~6h)内，温升才逐渐趋于稳定，达到热平衡阶段，其热变形也相应地趋于稳定，此时引起的加工误差是有规律的。因此，精密加工应在热平衡之后进行。

3.热变形引起的加工误差机床热变形的热量，一部分传给周围介质，一部分传给热源近处的机床零部件和刀具，以致产生热变形，影响加工精度。由于机床各部分的体积较大，热容量也大，因而机床热变形进行得缓慢(车床主轴箱一般不高于60C。实践表明，车床部件中受热最多、变形最大的是主轴箱，其他部分如刀架、尾座等温升不高，热变形较小。上一页下一页返回10.1机械加工精度

如图10-11所示的虚线表示车床的热变形。可以看出，车床主轴前轴承的温升最高，对加工精度影响最大的因素是主轴轴线的抬高和倾斜。实践表明，主轴抬高是主轴轴承温度升高的结果，它约占总抬高量的70%，由床身热变形所引起的抬高量一般小于30%。影响主轴倾斜的主要因素是床身的受热弯曲，它约占总倾斜量的75%。主轴前后轴承的温差所引起的主轴倾斜只占25%。

4.刀具热变形及对加工精度的影响切削过程中，一部分切削热传给刀具，这部分热量很少(高速车削时只占1%~2%),由于刀体较小，热容量较小，刀具的温度仍然很高，如高速钢车刀的工作表面温度可达700℃~800℃。刀具受热伸长量一般情况下可达到0.03~0.05mm，从而产生加工误差。上一页下一页返回10.1机械加工精度

当刀具连续工作时，如车削长轴或在立式车床车大端面，传给刀具的切削热随时间不断增加，刀具产生热变形而逐渐伸长，工件产生圆度误差或平面度误差。刀具间歇工作时，如采用调整法加工一批短轴，由于每个工件切削时间较短，刀具的受热与冷却间歇进行，故刀具的热伸长比较缓慢。总的来说，刀具能够迅速达到热平衡，刀具的磨损又能与刀具的受热伸长进行部分的补偿，故刀具热变形对加工质量影响并不显著。

5.工件热变形引起的加工误差

(1)工件均匀受热。上一页下一页返回10.1机械加工精度

加工盘类零件或较短的轴套类零件，由于加工行程较短，可以近似认为沿工件轴向方向的温升相等，若工件精度要求不高，可忽略热变形的影响。对于较长工件(如长轴)的加工，开始走刀时，工件温度较低，变形较小。随着切削的进行，工件温度逐渐升高，直径逐渐增大，因此工件表面被切去的金属层厚度越来越大，冷却后不仅产生径向尺寸误差，而且还会产生圆柱度误差。若该长轴(尤其是细长轴)工件用两顶尖装夹，且后顶尖固定锁紧，则加工中工件的轴向热伸长使工件产生弯曲并可能引起切削不稳。因此，加工长轴时，工人经常车一刀后转一下后顶尖，再车下一刀，或后顶尖改用弹簧顶尖，目的是消除工件热应力和弯曲变形。

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对于轴向精度要求较高的工件(如精密丝杠)，其热变形引起的轴向伸长将产生螺距误差，因此，加工精密丝杠时必须采用有效冷却措施，减小工件的热伸长。

(2)工件不均匀受热。当工件进行铣、刨、磨等平面的加工时，工件单侧受热，上下表面温升不等，导致工件向上凸起，中间切去的材料较多，冷却后被加工表面呈凹形。这种现象对于薄片类零件加工尤为突出。为了减小工件不均匀变形，应采取有效的冷却措施，减小切削表面温升。

6.减少工艺系统热变形的措施

(1)减少发热及隔热。上一页下一页返回10.1机械加工精度

切削热是切削加工中最主要的热源，可通过合理选择切削用量和刀具几何角度，及时修整砂轮和刃磨刀具来减少热量的产生，当零件精度要求较高时，应将粗、精加工分开进行;对各摩擦部位应从结构和润滑等方面采取措施，以改善摩擦特性来减少摩擦热;应尽可能将热源，如电动机、变速箱、液压油箱、冷却系统等，放置在机床外部，以减小机床热变形;用隔热材料将发热部件和机床大件(如床身、立柱等)分离开等。

(2)加强散热能力。对发热量大的热源，若既不能从机床内部移出，又不便隔热，则可采用喷雾或大流量冷却液等冷却方式。目前大型数控机床、加工中心普遍采用冷冻机对润滑油和切削液进行强制冷却，以提高冷却效果。

上一页下一页返回10.1机械加工精度(3)保持工艺系统的热平衡。在进行精加工或用精密机床加工时，应先使机床高速空运转一段时间，或设置控制热源人为地给机床加热，促使机床较快达到热平衡后，再进行加工。同理，精密加工机床应尽量连续加工，避免中途停车使加工质量发生波动。

(4)均衡温度场。单纯地靠减小温升来减小热变形，往往不能达到满意的效果。可采用热补偿的方法使机床的温度场比较均匀，如有意识地将热量从高温区导向到低温区，从而使机床产生均匀的热变形，减少对加工精度的影响。

(5)控制环境温度。

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精密机床应安装在恒温车间使用，其恒温精度一般级为±1℃，精密级为±0.5℃。恒温车间平均温度一般为20℃，但为降低成本，冬季可取17℃，夏季可取23℃。10.1.6残余应力对加工精度的影响残余应力是指当外部载荷去掉以后仍存留在工件内部的应力，也称内应力。残余应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化而产生的。其外界因素来自热加工和冷加工。具有内应力的工件，处在一种不稳定状态之中，它内部的组织有强烈的恢复到没有内应力稳定状态的倾向。即使在常温下工件的内部组织也在不断发生变化，直到内应力完全消失为止。上一页下一页返回10.1机械加工精度

在这一过程中，工件的形状逐渐改变(如翘曲变形)，从而丧失其原有精度。如果把存在内应力的工件装配到机器中，则会因其在使用中的变形而破坏整台机器的精度。1.残余应力产生的原因

(1)毛坯制造中产生的残余应力。在铸、锻、焊及热处理等加工过程中，由于工件各部分热胀冷缩不均匀及金相组织转变时的体积变化，使毛坯内部产生了相当大的残余应力。毛坯的结构越复杂，各部分壁厚越不均匀，散热条件差别越大，毛坯内部产生的残余应力也越大。具有残余应力的毛坯暂时处于相对平衡的状态，在短时间内看不出有什么变化。当切去一层金属后，就打破了这种平衡，残余应力重新分布，工件明显地出现了变形。

上一页下一页返回10.1机械加工精度(2)冷校直产生的残余应力。一些刚度较差、容易变形的工件(如丝杠等)，通常采用冷校直的办法修正其变形。如图10-12(a)所示，当工件中部受到载荷F的作用时，工件内部产生应力，其轴心线以上产生压应力，轴心线以下产生拉应力，如图10-12(b)所示，两条虚线之间为弹性变形区，虚线之外为塑性变形区。当去掉外力后，工件的弹性恢复受到塑性变形区的阻碍，致使残余应力重新分布，如图10-12(c)所示。由此可见，工件经冷校直后内部产生残余应力，处于不稳定状态，若再进行切削加工，工件将重新发生弯曲。

(3)切削加工中产生的残余应力。工件切削加工时，在各种力和热的作用下，其各部分将产生不同程度的塑性变形及金相组织变化，从而产生残余应力。上一页下一页返回10.1机械加工精度

在加工过程中切去表面一层金属后，残余应力重新分布，引起明显变形。2.减小或消除残余应力的措施

(1)采取时效处理。自然时效处理。在毛坯制造之后，或粗、精加工之间，让工件停留一段时间，利用温度的自然变化，经过多次热胀冷缩，使工件的晶体内部或晶界之间产生微观滑移，从而达到减小或消除残余应力的目的。这种过程对大型精密件(如床身、箱体等)需要很长时间，影响产品的制造周期，所以除特别精密件外，一般较少采用。上一页下一页返回10.1机械加工精度

人工时效处理。将工件放在炉内加热到一定温度，并保温一段时间，从而达到原子组织重新排列，再随炉冷却，以达到消除残余应力的目的。这是目前使用最广的方法。振动时效处理。是以激振的形式将机械能加到含有大量残余应力的工件内，引起工件金属内部晶格错位蠕变，使金属的结构状态稳定，以减小和消除工件的内应力。可用于铸造件、锻件、焊接件及有色金属件等。操作时，将激振器牢固地夹持在工件的适当位置，根据工件的固有频率调节激振器的频率，直到达到共振状态，再根据工件尺寸及残余应力调整激振力，使工件在一定的振动强度下，保持几分钟甚至几十分钟。这种方法设备小，简便经济，效率高，是消除残余应力的新方法。上一页下一页返回10.1机械加工精度(2)合理安排工艺路线。对于精密零件，粗、精加工分开。对于大型零件，由于粗、精加工一般安排在一个工序内进行，故粗加工后先将工件松开，使其自由变形，再以较小的夹紧力夹紧工件进行精加工。对于焊接件焊接前，工件必须经过预热以减小温差，减小残余应力。

(3)合理设计零件结构。设计零件结构时，应注意简化零件结构，提高其刚度，减小壁厚差，如果是焊接件，要合理安排焊接工艺，以减小残余应力。10.1.7加工误差的统计分析实际生产中，影响加工精度的因素错综复杂，其中有不少因素对加工的影响是带有随机性的。上一页下一页返回10.1机械加工精度

依靠单一因素分析方法来分析加工误差是不够的。运用数理统计的方法对加工误差数据进行处理和分析，从中发现误差形成规律，找出影响加工误差的主要因素，这就是加工误差的统计分析法。1.加工误差分类

(1)系统性误差。系统性误差可分为常值系统误差和变值系统误差两种。在顺序加工的一批工件中，其大小和方向保持不变的加工误差，称为常值系统误差。机床、刀具、夹具的制造误差，以及工艺系统受力变形所引起的加工误差，均与时间无关，其大小和方向在一次调整中也基本不变，属于常值系统误差。上一页下一页返回10.1机械加工精度

机床、夹具、量具等磨损引起的加工误差，在一定时间内无明显的差异，也可看作常值系统误差。在顺序加工的一批工件中，其大小和方向按一定规律变化的加工误差，称为变值系统误差。机床、刀具、夹具等在热平衡前的热变形误差和刀具的磨损等，属于变值系统误差。

(2)随机性误差。在顺序加工的一批工件中，其大小和方向是随机性变化的加工误差，称为随机性误差。毛坯(余量不均、硬度不均等)的复映误差、夹紧误差、残余应力引起的误差、多次调整的误差等，都属于随机性误差。

上一页下一页返回10.1机械加工精度2.加工误差的统计分析

(1)分布图分析法。这里介绍直方图和实际分布曲线的作法。采用调整法加工的一批零件，总数量为N，随机抽取一定数量的工件作为样本，样本总数n称为样本容量。由于加工误差的存在，所测样本零件的加工尺寸x在一定范围内变动(称为尺寸分散)，即为随机变量。按一定尺寸间隔h(即组距)把零件分成若干组，组的个数为从同一尺寸间隔内的零件数量称为频数，用mi表示;频数与样本总数之比称为频率用fi表示;频率与组距之比称为频率密度。以零件尺寸x为横坐标，以频率厂或频率密度为纵坐标，可绘出直方图。连接各直方块的顶部中点得到一条拆线，即实际分布曲线。

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选择的组距d和组数k要适当。k值一般应根据样本容量n来选择，如表10-3所示。若取样件数目(样本容量)很多且组距h很小时，图中的拆线就非常接近光滑曲线。如果再将图中的纵坐标改为频率密度(即组频率与组距之比)，则原曲线就成了频率密度分布曲线。这样，就可以用数理统计中的各种理论分布曲线(概率密度曲线)近似代替实际分布曲线来研究加工误差问题。机械加工中的大量实验、研究表明:若加工中没有突出的规律性误差影响，频率密度曲线与正态分布曲线十分吻合。要进一步分析研究该工序的加工精度问题，必须找出频率密度与加工尺寸间的关系，研究理论分布曲线。

上一页下一页返回10.1机械加工精度(2)正态分布曲线方程及特性。概率论已经证明，相互独立的大量微小随机变量，其总和的分布是服从正态分布的。大量实验表明，在机械加工中，用调整法加工一批零件，当不存在明显的变值系统误差因素时，加工后零件的尺寸近似于正态分布，如图10-14所示。正态分布曲线(又称高斯曲线)，其概率密度函数表达方程式为

(10-17)式中Y—正态分布的概率密度;x—随机变量;上一页下一页返回10.1机械加工精度

x—正态分布随机变量总体的算术平均值(数学期望)，，表示加工尺寸的分布中心;σ—正态分布随机变量的总体标准差(均方根误差)，，表示加工的尺寸分散程度。正态分布总体的u和σ通常是未知的或难以计算的，但可以通过它的样本平均值x和样本标准偏差s来估计。这样，成批加工一批工件，抽检其中的一部分，当样本足够大时，用样本的x替总体的u，用样本的s代替总体的σ，即可判断整批工件的加工精度。正态分布曲线对称于线X=x,在X=x处达到最大值。在处有拐点，且靠近x的工件尺寸出现概率较大，远离x的工件尺寸概率较小。上一页下一页返回10.1机械加工精度

平均值x和标准差σ是正态分布曲线的两个特征参数。平均值x是表征分布曲线位置的参数，即表示了尺寸分散中心的位置。x不同，分布曲线沿x轴平移而不改变其形状，如图10-15(a)所示。标准差σ是表征分布曲线形状的参数，不影响曲线位置，它表示了尺寸分散范围的大小。σ减小，Ymax增大，曲线变陡，如图10-15(b)所示。按照加工误差的性质，常值系统误差决定尺寸分散中心的位置;随机性误差引起尺寸分散，决定分布曲线的形状;而变值系统误差则使分散中心位置随时间按一定规律移动。正态分布曲线下所包含的全部面积，代表了工件(样本)的总体，即100%零件的实际尺寸都在这一分布范围内。上一页下一页返回10.1机械加工精度

实际尺寸落在从x到x这个区域内的工件的概率为。令，作积分变换，dx=σdz,则

(10-18)

对于不同z值的φ(z)，可由表10-5查出。计算结果表明，工件落在x±3σ间的概率为99.73%，而落在该范围以外的概率仅为0.27%，可忽略不计。因此可以认为，正态分布的分散范围为x±3σ，就是工程上经常用到的±3σ原则，或称6σ原则。6σ原则是一个很重要的概念，在研究加工误差时应用很广。6σ的大小代表了某加工方法在一定的条件下所能达到的加工精度，所以在一般情况下，应使所选择的加工方法的标准差σ与公差带宽度T之间有下列关系

6σ≤T上一页下一页返回10.1机械加工精度(3)非正态分布。工件的实际分布，有时并不接近于正态分布。例如将两次调整下加工或两台机床加工的工件混在一起，尽管每次调整加工的工件都接近于正态分布，但由于其常值系统误差不同，叠加在一起就得到双峰曲线，如图10-16(a)所示。当加工中刀具或砂轮的尺寸磨损较快而没有补偿时，变值系统误差占突出地位，工件的实际尺寸分布如图10-16(b)所示。尽管在加工的每一瞬时，工件的尺寸呈正态分布，但随着刀具或砂轮的磨损，其分散中心是逐渐移动的，因此，分布曲线呈平顶状。当用试切法加工轴颈或孔时，由于主观上不愿意产生不可修复的废品，加工轴颈时宁大勿小，加工孔时宁小勿大，使分布曲线呈不对称状态，如图10-16(c)所示。上一页下一页返回10.1机械加工精度

当用调整法加工时，若工艺系统存在显著的热变形，加工结果也常常呈现偏态分布，如刀具热变形严重，加工轴时曲线凸峰偏向右，加工孔时曲线凸峰偏向左。对于端面圆跳动和径向圆跳动一类的误差，一般不考虑正负号，所以接近零的误差值较多，远离零的误差值较少，其分布也是不对称的，称为瑞利分布，如图10-16(d)所示。

(4)分布图分析法的应用。①判断加工误差的性质。如前所述，若加工过程中存在若干随机变量的影响，那么其尺寸分布就服从正态分布，这是判别加工误差性质的基本方法。上一页下一页返回10.1机械加工精度

若分布图的x值偏离公差带中心，则加工过程中工艺系统存在常值系统误差，其误差值大小等于分布中心与公差带中心的偏离量△cx，而正态分布的6σ大小即表明了工艺系统随机性误差的大小。②确定各种加工方法所能达到的加工精度。由于各种加工方法在随机因素的影响下所得到的加工尺寸的分布规律符合正态分布，因而可在多次统计的基础上，为每一种加工方法求得它的标准差σ值。按分散范围等于6σ的规律，即可确定各种加工方法所能达到的加工精度。③确定工序能力及其等级。工序能力是指工序处于稳定、正常状态时，该工序加工误差正常波动的幅值。当加工尺寸服从正态分布时，其尺寸分散范围是6σ，因此可以用6σ来表示工序能力。

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工序能力等级是以工序能力系数来表示的，它代表工序能满足加工精度要求的程度。当工序处于稳定状态时，工序能力系数的计算如下

(10-19)

式中T—工件尺寸公差。根据工序能力系数鱿)的大小，将工序能力分为5级，如表10-6所示。在一般情况下，工序能力不应低于二级。

(5)分布曲线的不足之处。①必须待一批工件加工完毕后才能得出分布情况，其分析结果也就只能对下批零件起指导作用，而对本批零件，即使出了废品，也已无法挽回。上一页下一页返回10.1机械加工精度

②没有考虑一批工件的加工先后顺序，故不能反映出加工误差随时间的发展趋势和变化规律，也难以区分随机误差与变值系统性误差。10.1.5提高加工精度的措施保证和提高加工精度的方法，大致可概括为以下几种，减少误差法、误差补偿法、误差分组法、误差转移法、就地加工法及误差平均法等。

1.减少误差法首先要找出产生加工误差的主要因素，然后采取相应的工艺措施以减少或控制这些因素的影响。例如用三爪自定心卡盘夹持薄壁套筒时，应在套筒外面加过渡环或采用圆弧面专用卡爪，避免因夹紧变形造成加工误差。上一页下一页返回10.1机械加工精度2.误差补偿法(误差抵消法)

误差补偿法是人为地造出一种新的误差，去抵消原来工艺系统中固有的原始误差。例如床身导轨加工时各项精度都能达到，但装上横向进给机构、操纵箱以后，往往发现导轨精度超差，这是因为这些部件的自重引起床身变形。为此，某些磨床厂在加工床身导轨时采取用“配重”代替部件重量，或者先将该部件装好再磨削的办法，使加工、装配和使用条件一致，以保证导轨精度。

3.误差分组法在加工中，由于工件上道工序存在误差，造成了本工序的加工误差。主要有两种情况:一是复映误差，引起本工序误差;二是定位误差扩大，引起本工序误差。上一页下一页返回10.1机械加工精度

要解决这个问题，最好采用分组调整均分误差的办法。这种办法的实质就是把毛坯按误差的大小分n组，每组毛坯误差范围就缩小为原来的1/n。然后按各组分别调整加工。例如，某厂加工齿轮，在剃齿时心轴与工件定位孔的配合间隙大了，剃后的工件产生较大的几何偏心，因此，必须设法限制配合间隙。由于工件的孔已加工完毕，IT6级精度，不宜再提高。为此，采用了多档尺寸的心轴，对工件孔进行分组选配，减小由于间隙而产生的定位误差，从而提高了加工精度。上一页下一页返回10.1机械加工精度4.误差转移法误差转移法就是转移工艺系统的几何误差，将受力变形和热变形等从误差敏感方向转移到误差的非敏感方向。例如，如图10-18(a)所示安装外圆车刀，则刀架的转位误差方向与加工误差敏感方向一致，刀架转角误差将直接影响加工精度，若如图10-18(b)所示采用立刀安装法，即把刀刃的切削基面放在垂直平面内，这样就能把刀架的转位误差转移到误差的非敏感方向，由刀架转位误差所引起的加工误差就可忽略不计。5.就地加工法在加工和装配中有些位置精度关系问题，如果一味地提高零、部件本身精度，有时不仅困难，甚至不可能，若采用就地加工法，就可能很方便地解决了看起来非常困难的精度问题。上一页下一页返回10.1机械加工精度

这种就地加工方法，在机床生产中应用很多，如为了使牛头刨床的工作台面对滑枕保持平行的位置关系，就在装配后的自身机床上进行“自刨自”的精加工。平面磨床的工作台面也是在装配后作“自磨自”的精加工。在车床上，为了保证三爪卡盘卡爪的装夹面与主轴回转中心同心，也是在装配后对卡爪装夹面进行就地车削或磨削。

6.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和相互修正，或者利用互为基准进行加工，以达到很高的加工精度。例如，对配合精度要求很高的轴和孔，如内燃机进排气阀门与阀座的配合的最终加工，常采用研磨的方法来实现。研具本身的精度并不高。上一页下一页返回10.1机械加工精度

但由于研磨时工件与研具间作复杂的相对运动，使工件上各点均有机会与研具的各点相互接触并受到均匀的微量切削，高低不平处逐渐接近，几何形状精度也逐步共同提高，并进一步使误差均化，因此就能获得精度高于研具原始精度的加工表面。利用误差平均法制造精密零件，在机械行业中由来已久，在没有精密机床的时代，用“三块平板合研”的误差平均法刮研制造出号称原始平面的精密平板。平面度达几个微米。像平板一类的“基准”工具，如直尺、角度规、多棱体、分度盘及标准丝杠等高精度量具和工具，目前还采用误差平均法来制造。上一页返回10.2机械加工表面质量10.2.1概述除了加工精度外，零件的加工质量还包括零件加工后的表面质量。表面质量对零件的使用性能和寿命影响很大，包括以下两个方面的内容。

1.表面粗糙度及波度加工表面的几何形状特性(波高H与波距L的比值)可分为3种类型，如图10-19所示。

H/L＞1000，称为宏观几何形状误差。如圆度误差、圆柱度误差等，它们属于加工精度范畴，不在本章讨论之列。

H/L=50~1000，称为波度，是由机械加工中的振动引起的。

H/L＜50，称为微观几何形状误差，常被称为表面粗糙度。下一页返回10.2机械加工表面质量2.表面层物理力学性能机械零件在机械加工中由于受力和热的综合作用，表面层金属的物理力学性能和基体金属不太相同，主要有以下3个方面的内容。

(1)表面冷作硬化。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，这些使表面层金属的硬度增加，塑性减小，称为冷作硬化。

(2)表面层金相组织的变化。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。上一页下一页返回10.2机械加工表面质量(3)表面层残余应力。机械加工过程中在工件表面层产生的内应力时，加工后不能消除，称为表面层残余应力。10.2.2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

(1)表面粗糙度对零件耐磨性的影响。两个表面接触，只能在轮廓的峰顶接触，其实际接触面积比理论接触面积要小得多。由于凸峰处单位压力很大，一个表面的凸峰还可能嵌人另一个表面的凹谷中，且会产生弹性变形、塑性变形和剪切破坏，引起严重的磨损。但表面过于光滑，表面间的分子吸引力增加，并会挤出表面间的润滑油而形成于摩擦，这时的磨损量也会显著增加。因此，在一定的工作条件下，一对摩擦表面的粗糙度通常有一个最佳值。上一页下一页返回10.2机械加工表面质量

如图10-20所示，Ra1,Ra2为表面粗糙度的最佳值，根据实验，其值Ra约为0.32~1.25um。零件表面纹理形状和纹理方向对耐磨性也有显著的影响。一般来讲，圆弧状的、凹坑状的表面纹理耐磨性好;而尖峰状的表面纹理耐磨性差，这是因为它的承压面小而压强大。在轻载并充分润滑的运动副中，两配合面的刀纹方向与运动方向相同时，耐磨性较好;与运动方向垂直时，耐磨性最差;其余的情况，介于上述二者之间。而在重载又无充分润滑的情况下，两结合表面的刀纹方向相互垂直时，磨损较小。由此可见，重要的零件应规定最后工序的加工纹理方向。

(2)表面层加工硬化的影响。上一页下一页返回10.2机械加工表面质量

零件加工表面层的加工硬化减小了摩擦副接触表面的弹性及塑性变形，从而提高了耐磨性;此外，还可提高加工表面的疲劳强度。但加工表面过度硬化，将引起表面层金相组织的过度疏松，甚至会产生微观裂纹和剥落。因此，每种金属材料都有一个表面加工硬化程度的最佳值，高于或低于该值时磨损量都会增加。

(3)金相组织变化的影响。加工表面因受切削温度的影响而产生金相组织的变化，一般多在磨削时发生，从而导致表面层的硬度下降，进而影响其耐磨性。

2.表面质量对零件疲劳强度的影响

(1)表面粗糙度的影响。表面粗糙度越大，越易引起应力集中。零件在交变载荷作用下，容易出现微观疲劳裂纹，引起疲劳损坏。上一页下一页返回10.2机械加工表面质量

(2)加工硬化的影响。零件表面的冷硬层，有助于提高疲劳强度。因为冷硬层能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生，但冷硬的程度不能过大，否则会适得其反。

(3)残余应力的影响。表层中具有残余压应力时，能部分抵消工作载荷所引起的拉应力，阻止裂纹的扩大而有助于提高疲劳强度。生产中常用滚压加工、喷丸强化等提高疲劳强度。若表层中具有残余拉应力，将促使疲劳裂纹扩大，降低疲劳强度。

3.表面质量对配合精度的影响在间隙配合中，若配合表面的表面粗糙度较大，则初期磨损量较大，从而使配合间隙增大，降低了配合精度。上一页下一页返回10.2机械加工表面质量

对于过盈配合，若配合表面的表面粗糙度过大，装配时部分凸峰会被挤平，致使实际过盈量减小，降低了过盈配合表面的结合强度。因此在设计零件时，对于配合精度要求高的零件，应规定较小的表面粗糙度。4.表面质量对杭腐蚀性的影响由于粗糙表面的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀，或在粗糙表面的凸峰间容易产生电化学作用而引起电化学腐蚀，因此，减小表面粗糙度可提高零件的抗腐蚀性。零件表面层的残余压应力和一定程度的硬化有利于阻碍表面裂纹的产生和扩展，因而有利于提高零件的抗腐蚀能力;而表面残余拉应力则会降低零件的耐腐蚀性能。上一页下一页返回10.2机械加工表面质量10.2.3表面粗糙度的形成及影响因素机械加工时，表面粗糙度形成的原因大致归纳为两个方面，一是刀刃与工件相对运动轨迹形成表面粗糙度的几何因素;二是与被加工材料性质及切削机理有关的物理因素。

1.切削加工中影响表面粗糙度的因素

(1)几何因素。切削加工时，由于刀具切削刃的形状和进给量的影响，不可能把余量完全切除，而在工件表面上留下一定的残留面积，残留面积高度愈大，表面愈粗糙。用单刃刀切削时，残留面积只与进给量f、刀尖圆角半径r0、及刀具的主偏角Kz、副偏角kz'有关。尖刀切削时，如图10-21(a)所示:上一页下一页返回10.2机械加工表面质量

带圆角半径r0的车刀切削时，如图10-21(b)所示:

由公式可知，减小进给量f，减小主、副偏角，增大刀尖圆角半径，都能减小残留面积的高度H，也就减小了零件的表面粗糙度。进给量f对表面粗糙度影响较大，当f值较低时，有利于表面粗糙度的减小;而过小的进给量，将造成薄层切削，反而容易引起振动，使得表面粗糙度增大。增大刀尖圆角半径有利于粗糙度的减小，但同时会引起背向力Fp的增加，从而加大工艺系统的振动。因此在增大刀尖圆角半径时，要考虑背向力Fp的潜在因素。上一页下一页返回10.2机械加工表面质量

减小主、副偏角均有利于表面粗糙度的降低。但在精加工时，它们对粗糙度的影响较小。前角对表面粗糙度没有直接影响。但适当增大前角，刀具易于切入工件，塑性变形小，有利于减小表面粗糙度。

(2)物理因素。切削加工时，影响表面粗糙度的物理因素主要表现为以下几点。①积屑瘤和鳞刺。积屑瘤的生成、长大和脱落将严重影响零件表面粗糙度，在已加工表面上形成的鳞刺也使表面粗糙不平。②工件材料性质。切削脆性金属材料，往往出现微粒崩碎现象，在加工表面上留下麻点，使表面粗糙度值增大，因此降低切削用量并使用切削液有利于降低表面粗糙度。上一页下一页返回10.2机械加工表面质量

切削塑性材料时，往往因挤压变形而产生金属的撕裂和积屑瘤现象，增大了表面粗糙度。此外，金相组织对加工表面粗糙度也有较大的影响，低速切削时，片状珠光体组织较粒状珠光体能获得较小的表面粗糙度;在中速切削时，粒状珠光体组织则比片状珠光体好;在高速切削时，工件材料性能对表面粗糙度的影响较小。加工前，若对工件材料进行调质处理，降低材料的塑性，也有利于降低表面粗糙度。2.磨削加工中影响表面粗糙度的因素磨削加工是由砂轮的微刃切削形成的加工表面，单位面积上刻痕越多，且刻痕细密均匀，则表面粗糙度越小。上一页下一页返回10.2机械加工表面质量

磨削加工中影响表面粗糙度的因素有以下几种。

(1)磨削用量的影响。①砂轮速度。磨削时，砂轮磨粒大多为负前角，单位切削力比较大，故切削温度很高，磨削点附近的瞬时温度可高达800℃~1000℃，常引起表面烧伤、工件变形和产生裂纹。一般砂轮线速度v秒=30~50m/s，高速磨削，v砂=80~125m/s,v秒大，同一时间参与切削的磨粒数增加，每颗磨粒切去的金属厚度减小，残留面积也减小，粗糙度减小。②工件速度。在其他磨削条件不变的情况下，降低工件线速度，每颗磨粒每次接触工件时切去的切削厚度减小，残留面积也小，因而表面粗糙度小。上一页下一页返回10.2机械加工表面质量

但工件线速度过低时，工件与砂轮接触的时间长，传到工件上的热量增多，甚至会造成工件表面金属微熔，反而增大表面粗糙度，而且还增加表面烧伤的可能性。因此，通常取工件线速度等于