内燃机制造工艺学第二章机械加工质量

1、第二章机械加工质量2.1机械加工精度 零件的质量：几何参数（形状、尺寸、表面粗糙度）、物理机械参数（强度、硬度等）、其它要求（耐磨、耐腐蚀性。密封性等）2.1.1加工精度和加工误差加工精度:零件加工后的实际几何参数（尺寸、位置和形状）与要求的理想几何参数的符合程度称为加工精度。公差等级表示。加工误差: 零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度称为加工误差。数值表示。2.1.2加工精度的内容尺寸精度: 指加工后零件表面本身及表面之间的实际尺寸值与理想值的接近程度。用标准公差等级来衡量，由公差表来查出。IT01、IT0、IT1至IT18。形状精度: 指零件表面的实际形状与理想形状的接近程度

2、。有六项：直线度、平面度、线轮廓度、面轮廓度、圆度、圆拄度 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。有八项：（定向）平行度、垂直度、倾斜度 （定位）同轴度、对称度、位置度 （跳动）圆跳动、全跳动2.1.3获得加工精度方法1.获得表面尺寸精度的方法试切法： 箱体零件孔系的试镗加工、精密量快的的手动研磨。调整法：动对刀（试切工件）静对刀（标准件和对刀块）在无心磨床上磨外圆、铣床上铣槽定尺寸刀具法 ：如钻、绞孔、拉刀拉孔自动控制法：如数控机床,P16图2-12.获得表面几何形状精度的方法：成形运动法 刀尖轨迹法：依靠刀具与工件作相对的成形运动。车圆拄面、刨平面成形刀具法：利用成形刀具

3、加工的方法。如车刀车螺纹、成形刀车退刀槽、成形车刀车曲柄轴径。展成法（范成法）：以一定形状的刀具与工件按一定速比关系作展成运动，被加工表面是刀刃在展成运动中形成的与光滑表面逼近的包络面。如滚齿、插齿。非成形运动法：人工检验和整修。如画线平台、机床导轨检修、模具的精加工3.位置精度的获得方法用工件加工表面进行安装找正的方法：一次安装、多次安装夹具安装2.2影响加工精度的因素及其分析2.2.1造成加工误差的因素分析工艺系统：机床、夹具、刀具和工件1.误差因素：原理误差：近似加工运动和刀具轮廓 （形状精度）机床、夹具、刀具的制造误差及其 加工前存在的误差因素 磨损 （尺寸和位置精度）工件的安装误差（

4、位置精度） 调整误差 （位置精度）加工中物理因素造成的误差 切削力等 工件、刀具变形切削热等 工件、刀具热变形加工后出现的误差 内应力 工件变形 度量误差2.加工误差的性质（P33.2.2.3第二部分加工误差综合分析）性质上分：系统性误差和随机性误差系统误差：加工误差的方向和大小保持不变或随时间按一定规律变化，成为系统误差。又可分为：常值系统误差和变值系统误差 常值系统误差:机床、夹具、刀具和量具本身的制造误差及磨损； 加工中刀具的调整及在恒力作用下的变形引起的 变值系统误差：机床、夹具、刀具等在热平衡前的热变形； 加工中刀具的磨损。随机性误差：即在相同的工艺条件下，加工一批零件时产生大小、方

5、向不同且无变化规律的误差。 原因：加工前毛坯或工件的本身误差，如：加工余量不均匀或材质软硬不等； 工件的定位误差； 机床热平衡后的温度波动及工件残余应力变形等说明：引起误差的因素很多，它们作用的情况又是错综复杂。 实践证明：在一般无某种优势因素影响的情况下，在机床上用调整法加工一批零件时得到的实验分布曲线符合正态分布曲线。2.2.2各种误差对加工精度的影响1.原理误差采用近似切削运动造成的误差 如：车削螺纹、活塞群部椭圆磨削时 图2.1空间复杂曲面的数控加工三坐标数控铣削，每次走刀行间距：s=r-球头刀半径；h-允许的表面不平度用近似的刀具轮廓造成的误差如用盘形铣刀铣齿加工时，理论上对同一摸数

6、、不同齿数的齿形应有相应的摸数铣刀，用一把铣刀加工同一摸数、齿数不同的齿轮基圆半径不同，齿形不同近似加工方法造成的误差 如用展成法滚齿加工时，因刀刃数有限，切削不连续包络线是折线图2.2铣齿时的齿形误差 图2.3滚齿时的加工原理误差2机床本身制造误差和磨损主要影响加工表面的几何形状精度、位置精度和表面粗糙度。原因：机床主轴的轴颈圆度误差极其之间的同心度误差；机床主轴颈孔圆度误差极其之间的同心度误差；轴承本身的误差。1)主轴回转误差：径向跳动、轴向窜动、纯角度摆动；图2.4主轴回转误差的三种基本形式纯径向跳动：原因：主轴径、轴承的圆度误差及其间隙引起加工表面的圆度误差。 车削外圆表面敏感方向：Y

7、轴方向Ry=y非敏感方向：Z轴方向 Rz=Z2/2R0 a.车床采用滑动轴承时主轴径有圆度误差 = 工件成圆度误差（椭圆形表面）轴承孔有圆度误差时= 对加工精度的影响很少 图2.6 机床主轴和轴承孔圆度误差对加工精度影响b.主轴采用滚动轴承时主轴径有圆度误差 = 对加工精度的影响很少轴承内环有圆度误差时=工件成椭圆形表面轴承外环有圆度误差时=对加工精度的影响很少在镗床镗孔时a.采用滑动轴承时 主轴径有圆度误差 = 对加工精度的影响很少轴承孔有圆度误差时=工件成圆度误差（椭圆形表面）b.采用滚动轴承时轴承内环的误差无影响主轴径有圆度误差 = 对加工精度的影响很少轴承外环对镗床的误差会部分地传给工

8、件=圆度误差主轴的轴向串动原因：轴承端面跳动、套筒端面与主轴回转轴线不垂直 不影响加工外圆和内孔的精度。图2.8 端面跳动引起的轴向串动加工端面时，会产生端面与轴线的垂直度误差，产生螺旋面：向前串动的半周右螺旋面； 向后串动的半周左螺旋面主轴的角度摆动：原因：主轴两主轴颈之间及床身主轴颈两孔之间同轴度误差单方向摆动车削外圆时仍可以得到一个外圆，但轴线有偏斜两方向或圆周方向摆动车削时仍可以得到一个外圆，但有圆柱度误差镗孔时=椭圆形的2)机床导轨的误差机床导轨的精度标准 一般对机床有以下几方面的要求：导轨在水平面的直线度导轨在垂直平面内的直线度导轨与导轨在垂直方向的平行度一般机床，要求导轨在二个面

9、内的直线度和两条导轨在垂直方向的平行度均为1000：0.02精密机床为: 1000：0.01机床导轨误差对加工精度的影响导轨在水平面的直线度误差 图2.9 导轨在水平面内的误差Y及产生的加工误差影响:加工轴类零件(车销、磨削)时,刀尖相对工件轴线距离发生y，为敏感方向，将会1：1转化为工件圆度误差； 导轨中段外凸时工件出现鼓形 导轨中段内凹时工件出现鞍形对平面磨床、龙门铣床没有影响。导轨在垂直面的直线度误差图2.10导轨在水平面内的误差Z及产生的加工误差影响:加工轴类零件(车销、磨削)时, 导轨中段下凹或上凸，使刀尖相对工件轴线发生Z，为非敏感方向，转化的工件圆度误差很小； 对平面导轨磨床、龙

10、门铣床、龙门铣床，Z为敏感方向，该方向的导轨直线度误差将会1：1转化为加工误差，造成加工面的“平面度误差”。前后导轨在垂直方向的平行度误差图2.11前后导轨的平行度误差 影响:当车床两导轨之间在垂直方向存在平行度误差时，使车床溜板在移动中发生倾斜，产生摆动，刀尖的运动轨迹变成一条空间曲线工件的圆柱度误差。车削、磨削外圆时： 车床：； 外圆磨床： 导轨的不均匀磨损图2.11导轨磨损的误差影响:当导轨有磨损下陷量时，将使车床溜板在水平面内产生偏差，刀尖在水平面内相对工件轴线产生y的位移，工件的圆柱度误差。 3)主轴轴线与导轨平行度误差当主轴回转轴线与导轨在水平面内不平行时圆锥体当主轴回转轴线与导轨

11、在垂直面内不平行时双曲面体 -双曲面方程图2.13 主轴回转轴线与导轨在垂直面内不平行4)传动链传动误差 要求各成形运动之间有准确的速度关系是由工件和切削刀具之间机床内传动链的精度来保证的，其误差将直接影响各成形运动之间速度关系精度。各形成运动之间速度关系精度对零件加工表面形状精度的影响 加工螺纹表面 会产生螺纹表面导程误差 滚齿机加工齿型造成齿轮齿型和圆周节距误差 减少传动链误差的措施；重要是消除或减少传动链误差的来源a. 提高机床内传动链各传动元件的加工和装配精度；b. 尽量采用传动链极短的内传动；c. 采用补偿传动的办法；即在机床内传动系统中加一个与传动误差大小相等、方向相反的误差，使它

12、们相互抵消。3.夹具误差误差的来源：制造、相互位置、磨损定位误差、加紧误差、对刀误差和导向误差、夹具的安装误差。对加工精度的影响：直接刀具和工件之间相互位置，对加工误差的影响取决于元件误差的方向和工件误差位置的敏感方向。 减少夹具误差的措施 提高夹具的制造精度，一般夹具的精度为工件公差的1/21/3； 采用耐磨材料的定位元件和导向元件。4.刀具制造误差和磨损刀具的制造误差对加工精度的影响一般刀具: 车刀、铣刀、刨刀、镗刀等不影响定尺寸刀具：钻头、绞刀、拉刀等直接影响尺寸成型刀具：成型车刀、铣刀及砂轮，插齿刀、滚齿刀等直接影响形状和尺寸误差刀具的磨损：切削性能变差、改变刀具和加工表面的相对位置工

13、件的加工精度 注意：应正确选择刀具材料及刀具切削部分的几何形状、切削量和冷却液。5.工件的定位和加紧误差（装夹误差）定位误差 定位元件的造误差同夹具误差工件在夹具中的正确位置是由夹具上的定位元件来确定的。夹具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得绝对准确，它们的实际尺寸（或位置）都允许在分别规定的公差范围内变动。同时，工件上的定位基准面也会有制造误差。工件定位面与夹具定位元件共同构成定位副，由于定位副制造得不准确和定位副间的配合间隙引起的工件最大位置变动量，称为定位元件制造不准确误差。 工件定位基准的误差位置误差定位基准、设计基 基准不重合误差 尺寸误差“基准不重合误差等于定位基准相对于设计基准在

14、工序尺寸方向上的最大变动量。” 注意：定位基准与设计基准不重合时所产生的基准不重合误差，只有在采用调整法加工时才会产生，在试切法加工中不会产生。基准不重合误差的方向和定位副制造不准确误差的方向可能不相同，定位误差取为基准不重合误差和定位副制造不准确误差的矢量和。安装误差 （4种） 工件加紧时工件刚性差，夹紧力不均匀，产生弹性变形所引起的误差夹紧时工件发生位移和偏移引起的误差工件定位基准面与夹具支撑面之间接触变形所引起的误差重力变形的影响6.工艺系统受力变形所引起的误差 机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，

15、使工件的加工精度下降。如上图a示，车细长轴时，工件在切削力的作用下会发生变形，使加工出的轴出现中间粗两头细的情况；又如在内圆磨床上进行切入式磨孔时，上图b，由于内圆磨头轴比较细，磨削时因磨头轴受力变形，而使工件孔呈锥形。工艺系统的静刚度a、刚度原始定义 J=y/ b、工艺系统刚度 JSp特点：相同作用力与位移之比 不同所产主的位移，不只是作用力本身引起的也包括其它不同方向作用力共同作用的结果 注意：工艺系统的刚度愈大，则受外力后引起的变形量就越小，所以提高工艺系统的刚度是提高加工精度，防止切削时发生振动的主要措施。 1) 工艺系统刚度及其对加工精度的影响 机床刚度及其对加工精度的影响 设工件、

16、刀具及夹具的刚度非常好，即变形可以忽略不计，机床的刚度差，则在切削力F的作用下，床头、尾架和刀架的位移量分别为：y头、y尾和y刀 由图知：y机=y刀+yx; 而yx= y头+K; 所以： 根据力矩平衡关系,对O点取矩得： 对O点取矩得： 由刚度定义得： ； 代入得： 当刀具位于工件中间位置时：X=L/2 机床的刚度： 注意：机床的刚度随刀具所处的位置不同而不同，是位置X的函数； 若床身、工件的刚度很大，变相可以忽略不计，则刀尖的运动轨迹是抛物线（形状误差）； 机床的刚度与相互配合件的接触刚度、结合件的夹紧力、摩擦力及间隙等有关。说明：机床部件由许多零件组成，机床部件刚度迄今尚无合适的简易计算方

17、法，目前主要还是用实验方法来测定机床部件刚度。分析实验曲线可知，机床部件刚度具有以下特点： 变形与载荷不成线性关系；加载曲线和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线。两曲线线间所包容的面积就是加载和卸载循环中所损耗的能量，它消耗于摩擦力所作的功和接触变形功；第一次卸载后，变形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；机床部件的实际刚度远比我们按实体估算的要小。工件刚度及其对加工精度的影响工艺系统中如果工件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，工件由于刚度不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大，

18、其最大变形量可按材料力学有关公式估算。最大弹性变形： 对两端X=0、X=L时，；对工件中点，X=L/2时，变形最大，为： 工件的刚度为： 注意：若使工件的弹性变形减小，要减小切削力，措施是减小切深；或增加工件的刚度，措施采用跟刀架、中心架。刀具刚度及其对加工精度的影响外圆车刀在加工表面法线（y）方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。镗直径较小的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。刀杆变形也可以按材料力学有关公式估算。 最大变形量为： 镗杆的刚度为：说明：L越大，镗杆的刚度越小，在切削力下镗杆的弹性变形越大，产生圆柱度误差。提高镗杆刚度是提高镗孔加工的重要措施。工艺系统刚度

19、的计算在机械加工过程中，机床、夹具、刀具和工件在切削力作用下，都将分别产生变形y机、y夹、y刀、y工，致使刀具和被加工表面的相对位置发生变化，使工件产生加工误差。工艺系统刚度的计算： 忽略y夹、y刀（设它们刚度很大）， 则：系统的刚度为： 说明： 工艺系统的刚度在沿工作轴线方向的各个位置时变化的，因而加工后各个截面上的尺寸也不相等。 2) 毛坯误差的复影规律误差复映：系统刚度不变，加工过程中，由于工件的毛坯加工余量发生变化、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，加工后造成工件的表面误差与毛坯表面相类似称。 从上图可以看出：； 由前述知：； 从切削原理知：则：误差复映系数：

20、说明：要使加工后工件误差小，保证：要毛坯误差小，常采用多次走刀来消除；要使系数小，采用提高系统刚度，切削系数小，进刀量S小。7.工艺系统热变形所引起的误差l 工艺系统热变形: 工艺系统会受到各种热的影响而产生的温度变形。工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形，从而破坏工件和刀具间正确的相对位置，造成加工误差。据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%70%不仅严重影响加工精度；影响加工效率的提高。实现数控加工后，加工误差不能再由人工进行补偿，全靠机床自动控制热变形的影响特别重要。工艺系统热变形的问题已经成为机械加工技术发展的一个重大研究课题。l 工艺系统的热平衡：当单位时间内

21、传入和散发的热量相等时，工艺系统达到了热平衡状态。工艺系统的热变形也就达到了某种程度的稳定。l 在生产中需注意：机床在开始工作的一段时间内，其温度场处于不稳定状态，其精度也是不稳定的，工作一定时间后，温度才逐渐趋于稳定，其精度也比较稳定。精加工应在热平衡状态下进行。工艺系统的热源内部热源a.切削热和磨削热被加工材料的塑性变形、前后刀面的摩擦功转化的热量=工件、刀具和切削车削时：Q切=FZVTk铣、刨削时传给工件30%以下钻孔、卧式镗床时 传给工件50%以下磨削时 工件84%；砂轮12%；磨削4% 磨削区的温度达1000以上此外，切削热还会在机床内部产生所谓的“二次热源”。如通过润滑油、冷却液的

22、循环而散布到油池等各处b.摩擦热 机床运动零件（轴承、齿轮、导轨）的摩擦转变的热量，轴承与轴、齿轮之间、溜板与床身、摩擦离合器等 特点：温升的部位不同c.转化热 机床动力源的热量消耗也会部分地转化为热。 电机温升、油马达、液压系统、冷却系统工作时所发出的热量外部热源环境温度辐射热 阳光、照明及取暖设备产生的辐射热工艺系统受热变形引起的加工误差机床受热变形引起的加工误差机床热变形会使机床的静态几何精度发生变化而影响加工精度，其中主轴部件、床身、导轨、立拄、工作台等部件的热变形，对加工精度的影响最大。机床各部分受热不同（电气；液压；摩擦；切削；环境）形成温差变形（膨胀）不一致破坏原几何精度影响工件

23、加工精度。各类机床其结构、工作条件及热源形式均不相同，因此机床各部件的温升和热变形情况是不一样的。l 车、铣、钻、镗类机床：产生热变形的主要热源是摩擦热及油池的发热主轴承及相连的床身温度主轴箱受热变形、主轴位置水平面内产生位移。此外，会使主轴对机床工作台产生位移和倾斜，造成工件的位置误差；导轨凸一台普通车床空转时，主轴热位移：水平面内在10um以下；垂直面内为180200uml 大型机床热变形龙门铣、刨、导轨磨床、立式车床：热源：导轨副的摩擦热，环境温度导轨磨床：砂轮架立柱；液压油池床身内，下高，中凸。导轨摩擦发热，床身的上部温度高于下部，导轨中凸变形。l 磨床类：热源：高速砂轮主轴轴承的发热

24、和液压系统的发热 冷却液带走的摩擦热床身平面磨床：砂轮架立轴；液压油池床身内。床身的下部温度高于上部，中凹变形。 导轨摩擦发热，床身的上部温度高于下部，导轨中凸变形。外圆磨床：砂轮架倾斜工件直径 工件头架倾斜锥度双端面磨床：砂轮架、冷却液床身中部中凸前端倾斜。l 措施： 空转预热；连续加工不停车； 充分冷却工件热变形对加工精度的影响l 对一些形状简单、对称的零件，如轴、套筒等，主要切削热，能较均匀地传如工件工件的尺寸精度、形状精度； l 精磨外圆时，受热膨胀尺寸缩小对用两顶针磨削零件时，两顶针不能伸缩，工件弯曲形状误差l 钻孔后立即扩、绞孔冷却后尺寸超差l 对刨削、铣削、磨削加工平面时，工件单

25、面受热，上下平面间产生温差几何形状误差如：加工狭长件，产生翘曲，见下图 措施：充分冷却；大直径砂轮， V；粗、精加工分开。刀具受热变形对加工精度的影响刀具热变形主要是由切削热引起的，切削加工时虽然大部分切削热又切削带走，传入刀具的热量并不多，但由于刀具体积小，热容量小，导致刀具切削部分的温升急剧升高，刀具热变形对加工精度的影响比较显著。车外圆时，车刀热变形会使工件产生圆拄度误差。连续切削（曲线A）时，刀具的热变形初期阶段增加很快，随后变得较缓慢，经过1020min后便趋于热平衡状态。此后，热变形变化量非常小。通常刀具总的热变形量可达0.030.05mm.l 需注意：应合理选择切削用量和刀具几何

26、参数，充分润滑，已减少切削热，降低切削温度。在生产中，注意：工艺系统的热变形对粗加工加工精度的影响一般不予考虑。精加工工艺系统热变形的影响不能忽视，保持热平衡状态。8.工件内应力所引起的加工误差基本概念内应力-当外载荷去除后，仍残留在工件内部的应力内应力的成因：内因：由于金属内部宏观的或者微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的外因：热加工或者冷加工l 温度的变化伴随着金相组织的变化l 冷热不均，金相组织变化l 切削加工，强烈的塑性变形引起表层应力几种产生内应力的工艺过程毛坯加工制造中产生的内应力 铸造、锻造、焊接和热处理过程中，因热胀冷缩不匀及金相组织的转变。冷加工带来的内应力冷较直、冷扎制

27、、冷压加工等，工件表面出现塑性变形，产生内应力。切削加工的附加应力 切除金属后，破坏了工件的原有应力平衡应力重新分布和再平衡； 高温、高压下，局部表面层因不均匀的塑变形而产生内应力。热处理过程中产生的内应力 各种热处理冷却过程中冷却速度不均匀引起的内应力；失效过程冷却阶段的二次残余应力消除内应力的措施 改变加工工艺和加工用量 人工失效和自然失效 敲击振动 合理设计结构 特殊加工手段9.测量误差和调整误差测量误差： 概念：是指实际尺寸（真值）与量具表示出的尺 寸（测量值）之差的差值精确测量是保证加工精度的基本条件。如滚动轴承的滚珠，精度：0.5um0.01 um 光波干涉测量原理 引起测量误差的

28、原因：量具与工件的相对位置不正确 在度量过程中使用度量力不一致引起量具的变形阿贝原则：零件的被测量线应与测量工具上的测量线重合或者在其延长线上称为阿贝原则。 外径百分尺、测深尺等符合；游标卡尺不符合温度的影响（工件、量具热变形）量具本身精度（制造、调整及磨损）人的因素： 读数误差 度量误差与度量方法、量具的精度有很大关系，量具精度一般控制在工件公差的1/101/3调整误差 是指在加工时，由于工艺系统没有调到应有的正确位置而产生的加工误差 包括：机床的调整；夹具的调整；刀具的调整 不同的调整方式有不同的误差来源试切法调整： 度量误差：试切调整过程中由于度量失误或不准而引起误差； 加工余量误差：最

29、小切削厚度太小，以至刀刃打滑；不起切削作用 微量进给误差：最后一刀容易出现爬行各机构调整： 机构的制造精度 机构的灵敏度 调整的准确性样件或样板调整： 样板本身的误差 对刀误差安装定位误差：2.1.3保证加工精度的途径1.常用保证加工精度的方法减少或消除原始误差法提高机床、夹具、量具的精度；控制工艺系统受热、受力变形等，主要误差原因决定措施。如：零件刚度低=减少零件受热变形 精密零件加工=提高机床的几何精度 有型面零件=减少成型刀具的形状误差及刀具的安装误差。误差补偿法 就是人为造就一种误差，去抵消加工中的误差，尽量使两者大小相等、方向相反，达到减少误差 误差转移法 机床加工精度达不到要求，在

30、工艺方法上、夹具上想办法，使机床的加工误差转移到不影响零件加工精度的方向上，也及非敏感方向上 。如普通镗床精镗箱体孔系就地加工法 如机床的就地修整、修整夹具的定位面等误差平均法 利用密切关系的表面如针阀等，相互比较、检查或配研，或者互为基准进行加工，使误差相互抵消。3.机械加工的经济精度 概念：是在正常生产条件下。完成某工序所能经济地达到的精度范围。同一种加工方法：B段精度范围一定，使最经济的 A段误差小，说明即使切削用量、精度提高很小，成本加工方法太粗，即使采取措施也难以达到高精度 A段即使加工精度要求很低，但加工成本降低很少，说明加工方法太细对不同加工方法：精度高于1时磨削；精度介于1、2

31、时精车；精度低于2时粗车。2.2.机械加工表面质量 任何机械加工所得到的零件表面，实际上都不是完全理想的表面，实践表明，机械零件的破坏一般都是从表面开始的。这说明零件的零件的表面质量是至关重要的，它对产品的质量有很大影响。研究加工表面质量的目的，就是要掌握机械加工的各种工艺因素对加工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。2.2.1表面质量的概念表面质量：指零件加工后表面层的状态。包括：1.表面粗糙度和波度表面粗糙度：即表面微观形状误差，其大小是以表面的轮廓的算术平均偏差Ra或微观不平度Rz表示。1， ， 产生的原因：切削刀痕、材料的塑性

32、变形、工艺系统的高频振动表面波度 即介于宏观形状误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差，其大小以波长和波高HB表示的。：110mm ; 产生的原因：工艺系统的低频振动、刀具的偏移 纹理方向：表面刀纹的方向伤痕：加工表面个别位置出现的缺陷2.表面的物理和机械性能 切削力和切削热的作用，使表面层的物理机械性能发生变化，主要有：表面的硬度 加工表面因塑性变形而产生的冷作硬化。 一般硬化层：0.050.3 mm ; 滚压可大几个mm。加工表面层的残余应力 加工表面层因力和热的作用产生的残余应力零件变形、表面曾产生裂纹疲劳强度表面层的金相组织 加工表面层因切削热和磨削热引起的金相组织的变化表面硬度3.

33、各种加工方法达到的表面粗糙度和加工精度表面粗糙度与加工精度的关系 说明：一定的加工精度要有相应的表面粗糙度，Ra太大尺寸精度。一般表面粗糙度Ra不超过尺寸公差的1/8。各种加工方法达到的表面粗糙度和公差等级 2.2.2表面纹理的形成及其影响因素1.表面粗糙度 对车削加工的表面（车、镗、铣），主要有：几何因素、塑性变形、机械加工振动等刀具几何因素车削 主要是刀刃的直线部分形成表面粗糙度，一般以残留面积高度H的大小来表示。影响残留面积高度H的因素有：进给量S、主偏角kr 、副主偏角kr刀尖圆弧半径。理论上： 刀具几何因素产生的粗糙度，主要取决于H， H粗糙度。理论粗糙度RaH/4，与实际有较大差距

34、。原因：切削过程中刀具刀口圆角及刀具后刀面的挤压与摩擦，金属材料发生塑性变形，使理想残留面积挤歪或沟纹加深；存在被加工材料的性质及切削基理有关的物理因素的变化。减少切削曾残留面积的措施：减少进给量S：减少刀具的主偏角kr 、副主偏角kr；增大刀具半径；提高刀具刃磨质量，避免刀口的粗糙度在工件表面“复映”；增大刀具前角，降低切 削过程中的振幅；切削液，选择合适的切 削液；控制磨损值VB。通常：增大kr或减小kr来减小Ra磨削：磨削表面是由沙粒形成的微刀刻划出的沟槽形成的。几何因素的影响：单位面积上的刻痕越多，痕越的深度越均匀Ra 还伴随着塑性变形；塑变Ra 沟槽的形成：措施：砂轮粒度要均匀；硬度

35、与工件材料相适应；提高砂轮的线速度；降低工件的速度与切削深度。物理因素切削用量的影响切削速度V、进给量S和切削深度t对Ra有不同程度的影响。 切削速度V： 积削瘤：当以中等切削速度切削塑性教好的金属时，切削区温度在300左右，刀尖附近的滞留层被冷却在前刀面上形成瘤状硬金属块称为积削瘤 积削瘤的现象及形成条件：在金属切削过程中，常常有一些从切削和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成一个非常坚硬的金属堆积物，其硬度是工件材料硬度的23倍，能够代替刀刃进行切削，并且以一定的频率生长和脱落。这种堆积物称为积削瘤。积削瘤对切削过程的影响及控制：保护刀具、增大前角、增大切削厚度、增大已加工表面的粗糙度

36、、加速刀具磨损。 显然，积削瘤有利有弊。粗加工时，对精度和表面粗糙度要求不高，如果积削瘤能稳定生长，则可以代替刀具进行切削，保护了刀具，同时减少了切削变形。精加工时，则绝对不希望积削瘤的出现。 切削铸铁等脆性材料时，Ra主要由脆性挤裂破碎而成，不产生切削溜，故切削速度对加工面的Ra影响很小。 切削深度：对加工面的影响不明显，但太小时，有可能吃不住刀，摩擦严重。 切削进给量S：一般S塑性变形Ra 刀具参数： a.前角r0的影响: r0塑变Rab.刃倾角S：S，塑变；S，FY，振动 c.后角a0 : a0切削变形、后刀面与被加工面的摩擦、切削区的温度Ra 但后角过大会减小刀刃强度和散热能力 c.前

37、后刀面的粗糙度d. 刀具的材料工件材料性能的影响 切削韧性大的时，易产生积削瘤，加工后表面粗糙度高 如低碳钢，加工后表面粗糙度高于中碳钢工件。 金相组织：工件金相组织越均匀、晶粒越细Ra 碳钢正火处理、合金刚的调质处理硬度、强度；细化晶粒切削性能冷却液的影响 作用：将切削热带走、润滑表面。减小塑性变形，可减少表面粗糙度 振动的影响 振动对表面质量的影响：表面粗糙度、影响刀具和机床的寿命、降低劳动生产率振动对机械加工有不利的一面，但又利用振动更好地切削：振动磨削、振动研抛、超声波加工 根据其产生的原因可分为： 自由振动、强迫振动、自激振动 .自由振动 自由振动是系统所受的外界干扰力去除后系统本身

38、的衰减运动。由于工艺系统受到一些偶然因素的作用（如外界传来的冲击力、机床传动系统中产生的非周期性冲击力、加工材料的局部硬点等引起的冲击力），系统的平衡被破坏，只靠其弹性恢复力来维持的振动属于自由振动。振动的频率就是系统的固有频率，由于系统的阻尼作用，这类振动会很快衰减。.强迫振动 强迫振动是由外界周期性干扰力所支持的不衰减振动。 产生强迫振动的原因： 机床方面：零件的制造精度不高及缺陷，如皮带接头太粗；刀具方面：多刃、多齿刀具切削时，刀口误差引起的振动；工件：加工表面有断续表面或表面余量不均、硬度不等；夹具方面：夹紧自锁性差、夹具体刚性差。 强迫振动的特点：a.强迫振动的稳温态过程是谐振动，只

39、要干扰力存在，振动不会被阻尼衰减掉，去除干扰力，振动停止；b.强迫振动的频率等于干扰力的频率；c.阻尼愈小，振幅愈大，谐波响应的轨迹范围大；d.在共振区，较小频率变化会引起较大振幅和频率的变化。 消除强迫振动的途径：a.消振与隔振 b.消除回转零件的不平衡；c.提高传动件的制造精度；d.提高系统刚度、增加阻尼。.自激振动外界没有干扰力，当由于外界偶然因素触发产生振动的频率接近工艺系统固有频率而引起的振动称为自激振动。切削过程中产生的自振，叫颤振。 自激振动的特点：a.自激振动是一种不衰减的振动；b.自激振动的频率接近或等于系统的固有频率；c.自激振动的形成或持续，是由于过程本身产生的激振和反馈

40、作用。 消除自激振动的途径：a.合理选择切削用量：车削中，V=3060m/mim稳定性最低，易产生自激振动；尽量选择较大的进给量；切削深度越大，切削力越大，愈易产生振动。b.合理选择刀具的几何参数：适当增大前角r0、主偏角Kr;c.提高机床和刀具的抗振性；提高工件安装刚度d.使用消振器装置。2.表面层金属的物理机械性能表面层的冷作硬化冷作硬化产生的原因：机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变、晶粒间产生剪切滑移，晶格被拉长或纤维化，甚至破碎；这些都会使表面金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化。冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，只要一有条件，金属的冷硬结构本能

41、地向比较稳定的结构转化，这些现象通称为弱化。 表面层的硬化程度： 用冷硬层的深度h和硬化程度 N来表示： 影响冷作硬化的主要因素：表面冷作硬化的程度取决于产生塑性变形的力、变形速度和变形时的温度。力越大，塑性变形越大硬化程度速度越大，塑性变形越不充分硬化程度变形时的温度：不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复程度。若变形时的温度超过（0.250.3）T熔时，即会产生金相组织的恢复部分甚至全部消除冷作硬化现象。 具体因素如下：a.刀具：刀具切削刃口圆角径向切削分力表面金属的塑变冷作硬化；前角r0塑变冷硬；后刀面磨损冷硬b.切削用量：切削速度V、进给量S切削速度V刀具与工件的作用时间塑

42、变硬化层深度和硬度进给量S：进给量S超过一定值时，S切削力表面层金属的塑变硬化程度；进给量S过小，刀刃圆弧对工件表面层单位长度上的挤压次数硬化程度。 被加工材料：工件材料的硬度、塑性硬化程度 高炭钢、低碳钢、有色金属减少措施： 采用较大前角和后角的刀具，并尽量减小其切削刃口半径； 采用较小的进给量和较高的切削速度； 冷却液； 限制后刀面的磨损程度表面层的残余应力机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生相互平衡的弹性力，这种力即为表面层的残余应力。主要有切削热和切削热引起的：冷态塑性变形、热态塑性变形冷态塑性变形 工件表面受到挤压和摩擦，表层产生伸长塑性变形，基体

43、仍处于弹性变形状态。切削后，表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力。 热态塑性变形 表层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。l 实际上残余应力是上述两方面的综合结果，如切削过程中，切削热不多，以冷态塑性变形为主，产生残余压应力；磨削时，磨削热较多，产生残余拉应力。3.表面层金相组织的变化切削时，加工表面的温度升高。当温度升高到超过金相组织变化的临界点时，就会引起金相组织的变化。在改变金属金相组织状态的同时，会在金属表面层的局部残生不同比容的金相组织。因金属的比容发生变化残余应力的产生。影响磨削时金相组织的变化因素有：工件材料、磨削温度、温度梯度及冷却速度。如磨削淬火钢：回火烧伤：若磨削区的温度

44、超过马氏体转变温度而未超过其相变临界温度（碳钢的临界温度为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、珠光体），称为回火烧伤。淬火烧伤：若磨削区的温度超过相变温度，在切削液急冷作用下，使表面最外层的金属出现二次淬火的马氏体组织，硬度较原来的回火马氏体高，其下层因冷却速度较慢，仍为硬度降低的回火组织。退火烧伤：若不用冷却液进行干磨时超过相变的临界温度，由于冷却速度较慢，使磨削后表面的硬度急剧下降，产生退回烧伤。对一些传热性能较差的高速钢、轴承钢等，在不能充分冷却时，容易出现相当深度的金相组织变化。减轻磨削热损伤的途径：尽可能减少磨削热的产生；改善冷却条件

45、，尽量减少传入工件的热量。 如：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；采用高效冷却方式等，都可降低磨削区温度，防止磨削烧伤。4.改善表面质量的方法合理选择加工方法和切削用量安排适当的热处理采用表面覆盖层电抛光采用喷丸、滚压、碾光等强化工艺2.3表面质量对零件使用性能的影响对零件的耐磨性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，还与摩擦副表面质量有关。表面粗糙度对耐磨性的影响表面层冷作硬化对耐磨性的影响对疲劳强度的影响表面粗糙度对疲劳强度的影响表面层冷作硬化对疲劳强度的影响表面层残余应力对疲劳强度的影响对接触刚度的影响对零件耐腐蚀性的影响表面粗糙度表面硬化层内应力对配合性质和配合精度的影响对密封性的影响2.4保证加工质量的新技术(不讲)练习题二一、判断题（正确的在