汽车零件的机械加工质量

1、第四章第四章 汽车零件的机械加工质量汽车零件的机械加工质量 第一节第一节 机械加工质量机械加工质量 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 第第三三节节 表面质量的形成及影响因素表面质量的形成及影响因素 本章要求：本章要求：要求学生了解机械加工质量的概念、产生加工误要求学生了解机械加工质量的概念、产生加工误 差的主要因素，了解表面质量的形成及影响因素，了解加工差的主要因素，了解表面质量的形成及影响因素，了解加工 质量对机器零件使用性能的影响。质量对机器零件使用性能的影响。重点掌握机床几何误差、重点掌握机床几何误差、 工艺系统受力变形对加工精度的影响工艺系统受力变形对

2、加工精度的影响 第第四四节节 表面质量对机器零件使用性能的影响表面质量对机器零件使用性能的影响 重点：重点：1 1加工精度及加工表面质量的概念；加工精度及加工表面质量的概念； 2 2机床几何误差、工艺系统受力变形对加工精度的影响；机床几何误差、工艺系统受力变形对加工精度的影响； 第一节第一节 机械加工质量机械加工质量 r加工精度加工精度: : 定义：零件加工后实际几何参数与理想零件几定义：零件加工后实际几何参数与理想零件几 何参数的相符合程度。何参数的相符合程度。 组成关系：几何形状精度组成关系：几何形状精度 相互位置精度相互位置精度 尺寸尺寸 精度精度 r加工误差加工误差: : 零件加工后实

3、际几何参数与理想零件几何参数零件加工后实际几何参数与理想零件几何参数 的不符合程度。的不符合程度。 在数值上在数值上 精度愈高，误差愈小；精度愈高，误差愈小； 精度愈低，误差愈大。精度愈低，误差愈大。 通过控制加工误差来保通过控制加工误差来保 证加工精度。证加工精度。 r加工经济精度加工经济精度 在正常生产条件下（采用符合在正常生产条件下（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）技术等级的工人，不延长加工时间） 所能保证的加工精度。所能保证的加工精度。 加工成本与加工误差之间的关系加工成本与加工误差之间的关系 v 经济精度范围经济

4、精度范围 在其上限处，再提高一点加工精在其上限处，再提高一点加工精 度（即减少加工误差），则成本度（即减少加工误差），则成本 将大幅度上升；将大幅度上升； 在其下限处，加工精度即使大幅在其下限处，加工精度即使大幅 度降低（即加工误差大幅度增度降低（即加工误差大幅度增 加），成本降低却很少。加），成本降低却很少。 通常，零件的加工精度越高，通常，零件的加工精度越高， 加工成本越高，生产率越低。加工成本越高，生产率越低。 第一节第一节 机械加工质量机械加工质量 第一节第一节 机械加工质量机械加工质量 尺寸精度尺寸精度 形状精度形状精度 位置精度位置精度 表面粗糙度表面粗糙度 波度波度 纹理方向纹理

5、方向 缺陷缺陷（划痕、裂纹、砂眼等）（划痕、裂纹、砂眼等） 加工精度加工精度 表面质量表面质量 表面微观几何形状表面微观几何形状 表面层的物理力学表面层的物理力学 性能和化学性能性能和化学性能 表层加工硬化表层加工硬化 表层金相组织变化表层金相组织变化 表层残余应力表层残余应力 加工质量包含的内容加工质量包含的内容 表面层杂质、裂缝、再结晶、晶表面层杂质、裂缝、再结晶、晶 粒间腐蚀粒间腐蚀 表面完表面完 整性整性 工艺系统：工艺系统：机械加工中，机床、机床夹具、刀具和工件形成的一机械加工中，机床、机床夹具、刀具和工件形成的一 个完整加工系统。个完整加工系统。 原始误差：原始误差：由机床、夹具、

6、刀具和工件组成的机械加工工艺系统由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统 直接产生的误差。直接产生的误差。 工艺系统的原始误差有：工艺系统的原始误差有： 1 1、加工前的误差、加工前的误差（原理误差、调整误差、工艺系统的几何误差、（原理误差、调整误差、工艺系统的几何误差、 定位误差）定位误差） 2 2、加工过程中的误差、加工过程中的误差（受力变形加工误差、受热变形加工误差）（受力变形加工误差、受热变形加工误差） 3 3、加工后的误差、加工后的误差（工件内应力引起的变形以及测量误差）（工件内应力引起的变形以及测量误差） 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 原

7、始误差原始误差 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 工艺系统静误差工艺系统静误差 主轴回转误差 导轨误差 传动链误差 一般刀具 定尺寸刀具 成形刀具 展成法刀具 试切法 调整法 外力作用点变化 外力方向变化 外力大小变化 机床几何误差机床几何误差 工艺系统几何误差工艺系统几何误差 原理误差原理误差 调整误差调整误差 测量误差测量误差 定位误差定位误差 工艺系统动误差工艺系统动误差 工艺系统受力变形工艺系统受力变形 工艺系统受热变形工艺系统受热变形 工艺系统内应力变形工艺系统内应力变形 刀具几何误差刀具几何误差 夹具几何误差夹具几何误差 机床热变形 工件热变形 刀

8、具热变形 d R R+ R R Y o D R Z 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 一、机床误差一、机床误差 机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：主轴回转误差、主轴回转误差、 导轨误差和传动链误差。导轨误差和传动链误差。 1 1、主轴回转误差、主轴回转误差 主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移主轴实际回转线对其理想

9、回转轴线的漂移。 a）轴向窜动 b）径向跳动 c）角度摆动 主轴回转误差的基本型式 端面形状和轴 向尺寸精度 圆度和圆 柱度误差 圆柱度误差 和端面的形 状误差。 Y Y o D R 水平面水平面 导轨水平面内直线度导轨水平面内直线度 A.水平面内，车床导轨的直线度误差会使被加工的工件产生水平面内，车床导轨的直线度误差会使被加工的工件产生 鼓形或鞍形。鼓形或鞍形。 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 2、机床导轨误差、机床导轨误差 （以卧式车床为例）（以卧式车床为例） （1）机床导轨的直线度）机床导轨的直线度 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工

10、精度的主要因素 B.在垂直平面内车床导轨的在垂直平面内车床导轨的 直线度误差，也同样能使工直线度误差，也同样能使工 件产生直径方向的误差，但件产生直径方向的误差，但 是这个误差不大（处在误差是这个误差不大（处在误差 非敏感方向）。非敏感方向）。 垂直平面垂直平面 导轨垂直面直线度导轨垂直面直线度 Z d R Z R d/2 设设2 = 0.1mm，R = 20 mm，则，则R = 0.00025 mm。 R(2)2/(2R) 注：对平面磨床、龙门刨床，垂直平面内导轨的直线度误差将注：对平面磨床、龙门刨床，垂直平面内导轨的直线度误差将 直接反映在工件上。直接反映在工件上。 第第二二节节 影响机械

11、加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 C.车床导轨的扭曲度，也会使刀尖相对工件产生偏移（在车床导轨的扭曲度，也会使刀尖相对工件产生偏移（在 水平方向和垂直方向的位移）。水平方向和垂直方向的位移）。 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 y（H /B） 车床车床H/B2/3， 外圆磨床外圆磨床H/B1 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 （2）机床主轴的旋转轴线与导轨的平行度）机床主轴的旋转轴线与导轨的平行度 主轴主轴 n 导轨导轨 f L 圆锥形 车床纵向导轨与主轴在水平面内有平行度误差车床纵向导轨与主轴在水平面内有平行度误

12、差 车床主轴旋转轴线与导轨在垂直面内不平行时，则工件表面被加车床主轴旋转轴线与导轨在垂直面内不平行时，则工件表面被加 工成双曲面回转体。工成双曲面回转体。 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 (3)成形运动间相对位置误差的影响成形运动间相对位置误差的影响 v车床横向导轨与主轴轴线有垂直度误差车床横向导轨与主轴轴线有垂直度误差 n f 工件端面产生内凹或外凸工件端面产生内凹或外凸 的平面度误差的平面度误差 例：例： 横向导轨与主轴夹角：横向导轨与主轴夹角： 平面度误差：平面度误差：=(d/2)*tan() 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的

13、主要因素 机床导轨误差产生的原因：机床导轨误差产生的原因： 加工制造方面；加工制造方面； 安装调整方面；安装调整方面； 导轨磨损方面。导轨磨损方面。 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 3.3.机床传动链误差机床传动链误差 机床传动链误差是指内联传动链始末两端传动元件间相对运机床传动链误差是指内联传动链始末两端传动元件间相对运 动的误差。动的误差。 1111 72 1 56 42 28 28 28 28 28 28 20 80 K d c b a f e i n差 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 1) 1) 提高传动元件，特别

14、是末端件的制造精度和装配精度。提高传动元件，特别是末端件的制造精度和装配精度。 2) 2) 减少传动件数目，缩短传动链，使误差来源减少。减少传动件数目，缩短传动链，使误差来源减少。 3) 3) 消除传动链中齿轮的间隙。消除传动链中齿轮的间隙。 4) 4) 采用误差校正机构采用误差校正机构 5 5）尽可能采用降速传动。）尽可能采用降速传动。 减小传动误差，可采取以下措施：减小传动误差，可采取以下措施： 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 二、刀具误差二、刀具误差 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 定尺寸刀具定尺寸刀具（钻头、绞刀等

15、）尺寸误差影响加工尺寸误差（钻头、绞刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差 成形刀具和展成刀具成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差形状误差影响加工形状误差 刀具磨损刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差影响加工尺寸误差或形状误差 四、夹具几何误差四、夹具几何误差 夹具误差影响加工位置精度。夹具误差影响加工位置精度。 与夹具有关的影响位置误差因素包括：与夹具有关的影响位置误差因素包括： 1 1）定位误差；）定位误差； 2 2）刀具导向（对刀）误差；）刀具导向（对刀）误差； 3 3）夹紧误差；）夹紧误差； 4 4）夹具制造误差；）夹具制造误差； 5 5）夹具安装误差；）夹具安装误差； L0.05 6F7

16、 10 F7 k6 20 H 7 g 6 Y Z 钻径向孔的夹具 三、工艺系统的受力变形三、工艺系统的受力变形 工艺系统在切削力、传动力、惯性力、夹紧力及重力作用工艺系统在切削力、传动力、惯性力、夹紧力及重力作用 下，产生的弹性变形和塑性变形，使工件产生几何形状误差和下，产生的弹性变形和塑性变形，使工件产生几何形状误差和 尺寸误差。尺寸误差。 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 （一）（一）工艺系统刚度工艺系统刚度 工件和刀具的工件和刀具的法向切削分力法向切削分力 与在与在总切削力总切削力的作用下，它们在的作用下，它们在 该方向该方向上的上的相对位移相对位移 的

17、比值的比值： p F xt y xt p xt y F k 注意：当注意：当 与与 方向相反时，为负刚度，应尽量避免。方向相反时，为负刚度，应尽量避免。 p F xt y 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 gjdjjjjc xt kkkk k 1111 1 （二）（二）机床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 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 变形随受力点变化规律变形随受力点变化规律 Y Ytj tj Y Ywz wz Y Ydj dj YY F Fp p A A AA B B BB C C CC Z Z L

18、L F FA AF FB B Y Yz z )( 111 22 xy kL x kL xL k Fy jc djwztj pjc 加工出的工件轴截面呈两端粗、中间细的鞍形：加工出的工件轴截面呈两端粗、中间细的鞍形： 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 影响机床部件刚度的因素影响机床部件刚度的因素 配合零件的接触刚度配合零件的接触刚度 接触表面间的名义压强的增量与接触变形的增量之比称为接触表面间的名义压强的增量与接触变形的增量之比称为接触接触 刚度刚度。零件表面越粗糙，形状误差越大，材料硬度低，接触刚。零件表面越粗糙，形状误差越大，材料硬度低，接触刚 度越小。度越

19、小。 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 机床薄弱零件的刚度机床薄弱零件的刚度 连接件的刚度连接件的刚度 外力超过压紧力产生的摩擦力外力超过压紧力产生的摩擦力 零件的间隙零件的间隙 采用空运转、预紧来克服。采用空运转、预紧来克服。 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 （三）（三）工件的刚度及其对加工精度的影响（车床上为例）工件的刚度及其对加工精度的影响（车床上为例） 1. 1.工件在两顶尖间装夹工件在两顶尖间装夹 由于工件变形，使工件加由于工件变形，使工件加 工后成鼓形工后成鼓形 工件受力变形引起的加工件受力变形引起的加 工误差工

20、误差 L xxL EI F y p w 22 )( 3 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 2.2.工件在卡盘中装夹工件在卡盘中装夹 喇叭口形喇叭口形 3.工件装夹在卡盘上并用后顶尖支承工件装夹在卡盘上并用后顶尖支承 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 a） b） 薄壁套夹紧变形 4.薄壁类零件薄壁类零件 （四）刀具（四）刀具的刚度及其对加工精度的影响的刚度及其对加工精度的影响 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 一般刀具，误差敏感方向刚度大，受力变形对加工精度影一般刀具，误差敏感方向刚度大，受力变

21、形对加工精度影 响不大。响不大。 钻头径向刚度低，钻头受力引起轴线弯曲、偏斜，导致加钻头径向刚度低，钻头受力引起轴线弯曲、偏斜，导致加 工孔的尺寸、形状和相互位置产生误差。工孔的尺寸、形状和相互位置产生误差。 镗孔镗孔 提高刀具刚度的措施：钻孔时采用钻套以提高钻头的刚度；镗提高刀具刚度的措施：钻孔时采用钻套以提高钻头的刚度；镗 孔时采用导向支承或专用镗模来提高镗刀杆的刚度。孔时采用导向支承或专用镗模来提高镗刀杆的刚度。 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 （五）工艺系统（五）工艺系统的刚度及其对加工精度的影响的刚度及其对加工精度的影响 误差复映：误差复映：在切削

22、加工中，由在切削加工中，由 于被加工表面的几何形状误差于被加工表面的几何形状误差 使加工余量发生变化或工件材使加工余量发生变化或工件材 料的硬度不均匀等因素引起切料的硬度不均匀等因素引起切 削力变化，使工艺系统受力变削力变化，使工艺系统受力变 形不一致，从而造成工件的加形不一致，从而造成工件的加 工误差。工误差。 m xt pp xtxt p xt p w k C aa k C k F k F yy)( 21 21 21 误差复映系数：误差复映系数： 1 xtm w k C 多次走刀：多次走刀： nz 21 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 第第二二节节 影响

23、机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 四、工艺系统的热变形四、工艺系统的热变形 1.工艺系统的热源工艺系统的热源 工艺系统热源工艺系统热源 内部热源内部热源 外部热源外部热源 切削热切削热 摩擦热摩擦热 环境热源环境热源 辐射热辐射热 2.工艺系统的热平衡工艺系统的热平衡 单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统 就达到了热平衡状态，而工艺系统的热变形也就达到某种程就达到了热平衡状态，而工艺系统的热变形也就达到某种程 度的稳定。度的稳定。 特征：各点温度将不再随时间而变化，只是其坐标位置特征：各点温度将不再随时间而变化，只是其

24、坐标位置 的函数。（稳态温度场）的函数。（稳态温度场） 3.机床热变形引起的加工误差机床热变形引起的加工误差 v 体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长 v 结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著 运转时间运转时间 / / h h 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5050 150150 100100 2 02 0 0 0 位移位移 / /mm 2020 4040 6060 8080 温升温升 / / YY XX 前轴承温升前轴承温升 车床受热变形车床受热变形 a a） 车床受热变

25、形形态车床受热变形形态b b） 温升与变形曲线温升与变形曲线 机床热变形特点机床热变形特点 车床热变形车床热变形 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 v 立铣（图立铣（图a a） a a）铣床受热变形形态）铣床受热变形形态 b b）外圆磨床受热变形形态）外圆磨床受热变形形态 c c）导轨磨床受热变形形态）导轨磨床受热变形形态 v 外圆磨（图外圆磨（图b b） v 导轨磨（图导轨磨（图c c） 其他机床热变形其他机床热变形 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 4.机

26、床热变形引起的加工误差机床热变形引起的加工误差 加工方法加工方法切屑切屑工件工件刀具刀具 车削车削5080%5080%1040%1040%5%5% 铣削铣削70%70%30%50%50%15%15% 磨削磨削4%4%80%80%12%12% 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 （1 1） 工件均匀受热工件均匀受热 5 5级丝杠累积误差全长应级丝杠累积误差全长应5m5m，可见热变形的严重性，可见热变形的严重性 53 1.171040014.710() 4.7() LLt mm m 式中式中 LL 长度热变形量；长度热变形量； L L 工件原有长度和直径；工件原有长

27、度和直径； 工件材料线膨胀系数；工件材料线膨胀系数； tt 温升。温升。 长度：长度： LLt 例：长例：长400mm400mm丝杠，加工过程温升丝杠，加工过程温升11，热伸长量为：，热伸长量为： 工件不均匀受热工件不均匀受热 此值已大于精密导轨平面度要求此值已大于精密导轨平面度要求 例例：高高600mm600mm，长，长2000mm2000mm的床身，的床身， 若上表面温升为若上表面温升为33，则变形量为：，则变形量为： 结果结果：加工时上表面升温，工件向上拱起，：加工时上表面升温，工件向上拱起， 磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。 H tL f l

28、 8 2 mm H tL f l 0275. 0 6008 32000101 . 1 8 252 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 体积小，热容量小，达到热平衡时间较短体积小，热容量小，达到热平衡时间较短 温升高，变形不容忽视（达温升高，变形不容忽视（达0.03 0.03 0.05mm0.05mm） 特点特点 变形曲线变形曲线 5 5、刀具热变形引起的加工误差、刀具热变形引起的加工误差 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 车刀的热伸长量与切削时间的关系车刀的热伸长量与切削时间的关系 五、工件内应力五、工件内应力 内应力：内应力：

29、指外部载荷去除后，仍残存在工件内部的应力。工指外部载荷去除后，仍残存在工件内部的应力。工 件若产生内应力，将处于不稳定状态，会逐渐变形。件若产生内应力，将处于不稳定状态，会逐渐变形。 1 1工件内应力产生的原因工件内应力产生的原因 毛坯制造和热处理过程中产生的内应力毛坯制造和热处理过程中产生的内应力 在铸、锻、焊及热处理过程中，由于零件壁厚不均匀，在铸、锻、焊及热处理过程中，由于零件壁厚不均匀， 使得各部分热胀冷缩不均匀，以及金相组织转变时的体积变使得各部分热胀冷缩不均匀，以及金相组织转变时的体积变 化，使毛坯内部产生相当大的内应力。化，使毛坯内部产生相当大的内应力。 第第二二节节 影响机械加

30、工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 冷校直产生的内应力冷校直产生的内应力 弯曲的工件（原来无内应力）要校直，常采用冷校直的工艺弯曲的工件（原来无内应力）要校直，常采用冷校直的工艺 方法。方法。 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 切削加工产生的内应力切削加工产生的内应力 切削过程中产生的力和热，使被加工工件的表面层变形，产生内切削过程中产生的力和热，使被加工工件的表面层变形，产生内 应力。应力。 2 2减少内应力的措施减少内应力的措施 合理设计零件结构合理设计零件结构 简化结构，壁厚均匀，减少尺寸和壁厚差，增大零件刚度。简化结构，壁厚均匀，减少尺寸和壁厚

31、差，增大零件刚度。 采取时效处理采取时效处理 自然时效处理（毛坯制造后，或粗加工后，精加工之前）自然时效处理（毛坯制造后，或粗加工后，精加工之前） 人工时效处理（高温时效在毛坯件或工件粗加工，低温时效人工时效处理（高温时效在毛坯件或工件粗加工，低温时效 在工件半精加工后）在工件半精加工后） 振动时效振动时效 合理安排工艺合理安排工艺 粗、精加工分开在不同的工序进行；粗、精加工分开在不同的工序进行； 切削时注意减小切削力；切削时注意减小切削力； 粗、精加工在一个工序中完成时，粗加工后松开工件，再粗、精加工在一个工序中完成时，粗加工后松开工件，再 用较小的力夹紧工件进行精加工。用较小的力夹紧工件进行精加工。 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响机械加工精度的主要因素 五、其他原因五、其他原因 （一）原理误差（一）原理误差 原理误差原理误差：由于采用近似的加工运动或近似的刀具轮廓所由于采用近似的加工运动或近似的刀具轮廓所 产生的加工误差。产生的加工误差。 （1 1） 采用近似的刀具轮廓形状：采用近似的刀具轮廓形状： 如模数铣刀铣齿轮。如模数铣刀铣齿轮。 （2 2） 采用近似的加工运动：如采用近似的加工运动：如滚切渐开线齿廓。滚切渐开线齿廓。 第第二二节节 影响机械加工精度的主要因素影响