Ch5单元5 机械加工精度与表面质量的分析与控制

1、7/4/20221机械加工精度与表面质量的分析与控制单元单元 5 57/4/20222p了解加工误差、加工精度和表面质量的概念p掌握获得加工精度、表面质量的方法p了解影响加工精度、表面质量的各种因素，掌握减少加工误差，保证和提高零件机械加工质量的工艺措施及途径p了解用概率统计方法判断加工误差的性质及工序能力知识目标知识目标7/4/20223能根据生产实际加工出的零件，能统计分析影响零件加工精度与加工质量的工艺因素，并提出针对性的工艺改善措施和解决方案。技能目标技能目标7/4/20224相关知识相关知识一、加工精度与加工误差概述p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

2、参数的符合程度。符合程度越高，加工精度就越高。p由于机械加工中的种种原因，实际加工出的零件不可能做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，这种偏差即加工误差。7/4/20225p尺寸精度：尺寸精度是指加工后零件表面本身或表面之间的实际尺寸与理想尺寸之间的符合程度。p形状精度：形状精度是指加工后零件各表面的实际形状与表面理想形状之间的符合程度。p位置精度：位置精度是指加工后零件表面之间的实际位置与表面之间理想位置的符合程度。机械加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度三个方面：7/4/20226通过试切测量调整再试切，反复进行到工件尺寸达到规定要求为止获得加工精度的方法1.获得尺寸精度的方法

3、试切法n试切法：试切法：7/4/20227n调整法：调整法：先调整好刀具和工件在机床上的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持这个位置不变，以保证工件被加工尺寸。调整法1挡铁2、3、4定位元件5导向元件如在多刀车床或六角自动车床上加工轴类零件、在铣床上铣槽、在无心磨床上磨削外圆及在摇臂钻床上用钻床夹具加工孔系等。7/4/20228n定尺寸刀具法定尺寸刀具法：通过刀具的相应尺寸保证加工表面的尺寸精度。如在加工孔、键槽或成型面时，采用的具有一定尺寸精度的钻头、扩孔钻、铰刀、拉刀、槽铣刀等来保证工件的加工尺寸。n自动控制法自动控制法：将测量、进给装置和控制系统组成一个自动加工系统，通过自动测量和数字

4、控制装置，在达到尺寸精度后自动停止加工。如早期的机械液压控制系统和目前多采用的数控机床加工。7/4/20229v刀尖轨迹法：通过刀尖运动的轨迹来获得形状精度的方法。v成形法：利用成形刀具对工件加工获得形状精度的方法。v展成法：利用刀具和工件作展成切削运动进行加工的方法。2.获得形状精度的方法形状精度的获得方法（a）用轨迹法车削零件（b）用成形法刨削零件（c）成形法铣削齿轮（d）用展成法加工齿轮7/4/202210直接找正定位法直接找正定位法：用划针或百分表直接在机床上找正工件位置。划线找正定位法划线找正定位法：先按零件图在毛坯上划好线，再以所的划线为基准找正它在机床的位置。夹具定位法夹具定位法

5、：在机床上安装好夹具，工件放在夹具中定位。机床控制法机床控制法：利用机床的相对位置精度保证位置精度。3.获得位置精度的方法7/4/202211工件装夹方法a）磨孔时直接找正 b）刨削时直接找正7/4/202212工件装夹方法c）按划线找正装夹 d）用专用夹具装夹7/4/202213前面提到，加工误差是指零件在加工后的尺寸、形状或位置等实际几何参数与理想几何参数的偏离程度。二、工艺系统原始误差造成零件加工误差的原因是由于在加工前和加工过程中，工艺系统存在的许多误差因素，统称为原始误差原始误差。 机械加工时，机床、夹具、刀具和工件所构成的一个完整系统，称为工艺系统工艺系统。原始误差的分类见下页图所

6、示。为了保证零件的加工精度，必须采取措施消除或减少原始误差对加工精度的影响。（一）.工艺系统原始误差的概念7/4/202214原始误差的分类 7/4/202215原始误差分为：原始误差分为：与工艺系统初始状态有关的原始误差(几何误差)和与工艺过程有关的原始误差(动误差)。加工过程中可能出现的种种原始误差归纳如下:其中“几何误差几何误差”包括原理误差、定位误差、调整误差、刀具误差、夹具误差(工件相对于刀具在静止状态下已存在的误差)和机床主轴回转误差、机床导轨导向误差、机床传动误差(工件相对于刀具在运动状态下已存在的误差)，“动态误差”包括工艺系统受力变形(包括夹紧变形)、工艺系统受热变形、刀具磨

7、损、测量误差、工件残余应力引起变形等。7/4/202216原理误差是由于采用了近似的加工运动或近似的刀刃轮廓而产生的误差。因为它在加工原理上存在误差，故称原理误差。（二）.加工原理误差及其对加工精度的影响 原理误差在允许范围内是可行的。再如在用滚刀加工渐开线齿轮时，由于渐开线蜗杆制造较困难，就采用阿基米得蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线蜗杆，从而导致滚刀刀刃轮廓的误差。 例如，在车削或磨削模数螺纹时，由于其导程 ，式中有 这个无理因子，在用配换齿轮来得到导程数值时，无法得到完全准确的运动联系，因此就存在原理误差。mPn.7/4/202217工艺系统的几何误差主要是指机床、刀具和夹具本身在制造时所产

8、生的误差，以及使用中产生的磨损和调整误差。这类原始误差在加工过程开始之前已客观存在，并在加工过程中反映到工件上去，形成零件的加工误差。（三）.工艺系统的几何误差及对加工精度的影响7/4/202218下面主要分析对工件加工精度影响较大主轴回转误差、导轨导向误差和传动链的传动误差 。1.1.机床的几何误差机床的几何误差v机床的制造误差、安装误差以及使用中的磨损，都直接影响工件的加工精度，其中主要是机床主轴回转运动、机床导轨直线运动和机床传动链的误差。7/4/202219由于机床主轴部件在制造、装配、使用中等各种因素的影响，会使主轴产生回转运动误差。主轴的回转运动误差，直接影响被加工工件的加工精度，

9、尤其是在精加工时，机床主轴的回转误差往往是影响工件圆度误差的主要因索。如坐标镗床、精密车床和精密磨床，都要求主轴有较高的回转精度。a.主轴回转运动误差的概念。主轴回转运动误差的概念。主轴的回转运动误差。主轴的回转运动误差。7/4/202220其误差形式可以分解为:轴向窜动轴向窜动、径向跳动径向跳动和纯角度摆动纯角度摆动三种，如右图所示。主轴回转运动误差的基本形式 (d)7/4/202221p轴向窜动是指瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动，如图(a)所示。它主要影响工件的端面形状和轴向尺寸精度。p径向跳动是指瞬时回转轴线平行于平均回转轴线的径向运动量。如图(b)所示。它主要影响加工工件的圆

10、度和圆柱度。p纯角度摆动是指瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度做公转，如图(c)所示。它对工件的形状精度影响很大，如车外圆时会产生锥度。7/4/202222实际上，主轴回转误差的三种基本形式是同时存在的，如图 (d)所示。在主轴回转过程中，上述三种形式同时存在，以一种综合的结果表现出来，如上图 (d)所示，在任意瞬间，主轴的回转中心的实际位置是难以预测的，因此这种现象也称为主轴轴心漂移。 (d)7/4/202223b.主轴回转误差对加工精度的影响。主轴回转误差对加工精度的影响。主轴的轴向窜动：主轴的轴向窜动：主轴的纯轴向窜动对内、外圆表面的加工没有影响（非敏感方向），但是在加工端面时，会使

11、端面与内、外圆轴线垂直度受到较大影响，会使车出的端面与圆柱面不垂直。加工螺纹时，会出现螺距误差。因此，对机床主轴轴向窜动(端面圆跳动)的幅值通常都有严格的要求，如精密车床的主轴端面圆跳动规定为23m,甚至更严格。 7/4/202224主轴的径向圆跳动主轴的径向圆跳动：主轴的径向圆跳动会使工件产生圆度误差，加工方法不同，影响程度也不尽相同。车削时，主轴径向回转误差对工件的圆度影响很小，车削出的工件表面接近于正圆。主轴的径向圆跳动对车削的影响 7/4/202225主轴的径向圆跳动对镗削的影响 镗削时，镗刀镗出的孔是椭圆形的，其圆度误差为A。 7/4/202226主轴纯角向摆动：主轴纯角向摆动：主轴

12、纯角向摆动可区分为两种情况：一种是几何轴线相对平均轴线在空间成一定锥角的圆锥轨迹。若沿与平均轴线垂直的各个截面来看，相当于几何轴心绕平均轴心作偏心运动，因此，无论是车削还是镗削，都能获得一个正圆柱，只是各截面的偏心量有所不同而存在圆柱度误差。另一种是几何轴线在某一平面内作角向摆动，若其频率与主轴回转频率相一致，沿与平均轴线垂直的各个截面来看，车削表面是一个圆，以整体而论车削出来的工件是一个圆柱，其半径等于刀尖到平均轴线的距离；镗削内孔时，在垂直于主轴平均轴线的各个截面内都形成椭圆，就工件内表面整体来说，镗削出来的是一个椭圆柱孔。 7/4/202227纯角度摆动对镗孔的影响O 工件孔轴心线；Om

13、主轴回转轴心线 7/4/202228影响主轴回转精度的因素影响主轴回转精度的因素p轴回转轴心线的运动误差不仅和主轴部件的制造精度有关，而且还和切削过程中主轴受力、受热后的变形有关。但主轴部件的制造精度是主要的，是主轴回转精度的基础，它包含轴承误差、轴承间隙、与轴承相配合零件的误差等。 7/4/202229轴颈与轴套孔圆度误差引起的径向跳动 车床类机床主轴的受力对加工精度影响 镗床类机床主轴的受力对加工精度影响7/4/202230滚动轴承的几何误差（a）轴承孔与滚道有同轴度误差 （b）滚道不圆；（c）滚道有波度 （d）滚动体不圆7/4/202231v机床导轨是机床工作台或刀架等实现直线运动的主要

14、部件，其制造和装配精度是影响直线运动精度的主要因素。v导轨误差对零件的加工精度产生直接的影响。机床导轨误差。机床导轨误差。7/4/202232a.机床导轨在水平面内直线度误差的影响机床导轨在水平面内直线度误差的影响u如下页图所示，使刀尖在水平面内产生位移y，造成工件在半径方向上的误差R。此项误差对于普通车床和外圆磨床，直接反映在被加工工件表面的法向方向，该方向为车和外圆磨外圆时的误差敏感方向，对加工精度影响极大，使工件产生圆柱度误差（鞍形或鼓形）。7/4/202233车床导轨在水平面内的直线度误差引起的误差7/4/202234如下图所示，车床导轨在垂直方向存在误差Z，车削外圆时，刀尖位移Z ，

15、造成工件在半径方向上产生误差R 。b.机床导轨在垂直面内直线度误差的影响机床导轨在垂直面内直线度误差的影响可见其对零件的形状精度影响甚小(误差的非敏感方向)。RzR2)(27/4/202235但是，导轨在垂直方向上的误差对平面磨床、龙门刨床、铣床等将引起法向位移，其误差直接反映到工件的加工表面(误差敏感方向)，造成水平面上的形状误差。龙门刨床导轨在垂直平面内的直线度误差引起的误差 7/4/202236车床导轨间的平行度误差BHyRc.机床导轨间平行度误差的影响机床导轨间平行度误差的影响如右图所示，车床两导轨的平行度产生误差(扭曲)，使鞍座产生横向倾斜，刀具产生位移y，造成加工误差。刀架沿床身导

16、轨做纵向进给运动时，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生圆柱度误差。一般车床H/B2/3，外圆磨床HB，这项原始误差对加工精度的影响不容忽视。由于在纵向不同位置处的值不同，因此加工出的工件产生圆柱度误差（鞍形、鼓形或锥度等）。 7/4/202237当在车床类或磨床类机床上加工工件时，如果导轨与主轴轴心线不平行，则会引起工件的几何形状误差。d.机床导轨对主轴轴心线平行度误差的影响机床导轨对主轴轴心线平行度误差的影响u例如，车床导轨与主轴轴心线在水平面内不平行，会使工件的外圆柱表面产生锥度;在垂直面内不平行时，会使工件成马鞍形。7/4/202238机床的传动链误差机床的传动链误差对于某些加工方

17、法，为保证工件的精度，要求工件和刀具间必须有准确的传动关系。例如，车或磨螺纹、滚齿、插齿以及磨齿等，要求刀具和工件之间必须具有准确的传动比。u例如，车削螺纹时，要求工件每转一转，刀具走一个行程；在用单头滚刀滚齿时，要求滚刀每转一转，工件转过一个齿等。这些成形运动间的传动比关系是由机床的传动链来保证的，若传动链存在误差，必将引起工件的加工误差。车螺纹的传动示意图7/4/2022392.工艺系统的其他误差 v刀具误差刀具误差 p刀具误差主要指刀具的制造、磨损和安装误差等。p刀具对加工精度的影响因刀具种类不同而不同。p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。7/4/202240一般刀

18、具(如普通车刀、单刃锁刀、平面铣刀等)的制造误差，对加工精度没有直接的影响。但是，当刀具与工件的相对位置调整好以后，在加工过程中，刀具的磨损将会影响加工误差。定尺寸刀具(如钻头、铰刀、拉刀、槽铣刀等)的制造误差及磨损误差，均直接影响工件的加工尺寸精度。成形刀具(如成形车刀、成形铣刀、齿轮刀具等)的制造和磨损误差，主要影响被加工工件的形状精度。展成刀具（齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、花键滚刀等）加工时，切削刃的形状、尺寸及安装调整的误差对加工表面的形状精度都有影响。7/4/202241v系统调整误差系统调整误差 试切法调整的误差来源有:测量误差。测量工具的制造误差、读数误差及测量温度、测量力的变化所

19、引起的误差。进给机构的位移误差。在试切中，由于低速微量进给，常会出现进给机构的“爬行”现象，其结果是实际进给量比转动刻度盘的数值要偏大或偏小些，造成加工误差。最小切削厚度极限的影响。精加工时，试切的最后一刀余量总是很小的，当达到切削厚度的极限值时，则刀具只起挤压而不起切削作用。但正式切削时，加工余量较大，刀具正常切削，因此，工件尺寸就与试切时不同，产生了尺寸误差。7/4/202242用定程机构调整。在半自动机床、自动机床和自动线上，广泛采用行程挡块、靠模、凸轮等机构来保证加工精度。这些机构的制造精度和刚度，以及与之配合使用的离合器、控制阀等的灵敏度，就是调整误差的主要来源。用样件或样板调整。在

20、各种仿形机床、多刀机床和专用机床加工中，常采用样件或样板来调整刀具、机床与工件之间的相对位置。这时，样件或样板的制造误差、安装误差和对刀误差就是调整误差的主要来源。 p用调整法调整7/4/202243v夹具误差夹具误差 夹具误差主要是指定位误差指定位误差、夹紧误差夹紧误差、夹具安装误差夹具安装误差和对刀误差对刀误差以及夹具的磨损夹具的磨损等。p其中，夹具的定位元件、导向元件、夹具体的加工与装配误差，对被加工工件的位置精度有较大的影响。p夹具的磨损是逐渐而缓慢的过程，它对加工精度的影响不明显，但是应对其进行定期检测，以保持它们的几何精度。7/4/202244（四）工艺系统受力变形引起的加工误差

21、v由机床、夹具、刀具、工件组成的工艺系统，在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力等的作用下，会产生相应的变形(弹性变形及塑性变形)。这种变形将破坏工艺系统间已调整好的正确位置关系，从而产生加工误差。1.工艺系统的刚度p例如，车削细长轴时，工件在切削力作用下的弯曲变形，加工后会产生腰鼓形的圆柱度误差。7/4/202245细长轴车削时的受力变形7/4/202246切入式磨孔时磨头轴的受力变形又如在内圆磨床上切入式磨孔时，由于内圆磨头轴弹性变形，内孔会出现锥度误差。7/4/202247切削加工中，工艺系统的受力变形是一项重要的原始误差。这项误差的大小和系统在受到外力作用时的变形情况有直接关系，即取

22、决于系统的刚度k系统：系统系统yFkyy系统工艺系统受力变形总位移Fy刀刃沿加工表面的法线方向向（误差敏感方向上）的切削分力7/4/202248工艺系统由机床、夹具、刀具及工件组成，因此工艺系统受力变形总位移y系统是各组成部分变形位移的叠加，即 y系统=y机床y夹具y刀具y工件而而 ， ， ，机床机床yFky夹具夹具yFky刀具刀具yFky工件工件yFky则 工件刀具夹具机床系统系统kkkkyFky111117/4/2022492.工艺系统受力变形对加工精度的影响 切削力大小的变化对加工精度的影响误差复映现象 毛坯形状误差的复映1毛坯表面 2工件表面7/4/202250切削加工中，有2个原因引

23、起切削力的变化，从而造成工件的加工误差：其一是被加工材料硬度不均匀；其二是由于被加工表面的几何形状误差使得背吃刀量ap不断变化。如图所示，由于工件毛坯的圆度误差，使车削时刀具的切削深度在ap1与ap2之间变化，因此切削分力Fy也随切削深度ap的变化由最大变到最小，工艺系统将产生相应的变形，即由y1变到y2（刀尖相对于工件产生y1到y2的位移），这样就形成了被加工表面的圆度误差。这种现象称为误差复映。毛坯形状误差的复映1毛坯表面；2工件表面7/4/202251坯工设加工前毛坯的误差 ，加工后工件的误差 ，令误差复映系数：21appa 坯21yy 工 表达了工件加工误差和毛坯误差的关系，定量地反映

24、了毛坯误差在经过加工后减少的程度，它与工艺系统的刚度成反比，与径向切削力系数A成正比。7/4/202252误差复映规律是普遍存在的，加工前的各种误差总会以一定量值复映到加工后的工件上。但由于工艺系统总具有一定刚度，复映系数总小于1，经过多次走刀后， 逐渐减小，误差也逐渐减小，降到允许的范围内（一般经过23次走刀后即可达到IT7的精度要求）。多次走刀后， 的总值为123n要减少工件的复映误差，可增加工艺系统的刚度或减少径向切削力系数（例如增大主偏角、减少进给量、多次走刀等）。7/4/202253切削力作用点的变化对加工精度的影响切削过程中，即使切削力大小不变，切削力作用点的不断变化也会使工艺系统

25、刚度不断变化，引起工件的形状误差。 （a）内圆磨床 （b）单臂龙门刨床工艺系统受力变形随切削点位置变化的情况 7/4/202254工艺系统受力变形随切削点位置变化的情况 卧式镗床 7/4/202255惯性力、重力和夹紧力所引起的加工误差 惯性力引起的加工误差 由惯性力引起的加工误差：切削加工中，高速旋转的零部件(包括夹具、工件和刀具等)的不平衡将产生离心力Q。(a)离心力和切削分力方向相反时 (b)离心力和切削分力方向相同时7/4/202256（a）夹紧后（b）镗孔后（c）放松后（d）加过渡环后 夹紧变形引起的加工误差夹紧力引起的加工误差：在加工刚性较差的工件时，若夹紧不当会引起工件的变形而产

26、生形状误差。7/4/202257部件自重引起的加工误差 重力引起的加工误差：在工艺系统中，由于零部件的自重也会引起变形。例如，龙门铣床、龙门刨床刀架横梁的变形，锁床锁杆下垂变形等，都会造成加工误差。7/4/202258（五）工艺系统热变形引起的加工误差（五）工艺系统热变形引起的加工误差 v在机械加工过程中，工艺系统在各种热源的影响下，常产生复杂的变形，破坏了工艺系统间的相对位置精度，造成了加工误差。v据统计，在某些精密加工中，由于热变形引起的加工误差占总加工误差的40% 70%。v热变形不仅降低了系统的加工精度，而且还影响了加工效率的提高。7/4/202259引起工艺系统热变形的热源大致可分为

27、两类:内部热源内部热源和外部热源外部热源。1.工艺系统的热源及热平衡7/4/202260工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐升高。与此同时，它们也通过各种传热方式向周围散发热量。当单位时间内传入和散发的热量相等时，则认为工艺系统达到了热平衡。机床开动后温度缓慢升高，热变形随之增大，经过一段时间温度趋于稳定，其热变形也就趋于稳定。处于稳定温度场时引起的加工误差是有规律的，因此精密及大型工件应在工艺系统达到热平衡后进行加工。7/4/202261机床受热源的影响，各部分温度将发生变化。由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件将发生不同程度的热变形，破坏了机床原有的几何精度，从而引起了加工

28、误差。2.机床热变形引起的加工误差p由于各类机床的结构和工作条件相差很大，不同类型的机床，其主要热源各不相同，所以引起机床热变形的形式也各不相同。7/4/202262p车床类机床的主要热源是主轴箱中的轴承、齿轮、离合器等传动副的摩擦使主轴箱和床身的温度上升，从而造成了机床主轴抬高和倾斜。p对大型机床，如导轨磨床、外圆磨床、龙门铣床等长床身部件，一般由于温度分层变化，床身上表面比床身的底面温度高而形成温差，因此床身将产生弯曲变形。7/4/202263(a)车床;(b)铣床;(c)立式平面磨床;(d)双端面磨床几种机床的热变形趋势下图所示为几种机床热变形的趋势。7/4/202264p轴类零件在车削

29、或磨削时，一般是均匀受热，温度逐渐升高，其直径也逐渐胀大，胀大部分将被刀具切去，待工件冷却后则形成圆柱度和直径尺寸的误差。3.工件热变形引起的加工误差p细长轴在顶尖间车削时，热变形将使工件伸长，导致两顶尖间轴向压力增大，易引起工件的弯曲变形，加工后将产生圆柱度误差。因此，有经验的车工在切削期间会松开尾顶尖，重新调整顶尖与工件之间的压力，以减小热变形对加工精度的影响。7/4/202265p精密丝杠磨削时，工件的受热伸长会引起螺距的累积误差。p床身导轨面的磨削，由于单面受热，与底面产生温差而引起热变形，使磨出的导轨产生直线度误差。p当粗精加工时间间隔较短时，粗加工时的热变形将影响到精加工，工件冷却

30、后将产生加工误差。p在加工铜、铝等线膨胀系数较大的有色金属时，其热变形尤其明显，必须引起足够的重视。7/4/202266p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，从而导致工件向上凸起，中间切去的材料较多，冷却后被加工表面呈凹形。 薄板磨削前的弯曲变形及其计算 7/4/202267p例如，用高速钢刀具车削时，刃部的温度高达700 800，刀具热伸长量可达0. 030.05 mm，因此对加工精度的影响不容忽略。4.刀具热变形引起的加工误差p切削热虽然大部分被切屑带走或传入工件，传到刀具上的热量不多，但因刀具切削部分质量小(体积小)，热容量小，所以刀具切削部的温升大。7

31、/4/202268图示为车刀车削时的热变形与切削时间的关系曲线。车刀热变形曲线 当车刀连续车削时，车刀变形情况如曲线A所示，经过1020 min热平衡，此时车刀变形的影响很小;当车刀停止切削后，车刀冷却变形过程如曲线B所示;当车削一批短小轴类零件时，由于需要装卸工件而时断时续，车刀进行间断切削，热变形在范围内变动，其变形过程如曲线C所示。7/4/202269p零件在没有外加载荷的情况下，仍然残存在工件内部的应力称内应力或残余应力。p工件在铸造、锻造及切削加工后，内部会存在各种内应力。p零件内应力的重新分布不仅影响零件的加工精度，而且对装配精度也有很大的影响。p内应力存在于工件的内部，而且其存在

32、和分布情况相当复杂，下面只做一些定性的分析。（六）工件内应力引起的误差7/4/202270铸、锻、焊等毛坯在生产过程中，由于工件各部分的厚薄不均，冷却速度不均匀而产生内应力。1.毛坯的内应力铸造内应力及其变形 7/4/202271p细长的轴类零件，如光杠、丝杠、曲轴、凸轮轴等在加工和运输中很容易产生弯曲变形，因此大多数在加工中安排冷校直工序，这种方法简单方便，但会带来内应力，引起工件变形而影响加工精度。2.冷校直引起的内应力7/4/202272如图所示，一根无内应力向上弯曲的长轴，当中部受到载荷F作用时，将产生内应力，其轴心线以上产生压应力、轴心线以下产生拉应力（图（b），两条虚线之间是弹性变

33、形区、虚线之外是塑性变形区。当工件去掉外力后，工件的弹性恢复受到塑性变形区的阻碍，致使内应力重新分布（图（c）。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，工件将重新产生弯曲变形。 因此，对于精密零件的加工是不允许安排冷校直工序的。校直引起的内应力7/4/202273提高主轴部件（特别是轴承）的制造精度。提高主轴部件（特别是轴承）的制造精度。 主轴部件制造时，提高主轴轴颈、箱体支承孔等表面的加工精度和装配精度。对主轴部件进行良好的维护保养以及定期维修。对主轴部件进行良好的维护保养以及定期维修。p例如，在外圆磨床上采用固定顶尖磨削外圆柱面时，为避免工件头架主轴回转

34、误差的影响，工件采用两个固定顶尖支承，主轴只起传动作用，工件的回转精度完全取决于顶尖和中心孔的形状误差和同轴度误差，提高顶尖和中心孔的精度要比提高主轴部件的精度容易且经济得多。为减少主轴的回转精度对工件精度的影响，也可采取措施为减少主轴的回转精度对工件精度的影响，也可采取措施使其不反映到工件上去。使其不反映到工件上去。提高主轴回转精度的措施提高主轴回转精度的措施四。减少各类误差对加工影响的措施四。减少各类误差对加工影响的措施7/4/202274外圆磨床上采用固定顶尖磨削外圆柱面 7/4/202275p又如，在镗床上加工箱体类零件上的孔时，可采用前、后导向套的镗模，刀杆与主轴浮动联接，所以刀杆的

35、回转精度与机床主轴回转精度也无关，仅由刀杆和导套的配合质量决定。镗模镗孔 7/4/202276提高导轨导向精度的措施提高导轨导向精度的措施 p合理的导轨形状p合理的导轨组合7/4/202277减少传动链中的元件数目，缩短传动链，以减少误差来源。提高传动元件，特别是末端传动元件的制造精度和装配精度。传动链齿轮间存在间隙，同样会产生传动链误差，因此要消除间隙。采用误差校正机构来提高传动精度。减少传动链误差对加工精度影响的措施减少传动链误差对加工精度影响的措施7/4/202278u当零件产生弯曲变形时，如果变形较小，可加大加工余量，利用切削加工方法去除其弯曲度，这时要注意切削力的大小，因为这些零件刚

36、度很差，极易受力变形;如果变形较大，则可用热校直的方法，这样可减小内应力，但操作比较麻烦。7/4/2022793.3.减小工艺系统力变形，提高加工精度的措施减小工艺系统力变形，提高加工精度的措施 （1）提高连接表面的接触刚度n零件表面总是存在着宏观和微观的几何误差，连接表面之间的实际接触面积只是名义接触面积的一部分，在外力作用下，这些接触处将产生较大的接触应力，引起接触变形。因此，提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。7/4/202280这样可以消除配合面间的间隙，而且还能使零部件之间有较大的实际接触面，减小受力后的变形量。预加载荷法常在各类轴承的调整中使用。p通过预加载荷消除配合面间的间隙。

37、p改善工艺系统主要零件接触表面的配合质量；常用的方法是改善工艺系统主要零件接触表面的配合质量，如机床导轨副的刮研，配研顶尖锥体与主轴和尾座套筒锥孔的配合面，研磨加工精密零件用的顶尖孔等，都是在实际生产中行之有效的工艺措施。7/4/202281加工细长轴采用的中心架与跟刀架 （2）提高工件支承刚度，减少工件受力变形 切削力引起的加工误差，往往是由于工件本身刚度不足或工件各个部位结构不均匀而产生的。特别是加工叉类、细长轴等结构的零件，非常容易变形，在这种情况下，提高工件的刚度就是提高加工精度的关键。其主要措施是缩小切削力作用点到工件支承面之间的距离，以增大工件加工时的刚度，如车削细长轴时采用中心架

38、或跟刀架以增加工件的刚度。7/4/202282在切削加工中，有时由于机床部件刚度低而产生变形和振动，影响加工精度和生产率的提高，所以加工时常采用一些辅助装置以提高机床部件的刚度。（3）提高机床部件刚度，减小受力变形。下图 (a)为在转塔车床上采用固定导向支承套， (b)为采用转动导向支承套，并用加强杆与导向套配合以提高机床部件刚度的示例。提高机床部件刚度的装置 (a)采用固定导向支承套 (b)采用转动导向支承套1-固定导向支承套;2、6-加强杆;3、4-转塔刀架;5-工件;7-转动导向支承套7/4/202283合理装夹工件，减小夹紧变形。p对于薄壁零件的加工，夹紧时必须特别注意选择适当的夹紧方

39、法，否则将会引起很大的形状误差。如前述薄壁套筒的加工，采用开口过渡环或专用卡爪，使夹紧力均匀分布在套筒上，从而减少了夹紧变形。7/4/202284在大多数情况下，热的作用大于力的作用。特别是高速切削、强力切削、磨削等，热的作用占主要地位。磨削加工中，表层拉应力严重时会产生裂纹。3.工件切削时的内应力切削加工形成的力和热会使被加工表面产生塑性变形，也能引起内应力，并在加工后引起工件变形。 7/4/202285p机床运转一段时间之后，各部件传入的热量和散失的热量基本相等而达到热平衡状态，变形趋于稳定。p机床达到热平衡状态之前，机床变形不定，对加工精度影响较大，因此精密加工应在机床处于热平衡之后进行

40、。改善热变形影响措施一改善热变形影响措施一7/4/202286在切削区施加充足的切削液；提高切削速度或进给量，以减少传入工件热量；粗、精加工分开，使粗加工的余热不带到精加工工序中；刀具和砂轮勿让过分的磨钝才进行刃磨和修正，以减少切削热和磨削热；使工件在夹紧状态下有伸缩的自由（如采用弹簧后顶尖等）。为了减少工件热变形对加工精度的影响，可采取下列措施为了减少工件热变形对加工精度的影响，可采取下列措施2：7/4/2022875.减少工艺系统热变形的主要途径 通过合理选择切削用量和刀具角度来减少切削热。通过合理选择切削用量和刀具角度来减少切削热。粗加工时热变形对加工精度的影响不大，可以选用较大切削用量

41、提高效率。 从结构和润滑方面着手改变摩擦特性。从结构和润滑方面着手改变摩擦特性。采用静压轴承、低温动压轴承、低黏度润滑油、循环冷却润滑、油雾润滑等措施，减少主轴变速系统、主轴轴承、摩擦离合器、丝杠副、导轨副等运动副的摩擦热。 分离热源。分离热源。如电动机、油箱、变速箱等尽可能移出，以减少对主机的影响。也可以用隔热材料把发热部分和机床大件分隔开，如使用隔热垫或隔热器。（1）减少发热和隔离热源（2）冷却与散热（3）控制温度变化7/4/202288 合理设计零件的结构。合理设计零件的结构。在零件结构设计中，尽量减少零件各部分壁厚的差别，增大零件的刚度；焊接件应使焊缝均匀布置，坡口形状合理等。4.减少

42、或消除内应力的措施 尽量不采用冷校直工艺，对精密零件应严禁使用冷校直。尽量不采用冷校直工艺，对精密零件应严禁使用冷校直。可以用热校直或加大余量多次车削来消除弯曲变形。7/4/202289 合理安排时效及其他去应力的热处理。合理安排时效及其他去应力的热处理。 常用的热处理方法有自然时效、人工时效、振动时效、去应力退火等。自然时效是在毛坯制造之后，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，使工件的内应力逐渐消除。这种方法效果好，但需要时间长(一般要半年至五年)。人工时效是将工件放在炉内加热到一定温度，再随炉冷却以达到消除内应力的目的。这种方法对大型零件需要一套很大

43、的设备，其投资和能源消耗较大，因此这种方法多用于中小型零件。振动时效是一种消除内应力、减小变形和保持尺寸稳定的新方法。它是以激振的形式将振动的机械能加到含大量内应力的工件内，引起工件内部晶格变化以消除内应力，一般用几十分钟便可消除内应力，适用于大小不同的铸件、锻件和焊接件毛坯及有色金属毛坯。这种方法不需要庞大的设备，所以比较经济、简便，且效率高。7/4/202290如让粗、精加工分开在不同工序中进行，粗加工后有一定时间让内应力重新分布，以减少对精加工的影响。加工大型工件时，由于粗、精加工往往在一个工序中完成，此时应在粗加工后松开工件，使工件能够自由变形，然后再用较小的夹紧力夹紧工件，进行精加工

44、。 合理安排工艺过程。合理安排工艺过程。7/4/202291保证和提高加工精度的方法，大致可概括为以下几种：减少误差法减少误差法、误差补偿法误差补偿法、误差分组法误差分组法、误差转移法误差转移法，就地加工法就地加工法以及误差平均法误差平均法等。三、保证机械加工精度的方法7/4/202292这种方法是生产中应用较广的一种方法。它是在查明产生加工误差的主要因素之后，设法消除或减少。1.1.减少误差法减少误差法p例如，细长轴的车削，现在采用厂“大走刀反向车削法”，基本消除了轴向切削力引起的弯曲变形。若辅之以弹簧顶尖，则可进一步消除热变形引起的热伸长的危害。p再如，薄片磨削中，由于采用了弹性加压和树脂

45、胶合加强工件刚度的办法，使工件在自由状态下得到固定，解决了薄片零件加工平面度不易保证的难题。7/4/202293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。当原始误差是负值时人为的误差就取正值，反之，取负值，尽量使两者大小相等方向相反。或者，利用一种原始误差去抵消另一种原始误差，也是尽量使两者大小相等，方向相反，从而达到减少加工误差，提高加工精度的目的。2.2.误差补偿法或误差抵消法误差补偿法或误差抵消法7/4/202294例如，用预加载荷法精加工磨床床身导轨，借以补偿装配后受部件自重而产生的变形。 磨床床身是一个狭长结构，刚性比较差。虽然在加工时床身导轨的各项精度

46、都能达到要求，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的缘故。 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，以保持导轨高的精度。7/4/202295在加工中，由于上道工序“毛坯”误差存在，造成了本工序的加工误差由于工件材料性能改变，或者上道工序的工艺改变(如毛坯精化后，把原来的切削加工工序取消)，引起毛坯误差发生较大的变化。这种毛坯误差的变化，对本工序的影响主要有两种情况:一是误差复映，引起本工序误差;二是定位误差扩大，引起本工序误差。3.3.误差分组法误差分组法解决这个

47、问题，最好是采用分组调整均分误差的办法。解决这个问题，最好是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这种办法的实质就是把毛坯按误差的大小分n n组，每组组，每组毛坯误差范围就缩小为原来的毛坯误差范围就缩小为原来的1/n1/n。然后按各组分别调。然后按各组分别调整加工。整加工。7/4/202296例如，某厂生产Y7520 W齿轮磨床交换齿轮时，产生了剃齿时心轴与工件定位孔的配合问题。 配合间隙大了，剃后的工件产生较大的几何偏心，反映在齿圈径向跳动超差。同时，剃齿时也容易产生振动，引起齿面波度，使齿轮工作时噪声较大。 因此，必须设法限制配合间隙，保证工件孔和心轴间的同轴度

48、要求。 由于工件的孔已是IT6级精度，不宜再提高。 为此，采用了多挡尺寸的心轴，对工件孔进行分组选配，减少由于间隙而产生的定位误差，从而提高了加工精度。7/4/202297p误差转移法实质上是转移工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等。p误差转移的实例很多，如当机床精度达不到零件加工要求时，常常不是一味提高机床精度，而是在工艺上或夹具上想办法，创造条件，使机床的几何误差转移到不影响加工精度的方面去。4.4.误差转移法误差转移法7/4/202298当机床主轴与工件主轴之间用浮动连接以后，机床主轴的原始误差就被转移掉了。在箱体的孔系加工中，用坐标法在普通锁床上保证孔系的加工精度，其要点就是采用了精

49、密量棒、内径千分尺和百分表等进行精密定位。这样，锁床上因丝杠、刻度盘和刻线尺而产生的误差就不反映到工件的定位精度上去了。例如，磨削主轴锥孔保证其和轴颈的同轴度，不是靠机床主轴的回转精度来保证，而是靠夹具保证。7/4/202299v在加工和装配中有些精度问题，牵扯到零、部件间的相互关系，相当复杂，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”的方法，就可能很方便地解决了看起来非常困难的精度问题。5.“5.“就地加工就地加工”法法例如，六角车床制造中，转塔上六个安装刀架的大孔，其轴心线必须保证和主轴旋转中心线重合，而六个面又必须和主轴中心线垂直。7/4/2022100

50、五、机械加工表面质量机械加工表面质量是指零件加工后的表层状态，它包括表表面层的几何形状面层的几何形状和物理力学性能物理力学性能两个方面。（一）、机械加工表面质量的概念零件的磨损、腐蚀和疲劳损坏都发生在零件的表面，或是从表面层开始的。因此，设法改善零件已加工表面质量，对提高零件的使用性能和寿命具有重要作用。7/4/2022101表面层的几何形状包括:表面粗糙度表面粗糙度、表面波度表面波度、表面加表面加工纹理工纹理以及表面裂纹、气孔、划痕表面裂纹、气孔、划痕等，其中表面粗糙度为主要方面。1.表面层的几何形状p表面粗糙度表面粗糙度是指加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。它是由所采

51、用的加工方法或其他因素形成。7/4/2022102表面几何特征的组成7/4/2022103v零件在加工过程中，表面层金属在刀具的切割和挤压作用下产生强烈的塑性变形，使表面层材料的强度、硬度提高的现象称为表面层的冷作硬化。v表面层的冷作硬化在一定程度上可以提高零件的耐磨性和疲劳强度，但过度的加工硬化会使表面层变脆，产生显微裂纹，降低材料的力学性能。加工硬化还会造成后道工序加工困难，刀具磨损加剧。2.表面层的物理力学性能表面层物理力学性能主要包括以下三个方面。(1)(1)表面层冷作硬化表面层冷作硬化( (或称加工硬化或称加工硬化) )7/4/2022104v在切削加工过程中，由于切削变形和切削热的

52、影响，在材料表层与材料基体间产生的弹性应力，称为表面层的残余应力表面层的残余应力。(2)(2)表面层的残余应力表面层的残余应力v残余应力分为残余拉应力和残余压应力。v残余拉应力易使已加工表面产生裂纹，降低疲劳强度。v残余压应力在一定程度上有利于提高零件的疲劳强度。v一般切削加工产生的是残余拉应力，表面滚压加工或喷丸处理等会在表面产生残余压应力。v它是指表面层因切削热(如磨削加工)使工件表层金相组织发生变化，导致工件表层金属的硬度、耐磨性下降。(3)(3)表面层金相组织的变化表面层金相组织的变化7/4/2022105v表面粗糙度对零件的耐磨性影响较大。v一般表面粗糙度值越大，零件表面接触时的实际

53、接触面积越小，接触面的压强越大，表面易磨损。但是，表面粗糙度值也不能过小，否则不利于润滑油的储存，造成干摩擦，接触面之间容易发生分子钻结，反而使耐磨性下降。v表面层的加工硬化会使工件表面硬度提高，从而使零件的耐磨性提高。但是，过度的加工硬化会使表面层变脆，组织疏松，甚至产生显微裂纹和表层金属剥落现象，使耐磨性下降。（二）、表面质量对产品使用性能的影响1.1.表面质量对耐磨性的影响表面质量对耐磨性的影响7/4/2022106v金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面和表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响很大。v在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲

54、劳裂纹。表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏底能力就愈差。v表面层的加工硬化可以在工件表面形成一个冷硬层，能阻止表面层疲劳裂纹的出现，从而有利于提高疲劳强度。但是，零件表面层的冷硬程度或硬化深度过大，则反而易产生微裂纹，使疲劳强度降低。v当表面层为残余拉应力时，易使已加工表面产生裂纹并使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏，而表面层残余压应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生，提高零件的疲劳强度。2.2.表面质量对疲劳强度的影响表面质量对疲劳强度的影响7/4/2022107零件的耐腐蚀性主要取决于表面粗糙度。表面粗糙度值越大，则凹谷越深，越容易积聚腐蚀性物质而发生化学腐蚀，

55、耐腐蚀性越差。表面层的残余应力对零件的耐腐蚀性也有较大影响。零件表面层的残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性;表面层残余拉应力则会降低零件的耐腐蚀性。3.3.表面质量对耐蚀性的影响表面质量对耐蚀性的影响7/4/2022108表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量。对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，改变了配合性质;对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度。因此，有配合要求的表面，必须规定较小的表面粗糙度。4.4.表面质量对配合质量的影响表面质量对配合质量的影响7/4/20221091.1.影响表面粗糙度

56、的因素及改善途径影响表面粗糙度的因素及改善途径（三）、影响表面质量的因素及改善途径切削残留面积。切削残留面积。在切削时，由于刀具的几何角度以及刀具与工件之间的相对运动等原因，加工后有一部分金属未被切去，残留在已加工表面上。(1)切削加工影响表面粗糙度的因素7/4/2022110车削加工的残留面积如下图所示，为车削加工时的残留面积。残留面积的高度H直接影响已加工表面的粗糙度值。显然，减小进给量f、主偏角Kr、副偏角Kr增大刀尖圆弧半径r都有利于表面粗糙度值的减小。0r0r(a) (b)7/4/2022111材料的塑性越大，切削变形越大，在刀具的作用下，切屑与工件分离而产生撕裂现象越严重，在已加工

57、表面上留下许多呈鳞片状有裂口的毛刺，造成表面粗糙度值增大。因此，在加工前应对材料进行适当的热处理，以提高工件表面硬度，降低塑性。加工脆性材料时，其切屑呈崩碎状，工件表面因切屑脆性崩碎的裂纹而形成许多小麻点，使表面粗糙度值增大。工件材质工件材质7/4/2022112切削塑性材料时，采用高速切削，可减小切削变形，且可以抑制积屑瘤的产生，有利于减小表面粗糙度;切削脆性材料时，切削速度对表面粗糙度影响不大。减小进给量f可降低残留面积高度，减小表面粗糙度。但是，进给量f不能过小，否则刀刃由于切削厚度过小而无法切入工件，与工件发生强烈的挤压和摩擦，反而使粗糙度值增大。背吃刀量ap对表面粗糙度影响不明显，一

58、般可忽略但是，当ap0.02mm以下时，因刀尖圆弧半径的影响，使刀尖无法切入工件而产生挤压和摩擦，造成表面恶化。因此，精加工时不能选择过小的背吃刀量。切削用量切削用量7/4/2022113积屑瘤 鳞刺的产生 7/4/2022114p磨削加工表面粗糙度的形成也是由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。p影响磨削表面粗糙的主要因素有:砂轮的粒度、砂轮的硬度、砂轮的修整、磨削速度、冷却润滑液、磨削径向进给量与光磨次数、工件圆周进给速度与轴向进给量等。p一般砂轮粒度越细，砂轮的线速度越高，进给量及工件圆周进给速度越小，磨削表面的粗糙度值越小。p通过精修砂轮，使用冷却液，增大光磨次数也能降低粗糙度值。(

59、2)磨削加工影响表面粗糙度的因素7/4/2022115p切削加工中，机床、刀具、工件和夹具组成的工艺系统发生振动，会在工件表面上留下振纹，使表面粗糙度值增大。p实际生产中，通常采用提高工艺系统的刚度等措施来减少振动。(3)机械加工中的振动7/4/2022116p切削加工中，使用切削液能减少刀具与工件表面之间的摩擦，降低切削温度，减小材料的塑性变形，抑制积屑瘤及鳞刺的产生，可有效减小表面粗糙度值。(4)切削液7/4/2022117在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理力学性能产生变化，最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工

60、时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大。2.2.影响表面层物理力学性能的因素及改善途径影响表面层物理力学性能的因素及改善途径7/4/2022118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，晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化(或称强化)。表面层金属强化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化。被冷作硬化的金属处于不稳定状态，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。(1)表面层冷