机械加工质量及其控制概述课件

机械制造技术基础机械制造及自动化系主讲人：陈明君第4章机械加工质量及其控制

FUNDAMENTALSOFMACHINERYMANUFACTURINGTECHNOLOGY

MachiningQualityanditsControl机械制造技术基础机械制造及自动化系第4章机械加工质量及其4.1概述信息时代知识经济知识社会知识产业

机械工程（制造业）生产资料生产设备生产技术生产管理国防装备社会财富生活资料4.1概述信息时代知识1885年汽车德国奔驰1903年飞机美国莱特兄弟1903年火箭俄国齐奥尔科夫斯基1927年黑白电视美国贝尔电话1937年喷气发动机英国惠特尔1946年计算机美国莫切利与埃克特1951年数控机床MIT1957年人造卫星苏联1971年微处理器芯片Intel公司1977年载人航天飞机美国海斯•富勒顿1986年扫描隧道显微镜日本工业技术院1992年掌上电脑Apple公司推动世界进步的重要机电产品1885年国外制造业的争夺马克思说：“各个经济时代的区别，不在于产品什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造业——我们生存的基础，应该重新认识它的重要性及其价值。怎么办？美国政府总结经验：“制造技术”——国家的重大关键技术措施：1994年——25亿美元——先进制造技术希望：1997——2000年建立100个以上的全国性先进制造技术中心目标：重新夺回市场。

工业发达国家约60的社会财富和约45的国民经济收入是由制造业创造的。美国68的财富来源于制造业。70年代左右：美国发展的重点——尖端技术和军用技术日、德两国：先一步以务实的方式大力促进制造业的发展结果：近20年来美国制造技术领先地位被动摇，机床制造业失去53的国内市场。（美国的发明技术，日本的产品，日本人赚钱）国外制造业的争夺马克思说：“各个经济时代的区别，不在于产品什中国经济发展50年走过了西方200年的路高速发展令世人瞩目我们有理由为建国以来的成就而自豪，但无资格自满我们更应肩负起富民强国的责任制造业的中心在亚洲亚洲制造业的中心在中国中国制造业中国经济发展50年走过了西方200年的路我们有理由为建国以来我们的机械工程学科我国最早建立的一级学科之一国家“211工程”重点建设学科首批“长江学者”设岗单位首批一级学科博士学位授权点2001年获选两个全国重点学科2002年全国一级学科整体水平评估第二我们的机械工程学科我国最早建立的一级学科之一国家“211工表面（微观）形貌

加工变质层4.1.1基本概念（书中4.1.1与4.1.3）零件质量装配质量机械产品质量材料，金相组织(材质)加工精度，波纹度，表面粗糙度(几何)加工精度表面质量尺寸精度形状精度位置精度零件加工质量零件加工的实现机械加工工艺过程第四章第五章第六章表面（微观）形貌4.1.1基本概念（书中4.1.加工精度、表面质量及其发展车、铣磨CNC机床研磨，工具磨光学磨，金刚石车、磨金刚石超精车、磨，电解加工衍射光栅刻线机电子束，离子束，X射线分子束生长，离子注扫描隧道技术加工精度、表面质量及其发展车、铣磨CNC机床研磨，工具磨光学激光反射镜平面度提高到30nm，表面粗糙度降低到10nm，反射率将提高到99.8%以上。否则，寿命将大大缩短磁头与磁盘间的飞行高度在50nm以下，若进一步降低将使存储容量呈指数倍增长1kg精密陀螺转子的偏心增加0.5nm，将引起100m的射程误差和50m的轨道误差现代超精密机械对精密的要求激光反射镜平面度提高到30nm，表面粗糙度降低到10nm，细微与纳米加工技术可达水平细微与纳米加工技术可达水平机械制造新技术：

数控（NumericalControl—NC）技术加工中心（MC）

工业机器人（IndustrialRobot）技术自适应控制机床（AdaptiveControlMachineTools）计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing－CAM）

计算机数控机床（ComputerizedNumericalControl－CNC）

机械制造新技术：机械制造新技术：

可变制造系统柔性制造单元数字化制造（初期，国内：熊有伦院士）无人化机械制造厂

现阶段：互联网技术的迅猛发展（e-制造、网络控制、分子开关）工业生产追求更大的投入产出经济效益例如：智能制造（IMT）、并行工程（CE）、精节生产（LP）敏捷制造（AM）、绿色制造、柔性制造（FMS）、虚拟制造、超精加工（KDP晶体）、纳米技术、分子自组装技术（化学、生物）

机械制造新技术：现阶段：机械加工精度的各项指标既有区别，又有联系。

一般情况下，形状精度要求高于尺寸精度，位置精度要求也高于尺寸精度。

精密和超精密加工技术机械加工的技术重点大型工件的加工技术

特殊材料的加工技术尺寸公差>位置公差

>形状公差>表面粗糙度。基本概念机械加工精度的各项指标既有区别，又有联系。表面（微观）形貌

加工变质层机械加工表面质量表面粗糙度表面波纹度轮廓算术平均偏差Ra微观不平度10点高度Rz直线波纹度平均波幅Wz圆周波纹度平均波幅Wz塑性变形引起的冷作硬化切（磨）削热引起的金相组织变化力（热）产生的残余应力最为常用的是：Ra及rms研究热点之一基本概念表面（微观）形貌机械加工表面质量表面粗糙度轮廓算术平均偏差R加工变质层的雷德（H.Rether）模型

p.116压缩区——塑性变形区。是由切削力造成的结晶组织变化层。此区最外层为纤维化层，是由刀具与切削层间的摩擦挤压造成的，还有切削热造成的表面层的强化或弱化等等，存在着由塑性变形、切削热及金相组织变化引起的残余应力。该层也称应力变质层。吸附层——在最外层。生有氧化膜或化合物并吸收渗进某些气体、液体或固体粒子。亚表层加工变质层的雷德（H.Rether）模型p.机械加工表面质量对机器使用性能和寿命的影响p.117-（1）影响耐磨性

粗糙度值大，实际接触面积小，接触应力大，易磨损，耐磨性差。

粗糙度值越小，实际接触面积越大，耐磨性较好。

若粗糙度值过小，可能增加制造成本，且可能破坏润滑油膜，造成干摩擦。

加工表面硬化到一定程度能使耐磨性有所提高，但硬化过度反会使结晶组织出现过度变形，甚至产生裂纹或剥落，使磨损加剧，使耐磨性降低。Why?机械加工表面质量对机器使用性能和寿命的影响p.117（2）影响疲劳强度交变载荷作用时，表面粗糙度、划痕及微裂纹等均会引起应力集中，从而降低疲劳强度。加工表面粗糙度的纹路方向与受力方向垂直时，疲劳强度明显降低。一般加工硬化可提高疲劳强度，但硬化过度则会适得其反。

残余应力为压应力时，可部分抵消交变载荷施加的拉压力，阻碍和延缓裂纹的产生或扩大，从而提高疲劳强度；但为拉应力时，则会大大降低疲劳强度。有些加工方法，如滚压加工，可减小粗糙度值、强化表面层，使表层呈压应力状态，从而防止产生微裂纹，提高疲劳强度。机械加工表面质量对机器使用性能和寿命的影响p.117-（2）影响疲劳强度有些加工方法，如滚压加工，可减小粗（3）影响耐蚀性p.117表面粗糙度值大的表面，腐蚀性物质（气体、液体）容易渗透到表面的凹凸不平处，从而产生化学或电化学作用而被腐蚀。表面微裂纹处容易受腐蚀性气体或液体的侵蚀，如零件表面有残余压应力，则可阻碍微裂纹的扩展，从而在一定程度上提高零件的耐蚀性。（4）影响配合性质p.118影响配合性质最主要因素是表面粗糙度。对于间隙配合，经初期磨损后，间隙会有所增大，严重时会影响密封性能或导向精度；对于过盈配合，使计算所得过盈量与实际过盈量有所不同，成为过渡配合甚至间隙配合，从而可能影响过盈配合的连接强度。此外，加工表面质量对运动平稳性和噪音等也有影响。（3）影响耐蚀性4.1.2机械加工精度的获得方法

p.115

一、尺寸精度的获得方法手工逐步调刀获得所需尺寸加工前先调整好刀具位置再进行一批加工尺寸精度由刀具保证（钻头、拉刀）自动化的试切法试切法调整法尺寸刀具法自动控制法二、形状精度的获得方法成形运动法非成形运动法成形刀具法形状精度决定于成形运动和刃形展成法成形表面通过包络形成轨迹法车、刨、磨形状精度超过机床成形运动精度时使用如：0级平板的加工4.1.2机械加工精度的获得方法三、位置精度的获得方法

p.115直接装夹效率高，精度低找正装夹高精度，小批夹具装夹效率高，精度可满足要求一次装夹法多次装夹法非成形运动法与机床几何精度有关位置精度要求极高时采用（机床不能满足要求）三、位置精度的获得方法

加工误差与原始误差

p.118

加工误差——加工后每个零件在尺寸、形状、位置方面与理想零件的差值。（几何参数的偏差）

4.2机械加工精度的影响因素及其控制

原始误差——由于机床、刀具、量具、夹具和工件组成的工艺系统造成加工误差的因素。误差分类原始误差：统计误差：从影响零件加工精度的本质上分（单因素）从性质上分（多因素）加工误差与原始误差原始误差原有误差机床夹具(制造误差)刀具(制造、安装)

工件(毛坯)

工艺系统静误差加工过程中产生的误差受力变形热变形工艺系统磨损残余应力变形工件装夹误差（定位、夹紧）除此外：对定、过程调整误差（更换工件、刀具、夹具、量具时进行调整）测量误差（测量方法和量具误差）原理误差（渐开线齿轮、数控插补、英制螺纹）4.4受力、热、磨损、残余应力4.3机床几何误差原始误差概念原始误分析原有误差对零件加工精度的影响及控制：误差敏感方向：加工表面法向——原始误差所引起的加工误差最大误差敏感方向误差非敏感方向p.118

误差的性质4.5加工误差的统计分析常值变值随机性误差系统性误差统计误差概念ZX12fyXYxRxRxRyRy分析原有误差对零件加工精度的影响及控制：误差敏感方向p.11工艺系统原有误差对加工精度的影响与控制一、影响尺寸精度的主要因素与控制

p.120-122改善测量方法；提高测量精度（激光测距、非接触式测量、激光干涉仪、光删尺）

式中，L为跃进距离；G为工作台重量；

μ0

，μ分别为静、动摩擦系数；

K为机构传动刚度。改进工艺方法（精车、精磨、研磨）减小刀具或磨粒的刃口钝圆半径re。(1/3-1/10)

e试切测量精度：微量进给精度：控制刀具或工件微量进给（会出现：爬行现象）微薄切削层的极限厚度：定位调整精度:(a)减少定位误差；(b)提高进给重复定位精度;(c)提高对尺寸分布中心判断的准确性刀具调整精度.pptℯ温诗铸井川直哉工艺系统原有误差对加工精度的影响与控制一、影响尺寸精度的主要二、影响形状精度的主要因素与控制

基本成形运动（回转、直线）成形运动法相互位置关系（几何关系）均准确保证形状精度(针对于机床)速度关系（运动关系）的条件（怎样保证）非成形运动法足够的检测精度(机床无法满足)4.3节二、影响形状精度的主要因素与控制三、影响位置精度的主要因素与控制刀具切削成形面刀具切削成形面

相互重（接）合的表面之间

有精度关系的表面之间工件加工面工件加工面位置精度要求机床几何精度采用成形运动法时，位置精度的获得与装夹方式有关结论：影响位置精度的是机床几何精度一次装夹：如在龙门铣床、加工中心上加工箱体零件三、影响位置精度的主要因素与控制刀具切削成形面刀具切削成形面如用外圆定位在车床上加工齿轮内孔后，再在插床上加工键槽工件基准面机床安装面工件加工面刀具切削成形面位置精度要求刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度机床几何精度结论：影响位置精度的是机床几何精度直接装夹如用外圆定位在车床上加工齿轮内孔后，再在插床上加工键槽工件基如在车床上加工与外圆同轴度要求很高的内孔工件基准面机床安装面刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度可调支承找正精度刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度找正精度结论：影响位置精度的是找正精度找正装夹如在车床上加工与外圆同轴度要求很高的内孔工件基准面机床安装面夹具装夹非成形运动法：检测精度

工件基准面机床安装面刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度夹具安装面对刀导引精度（找正精度）夹具定位面夹具安装精度夹具制造精度装夹精度刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度对刀导引精度（找正精度）结论：影响位置精度的是对刀导引精度、装夹精度夹具装夹非成形运动法：检测精度工件基准面机床安装面刀具机床的制造误差、安装误差以及在使用过程中精度保持性被破坏等原因，都将会产生机床几何误差，进而引起机械加工误差。4.3机床几何误差及其对加工精度的影响与控制机床几何精度回转运动精度直线运动精度成形运动之间的位置精度传动（速度关系）精度p.125-会对零件的加工精度造成影响：主要指形状精度运动本身及相互关系均要准确，否则机床的制造误差、安装误差以及在使用过程中精度保持性被研究机床几何精度对面形精度影响及控制的必要性1.卫星系统：航天相机，探测器SiC轻质反射镜尺寸：300-500mm;数量：70～80块/年;面形精度：优于λ/40;表面粗糙度；Ra<1nm;研究机床几何精度对面形精度影响及控制的必要性1.卫星系统：尺寸：Φ300-500mm;数量：每年100块以上；面形精度：优于λ/20;表面粗糙度：Ra<5nm；2.航空相机，导弹复合导引头研究机床几何精度对面形精度影响及控制的必要性尺寸：Φ300-500mm;2.航空相机，导弹复合导引头研目前只能依靠国外加工

3.神舟飞船太阳模拟器尺寸:500mm左右;数量:150块;面形精度：3μm左右；表面粗糙度：Ra<10nm;研究机床几何精度对面形精度影响及控制的必要性目前只能依靠国外加工3.神舟飞船太阳模拟器尺寸:500惯性约束聚变点火工程——国家新能源战略的重要组成部分中国神光－Ⅲ原型装置美国NIF原理图尺寸：410×410mm2;数量：20000多块(2020年前);面形精度：优于λ/20-λ/40;表面粗糙度；Ra<5nm;4.惯性约束聚变点火工程研究机床几何精度对面形精度影响及控制的必要性惯性约束聚变点火工程中国神光－Ⅲ原型装置美国NIF尺寸：415.哈勃望远镜6.大型火箭共底加工(配对加工，直径3m5m)研究机床几何精度对面形精度影响及控制的必要性5.哈勃望远镜6.大型火箭共底加工(配对加工，直径3m54.3.1回转运动精度p.125主要取决于机床主轴的回转精度

主轴回转误差的形式机床主轴回转精度的高低主要以在规定测量截面内主轴一转或数转内诸瞬时回转中心的平均位置的变化范围来衡量。瞬时回转中心4.3.1回转运动精度如是滚动轴承：车、铣床影响零件加工精度的主要因素是什么？影响主轴回转精度的主要因素

p.126（1）径向跳动

以滑动轴承为例

车床：主轴受力方向不变，故轴径形状精度对零件加工精度影响最大；轴孔、前后轴径及轴承孔的同轴度、配合精度、装配精度等也有影响。结论：零件加工后的形状精度与轴颈（圆度）一致。镗床：主轴受力方向不断改变，故主要取决于主轴轴承孔的形状精度。结论：零件加工后的形状精度（圆度）与轴承孔（圆度）一致。

如是滚动轴承：影响主轴回转精度的主要因素（2）轴向窜动p.126

滑动轴承主轴的轴向窜动量取决于止推（承载）轴承副中端面与主轴轴线垂直度较高者影响滚动轴承主轴轴向窜动的主要因素有：

滚道与轴线的垂直度

滚动体形状误差（轴向间隙变化）

尺寸一致性（承载不均而降低刚度）主轴轴向窜动将会造成什么加工误差？（提示：加工表面）（2）轴向窜动（3）角度摆动

p.127

提高回转运动精度的措施

用精密滚动轴承并加预载，消除间隙、提高刚度提高主轴回转精度改进滑动轴承结构短三瓦自位轴承.ppt

用液、气静压轴承，刚度高、精度高、工艺性好保证工件回转精度不仅影响圆度，而且影响圆柱度固定顶尖定位，修磨顶尖孔；采用无心磨加工无心磨削原理.ppt主要取决于主轴前后支承跳动（跳动量、相位等）的综合影响（3）角度摆动4.3.2直线运动精度p.127-

主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不均匀磨损有关。导轨在水平面内的直线度导轨在铅垂面内的直线度双导轨间在铅垂方向的平行度以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化，且影响轴向形状：误差敏感方向可忽略不计4.3.2直线运动精度提高导轨直线运动精度的措施

p.128

合理的导轨形状和组合形式改善制造精度、接触精度和精度保持性采用静压导轨（液、气体）90o双三角导轨，适当加长工作台配磨、刮研，耐磨损均化作用，防磨损Why?提高导轨直线运动精度的措施4.3.3成形运动间位置关系精度p.128-

圆柱面成为双曲面平面成为内凹或外凸圆柱面成为圆锥面车削时：刀具直线运动与工件回转轴线不垂直刀具与工件回转轴线在空间交错不平行刀具直线运动与工件回转轴线在zx（水平面内）面内不平行d-Δd相互位置关系精度将直接影响工件的形状精度4.3.3成形运动间位置关系精度镗削时：若工件直线进给运动与镗杆回转轴线不平行铣削时：若端铣刀回转轴线与工作台直线进给运动不垂直移位加工可使误差从Δ减小至Δ΄移位方向圆孔成为椭圆孔平面下凹p.129-KDP已加工表面检测镗削时：若工件直线进给运动与镗杆回转轴线不平行铣削时：光学零件超精密磨削工艺中，中心高位置对零件加工精度的影响。（获部级三等奖）光学零件超精密磨削工艺中，中心高位置对零件加工精度的影响。（金刚石砂轮修整装置金刚石砂轮修整照片金刚石砂轮修整装置金刚石砂轮修整照片提高相互位置关系精度的措施

p.130使用几何精度高的机床（决定因素）保证高精度的零部件制造、总装调试和维修误差检测与补偿（在已有机床上进行）提高相互位置关系精度的措施4.3.4成形运动间速度关系精度

p.130-

车、磨螺纹以及滚齿、插齿、磨齿等加工，要求各成形运动之间具有准确的速度关系。滚齿机刀具与工件间的运动关系4.3.4成形运动间速度关系精度提高成形运动速度关系精度的措施

p.133尽量减少传动件数目，缩短传动链长度（最好1个）

采用降速传动链保证高精度的传动零部件制造、总装调试和维修

传动误差检测与补偿(大小相等、方向相反的误差)

影响速度关系精度的因素

机床传动链中各传动元件的制造误差、装配误差以及磨损等，都会破坏正确的运动关系，造成工件和刀具运动相对速度的不准确，从而产生加工误差。在降速链中的低速传动件误差的影响最大。提高成形运动速度关系精度的措施4.4加工过程中其它因素对加工精度的影响与控制4.4.1工艺系统受力变形的影响与控制工艺系统受力破坏成形运动精度引起加工误差加工时工件或夹具变形，加工后产生误差单爪拨动，使受力方向改变，瞬时回转中心变动运动部件自重引起结构件变形且随运动而不断变化（龙门机床、KDP超精密加工机床）高速运动过程中由于质量不均引起有关环节变形接触变形造成测量误差（非接触测量）夹紧力拨动力重力惯性力测量力切削力力的变化使工艺系统产生复杂变形（细长轴）4.4加工过程中其它因素对加工精度的影响与控制4.4控制或减少工艺系统受力变形的措施

有效减小（切削力）（消极方法，超精加工中出现）根据变形规律，预置系统的反变形（重力）；调刀量调整恒力测量装置（测量力）；相对测量，对比抵消变形的影响减小切削用量补偿部件变形恒定测量力提高系统刚度有效地提高工艺系统抵抗受力变形的能力本节重点积极方法找引起工件产生误差原因提出改进性措施提高零件的加工精度控制或减少工艺系统受力变形的措施有效减小（切削力）（消极工艺系统刚度

工艺系统在受力时抵抗变形的能力工艺系统变形的特点在加工误差敏感方向对加工精度影响最大与受力的大小往往并不呈现线性关系工艺系统刚度Ks：加工误差敏感方向上工艺系统受力Fn与变形量（或位移量）Δ

之比即p.133

工艺系统刚度工艺系统在受力时抵抗变形的能力工艺系统变形的特工艺系统刚度与加工精度的关系

①系统各部刚度不等时在切削力作用下产生的加工误差

p.134-车外圆可推导出式中KH、KT、KB——

分别为机床床头、尾座及刀架部件的实测平均刚度

E

——工件材料的弹性模量

J——工件截面惯性矩工艺系统刚度与加工精度的关系①系统各部刚度不等时在切削简化公式

p.134-当机床刚度远大于工件刚度时当工件刚度很高时*车刀在尾座处时，Z=L*车刀在床头处时，Z=0车刀在工件中间时，Z=L/2细长轴（腰鼓）KH>KT>K工短粗轴（马鞍）K工>KH>KT简化公式p.134②切削力变化对加工精度的影响p.135原因：切削余量不均；工件材质变化等结果：形状误差，尺寸分散误差复映现象工件加工前的误差ΔB以类似的形式反映到加工后的工件上去，造成加工后的误差ΔW。误差复映系数

ε式中CFp——

径向切削力系数f

——进给量

YFp

——进给量对切削力影响指数②切削力变化对加工精度的影响减少误差复映的主要措施多次走刀提高工艺系统刚度提高工艺系统刚度的主要措施

p.136①提高工件在加工时的刚度或减小其变形

合理选择工件的加工和装夹方式薄壁件均匀夹紧；细长件用中心架、跟刀架或反向进给切削②提高刀具在加工时的刚度改善刀具材料、结构；热处理；钻套、镗套；对称刃口抵消切削分力③提高机床及夹具的刚度

合理设计结构，刚度平衡；尽量减少零件数，提高接合面形状精度，降低表面粗糙度值，减少接触变形；可靠预紧求法？练习一下：陈明君-机械制造技术基础习题.ppt减少误差复映的主要措施多次走刀提高工艺系统4.4.2工艺系统热变形的影响与控制

p.136-

热源内部热源外部热源摩擦热（运动副）转化热（电动机，动力能耗）加工热（切削热、磨削热）（薄片类零件）环境温度（室温、地基温度）辐射热（阳光、取暖设备、人体）热变形对加工精度的影响

（特别是精密件、大型件的加工）机床：破坏原有的冷态几何精度，造成加工误差（大机床）工件：冷却后尺寸改变；局部受热不均而变形图4.24（大零件如导轨）刀具：加工过程中热伸长引起加工尺寸变化精密加工时也要考虑夹具、量具热变形带来的误差2007年实验4.4.2工艺系统热变形的影响与控制控制热变形的主要措施

p.138减少热量产生和传入正确使用刀（磨）具、切（磨）削用量；及时刃磨或修整刃具；电机外置、油箱外置；防晒加强散热能力高效冷却（喷雾冷却、润滑油冷冻降温，液氮）均恒温度场采用热对称和热补偿结构；恒温间（德国）；机床预热（长春）。改进设计有限元分析、结构优化、CAD超精密加工过程中，其它误差的影响因素也非常的重要除了前面分析的所有因素之外（环境控制：恒温、恒湿、超净、隔振）控制热变形的主要措施4.4.3工艺系统磨损的影响与控制p.122-

减少系统磨损的主要措施合理设计机床结构静压结构（无磨损），易损表面防护提高零部件耐磨性耐磨材料（合金铸铁、镶钢、贴塑），热处理合理润滑，及时更换已磨损件正确使用刀具刀具材料（陶瓷、金刚石），刀具参数切削用量（尤其是V），刃口形式（宽刃）冷却润滑系统磨损对加工精度的影响机床零部件破坏原有成形运动精度造成工件的形状和位置误差夹具带来装夹误差、对刀导引误差刀具和磨具使批生产工件尺寸的分散性增大造成尺寸和形状误差（大零件、成形刀具加工）量具引起测量误差4.4.3工艺系统磨损的影响与控制4.4.4工件残余应力的影响与控制p.123-

工件的残余应力：当外部载荷去除以后，仍残存在工件内部的应力残余应力的产生机加力和热表层塑变（晶格扭曲、拉长、比容增大）毛坯制造冷却快受压（残余压应力）慢者受拉（残余拉应力）（详细之）冷校直局部塑变（丝杠严禁之）4.4.4工件残余应力的影响与控制减少或消除残余应力的主要措施

p.124-合理设计零件结构时效处理自然时效大件在室外搁置数天、月小件在车间搁置数小时（粗、精加工之间）结构对称，壁厚均匀，减小尺寸差人工时效铸、锻、焊件在机械加工前的退火、回火精度稳定性要求高的零件，淬火后进行冰冷处理振动时效（激振、敲打）减少加工塑变减少加工热；精度高的细长工件，不得冷校直

加大余量、多次切削，热校直练习一下：陈明君-机械制造技术基础习题.ppt减少或消除残余应力的主要措施4.5加工误差的统计分析p.139-

目的：区分成批生产中不同性质的加工误差，确定系统误差的数值和随机误差的范围，从而找出造成加工误差的主要因素以便采取相应的措施，提高零件的加工精度系统误差在相同的工艺条件下加工一批工件，所产生的大小和方向不变（常值），或按加工顺序有规律的变化（变值）的加工误差随机误差在相同的工艺条件下加工一批工件，所产生的大小和方向不同，且无规律变化的加工误差4.5.1加工误差的统计性质4.5加工误差的统计分析4.5.2机械加工误差的分布规律p.139-正态分布调整法加工时没有某种优势因素的影响平顶分布加工过程中有显著的变值系统误差，如刀具磨损双峰分布两台机床加工，机床精度不同，刀具调整尺寸不一致偏态分布加工过程受到人为干预，如试切法加工时的保全心理，最终形成可修废品。4.5.2机械加工误差的分布规律4.5.3加工误差的统计分析方法p.140-统计分析方法点图法分布图法一、分布图法通过测量一批零件加工后的实际尺寸，做出尺寸分布曲线，然后按照此曲线来判断该加工方法所产生的加工误差。一般情况下，调整法加工后的零件尺寸服从正态分布。其概率密度函数为：4.5.3加工误差的统计分析方法±3σ原则正态分布的随机变量的分散范围是±3σ6σ的大小代表了某种加工方法在一定条件下所能达到的加工精度一般情况下，有正态分布函数为：令：则有表4.2p.140注意积分区间一、分布图法±3σ原则正态分布的随机变量的分散范围平均尺寸常值系统误差随机误差对一批零件实验分布曲线与正态分布曲线相符合p.142-任一零件，均可表示为：基本尺寸xM（理想公差带中心）一、分布图法平均尺寸常值系统误差随机误差对一批零件p.142-任一零件，分布曲线的用途①分析系统误差的大小和方向轴和孔的平均尺寸与xM相比，s=0.005mm分析随机误差因素对加工精度的影响

R=6=0.015mm（正态）分析各误差范围内零件的百分比

x/=2，A=0.4772，合格率：0.5+0.4772=97.72%废品率：0.5-0.4772=2.28%分析减少废品率的有效方法

6<T，s=0，则无废品，进刀s/2=0.00256>T，(a)s=0，(b)选用小的机床，亦即6’<T预估产生废品的可能性

6>T，肯定有废品轴类：右可修，左不可修孔类：右不可修，左可修⑤分析工序能力系数例如：加工200.01mm轴，加工后实测平均尺寸为20.005mm，=0.0025，求其加工误差情况？

R=6xMxyxsTx分布曲线的用途①分析系统误差的大小和方向分析随机误差因素二、点图法p.144-

（1）逐点点图在一批零件的加工过程中，依次测量每个零件的加工尺寸，并记入以顺次加工的零件号为横坐标、零件加工尺寸为纵坐标的图表中，便构成了逐点点图。由图例可见，刀具磨损引起轴颈加工尺寸的变值系统误差；尺寸分布近似为平顶分布，实际上随机误差采用逐点点图分析，可把变值系统误差和随机误差区分开，便于通过误差补偿的方法，消除各种系统误差，使加工精度得到提高。二、点图法（2）图

p.145

点图反映工艺过程质量指标分布中心（系统误差）的变化点图则反映工艺过程质量指标分散范围（随机误差）的变化因此，这两个点图必须联合使用。

例：（2）图保证和提高机械加工精度的主要途径（1）减少或消除原始误差提高机床成形运动精度和刚度提高夹具的制造、安装精度，减少装夹误差和对定误差提高工件加工时的刚度，减少受力变形（反向切削）减少精密件加工时的热影响，平衡热变形保证和提高机械加工精度的主要途径（1）减少或消除原始误差提（2）补偿或抵消原始误差补偿——人为制造反向误差抵消——移位法加工保证和提高机械加工精度的主要途径（2）补偿或抵消原始误差补偿——人为制造反向误差保证和提高机（3）转移原始误差将误差转移到不敏感方向（4）分化或均化原始误差分化——分组加工，以利于调刀均化——研磨保证和提高机械加工精度的主要途径再练习一下：陈明君-机械制造技术基础习题.ppt（3）转移原始误差将误差转移到不敏感方向（4）分化或均化原始表面（微观）形貌

加工变质层表面粗糙度表面波纹度轮廓算术平均偏差Ra微观不平度10点高度Rz直线波纹度平均波幅Wz圆周波纹度平均波幅Wz塑性变形引起的冷作硬化力（热）产生的残余应力切（磨）削热引起的金相组织变化4.6机械加工表面质量的影响因素及其控制机械加工表面质量4.6.2节4.6.3节表面（微观）形貌表面粗糙度轮廓算术平均偏差Ra直线波纹度平均4.6.1切削加工表面的形成过程切削层金属经过第Ⅰ、Ⅱ变形区后形成了切屑，经过第Ⅲ变形区则形成已加工表面。刀具刃口钝圆半径rn后刀面磨损宽度VB使第Ⅲ区变形复杂化

分流点O以下的金属经严重的挤压摩擦产生塑变，脱离后刀面后，因深处基体的的弹性变形产生弹性恢复Δh，并留在加工表面上。在VB和CD段与后刀面接触而使塑变加剧，甚至可引起表层的非晶质化、纤维化及加工硬化。p.1464.6.1切削加工表面的形成过程切削层金属经过4.6.2机械加工表面粗糙度及其降低的工艺措施一、切削加工刀具操作者环境冷却润滑工件机床夹具切削用量材料表面粗糙度几何角度安装情况材料组织刚性精度刚性精度功率运动平稳性刚性切削速度进给量背吃刀量种类用量供给方式质量振动温度技术水平精神状态4.6.2机械加工表面粗糙度及其降低的工艺措施一1）理论粗糙度减小措施：合理选择刀具几何角度减少进给量采用直线过渡刃（修光）p.1471）理论粗糙度减小措施：p.1472）积屑瘤的影响积屑瘤：冷焊在前刀面的金属形成条件刀具γo=0°或较小，或γ΄ο<0°；刃磨不好工件塑性材料且呈带状切屑切削条件vc中等，f或hD较大；无切削润滑效果积屑瘤对表面质量的影响ΔhD深浅、宽窄不均的犁沟，增大了表面粗糙度积屑瘤的周期性生成与脱落，碎片镶嵌在已加工表面上，影响表面质量高硬度积屑瘤脱落，造成刀具的粘结磨损，增大了加工表面粗糙度2）积屑瘤的影响积屑瘤：冷焊在前刀面的金属形成条件刀具3）鳞刺的影响切削加工表面在切削速度方向产生的鱼鳞片状毛刺产生条件刀具材料高速钢、硬质合金、陶瓷刀具工件材料低（中）碳钢、铬钢、不锈钢、铝合金、紫铜等塑性金属切削条件切削速度vc中等，甚至很低时

鳞刺对表面质量的影响增大了表面粗糙度值，成为塑性金属材料精加工的一大障碍p.1483）鳞刺的影响切削加工表面在切削速度方向产生的鱼鳞片状毛刺产4）切削机理的变化单元切屑周期性断裂向切削表面，在加工表面上留下挤裂痕迹——波浪形。

崩碎切屑形成过程中，从主切削刃处开始的裂纹在接近主应力方向斜着向下延伸，造成加工表面的凸凹不平。p.148切削刃两侧的工件材料被挤压后因没有侧面的约束力而产生隆起，也会使表面粗糙度值加大。脆塑转变4）切削机理的变化单元切屑周期性断裂向切削表5）切削刃与工件相对位置变动机床主轴回转精度不高、导轨形状误差引起的运动机构跳动、材料不均匀及切屑不连续等造成切削过程波动（切削力变化），均会使刀具工件间的相对位置产生变化，从而使切削厚度、宽度发生变化。这些变化的不稳定因素会引起加工系统的自激振动，是相对位置变化的振幅加大，以致使引起背吃刀量变化，造成表面粗糙度值加大。p.1486）切削刃损坏及刀具边界磨损重要结论：在机械加工过程中，低频振动会引起工件表面产生表面波度，高频振动会引起工件表面生产表面粗糙度。5）切削刃与工件相对位置变动机床主轴回转精度切削加工表面粗糙度的控制改善工件材料的切削性能调质后加工，减小塑性，提高硬度，可抑制积屑瘤和鳞刺工件方面切削条件（1）选择合理的切削速度，避开积屑瘤生长区（2）减少f，减小Rmax，避免刀屑粘结，抑制积屑瘤和鳞刺生长（3）采用有效冷却润滑液，减小摩擦，抑制积屑瘤和鳞刺生长（4）采用加热或低温切削，以避开积屑瘤和鳞刺的生长（5）避免工艺系统的高频振动刀具方面（1）适当减小κr、κ΄r或增大rε，以减小残留面积高度Rmax（2）增大γο，使塑性变形减小，以利于抑制积屑瘤和鳞刺（3）提高刃磨质量，减小刀面粗糙度，磨损超值要及时换刀（4）减小刀具和工件之间的摩擦系数，控制粘结、积屑瘤、鳞刺p.149切削加工表面粗糙度的控制改善工件材料的切削性能工件方面切削条二、磨削加工磨削加工表面粗糙度是通过滑擦、刻划和切削的综合作用形成的磨削表面粗糙度：单位时间、单位面积内所形成的勾槽越多越浅越好（1）适当加大粒度号，增大砂轮单位面积的砂粒数m（2）适当提高砂轮速度vc或降低工件速度vw，即增大vc/vw比值，减少塑变（3）合理使用直径较大的砂轮（加大Rt）（4）加大砂轮宽度B，减小轴向进给量fa，使B/fa比值增大（5）减小径向进给量fr或磨削深度ap（甚至无进给光磨）（6）提高砂轮修整质量，保持锋利度和微刃口等高性金刚石砂轮电解在线修锐ELID(ELectrolyticIn-processDressing)

（7）选择合适的砂轮硬度、磨削液及其浇注方法

p.150减小磨削表面粗糙度值的措施二、磨削加工磨削加工表面粗糙度是通过滑擦、刻划和切削的综合作三、超精研、研磨、珩磨及抛光加工用参数为压强，不是磨削背吃刀量（磨削深度）自为基准加工，主要是降低表面粗糙度，很难提高加工精度只有用精密定型研磨工具时，才能提高工件的形状精度不需要机床有非常精确的成形运动加工余量是前序公差的几分之一，原理上讲只要等于上序的Rz特点：影响表面粗糙度的因素主要是磨条压强和切削角，还有磨条的振频、振幅，工作速度，磨条粒度，磨条纵向进给量，冷却液。超精研加工表面粗糙度可达Rz0.05三、超精研、研磨、珩磨及抛光加工用参数为压强，不是磨削背吃刀湿式研加研磨剂（磨粒加煤油、机油、油酸等），以滚动切削为主，

Rz0.1干式研磨粒固定在研具上，滑动切削，

Rz0.05抛光研湿式研后进行。磨粒硬度低，细小，加上研磨剂的化学作用，可使表面粗糙度进一步降低

研磨

主要用于加工内孔表面，可达Rz0.4～3.2，甚至Rz0.1

珩磨也可用于外圆加工湿式研加研磨剂（磨粒加煤油、机油、研磨主要用于加用软研具打光已精加工过的表面，去除前序留下的痕迹；或为获得光亮美观的表面，提高疲劳强度。机械抛光用帆布、毛毡或皮带，加入磨料（氧化铬、氧化铁等）也可用配制的抛光研磨膏，在打磨过程中去除金属层液体抛光用含磨料的磨削液高速喷磨，击平凸峰

抛光此外，还有电解抛光、化学抛光等非传统加工方法。磁流变抛光、浮法抛光。用软研具打光已精加工过的表面，去除前序留下的痕迹；或4.6.3加工表面变质层一、冷作硬化冷作硬化（加工硬化）——经过切削或磨削加工，而不是经热处理所造成的表面硬化现象。使表面的耐磨性提高，脆性增加，冲击韧性降低，也给后续加工带来困难，增加刀具磨损，减少刀具使用寿命。

切削层金属经受塑性变形时，切削层以下的一部分金属也将产生塑性变形；再加上刀具刃口钝圆半径的存在，分流点以下的部分未被切下，而是经受的挤压产生了很大的附加塑性变形。由于基体材料的弹性恢复，刀具后刀面又继续与已加工表面接触摩擦，使加工表面再次产生变形。经过上述几次变形，使得金属晶格发生了扭曲，晶格被拉长、破碎，使位错运动困难，阻碍了金属的进一步塑性变形，而使金属强化，硬度显著提高。

p.151-4.6.3加工表面变质层一、冷作硬化冷作硬化（加工硬化）

加工硬化通常用硬化程度

N和硬化层深度Δhd来衡量。硬化程度N为式中

H0—基体的显微硬度，HV

H—硬化层显微硬度，HV硬化层深度Δhd是指加工硬化层深入基体的距离，以μm计表4.5

加工表面除了受切削力以外，还要受到切削温度的影响，当切削温度低于相变点时，表层将被弱化，硬度将降低；若温度高于时将产生相变。

因此，加工表面的硬度将是这种强化、弱化及相变综合作用的结果：当塑性变形为主时，表面要产生硬化；当切削温度起主导作用时，要由相变情况而定。一、冷作硬化加工硬化通常用硬化程度N和硬化层深度Δhd来衡影响加工硬化的因素及控制措施材料硬度越低，塑性增大，N和Δhd越大工件方面切削条件合理选择切削用量，可减轻加工硬化较高的切削速度vc和较小的f

使用性能好的切削液，可减轻加工硬化刀具方面（1）选择较大的γο，减少切削变形，使N和Δhd均减小（2）选择较大的αο，减少后刀面的摩擦，使加工硬化减小（3）减小刃口钝圆半径rn，减小挤压摩擦，使硬化层减小（4）后刀面磨损Vb越大，Δhd越大；提高刃磨质量，减小硬化影响加工硬化的因素及控制措施材料硬度越低，塑性增大，N和二、表面层的残余应力局部高温塑性变形使表层产生残余拉应力，严重时出现裂纹局部金相组织变化马氏体转变为其它组织，表层体积欲减小，受到基体拉伸，产生残余拉应力

局部冷态塑性变形切削时，表层产生拉伸冷态塑变形，将使表层产生残余拉应力；反之，产生残余压应力影响残余应力的因素及控制措施刀具前角γ0

由正变为负时，可使表层残余拉应力逐渐减小；前角为较大负值且切削用量合适时，可得残余压应力刀具后刀面磨损

VB值增大，切削温度升高，使加工表面呈残余拉应力，同时使残余拉应力层深度加大

工件材料塑性越大，切削加工后产生的残余拉应力越大脆性材料的加工表面易产生残余压应力

切削条件

vc增大，热应力为主，使残余应力增大，但深度减小f增加，残余拉应力增大，但压应力将向里层移动αp对残余应力的影响不显著

p.154-马=7.75，珠=7.78，铁=7.88，奥=7.95二、表面层的残余应力局部高温塑性变形使表层产生残余拉三、表面层的金相组织变化（磨削烧伤、裂纹）磨削工件时，当工件表面层温度达到或超过金属材料的相变温度时，表层金属材料的金相组织将发生变化，表层显微硬度也相应变化，并伴随有残余应力产生，甚至出现微裂纹，同时出现彩色氧化膜，这种现象称磨削烧伤。回火烧伤

马氏体转变温度<θ<相变温度马氏体组织转变为回火组织（索氏体或屈氏体）淬火烧伤

θ>相变温度时急冷，表层出现二次淬火，硬度提高；内层产生过回火组织，硬度降低退火烧伤

不用磨削液，θ>相变温度时慢冷，出现退火，硬度降低如磨削淬火钢时，由于磨削区温度的不同，可能产生三种烧伤：p.155磨削烧伤三、表面层的金相组织变化（磨削烧伤、裂纹）磨削的高温在工件表面层引起热应力和金相组织相变带来的体积应力，且多呈现为残余拉应力。

磨削淬火钢、渗碳钢及硬质合金工件时，常常在垂直于磨削的方向上产生微小龟裂，严重时发展成龟壳状微裂纹。有的裂纹不在工件的外表面，而是在表面层下，用肉眼根本无法发现。磨削裂纹的方向常与磨削方向垂直或呈网状，并且与烧伤同时出现。磨削裂纹降低零件的疲劳强度，甚至早期出现低应力脆性断裂。p.156磨削裂纹在零件的制造过程中，一方面要设法避免裂纹的产生，另一方面要采用适宜的检验方法来检查工件的表面质量。磨削的高温在工件表面层引起热应力和金相组织相变带来的减轻磨削烧伤、裂纹的途径减少热量的产生加速热量的传出p.156-（1）选择合理的磨削用量从减少生热考虑，理论依据为从热量传出的角度考虑，vc的增加会使砂轮与接触区接触时间减少，传到工件上的热量相对减少——高速磨削主要可减小径向进给量fr

（生产中一开始采用较大的fr，最后几次减小fr，并进行光磨）此外，轴向进给量fa、工件材料的强（硬）度、韧性增加均会使θ有所升高重要结论：同时提高砂轮速度与工件速度可避免磨削烧伤在磨削加工的最后阶段，总要进行几次空走刀或无进给磨削，为什么？（降低表面粗糙度，提高表面质量。）减轻磨削烧伤、裂纹的途径减少热量的产生p.156-（1）（2）提高冷却效果采用高压大流量法提高冷却、冲洗效果安装带空气挡板的喷嘴使磨削液顺利喷注到磨削区采用磨削液雾化法或内冷却法进一步增强冷却效果（2）提高冷却效果采用高压大流量法开槽砂轮（3）正确选用砂轮（4）选用新结构和新工艺正确选用磨料、结合剂、粒度、硬度与组织等改进砂轮修整工艺开槽砂轮（3）正确选用砂轮（4）选用新结构和新工艺正确选用磨四、表面强化工艺利用表面层的冷作硬化和残余压应力，提高零件的抗疲劳强度和使用寿命。喷丸利用大量快速运动的珠丸打击已加工完毕的零件表面。主要用于零件的毛坯表面，如板簧、钻杆、连杆、齿轮等滚压

滚珠、滚柱滚压钢球挤压涨孔四、表面强化工艺利用表面层的冷作硬化和残余压应力，提4.7机械加工过程中的振动及其控制机加中的振动类型自由振动5%切削力突变（切入时），外力冲击强迫振动30%受周期干扰力（地基、电机、齿轮啮合、回转件不平衡、多刃多齿刀具）自激振动65%系统自身引起的交变切削力作用，加强和维持了自身振动振动的危害表面质量下降（振纹）

降低机床、夹具、刀具寿命（联接松动，崩刃、磨损）

限制生产率的提高（切削用量不能提高）

环境污染（噪音）

4.7.1概述4.7机械加工过程中的振动及其控制机加中的振动类型强迫振源机外振源

通过地基传给工艺系统

机内振源

电机振动（转子、磁力不平衡）回转零件不平衡（卡盘、砂轮、刀盘、工件等）传动件振动（齿轮啮合、皮带接头、轴承误差）往复件惯性力（牛头刨滑枕）切削冲击（断续切削、带槽工件、材料不均）

4.7.2强迫振动及其控制查找振源的方法工件表面振纹

振动信号分析

车回转零件刨平面零件频谱分析其中：f——振动频率Hzn——主轴转数rpmm——振纹数，个v——切削速度m/minl——振纹波长mmp.158强迫振源机外振源通过地基传给工艺系统机内振源消除和控制强迫振动的措施减小或消除振源激振力减小冲击切削振动改变机床转速增加刀具齿数减小切削力（用量选择）刀具设计（不等齿距端铣）回转件静、动平衡；轴承件的制造装配采用隔振装置吸收振源能量，隔离或减少外界振动对加工的干扰（已经获国家发明专利）提高工艺系统动刚度，增加系统阻尼，使系统固有频率避开共振区采用减振器和阻尼器消除和控制强迫振动的措施减小或消除振源激振力减小冲击切削4.7.3自激振动及其控制（1）再生自激振动机理因切削过程中交变切削力所产生的自激振动频率较高，通常又称颤振。它严重地影响机械加工表面质量和生产效率。

切削过程中的偶然干扰使加工系统产生了振动，并在加工表面上留下振纹。当第二次走刀时，刀具就将在有振纹的表面上切削，使得切削厚度发生变化，导致切削力作周期性地变化，这种效应称再生效应，由此产生的自激振动称再生自激振动。能量抵消能量抵消消耗能量获得能量p.159-4.7.3自激振动及其控制（1）再生自激振动机理（2）振型耦合自激振动机理实际生产中，机械加工系统一般是具有不同刚度和阻尼的弹簧系统，具有不同方向性的各弹簧系统复合在一起，满足一定的组合条件就会产生自激振动，这种复合在一起的自激振动机理称振型耦合自激振动机理。

顺时针振动时，切削力正功大于负功，振动加强；逆时针振动时，切削力正功小于负功，振动衰减。刀具切入切出过程中若正功大于负功，使多余能量输入系统，则引起自激振动；若正功小于负功，则振动衰减。p.160-（2）振型耦合自激振动机理实际生产中，机械加工系统若在切削（磨削）过程中产生两次走刀间的重叠现象，则由于前次的波纹，将引起后次的切厚发生变化，使切削力改变而产生振动。0≤μ≤1

（外圆车削）（外圆磨削）重叠系数为：p.162消除或减少自激振动的方法1）减小重叠系数μ

（1）破坏自振条件，提高切削稳定性若在切削（磨削）过程中产生两次走刀间的重叠现象，则由2）合理选择切削用量增大f、vc，减小ap，避开振动易发区

采用消振棱，增加切削阻尼4）调整振动系统低刚度主轴位置削扁镗杆3）合理选择刀具参数

加大主偏角kr、前角γ0，减少切削力；适当减小后角α0，增大摩擦阻尼车三角螺纹和采用90º主偏角车刀车外圆时，

μ=0，无再生自激振动；用切断车刀切断工件时，

μ=1，必须设法抑制再生自激振动。2）合理选择切削用量增大f、vc，减小ap，避开（2）提高工艺系统的动态特性刮研结合面，减少连接薄弱环节，提高接触刚度滚动轴承加预载使用“死”顶尖细长轴加工时采用中心架、跟刀架镗孔时镗杆加镗套合理安排主切削力方向，提高系统的稳定性反向车削，切削力与系统最大刚度同向顺铣比逆铣极限切削宽度大提高机床、刀具和工件夹持系统的动刚度增加加工系统阻尼材料内阻尼混凝土>铸铁>钢，铸铁加薄壁封砂结合面摩擦阻尼活动面：调整间隙，施加预紧固定面：加工方法，表面粗糙度、比压（2）提高工艺系统的动态特性刮研结合面，减少连接薄弱环节，（3）采用阻尼减振装置利用