机械加工质量

第4章机械加工质量本章要点机械加工中的振动影响加工精度的因素影响机械加工表面质量的因素工艺系统几何误差工艺系统受力变形工艺系统热变形加工误差的统计分析1机械制造技术基础第4章机械加工质量MachiningQuality4.1

机械加工质量概述IntroductiontoMachiningQuality24.1.1机械加工误差与机械加工精度

加工质量机械加工质量的三个内容：

机械加工精度

机械表面加工质量

机械加工表面变质层34.1.1机械加工误差与机械加工精度加工质量◆

零件宏观几何形状误差、表面波度、表面粗糙度a）波度b）表面粗糙度图4-1零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ宏观几何形状误差（平面度、圆度等）—波长/波高＞1000表面波度—波长/波高=50～1000；且具有周期特性(因加工中的振动形成)表面粗糙度——波长/波高＜504◆

加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度。加工精度尺寸精度形状精度位置精度(通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内)4.1.1机械加工误差与机械加工精度机械加工精度54.1.2机械加工表面质量及其对零件使用性能的影响机械加工表面质量图4-2加工变质层模型表4-1加工表面变质层的构成情况64.1.2机械加工表面质量及其对零件使用性能的影响

★影响耐磨性Ra（μm）初始磨损量重载荷轻载荷图4-3表面粗糙度与初始磨损量表面粗糙度值↓→耐疲劳性↑适当硬化可提高耐疲劳性表面粗糙度值↓→耐蚀性↑表面压应力：有利于提高耐蚀性表面粗糙度值↑→配合质量↓表面粗糙度值↓→耐磨性↑，但有一定限度（图4-3）★影响疲劳强度★影响耐蚀性★影响配合性质纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好适当硬化可提高耐磨性机械加工表面质量对使用性能的影响★影响接合面的密封性表面粗糙度值↑→密封性↓★影响运动平稳性★影响噪声7引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与工艺过程有关的原始误差(动误差)原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形刀具磨损测量误差工件残余应力引起的变形工件相对于刀具静止状态下的误差工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差原始误差——原始误差分类原始误差构成4.1.3机械加工工艺系统的原始误差84.1.4误差敏感方向

图4-5：ΔRΔYRRΔR=ΔX（4-1）（4-2）显然：工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。图4-5误差敏感方向ＯYR0Xa）ＯYR0Xb）误差敏感方向94.1.5机械加工精度的获得方法

◆试切法

尺寸精度的获得方法形状精度的获得方法◆成形运动法轨迹法、展成法和成形刀具法

◆非成形运动法利用人工对加工表面进行检测和修整，以获得所要求的形状精度。位置精度的获得方法◆一次装夹法◆多次装夹法◆非成形运动法利用人工对加工表面进行检测和修整，以获得所要求的位置精度。◆尺寸刀具法◆调整法

◆自动控制法10机械械制制造造技技术术基基础础第4章机械械加加工工质质量量MachiningQuality4.2

工艺系统原有误差对加工精度的影响及控制Originalerror

ofTechnologicalSysteminfluencetomachiningPrecisionanditsControl11加工工原原理理误误差差是是指指采采用用了了近近似似的的成成型型运运动动或或近近似似的的刀刀刃刃轮轮廓廓进进行行加加工工而而产产生生的的误误差差。。4.2.1加加工工原原理理误误差差对对加加工工精精度度的的影影响响及及其其控控制制式中中R———球球头头刀刀半半径径；；h———允允许许的的残残留留高高度度。。例2：：用阿阿基基米米德德蜗蜗杆杆滚滚刀刀滚滚切切渐渐开开线线齿齿轮轮例1：：在数数控控铣铣床床上上采采用用球球头头刀刀铣铣削削复复杂杂形形面面零零件件SRh空间曲面数控加工加工原理误差124.2.2量量具具误误差差与与测测量量误误差差对对加加工工精精度度的的影影响响及及其其控控制制计量量器器具具误误差差是是由示示值值误误差差、、示示值值稳稳定定性性、、回回程程误误差差和和灵灵敏敏度度等等四四个个方方面面综综合合起起来来的的极极限限误误差差。。测量量者者的的视视力力、、判判断断能能力力、、测测量量经经验验；；相相对对测测量量或或间间接接测测量量中中所所用用的的对对比比标标准准、、数数学学运运算算精精确确度度；；单单次次测测量量判判断断的的不不准准确确等等。。量具误差测量误差134.2.3装装夹夹误误差差与与夹夹具具误误差差对对加加工工精精度度的的影影响响及及其其控控制制利用用夹夹具具装装夹夹工工件件进进行行加加工工时时，，造造成成工工件件加加工工表表面面之之间间尺尺寸寸和和位位置置误误差差的的因因素素主主要要有有：：工件件装装夹夹误误差差△△ZJ包括括定定位位误误差差△△DW和夹夹紧紧误误差差△△JJ。夹夹紧紧误误差差是是夹夹紧紧工工件件时时引引起起工工件件和和夹夹具具变变形形所所造造成成的的加加工工误误差差。。夹具具对对定定误误差差△△DD包括括对对刀刀误误差差△△DA和夹夹具具位位置置误误差差△△JW。30±0.05φ6F7φ10F7k6φ20H7g6YZ图4-7钻径向孔的夹具在夹夹具具设设计计时时，，对对于于结结构构上上与与工工件件加加工工精精度度有有关关的的技技术术要要求求都都要要严严格格。。一一般般精精加加工工用用夹夹具具的的有有关关尺尺寸寸公公差差取取工工件件相相应应尺尺寸寸公公差差的的1/2~1/3；；粗粗加加工工时时取取1/5~1/10。。144.2.3装装夹夹误误差差与与夹夹具具误误差差对对加加工工精精度度的的影影响响及及其其控控制制定位位误误差差是由基准位位置误差和和基准不重重合误差组组成。为减减小定位误误差，应尽尽量选用工工序基准作作为定位基基准，并要要求夹具定定位元件和和工件定位位基准面的的制造误差差。一般应应将定位误误差控制在在≤1/3工件尺寸寸或位置公公差。夹紧误差是夹具和工工件在夹紧紧力的作用用下发生变变形而带来来的加工误误差。通常常夹具的变变形影响很很小，可忽忽略不计。。对刀误差产生于对刀刀导引元件件的制造、、装配和使使用过程。。将影响刀刀具相对于于定位元件件位置的准准确性和一一致性，造造成一批工工件的加工工误差。154.2.4刀刀具误差与与调整误差差对加工精精度的影响响及其控制制刀具的制造与安装精度刀具刃口质质量直接影影响微量切切削。定尺寸刀具具（钻头、、绞刀等））尺寸误差差影响加工工尺寸误差差成形刀具和和展成刀具具形状误差差影响加工工形状误差差刀具磨损影影响加工尺尺寸误差或或形状误差差为提高成形形刀具的刃刃磨和安装装精度，可可采用光学学曲面磨床床进行精确确刃磨，通通过对刀样样板或对刀刀显微镜，，实现成形形刀具的准准确安装。。在分度转位位刀架上安安装刀具加加工时，应应注意尺寸寸减少分度度误差对加加工精度的的影响。(误差敏感感方向对加加工精度的的影响)图4-8立轴转塔车床刀架转位误差的转移16刀具的调整4.2.4刀刀具误差与与调整误差差对加工精精度的影响响及其控制制生产中常用用的刀具调调整方法有有：按标准样块块或对刀块块(导套)调整刀具具按试切一个个工件后的的实测尺寸寸调整刀具具。在成批及大大量生产的的调整法加加工中，零零件加工后后的尺寸精精度很大程程度上取决决于刀具的的调整精度度。按标准样块块或对刀块块(导套)调整刀具具，影响刀具具调整精度度的因素：：标准样板板本身的尺尺寸精度、、对刀块(导套)相相对工件定定位元件之之间的尺寸寸精度、刀刀具调整时时的目测精精度、切削削加工时刀刀具相对于于工件加工工表面的弹弹性退让、、行程挡挡块的受力力变形。按试切一个个工件后的的实测尺寸寸调整刀具具时，可能导导致进给机机构的重复复定位精度度和按试切切一个工件件尺寸调整整刀具的不不准确性，，引起加工工后这批零零件尺寸分分布中心位位置的偏离离。可采用试切切几个工件件取平均值值的方法进进行刀具调调整，提高高对一批工工件尺寸分分布中心位位置判断的的准确性。。174.2.4刀刀具误差与与调整误差差对加工精精度的影响响及其控制制微量进给精度提高微量进进给机构的的主要措施施：尽量传动链链，减小传传动丝杠的的长径比，，消除各传传动元件间间的间隙，，以提高进进给机构的的传动刚度度；采用滚珠丝丝杠螺母副副、滚动导导轨副或静静压导轨，，使用性能能优越的导导轨材料和和润滑油，，以减小进进给机构各各传动副间间的摩擦力力和静、动动摩擦系数数差；合理布置传传动机构的的结构布局局，防止运运动部件受受扭侧力矩矩而增大摩摩擦阻力。。采用新型的的微量进给给原理，如如电致伸缩缩微量进给给机构、尺尺蠖(huò)机机构、摩擦擦驱动机构构等。184.2.5机机床几何误误差对加工工精度的影影响及其控控制机床的几何何精度机床主轴回回转精度的的高低，以以在规定测测量截面内内，主轴一一转或数转转内诸回转转中心相对对于其平均均位置(平平均轴线)的变动范范围来衡量量。回转运动精度主轴回转误误差主轴回转时实实际回转轴轴线与理想想回转轴线线的偏移量量。主轴回转精精度的三种种形式b）主轴轴向窜动a）主轴径向跳动c）主轴角度摆动图4-10主轴回转误差形式19回转运动精度径向跳动产产生径向向跳动的原原因主要是是轴承副的的制造误差差。根据不不同的主轴轴部件布置置情况影响响支加工精精度。主轴轴承为为滑动轴承承时，主轴轴轴颈的误误差将在回回转过程中中引起轴线线产生瞬时时变化，造造成径向跳跳动。4.2.5机机床几何误误差对加工工精度的影影响及其控控制图4-11采用滑动轴承时主轴径向跳动分析20主轴轴承为为滚动轴承承时，影响响径向跳动动的因素：：外环与箱体体孔间的配配合质量内环与主轴轴轴颈的配配合质量外环滚道和和内环滚道道的圆度外环滚道对对其外圆的的同轴度内环滚道对对其内孔的的同轴度轴承装配引引起的受力力变形滚动轴承间间隙滚动体的形形状及尺寸寸的一致性性回转运动精度4.2.5机机床几何误误差对加工工精度的影影响及其控控制★由于存在误误差敏感方方向，加工工不同表面面时，主轴轴径向跳动动所引起的的加工误差差也不同。。车床上加加工外圆、、内孔时，，主轴径向向跳动将引引起工件圆圆度误差，，对工件端端面加工无无影响。214.2.5机机床几何误误差对加工工精度的影影响及其控控制回转运动精度轴向窜动滑动轴承主主轴的轴向向窜动，是是主轴轴颈颈的轴向承承载面或主主轴轴承的的承载面与与主轴回转转轴线间的的垂直度误误差引起的的。滚动轴承主主轴的轴向向窜动决定定于止推轴轴承两个滚滚道的精度度和滚动体体的精度。。★根据误差敏敏感方向分分析，车端端面时，主主轴的轴向向窜动将造造成工件端端面的平面面度误差及及端面相对对于内、外外圆的垂直直度误差；；车削螺纹纹时会造成成螺距误差差；主轴的的轴向窜动动对加工外外圆或内孔孔影响不大大。a）b）Δ≈0Δ图4-12止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响22角度摆动4.2.5机机床几何误误差对加工工精度的影影响及其控控制回转运动精度★角度摆动不不仅影响加加工表面的的圆度误差差，而且影影响工件加加工表面的的圆柱度误误差。车削削外圆或内内孔时，角角度摆动会会造成锥度度误差；在在镗孔时，，会使镗出出的孔为椭椭圆形。23提高主轴回回转精度的的措施4.2.5机机床几何误误差对加工工精度的影影响及其控控制回转运动精度选用高精度度的轴承，，并提高主主轴及箱体体的制造精精度和主轴轴部件的装装配精度。。对高速速主轴轴部件件要进进行动动平衡衡，对对精密密滚动动轴承承要采采取预预加载载荷等等工艺艺措施施。采用液液体或或气体体静压压轴承承，由由于无无磨损损，高高刚度度（是是滚动动轴承承的5～6倍）），以以及对对主轴轴轴颈颈的形形状误误差的的均化化作用用，可可以大大幅度度地提提高主主轴回回转精精度。。★轴类零零件采采用双双固定定顶尖尖定位位加工工，可可避开开主轴轴回转转精度度对加加工精精度的的直接接影响响，这这在精精密磨磨削加加工中中经常常使用用。在在这种种情况况下，，工件件顶尖尖孔的的形状状误差差成为为影响响被加加工工工件形形状精精度的的决定定因素素，必必须对对其及及时地地进行行修整整。244.2.5机机床几几何误误差对对加工工精度度的影影响及及其控控制直线运动精度机床的的直线线运动动精度度主要要指导导轨的的导向向精度度。准确的的直线线运动动主要要取决决于：：机床导导轨的的制造造精度度机床导导轨与与其工工作台台间的的接触触精度度机床导导轨精精度包包括：：导轨在在水平平面内内的直直线度度导轨在在垂直直面内内的直直线度度双导轨轨间在在垂直直方向向的平平行度度接触精精度以以相互互配合合的导导轨面面间单单位面面积接接触斑斑点个个数量量。机床导导轨误误差对对刀具具或工工件的的直线线运动动精度度有直直接影影响。。它将将导致致刀尖尖相对对于工工件加加工表表面的的位置置变化化，而而对工工件的的形状状精度度产生生影响响。25直线运动精度4.2.5机机床几几何误误差对对加工工精度度的影影响及及其控控制△X△XΔx将直接接反映映在工工件加加工表表面法法线方方向(加工工误差差敏感感方向向)上上，误误差ΔR=Δx，对加加工精精度影影响最最大。。刀尖在在水平平面内内的运运动轨轨迹造造成工工件轴轴向形形状误误差。。导轨在在水平平面内内的直直线度度264.2.5机机床几几何误误差对对加工工精度度的影影响及及其控控制直线运动精度△Y对卧式式车床床Δd≈ΔY2/d若设ΔY=0.1mm,d=40mm，，则Δd=0.00025mm，，影响响可忽忽略不不计(加工工误差差非敏敏感方方向)。而对平平面磨磨床、、龙门门刨床床误差差将直直接反反映在在工件件上。。导轨在在垂直直面内内的直直线度度274.2.5机机床几几何误误差对对加工工精度度的影影响及及其控控制ΔX

图4-13导轨扭曲引起的加工误差HδΔRDαBXY双导轨轨间在在垂直直方向向的平平行度度直线运动精度△n－－车床床前后后纵导导轨间间存在在的平行度度误差差。★一般车车床H/B≈2/3，故故△n对工工件加加工表表面误误差的的影响响很大大。284.2.5机机床几几何误误差对对加工工精度度的影影响及及其控控制成形运动间位置关系精度图4-14成形运动间位置误差对外圆和端面车削的影响fαZΔzΔzαc）HyR0fXZLfdD－ΔdΔxa）b）294.2.5机机床几几何误误差对对加工工精度度的影影响及及其控控制成形运动间位置关系精度图4-15成形运动间位置误差对卧镗内孔的影响图4-16端铣刀对称铣削时的平面度误差和移位加工30图4-17齿轮机床传动链z7=z8=16z1=64zn=96z5=z6=23z3=z4=23bz2=16zn-1=1icefacd以齿轮轮机床床传动动链为为例：：式中Δφn——传传动动链末末端元元件转转角误误差；；kj——第第j个个传动动元件件的误误差传传递系系数，，表明明第j个传传动元元件对对末端端元件件转角角误差差影响响程度度，其其数值值等于于该元元件至至末端端元件件的传传动比比；ωn——传传动动链末末端元元件角角速度度；αj——第第j个个传动动元件件转角角误差差的初初相角角。成形运动间速度关系精度4.2.5机机床几几何误误差对对加工工精度度的影影响及及其控控制31缩短传传动链链长度度采用降降速传传动提高末末端元元件的的制造造精度度与装装配精精度采用频频谱分分析方方法，，找出出影响响传动动精度度的误误差环环节采取误误差补补偿方方法末端元元件转转角误误差图4-18传动链误差的频谱分析a)ΔφΣφnA1A2Aib)Ω(频率)A(幅值)ω1ω2ωi◆提高传传动精精度措措施4.2.5机机床几几何误误差对对加工工精度度的影影响及及其控控制图4-19丝杠加工误差补偿装置1—工件2—螺母3—母丝杠4—杠杆5—校正尺6—触头7—校正曲线32机械制制造技技术基基础第4章机械加加工质质量MachiningQuality4.3

加工过程中原始误差对加工精度的影响ProcessingtheoriginalerrorinfluencetomachiningPrecision33机械加加工中中，工工艺系系统在在切削削力、、夹紧紧力、、传动动力、、惯性性力和和重力力等外外力的的作用用下，，将产产生相相应变变形,使使工件件产生生加工工误差差。4.3.1工工艺艺系统统受力力变形形对加加工精精度的的影响响及其其控制制工艺系统刚度及其对加工精度的影响34在加工工误差差敏感感方向向上工工艺系系统所所受外外力Fn与变形形量△△之比比4.3.1工工艺艺系统统受力力变形形对加加工精精度的的影响响及其其控制制工艺系统刚度及其对加工精度的影响工艺系系统刚刚度指工艺艺系统统在受受力作作用下下抵抗抗其变变形的的能力力。式中Ks——工工艺系系统刚刚度；；Fp——车车削加加工时时的背背向力力；Δx——工工艺系系统位位移（（切削削合力力作用用下的的位移移）。。车削外外圆时时，35工艺系系统受受力变变形等等于工工艺系系统各各组成成部分分受力力变形形之迭迭加。。由此此可导导出工工艺系系统刚刚度与与工艺艺系统统各组组成部部分刚刚度之之间的的关系系：工艺系统刚度计算★工艺系系统刚刚度的的倒数数等于于系统统各组组成环环节刚刚度的的倒数数之和和。工工艺系系统刚刚度主主要取取决于于薄弱弱环节节的刚刚度。。4.3.1工工艺艺系统统受力力变形形对加加工精精度的的影响响及其其控制制36图4-20车削外圆时的工艺系统受力变形XHXTXBΔXFpAA′BB′CC′ZLFAFBXz工艺系统刚度计算(4-18)式中，，KH、KT、KB－机床床床头、、尾座座及刀刀架部部件的的实测测平均均刚度度；E－工件件材料料弹性性模量量；J－工件件截面面惯性性矩。。机床部部件的的刚度度主要受受相关关零件件接合合面间间的间间隙、、接触触变形形和摩摩擦力力等因因素的的影响响。现现主要要依靠靠实验验测定定的方方法获获得。。4.3.1工工艺艺系统统受力力变形形对加加工精精度的的影响响及其其控制制★工艺系系统刚刚度随随刀具具位置置的变变化而而变化化，使使加工工出来来的工工件产产生圆圆柱度度误差差。37图4-21误差复映现象ap1x1ap2x2毛坯外形工件外形由于工艺系统统受力变形，，使毛坯误差差部分反映到到工件上，此此种现象称为为“误差复映”加工过程中切削力变化产生的加工误差误差复映4.3.1工工艺系统统受力变形对对加工精度的的影响及其控控制在工件加工过过程中，由于于工件毛坯加加工余量不匀匀或工件材料料硬度不均，，将会引起切切削力的变化化，使工艺系系统的变形发发生变化，从从而造成加工工误差。38★机械加工中，，误差复映系系数通常小于于1。可通过过多次走刀，，消除误差复复映的影响。。（4-24））4.3.1工工艺系统统受力变形对对加工精度的的影响及其控控制误差复映系数数误差复映程度度可用误差复复映系数来表表示，误差复复映系数与系系统刚度成反反比。加工过程中切削力变化产生的加工误差式中，△w－工件加工前前的误差；△B－工件加工后后的误差；CFp－径向切削力力系数；f－进给量；yFp－进给量对切切削力的影响响指数。39◆提高工件在加加工时的刚度度a）b）图4-22薄薄壁套夹紧紧变形【例1】薄壁套夹紧变变形解决：加开口套提高工艺系统刚度的措施4.3.1工工艺系统统受力变形对对加工精度的的影响及其控控制◆提高刀具在加加工时的刚度度◆提高机床和夹夹具的刚度◆尽量减少连接接面数目，尽尽可能提高零零件配合面的的形状精度，，减小表面粗粗糙度，增大大连接时的实实际接触面积积，以减少总总的接触变形形。装配时，，采取预紧措措施，可消除除接合面间的的间隙和提高高接触刚度。。40龙门铣横梁变变形【例】龙门铣横梁龙门铣横梁变变形转移龙门铣横梁变变形补偿◆减小部件自重重引起的机床床结构变形对对加工精度的的影响解决1：重量转移解决2：变形补偿4.3.1工工艺系统统受力变形对对加工精度的的影响及其控控制414.3.2工工艺系统统受热变形对对加工精度的的影响及其控控制工艺系统的热源在精密加工和和大件加工中中，工艺系统统热变形引起起的加工误差差占总误差的的约40～70%。工艺系统热变形424.4.2机机床热变变形对加工精精度影响体积大，热容容量大，温升升不高，达到到热平衡时间间长结构复杂，变变形不均匀，，对加工精度度影响显著运转时间/h0123450150100200位移/μm20406080温升/℃ΔYΔX前轴承温升车床受热变形形a）车床受受热变形形态态b）温升与与变形曲线使机床产生热热变形的热源源主要是摩擦擦热、传动热热和外界热源源传入热量。。工艺系统热变形对加工精度的影响机床热变形对对加工精度的的影响43立铣（图a））立式铣床、外外圆磨床、导导轨磨床受热热变形a）铣床受热热变形形态b）外圆磨床床受热变形形形态c）导轨磨床床受热变形形形态外圆磨（图b）导轨磨（图c）其他机床热变形

4.3.2工工艺系统统受热变形对对加工精度的的影响及其控控制444.3.2工工艺系统统受热变形对对加工精度的的影响及其控控制工件热变形对对加工精度的的影响工艺系统热变形对加工精度的影响机械加工过程程中，使工件件产生热变形形的热源主要要是切削热或或磨削热。对于精密零件件，环境温度度变化和日光光、取暖设备备等外部热源源对工艺系统统的局部辐射射等也不容忽忽视。车削或磨削轴轴类工件外圆圆时，可近似似看成是均匀匀受热的情况况。工件均匀匀受热影响工工件的尺寸精精度，其变形形量(mm)可按下式估估算：式中：α—工工件材料的热热膨胀系数1/℃)；L—工件在热热变形方向上上的尺寸（mm)；△t—工件平平均温升（℃℃)。454.3.2工工艺系统统受热变形对对加工精度的的影响及其控控制工艺系统热变形对加工精度的影响图4-23平平板磨削加加工时的翘曲曲变形及其计计算当工件受热不不均时，如磨磨削零件单一一表面，由于于工件单面受受热而产生向向上翘曲变形形y，加工冷冷却后将形成成中凹的形状状误差y’：：★工件长度L越越大，厚度H越小，则中中凹形状误差差y’就越大大。为减小工工件的热变形形带来的加工工误差，应控控制工件上下下表面的温差差△θ。在精密丝杠磨磨削加工中，，工件的热伸伸长将引起螺螺距的累积误误差。yφ/4φLH464.3.2工工艺系统统受热变形对对加工精度的的影响及其控控制刀具热变形对对加工精度的的影响工艺系统热变形对加工精度的影响体积小，热容容量小，达到到热平衡时间间较短温升高，变形形不容忽视(达0.03～0.05mm)τ(min)图4-24车刀热变形曲线连续切削升温曲线冷却曲线间断切削升温曲线ξ（μm）ξmaxτb0τc0.63ξmax使刀具产生热热变形的热源源主要是切削削热。切削热热传入刀具的的比例虽然不不大（车削时时约为5％左左右），但由由于刀具体积积小，热容量量小，所以刀刀具切削部分分的温升仍较较高。474.3.2工工艺系统统受热变形对对加工精度的的影响及其控控制控制工艺系统热变形的主要措施减少切削热和和磨削热，粗粗、精加工分分开。润滑，减少运运动部件间的的摩擦。隔离热源。减少热量的产产生和传入加强散热能力力充分冷却和强强制冷却。均衡温度场热对称结构热补偿结构热变形方向为为非误差敏感感方向控制环境温度度恒温人体隔离484.3.3工工艺系系统磨损对加加工精度影响响工艺系统磨损对加工精度的影响机床磨损对加加工精度的影影响影响机床上工工件和工具的的运动精度及及其相互间的的位置关系、、速比关系、、破坏机床成成形运动的原原有精度，造造成被加工零零件的形状和和位置误差。。刀具磨损对加加工精度的影影响夹具磨损对加加工精度的影影响量具磨损对加加工精度的影影响影响被加工表表面与定位基基准面间的尺尺寸精度和位位置精度。造成工件的尺尺寸和形状误误差。影响零件的试试切精度，造造成加工误差差。49减少工艺系统磨损的措施4.3.3工工艺系系统磨损对加加工精度影响响提高导轨耐磨磨性采用耐磨合金金铸铁、镶钢钢导轨、贴塑塑导轨、滚动动导轨、导轨轨表面淬火、、合理润滑等等。正确选用刀具具材料，减少少刀具磨损合理选择刀具具参数、切削削用量，正确确地刃磨刀具具，合理地使使用冷却润滑滑液等。减少夹具磨损损提高夹具中易易磨损件的耐耐磨性，并及及时磨损更换换超限的夹具具元件。504.3.4工工件残残余应对加工工精度的影响响及其控制未施加任何外外力作用情况况下，材料内内部保持平衡衡而存在的应应力。残余应力概念残余应力种类◆残余压应力◆残余拉应力◆热塑变形效应应：表层张应力，，里层压应力力◆里层金属弹性性恢复：若里层金属产产生压缩变形形，则弹性恢恢复后表层得得到压应力，，里层为张应应力◆表层金属相变变：影响复杂，若若切削区温度度超过相变温温度，则珠光光体受热转变变成奥氏体，，冷却后又转转变成马氏体体，体积膨胀胀，表层产生生压应力◆实际应力状态态是上述各因因素影响的综综合结果残余应力产生生原因514.3.4工工件残残余应对加工工精度的影响响及其控制图4-25铸铸件残余应应力引起变形形图4-26冷冷校直直引起的残余余应力设计合理零件件结构必要的热处理理粗、精加工分分开避免冷校直残余应力对加工精度的影响毛坯制造和热热处理产生的的残余应力（（图4-25）减小残余应力措施冷校直带来的的残余应力(图4-26)切削加工带来来的残余应力力52机械制造技术术基础第4章机械加工质量量MachiningQuality4.4

加工误差的统计分析StatisticAnalysisofMachiningErrors534.4.1加加工误误差的性质系统误差在顺序加工一一批工件中，，其大小和方方向均不改变变，或按一定定规律变化的的加工误差。。◆常值系统误差差——其大小和和方向均不改改变。如机床床、夹具、刀刀具的制造误误差，工艺系系统在均匀切切削力作用下下的受力变形形，调整误差差，机床、夹夹具、量具的的磨损等因素素引起的加工工误差。◆变值系统误差差——误差大小小和方向按一一定规律变化化。如机床、、夹具、刀具具在热平衡前前的热变形，，刀具磨损等等因素引起的的加工误差。。加工误差系统误差随机误差常值系统误差变值系统误差加工误差统计特性544.4.1加加工误误差的性质◆在顺序加工一一批工件中，，其大小和方方向随机变化化的加工误差差。◆随机误差是工工艺系统中大大量随机因素素共同作用而而引起的。◆随机误差服从从统计学规律律。◆如毛坯余量或或硬度不均，，引起切削力力的随机变化化而造成的加加工误差；定定位误差；夹夹紧误差；残残余应力引起起的变形等。。随机误差554.4.2机机械加加工误差的分分布规律图4-27机械加工误差的分布规律564.4.2机机械加加工误差的分分布规律分布曲线◆正态分布式中，y－分布的概率密密度；x－随机变量；μ－正态分布随机机变量总体平平均值；σ－正态分布随机机变量的标准差。概率密度函数数（4-27）yF（z）图4-28正态分布曲线μ(z=0)x(z)0z-σ+σ574.4.2机机械加加工误差的分分布规律正态分布曲线线的特性◆正态分布正态分布曲线线是关于x=μ的对称曲线。。当x=μ时，曲线取得得最大值：在x=μ±σ处，曲线有拐拐点；当x→±∞，曲线接接近x轴，即x轴为分布曲线线的渐近线。。若改变μ值，分布曲线线将沿横坐标标移动而不改改变其形状，，说明μ表征分布曲线线位置的参数数。分布曲线的最最大值ymax与σ成反比。σ是表征分布曲曲线形状的参参数，反映了了随机变量x取值的分散程程度。584.4.2机机械加加工误差的分分布规律◆正态分布图4-29μ对正态分布曲线的影响图4-30σ对正态分布曲线的影响594.4.2机机械加加工误差的分分布规律平均值μ=0，标准差差σ=1的正态分分布称为标准准正态分布，，记为：x(z)~N(μ,σ2)◆正态分布由分布函数的的定义，正态态分布函数是是正态分布概概率密度函数数的积分（4-29）令：将z代入上式，则则：称z为标准化变量量604.4.2机机械加加工误差的分分布规律◆正态分布当z=±3时，即x-μ=±3σ时，随机变量量x落在±3σ范围内的概率率为99.7%，落在此此范围以外的的概率仅不0.27%。。故可以认为为正态分布的随随机变量的分分散范围是±±3σ，即±3σ原则。6σ的大大小小代代表表了了某某种种加加工工方方法法在在一一定定条条件件下下所所能能达达到到的的加加工工精精度度。。一一般般情情况况下下，，应应使使所所选选择择加加工工方方法法的的标标准准差差σ与公公差差带带T间间具具有有下下列列关关系系：：6σ≤T61◆非正正态态分分布布xy0a）双峰分布双峰峰分分布布：：两次次调调整整下下加加工工的的工工件件或或两两台台机机床床加加工工的的工工件件混混在在一一起起（（图图示示a））xy0b）平顶分布xy0c）偏向分布平顶顶分分布布：：工件件瞬瞬时时尺尺寸寸分分布布呈呈正正态态，，其其算算术术平平均均值值近近似似成成线线性性变变化化（（如如刀刀具具和和砂砂轮轮均均匀匀磨磨损损））（（图图示示b））偏向向分分布布：：如工工艺艺系系统统存存在在显显著著的的热热变变形形，，或或试试切切法法加加工工孔孔时时宁宁小小勿勿大大，，加加工工外外圆圆时时宁宁大大勿勿小小（（图图示示c））几种种非非正正态态分分布布4.4.2机机械械加加工工误误差差的的分分布布规规律律624.4.3加加工工误误差差的的统统计计方方法法统计计分分析析法法是以以现现场场观观察察与与实实际际测测量量所所得得的的数数据据为为基基础础，，应应用用概概率率论论和和统统计计学学原原理理，，确确定定在在一一定定加加工工条条件件下下，，一一批批零零件件加加工工误误差差的的大大小小及及其其分分布布情情况况。。此法法既既可可以以识识别别系系统统的的大大小小与与方方向向，，也也可可识识别别各各种种随随机机误误差差因因素素对对加加工工精精度度的的综综合合影影响响。。适用用于于调调整整法法加加工工的的成成批批、、大大量量生生产产。。加工误差的统计分析分布图法通过过测测量量一一批批零零件件加加工工后后的的实实际际尺尺寸寸，，做做出出尺尺寸寸分分布布曲曲线线，，然然后后按按此此曲曲线线的的位位置置(相相对对于于理理想想尺尺寸寸)和和形形状状(分分散散范范围围)判判断断这这种种加加工工方方法法产产生生误误差差的的性性质质和和大大小小。。63(1)计计算算平平均均尺尺寸寸式中中，，xi－各各实实测测尺尺寸寸；；n－实实测测零零件件的的总总数数。。(2)计计算算常常值值系系统统误误差差式中中，，xM－工工件件的的理理想想尺尺寸寸，，即即公公差差带带中中心心值值；；－所所测测尺尺寸寸的的算算术术平平均均值值。。分布图法4.4.3加加工工误误差差的的统统计计方方法法常值值系系统统误误差差一一般般可可以以通通过过对对工工艺艺系系统统进进行行适适当当的的调调整整来来消消除除或或减减小小。。图4-31一批零件加工尺寸分布图64(3)计计算算随随机机误误差差(4)确确定定工工序序能能力力系系数数一般般情情况况下下，，工工序序能能力力不不应应低低于于二二级级，，即即CP＞1。。只有有当当时时，，才才不不会会出出现现不不合合格格品品。。实际际工工艺艺能能力力系系数数CPK：分布图法4.4.3加加工工误误差差的的统统计计方方法法65工序序能能力力等等级级工序能力系数工序等级说明CP＞1.67特级工序能力过高1.67≥CP＞1.33一级工序能力足够1.33≥CP＞1.00二级工序能力勉强1.00≥CP＞0.67三级工序能力不足0.67≥CP四级工序能力很差表4-3工序能力等级分布图法4.4.3加加工工误误差差的的统统计计方方法法工艺艺能能力力系系数数CP表示示工工艺艺过过程程本本身身的的能能力力，，而而实际际工工艺艺能能力力系系数数CPK则表表示示工工艺艺过过程程满满足足加加工工质质量量要要求求的的能能力力，，是是对对““工工艺艺过过程程能能力力””和和““质质量量控控制制能能力力””的的综综合合。。66(5)计算不不合格品率通常情况下，，计算不合格格品率需要同同时考虑常值值系统误差和和随机误差。。尺寸过大不合合格品率：尺寸过小不合合格品率：(6)分析减减少不合格品品的措施消除常值系统统误差提高工序能力力增大不合格品品的可修复性性4.4.3加加工误误差的统计方方法分布图法图4-32尺寸调整前后的不合格品率67点图法4.4.3加加工误误差的统计方方法逐点点图在一批零件加加工过程中，，依次测量每每个零件的加加工尺寸，并并记入以顺次次加工的零件件号不横坐标标、零件加工工尺寸为纵坐坐标的图表中中，便构成了了逐点点图。。采用点图法分分析可明显发发现变值系统统误差。其随随机误差的分分布宽度为6σ’，远比6σ小。由于刀具磨损损产生变值系系统误差为Δvs=ntanαα，则每个零件件的系统误差差为Δs=C+ntanα。式中，n－零件加工顺顺序号；tanα－直径变化斜斜率；C－常值系统误误差。图4-33在车床上用调整法加工轴颈的点图68在点图上，，是小样本本均值的均值值线，UCL、LCL是小样本均值值的上、下下控制线。在在R图上，是小小样本极差R的均值线，，UR是小样本极差差的上控制线线。图是由小样本(样组)均值的点图和小样本极差R的点图组成，横坐标是按时间先后采集的小样本组序号，纵坐标分别是小样本均值和极差R。4.4.3加加工误误差的统计方方法点图法图图4-34图R图UCL

0510样组序号1520LCL0510样组序号1520x图LCLUCL

Ri69◆工艺过程稳定定性点子正常波动动→工艺过程程稳定；点子子异常波动→→工艺过程不不稳定◆稳定性判别——没有点子子超出控制限限——大部分点点子在中心线线上下波动，，小部分点子子靠近控制限限——点子变化化没有明显规规律性（如上上升、下降倾倾向，或周期期性波动）同时满足为稳稳定图4.4.3加加工误误差的统计方方法点图反映工艺艺过程质量指指标分布中心心(系统误差差)的变化，，R图反映工工艺过程质量量指标分散范范围(随机误误差)的变化化，两图必须须联合使用。。70机械制造技术术基础第4章机械加工质量量MachiningQuality4.5

机械加工表面质量的影响因素及改善措施Surfacemachiningqualityfactorsandimprovementmeasures714.5.1切切削加加工表面的形形成过程γohDΔhDΔhOBDC图4-35已加工表面形成过程αoVBrn刀具钝圆半径rnrn值主要由刀具具材料的晶位位结构及刃磨磨质量决定。。一般情况下下，高速钢rn约为10~18μμm，最小可达5μm;硬质合金rn约为18~32μμm，最小可达3~6μm。刀具前角γo和后角αo越大，刃磨质质量越好，rn值会增大。切削过程中，，后刀面与加加工表面间的的摩擦挤压，，加剧了加工工表面的塑性性变形，甚至至引起表层的的非晶质化、、纤维化及加加工硬化等。。图中O点为切削层金金属的分流点点。72图4-36表面粗糙度4.5.2机机械加加工表面粗糙糙度概述经过切(磨)削加工后的的表面总会有有微观几何形形状的不平度度，其高度称称为粗糙度。。粗糙度理论(理想)粗糙度把刀具看成纯纯几何线时，，切削刃相对对于工件运动动所形成表面面的微观不平平度，其值取取决于残留面面积的大小。。RmaxⅠⅡfvf实际粗糙度远大于理论粗粗糙度734.5.2机机械加加工表面粗糙糙度切削加工表面粗糙度产生的原因及其控制切削加工表面面粗糙度的成成因切削加工表面面的实际粗糙糙度是由理论论粗糙度、积积屑瘤与鳞刺刺、切削机理理的变化、切切削刃与工件件的相对位置置变化(颤振振)、切削刃刃损坏及刀具具的边界磨损损等原因造成成的。74图4-37车车削时残残留面积的高高度直线刃车刀(图4-37a)圆弧刃车刀(图4-37b)影响因素：fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf理论粗糙度4.5.2机机械加加工表面粗糙糙度75切削速度影响响最大：v=10～～50m/min范围，，易产生积屑屑瘤和鳞刺，，表面粗糙度度最差。其他影响因素素：刀具几何何角度、刃磨磨质量，切削削液等切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度h（μm）0200400600hKsRz切削表面塑性变形和积屑瘤4.5.2机机械加加工表面粗糙糙度76积屑瘤的影响响及其抑制积屑瘤的形成成条件工件方面一一般切塑性材材料且呈带状状切屑时才有有可能形成积积屑瘤。刀具方面刀刀具前角γo=0或较小或或γo<0，刀具刃刃磨质量不佳佳，刃口附近近的前后刀面面粗糙度值较较大、切削刃刃不平整，易易形成积屑瘤瘤。切削条件方面面切削速度度vc中等，进给量量f(或切削厚度度hD)较大，不用切切削液或切削削液不起润滑滑减摩作用时时，易形成积积屑瘤。4.5.2机机械加加工表面粗糙糙度图4-38积屑瘤与过切量ΔhD

77◆形成过切，造造成犁沟，影影响加工精度度,增大了表表面粗糙度。。◆积屑瘤顶部周周期性地生成成与脱落，部部分碎片镶嵌嵌在已加工表表面上，影响响了表面质量量。◆积屑瘤脱落时时，会造成刀刀具的粘结磨磨损，增大了了加工表面粗粗糙度。积屑瘤对表面面质量的影响响4.5.2机机械加加工表面粗糙糙度积屑瘤的影响响及其抑制鳞刺的影响在切削过程中中，由于切屑屑在前刀面上上的摩擦和冷冷焊作用，使使切屑在前刀刀面上产生周周期性停留，，从而挤拉刚刚加工过的表表面，严重时时使表面出现现撕裂现象，，在已加工表表面上形成鳞鳞片状毛刺，，使表面粗糙糙不平。是塑性金属材材料精加工的的一大障碍784.5.2机机械加加工表面粗糙糙度切削机理的变变化图4-39非连续性切屑及加工表面图4-40切削刃两侧工件材料的隆起现象794.5.2机机械加加工表面粗糙糙度切削刃工件相相对位置变化化(颤振)切削刃损坏及及刀具边界磨磨损运动机构的跳跳动和切削过过程的波动，，均会使刀具具与工件间的的位置发生变变化，从而使使切削厚度、、宽度发生变变化。这些变变化的不稳定定因素会引起起工艺系统的的自激振动，，使相对位置置变化的振幅幅加大，引起起背刀量变化化,即表面粗粗糙度值加大大。图4-43刀具边界磨损及凸起804.5.2机机械加加工表面粗糙糙度切削加工表面面粗糙度的控控制刀具方面适当地减小κr，κr’，或增大rε，以减小残留留面积高度Rmax，即减小表面面粗糙度。增大γo，使塑性变形形减小，也可可抑制积屑瘤瘤和鳞刺的生生成。采用稍大于f的修光刀(κr’=0°)能能减小Rmax。提高刀面和切切削刃的刃磨磨质量，减小小刀面和切削削刃的表面粗粗糙度，减小小与加工表面面间的摩擦及及表面粗糙度度的复映，有有利于抑制积积屑瘤和鳞刺刺的生成。采用能减小与与钢摩擦的TiN、TiC涂层刀具，以以减小粘结以以及积屑瘤和和鳞刺的生成成。严格控制刀具具磨损值，后后刀面磨损和和边界磨损，，要换刀。814.5.2机机械加加工表面粗糙糙度切削加工表面面粗糙度的控控制工件方面加工塑性较大大的低碳钢时时，可预先将将工件进行调调质处理，提提高其硬度、、降低塑性，，可以抑制积积屑瘤和鳞刺刺的生成，减减小表面粗糙糙度。切削条件方面面切削中碳钢时时可降低切削削速度(vc<5m/min)或提高高切削速度(vc>30m/min)，以以避开积屑瘤瘤生长区。减小进给量f，不仅减小小了残留面积积高度Rmax，也减小了刀刀-屑接触区区的法向力，，避免刀-屑屑间的粘结，，从而可抑制制积屑瘤和鳞鳞刺的生成。。采用加热切削削或低温切削削，以避免积积屑瘤和鳞刺刺的生成。使用性能好的的切削液，减减小摩擦抑制制积屑瘤和鳞鳞刺的生成，，以减小Ra。防止机床加工工系统的高频频振动，也可可减小表面粗粗糙度。824.5.2机机械加加工表面粗糙糙度磨削加工表面粗糙度及其控制磨削表面粗糙糙度有沿磨削削速度方向和和垂直于磨削削速度方向。。通常所说的的磨削表面粗粗糙度是指垂垂直于磨削速速度方向的。。磨削表面粗糙糙度式中，vc、vw－分别表示砂砂轮和工件的的速度；Rs、Rw－分别表示砂砂轮和工件的的半径；m－砂轮圆周周单位长度的的磨粒数，与与粒度有关：：粒度号越大大，m值越大大；B/fn－砂轮宽度与与轴向进给量量之比。83砂轮速度v↑，Ra↓工件速度vw↑，Ra↑砂轮纵向进给给f↑，Ra↑磨削深度ap↑，Ra↑磨削用量对表面粗糙度的影响vw

=40(m/min)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v=50(m/s)f=2.36(m/min)ap

=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(μm)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04b）磨削用量影响图4-46光磨次数-Ra关系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)光磨次数↑，，Ra↓4.5.2机机械械加加工工表表面面粗粗糙糙度度84砂轮轮粒粒度度↑↑，，Ra↓；；但但要要适适量量砂轮轮硬硬度度适适中中，，Ra↓；；常常取取中中软软砂轮轮组组织织适适中中，，Ra↓；常常取取中中等等组组织织采用用超超硬硬砂砂轮轮材材料料，，Ra↓砂轮轮精精细细修修整整，，Ra↓砂轮影响其他影响因素工件材料冷却润滑液等4.5.2机机械械加加工工表表面面粗粗糙糙度度85减小小磨磨削削表表面面粗粗糙糙度度可可采采取取的的措措施施4.5.2机机械械加加工工表表面面粗粗糙糙度度磨削加工表面粗糙度及其控制采用用粒粒度度号号大大的的砂砂轮轮，，磨磨粒粒细细，，m值增增大大，，Ra减小小，，但但磨磨粒粒不不宜宜太太细细，，否否则则会会造造成成砂砂轮轮，，使使Ra增大大。。提高高砂砂轮轮速速度度vc或降降低低工工件件速速度度vw，即即vc/vw比值值增增大大，，可可使使Ra减小小。。使用用直直径径较较大大砂砂轮轮可可使使Ra减小小。。加工工砂砂轮轮宽宽度度B，使使得得参参加加工工件件的的磨磨粒粒增增多多，，每每颗颗磨磨粒粒的的磨磨削削量量将将减减少少。。增大大径径向向进进给给量量fr(或或磨磨削削深深度度ap)，，会会使使表表面面粗粗糙糙度度值值增增大大。。提高高砂砂轮轮修修整整质质量量，，可可使使Ra减小小。。86已加加工工表表面面表表层层金金属属硬硬度度高高于于里里层层金金属属硬硬度度的的现现象象加工工表表面面严严重重变变形形层层内内金金属属晶晶格格拉拉长长、、挤挤紧紧、、扭扭曲曲、、碎碎裂裂，，使使表表层层组组织织硬硬化化◆硬化化程程度度（4-45）式中中H———硬硬化化层层显显微微硬硬度度（（HV））；；H0———基基体体层层显显微微硬硬度度（（HV））。。◆硬化化层层深深度度指硬硬化化层层深深入入基基体体的的距距离离ΔΔhd（μm））加工硬化概念加工硬化产生原因加工硬化度量4.5.3加加工工表表面面变变质质层层HV距表面深度H0hiH0图4-47加工硬化与表面深度的关系87影响加工硬化的因素4.5.3加加工工表表面面变变质质层层刀具具方方面面刀具具几几何何参参数数γo、αo和rn(图图4-48、、图图4-49)γo↑ΔΔhd↓；；rn↑，，硬硬