机械加工质量分析与控制3.25

生产任何一种机械产品，都要求在保证质量的前提下，做到高效率、低消耗。产品的质量是第一位的，没有质量，高效率、低成本就失去了意义产品质量是指用户对产品的满意程度。有三层含意：一是产品的设计质量；二是产品的制造质量；三是服务。第四章机械加工质量分析与控制制造质量，它主要指产品的制造与设计的符合程度。设计质量，主要反映所设计的产品，与用户(顾客)的期望之间的符合程度。服务主要包括售前的服务，售后的培训、维修、安装等。零件的机械制造质量包括机械加工精度和零件表面质量两个方面。零件的机械加工精度包括尺寸误差、几何形状误差和位置误差。几何形状误差又可分为宏观几何形状误差、波度和微观几何形状误差。零件表面质量主要是指表面层材料的冷作硬化、金相组织的变化、残余应力。第一节机械加工精度1.加工精度与加工误差

加工精度:指零件经机械加工后,其几何参数(尺寸、形状、表面相互位置)的实际值与理想几何参数的符合程度.零件的的加工精度包括:尺寸精度、形状精度和相互位置精度,三者之间是既有区别又有联系的.通常,形状公差应限制在位置公差之内,而位置误差又要限制在尺寸公差之内.当尺寸精度要求高时,相应的位置、形状精度也要求高.

有时形状精度要求高时,相应的位置精度和尺寸精度有时不一定要求高,这要根据零件的功能要求来决定.一.概述

加工误差:指零件经机械加工后,其几何参数(尺寸、形状、表面相互质量)的实际值与理想几何参数的符合程度.加工精度和加工误差是同一个问题的两个说法,加工精度以加工误差的形式体现出来,加工精度高,加工误差就低实际加工时不可能也没有必要把零件做得与理想零件完全一致，而总会有一定的偏差，即加工误差。只要这些误差在规定的范围内，即能满足机器使用性能的要求。就是通过试切、测量、调整、再试切,……,反复进行到被加工尺寸达到要求为止的加工方法.这种方法的效率低,操作者的技术水平要求高,主要适用于单件、小批生产.3.获得加工精度的方法

1）获得尺寸精度的方法

(1)试切法

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,以保证被加工尺寸的方法.调整法广泛用于各类半自动、自动机床和自动线上,适用于成批、大量的生产.(2)调整法用刀具的相应尺寸来保证工件被加工部位尺寸的方法,如铰孔、拉孔和攻螺纹等.这种方法的加工精度,主要决定于刀具的制造、刃磨质量和切削用量.其优点是生产率较高,但刀具制造较复杂,常用于孔、螺纹和成形表面的加工.(3)定尺寸刀具法(4)自动控制法

这种方法是用度量装置、进给机构和控制系统构成加工过程的自动循环,即自动完成加工中的切削、度量、补偿调整等一系列的工作,当工件达到要求的尺寸时,机床自动退刀,停止加工.成形刀具法:加工精度主要取决于刀刃的形状精度轨迹法:加工精度则与机床的精度关系密切.例如,车削圆柱类零件时,其圆度、圆柱度等形状精度,主要决定于主轴的回转精度、导轨的导向精度以及主轴回转轴心线与导轨之间的相互位置精度展成法:常用于各种齿轮加工,其形状精度与刀具精度以及机床传动精度有关2）获得形状精度的方法3）获得相互位置精度的方法

零件的相互位置精度,主要由机床精度、夹具精度和工件的装夹精度来保证.例如,在平面上钻孔,孔中心线对平面的垂直度,取决于钻头进给方向与工作台或夹具定位面的垂直度.3）

位置精度的获得方法（1）一次装夹获得法（2）多次装夹获得法装夹的方式：直接找正装夹、划线找正装夹、夹具装夹。4.原始误差机械加工中零件的尺寸、形状和相互位置误差,主要是由于工件与刀具在切削运动中相互位置发生了变动而造成的.由于工件和刀具安装在夹具和机床上,因此,机床、夹具、刀具和工件构成了一个完整的工艺系统.工艺系统中的种种误差,是造成零件加工误差的根源,故称之为原始误差.从大的方向可分为:(1)与工艺系统本身结构状态有关的静态误差(2)与切削过程有关的动态误差加工中可能出现的原始误差,可列举如下图:原始误差产生加工误差的根源，它包括：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工艺系统几何误差原理误差调整误差测量误差定位误差工艺系统动误差工艺系统力变形工艺系统热变形工艺系统内应力变形刀具几何误差夹具几何误差机床热变形工件热变形刀具热变形原始误差加工前加工中加工后原理误差调整误差夹具误差工件装夹误差机床误差刀具误差工艺系统力变形工艺系统热变形刀具磨损内应力引起的变形测量误差§4-2原理误差与工艺系统几何误差对加工精度的影响一、原理误差二、工艺系统原始误差对机械加工精度的影响及其控制(一）工艺系统原始误差对尺寸精度的影响及其控制(二）工艺系统原始误差对形状精度的影响及其控制(三）工艺系统原始误差对位置精度的影响及其控制

原理误差是由于采用了近似的成形运动或刀刃形状而产生的.如:

(1)滚切渐开线齿形就存在两项原理误差:一是为便于制造,用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆,来代替渐开线基本蜗杆而产生的误差；另一个是由于滚刀刀刃数有限,而是由若干短线组成的折线；模数铣刀分组,(2)又如在加工正弦曲线的内曲面时,用曲柄滑块机构来获得近似的正弦曲线,也存在原理误差.(一)原理误差

理论上应当采用理想的加工原理,来获得精确的加工表面.会使机床的结构复杂,难以保证机床的刚度和精度,或者使刀刃的轮廓不易制造或精度很低.这样不仅不能保证加工精度,甚至还会降低加工效率.这时如采用近似的加工方法,因此,只要能把加工误差限制在规定的范围内(一般,原理误差应小于工件公差值的10%－15%),可以采用近似的加工方法.(一）工艺系统原始误差对尺寸精度的影响及其控制1、尺寸测量精度2、微量进给精度3、微薄切削层的极限厚度4、工件的定位和刀具的调整精度1、影响形状精度的主要因素(二）工艺系统原始误差对形状精度的影响及其控制*机床的几何精度（成形运动法）各成形运动之间的相互位置关系精度成形运动本身精度各成形运动之间的运动精度*成形刀具的制造安装精度*加工表面形状检测精度（非成形运动法）2、机床导轨误差机床导轨是机床中确定某些主要部件相对位置的基准，也是某些主要部件的运动基准。

机床导轨误差的基本形式水平面内的直线度垂直面内的直线度前后导轨的平行度（扭曲）现以卧式车床为例，说明导轨误差是怎样影响工件的加工精度的。(二）工艺系统原始误差对形状精度的影响及其控制（1）导轨在水平面内直线度误差的影响当导轨在水平面内的直线度误差为△y时,引起工件在半径方向的误差为（图4－9）：△R=△y

由此可见：床身导轨在水平面内如果有直线度误差，使工件在纵向截面和横向截面内分别产生形状误差和尺寸误差。

当导轨向后凸出时，工件上产生鞍形加工误差；当导轨向前凸出时，工件上产生鼓形加工误差。ΔYΔYoDΔR水平面导轨水平面内直线度图4－9导轨在水平面内直线度误差

床身导轨在垂直面内有直线度误差（图4-10），会引起刀尖产生切向位移△Z，造成工件在半径方向产生的误差为：△R≈△Z2/d（2）导轨在垂直面内直线度误差的影响设：△Z=△Y=0.01mm，R=50mm，

则由于法向原始误差而产生的加工误差△R=△Y=0.01mm,

由于切向原始误差产生的加工误差

△R≈△Z2/d=0.000001mm

此值完全可以忽略不计。由于△Z2数值很小，因此该误差对工件的尺寸精度和形状精度影响甚小。垂直平面导轨垂直面直线度ΔZdΔRΔZ图4－10

导轨在垂直面内直线度误差Rd/2

对平面磨床，龙门刨床及铣床等，导轨在垂直面内的直线度误差会引起工件相对于砂轮（刀具）产生法向位移，其误差将直接反映到被加工工件上，造成形状误差（图7-11）。

原始误差引起工件相对于刀具产生相对位移，若产生在加工表面法向方向（误差敏感方向），对加工精度有直接影响；产生在加工表面切向方向（误差非敏感方向），可忽略不计。结论：图龙门刨床导轨垂直面内直线度误差1－刨刀2－工件3－工作台4－床身导轨（3）前后导轨平行度误差的影响床身前后导轨有平行度误差（扭曲）时，会使车床溜板在沿床身移动时发生偏斜，从而使刀尖相对工件产生偏移，使工件产生形状误差（鼓形、鞍形、锥度）。从图4-11可知，车床前后导轨扭曲的最终结果反映在工件上，于是产生了加工误差△y。从几何关系中可得出：

△y≈H△/B

一般车床H≈2B/3，外圆磨床H≈B，因此该项原始误差△对加工精度的影响很大。图4－11车床导轨扭曲对工件形状精度影响2、机床主轴回转误差（1）机床主轴回转误差的概念主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线（一般用平均回转轴线来代替）产生的偏移量。主轴回转误差的基本形式轴向窜动纯径向跳动纯角度摆动实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。由于主轴实际回转轴线在空间的位置是在不断变化的，由上述三种运动所产生的位移（即误差）是一个瞬时值。常把主轴回转误差分解为径向跳动,轴向窜动和角度摆动下面以在镗床上镗孔、车床上车外圆为例来说明主轴回转误差对加工精度的影响。车间所有机床，我们分为：工件回转类刀具回转类误差敏感方向不变镗床

车床加工时误差敏感方向和切削力方向随主轴回转而不断变化（2）主轴回转误差对加工精度的影响①主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响镗削加工：镗刀回转，工件不转

假设由于主轴的纯径向跳动而使轴线在y坐标方向作简谐运动（图4-4），其频率与主轴转速相同，简谐幅值为A；

则:Y=Acosφ（φ＝ωt）

且主轴中心偏移最大（等于A）时，镗刀尖正好通过水平位置1处。当镗刀转过一个φ角时（位置1’），刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分别计算得：y=Acosφ+Rcosφ=(A+R)cosφ Z=Rsinφ将上两式平方相加得: y2/(A+R)2+Z2/R2=1

表明此时镗出的孔为椭圆形。AARφOm11，AcosφO234ORsinφ(A+R）cosφ图4－4镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响车床加工：工件回转，刀具移动假设主轴轴线沿y轴作简谐运动（图4-5），在工件的1处（主轴中心偏移最大之处）切出的半径比在工件的2、4处切出的半径小一个幅值A；在工件的3处切出的半径比在工件的2、4处切出的半径大一个幅值A。

这样，上述四点工件的直径都相等，其它各点直径误差也很小，所以车削出的工件表面接近于一个真圆。

Y2+Z2=R2+A2Sin2φ由此可见，主轴的纯径向跳动对车削加工工件的圆度影响很小。图4－5车削时纯径向跳动对加工精度的影响②轴向窜动对车、镗削加工精度的影响

主轴的轴向窜动对内、外圆的加工精度没有影响，但加工端面时，会使加工的端面与内外圆轴线产生垂直度误差。

主轴每转一周，要沿轴向窜动一次，使得切出的端面产生平面度误差（图4-6）。当加工螺纹时，会产生螺距误差。

图4－6主轴轴向窜动对端面加工精度的影响

车削加工时工件每一横截面内的圆度误差很小，但轴平面有圆柱度误差（锥度）。

车外圆：得到圆形工件，但产生圆柱度误差（锥体）车端面：产生平面度误差

镗孔时，由于主轴的纯角度摆动

使得主轴回转轴线与工作台导轨不平行，使镗出的孔呈椭圆形，如图4-7所示。

③角度摆动对车、镗削加工精度的影响

主轴纯角度摆动对加工精度的影响，取决于不同的加工内容。图4－7主轴纯角度摆动对镗孔精度的影响（3）提高主轴回转精度的措施1）提高主轴的轴承精度。2）减少机床主轴回转误差对加工精度的影响。3）对滚动轴承进行预紧，以消除间隙。4）提高主轴箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合的零件有关表面的加工精度。3、机床传动链误差

在车螺纹、插齿、滚齿等加工时，刀具与工件之间有严格的传动比要求。要满足这一要求，机床内联系传动链的误差必须控制在允许的范围内。（1）机床传动链误差定义

指传动链始末两端执行元件间相对运动的误差。（2）机床传动链误差描述

传动链末端元件产生的转角误差。它的大小对车、磨、铣螺纹，滚、插、磨（展成法磨齿）齿轮等加工会影响分度精度，造成加工表面的形状误差，如螺距精度、齿距精度等。例如，车螺纹时，要求主轴与传动丝杠的转速比恒定（图示），即Z1Z2（3）驱动丝杠误差的产生图车螺纹的传动误差示意图S－工件导程；T－丝杠导程；Z1～Z8－各齿轮齿数若齿轮Z1有转角误差δ1，造成Z2的转角误差为：δ12＝i12δ1Z1δ1δ1n=i1nδ1Z2δ2δ2n=i2nδ2………………Znδn

δnn=innδn在任一时刻，各齿轮的转角误差反映到丝杠的总误差为：传到丝杠上的转角误差为δ1n，即：（3）减少传动链误差的措施1）尽量缩短传动链。2）提高传动件的制造和安装精度，尤其是末端零件的精度。3）尽可能采用降速运动，且传动比最小的一级传动件应在最后。4）消除传动链中齿轮副的间隙。5）采用误差校正机构图丝杠加工误差校正装置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1、刀具误差一般刀具定尺寸刀具成形刀具展成法刀具如普通车刀、单刃镗刀和面铣刀等）的制造误差对加工精度没有直接影响，但磨损后对工件尺寸或形状精度有一定影响定尺寸刀具（如钻头、铰刀、圆孔拉刀等）的尺寸误差直接影响被加工工件的尺寸精度。刀具的安装和使用不当，也会影响加工精度。

成形刀具（如成形车刀、成形铣刀、盘形齿轮铣刀等）的误差主要影响被加工面的形状精度

展成法刀具（如齿轮滚刀、插齿刀等）加工齿轮时，刀刃的几何形状及有关尺寸精度会直接影响齿轮加工精度三、工艺系统原始误差对工件精度影响图例车刀的尺寸磨损图例车刀磨损过程

夹具的误差主要是指：1）定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等零件的制造误差。2）夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对尺寸误差。3）夹具在使用过程中工作表面的磨损。（图例）工件的安装误差包括定位误差和夹紧误差。具体内容在《机械制造装备》课程中讲述。2、夹具误差和工件安装误差图例钻孔夹具误差对加工精度的影响3、测量误差（1）量具、量仪和测量方法本身的误差（2）环境条件的影响（温度、振动等）（3）测量人员主观因素的影响（视力、测量力大小等）（4）正确选择和使用量具，以保证测量精度4、调整误差试切法调整定程机构调整样板、样件调整夹具安装调整

大批量生产时常采用行程挡块、靠模、凸轮作为定程机构，其制造精度和调整精度产生调整误差样件、样板的制造精度和安装精度、对刀精度产生调整误差测量误差进给机构位移误差（爬行现象）加工余量的影响（余量很小时，刀刃打滑）

影响工件在机床上占有正确的加工位置5、工艺系统磨损引起的误差

磨损破坏了成形运动，改变了工件与刀具的相对位置和速比，产生加工误差刀具磨损严重影响工件的形状精度、尺寸精度工艺系统：机床、夹具、工件、刀具外力：切削力、传动力、惯性力、夹紧力、重力产生加工误差（举例）破坏了刀具、工件间相对位置第三节、工艺系统受力变形引起的加工误差工艺系统受力变形现象图受力变形对工件精度的影响

a)车长轴b）磨内孔

由此看来，为了保证和提高工件的加工精度，就必须深入研究并控制以至消除工艺系统及其有关组成部分的变形。（一）工艺系统的刚度工艺系统整体抵抗其变形的能力。其大小为：背向力Fp

（旧标准中为径向切削分力Fy）与工艺系统在该方向上的变形yxt的比值，即kxt=Fp/yxt

注意：这里变形yxt是总切削力的三个分力Fc、Fp、Ff（旧标准中为Fz、Fy、Fx）综合作用的结果。

1.工艺系统刚度的概念2、系统刚度与环节刚度工艺系统的刚度是由组成工艺系统各部件的刚度决定的。工艺系统的总变形量为：

yxt=yjc+ydj+yjj+ygjkxt=Fp/yxt,kjc=Fp/yjc，kdj=Fp/ydj,kjj=Fp/yjj，kgj=Fp/ygj

工艺系统刚度的一般式为：

kxt=1/(1/kjc+1/

kdj+1/kj+1/

kgj)（4-7）若已知工艺系统各组成部分的刚度（即环节刚度），就可以求出工艺系统的刚度。3.机床部件刚度特点

机床结构复杂，组成的零部件多，各零部件之间有不同的联接和运动方式，因而机床部件的刚度问题就比较复杂。它的计算至今还没有合适的方法，需要通过实验来测定。下图为单向加载时车床刚度测定示意图。主轴部件、尾座及刀架的变形可分别从千分表2、3和6读出。

这种方法测得的y方向位移是背向力Fp作用下引起的变形。图单向静载测定车床刚度1－心轴2、3、6－千分表4－测力环5－螺旋加力器图4－15车床刀架部件的刚度曲线Ⅰ－一次加载Ⅱ－二次加载Ⅲ－三次加载（1）机床部件刚度的特点1）背向力Fp与刀架变形ydj不是线性关系。2）加载曲线与卸载曲线不重合。3）加载曲线与卸载曲线不封闭（卸载后由于存在残余变形，曲线回不到原点）。4）部件的实际刚度远比按实体结构的估计值小。

图4-15是以Fp为纵坐标，刀架变形ydj为横坐标的某车床刀架部件的刚度实测曲线。实验中进行了三次加载—卸载循环，由图可以看出，机床部件的刚度曲线有以下特点：（2）影响机床部件刚度的因素

①连接表面间的接触变形（图示）②薄弱零件本身的影响（图4－16）③接合面间的间隙④接合面间摩擦力的影响两零件结合面间的接触情况接触刚度实验研究表明，两个相接触的表面间受力作用时，两表面的接触变形y是表面压强p的递增函数（图）。因此，机床部件接合表面间刚度可较确切地用接触刚度来表示，即压强的微分dp与位移的微分dy的比值称为接触刚度kjkj=dp/dy图表面接触变形与压强的关系图4－16机床部件刚度的薄弱环节a)溜板中的楔铁b)轴承套（二）工艺系统受力变形对加工精度的影响1、切削力作用位置变化引起的加工误差

根据材料力学的挠度计算公式，其切削点工件的变形量为：

yw=Fp(L-x)2x2/3EIL(4-18)

从上式的计算结果和车削的实际情况都可证实，切削后的工件呈鼓形，其最大直径在通过轴线中点的横截面内。1）工件的刚度及其变形2）工件短而粗

即此时工艺系统刚度主要取决于机床刚度

当刀具切削到工件的任意位置C时（图示），工艺系统的总变形y系统为：

yxt＝yx+y刀架

通过推证可知工艺系统在工件切削点处的变形量为:

y系统=Fp［1/k刀+1/k头(L-x/x)2+1/k尾(x/L)2］(4-16)

可以看出:y系统

=f(x)，是一个二次抛物线方程，变形大小随刀具在x方向位置变化,使车出的工件呈抛物线形状（图4－20）。图4－19工艺系统受力变形随切削位置而变化图4－20刚度变化造成工件误差1－理想的工件形状；2－k头≠k尾时车出的工件形状3）工艺系统刚度及总变形

综合上述两种情况，工艺系统的总变形量为式（4-16）和式（4-18）的叠加Y系统=Fp［1/k刀架+1/k头(L-x/x)2+1/k尾(x/L)2+(L-x)2x2/3EIL］工艺系统的刚度为Kxt=Fp/yxt=1/［1/k刀架+1/k头(L-x/x)2+1/k尾(x/L)2+(L-x)2x2/3EIL］可以看出Kxt=f(x)

由于在工件加工的不同位置，Kxt不同，使加工后工件的径向尺寸不同，从而产生形状误差。2、切削力大小变化引起的加工误差（误差复映）在加工过程中，由于工件加工余量或材料硬度不均匀，都会引起背向力的变化，从而使工艺系统受力变形不一致而产生加工误差。以车削短圆柱工件外圆为例，如图4-18所示。由于毛坯存在的圆度误差△m=ap1-ap2引起了工件产生圆度误差△w=y1-y2

且△m越大，△w越大，这种由于工艺系统受力变形的变化而使毛坯椭圆形状误差复映到加工后工件表面的现象称为“误差复映”。图4－18毛坯形状误差复映

f、ap、vc－分别为进给量、背吃刀量和切削速度；式中－与切削条件有关；－指数；，所以在一次走刀加工中，切削速度、进给量及其它切削条件设为不变，即C为常数，在车削加工中，即由于y1、y2相对ap1、ap2而言数值较小，可忽略不计，即有所以

由上式可知,工艺系统的刚度kxt越大,复映系数ε越小,毛坯误差复映到工件上去的部分就越少。一般ε<<1,经加工之后工件的误差比加工前的误差减小,经多道工序或多次走刀加工之后,工件的误差就会减小到工件公差所许可的范围内。若经过n次走刀加工后，则误差复映为△w=ε1ε2…εn△m

总的误差复映系数

εz=ε1ε2…εn在粗加工时,每次走刀的进给量f一般不变,假设误差复映系数均为ε,则n次走刀就有

εz=εn

增加走刀次数,可减小误差复映,提高加工精度,但生产率降低了。

提高工艺系统刚度，对减小误差复映系数具有重要意义。

毛坯的各种形状误差（圆度、圆柱度、同轴度、平面度等）都会以一定的复映系数，复映成工件的加工误差。

毛坯材料的不均匀，HB有变化，同样会引起背向力的变化，产生加工误差，分析方法同误差复映规律。讨论：在车床或磨床类机床上加工轴类零件时，常用单爪拨盘带动工件旋转，如图4-21所示。3、切削过程中受力方向变化引起的加工误差1）由于传动力引起的误差

结论：在单爪拨盘传动下车削出来的工件是一个正园柱，并不产生加工误差。图4－21单爪拨盘传动下工件的受力分析图4－22单爪拨盘传动下工件的变形分析2）由于惯性力引起的误差

在高速切削时，如果工艺系统中有不平衡的高速旋转的构件存在，就会产生离心力。它和传动力一样，在工件的每一转中不断变更方向，引起工件几何轴线作上述相同形式的摆角运动，故理论上讲也不会造成工件园度误差。但是要注意的是当不平衡质量的离心力大于切削力时，车床主轴轴颈和轴承内孔表面的接触点就会不断地变化，轴承孔地园度误差将传给工件地回转轴心。因此可采用配重平衡的方法来消除这种影响，必要时亦可适当降低主轴转速，以减小离心力的影响。4、工艺系统其它外力作用引起的加工误差1）由于机床部件或工件本身重量以及它们在移动中位置变化而引起的加工误差（图）

2）由于夹紧力引起的加工误差（图4-23）

图机床部件自重引起地横梁变形图4－23套筒夹紧变形误差Ⅰ－工件Ⅱ－开口过渡环图4－24薄片工件的磨削毛坯翘曲b)电磁工件台吸紧c)磨后松开，工件翘曲d)磨削凸面e)磨削凹面f)磨后松开，工件平直通过提高导轨等结合面的刮研质量、形状精度并降低表面粗糙度，都能增加接触面积，有效地提高接触刚度。预加载荷，也可增大接触刚度加工细长轴时，采用中心架或跟刀架来提高工件的刚度。采用导套、导杆等辅助支承来加强刀架的刚度。对刚性较差的工件选择合适的夹紧方法，能减小夹紧变形，提高加工精度采用塑料滑动导轨，其摩擦特性好，有效防止低速爬行，运行平稳，定位精度高，具有良好的耐磨性、减振性和工艺性。此外，还有滚动导轨和静压导轨。（1）提高接触刚度（2）提高零部件刚度减小受力变形（3）合理安装工件减小夹紧变形4．减少摩擦防止微量进给时的“爬行”五、减小工艺系统受力变形的措施（5）合理使用机床（6）合理安排工艺，粗精分开（7）转移或补偿弹性变形减少工艺系统受力变形六、工件残余应力引起的加工误差（一）内应力的产生及其对加工精度的影响什么是残余应力残余应力是指在没有外部载荷的情况下，存在于工件内部的应力，又称内应力。产生原因残余应力是由金属内部的相邻宏观或微观组织发生了不均匀的体积变化而产生的，促使这种变化的因素主要来自热加工或冷加工。残余应力对零件的影响影响存在残余应力的零件，始终处于一种不稳定状态，其内部组织有要恢复到一种新的稳定的没有内应力状态的倾向。在内应力变化的过程中，零件产生相应的变形，原有的加工精度受到破坏。用这些零件装配成机器，在机器使用中也会逐渐产生变形，从而影响整台机器的质量。在铸造、锻造、焊接及热处理过程中，由于工件各部分冷却收缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，在毛坯内部就会产生残余应力。1、毛坯制造中产生的残余应力毛坯的结构越复杂，各部分壁厚越不均匀以及散热条件相差越大，毛坯内部产生的残余应力就越大。具有残余应力的毛坯，其内部应力暂时处于相对平衡状态，虽在短期内看不出有什么变化，但当加工时切去某些表面部分后，这种平衡就被打破，内应力重新分布，并建立一种新的平衡状态，工件明显地出现变形。2、冷校直引起的残余应力现象原因在外力F的作用下，工件内部的应力重新分布，如图4-31b所示，在轴心线以上的部分产生压应力（用负号表示），在轴心线以下的部分产生拉应力（用正号表示）。在轴心线和两条虚线之间，是弹性变形区域，在虚线以外是塑性变形区域。冷校直工艺方法是在一些长棒料或细长零件弯曲的反方向施加外力F以达到校直目的，如图4-31a所示。影响

措施当外力F去除后，弹性变形本可完全恢复，但因塑性变形部分的阻止而恢复不了，使残余应力重新分布而达到平衡，如图4-31c所示。对精度要求较高的细长轴（如精密丝杠），不允许采用冷校直来减小弯曲变形，而采用加大毛坯余量，经过多次切削和时效处理来消除内应力，或采用热校直。图4－31冷校直引起的内应力

2、切削加工中引起的残余应力工件在切削加工时，其表面层在切削力和切削热的作用下，会产生不同程度的塑性变形，引起体积改变，从而产生残余应力。这种残余应力的分布情况由加工时的工艺因素决定。内部有残余应力的工件在切去表面的一层金属后，残余应力要重新分布，从而引起工件的变形。在拟定工艺规程时，要将加工划分为粗、精等不同阶段进行，以使粗加工后内应力重新分布所产生的变形在精加工阶段去除。对质量和体积均很大的笨重零件，即使在同一台重型机床进行粗精加工也应该在粗加工后将被夹紧的工作松开，使之有充足时间重新分布内应力，在使其充分变形后，然后重新夹紧进行精加工。切削加工磨削加工

产生内应力原因毛坯制造热处理冷校直减少内应力引起变形的措施1．合理设计零件结构应尽量简化结构，减小零件各部分尺寸差异，以减少铸锻件毛坯在制造中产生的残余应力。2．增加消除残余应力的专门工序对铸、锻、焊接件进行退火或回火；工件淬火后进行回火；对精度要求高的零件在粗加工或半精加工后进行时效处理（自然、人工、振动时效处理）

3．合理安排工艺过程

在安排零件加工工艺过程中，尽可能将粗、精加工分在不同工序中进行。第五节、工艺系统热变形引起的加工误差（一）概述

工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形，从而破坏工件与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%。工艺系统的热变形不仅严重地影响加工精度，而且还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，因此热变形的影响就显得特别重要。工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的一个重大研究课题。1.工艺系统的热源电机、轴承、齿轮、油泵等工件、刀具、切屑、切削液气温、室温变化、热、冷风等热源切削热摩擦热外部热源内部热源环境温度热辐射日光、照明、暖气、体温等2.工艺系统的热平衡工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐升高。同时，它们也通过各种传热方式向周围散发热量。

热平衡当单位时间内传入和散发的热量相等时，工艺系统达到了热平衡状态。而工艺系统的热变形也就达到某种程度的稳定。

不稳态温度场温度场稳态温度场热平衡物体中各点的温度分布称为温度场,T=f(x,y,z,t)当物体未达热平衡时，各点温度不仅是坐标位置的函数，也是时间的函数。这种温度场称为不稳态温度场物体达到热平衡后，各点温度将不再随时间而变化，只是其坐标位置的函数。这种温度场称为稳态温度场

机床在开始工作的一段时间内，其温度场处于不稳定状态，其精度也是很不稳定的，工作一定时间后，温度才逐渐趋于稳定，其精度也比较稳定。因此，精密加工应在热平衡状态下进行。在生产中，必须注意:（二）机床热变形对加工精度的影响

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、立柱、工作台等部件的热变形，对加工精度影响最大。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。1.车、铣、钻、镗类机床主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热、润滑油发热。（图）图车床的热变形2.龙门刨床、牛头刨床、立式车床类机床导轨副的摩擦热3.各种磨床砂轮主轴轴承的发热和液压系统的发热（图例）（图例）牛头刨床滑枕热变形及结构改进示意图a)原滑枕截面图b)原滑枕热变形示意图c)滑枕热对称结构外园磨床的热变形示意图1－床身2－导轨3－工件4－砂轮5－砂轮架6－螺母

（三）工件热变形对加工精度的影响1.工件均匀受热对于一些形状简单、对称的零件，如轴、套筒等，加工时（如车削、磨削）切削热能较均匀地传入工件，工件热变形量可按下式估算：△L=αL△t式中α——工件材料的热膨胀系数，单位为1/℃；L——工件在热变形方向的尺寸，单位为mm；△t——工件温升，单位为℃。实例

在精密丝杆加工中，工件的热伸长会产生螺距的累积误差。在较长的轴类零件加工中，将出现锥度误差。例如：在磨削400mm长的丝杠螺纹时，每磨一次温度升高1℃，则被磨丝杠将伸长△L=1.17×10-5×400×1mm=0.0047mm

而5级丝杠的螺距累积误差在400mm长度上不允许超过5μm左右。因此，热变形对工件加工精度影响很大。2.工件不均匀受热在刨削、铣削、磨削加工平面时，工件单面受热，上下平面间产生温差，导致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生了中凹，造成了几何形状误差。工件凸起量f可按图例所示图形进行估算。由于中心角φ很小，其中性层的长度可近似认为等于原长L，则

f=L/2tan(φ/4）≈Lφ/8

且（R+H）φ-Rφ=αΔtLφ=αΔtL/H

所以

f≈αΔtL2/8H图例薄板磨削时的弯曲变形

（四）刀具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被切屑带走，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。图示为车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线。曲线A——车刀连续工作时的热伸长曲线；曲线B——切削停止后，车刀温度下降曲线；曲线C——传动作间断切削的热变形切削。车外圆时，车刀热变形会使工件产生圆柱度误差（喇叭口）。图车刀热变形曲线τ1—刀具加热至热平衡时间τ2—刀具加热至热平衡时间τ0—刀具间断切削至热平衡时间（五）减少工艺系统热变形的主要途径1．减少发热和隔离热源分离热源、采用隔热措施，改善摩擦条件，减少热量产生，如图所示。有时可采用强制冷却法，吸收热源热量，控制机床温升和热变形。合理安排工艺、粗精分开。1)采用热对称结构2)合理选择机床零部件的安装基准(图7-35)寻求各部件热变形的规律建立热变形位移数字模型并存入计算机中进行实时补偿加工前使机床高速空转，达到热平衡时再切削加工1）减小温差；2）均衡关键件的温升，避免弯曲变形（如图所示）恒温车间、使用门帘、取暖装置均匀布置；恒温精度一般控制在±1℃以内，精密级较高的机床为±0.5℃。恒温室平均温度一般为20℃，在夏季取23℃，在冬季可取17℃2．均衡温度场3．改进机床布局和结构设计4．保持工艺系统的热平衡5．控制环境温度6.热位移补偿图7－31采用隔热罩减少热变形图7－33用热空气均衡立柱前后壁的温度场图7－35车床上主轴箱两种结构的热位移第六节提高加工精度的工艺措施查明产生加工误差的主要因素后，设法对其直接进行消除或减弱，如细长轴加工用跟刀架会导致工件弯曲变形，现采用反拉法切削工件受拉不受压不会因偏心压缩而产生弯曲变形一、减少误差法二、误差补偿法误差补偿法是人为地造出一种新的原始误差，去抵消原来工艺系统中存在的原始误差，尽量使两者大小相等、方向相反而达到使误差抵消得尽可能彻底的目的。如图7-39、图7-40三、误差分组法误差分组法是把毛坯或上工序加工的工件尺寸经测量按大小分为n组，每组尺寸误差就缩减为原来的1/n。然后按各组的误差范围分别调整刀具位置，使整批工件的尺寸分散范围大大缩小。图7－38反拉法切削细长轴a)正向进给b)反向进给图7－39通过导轨凸起补偿横梁变形图7－40螺纹加工校正机构1－工件2－丝杠螺母3－车床丝杠4－杠杆5－校正尺6－滚柱7－工作尺面四、误差转移法误差转移法就是把原始误差从误差敏感方向转移到误差的非敏感方向。例如图7-41，转塔车床的转位刀架采用“立刀”安装法;图7-42所示为利用镗模进行镗孔，主轴与镗杆浮动联接。五、就地加工法全部零件按经济精度制造，然后装配成部件或产品，且各零部件之间具有工作时要求的相对位置，最后以一个表面为基准加工另一个有位置精度要求的表面，实现最终精加工，这就是“就地加工”法，也称自身加工修配法。六、误差均分法误差均分法就是利用有密切联系的表面之间的相互比较和相互修正或者利用互为基准进行加工，以达到很高的加工精度。图7－41立轴转塔车床刀架转位误差的转移第七节机械加工表面质量一、机械加工表面质量概述二、表面质量对零件使用性能的影响三、加工表面粗糙度的影响因素四、表面层物理机械性能的影响因素五、提高表面质量的加工方法

零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。

机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米~几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。1.加工表面的一般描述一、机械加工表面质量概述零件表面质量表面粗糙度表面波度表面物理力学性能的变化表面微观几何形状特征表面层冷作硬化表面层残余应力表面层金相组织的变化

2.加工表面质量的主要内容二、表面质量对零件使用性能的影响对零件疲劳强度的影响对抗腐蚀性能的影响对配合质量的影响对耐磨性的影响其他影响三、影响加工表面粗糙度的影响因素机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。1.切削加工表面粗糙度1)几何因素刀尖圆弧半径rε主偏角kr、副偏角kr′进给量fR=f/(cotκr+cotκr′)(8-1)R=f2/(8rε)(8-2)图4－49车削、刨削时残留面积高度2)物理力学因素工件材料的影响韧性材料：工件材料韧性愈好