机械加工质量20131007

第6章机械加工质量

MachiningQuality6.1概述Summary6.2影响机械加工精度的因素TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy6.3加工精度的统计分析StatisticalAnalysisfortheMachiningAccuracy6.4提高加工精度的工艺措施TheMainMethodsofRaisingtheMachiningPrecision6.5影响外表质量的因素TheFactorsInfluencingonSurfaceQualities6.6提高外表质量的途径ApproachforImprovingMachinedSurfaceQuality6.1概述

Summary6.1.1加工精度MachiningAccuracy机械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〕与理想几何参数相符合程度。零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。加工精度包括三个方面：尺寸精度：指加工后零件的实际尺寸与零件尺寸的公差带中心的相符合程度。形状精度：指加工后的零件外表的实际几何形状与理想的几何形状的相符合程度。位置精度：指加工后零件有关外表之间的实际位置与理想位置相符合程度。6.1概述

Summary6.1.2

获得加工精度的方法WaysforObtainingtheMachiningAccuracy1、获得尺寸精度的方法(1)试切法

(2)调整法(3)定尺寸法(4)自动控制法

2、获得形状精度的方法(1)轨迹法

(2)成形法

(3)展成法

3、获得位置精度的方法(1)找正的方法(2)用夹具安装工件6.1概述

Summary6.1.3机械加工外表质量QualitiesofMachinedSurface1、外表层的几何形状特征〔1〕外表粗糙度〔2〕外表波度〔3〕外表加工纹理〔4〕伤痕6.1概述

Summary2、外表层的物理力学性能和化学性能〔1〕外表层的加工冷作硬化〔2〕外表层金相组织的变化〔3〕外表层金相的剩余应力6.1概述

Summary6.1.4外表质量对零件使用性能的影响InfluenceofSurfaceQualityonServicePerformanceofPart1、外表质量对零件耐磨性的影响2、外表质量对零件疲劳强度的影响3、外表质量对零件耐腐蚀性能的影响4、外表质量对零件间配合性质的影响5、外表质量对零件其他性能的影响6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy6.2.1加工误差的产生TheCausesofMachiningErrors1、工艺系统的静误差2、工艺系动误差3、加工原理误差6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy6.2.2工艺系统的静误差StaticErrorsofProcessSystem1、机床的几何误差(1)主轴回转误差包括轴向窜动、径向跳动、角度摆动三种根本形式。6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy(2)导轨误差主要包括：1〕导轨在水平面内直线度和垂直面内的直线度

6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy2〕前后两导轨的平行度；

6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy3〕导轨对主轴回转轴线在水平面内和垂直面内的平行度误差或垂直度误差假设导轨与机床主轴回转轴线不平行或不垂直，那么会引起工件的几何形状误差，如车床导轨与主轴回转轴线在水平面内不平行，会使工件的外圆柱外表产生锥度；在垂直面内不平行，会使工件的外圆柱外表产生马鞍形误差。6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy〔3〕机床传动链误差传动链的传动误差，是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差。它是内联系传动加工工件〔如螺纹、齿轮、蜗轮及其他零件〕时，影响加工精度的主要因素。例如在滚齿机上用单头滚刀加工直齿轮时要求：滚刀转一圈，工件转过一个齿。这种运动关系是由刀具与工件间的传动链来保证的。减少机床传动链误差的措施:

1〕减少传动链中的元件数，即缩短传动链

2〕提高传动元件，特别是终端传动元件的制造和装配精度。3〕尽量减小传动链中齿轮副或螺旋副中存在的传动间隙。

4〕采用误差补偿方法。6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy〔4〕夹具误差与装夹误差夹具误差主要是指夹具的定位元件、导向元件及夹具体的制造与装配误差，它将直接影响工件加工外表的位置精度和尺寸精度，对被加工工件外表的位置精度影响最大。在夹具设计时，但凡影响工件加工精度的尺寸应严格控制其制造误差，一般夹具可取工件上相应尺寸公差的1/2~1/10，粗加工〔工件公差较大〕时夹具可取工件上相应尺寸公差的1/5~1/10，精加工〔工件公差较小〕时可取工件公差的1/2~1/3，夹具磨损是一个缓慢的过程，它对加工精度的影响不很明显，对它们进行定期的检修和维修。6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy〔5〕刀具误差刀具误差主要是刀具的制造和磨损误差，其影响程度与刀具的种类有关。一般刀具，如车刀、铣刀、单刃镗刀和砂轮等，它们的制造误差对工件的加工精度没有直接影响，而加工过程中刀刃的磨损和钝化那么会影响工件的加工精度。对定尺寸刀具，其尺寸误差直接关系到被加工外表的尺寸精度。为了减少刀具的制造误差和磨损，应合理选择刀具材料和规定刀具的加工公差，合理选用切削用量和切削液，正确装夹刀具并及时进行刃磨。6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy〔6〕调整误差调整是指在各机械加工工序开始时为使刀刃和工件保持正确位置所进行的调整。再调整(或称小调整)是指在加工过程中由于刀具磨损等原因对已调整好的机床所进行的再调整或校正。通过调整，使刀具与工件保持正确的相对位置，从而保证各工序的加工精度及其稳定性。调整结果不可能绝对准确，因而产生调整误差。调整方式不同，其误差来源也不相同。6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy6.2.3工艺系统的动误差DynamicErrorsofProcessSystem1.工艺系统的受力变形对加工精度的影响工艺系统的受力变形是机械加工精度中的一项很重要的原始误差。6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy2.工艺系统的刚度〔1〕工艺系统刚度定义

工艺系统刚度是指工艺系统在外力作用下抵抗变形的能力。为充分反映工艺系统刚度对零件加工精度的影响，将工艺系统刚度Ks的定义确定为加工误差敏感方向上工艺系统所受外力Fp与变形量〔或位移量〕ΔX之比，即：6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy〔2〕工艺系统刚度的计算

工艺系统中各组成环节在切削加工过程中，由于受到各种外力作用，会产生不同程度的变形，使刀具和工件的相对位置发生变化，从而产生相应的加工误差。工艺系统刚度的倒数等于工艺系统各组成环节刚度的倒数之和。6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy〔3〕影响机床部件刚度的因素1〕连接外表间的接触变形

2〕薄弱零件本身的变形

3〕零件外表间摩擦力的影响

4〕接合面的间隙6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy3.切削力作用点位置变化引起的工件形状误差

〔1〕机床变形引起的加工误差

6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy〔2〕工件变形引起的加工误差由材料力学公式可以计算出工件在切削点的变形量：

〔3〕同时考虑机床和工件变形引起的加工误差同时考虑机床和工件的变形时，在切削点处刀具相对于工件的位移量为二者的叠加6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy4.切削力大小变化引起的加工误差

以车削椭圆形横截面毛坯为例分析。图中加工时根据设定尺寸〔虚线圆的位置〕调整刀具的切深。在工件每转一转中，切深发生变化，最大切深为ap1，最小切深为ap2。假设毛坯材料的硬度是均匀的，那么ap1处的切削力Fp1最大，相应的变形Δ1也最大；ap2处的切削力Fp2最小，相应的变形Δ2也最小。由此可见，当车削具有圆度误差〔半径上〕Δm=ap1-ap2的毛坯时，由于工艺系统受力变形，而使工件产生相应的圆度误差〔半径上〕Δg=Δ1-Δ2。这种毛坯误差局部地反映在工件上的现象叫做“误差复映〞。6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy5.夹紧力对加工精度影响工件在装夹时，由于工件刚度较低或夹紧力着力点不当，会使工件产生相应的变形，造成加工误差。

6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy6.减小工艺系统受力变形对加工精度影响的措施〔1〕合理设计零部件结构

〔2〕提高连接外表的接触刚度

〔3〕采用辅助支撑

〔4〕采用合理的装夹和加工方式

〔5〕减小载荷及其变化6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy工艺系统的热变形对加工精度的影响〔1〕工艺系统的热源1〕引起工艺系统热变形的热源可分为内部热源和外部热源两大类。内部热源主要包括：切削热、摩擦热外部热源主要包括：环境热源、热辐射6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy2〕切削热

切削热是切削加工过程中最主要的热源。在切削〔磨削〕过程中，消耗于切削的弹、塑性变形能及刀具、工件和切屑之间摩擦的机械能，绝大局部都转变成了切削热。一般来讲，在车削加工中，切屑所带走的热量最多，可达50%～80%〔切削速度越高，切屑带走的热量占总切削热的百分比就越大〕，传给工件的热量次之〔约为30%〕，而传给刀具的热量那么很少，一般不超过5%；对于铣削、刨削加工，传给工件的热量一般占总切削热的30%以下；对于钻削和卧式镗孔，因为有大量的切屑滞留在孔中，传给工件的热量就比车削时要高，如在钻孔加工中传给工件的热量超过50%；磨削时磨屑很小，带走的热量很少，加之砂轮为热的不良导体，致使大局部热量传入工件，磨削外表的温度可高达800～1000℃。6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy3〕摩擦热

工艺系统中的摩擦热，主要是机床和液压系统中运动部件产生的，如电动机、轴承、齿轮、丝杠副、导轨副、离合器、液压泵、阀等各运动局部产生的摩擦热。尽管摩擦热比切削热少，但摩擦热在工艺系统中是局部发热，会引起局部温升和变形，破坏了系统原有的几何精度，对加工精度也会带来严重影响。

4〕外部热源

外部热源的热辐射〔如照明灯光、加热器等对机床的热辐射〕及周围环境温度〔如昼夜温度不同〕对机床热变形的影响，也不容无视，对于大型、精密加工尤其重要。6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy〔2〕机床热变形对加工精度的影响6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy〔3〕刀具热变形对加工精度的影响

尽管在切削加工中传入刀具的热量很少，但由于刀具的尺寸和热容量小，故仍有相当程度的温升，从而引起刀具的热伸长并造成加工误差。

一般，加工中小零件，刀具热变形只影响其尺寸精度，而加工大型零件〔如加工长轴和外圆等〕，往往还会影响其几何形状误差。6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy〔4〕工件热变形对加工精度的影响

切削加工中，工件热变形主要是切削热引起的。对于一些简单的均匀受热工件，如车、磨轴类件的外圆，待加工后冷却到室温时其长度和直径将有所收缩，由此而产生尺寸误差ΔL。这种加工误差可用简单的热伸长公式进行估算：6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy〔5〕控制工艺系统热变形的主要措施1〕减少热量产生和传入

2〕加强散热能力

3〕均衡温度场

4〕采用合理的机床零部件结构5〕合理选择机床零部件的装配基准

6〕控制环境温度

6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy3.工件内应力引起的加工误差〔1〕冷校直引起的内应力细长的轴类零件，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，大多数在加工中安排冷校直工序，但会带来内应力，引起工件变形而影响加工精度。对于精密零件的加工是不允许安排冷校直工序的。6.2影响机械加工精度的因素

TheFactorsInfluencingMachiningAccuracy〔2〕工件切削时的内应力工件在进行切削加工时，在切削力和摩擦力的作用下，使表层金属产生塑性变形，体积膨胀，受到里层组织的阻碍，故表层产生压应力，里层产生拉应力；由于切削温度的影响，表层金属产生热塑性变形，表层温度下降快，冷却收缩也比里层大，当温度降至弹性变形范围内，表层收缩受到里层的阻碍，因而产生拉应力，里层将产生平衡的压应力。〔3〕减少或消除内应力的措施1〕合理设计零件结构2〕采取时效处理6.3加工精度的统计分析

StatisticalAnalysisfortheMachiningAccuracy6.3.1加工误差的性质MachiningErrorProperties1.常值系统误差在顺序加工一批工件中，其大小和方向保持不变的误差，称为常值系统误差。

2.变值系统误差在顺序加工一批工件中，其大小和方向按一定规律变化的误差，称为变值系统误差。

3.随机性误差在顺序加工一批工件中，其大小和方向无规律变化的误差，称为随机性误差。6.3加工精度的统计分析

StatisticalAnalysisfortheMachiningAccuracy6.3.2加工误差的统计分析法StatisticalAnalysisfortheMachiningError1.分布图分析法〔1〕实际分布图-直方图采用调整法大批量加工的一批零件中，随机抽取足够数量的工件〔称为样本〕，进行加工尺寸的测量，由于加工误差的存在，零件加工尺寸的实际数值是各不相同的，称为尺寸分散。按尺寸大小把零件分成假设干组，同一尺寸间隔内的零件数量称为频数；频数与样本总数之比称为频率。频率与组距〔尺寸间隔〕之比称为频率密度。以零件尺寸为横坐标，以频率或频率密度为纵坐标，可绘出直方图。连接各直方块的顶部中点得到一条折线，即实际分布曲线。6.3加工精度的统计分析

StatisticalAnalysisfortheMachiningAccuracy〔2〕正态分布曲线方程及特性大量的统计和理论分析说明，当一批工件数量极多，加工误差因素中又都没有特殊倾向时，其分布是服从正态分布的。曲线说明被加工零件的尺寸靠近分散中心平均值的工件占大局部，而远离尺寸分散中心的工件是极少数。平均值决定了曲线的位置，即表示了尺寸分散中心的位置。标准差决定了曲线的形状，它表示了尺寸分散范围的大小。6.3加工精度的统计分析

StatisticalAnalysisfortheMachiningAccuracy〔3〕非正态分布(4)分布图的应用1)判别加工误差的性质2)确定各种加工误差所能到达的精度3)确定工艺能力(Processcapability)及其等级4)估算废品率6.3加工精度的统计分析

StatisticalAnalysisfortheMachiningAccuracy2.点图法〔1〕图图是平均值控制图和极差控制图联合使用时的统称。前者控制工艺过程质量指标的分布中心，后者控制工艺过程质量指标的分散程度。6.3加工精度的统计分析

StatisticalAnalysisfortheMachiningAccuracy〔2〕控制图分析

控制图上的点子的变化反映了工艺过程是否稳定。6.4提高加工精度的工艺措施

MainMethodsofRaisingtheMachiningPrecision6.4.1减少误差法ReduceMachiningErrorMethods

6.4提高加工精度的工艺措施

MainMethodsofRaisingtheMachiningPrecision6.4.2误差补偿法ErrorCompensationMethod

6.4提高加工精度的工艺措施

MainMethodsofRaisingtheMachiningPrecision6.4.3误差分组法ErrorsGroupingMethod例如，某厂加工齿轮磨床上的交换齿轮时，为了到达齿圈径向跳动的精度要求，将交换齿轮的内孔尺寸分成三组，并用与之尺寸相应的三组定位心轴进行加工。

6.4提高加工精度的工艺措施

MainMethodsofRaisingtheMachiningPrecision6.4.4误差转移法ErrorTransformationMethod在箱体的孔系加工中，在镗床上用镗模镗削孔系时，孔系的位置精度和孔距间的尺寸精度都依靠镗模和镗杆的精度来保证，镗杆与主轴之间为浮动连接，故机床的精度与加工无关，这样就可以利用普通精度和生产率较高的组合机床来精镗孔系。由此可见，往往在机床精度达不到零件的加工要求时，通过误差转移的方法，能够用一般精度的机床加工高精度的零件。6.4提高加工精度的工艺措施

MainMethodsofRaisingtheMachiningPrecision6.4.5.就地加工法In-situMachiningMethod就地加工法是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，最后以一个外表为基准加工另一个有位置精度要求的外表，实现最终精加工，这就是“就地加工〞法，也称自身加工修配法。6.4提高加工精度的工艺措施

MainMethodsofRaisingtheMachiningPrecision6.4.6误差平均法AveragingErrorMethod误差平均法是利用有密切联系的外表之间的相互比较和相互修正，或者利用互为基准进行加工，以到达很高的加工精度。如“三板互易〞、“易位法〞等。如配合精度要求很高的轴和孔，常用对研的方法来到达。所谓对研，就是配偶件的轴和孔互为研具相对研磨。在研磨前有一定的研磨量，其本身的尺寸精度要求不高，在研磨过程中，配合外表相对研擦和磨损的过程，就是两者的误差相互比较和相互修正的过程。6.4提高加工精度的工艺措施

MainMethodsofRaisingtheMachiningPrecision6.4.7控制误差法ControllingErrorMethod控制误差法是在利用测量装置加工循环中连续地测量出工件的实际尺寸，随时给刀具以附加的补偿，控制刀具和工件间的相对位置，直至实际值与调定值的差不超过预定的公差为止。现代机械加工中的自动测量和自动补偿就属于这种方法。

6.5影响外表质量的因素

TheFactorsInfluencingonSurfaceQualities6.5.1影响已加工外表粗糙度的因素TheFactorsInfluencingonSurfaceRoughness1.几何因素切削加工外表粗糙度主要取决于切削残留面积的高度。直线刀刃其切削残留面积高度为：圆弧刀刃其切削剩余面积高度为：

6.5影响外表质量的因素

TheFactorsInfluencingonSurfaceQualities2.物理因素切削过程中由于刀具的刃口圆角及后刀面的挤压与摩擦，使金属材料发生塑性变形，从而使理论残留面积挤歪或沟纹加深，促使外表粗糙度恶化。在加工塑性材料而形成带切屑时，在前刀面上容易形成硬度很高的积屑瘤，它可以代替前刀面和切削刃进行切削，使刀具的几何角度、背吃刀量发生变化，其轮廓很不规那么，因而是工件外表上出现深浅和宽窄不断变化的刀痕，有些积屑瘤嵌入工件外表，增加了外表粗糙度。6.5影响外表质量的因素

TheFactorsInfluencingonSurfaceQualities6.5.2影响已加工外表理化和机械性能的因素TheFactorsInfluencingonPhysical,MechanicalandChemicalPropertiesofMachinedSurface1.影响外表层冷作硬化程度的因素主要取决于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度。2.影响外表层的金相组织变化的因素〔1〕磨削用量〔2〕冷却方法3.影响外表层的剩余应力的因素〔1〕冷塑性变形的影响〔2〕热塑性变形引起的影响〔3〕金相组织的影响6.5影响外表质量的因素

TheFactorsInfluencingonSurfaceQualities6.5.3机械加工中的振动VibrationandChatterinMachiningOperation1.机械振动现象及其危害其危害主要表现在：〔1〕振动使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏，使加工外表出现振纹，增大外表粗糙度值，恶化加工外表质量；〔2〕振动还可能引起刀刃崩裂，引起机床、夹具连接局部松动，缩短刀具及机床、夹具的使用寿命；〔3〕振动限制了切削用量的进一步提高，降低切削加工的生产效率，严重时甚至还会使切削加工无法继续进行；〔4〕振动所发出的噪声会污染环境，有害工人的身心健康。6.5影响外表质量的因素

TheFactorsInfluencingonSurfaceQualities2.机械振动的根本类型 机械加工过程的振动有三种根本类型：〔1〕强迫振动〔2〕自激振动〔3〕自由振动6.5影响外表质量的因素

TheFactorsInfluencingonSurfaceQualities3.机械加工中的强迫振动及其控制〔1〕机械加工过程中产生强迫振动的原因1〕机床方面机床中某些传动零件的制造精度不高，会使机床产生不均匀运动而引起振动。2〕刀具方面多刃、多齿刀具如铣刀、拉刀和滚刀等，切削时由于刃口高度的误差或因断续切削引起的冲击，容易产生振动。3)工件方面被切削的工件外表上有断续外表或外表余量不均、硬度不一致，都会在加工中产生振动。6.5影响外表质量的因素

TheFactorsInfluencingonSurfaceQualities〔2〕强迫振动的特点1)强迫振动的稳态过程是谐振，只要干扰力存在，振动就不会被阻尼衰减掉，去除干扰力，振动就停止。2)强迫振动的频率等于干扰力的频率。3)阻尼愈小，振幅愈大，谐波响应轨迹的范围愈大；增加阻尼，能有效地减小振幅。4)在共振区，较小的频率变化会引起较大的振幅和相位角的变化。6.5影响外表质量的因素

TheFactorsInfluencingonSurfaceQualities〔3〕消除强迫振动的途径消除和抑制强迫振动的措施主要有：1)改进机床传动结构，进行消振与隔振2)消除回转零件的不平衡3)提高传动件的制造精度4)提高系统刚度，增加阻尼5)合理安排固有频率，避开共振区6.5影响外表质量的因素

TheFactorsInfluencingonSurfaceQualities4.机械加工中的自激振动及其控制〔1〕自激振动产生的机理机械加工过程中，还常常出现一种与强迫振动完全不同形式的强烈振动，这种振动是当系统受到外界或本身某些偶然的瞬时干扰力作用而触发自由振动后，由振动过程本身的某种原因使得切削力产生周期性变化，又由这个周期性变化的动态力反过来加强和维持振动，使振动系统补充了由阻尼作用消耗的能量，这种类型的振动被称为自激振动。切削过程中产生的自激振动是频率较高的强烈振动，通常又称为颤振。自激振动常常是影响加工外表质量和限制机床生产率提高的主要障碍。磨削过程中，砂轮磨钝以后产生的振动也往往是自激振动。6.5影响外表质量的因素

TheFactorsInfluencingonSurfaceQualities〔2〕自激振动的特点