机械加工精度与表面质量

机械加工精度与表面质量4.1机械加工精度4.1.1概述机械产品质量是由零件的加工质量和机器的装配质量两方面保证的；加工质量是保证机器质量的基础，直接影响到产品的使用性能和寿命。加工质量一般用机械加工精度和加工表面质量两个重要指标来表示。1．机械加工精度的基本概念零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和相互位置）与理想几何参数相符合的程度；符合的程度越高，则加工精度越高；理想几何参数是指图纸规定的理想零件的几何参数，即形状误差为零、位置误差为零、尺寸为零件尺寸公差带中心（平均值）。零件加工精度包含3个方面的内容：

尺寸精度、形状精度和位置精度形状精度应高于相应的尺寸精度；相互位置精度也应高于尺寸精度；形状精度要求高时，相应的尺寸精度和位置精度不一定要求高。2.获得加工精度的方法（1）获得尺寸精度的方法试切法调整法定尺寸刀具法自动控制法（2）获得形状精度的方法轨迹法利用切削运动中刀尖的运动轨迹，形成被加工表面形状精度的方法。仿形法刀具按照仿形装置进给，对工件进行加工的方法。成形法利用成形刀具对工件进行加工的方法。展成法（滚切法或范成法）利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法。（3）获得位置精度的方法直接找正装夹将工件直接放在机床上，用划针、百分表和直角尺或通过目测直接找正工件在机床上的正确位置之后再夹紧。划线找正装夹工件在切削加工前，预先在毛坯表面上划出加工表面的轮廓线，然后按所划的线将工件在机床上找正（定位）再夹紧。用夹具装夹夹具是用于装夹工件的工艺装备（或装置）。直接找正装夹划线找正装夹影响加工精度的原因机械加工工艺系统是由机床、夹具、刀具和工件组成的；工艺系统各组成部分本身存在各种形式的误差，这些误差在不同的加工条件下会以各种不同的方式反映为工件的加工误差；工艺系统的误差称为原始误差。4.研究加工精度的方法单因素分析法

研究某一确定因素对加工精度的影响规律，将其余因素尽量缩小和控制，使之对结果影响最小而将研究对象因素放大。统计分析法

以生产中一批工件的实测结果为基础，用数理统计方法进行数据处理，从中找出加工误差产生和分布的规律，用于控制工艺过程的正常进行。4.1.2工艺系统几何误差对加工精度的影响1．加工原理采用了近似的成形运动或近似的切削刃轮廓进行加工所产生的加工误差，也称为理论误差。

例如，用齿轮滚刀加工齿轮，存在两种加工原理误差：刀具齿廓近似造型误差，用阿基米得或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆造成的；包络造型原理误差，由于滚刀齿数有限，加工齿形由许多微小折线段组成，与理论上的光滑渐开线有差异而造成的。2.机床误差（1）机床主轴回转误差

端面圆跳动（轴向窜动）

径向圆跳动角度摆动主轴回转误差的3种基本形式因素：主轴的误差、轴承的误差、轴承的间隙、与轴承配合零件的误差以及主轴系统的径向不等刚度和热变形等。刀具回转或工件回转（2）机床导轨误差导轨在水平面内的直线度误差工件半径产生误差导轨在垂直平面内的直线度误差车刀在垂直面内发生位移，对加工精度的影响较小。导轨水平面内的直线度误差

导轨垂直面的直线度误差前后导轨的平行度误差（扭曲）切削过程中车床溜板沿导轨纵向移动时发生倾斜，从而使刀尖相对于工件产生摆动，造成加工表面的形状误差（圆柱度误差）。导轨扭曲对加工精度的影响（3）导轨与主轴回转轴线的位置误差若车床导轨与主轴回转轴线在水平面内有平行度误差，车出的内外圆柱面会产生锥度误差。

（4）传动链误差传动链始末两端传动元件之间相对运动的误差。螺纹加工或用展成法加工齿轮、蜗轮等工件时，

影响加工精度的主要因素。3.工艺系统的其他几何误差（1）刀具误差：制造误差和刀具的磨损。（2）夹具误差定位元件、刀具导向件、分度机构、夹具体等的制造误差；夹具装配后，元件工作面之间的相对位置误差；使用过程中工作表面的磨损。（3）装夹误差：直接影响位置精度或尺寸精度。（4）测量误差（5）调整误差工序中，需要对机床、夹具及刀具进行调整。4.1.3工艺系统受力变形对加工精度的影响工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、惯性力和重力等的作用下，将产生相应变形，使工件产生加工误差。受力变形对加工精度的影响产生变形的大小，不

仅取决于作用力的大

小，还取决于工艺系

统的刚度。1.工艺系统刚度刚度概念

K越大，物体或系统抵抗变形能力越强，加工精度就越高。工艺系统的刚度：分别为机床、夹具、刀具、工件的刚度2.工艺系统受力变形对加工精度的影响切削力作用点位置变化引起工件形状误差

机床变形、工件变形、工艺系统变形切削力大小变化引起工件形状误差

毛坯余量和材料硬度的不均匀，会引起切削力大小的变化。受力方向变化引起工件形状误差如惯性力毛坯形状误差的复映惯性力引起的加工误差其他力引起的加工误差夹紧力引起的加工误差

装夹过程中，由于刚度较低或着力点不当，会引起工件变形，造成加工误差。重力引起的加工误差

零部件的自重也会引起变形。例如，龙门刨床、龙门铣床刀架导轨横梁的变形，铣镗床镗杆伸长而下垂变形等，都会造成工件的加工误差。3．减少工艺系统受力变形的途径提高接触刚度提高工件的刚度对刚度较低的工件，如叉架类、细长轴等，主要措施是减小支承间的长度，如安装跟刀架或中心架。提高机床部件刚度合理装夹工件，减少夹紧变形4.1.4工艺系统受热变形对加工精度的影响1.工艺系统的热源（1）内部热源切削热、摩擦热（电动机、轴承、齿轮等传动副、导轨副、液压泵、阀等运动部分产生的摩擦热）。（2）外部热源指环境温度变化和热辐射的影响。2.工艺系统热变形对加工精度的影响（1）机床的热变形对加工精度的影响车、铣、钻、镗类机床，主轴箱中的齿轮、轴承的摩擦发热、主轴箱中油池的发热是其主要热源，使主轴箱及与其相结合的床身或立柱的温度升高而产生较大的热变形。几种机床的热变形趋势（2）工件的热变形对加工精度的影响工件均匀受热时，其热变形主要影响工件的尺寸精度，有时也会引起形状误差。磨削6级精度的丝杠螺纹，丝杠长度L=3m，热膨胀系数，每磨一次温度升高3℃，则被磨丝杠将伸长：6级丝杠的螺距累积误差在全长上不允许超0.02mm（3）刀具的热变形对加工精度的影响高速钢刀具车削时刃部的温度可高达700～800℃，刀具的热伸长量可达0.03～0.05mm。其影响不可忽略。（4）减小工艺系统热变形的措施

减少发热量；

热补偿方法减小热变形；

采用合理的机床部件结构减少热变形的影响；保持工艺系统的热平衡，加工前使机床高速运转；控制环境温度。精密机床一般安装在恒温车间，恒温室平均温度一般为20℃，其恒温精度一般控制在±1℃，精密级为±0.5℃。4.1.5工件内应力对加工精度的影响工件内应力产生的原因（1）毛坯制造和热处理过程中产生的内应力在铸、锻、焊及热处理过程中，由于零件壁厚不均匀，使得各部分热胀冷缩不均匀，以及金相组织转变时的体积变化，使毛坯内部产生相当大的内应力。（2）冷校直产生的内应力弯曲的工件（原来无内应力）要校直，常采用冷校直的工艺方法。冷校直引起的内应力(3)切削加工产生的内应力切削过程中产生的力和热，也会使被加工工件的表面层变形，产生内应力。2.减少内应力的措施（1）合理设计零件结构简化结构，考虑壁厚均匀，减少尺寸和壁厚差，增大零件的刚度，以减少在铸、锻毛坯制造中产生的内应力。（2）采取时效处理自然时效（放一段时间），人工时效。（3）合理安排工艺应注意粗、精加工分开；使粗加工后有一定的间隔时间让内应力重新分布，以减少对精加工的影响。4.2加工精度的统计分析以概率论和数理统计学的原理为理论基础；通过调查和收集数据，整理和归纳；统计分析和统计判断，找出产生误差的原因；采取相应的解决措施。4.2.1加工误差的统计性质1.系统误差若误差的大小和方向保持不变，或者按一定规律变化即为系统性误差。前者称为常值系统性误差，后者称为变值系统性误差。加工原理、机床、刀具、夹具、量具的制造误差、调整误差、工艺系统受力变形引起的误差等都是常值系统性误差。工艺系统（特别是机床、刀具）的热变形、刀具的磨损均属于变值系统性误差。2.随机误差在顺序加工一批工件时，若误差的大小和方向是无规律的变化，这类误差称为随机性误差。毛坯误差的复映、定位误差、夹紧误差、内应力引起的误差、多次调整的误差都是随机性误差。随机性误差从表面上看似乎没有什么规律，但应用数理统计方法可以找出一批工件加工误差的总体规律。4.2.2加工误差的统计方法分布曲线法1.实际曲线法公差带中心=28-0.015/2mm=27.9925mm；分散范围=

最大孔径-最小孔径=28.004-27.992=0.012mm；活塞销孔直径分散范围中心=组别尺寸范围/mm中点尺寸/mm频数/mj频率/mj/n127.992～27.99427.99344/100227.994～27.99627.9951616/100327.996～27.99827.9973232/100427.998～28.00027.9993030/100528.000～28.00228.0011616/100628.002～28.00428.00322/100分析结果：（1）分散范围小于公差带：0.012<0.015（2）废品率占18%尺寸分散范围中心与公差带中心不重合，表明存在常值系统误差27.9979-27.9925=0.054mm。（3）将镗刀伸出量缩短0.054/2(mm)，使尺寸分散范

围中心与公差带中心重合，可解决废品问题。活塞销孔直径尺寸实际分布曲线2.正态分布曲线当一批工件总数极多，加工中的误差是由许多相互独立的随机因素引起的，而且这些误差因素中又都没有任何优势的倾向时，则其分布是服从正态分布的。正态分布曲线工件平均尺寸，影响曲线位置样本均方根偏差，影响曲线形状正态分布曲线特点：曲线以直线左右对称，呈钟形，表示尺寸靠近分散中心的工件占大多数；对的正偏差和负偏差的概率相等；分布曲线与x轴所围成的面积包括了全部零件数，故其面积等于1；在尺寸间的零件的频率可由积分获得：在范围内的零件数所占的面积为99.7%4.3机械加工表面质量机械加工后零件表面层的几何结构，以及受加工的影响，表面层金属与基体金属性质产生变化的情况。机械产品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性，在很大程很大程度上取决于其主要零件的表面质量，零件的磨损、腐蚀和疲劳破坏都是从零件表面开始的。4.3.1机械加工表面质量的含义加工表面质量应包括加工表面的几何特征和表面层物理力学性能的变化。1.表面的几何特征零件加工表面的微观几何形状粗糙度和表面波度，一般以波距L和波高H的比值来加以区分。当L／H<50时为表面粗糙度；当L／H=50～1000则称为表面波度；当L／H>1000时称为宏观几何形状，即形状误差，属于加工精度研究范畴。表面粗糙度、波度与宏观几何形状误差（1）表面粗糙度完成切削运动后刀刃在被加工表面上形成的峰谷不平的痕迹。表面粗糙度参数可从轮廓算术平均值

或轮廓最大高度

两项中选取，推荐优先选用

。（2）表面波度加工过程中工艺系统的低频振动所引起的周期性误差，用波度表示。2.表面物理力学性能塑性变形产生的加工硬化；切削或磨削热引起的金相组织变化；力或热的作用产生的残余应力。4.3.2表面质量对零件使用性能的影响1.表面质量对零件耐磨性的影响表面粗糙度值越小，其耐磨性越好；表面粗糙度值太小，不利于润滑油的储存，接触面间产生金属分子间的亲和力，甚至产生分子间的粘合，使摩擦阻力增大，磨损反而增加。2．表面质量对零件疲劳强度的影响表面越粗糙，应力集中越严重；减小表面粗糙度值可以提高疲劳强度。3．表面质量对零件耐腐蚀性能的影响小表面粗糙度值可以提高零件的耐腐蚀性。4．表面质量对零件配合性质的影响对于间隙配合，如果零件表面粗糙度太大，初期磨损量就大，工作时配合间隙就会增大，以致改变了原来的配合性质，影响了间隙配合的稳定