《机械设备制造技术》课件第8章

第8章机械加工中的质量、生产率与经济性分析8.1机械加工精度8.2机械加工表面质量8.3机械加工中的生产率分析8.4工艺方案的技术经济分析8.1机械加工精度

8.1.1概述

1.加工精度加工精度是指零件加工后的几何参数(尺寸、几何形状及表面相互位置)与图纸规定的理想零件几何参数的符合程度。符合程度越好,则加工精度愈高。所谓理想零件,对表面形状而言,就是绝对正确的圆柱面、平面、锥面等;对表面位置来说就是指绝对平行、垂直、同轴等;对尺寸来说是指尺寸公差处于尺寸的公差带中心。

加工误差是指零件加工以后零件实际几何参数与理想零件几何参数之间的差异。差异值愈大,则加工误差就愈大,加工精度就愈低。由此可见加工精度和加工误差是从两个不同的角度来评价零件几何参数的同一事物,加工精度的高低是通过加工误差的大小来表示的。因此,保证和提高加工精度,实质就是限制和降低加工误差,使各种误差控制在允许范围内(即公差范围内)。通过本章的学习,掌握各种因素对加工精度的影响规律,从而找出降低加工误差,提高零件的加工精度的措施。

表8-1零件的加工精度

2.获得加工精度的加工方法1)获得尺寸精度的加工方法

表8-2获得零件尺寸精度的加工方法

2)获得零件形状精度的常用加工方法

(1)轨迹法:主要是依靠刀尖与工件的相对运动轨迹来形成被加工表面的形状。如工件回转,车刀平行于工件回转轴线的直线运动来车削外圆。此法的形状精度主要决定于工件与刀具相对运动的精度。

(2)成形法:是利用成形刀具刀刃的几何形状来切削出工件形状的方法。成形法所能达到的精度主要决定于刀具刀刃的形状精度与刀具的安装精度。

(3)展成法:是利用刀具与工件的展成切削运动,由刀刃在被加工表面上的包络面来形成的成形表面。如用滚刀来加工齿轮等。展成法所达到的精度高低,主要取决于机床作展成运动的传动链精度与刀具的制造精度。

3)获得工件相互位置精度的方法

(1)一次安装获得法:工件在一次安装中,加工零件有相互位置精度要求的各个表面,从而保证其相互位置精度。

(2)多次安装获得法:工件的有关表面的相互位置精度是由加工表面与定位基面的位置精度来保证的。影响获得相互位置精度的因素,主要有机床精度、夹具精度、工件的安装精度以及量具的测量精度。

3.影响加工精度的原始误差

在机械加工时,由机床、夹具、刀具和工件构成的完整的加工系统,称为工艺系统。由于工艺系统的结构、状态以及在加工过程中产生的物理力学现象而产生的误差称为原始误差。在机械加工时,原始误差能照样、放大或缩小地反映到工件上,使工件加工后产生误差,这种误差称为加工误差。

4.加工误差的分析方法

在机械加工中,上述误差并非是在所有情况下都会出现,而且在不同情况下,它们对加工精度的影响程度也不同,故具体问题要具体分析,抓住主要矛盾。在具体研究工艺系统中各种原始误差对加工精度的影响时,常用的分析方法有两种:

(1)单因素分析法。在研究某一确定因素对加工精度的影响时,一般不考虑其它因素的同时作用,通过分析计算或实验测试,找出该因素与加工精度之间的相互关系。这种研究方法称为单因素分析法。

(2)统计分析法。影响加工精度的因素很多,而且错综复杂,因此,仅靠单因素分析法常常不能有效地解决问题,还需用统计分析法。统计分析法是在一批零件加工完毕后,进行测量,并根据加工误差的表现形式,运用统计分析的方法去分析加工误差产生的原因。实际生产中,这两种方法通常结合起来使用。一般情况,先用统计分析法找出加工误差的分布规律,初步推断出加工误差可能产生的原因,然后再用单因素分析法找出它们与加工精度的关系并设法加以控制。

8.1.2加工误差的单因素分析

1.原理误差原理误差是由于在机械加工中,采用了近似的加工运动或采用了形状近似的刀具来加工所产生的误差。

1)采用近似的加工运动方法所造成的误差

(1)用展成法切削齿轮:由于滚刀制造上的困难,而采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆。用滚刀切削齿轮时,是利用展成原理。由于滚刀的刀刃数有限,所切成的齿形不是光滑的渐开线,而是一条接近于光滑渐开线的折线,故用接近于光滑渐开线的折线来代替理想光滑的渐开线就产生了原理误差。

(2)用近似的传动比加工螺纹:例如车削或磨削模数蜗杆,其导程t＝πm,其中m是模数,而π是无理数,在选用配换齿轮时,只能将π化成近似的分数来进行计算,采用了近似的传动比,即采用了近似的成形运动,从而产生了原理误差。

2)采用形状近似的刀具所造成的误差例如滚齿时,滚刀应由渐开线基本蜗杆来制造,而在生产实际中,为使滚刀制造方便,故采用阿基米德蜗杆来代替,即采用了近似的刀具轮廓,这时用阿基米德滚刀来滚切齿轮,就产生了原理误差。在生产实际中,采用近似的加工运动或近似的刀具进行加工,可以简化机床的结构和刀具的形状,降低制造成本,提高生产率。因此,只要原理误差在规定的技术要求范围之内,是完全允许的。

2.工艺系统的几何误差对加工精度的影响

工艺系统的几何误差是指机床、刀具、夹具等的制造误差和磨损,以及他们在定位调整中所带来的误差。这节主要以机床误差为例介绍它们对加工精度的影响。在工艺系统中,机床是基础,机床精度的高低对工件的加工精度有很重要的影响。这里着重分析对加工精度影响较大的导轨误差、主轴回转误差等。

1)机床导轨的几何误差导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准,也是主要部件的运动基准,它的各项误差将直接影响被加工工件的精度。下面以车床导轨误差为例来分析其对加工精度的影响。导轨误差包括以下几个方面:

(1)车床导轨在水平面内的直线度误差。如图8-1所示,普通车床在水平面内的直线度误差,将使刀尖在水平面内发生位移ΔY,引起被加工工件在半径方向上的误差。即导轨在水平面内的直线度误差将1∶1地反映到工件的半径上去。这种误差对于普通车床和外圆磨床,它将直接反映在被加工工件表面的法向方向,所以对加工精度影响极大。当车削长工件时,将会造成圆柱度误差(鞍形或鼓形)。图8-1车床导轨水平面内直线度误差

(2)车床导轨在垂直面内的直线度误差。普通车床导轨在垂直面内的直线度误差,将使刀尖沿工件的切向产生ΔZ的位移,由此引起工件在该处的半径方向上,产生相应的误差ΔR由图8-2所示的直角三角形△OAB可得

或

(8-1)由于ΔZ很小,ΔZ2更小,除加工圆锥形表面外,ΔZ一般可以忽略不计。

对龙门刨床、龙门铣床及导轨磨床来说,导轨在垂直面内的直线度误差将直接反映到工件上。如图8-2(a)所示龙门刨床,工作台为薄长件,刚性很差,如果床身导轨为中凹形,刨出的工件也为中凹形。机床导轨的直线度误差对加工精度的影响,不同的机床其影响也不同,这主要决定于刀具与工件的相对位置。如导轨误差引起刀刃与工件的相对位移,若该位移产生在工件已加工表面的法线方向上,则对加工精度有直接影响。如产生在加工表面的切线方向,则对加工精度的影响可忽略不计。如图8-2(b)所示的六角车床,导轨在垂直面内的直线度误差将1∶1地反映到工件的半径上,而导轨在水平面内的误差影响很小,可以忽略不计,所以一般把通过切削点的已加工表面的法线方向称为误差敏感方向。

图8-2机床导轨在垂直面内直线度误差

(3)车床导轨在垂直面内引起的误差。即车床前后导轨在垂直面内的平行度(扭曲度)误差对加工精度的影响。车床前后导轨在垂直面内如不平行,会使溜板在沿床身纵向移动时发生偏斜,从而使刀尖相对工件产生偏移。如图8-3所示,当导轨倾斜产生的误差为ΔH时,引起工件半径上的加工误差为ΔR，由ΔR∶ΔH＝H∶B,得(8-2)式中:H为车床中心高;B为车床两导轨间的宽度。

一般车床H≈(2/3)B,外圆磨床H＝B。因此,两导轨的扭曲对加工精度的影响是很大的。机床导轨的几何误差,还与机床的安装及使用过程中的磨损有关。若机床安装不正确,水平调整不好,会使床身扭曲,破坏导轨原有的制造精度,从而影响加工精度。机床使用中的磨损,会使导轨产生直线度、扭曲度等误差,也会影响加工精度。

2)机床主轴回转误差机床主轴是工件或刀具的位置基准和运动基准,它的误差直接影响着工件的加工精度。在理想的情况下,当主轴回转时,其回转轴线在空间的位置是固定不动的。但实际上由于存在制造误差和使用中某些因素的影响,如主轴精度、轴承的精度、主轴箱箱体和有关部分的精度,使主轴的实际回转轴线对理想回转轴线产生了偏移。这个偏移量就是主轴回转误差。

图8-4主轴回转误差的形式

(1)主轴回转误差的形式及对加工精度的影响。主轴回转误差按其表现可分解为:纯径向跳动、纯轴向窜动、纯角度摆动等三种基本形式(如图8-4所示)。不同形式的主轴回转误差对加工精度的影响是不同的,而同一形式的主轴回转误差对于不同类型的机床其影响也不同。因此,要根据具体情况进行具体分析。因为机床可分为工件回转类(如车床、磨床)和刀具回转类机床(如镗床)，在加工过程中,对工件回转类机床,其切削力的方向不变,而刀具回转类机床,其切削力的方向是周期性地变化的。所以主轴的回转误差对加工精度的影响也不同。

①纯径向跳动。它是指回转轴线绕平均轴线作平行的公转运动,在Z方向和Y方向都有变动,如图8-4(a)所示,为镗床上镗孔的情况。设由于主轴的纯径向跳动使轴心线在Y坐标方向上作间歇直线运动,其频率与主轴转速相同,其幅值为A;再设主轴中心偏移最大(等于A)时,镗刀尖正好通过水平位置1。当镗刀通过一个θ角时(位置1′),刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分别计算得

将两式平方后相加并整理可得

这是一个椭圆方程式,即镗出的孔是椭圆形,如图8-5虚线所示。

图8-5纯径向跳动对镗孔圆度的影响

图8-6所示为车削情况,设主轴轴心仍沿Y坐标作间歇运动,在工件1处切出半径比2、4处小一个振幅A,而再工件3处切出的半径则相反,这样,上述四点的工件直径都相等,其它各点的直径误差也小,所以车削出的工件表面接近一个真圆,但中心偏移。

图8-6车削纯径向跳动对圆度的影响

②轴向窜动。它是指回转轴线沿平均回转轴线在轴向位置的变化。对内、外圆加工没有影响,但所加工的端面却与内外圆轴线不垂直。主轴每转一周,就沿轴向窜动一次,向前窜动的半周中形成右螺旋面,向后窜动的半周中形成左螺旋面,最后切出如同端面凸轮一样的形状,并在端面中心附近出现一个凸台。当加工螺纹时,轴向窜动会产生螺距周期误差。③纯角度摆动。主轴瞬时回转轴线对平均轴线作呈一倾斜角度的公转运动,但其交点位置固定不变。主要影响工件的形状精度。车外圆时会产生圆柱度误差(锥度);镗孔时,孔将成椭圆形，如图8-5所示。

(2)产生主轴回转误差的原因及提高回转精度的措施。主轴回转轴线的运动误差不仅和主轴部件的制造精度有关,而且还和切削过程中主轴受力、受热后的变形有关。但主轴部件的制造精度是主要的,是主轴回转的基础,它包含轴承误差、轴承间隙、与轴承相配合零件的误差等。当主轴采用滑动轴承支撑时,主轴是以轴颈在轴承内回转的,对于车床类机床,主轴的受力方向是一致的,这时主轴轴颈被压向轴向表面某一位置。因此,主轴轴颈的圆度误差将直接传给工件,而套空的误差对加工精度影响较小,图8-7(a)所示。对于镗床类机床,主轴受切削力方向是随镗刀的旋转而旋转,因此,轴套孔的圆度误差将传给工件,而轴颈的误差对加工精度影响较小,如图8-7(b)所示。

图8-7轴颈与轴套孔圆度误差引起的径向跳动

当主轴用滚动轴承支撑时,主轴的回转精度不仅取决于滚动轴承的精度,在很大程度上还和轴承的配合件有关。如图8-8所示,滚动轴承的精度取决于内、外环滚道圆度误差，内座圈的壁厚差及滚动体的尺寸差、圆度误差，主轴轴承间隙对回转精度也有影响,如轴承间隙过大,会使主轴工作时油膜厚度增大,刚性降低。

图8-8滚动轴承的几何误差

由于轴承内、外座圈或轴套很薄,因此与之相配合的轴颈或箱体轴承孔的圆度误差,会使轴承的内外圈发生变形而引起主轴回转误差。为提高主轴的回转精度,在滑动轴承方面,发展了静压轴承和三块瓦式动压轴承等技术。在滚动轴承方面,可选用高精度的轴承,以及提高主轴轴颈和与主轴相配合零件的有关表面的加工精度,或采取措施使主轴的回转精度不反映到工件上去。如在卧式镗床上镗孔,工件装在镗模夹具中,镗杆支撑在镗模夹具的支撑套上,镗杆的回转精度完全取决于镗模支撑套的形状误差即同轴度误差,因镗杆与机床主轴是浮动连接,故机床主轴精度对加工无影响。

3)传动链误差传动链误差是指机床内的传动链中首末两端传动元件之间,相对运动的误差,它是齿轮、螺纹、蜗轮及其它展成加工中,影响加工精度的主要因素。如加工螺纹、滚齿、插齿、磨齿等,为了保证加工精度,必须要求刀具与工件之间有正确的速比关系。例如车螺纹,要求工件转一圈,刀具移动一个导程;用单头滚刀滚齿时,要求滚刀转一圈,工件转过一个齿。这种成形运动的速比关系,是由机床传动链来保证的。

传动链误差是由于传动链中传动元件的制造误差、装配误差以及使用过程中磨损引起的。各传动元件在传动链中的位置不同,影响也不同,其中末端元件的误差对传动链的误差影响最大。各传动元件的转角误差将通过传动比反映到工件上。若传动链是升速传动则传动元件的转角误差将扩大,反之降速传动则转角误差将缩小。

为了减小传动链误差对加工精度的影响,可以采取下列措施:

(1)减少传动链中传动元件的数量,缩短传动链以减少误差的来源;

(2)提高传动元件,特别是末端件的制造与装配精度;

(3)在机床传动系统设计中,采用降速传动,这样传递系数小,对提高传动精度是有利的;

(4)消除传动链间的间隙;

(5)采用误差补偿来提高传动链精度。

3.工艺系统受力变形对加工精度的影响机械加工过程中的工艺系统,在切削力、夹紧力、传动力、重力、惯性力等外力作用之下,会产生相应的变形,从而使已经调整好的刀具与工件之间的相对位置发生变动造成工件的尺寸误差、几何形状与相互位置误差。从而破坏了刀具与工件之间已获得的准确位置,产生加工误差,同时还会使系统内的构件产生振动。例如车细长轴时,如图8-9所示,由于轴变形,车完的轴就会出现中间粗两头细的情况。在内圆磨床上切入式磨孔时,如图8-10所示,由于内圆磨头轴弹形变形,内孔会出现锥度误差。工艺系统在外力的作用下,不但影响加工精度,而且还会影响加工表面的质量和生产率。因此,必须研究工艺系统中的受力变形。

图8-9细长轴车削时的受力变形

图8-10切入时磨孔时磨头轴的受力变形

1)工艺系统刚度的基本概念为了比较工艺系统抵抗变形的能力和分析计算工艺系统受力变形对加工精度的影响,需建立工艺系统刚度的概念。

(1)工艺系统的静刚度。工艺系统不具备绝对的刚性,在外力作用下总会产生变形和位移,其位移的大小不仅取决于作用力的大小,而且也取决于工艺系统抵抗外力使其变形的能力,即工艺系统的刚度。对于机械加工系统,从影响机械加工精度的观点出发,被加工表面法线方向的变形对加工精度影响最大(误差敏感方向),因此工艺系统刚度定义为被加工表面法线上作用的总切削力Fy与该方向刀具、工件的相对位移y的比值,即

(8-3)工艺系统的刚度,根据系统所受载荷的性质不同,可分为静刚度和动刚度两种。由于以上所指的K系统是在静态条件下力与位移的关系。所以K系统称为静刚度。动刚度是以动力学的观点,把工艺系统看做是具有一定质量、弹性和阻尼的机械系统,在动态力的作用下,系统会产生振动,在某一频率下产生单位位移振幅所需的激振力,称为动刚度。动刚度主要影响工件已加工表面的微观几何精度(波纹度、表面粗糙度等),而静刚度则主要影响工件的宏观几何精度。由此可见对于静刚度和动刚度的研究是缺一不可的。本节仅限于静刚度的研究,以下把静刚度简称刚度。

(2)工艺系统刚度的组成。工艺系统是由机床、刀具、工件、夹具组成的加工系统,所以工艺系统的刚度就决定于机床、刀具、工件和夹具的刚度。工艺系统的受力变形等于各组成部分变形位移的叠加,即

Y系统＝Y机床十Y刀具十Y工件十Y夹具

(8-4)如果已知各组成部分在y方向的位移及作用力,则可求出各组成部分的刚度为

这样工艺系统的刚度为

(8-5)

(3)工艺系统刚度的特点。在工艺系统中,工件和刀具。一般都是简单的构件,其刚度可利用材料力学中的公式直接近似求出,而系统中的机床和夹具结构较为复杂,它们是由许多零部件组成,故难以用一个数学模型来描述,主要是通过实验方法来确定。但是部件的受力变形远比单个实体零件的变形要大得很多,其主要原因有以下几个方面:

①连接表面的接触变形。机械加工后,零件表面存在着几何形状误差,波纹度及表面粗糙度,所以零件之间连接表面的实际接触面积只是理想接触面积的一部分,而真正处于接触状态的又是其中的个别凸峰。因此在外力的作用下,这些接触点就产生了较大的接触变形,使得部件的刚度远比同尺寸实体的零件本身的刚度要低的多。

②薄弱零件本身的变形。在机器或部件中,常采用楔铁、键等零件连接,这些零件结构细长、刚度差,再加上制造时不易做得平直,接触不良,因此在外力作用下很容易发生变形。故使整个系统的刚度变差。③摩擦力的影响。摩擦力的影响也很大,在加载时,连接表面的摩擦力阻止变形的增加。再卸载时,摩擦力又阻止变形的恢复。由于摩擦力的作用,使得在刚度曲线图中加载和卸载曲线不重合。如图8-11所示。

④接合面间的间隙。如果机器或部件中存在间隙,当所加载荷大于零件间的摩擦力时,就会产生错动,故表现为刚度很低,如果是单向受力,使零件始终靠在一面,那么间隙对加工精度影响很小。如镗床等,切削力的方向是变化的,对加工精度的影响就比较大。根据以上分析可知,影响部件刚度的因素很复杂,而且对于同一部件的刚度也不是一个衡定得数值。一个部件的变形不仅是组合成部件的各个零件本身的变形,而且是各个零件连接面的接触变形以及其它因素影响的综合结果。

2)工艺系统受力变形对加工精度的影响

(1)切削力引起工艺系统的变形对加工精度的影响。①总切削力作用点位置变化对加工精度的影响。在切削过程中,如果总切削力的大小不变,则工艺系统刚度随受力点的位置不同,其变形量发生变化,从而引起工件轴向剖面中的形状误差。例如,车削夹持在车床两顶尖间粗而短的光轴(如图8-11(a)所示)时,由于工件刚度大,在切削力的作用下工件的变形要比机床、刀具等变形小得多,故可忽略不计。此时工艺系统的变形主要取决于机床的变形。

图8-11工艺系统的位移随施力点位置的变化的情况

加工中,当车刀处于图示位置时,在切削分力的作用下,头架由A点移到A′,尾架由B点移到B′,刀架由C点移到C′。它们的位移量分别用Y头、Y尾、Y刀架表示。工件的轴心线由AB位移到A′B′。在刀具的Fy切削点处,工件轴线在X处的位移Yx为即

设FA,FB分别为Fy所引起在头、尾架处的作用力;K头、K尾分别为头架与尾架的刚度,则在Fy的作用下在头尾架处的变形分别为将Y头、Y尾层代入Yx,式得

(8-6)工艺系统的总变形

(8-7)从上式可以看出,工艺系统的变形是x的函数,随切削力作用点的位置变化而变化,变形大的地方从工件切去较少的金属层,变形小的地方切去较多的金属层,使车出的工件呈两端粗、中间细的鞍形形状误差。

如设K刀架=4×104N/mm,K头=6×104N/mm,K尾=5×104N/mm,Fy=300N,工件长l=600mm,。故工件呈马鞍形。对Y系求导可得,当,有

则工件轴向最大的直径误差为(因为K尾＜K头,Y系max＝Y尾）

(8-8)如果车削夹持在两顶尖间的细长轴(如图8-11(b)所示),由于工件细长,刚度小,在切削力的作用下,此时机床、刀具、夹具的变形很小,可以忽略不计。工艺系统的变形完全取决于工件的变形。按材料力学中的公式,作用在x处的变形Y工件为

(8-9)式中:l为工件长度,单位mm;E为工件材料弹性模量(对于钢E＝2×105N/mm2);I为惯性矩(对于轴I＝πd4/64)。

当x＝0或x＝1时,变形Y工件＝0;当x＝l/2时工件的弯曲变形最大。则工件车削后的最大轴向直径误差

(8-10)由此可见,加工后的工件呈腰鼓形。若同时考虑机床和工件的变形,则工艺系统的总变形为

(8-11)工艺系统的总刚度

(8-12)②总切削力大小变化对加工精度的影响。机械加工时,工艺系统在总切削力作用下会产生变形,使得实际切削余量发生变化,而且影响加工后的尺寸精度。如果在加工过程中总切削力的大小不变,这一误差是可以通过适当的调整消除的。但是,当加工毛坯余量或材料硬度很不均匀的工件时,毛坯余量或材料硬度的变化,会引起切削力大小的变化。从而引起工艺系统受力变形的变化,因而产生工件的形状误差或表面间的同轴度误差。如图8-14所示为车削一个有椭圆形误差的毛坯,刀尖调整到要求尺寸的虚线位置,在工件每转一转的过程中,切削深度将发生变化。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,那么在ap1处的切削力Fy最大,相应的变形y1也最大;ap2处Fy2最小,y2也最小。这种由于工艺系统受力变形的变化,使毛坯的椭圆度误差复映到加工后的工件上,这种现象称为“误差复映”。由图8－12可知,毛坯最大的误差Δ坯＝ap1-ap2,车削后工件上最大误差Δ工＝y1-y2，而图8-12毛坯形状误差的复映

由切削原理可知，切削分力Fy＝λCFapf0.75，式中λ＝Fy/F，一般取λ＝0.4，CF为与工件材料及刀具几何角度有关的系数-则(8-13)

ε称为误差复映系数,它定量地反映了毛坯误差经加工后减少的程度。ε是一个小于1的正数,ε越小,毛坯复映到工件上的误差也越小,从式中可看出减小C及增大K系都能使ε减小。

如果采用一次走刀不能消除误差复映的影响而满足所要求的精度时,则可采用二次或多次走刀。设每次走刀的复映系数为ε1、ε2、ε3、…、εn,则总的误差复映系数

ε总＝εlε2ε3…εn

(8-14)在粗加工时,每次走刀的进给量f一般不变,因此n次走刀就有

(8-15)由于误差复映系数ε总是小于1,经多次走刀后,加工误差也就很快达到允许的范围之内。

(2)由于传动力、夹紧力、惯性力和重力等引起工艺系统的变形对加工精度的影响。①传动力方向变化引起的加工误差。在车削与磨削轴类零件时,常用单爪拨盘来带动工件旋转,如图8-13(a)所示。传动力Pc的方向在工件每转中是变化的。它在Y方向的分力PcY的大小也发生周期性的变化。因此造成工艺系统的受力变形随之发生变化,从而引起加工误差。图8-13单爪拨盘传动对加工精度的影响

根据力矩平衡原理,按图8-13(a)所示的情况,可列出其平衡方程式,经求解可得在传动力Pc作用下,工件经加工后的实际半径R,则

(8-16)式中:K顶为顶尖处的刚度;r为工件半径;α为回转角。式(8-16)为一心脏形轮廓方程,由此在传动力的影响下(不考虑其它因素),前顶尖处工件加工后其截面上就产生了心形误差,如图8-13(b)所示。由于传动力作用在顶尖处,当刀具离开工件左边的距离x越大时,传动力的影响就越小,即造成的几何形状误差越小,当工件长度为L,则在x处的工件半径误差为

(8-17)在零件的加工精度要求很高时,传动力造成的加工误差是不可忽视的。为减少这种传动力对加工精度的影响,可采用双爪拨盘来带动工件,使两边的传动力大致平衡,以消除传动力引起的误差。

②夹紧力引起的加工误差。对于刚性较差的零件,若施加的夹紧力不当(作用点的位置或大小不当),会引起工件的夹紧变形,从而使工件加工后产生误差。例如薄壁套筒装在三爪卡盘上镗孔,加紧后筒孔产生弹性变形(图8-14(a)),虽然镗出的孔是正圆形(图8-14(b)),但松开三爪自定卡盘后,薄壁套筒弹性自动恢复,使孔显三角棱形(图8-14(c)),图8-14(d)为加开口过渡环后,使夹紧力在薄壁套筒上均匀分布,从而减少了工件的夹紧变形。由此可知,夹紧变形引起的工件形状误差不仅取决于夹紧力的大小,而且与夹紧力的作用点有关。

图8-14夹紧变形引起的形状误差

③惯性力引起的误差。在机械加工过程中,由于高速旋转着的机床零件、夹具和工件等的不平衡,会产生离心惯性力。对加工精度的影响也是很大的。该力的方向在回转一圈中是变化的,因此它在Y方向上的分力有时和切削力方向相同,有时相反,从而引起工艺系统某些环节受力变形发生变化,造成加工误差。当离心力和切削力同向时,工件被推离刀具,减少了实际切深;当离心力和切削力反向时,工件被推向刀具,增加实际切深,总的结果使工件产生圆度误差,如图8-15所示。为消除惯性力对加工精度的影响,生产中常采用“配重平衡”的方法,必要时,还可降低工件转速。

图8-15贯性力引起的加工误差

④重力引起的误差。工艺系统有关零部件自身的重力(特别是重型机床)以及它们在加工中位置的移动,也可引起相应的变形,造成加工误差。如大型立式车床、龙门刨床、龙门铣床等,其主轴箱或刀架在横梁上移动时,由于主轴箱重力的作用,使横梁的变形两头小,中间大。从而使加工表面产生凹形的平面度误差(如图8-16所示)。

图8-16机床部件重力引起的加工误差

3)内应力对加工精度的影响内应力是指外部载荷去除以后,仍残存在工件内部的应力,也叫残余应力。它是一种平衡应力,零件切削加工、无切屑加工、热加工、毛坯制造过程等引起的变形后,金属内部宏观或微观的组织发生了不均匀的体积变化,零件处于一种不稳定状态,这时内部组织有强烈地要恢复到没有应力的状态。在内应力变化过程中,工件将发生复杂的变形,使原有的加工精度丧失。因此,为了保证加工精度,特别是精度要求高的零件,必须采取措施消除内应力对加工精度的影响。图8-17床身内应力引起的变形

内应力产生的原因:

(1)在毛坯制造过程中产生内应力。在铸、锻、焊等毛坯制造过程中,由于工件各部分热胀冷缩不均匀,以及金相组织的变化,使工件内部产生很大的内应力。毛坯结构越复杂,壁厚越不均匀,产生的内应力就越大。例如图8-17机床床身,浇铸后上下表面冷却快,内部冷却慢,故在床身表面残存压应力,内部残存拉应力。此时内应力处于平衡状态,当导轨表面经加工刨去一层金属后,就破坏了平衡,内应力将重新分布转变到新的平衡状态,使床身产生明显的变化。

(2)切削加工中产生内应力。工件在切削加工中,由于切削热和切削力的作用,使工件表层产生冷、热塑性变形和金相组织的变化,从而使工件表层产生内应力。

(3)工件热处理时产生内应力。工件在进行热处理时,由于金相组织的变化或加热时工件各部分受热不均匀,使工件产生内应力。

(4)工件冷校直时产生内应力。细长轴类零件,如丝杆、光杆等在加工或搬运过程中很容易弯曲变形,为了纠正这种变形常采用冷校直。校直的方法是在弯曲的反方向上施加一外力P(如图8-18(a)所示),在外力P的作用下,工件内应力的分布如图8-18(b)所示。上部为压应力,下部为拉应力。当应力超过弹性极限时,将产生塑性变形。

图8-18冷校直引起的内应力

减少或消除内应力的措施:

(1)采取适当的热处理工序。对于铸、锻、焊接件,常进行退火、正火或人工时效处理,然后再进行机械加工。重要零件在粗加工和半精加工后还要进行时效处理,以消除毛坯制造及加工中产生的内应力。

(2)给工件足够的变形时间。精密零件粗、精加工应分开;大型零件,由于粗、精加工一般安排在一个工序内进行,故粗加工后先将工件松开,使其自由变形,再以较小的夹紧力夹紧工件进行精加工。

(3)零件结构要合理。零件结构尽量简单,壁厚要均匀。

4)减少工艺系统受力变形的主要措施减少工艺系统的受力变形是保证加工精度的有效途径之一。在生产实际中,主要从两方面采取措施予以解决:一是提高系统刚度;二是减少载荷及变化。

(1)提高系统刚度。①设计合理的结构。在设计工艺装备时,应尽量减少连接面的数量,注意刚度匹配,防止有局部低刚度薄弱环节出现。设计基础件、支承件时,应合理选择零件的结构和截面形状。一般来说,在截面积相等时,空心截形比实心截形刚度高,封闭截形比开口截形好。在适当的部位设置加强筋也有良好的效果。

②提高零件连接表面的接触刚度。提高主要零部件接触面的配合质量,增大实际接触面积。如机床导轨的刮研,多次研磨精密零件的顶尖孔等。另一方法是预加载荷，如机床主轴组件中轴承的预紧。这样不但消除了配合面间的间隙,而且还增大了配合表面的实际接触面积,从而提高了接触刚度。③设置辅助支承,提高工件、刀具或部件的刚度。在加工中设置辅助支承能提高工艺系统的刚度。如车细长轴采用中心架或跟刀架来提高工件的刚度。图8-19利用装在主轴孔中的导套来提高刀架在加工时的刚度。

图8-19在六角车床上提高刀架刚度的措施

④采用合适的装夹方式。例如在卧式铣床上铣削角铁形零件,如按图8-20(a)装夹(夹紧件未画出),工件不稳,加工时刚度低。如改用(b)图所示的方法装夹,则刚度可大大提高。所以采用合适的装夹方式可提高装夹刚度。特别是刚度差的零件更应注意。

图8-20改变装夹方式提高装夹刚度

(2)合理安排工艺路线。在安排工艺路线时,尽量粗精加工分开,并适当安排热处理工序,以消除零件的残余应力。

(3)减少载荷及变化。降低切削用量,可减少总切削力对零件加工精度的影响,但同时生产效率也会降低。此外，改善工件材料的可加工性,改善刀具材料及刀具几何参数(如增大前角)都可减少受力变形。采用精制毛坯,可减少加工余量并减少毛坯误差映射。

4.工艺系统受热变形对加工精度的影响在机械加工中,工艺系统受到切削热、摩擦热以及周围环境温度的影响,使机床、工件、刀具等许多部分的温度发生变化而引起复杂的热变形,从而破坏了它们之间的相对位置、刀具与工件间相对运动的正确性以及传动精度,使加工后的工件产生误差,所以工艺系统的热变形对加工精度的影响是非常大的。特别是在精密加工中,因切削力小,受力变形不占主导地位,而影响加工精度的主要因素是机床的制造误差及工艺系统的热变形。

1)工艺系统的热源工艺系统的热源可分为两大类:一类是内部热源,一类是外部热源。内部热源来自摩擦热和切削热,外部热源来自环境温度与热辐射。

2)工艺系统热变形对加工精度的影响

(1)机床热变形引起的加工误差。机床开动后,由于受到内外多种热源的影响,机床温度逐渐升高。但机床各部件结构不同,受热情况不同,各处温升也不同,故使机床产生复杂的变形,破坏了机床原有的冷态精度,从而造成了加工误差。由于各类机床的结构、加工方式和热源不同,故对加工精度影响情况也不同,对具体情况应具体分析。机床热变形引起的加工误差,如图8-21所示,主要表现在主轴系统和导轨两大部件上。主轴部件的热变形会引起主轴位移和倾斜,影响加工后工件的尺寸和几何形状。机床导轨的热变形,会使导轨产生中凸或中凹,影响工件的几何形状精度。

图8-21机床的热变形

(2)工件热变形引起的加工误差。切削热是工件热变形的主要热源。工件在热膨胀的情况下加工到规定尺寸,冷却后会收缩变小,有时甚至会超差报废。工件的热变形与其是否均匀受热等因素有关。为使研究问题简化,可分均匀受热与单面受热两种情况来讨论。

①工件均匀受热。对于一些形状简单的回转零件、对称的零件,如长度较短的轴、套筒和盘类零件等进行车削或内外圆磨削加工,由于工作行程短,可视为工件均匀受热。切削热比较均匀地传入工件,它主要影响工件的尺寸精度,工件的热变形量可按下式进行计算:对于直径方向

△D＝αD△t(mm)

(8-18)对于长度方向

△L＝αL△t(mm)

(8-19)式中:α为工件材料的线膨胀系数(钢α＝1.17×10-5/℃,铸铁α＝1×10-5/℃,铜α≈1.7×10-5/℃);L、D分别为工件的长度与直径(mm);Δt为工件的温升(℃)。

例如精密丝杆的加工,工件的热伸长会引起螺距的累积误差。若磨削长3米的丝杆,如不采取任何措施,每磨一次温度升高3℃,则丝杆总伸长

而对于6级精度的丝杆,其螺距累积误差在全长上不允许超过0.02mm,可见热变形对加工精度的影响是十分严重的。

②工件不均匀受热。它主要影响工件的形状和位置精度。如平面的刨削、铣削和磨削加工,工件都是单面受热,由于上下表面之间温差Δt将导致如图8-22所示的弯曲变形,其热变形的挠曲度f为

(8-20)式中:L为工件的长度；H为工件的厚度(mm)。

图8-22薄板磨削时的弯曲变形

由此可见,工件越长,越薄,上下表面之间的温差越大,加工时的受热变形量也越大。例如磨削长2000mm,高H＝600mm的精密平板,顶面与底面的温差Δt＝2.4℃。磨削后热变形产生的挠曲度:

(3)刀具热变形对加工精度的影响。刀具的热变形主要是由切削热引起的,虽然切削热大部分由切屑带走,传入刀具的热量不多,但因刀具体积小,热容量小,刀具温升可非常高。高速钢车刀,刀刃部分的温度可达700～800℃。图8-23为车削时车刀的热伸长量与切削时间的关系曲线。连续切削时,刀具受热变形开始比较快,随后较缓慢,经过较短时间,便趋于热平衡状态。间断切削时,由于刀具有短时间的冷却(如图8-23所示),故受热变形的曲线具有热胀冷缩的双重特性,故总的受热变形量比连续切削时要小一些。最后趋于稳定在Δ1范围内波动。当切削停止后,刀具温度立即下降,开始冷却较快,以后逐渐减慢。图8-23车刀热变形

3)减小工艺系统受热变形的主要措施为了防止和减小热变形,首先在设计工艺装备时应从结构设计方面采取措施,例如采用热对称结构;合理安排支承,减少热变形的有效长度;将热变形转移到不是加工误差的敏感方向等。下面介绍控制热变形方面的工艺措施。

(1)加快热平衡,待热平衡后再加工。热平衡后,工艺系统热变形趋向稳定。这样热变形容易控制,对加工精度的影响就小。为使机床能迅速达到热平衡,可采用两种方法:一是在加工前,先使机床高速运转,使其迅速达到热平衡,然后再改成机床的工作速度进行加工;另一种方法是在机床的适当部件设置“控制热源”,在机床开动的初期阶段给机床人为地供热,促使其尽快达到热平衡。

(2)加强冷却。在切削区充分施加冷却液,尽量减少热量传入工件和刀具,以减少其热变形。对于机床,可对其发热部位进行强制冷却,以控制机床的温升与热变形。

(3)减少热源热量的产生。刀具和砂轮要及时修磨和修正,以减少切削热和磨削热的产生。对于运动部件要充分润滑,以减少摩擦热。

(4)恒温加工。对于精密加工、精密测量和精密装配,应在恒温下进行。恒温精度一般控制在±1℃以内,精密级控制在±0.5℃。恒温的平均室温一般控制在20℃,为节省能源可进行季节调温。如春秋两季取20℃,夏季取23℃,冬季取17℃。

(5)进行综合补偿和校正。在精密加工中,经常采用校正补偿装置来消除加工中热变形产生的误差。

8.1.3加工误差的统计分析

1.加工误差的性质

影响加工精度的一些误差因素,按其性质的不同,可分为两大类:即系统性误差与随机误差。

1)系统性误差

顺次加工一批工件时,若误差的大小和方向保持不变,或误差随加工时间按一定规律变化,该误差即为系统性误差。前者称为系统性常值误差,后者称为系统性变值误差。

原理误差,机床、刀具、夹具、量具的制造误差,调整误差都属于系统性常值误差。它们与加工顺序(或加工时间)没有关系。机床和刀具的热变形、刀具的磨损等都是随加工顺序(加工时间)有规律地变化的,是属于系统性变值误差。

2)随机性误差顺次加工一批工件时,若误差的大小和方向是不规律地变化的(时大时小,时正时反),该误差称为随机性误差。如毛坯的误差复映,夹紧误差,内应力等引起的误差,都是随机性误差。应用数理统计的方法,就可以找出一批工件误差的总体规律。以上加工误差分类方法是相对的,随着科学技术的进步、产品质量的提高以及人们认识的不断深化,某些随机性误差也可能转化为系统性误差。

2.加工误差的统计分析加工误差的统计分析法,是以生产现场中对工件进行实际测量所得的数据为基础,应用概率论和数理统计的方法,分析一批工件的误差情况,从而找出误差的性质和产生的原因,以便提出解决问题的方法。常用的统计方法有两种:分布曲线法和点图法。

1)正态分布曲线法(直方图)加工一批工件,由于各种误差因素的影响,加工后工件实际尺寸数值不会完全一致,是在一定的范围内变化,这种现象称为尺寸分散。它们中最大尺寸与最小尺寸之差称为分散范围。如果将这些数据按照一定的尺寸间隔分组,然后,以各个组尺寸间隔宽度(组距)为底,以频数(同一间隔组的零件数)或频率(频数与该批零件总数之比)为高做出若干矩形,即为直方图。如果以每个区间的中点(中心值)为横坐标,以每组频数或频率为纵坐标可得到一些相应的点,将这些点连接成折线即为分布折线图。当所测零件数量较多,尺寸间隔很小时,此折线便非常接近于一条曲线,这就是实际分布曲线画成的统计曲线。下面以精镗活塞销孔工序为例介绍统计曲线的绘制方法。

图纸规定销孔直径为￠280-0.015mm,在精镗活塞销孔后的工件中,抽取其中100件,经测量其直径可得到100个数据,测量所得的数据按其大小分组,每组的尺寸间隔(称为组距)取0.002mm,并将上述数据列入表8-5中。

表8-5活塞销孔直径测量结果表中n表示所测工件(样本)的总数。同一组中的工件数m,称为频数,频数与样本总数n之比称为频率。以每组工件尺寸的中间值(中值)为横坐标,频率(频数)为纵坐标,将各组的频率画在图上,就得到相应的一些点,将各点依次连接起来，便可得到如图8-24所示曲线,该曲线称为实际分布曲线。在图上标出工件的公差分布范围、公差带中心和分布中心,便可进行质量分析。图8-24活塞销孔直径尺寸分布图

图8-24中,分散范围＝最大孔径-最小孔径＝28.004-27.992＝0.012mm从图8-24中可看出:

(1)分散范围小于公差带即0.012＜0.015mm,表明本工序能满足加工要求,即不会有废品出现;

(2)图中有部分工件已超出公差范围(带阴影部分,约占18％)成为废品。其原因是尺寸分散中心与公差带中心不重合,表明系统中存在系统性常值误差,其值为27.9979-27.9925＝0.0054mm,如果将镗刀的伸出量减小0.0054mm的一半,就能使尺寸分散中心与公差带中心重合,出废品的问题便可解决。若将尺寸间隔减小,所取工件数量增加,则所得的曲线,其极限情况接近于图8-25所示的正态分布曲线。在研究加工误差时,常用正态分布曲线来近似地代替实际分布曲线,这样可使分析问题的方法大为简化。

(8-21)图8-25正态分布曲线

用上式来研究加工尺寸分布曲线时,各字母含义如下：x——工件尺寸(分布曲线的横坐标);x——加工一批工件的平均尺寸(分散范围中心),σ——一批工件的均方根偏差,

;n——工件总数(工件数应足够多,如n＝100～200)。方程式中的参数x决定分布曲线的位置。它决定一批工件尺寸分散中心的坐标位置。在系统性常值误差的影响下,整个曲线沿横坐标移动,但不改变曲线的形状。均方根偏差σ决定分布曲线的形状及分散范围。当σ增大时,Y减小,曲线变得平坦;σ减小时,Y增大,分散范围变小,表明工件尺寸集中,加工精度高。正态分布曲线的特点:

(1)曲线呈钟形,中间高,两边低,表明工件尺寸靠近x的频率较大,远离x的工件尺寸是少数。

(2)曲线x=x以的直线为轴左右对称。表明工件尺寸大于x及小于x的频率是相等的。(3)曲线下与x轴所包含的面积为1。曲线在对称轴的±3σ范围内所包含的面积为99.73％,在±3σ以外只占0.27％,可以忽略不计。因此,一般都取正态分布曲线的分散范围为±3σ。±3σ是一个很重要的概念,它代表某种加工方法在一定条件下所能达到的加工精度。所以一般情况下,应使所选择的加工方法的均方根偏差σ与工件公差带的宽度T之间,满足下列关系:

(8-22)正态分布曲线的应用:

(1)可利用分布曲线查明工序精度,确定工艺能力系数,进行工艺验证。工艺能力系数表示了工艺能力的大小,表示某种加工方法和加工设备能否胜任零件所要求的加工精度的能力。工艺能力系数CP可用下式计算：(8-23)如果CP＞1,说明公差带大于分散范围,该工序具备了保证精度的必要条件,且有余地。

CP

＝1时,表明工序刚刚满足加工精度,但受调整等系统性常值误差的影响,也会产生不合格品。

CP

＜1,说明公差带小于尺寸分散范围,将产生一定数量的不合格品。因此,可利用工艺能力系数CP的大小来进行工艺验证。根据工艺能力系数的大小,可将工艺分为五个等级,如表8-6所示。表8-6工艺等级

(2)可计算一批零件加工后的合格率和废品率。利用正态分布曲线,可计算在一定生产条件下,工件加工后的合格率、废品率、可修废品率和不可修废品率。如图8-26所示,在曲线下面公差带T范围内的面积(阴影部分)代表合格率。当加工外圆时,图左边的空白部分为不可修废品,右边空白部分为可修废品。加工孔时,则恰恰相反。

图8-26利用分布曲线计算合格率和废品

分布曲线下的面积可用积分方法求得:(8-24)令

令

,则有

在图8-28中,总合格率:F＝φ(za)+φ(zb)因此只要求出z值便可计算出概率φ(z)。各种不同z值的φ(z)可查表8-7。之值表8-7

(3)可进行误差分析。可从分布曲线的形状、位置来分析产生各种误差的原因。例如,当分布曲线的中心与公差中心不重合,说明加工中存在系统性常值误差,其大小等于分布曲线中心与公差带中心之间的差值。运用分布曲线研究加工精度时存在的问题:分布曲线只能在一批零件加工完毕后才能画出,故不能在加工过程中去分析误差发展的趋势和变化规律,不能主动控制加工精度。由于分布曲线是在一批零件加工完成后才画出。因此如发现问题,则对该批零件已无法采取措施,只能对下一批零件的加工起作用。

2)控制图法控制图又称点图。它有逐件点图、逐组点图和x-R图等几种形式。在生产中常见的x-R图(均值-极差图)。x-R图是由x图和R图组成的。

(1)x-R图的绘制方法。①在加工过程中,按一定的时间间隔或工件数量,连续抽取m(m＝2～10)个工件为一个样组,抽取n(n=20～30)个样组,这样按加工先后顺序,共抽取N＝n×m个工件。再依次测量它们某项质量特性值,得到如下数据:xij(i＝1,2,…,n;j＝1,2,…,m)。②计算各组的平均值xi及极差Ri。

平均值

(8-25)极差

(8-26)③以组号为横坐标,分别以x和R为纵坐标,将求得的各组的平均值xi和极差Ri按组序号依次标在x和R图上,然后将各点连接起来就得到x-R图,如图8-27所示。图8-27

x-R图

④用实线在x-R图中画出中心线x和R,再用虚线标出控制线。图中各中心线及控制线的位置可按下列公式计算:x图中心线

(8-27)R图中心线

(8-28)x图的上控制线

(8-30)(8-29)x图的下控制线

R图的上控制线

(8-31)式中系数A和D可按表8-9选取。

表8-9系数A和D的值

(2)x-R图的应用。①利用x-R图可判断工艺过程的稳定性。工艺过程的稳定性用x和R两个统计参数来表征,稳定的工艺过程x和R只有正常波动。正常波动是随机的,且波动幅值不大。不稳定的工艺过程存在异常波,控制图中x、R有明显的上升或下降趋势,或有很大的波动,或有点超出控制线。

②x-R图是用以显示x和R的大小和变化情况。因此,从x-R图上可以观察出变值系统误差和随机误差的大小和变化情况。如图8-28所示,x有明显上升的趋势,说明系统中存在变值系统误差。图8-28x有明显上升趋势图

8.2机械加工表面质量

8.2.1概述

1.机械加工表面质量的含义零件的机械加工表面质量是指加工表面层的微观几何形状和物理机械性能。任何经过机械加工所得的零件表面,不可能是完全理想的表面,总存在一定程度的微观几何形状误差和表面金属层的冷作硬化、金相组织变化及残余应力等。这些问题虽然只产生在很薄的表面层中,但对机器的使用性能,特别是可靠性和寿命都有很大的影响。因此机械加工时不仅应保证零件的尺寸、形状和位置精度,还必须保证零件的表面质量。加工表面质量包括两个方面的内容,即表面几何形状和表面层的物理、机械性能。

1)表面几何形状

(1)表面粗糙度。如图8-29所示,其波长与波高的关系L1/H1＜50,即表面的微观几何形状误差。表面粗糙度是由于加工过程中的残留面积,塑性变形,积屑瘤、鳞刺以及工艺系统中的高频振动等原因造成的。图8-29表面粗糙度和波度

(2)波度。其波长与波高之比L2/H2＝50～1000,它是介于宏观几何形状精度与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差。主要是由于加工过程中工艺系统的低频振动造成的。2)表面层的物理、机械性能(1)表面层的冷作硬化;(2)表面层的残余应力;(3)表面层的金相组织变化。

2.机械加工表面质量对零件使用性能的影响

1)表面质量对耐磨性的影响

(1)表面粗糙度的影响。两个零件表面相互接触时,实际上只是两个表面上的凸峰接触,而且一个表面的凸峰可能伸入另一表面的凹谷中,形成犬牙交错,当零件受到正压力时两表面的实际接触部分就产生很大的压强,两表面产生相对运动时,实际接触的凸峰处发生弹性变形、塑性变形及剪切,产生摩擦阻力,并引起表面磨损。

图8-30初期磨损量与表面粗糙度的关系

(2)表面粗糙度的轮廓形状与纹路方向。表面粗糙度的轮廓形状与纹路方向,影响两表面间的实际接触面积和润滑状况。一般来说,运动方向与粗糙度方向垂直时,磨损较快,平行时磨损较慢。

(3)加工表面的冷作硬化。一定程度的冷作硬化,能减少摩擦表面接触部分的弹性和塑性变形,使表面耐磨性有所提高。但硬化过度,甚至会产生裂纹、剥落,使耐磨性反而下降。所以,加工硬化应控制在一定范围之内。表面层金属的残余应力和金相组织发生变化时,会影响表层金属的硬度,因此也影响耐磨性。

2)零件表面质量对零件疲劳强度的影响

(1)表面粗糙度的影响。在交变载荷的作用下,零件表面微观不平的凹谷处容易产生应力集中,当应力超过材料的疲劳极限时,就会产生裂纹,或使原有的裂纹扩大,造成疲劳损坏。粗糙度值越大,愈容易产生应力集中,减小表面粗糙度有利于提高零件的疲劳强度。

(2)表面层的冷作硬化。表面层适当的冷作硬化,可以阻止疲劳裂纹的产生和已有裂纹的扩展,因而能提高疲劳强度。

(3)表面层的残余应力。当加工表面层存在残余压应力时,能部分抵消交变载荷引起的拉应力,延缓疲劳裂纹的产生与扩展,故可提高零件的疲劳强度。反之,当加工表面为残余拉应力时,容易产生裂纹或使裂纹扩展,使零件的抗疲劳性能下降。实验表明,零件表面层的残余应力不同,其疲劳强度可能相差数倍甚至数十倍。

3)零件表面质量对零件抗腐蚀性能的影响当零件在有腐蚀性介质的环境中工作时,腐蚀性介质容易吸附和积聚在粗糙表面的凹谷处,并通过微观裂纹向零件内渗透,表面越粗糙,凹谷越深、越尖锐,尤其是当表面有裂纹时,越容易腐蚀。因此,减小加工表面的粗糙度,控制加工硬化及使表面层获得残余压应力,均可提高零件的抗腐蚀性。

4)零件表面质量对零件配合性质的影响对于间隙配合的表面,其表面粗糙度值越大,相对运动时磨损越大,这会使配合间隙迅速增大,从而改变了原有的配合性质,影响间隙配合的稳定性。对于过盈配合,在将轴压入孔时,配合表面的凸峰被挤平,使过盈配合量减小,表面越粗糙,过盈量减小越多,影响过盈配合的可靠性。因此,凡有配合要求的表面都必须对表面粗糙度提出相应的要求。

5)其它影响加工表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响。例如对于油缸、滑阀,较大的表面粗糙度会影响其密封性;对于滑动件,粗糙度会影响零件运动的灵敏性,以及发热、功率消耗等。总之提高加工表面质量,对保证零件的使用性能,提高零件的寿命是很重要的。

8.2.2影响加工表面质量的工艺因素

1.影响加工表面粗糙度的工艺因素机械加工中,影响表面粗糙度的工艺因素很多,主要有几何因素、物理因素及机械加工中的振动。

1)切削加工几何因素所产生的表面粗糙度主要决定于残留面积的高度。图8-31所示为表面粗糙度Rz与刀具几何形状及进给量的几何关系。

图8-31影响表面粗糙度的几何因素

若切削深度较大,刀尖圆弧半径为零时

(8-32)若切深较小,中心角α很小,刀尖圆弧半径为rε时

(8-33)式中:f为每转进给量(mm/r)；κr、κr′分别为车刀的主偏角和副偏角;rε为刀尖圆弧半径。图8-32加工表面的实际轮廓与理想轮廓

图8-33积屑瘤与鳞刺的产生

2)磨削加工磨削加工时表面粗糙度的形成也有几何因素、塑性变形和振动等方面的影响。磨削加工是用分布在砂轮表面上的磨粒来进行切削的。在磨削过程中,比较锋利且又凸出的磨粒切削工件形成磨屑,较钝的磨粒在工件上产生刻痕,而有的磨粒仅在工件表面产生滑擦,所以磨削是由刻痕、滑擦和切削三种作用的综合结果。磨削一般速度较高,且磨粒大都是负前角切削,因此,单位切削力大,塑性变形大,切削温度高,工件表面层的瞬时温度常超过相变温度。

根据磨削加工的特点分析,影响磨削表面的工艺因素有:

(1)砂轮的粒度。砂轮的颗粒越细,则砂轮表面上单位面积上的磨粒数越多,磨削表面上的刻痕越细密均匀。刃口的等高性越好,加工后表面的粗糙度值也越小。对于粗颗粒砂轮,如果进行精细修整,使磨粒得到等高性很好的微刃,同样也可得到较小的表面粗糙度。

(2)砂轮的硬度。砂轮太软,则磨粒易脱落,有利于保持砂轮的锋利,但很难保证砂轮的等高性。砂轮如果太硬,磨损的磨粒不易脱落,这些磨损的砂粒会加剧与工件表面的挤压和摩擦作用,造成工件表面温度升高,塑性变形加大,并且还容易使工件产生表面烧伤。所以砂轮的硬度适中为好,主要根据工件材料和硬度选择。

(3)砂轮的修整。砂轮修整的目的是使砂轮具有正确的几何形状及锐利的微刃。修整的导程和切深越小,修整后的砂轮越光滑,磨粒的等高性也越好,磨出工件表面粗糙度值也越小。

(4)砂轮材料。钢类零件用刚玉砂轮磨削,可得到满意的粗糙度;铸铁、硬质合金等工件材料用碳化物砂轮磨削时表面粗糙度较小;用金刚玉砂轮磨削可得到极小的表面粗糙度,但加工成本高。

(5)磨削用量。提高砂轮的速度v砂轮,不仅可以提高生产率,而且还可增加单位面积上的划痕,减小每个磨粒的切削负荷,减轻材料的塑性变形,可使粗糙度值明显减小。工件速度v工件、背吃刀量ap及进给量f的增加,都会使塑性变形增大,使表面粗糙度值增大,根据实验可得出它们与表面粗糙度Ra的经验公式:(8-34)式中:C为与磨削条件有关的系数。

2.影响表面层物理、机械性能的工艺因素

1)加工表面的冷作硬化工件在机械加工时,表面金属层在切削力和切削热的作用下,产生强烈的塑性变形,使工件表面层的强度和硬度提高,塑性下降,这种现象称为表面冷作硬化。表面层的冷作硬化主要以冷作硬化的深度h、表面层的显微硬度H和硬化程度N表示,其中

(8-35)式中：H为表面层的显微硬度(GPa)；H0为里层基体材料的显微硬度(GPa)。影响冷作硬化的工艺因素有:

(1)刀具的影响。刀具的前角,刃口的钝圆半径大小和后刀面的磨损量对于冷硬层有很大的影响。前角减小,刃口及后刀面的磨损量增大时,冷硬层深度和程度也随之增大。

(2)切削用量的影响。切削用量中切削速度和进给量的影响最大。切削速度v增大时,会使温度增高,有利于冷作硬化的恢复、另一方面由于切削速度增高,刀具与工件接触时间短,变形不充分,因此,使硬化层的深度和程度都有所减小。增大时,切削力增大,因此,使硬化层的深度和程度增大。但进给量f不能太小,否则会使刀具刃口在工件表面挤压次数增多,使冷硬增大。

(3)被加工材料的影响。工件的材料硬度低,塑性好,切削时塑性变形大,因而冷硬现象严重。

2)加工表面的残余应力机械加工中,加工表面层相对于基体材料发生形状、体积或金相组织的变化,在表层金属与基体体材料交界处将会产生相互平衡的弹性应力。该应力就是残余应力。零件表面若存在残余压应力,可以提高工件的疲劳强度和耐磨性;若存在残余拉应力,就会使疲劳强度和耐磨性降低。如果残余应力值超过了材料的疲劳强度极限值时,还会使工件表面层产生裂纹,加速工件的破损。残余应力产生的原因主要有以下几个方面:

(1)冷态塑性变形的影响。在切削加工中,表面层在切削力的作用下受到强烈的拉伸而产生塑性变形,且比容增加,此时里层处于弹性变形状态,当切削力去除后,里层金属要恢复收缩,受到已产生塑性变形层的限制,因而在表面层产生了残余压应力,里层则为拉应力,切削加工中表面层受的切削力越大,产生的残余压应力也愈大。

(2)热塑性变形的影响。在加工中,工件表面受到切削热的作用产生热膨胀,由于表层温度高,里层温度低,加工完毕后又一起冷到室温,这时表层要收缩受到里层基体的阻止,这样由于温度的变化使工件表面产生了拉应力,里层产生与之相平衡的压应力。切削温度越高,表层产生的拉应力就越大。

(3)金相组织变化的影响。切削加工时,由于切削热的作用,当切削区的温度超过相变温度时会引起加工表面金相组织的变化,造成表面层金相组织的比容变化。当表层体积膨胀时,在表层产生压应力,反之表面层体积缩小,则产生拉应力。例如磨削淬火钢时,若表面产生回火现象,表层原来的马氏体组织回火后变成了索氏体或屈氏体,因体积缩小,使表层产生了残余拉应力。实际加工中,表面层产生的残余应力是上述三种因素综合作用的结果。一般切削加工表层大部分产生的为压应力。磨削加工,因磨削温度高,表层大多数为拉应力。

3)表面层金相组织的变化磨削加工时,由于磨削的速度高,产生的热量多,使磨削表面的温度超过材料的相变温度,从而使加工表面的金相组织发生变化。加工表面层的硬度也发生变化。甚至出现微观裂纹,这种现象称为磨削烧伤。磨削烧伤可分为三种形式。

(1)淬火烧伤。磨削时,如果工件表面层温度超过相变临界点温度(一般中碳钢为720℃),则马氏体转化为奥氏体。若此时有充分的切削液冷却,工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高,但很薄,只有几个微米厚,其下为硬度较低的火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄,表面层总的硬度是降低的,这种现象被称为淬火烧伤。

(2)回火烧伤。磨削时,如果工件表面层温度未超过相变临界温度,但超过马氏体转变温度(一般中碳钢为300℃),这时,马氏体将转变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体,这种现象称为回火烧伤。

(3)退火烧伤。在磨削时,如果工件表面层超过相变临界温度,马氏体转化为奥氏体,但此时无切削液,表层金属在空气中缓慢冷却形成退火组织，硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。三种烧伤中,退火烧伤最严重。

8.2.3控制加工表面质量的途径

1.选择合适的加工方法及加工用量

为了能达到零件所要求的表面质量,选择合适的最终加工方法及加工用量。例如镜面磨削,其表面粗糙度可达Ra0.025～0.01μm,且能得到很高的尺寸精度、形状精度及位置精度,生产效率高,但加工表面不能得到残余压应力。而超精加工,其表面粗糙度也能达到Ra0.025～0.012μm,且加工表面有轻度冷硬,表面有残余压应