机械制造基础 课件 第7章　机械加工质量分析

7.1机械加工精度

01加工精度的含义02加工精度的测量方法03加工精度的调整方法

加工精度包括零件的形状精度、尺寸精度和表面相对位置精度三个部分。

所谓加工精度是指零件在加工后的实际几何参数(尺寸、形状和表面相对位置与图纸所要求的理想几何参数相符合的程度。符合的程度越好，加工精度也越高。

经加工后零件的实际几何参数与理想零件的几何参数总有所不同，它们之间的差值称为加工误差。在生产实际中都是用误差的大小来反映加工精度的。研究加工精度的目的就是研究如何把各种误差控制在允许范围内(即公差范围内)。弄清各种因素对加工精度的影响规律，从而找出降低加工误差，提高加工精度的措施。7.1.1加工精度的含义

加工精度是加工后零件表面的实际尺寸、形状、位置三种几何参数与图纸要求的理想几何参数的符合程度。理想的几何参数，对尺寸而言，就是平均尺寸；对表面几何形状而言，就是绝对的圆、圆柱、平面、锥面和直线等；对表面之间的相互位置而言，就是绝对的平行、垂直、同轴、对称等。零件实际几何参数与理想几何参数的偏离数值称为加工误差。

加工精度主要用于生产产品程度，加工精度与加工误差都是评价加工表面几何参数的术语。加工精度用公差等级衡量，等级值越小，其精度越高；加工误差用数值表示，数值越大，其误差越大。加工精度高，就是加工误差小，反之亦然。公差等级从IT01，IT0，IT1，IT2，IT3至IT18一共有20个，其中IT01表示的话该零件加工精度最高的，IT18表示的话该零件加工精度是最低的，一般上IT7、IT8是加工精度中等级别。

任何加工方法所得到的实际参数都不会绝对准确，从零件的功能看，只要加工误差在零件图要求的公差范围内，就认为保证了加工精度。

机器的质量取决于零件的加工质量和机器的装配质量，零件加工质量包含零件加工精度和表面质量两大部分。7.1.2加工精度的测量方法

1.按是否直接测量被测参数，可分为直接测量和间接测量。

直接测量：直接测量被测参数来获得被测尺寸。例如用卡尺、比较仪测量。

间接测量：测量与被测尺寸有关的几何参数，经过计算获得被测尺寸。

显然，直接测量比较直观，间接测量比较繁琐。一般当被测尺寸或用直接测量达不到精度要求时，就不得不采用间接测量。

2.按量具量仪的读数值是否直接表示被测尺寸的数值，可分为绝对测量和相对测量。

绝对测量：读数值直接表示被测尺寸的大小、如用游标卡尺测量。

相对测量：读数值只表示被测尺寸相对于标准量的偏差。如用比较仪测量轴的直径，

需先用量块调整好仪器的零位，然后进行测量，测得值是被侧轴的直径相对于量块尺寸的差值，这就是相对测量。

一般说来相对测量的精度比较高些，但测量比较麻烦。

3.按被测表面与量具量仪的测量头是否接触，分为接触测量和非接触测量。

接触测量：测量头与被接触表面接触，并有机械作用的测量力存在。如用千分尺测量零件。非接触测量：测量头不与被测零件表面相接触，非接触测量可避免测量力对测量结果的影响。如利用投影法、光波干涉法测量等。

4.按一次测量参数的多少，分为单项测量和综合测量。

单项测量；对被测零件的每个参数分别单独测量。

综合测量：测量反映零件有关参数的综合指标。如用工具显微镜测量螺纹时，可分别测量出螺纹实际中径、牙型半角误差和螺距累积误差等。

综合测量一般效率比较高，对保证零件的互换性更为可靠，常用于完工零件的检验。单项测量能分别确定每一参数的误差，一般用于工艺分析、工序检验及被指定参数的测量。

5.按测量在加工过程中所起的作用，分为主动测量和被动测量。

主动测量：工件在加工过程中进行测量，其结果直接用来控制零件的加工过程，从而及时防止废品的产生。

被动测量：工件加工后进行的测量。此种测量只能判别加工件是否合格，仅限于发现并剔除废品。

6.按被测零件在测量过程中所处的状态，分为静态测量和动态测量。

静态测量，测量相对静止。如千分尺测量直径。

动态测量，测量时被测表面与测量头模拟工作状态中做相对运动。

动态测量方法能反映出零件接近使用状态下的情况，是测量技术的发展方向。7.1.3调整精度方法

1.减少传动链传动误差1）传动件数少，传动链短，传动精度高；2）采用降速传动（i<1），是保证传动精度的重要原则，且越接近末端的传动副，其传动比应越小；3）末端件精度应高于其他传动件。2.减小刀具磨损

在刀具尺寸磨损达到急剧磨损阶段前就必须重新磨刀。

3.减小工艺系统的受力变形

1）提高系统的刚度，特别是提高工艺系统中薄弱环节的刚度；2）减小载荷及其变化；3）尽量减少连接面的数目；4）防止有局部低刚度环节出现；5）应合理选择基础件、支撑件的结构和截面形状。

4.对工艺系统进行调整

1）试切法调整

通过试切—测量尺寸—调整刀具的吃刀量—走刀切削—再试切，如此反复直至达到所需尺寸。此法生产效率低，主要用于单件小批生产。2）调整法

通过预先调整好机床、夹具、工件和刀具的相对位置获得所需尺寸。此法生产率高，主要用于大批大量生产。

5.减小机床误差

1）提高主轴部件的制造精度（1）选用高精度的滚动轴承；（2）采用高精度的多油锲动压轴承；（3）采用高精度的静压轴承2）对滚动轴承适当预紧（1）可消除间隙；（2）增加轴承刚度；（3）均化滚动体误差。

6.减小工艺系统热变形

1）减少热源的发热和隔离热源（1）采用较小的切削用量；（2）零件精度要求高时，将粗精加工工序分开；（3）尽可能将热源从机床分离出去，减少机床热变形；（4）对主轴轴承、丝杆螺母副、高速运动的导轨副等不能分离的热源，从结构、润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热或用隔热材料；（5）采用强制式风冷、水冷等散热措施。2）均衡温度场

6.减小工艺系统热变形

3）采用合理的机床部件结构及装配基准（1）采用热对称结构——在变速箱中，将轴、轴承、传动齿轮等对称布置，可使箱壁温升均匀，箱体变形减小；（2）合理选择机床零部件的装配基准。4）加速达到传热平衡5）控制环境温度课后练习

1.加工精度的含义是什么？2.加工精度测量方法有哪些？3.加工误差有什么性质？4.提高加工精度的工艺措施有哪些？5.机械加工表面质量的主要内容有哪些？影响表面质量的因素是什么？6.表面质量对零件使用性能有何影响？7.2加工误差综合

分析

01加工误差的分类02减小加工误差的方法7.2.1加工误差的分类

1.原理误差

原理误差是指采用了近似的刀刃轮廓功近似的传动关系进行加工而产生的误差，原理误差多出现于螺纹、齿轮、复杂曲面的加工中。原理误差是由于加工或者计算方法而造成的，如车削模数蜗杆干时，工件节距为πZ，而π为无理数。那么只能通过配换齿轮去近似无理数。又如滚刀滚t切齿轮的展成运动，当滚刀齿数无穷多时才能展成光滑齿廓形状。但实际上，滚刀的齿数不可能无穷多。因此，齿面形状就存在原理误差。存在着原理误差的加工是有条件的，也是有优势的。比如当齿轮精度要求不高，加工量很小时，其加工成本低廉，不需要昂贵的齿轮加工专用机床，只需普通铣床就可以完成加工，优势明|显。

2.系统性误差

当顺序加工批零件时，产生误差的大小和方向若保持不变，则称为常值系统性误差;若按一定的规律变化，则称为变值系统性误差。以上两类误差均称为系统性误差。

例如，原理误差和机床、刀具、夹具、量具的制造误差等都是常值系统性误差，它们和加工顺序(或加工时间)没有关系。例如，铰刀本身直径偏大0.02mm,加工后一批孔的尺寸也都偏大0.02mm。

变值系统性误差，是由变性因素所引起的，例如，刀具的磨损量随加工表面的长度而变，工艺系统的热变形对加工精度的影响又因具体结构、材料、温度和时间等因素而变化。在这种情况下，误差因素的影响，是有规律地变化的。

3.随机性误差

随机性误差又称偶然性误差。在加工一批零件中,产生误差的大小和方向是无规律地变化的。它是由于各种彼此之间没有任何依赖关系的随机因素共同作用而产生的。因此随机性误差出现的时机和大小，事先是不能确定的。例如，毛坯复映的误差定位误差、夹紧误差、多次调整误差以及内应力引起的变形误差等都是随机性误差。

随机性误差从表面上来看似乎没有什么规律，但是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，并加以控制。

加工误差是许多系统性误差和随机性误差共同作用的结果,因此应对具体加工条件下可能产生误差的因素和大小加以分析和研究。误差性质不同,解决的途径也不同。7.2.2减小加工误差的方法

加工误差统计分析法是以实测数据为基础,应用概率论理论和数理统计的方法，分析计算一批工件的误差，从而划分其性质提出消除或控制误差的一种方法。生产中常用的有分布曲线法和点图法。这里仅介绍分布曲线法。

如磨100根轴的轴颈，轴颈的尺寸为

，磨好后测量这100根轴的轴颈，并按尺寸大小分组，取每组的尺寸间隔为0.002mm,测量结果见表7.1。

表7-1中，n为测量零件的总数等于100，m为每组的零件数(即频数)。若以频率m/n作为纵坐标，以尺寸x为横坐标，则可绘制如图7-1所示的曲线，称为这批零件的尺寸分布曲线，当所测零件数增多，尺寸间隔取得很小时，此折线便非常接近于一条曲线，即是实际的尺寸分布曲线。图7-1零件的尺寸分布曲线

图7-2正态分布曲线尺寸分布曲线具有以下特点：曲线有一-定的分收范围，即沿x轴有一定的距离:曲线有一个最高点，即靠近平均尺寸的零件数占大多数;离曲线平均尺寸越远的尺寸，零件出现的机会愈少，即尺寸为最大或最小的零件是极少数。实践表明:在正常的生产条件下,无占优势的影响因素存在，加工的零件数量又足够多时,其尺寸总是按正态分布的，因此在研究加工精度问题时,通常都是用正态分布曲线来代替实际分布曲线，使加工误差的分析计算得到简化。正态分布曲线如图7-2所示。正态分布曲线有以下一些特性:1.曲线呈钟形，中间高，两边低，表示尺寸靠近分散中心的工件占大部分，而尺寸远离分散中心的工件是极少数。2.曲线以为轴对称分布，表示工件尺寸大于和小于的频率相等。3.均方根偏差。是决定曲线形状的唯一参数。如图7-3所示，σ越大，曲线越平坦,尺寸越分散，也就是加工精度越低；σ越小，曲线越陡峭，尺寸越集中，也就是加工精度越高。如图7-3所示。故σ表明了一批零件的精度高低(σ小时,零件的精度高)。4.正态分布曲线与横坐标没有交点。由曲线方程式可知，只有当x=±∞时,才使y=0，实际上零件尺寸分散有一定的范围，故y不可能为0。5.正态分布曲线下面所包含的全部面积代表了全部工件，即100%。

在大量生产中,各种加工方法确定后，可加工一批零件，绘出其尺寸或几何形状等的分布曲线，根据曲线形状，则可确定应用此法加工是否合适，并可找出影响加工精度的主要原因，以便提出改进措施。如图7-5所示的分布曲线接近于正态分布，则说明影响加工精度的因素中，偶然误差起主要作用，如果其分散范围6σ≤T,则此种加工方法是适用的。否则，还应进一步分析产生误差的原因，进行改进。若所绘的分布曲线变成不对称分布，则说明加工过程中出现不正常情况，或存在着对加工精度的影响起主要作用的因素。如图7-6(a)所示为试切法加工外圆时的情况，为了不出现废品，圆直径总是偏大些,所以分布曲线向右偏些，即尺寸分布在上偏差的零件多-些，而在加工内孔时，则尺寸分布在下偏差的零件多-些，如图7-6(b)所示。图7-5的正态分布曲线

图7-6不对称分布曲线课后练习

3.加工误差有什么性质？7.3提高加工精度的工艺措施

01加工误差的分类02减小加工误差的方法

1.直接减少误差法

这种方法是在查明影响加工精度的主要原始误差因素后，设法对其进行消除或减小。例如，采用“大主偏角反向切削法”车削细长轴，基本上消除了轴向切削力引起的弯曲变形，若采用弹簧顶尖，可进一步消除热变形所引起的加工误差。

2.误差补偿法

误差补偿法是人为地造出一种新的误差，

去抵消横梁原来工艺系统中固有的原始误差。当原始误差是负值时，人为的误差取正值，反之取负值，尽量使两者大小相等，方向相反，从而达到减少加工误差，提高加工精度的目的。例如，龙门铣床的横梁在立铣头自重的影响下产生的变形若超过了标准要求，则可在刮研横梁导轨时使导轨面产生向上凸起的形状误差图7-7(a))，在装配后就可抵消因铣头重力而产生的挠度，从而达到机床精度要求，如图7-7(b)所示。图7-7通过导轨凸起补偿横梁变形

3.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，每组工件的尺寸误差就缩小为原来的1/n。然后按各组的误差范围分别调整刀具与工件的相对位置或调整定位元件，就可使整批工件的尺寸分布范围大大缩小。

4.

误差转移法

误差转移法是把原始误差从误差敏感方向转移到非敏感方向上去。例如，转塔车床的转位刀架，若其转塔刀架上外圆车刀的切削基面也像卧式车床那样在水平内(图7-8(a))，那么转塔刀架的分度转位误差在误差的敏感方向，将直接影响工件有关表面的加工精度。因此，生产中都采用“立刀”安装法，把切削刃的切削基面表面放在垂直平面内(图7-8(b))，就把其转位误差转移到了误差的不敏感方向，由此而产生的加工误差非常微小，从而提高了加工精度。图7-8转塔车床刀架转位误差的位移

5.误差均分法

误差均分法是使被加工表面原有的误差不断缩小而使误差均分的方法。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。例如，研磨时的研具精度并不很高，但它能在和工件作相对运动中对工件进行微量切削，与工件相互修整，使接触面不断增大、高低不平处逐渐接近、几何形状精度逐步共同提高，并进一步使误差均化，最终达到很高的精度。

一些精密配合件的加工，如轴孔与轴颈的研配、精密分度盘副的研配等，都常采用这种加工方法。课后练习

4.提高加工精度的工艺措施有哪些？7.4机械加工表面质量

01表面质量的主要内容02表面质量对使用性能的影响03影响表面质量的因素

经机械加工后的零件表面，并不是理想的光滑表面，它不仅存在宏观的几何形状误差，也存在着微观的几何形状误差和波度误差，如图7-9所示。零件的表层材料在加工时会产生物理性质和化学性质的变化，如氧化膜的形成，液体、气体的渗人而产生化合物等，造成表面材料的变质。图7-9表面粗糙度和波度7.4.1表面质量的主要内容

1.表面层的几何形状特征

表面层的几何形状特征即是加工后的实际表面的几何形状和理想表面的几何形状的偏离量，主要由下面两部分组成。1）表面粗糙度

即表面的微观几何形状误差，评定参数主要有轮廓算术平均偏差Ra、轮廓微观不平度十点高度Rz或轮廓最大高度Ry。实际应用时可根据测量条件和参数的优先使用条件确定使用Ra或Rz。2）波度

介于宏观几何形状误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差。零件图上一般不注明波度的等级要求，但它还是属于表面质量的范畴。

2.表面层的物理力学性能

表面层的物理力学性能主要是以下三个方面的内容:1）表面层的加工硬化。2）表面层材料金相组织的变化。3）表面层的残余应力。7.4.2表面质量对零件使用性能的影响

1.对零件耐磨性的影响

在没有润滑的情况下，两个互相摩擦的表面，最初只是在表面凸峰部分接触，它传递的压力实际上只是分布在这些微小的面积上，如图7-10所示。在正压力F的作用下，在凸峰部产生很大的挤压应力，使表面粗糙部分产生弹性和塑性变形。当相互运动时，还有一部分被剪切掉。当有润滑时，情况要复杂一些，但在最初阶段仍可发现凸峰处被划破油膜而产生上述类似的现象。实践表明，磨损过程在不同条件下，基本规律都一样。图7-10零件表面的接触情况

1.对零件耐磨性的影响

冷作硬化一般都能使耐磨性有所提高，但并不是冷作硬化的程度愈高，耐磨性也愈好，如图7-11所示，当冷作硬化提高到380HB左右时(工具钢T7A)，耐磨性达到最佳值，如再进一步加强冷作硬化程度，耐磨性反而降低，其原因是过度的硬化即过度的冷态塑性变形将引起金属组织的过度“疏松”严重时则出现疲劳裂纹，都会使耐磨性降低。图7-11不同冷硬程度和耐磨性的关系

2.对零件疲劳强度的影响

在周期性交替变化的负荷作用下，当零件工作表面粗糙度较大时，就会产生应力集中，在凹底部的应力比作用于表面层的平均应力大0.5~1.5倍。这样，促使了疲劳裂纹的形成。所以承受交变负荷的零件表面常常需采用较低的表面粗糙度。

表面冷作硬化能提高零件的疲劳强度，因为强化过的表面层会阻止已有的疲劳裂纹扩展和产生新裂纹。同时，硬化会显著地减少表面外部缺陷和表面质量的有害影响。

残余应力的大小和正负都对疲劳强度有影响。当表面层具有残余压缩应力时，由于它能使表面显微裂纹合拢，从而提高零件的疲劳强度。拉应力使表面显微裂纹加剧，将降低疲劳强度。可以采用在零件表面不会生成冷硬层的方法造成压应力，以便提高零件的疲劳强度。例如，表面淬火、渗碳、渗氮等。渗氮对表面带有缺陷和切痕的零件尤为有效。

3.对零件耐蚀性的影响

零件在潮湿的空气中或在有腐蚀性的介质中工作时，常会发生化学腐蚀或电化学腐蚀。化学腐蚀是由于大气中的气体及水汽或腐蚀介质容易在粗糙表面的谷底处积聚而发生化学反应,逐步在谷底形成裂纹，在拉应力作用下扩展以致破坏。凡零件表面存在有残余拉应力，都将降低零件的耐蚀性。电化学腐蚀是由于两个不同金属材料的零件表面相接触时，在表面顶峰间产生电化学作用而被腐蚀掉。所以降低表面粗糙度数值，可以提高零件的抗腐蚀性。

4.对零件配合质量的稳定性及可靠性的影响

动配合零件的表面如果表面粗糙度太大，初期磨损量就大，工作一段时间后配合间腺就会增大，以致改变了原来的配合性质，影响动配合的稳定性。对于静配合表面，轴在压入孔内时表面的部分凸峰被挤平，而使实际过盈量变小，影