机械制造第四章机械加工质量

第四章机械加工质量及其控制§4-1机械加工精度

§4-2影响机械加工精度的因素

§4-3机械加工外表质量§4-4机械加工过程中的振动

机械加工质量及其控制

尺寸精度几何形状精度相对位置精度〔通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内〕外表粗糙度波度纹理方向伤痕〔划痕、裂纹、砂眼等〕加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量图4-1加工质量包含的内容一、加工精度与加工误差第一节机械加工精度

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〕与理想几何参数的符合程度。符合程度越高，加工精度越高。加工误差是指零件加工后的实际几何参数〔尺寸、形状和位置〕与理想几何参数的不符合程度。加工误差大那么加工精度低，加工误差小那么加工精度高。

机械加工精度一般在零件工作图上给定的，包括：尺寸精度：加工后零件的实际尺寸与零件理想尺寸相符的程度。形状精度：加工后零件的实际形状与零件理想形状相符的程度。几何形状精度主要是指圆度、圆柱度、直线度、平面度等。位置精度：加工后零件的实际位置与零件理想位置相符的程度。位置精度主要包括：平行度、垂直度和同轴度等。第一节机械加工精度

保证和提高加工精度的问题，实际上就是控制和减少加工误差的问题。

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。

从保证产品的使用性能分析，也没有必要把每个零件都加工得绝对精确,而只要求它在某一规定的范围内变动，这个允许变动的范围，就是公差。制造者的任务就是要使加工误差小于图样上规定的公差。第一节机械加工精度

二、机械加工的经济精度第一节机械加工精度

第二节影响机械加工精度的因素

零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统中进行的。

工艺系统中但凡能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。

l〕工艺系统的几何误差，包括机床、夹具和刀具等的制造误差及其磨损；2〕工件装夹误差；3〕工艺系统受力变形引起的加工误差；4〕工艺系统受热变形引起的加工误差；5〕工件内应力重新分布引起的变形；6〕其他误差，包括原理误差、测量误差、调整误差等。

影响加工精度的主要因素有：第二节影响机械加工精度的因素

为便于研究，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、轴向圆跳动和角度摆动三种根本型式。b）轴向圆跳动a）径向圆跳动c）角度摆动图4-2主轴回转误差基本形式主轴回转误差工艺系统的几何误差〔一〕机床的几何误差主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移。第二节影响机械加工精度的因素

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主轴轴向圆跳动对加工精度的影响：被加工端面不平，与圆柱面不垂直；加工螺纹时，产生螺距周期性误差。★

主轴角度摆动对加工精度的影响：与主轴径向跳动影响类似，不仅影响圆度误差，而且影响圆柱度误差。★

主轴径向圆跳动对加工精度的影响：影响加工外表的圆度和圆柱度误差。第二节影响机械加工精度的因素

提高主轴及箱体轴承孔的制造精度，选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。第二节影响机械加工精度的因素

◎导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差。◎包括：导轨在水平面内的直线度，导轨在垂直面内的直线度，导轨间平行度〔扭曲〕。◆导轨误差对加工精度的影响

导轨水平面内的直线度误差,误差敏感方向,影响显著。导轨垂直面内的直线度误差,误差非敏感方向,影响小。导轨扭曲对加工精度的影响,影响显著。ΔX图导轨扭曲引起的加工误差HδΔRDαBXY导轨误差第二节影响机械加工精度的因素

ΔRΔYRRΔR=ΔX（1）（2）显然：误差敏感方向一般为被加工工件外表的法线方向。图

误差敏感方向ＯYR0Xa）ＯYR0Xb）

工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。第二节影响机械加工精度的因素

误差敏感方向：◆影响导轨导向精度的主要因素机床制造误差机床安装误差导轨磨损第二节影响机械加工精度的因素

机床传动链误差传动链误差：是指传动链始末两端传动元件相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。第二节影响机械加工精度的因素

缩短传动链长度提高末端元件的制造精度与安装精度采用降速传动对传动误差进行补偿末端元件转角误差◆提高传动精度措施第二节影响机械加工精度的因素

刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差刀具误差成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差定尺寸刀具〔钻头、绞刀等〕尺寸误差影响加工尺寸误差第二节影响机械加工精度的因素

L±0.05φ6F7φ10F7k6φ20H7g6YZ钻径向孔的夹具

夹具误差影响加工位置精度。与夹具有关的影响位置误差因素包括：

通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1/3。夹具误差1〕定位误差；2〕刀具导向〔对刀〕误差；3〕夹紧误差；4〕夹具制造误差；5〕夹具安装误差；……第二节影响机械加工精度的因素

第三节机械加工外表质量机器零件的破坏，一般都是从外表层开始的，这说明零件的外表质量至关重要，它对产品质量有很大影响。研究外表质量的目的，就是要掌握机械加工中各种工艺因素对外表质量影响的规律，以便应用这些规律控制加工过程，最终到达提高外表质量、提高产品使用性能的目的。一、加工外表质量的概念加工外表质量包含以下两个方面的内容：1．外表粗糙度与波度根据加工外表轮廓的特征〔波距L与波高H的比值〕，可将外表轮廓分为以下三种：L／H＞1000：称为宏观几何形状误差，例如圆度误差、圆柱度误差等，它们属于加工精度范畴；L／H＝50～1000，称为波纹度，它是由机械加工振动引起的；第三节机械加工外表质量L／H＜50，称为微观几何形状误差，亦称外表粗糙度。a）波度b）表面粗糙度图

零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ第三节机械加工外表质量〔1〕外表层的冷作硬化冷作硬化：机械加工过程中外表层金属产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，使外表层金属的硬度增加，塑性减小，称为冷作硬化。〔2〕外表层剩余应力外表层剩余应力：机械加工过程中由于切削变形和切削热等因素的作用在工件外表层材料中产生的内应力，称为外表层剩余应力。2．外表层材料的物理机械性能和化学性能第三节机械加工外表质量在铸、锻、焊、热处理等加工过程产生的内应力与这里介绍的外表剩余应力的区别在于前者是在整个工件上平衡的应力，它的重新分布会引起工件的变形；后者那么是在加工外表材料中平衡的应力，它的重新分布不会引起工件变形，但它对机器零件外表质量有重要影响。第三节机械加工外表质量〔3〕外表层金相组织第三节机械加工外表质量二、机械加工外表质量对机器使用性能的影响1．外表质量对耐磨性的影响〔1〕外表粗糙度对耐磨性的影响Ra增大—>压强增大—>破坏油膜—>金属挤裂、破碎、切断—>加速磨损；Ra过小—>分子亲合力增大—>润滑油挤出—>外表胶合—>加速磨损；外表粗糙度太大和太小都不耐磨；第三节机械加工外表质量Ra（μm）初始磨损量重载荷轻载荷图4-3表面粗糙度与初始磨损量外表粗糙度的最正确值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最正确外表粗糙度值也随之右移。

第三节机械加工外表质量机械加工后的外表，由于冷作硬化使外表层金属的显微硬度提高，可降低磨损。加工外表的冷作硬化，一般能提高耐磨性；但是过度的冷作硬化将使加工外表金属组织变得“疏松〞，严重时甚至出现裂纹，使磨损加剧。〔2〕外表冷作硬化对耐磨性的影响第三节机械加工外表质量在轻载运动副中，两相对运动零件外表的刀纹方向均与运动方向相同时，耐磨性好；两者的刀纹方向均与运动方向垂直时，耐磨性差。在重载时，两相对运动零件外表的刀纹方向均与相对运动方向一致时容易发生咬合，磨损量反而大。〔3〕外表纹理对耐磨性的影响第三节机械加工外表质量外表粗糙度对零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，外表粗糙度的凹谷部位容易产生应力集中，出现疲劳裂纹，加速疲劳破坏。零件上容易产生应力集中的沟槽、圆角等处的外表粗糙度，对疲劳强度的影响更大。2．外表质量对零件疲劳强度的影响第三节机械加工外表质量大气中所含的气体和液体与零件接触时会凝聚在零件外表上使外表腐蚀。外表层的剩余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而剩余压应力那么能防止应力腐蚀开裂。3．外表质量对零件耐腐蚀性的影响零件的耐蚀性在很大程度上取决于外表粗糙度。外表粗糙度值愈大，那么凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多。抗蚀性就愈差。第三节机械加工外表质量对于间隙配合，零件外表越粗糙，磨损越大，使配合间隙增大，降低配合精度；对于过盈配合，两零件粗糙外表相配时凸峰被挤平，使有效过盈量减小，将降低过盈配合的连接强度。4．外表质量对零件配合性质的影响第三节机械加工外表质量几何因素物理因素工艺系统振动三、加工外表的外表粗糙度切削加工时影响外表粗糙度的因素有三个方面：第三节机械加工外表质量

对于刀尖圆弧半径的刀具，工件表面残留面积的高度。1、产生外表粗糙度的几何因素切削层残留面积当和很小时，粗糙度主要由刀尖圆弧构成：第三节机械加工外表质量刀具相对于工件作进给运动时，在加工外表留下了切削层残留面积，其形状是刀具几何形状的复映。减小进给量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度。此外，适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度，合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量也是减小外表粗糙度值的有效措施。第三节机械加工外表质量2、产生外表粗糙度的物理因素切削加工外表粗糙度的实际轮廓形状，一般都与纯几何因素形成的理论轮廓有较大的差异，这是因为在切屑力、切削热作用下，切削加工中伴随着挤压、摩擦、塑性变形等多种物理现象，在这些物理因素的作用下会使外表粗糙度恶化。塑性材料加工后外表的实际轮廓和理论轮廓第三节机械加工外表质量〔1〕工件材料性质的影响加工脆性材料时，一般产生崩脆切屑，在加工外表上出现微粒崩脆的痕迹，使已加工外表呈麻点状的不光洁现象。加工碳素钢等塑性材料时，加工外表会产生弹塑性变形。第三节机械加工外表质量加工脆性材料时，切削速度对外表粗糙度的影响不大。〔2〕积屑瘤的影响加工塑性材料时，在某一切削速度范围内，容易生成积屑瘤，使外表粗糙度增大。第三节机械加工外表质量1．冷作硬化冷作硬化：切削过程中产生的塑性变形，会使表层金属的硬度和强度提高，亦称强化。四、加工外表的物理力学性能〔一〕加工外表的强化现象加工外表的强化现象是指加工外表经切削加工后外表层出现的强度和硬度都有所提高的现象。冷作硬化的程度取决于塑性变形的程度。第三节机械加工外表质量

由于在机械加工过程中表层金属同时受到力和热的作用，因此，加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。弱化作用的大小取决于温度的上下、热作用时间的长短和表层金属的强化程度。弱化：被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态，只要一有可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化。第三节机械加工外表质量〔二〕加工外表金相组织变化——磨削烧伤磨削加工时切削力比其它加工方法大数十倍，切削速度也非常高，所以功率消耗远远大于其它切削方法。由于砂轮导热性差、切屑数量少，磨削过程中能量转化的热大局部都传给了工件。磨削时，在很短的时间内磨削区温度可上升到400~1000ºC，甚至更高。这样大的加热速度，促使加工外表局部形成瞬时热聚集现象，有很高温升和很大的温度梯度，出现金相组织的变化，强度和硬度下降，产生剩余应力，甚至引起裂纹，这就是磨削烧伤现象。第三节机械加工外表质量第三节机械加工外表质量第三节机械加工外表质量

采用硬度稍软的砂轮，适当减小磨削深度和磨削速度，适当增加工件的回转速度和轴向进给量，采用高效冷却方式措施，都可以降低磨削区温度，防止磨削烧伤。

控制磨削烧伤有两个途径：一是尽可能减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量减少传人工件的热量。

磨削烧伤严重影响零件的使用性能，必须采取措施加以控制。第三节机械加工外表质量〔三〕外表层剩余应力和磨削裂纹切削加工过程中，加工面表层组织在切削力、切削热作用下将发生形状变化或金相组织变化，从而在表层与里层之间互相平衡的弹性应力，称之为加工外表的剩余应力。具有剩余拉应力的外表会降低零件的疲劳强度，具有剩余压应力的外表会提高零件的疲劳强度。第三节机械加工外表质量〔1〕表层材料比容增大切削过程中加工外表受到切削刃钝圆局部与后刀面的挤压与摩擦，产生塑性变形，由于晶格扭曲等原因，表层材料比容增大。由于塑性变形只在外表层产生，外表层金属比容增大，体积膨胀，不可防止地要受到与它相连的里层基体材料的阻碍，故表层材料产生剩余压应力，里层材料那么产生与之相平衡的剩余拉应力。1．外表剩余应力产生的原因第三节机械加工外表质量表层在切削热的作用下产生热膨胀，此时基体温度较低，因此表层热膨胀受基体的限制产生热压缩应力。当表层的温升引起的膨胀变形超过材料的弹性变形范围时，就会产生热塑性变形。当切削过程结束，温度下降至与基体温度一致时，因为表层已产生热塑性变形，但受到基体的限制产生了剩余拉应力，里层那么产生了拉应力。〔2〕切削热的影响第三节机械加工外表质量当外表层金属体积膨胀时，表层金属产生剩余压应力，里层金属产生剩余拉应力；当外表层金属体积缩小时，表层金属产生剩余拉应力，里层金属产生剩余压应力。〔3〕金相组织的变化切削时的高温会使外表层的金相组织发生变化。外表层金属金相组织变化引起的体积变化，必然受到与之相连的基体金属的阻碍，因此就有剩余应力产生。第三节机械加工外表质量五、提高外表质量的途径1、光整加工工艺光整加工是用粒度很细的磨料对工件外表进行微量切削和挤压的过程.按照随机创成原理,加工中磨具与工件的相对运动尽可能复杂,让工件加工外表各点都受到具有很大随机性的接触条件,进行相互修整,使误差逐步均化而得到消除,从而获得极光的外表和高于磨具原始精度的加工精度.光整加工工艺包括研磨、珩磨、超精加工、抛光。第三节机械加工外表质量原理：利用经过淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，对金属外表进行挤压。效果：修正工件外表的微观几何形状、使工件外表金属组织细化，形成压缩剩余应力。使用材料：淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠。使用场合：较大的规那么外表工件。2、外表强化工艺滚压加工第三节机械加工外表质量原理：利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件外表。效果：使工件外表产生冷硬层和压缩剩余应力，显著提高零件的疲劳强度和使用寿命。使用材料：铸铁、小段的钢丝、铝丸、玻璃丸〔用于铝质工件〕使用场合：形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、焊缝等。

喷丸强化第三节机械加工外表质量机械加工过程中振动的危害影响加工外表粗糙度，振动频率较低时会产生波度影响生产效率加速刀具磨损，易引起崩刃影响机床、夹具的使用寿命产生噪声污染，危害操作者健康机械加工过程中振动的类型自由振动强迫振动自激振动第四节机械加工过程中的振动强迫振动由外界周期性的干扰力〔激振力〕作用引起。强迫振动振源：机外＋机内。机外振源均通过地基把振动传给机床。机内：1〕回转零部件质量的不平衡2〕机床传动件的制造误差和缺陷3〕切削过程中的冲击工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。

由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。自由振动第四节机械加工过程中的振动自激振动的概念在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反响产生的周期性振动；自激振动过程可用传递函数概念说明。自激振动是一种不衰减振动；自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率。电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图4-47自激振动闭环