機(jī)械加工質(zhì)量

機(jī)械加工質(zhì)量第七章機(jī)械加工質(zhì)量7.1機(jī)械加工精度7.2機(jī)械加工表面質(zhì)量7.1機(jī)械加工精度

7.1.1機(jī)械加工精度7.1.1.1機(jī)械加工精度概念機(jī)械加工精度是指零件加工后的實(shí)際幾何參數(shù)（尺寸、形狀和相互位置）與理想幾何參數(shù)的符合程度,工件的加工精度包括尺寸精度、幾何形狀精度和相互位置精度等三個(gè)方面。實(shí)際幾何參數(shù)與理想幾何參數(shù)的偏離程度稱為加工誤差,加工誤差越小，加工精度就越高。7.1機(jī)械加工精度7.1.2影響機(jī)械加工精度的因素機(jī)械加工中，工件和刀具裝夾在機(jī)床上，由機(jī)床提供運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力實(shí)現(xiàn)切削加工，這樣，機(jī)床-夾具-刀具-工件就構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)稱為工藝系統(tǒng)。由于工藝系統(tǒng)各種原始誤差的存在，使工件與刀具之間正確的幾何關(guān)系遭到破壞而產(chǎn)生加工誤差。按照誤差產(chǎn)生的原因，分三種情況討論工藝系統(tǒng)對(duì)機(jī)械加工精度的影響。7.1機(jī)械加工精度

7.1.2.1工藝系統(tǒng)幾何誤差對(duì)加工精度的影響 （1）加工原理誤差加工原理誤差是由于采用了近似的成形運(yùn)動(dòng)或近似的刀刃輪廓等進(jìn)行加工而產(chǎn)生的誤差。如用成型刀具加工復(fù)雜的曲線表面時(shí)，刀具刃口完全符合理論曲線的輪廓相當(dāng)困難，所以往往采用圓弧、直線等簡(jiǎn)單的線型近似逼近曲線的輪廓。如用模數(shù)銑刀加工齒輪，為了減少生產(chǎn)中銑刀的數(shù)量，實(shí)際上只用一套（8～26把）模數(shù)銑刀來分別加工在一定齒數(shù)范圍內(nèi)的所有齒輪，由于每把銑刀均是按一種模數(shù)的一種齒數(shù)設(shè)計(jì)和制造的，因而用其來加工其他齒數(shù)的齒輪時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生齒形的原理誤差。7.1機(jī)械加工精度 （2）機(jī)床的幾何誤差機(jī)床的制造誤差、安裝誤差、使用中的磨損等都會(huì)在加工中直接影響刀具與工件的相互位置精度，造成加工誤差。一般情況下，只能用一定精度的機(jī)床加工一定精度的工件。機(jī)床的幾何誤差主要包括：主軸回轉(zhuǎn)誤差、導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差和傳動(dòng)鏈誤差。 ①主軸回轉(zhuǎn)誤差主軸回轉(zhuǎn)誤差即指主軸實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線相對(duì)理論回轉(zhuǎn)軸線的“漂移”。主軸回轉(zhuǎn)誤差可分為三種基本形式:軸向竄動(dòng)、徑向竄動(dòng)和角度擺動(dòng)，如圖7-1所示。7.1機(jī)械加工精度圖7-1主軸回轉(zhuǎn)誤差的基本形式7.1機(jī)械加工精度 ②導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差機(jī)床導(dǎo)軌副是實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的主要部件，其制造和裝配精度是影響直線運(yùn)動(dòng)精度的主要因素。對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌的精度要求，主要有以下三個(gè)方面：在水平面內(nèi)的直線度；在垂直面內(nèi)的直線度；前后導(dǎo)軌的平行度。導(dǎo)軌在水平面內(nèi)直線度誤差的影響如圖7-2所示。在車削較短的零件時(shí)影響較小，若車削細(xì)長(zhǎng)軸，這一誤差將明顯地反映到工件上，工件將產(chǎn)生鞍形或鼓形加工誤差。7.1機(jī)械加工精度圖7-2車床導(dǎo)軌在水平面內(nèi)直線度誤差引起的加工誤差1-截平面2-導(dǎo)軌3-理想的導(dǎo)軌交線4-導(dǎo)軌實(shí)際交線5-假想工件尺寸6-車刀7.1機(jī)械加工精度導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)直線度誤差的影響如圖7-3所示，同樣會(huì)引起刀尖在切削行程內(nèi)位置變化，而工件在半徑方向的誤差，影響較小，可忽略不計(jì)。但對(duì)龍門刨床、龍門銑床及導(dǎo)軌磨床來說，導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差將直接反映到工件上。圖7-3床身導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)有直線度引起的誤差7.1機(jī)械加工精度導(dǎo)軌面間平行度誤差的影響如圖7-4所示，這類誤差會(huì)使車床床鞍在沿床身移動(dòng)時(shí)發(fā)生傾斜,從而使刀尖相對(duì)于工件產(chǎn)生偏移,進(jìn)而影響加工精度，加工出的零件形狀可能為鼓形、鞍形或呈錐度等。圖7-4車床導(dǎo)軌面間的平行度誤差7.1機(jī)械加工精度 ③機(jī)床的傳動(dòng)鏈誤差對(duì)于某些加工方法,為保證工件的加工精度,要求工件和刀具間必須有準(zhǔn)確的傳動(dòng)關(guān)系。若傳動(dòng)鏈存在誤差，將直接影響最后的加工精度。另外,刀具誤差、夾具誤差及工件的定位誤差等也對(duì)工件的加工精度產(chǎn)生影響。

7.1.2.2工藝系統(tǒng)的力效應(yīng)對(duì)加工精度的影響在切削加工中，工藝系統(tǒng)的各個(gè)組成元件，在切削力、夾緊力、傳動(dòng)力、重力、慣性力等外力作用下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形（彈性變形和塑性變形），這種變形將使工件和刀具相對(duì)位置發(fā)生變化，從而產(chǎn)生加工誤差。 （1）工藝系統(tǒng)剛度工藝系統(tǒng)的剛度定義為：零件加工表面法向分力與刀具在切削力作用下，相對(duì)工件在該方向的位移的比值，即

工藝系統(tǒng)的總變形量應(yīng)是：而=====式中___工藝系統(tǒng)的總變形量（mm）；___工藝系統(tǒng)的總剛度（N/mm）；___機(jī)床變形量（mm）；___機(jī)床剛度（N/mm）；___夾具變形量（mm）；___夾具剛度（N/mm）；___刀具變形量（mm）；___刀具剛度（N/mm）；___工件變形量（mm）；___工件剛度（N/mm）；7.1機(jī)械加工精度7.1機(jī)械加工精度所以，工藝系統(tǒng)剛度一般式為：

因此，當(dāng)知道工藝系統(tǒng)各個(gè)部分的剛度后，即可求出系統(tǒng)剛度。用剛度一般式求解某一系統(tǒng)剛度時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。如車削外圓時(shí)，車刀本身在切削力作用下的變形對(duì)加工誤差的影響很小，可忽略不計(jì)，此時(shí)計(jì)算式中可省去刀具剛度一項(xiàng)。7.1機(jī)械加工精度 （2）誤差復(fù)映在切削加工中，由于工件毛坯加工余量或材料硬度的變化，會(huì)引起切削力和工藝系統(tǒng)受力變形的變化，因而使工件產(chǎn)生加工誤差。

圖7-5零件形狀誤差的復(fù)映7.1機(jī)械加工精度圖7-5所示為車削一個(gè)有圓度誤差的毛坯，將刀尖調(diào)整到要求的尺寸（圖中的雙點(diǎn)劃線圓），在工件轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的過程中，刀具的切削深度在發(fā)生變化，當(dāng)車刀車至毛坯橢圓長(zhǎng)半軸時(shí)為最大切削深度，車至橢圓短半軸時(shí)為最小切削深度，其余在橢圓長(zhǎng)、短半軸之間切削，切削深度介于和之間。因此，切削力也隨著切削深度的變化由變化到。根據(jù)前面的分析，工藝系統(tǒng)將產(chǎn)生相應(yīng)的變形，即由變到（刀尖相對(duì)于工件產(chǎn)生到的位移），這樣就形成了被加工表面的圓度誤差，這種現(xiàn)象稱為“誤差復(fù)映”。一般工藝系統(tǒng)剛度越高，復(fù)映在工件上的誤差就越小,所以要減少工件的復(fù)映誤差，可通過增加工藝系統(tǒng)的剛度或減少?gòu)较蚯邢髁ο禂?shù)（如增大主偏角、減小進(jìn)給量）來實(shí)現(xiàn)。7.1機(jī)械加工精度另外，夾緊力、重力、慣性引起的離心力等也都將不同程度的造成工件的加工誤差

7.1.2.3工藝系統(tǒng)熱變形對(duì)加工誤差的影響在機(jī)械加工過程中，工藝系統(tǒng)在各種熱源的影響下，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的變形，從而破壞工件與刀具間的相對(duì)位置關(guān)系和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，造成加工誤差。 （1）機(jī)床熱變形及其對(duì)加工精度的影響圖7-6所示為車床在工作狀態(tài)下的熱變形。由于主軸箱的熱變形，導(dǎo)致主軸軸心線抬高，同時(shí)還發(fā)生傾斜。導(dǎo)軌也因?yàn)闊嶙冃味a(chǎn)生彎曲，結(jié)果造成車床前后頂尖連心線與導(dǎo)軌不平行。7.1機(jī)械加工精度圖7-6車床的熱變形7.1機(jī)械加工精度 （2）工件熱變形及其對(duì)加工精度的影響在切削加工中，工件的熱變形主要是切削熱引起的，有些大型精密零件同時(shí)還受環(huán)境溫度的影響。軸類零件在車削或磨削時(shí)，一般是均勻受熱，溫度逐漸升高，其直徑也逐漸脹大，脹大部分將被刀具切去，待工件冷卻后則形成圓柱度和直徑尺寸的誤差。細(xì)長(zhǎng)軸在雙頂尖間車削時(shí)，熱變形使工件伸長(zhǎng)，將導(dǎo)致工件的彎曲變形，加工后產(chǎn)生圓柱度誤差。 （3）刀具熱變形引起的加工誤差切削熱雖然大部分被切屑帶走或傳入工件，傳給刀具的熱量只占很小部分，但因刀具切削部分體積小、熱容量小，所以還是有相當(dāng)大的溫升和熱變形，對(duì)加工精度的影響不容忽視。7.1機(jī)械加工精度

7.1.2.4提高加工精度的工藝措施根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況,可采取以下幾個(gè)方面的措施提高工件的加工精度: （1）直接減少誤差法直接減少誤差法是在生產(chǎn)中應(yīng)用較廣的一種基本方法,它是在查明產(chǎn)生加工誤差的主要因素之后,設(shè)法對(duì)其直接消除或減少。如車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，由于受力和熱的影響，使工件產(chǎn)生彎曲變形，如圖7-7（a）所示。工件彎曲變形后，在高速回轉(zhuǎn)下，由于離心力的作用，加劇了彎曲變形，并引起振動(dòng)。工件在切削熱的作用下必然產(chǎn)生熱伸長(zhǎng)，若卡盤和尾座頂尖之間的距離是固定的，則工件在軸向沒有伸縮的余地，因此產(chǎn)生會(huì)軸向力，將加劇工件的彎曲變形。7.1機(jī)械加工精度可以采取如下措施以減少上述原始誤差： ①采取反向進(jìn)給的切削方法，如圖7-7（b）所示。圖7-7順向進(jìn)給和反向進(jìn)給車削細(xì)長(zhǎng)軸的比較7.1機(jī)械加工精度 ②采用大進(jìn)給量反向切削和大的主偏角車刀，以增大軸向力，工件在較大的軸向力的拉伸作用下，還能消除顫動(dòng)，使切削更加平穩(wěn)。 ③在卡盤一端的工件上車出一個(gè)直徑（D為工件坯料的直徑）縮徑部分，如圖7-8所示。這樣，柔性增加了，消除了由于坯料本身的彎曲而在卡盤強(qiáng)制夾持下軸心線隨之歪斜的影響。圖7-8縮徑法7.1機(jī)械加工精度 （2）誤差補(bǔ)償法誤差補(bǔ)償法即是人為地造出一種新的原始誤差，去抵消原工藝系統(tǒng)中固有的原始誤差，以達(dá)到減少加工誤差，提高加工精度的目的。如在精密絲杠的加工中，機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差將直接反映到被加工零件的螺距上，使精密絲杠的加工精度受到一定的限制，在生產(chǎn)實(shí)際中廣泛應(yīng)用誤差補(bǔ)償?shù)脑韥頊p小傳動(dòng)鏈誤差對(duì)零件加工精度的影響。 （3）誤差轉(zhuǎn)移法在機(jī)床精度達(dá)不到零件的加工要求時(shí)，通過誤差轉(zhuǎn)移的方法，能夠用一般精度的機(jī)床加工高精度的零件。例如，用鏜床鏜孔時(shí)，孔系的位置精度和孔間距的尺寸精度依靠鏜模和鏜桿的精度來保證，鏜桿與機(jī)床主軸之間采用撓性連接，使機(jī)床誤差與加工精度無關(guān)。7.1機(jī)械加工精度 （4）“就地加工”法在加工和裝配中，有些精度問題牽涉到很多零部件間的相互關(guān)系，如果單純通過提高零部件的精度來滿足設(shè)計(jì)要求，有時(shí)很困難，甚至不可能實(shí)現(xiàn)，若采用“就地加工”法就可解決這類難題。如在六角車床制造中，轉(zhuǎn)塔上六個(gè)裝刀具的孔，其軸心線必須保證和機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)中心線重合，而六個(gè)平面又必須與主軸中心線垂直。如果按傳統(tǒng)的精度分析與精度保證方法，不僅使加工誤差小到難以制造的程度，而且裝配后精度更達(dá)不到技術(shù)要求。生產(chǎn)中常采用“就地加工”法，即對(duì)這些重要表面在裝配之前不進(jìn)行精加工，等轉(zhuǎn)塔裝配到機(jī)床上后，再在自身機(jī)床上對(duì)這些表面作進(jìn)一步的精加工，從而達(dá)到所需的精度。7.1機(jī)械加工精度 （5）誤差分組法在成批生產(chǎn)條件下,對(duì)配合精度要求很高的零件,當(dāng)不可能用提高加工精度的方法來獲得時(shí),則可采用誤差分組法。這種方法是先對(duì)配偶件進(jìn)行逐一測(cè)量，并按一定的尺寸間隔分成相等數(shù)目的組，然后再按相應(yīng)的組分別進(jìn)行配對(duì)。 （6）誤差平均法對(duì)配合精度要求很高的軸和孔，常采用研磨方法來達(dá)到。研具本身并不要求具有很高的精度，但它卻能在和工件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)中對(duì)工件進(jìn)行微量切削，最終達(dá)到很高的精度。這種表面間相對(duì)研擦和磨損的過程，也就是誤差相互比較和相互消除的過程，稱為“誤差平均法”。7.2機(jī)械加工表面質(zhì)量產(chǎn)品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等性能，在很大程度上取決于其主要零件的表面質(zhì)量。7.2.1表面質(zhì)量表面質(zhì)量主要包括零件表面的幾何特性和表面層物理力學(xué)性能兩個(gè)方面。7.2.1.1表面幾何特性（1）表面粗糙度表面粗糙度是指加工表面的微觀幾何形狀誤差。圖7-9（a）表示的是粗糙度輪廓算術(shù)平均偏差。表面粗糙度主要是由機(jī)械加工中切削刀具在工件表面留下的加工痕跡所形成，其波長(zhǎng)與波高的比值一般小于50。7.2機(jī)械加工表面質(zhì)量圖7-9表面粗糙度與波度a）表面粗糙度b）表面波度7.2機(jī)械加工表面質(zhì)量（2）表面波度表面波度是介于宏觀幾何形狀誤差（）與微觀幾何形狀誤差（即粗糙度）之間的周期性幾何形狀誤差。在圖7-9（b）中,A表示波度的高度。表面波度通常是由于加工過程中工藝系統(tǒng)的低頻振動(dòng)所造成，其波長(zhǎng)與波高的比值一般為50～1000。

7.2.1.2表面層物理力學(xué)性能表面層物理力學(xué)性能主要是指下列三個(gè)方面：（1）表面層加工硬化（冷作硬化）。（2）表面層金相組織的變化。（3）表面層殘余應(yīng)力。7.2機(jī)械加工表面質(zhì)量7.2.2機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響7.2.2.1表面粗糙度的影響機(jī)械零件表面粗糙度的大小將影響零件的耐磨性、零件的配合性質(zhì)、疲勞強(qiáng)度及零件的抗腐蝕性能等。7.2.2.2表面冷作硬化的影響機(jī)械加工過程中都會(huì)產(chǎn)生不同程度的冷作硬化現(xiàn)象，從而使零件表面層硬度增加，脆性增大，抗沖擊的能力下降。冷硬層一般能提高零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，但當(dāng)冷作硬化現(xiàn)象達(dá)到一定程度后，會(huì)使零件表面產(chǎn)生裂紋，其耐磨性和疲勞強(qiáng)度反而會(huì)下降。因此，在機(jī)械加工中應(yīng)特別注意不使其產(chǎn)生過度的冷作硬化現(xiàn)象。7.2機(jī)械加工表面質(zhì)量7.2.2.3表面殘余應(yīng)力的影響加工過程中所產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力有拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之分。若為壓應(yīng)力，則能部分抵消交變載荷施加的拉應(yīng)力，阻礙和延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生或擴(kuò)大，從而可以提高零件的疲勞強(qiáng)度。若為拉應(yīng)力，則容易使零件在交變載荷作用下產(chǎn)生裂紋，從而降低零件的疲勞強(qiáng)度。7.2機(jī)械加工表面質(zhì)量7.2.3影響加工表面質(zhì)量的工藝因素及提高表面質(zhì)量的工藝方法7.2.3.1降低加工表面粗糙度的措施降低表面粗糙度的工藝措施主要有：（1）選擇合理的切削用量（2）選擇適當(dāng)?shù)牡毒邘缀螀?shù)（3）改善工件材料的性能（4）選擇合適的切削液（5）選擇合適的刀具材料（6）防止或減小工藝系統(tǒng)振動(dòng)7.2機(jī)械加工表面質(zhì)量7.2.3.2影響加工表面性能的因素（1）加工表面層的冷作硬化冷作硬化是指在切削或磨削過程中，加工表面層產(chǎn)生的塑性變形使晶體間產(chǎn)生剪切滑移，使晶格嚴(yán)重扭曲并產(chǎn)生晶粒的拉長(zhǎng)、破碎和纖維化，從而引起表面層的強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象。表面層的硬化程度取決于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度及變形時(shí)的溫度。力越大，塑性變形越大，冷作硬化程度也越大。變形速度越大，塑性變形越不充分，冷作硬化程度也就相應(yīng)減小。變形時(shí)的溫度影響塑性變形程度,溫度高，硬化程度減小。7.2機(jī)械加工表面質(zhì)量表面層冷作硬化程度還受到刀具、切削用量以及被加工材料等多方面因素的影響。為了降低加工表面層冷作硬化程度，一般可采取如下措施： ①合理選擇刀具的幾何參數(shù)，采用較大的刀具前角和后角，并在刃磨時(shí)盡量減小其切削刃口圓角半徑。 ②使用刀具時(shí)，應(yīng)合理規(guī)定其刀具耐用度。 ③合理選擇切削用量，采用較高的切削速度和較小的進(jìn)給量。 ④加工時(shí)注意選擇合適的切削液。7.2機(jī)械加工表面質(zhì)量 （2）表面層金屬組織的變化機(jī)械加工過程中，在加工區(qū)由于加工時(shí)所消耗的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能而使加工表面出現(xiàn)溫度的升高。尤其是對(duì)一些高合金鋼，如軸承鋼、高速鋼、鎳鉻鋼等，由于其傳熱性能特別差，當(dāng)溫度升高到超過金屬組織變化的臨界點(diǎn)時(shí)，在不能得到充分冷卻時(shí)，常易出現(xiàn)相當(dāng)