機械加工質(zhì)量及控制

機械加工質(zhì)量及控制第1頁/共123頁25.1概述

5.1.1機械加工質(zhì)量的含義表面（微觀）形貌

加工變質(zhì)層零件質(zhì)量裝配質(zhì)量機械產(chǎn)品質(zhì)量材料，金相組織(材質(zhì))

加工精度，波紋度，表面粗糙度(幾何)加工精度表面質(zhì)量尺寸精度形狀精度位置精度機械加工質(zhì)量第2頁/共123頁3加工精度及其發(fā)展車、銑磨CNC機床研磨，工具磨光學(xué)磨，金剛石車、磨金剛石超精車、磨，電解加工衍射光柵刻線機電子束，離子束，X射線分子束生長，離子注掃描隧道技術(shù)第3頁/共123頁4

激光反射鏡平面度提高到30nm，表面粗糙度降低到10nm，反射率將提高到99.8%以上。否則，壽命將大大縮短

磁頭與磁盤間的飛行高度在50nm以下，若進一步降低將使存儲容量呈指數(shù)倍增長

1kg精密陀螺轉(zhuǎn)子的偏心增加0.5nm，將引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差第4頁/共123頁5第5頁/共123頁6

機械加工精度的各項指標(biāo)既有區(qū)別，又有聯(lián)系。

一般情況下，形狀精度要求高于尺寸精度，位置精度要求也高于尺寸精度。

精密和超精密加工技術(shù)機械加工的技術(shù)重點大型工件的加工技術(shù)

特殊材料的加工技術(shù)尺寸公差>位置公差

>形狀公差>表面粗糙度值第6頁/共123頁75.1.2機械加工精度的獲得方法1．尺寸精度的獲得方法手工逐步調(diào)刀獲得所需尺寸加工前先調(diào)整好刀具位置再進行一批加工尺寸精度由刀具保證（鉆頭、拉刀）自動化的試切法試切法調(diào)整法定尺寸刀具法自動控制法2．形狀精度的獲得方法成形運動法非成形運動法仿形法靠模展成法成形表面通過包絡(luò)形成軌跡法車、刨、磨形狀精度超過機床成形運動精度時使用

成形刀具法成形運動和刃形第7頁/共123頁83．位置精度的獲得方法直接裝夾效率高，精度低找正裝夾高精度，小批夾具裝夾效率高，精度可滿足要求一次裝夾法多次裝夾法非成形運動法與機床幾何精度有關(guān)位置精度要求極高時采用與檢測精度密切相關(guān)第8頁/共123頁95.1.3機械加工表面質(zhì)量及其對機器使用性能的影響表面（微觀）形貌表面層物理機械性能（加工變質(zhì)層）機械加工表面質(zhì)量表面粗糙度表面波紋度塑性變形引起的冷作硬化切（磨）削熱引起的金相組織變化力（熱）產(chǎn)生的殘余應(yīng)力1.機械加工表面質(zhì)量的含義第9頁/共123頁102.機械加工表面質(zhì)量對機器使用性能的影響（1）影響耐磨性粗糙度值大，實際接觸面積小，接觸應(yīng)力大，易磨損，耐磨性差。

粗糙度值越小，實際接觸面積越大，耐磨性較好。

若粗糙度值過小，可能增加制造成本，且可能破壞潤滑油膜，造成干摩擦。

加工表面硬化到一定程度能使耐磨性有所提高，但硬化過度反會使結(jié)晶組織出現(xiàn)過度變形，甚至產(chǎn)生裂紋或剝落，使磨損加劇，使耐磨性降低。第10頁/共123頁11（2）影響疲勞強度交變載荷作用時，表面粗糙度、劃痕及微裂紋等均會引起應(yīng)力集中，從而降低疲勞強度。加工表面粗糙度的紋路方向與受力方向垂直時，疲勞強度明顯降低。一般加工硬化可提高疲勞強度，但硬化過度則會適得其反。殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時，可部分抵消交變載荷施加的拉壓力，阻礙和延緩裂紋的產(chǎn)生或擴大，從而提高疲勞強度；但為拉應(yīng)力時，則會大大降低疲勞強度。

有些加工方法，如滾壓加工，可減小粗糙度值、強化表面層，使表層呈壓應(yīng)力狀態(tài)，從而防止產(chǎn)生微裂紋，提高疲勞強度。第11頁/共123頁12（3）影響耐蝕性表面粗糙度值大的表面，腐蝕性物質(zhì)（氣體、液體）容易滲透到表面的凹凸不平處，從而產(chǎn)生化學(xué)或電化學(xué)作用而被腐蝕。

表面微裂紋處容易受腐蝕性氣體或液體的侵蝕，如零件表面有殘余壓應(yīng)力，則可阻礙微裂紋的擴展，從而在一定程度上提高零件的耐蝕性。第12頁/共123頁13（4）影響配合性質(zhì)影響配合性質(zhì)最主要因素是表面粗糙度。對于間隙配合，經(jīng)初期磨損后，間隙會有所增大，嚴重時會影響密封性能或?qū)蚓?；對于過盈配合，使計算所得過盈量與實際過盈量有所不同，成為過渡配合甚至間隙配合，從而可能影響過盈配合的連接強度。

此外，加工表面質(zhì)量對零件接觸剛度、運動平穩(wěn)性和噪音等也有影響。第13頁/共123頁14加工誤差與原始誤差

加工誤差——加工后每個零件在尺寸、形狀、位置方面與理想零件的差值。

（幾何參數(shù)的偏差）5.2機械加工精度的影響因素及控制措施

原始誤差——由于機床、刀具、量具、夾具和工件組成的工藝系統(tǒng)造成加工誤差的因素。5.2.1機械加工工藝系統(tǒng)原始誤差第14頁/共123頁15

常值系統(tǒng)性誤差誤差的性質(zhì)變值隨機性誤差誤差敏感方向：加工表面法向——原始誤差引起的加工誤差最大誤差敏感方向誤差非敏感方向第15頁/共123頁16原始誤差

機床夾具刀具工件（毛坯）工藝系統(tǒng)靜誤差加工過程中產(chǎn)生的誤差受力變形熱變形刀具磨損殘余應(yīng)力變形工件裝夾誤差調(diào)整誤差（更換工件、刀具、夾具、量具時調(diào)整）測量誤差（測量方法和量具誤差）原理誤差（阿線滾刀滾切漸開線齒輪、數(shù)控插補）原有誤差第16頁/共123頁17用模數(shù)銑刀銑齒輪時的齒形誤差第17頁/共123頁185.2.2工藝系統(tǒng)原有誤差對加工精度的影響與控制一、影響尺寸精度的主要因素與控制改善測量方法；提高測量精度式中，

L

為躍進距離；G為工作臺重量；

μ0

，μ

分別為靜、動摩擦系數(shù)；

K

為機構(gòu)傳動剛度。改進工藝方法（精車、精磨、研磨）減小刀具或磨粒的刃口鈍圓半徑re試切測量精度：微量進給精度：微薄切削層的極限厚度：定位調(diào)整精度:減少定位誤差；提高進給重復(fù)定位精度提高對尺寸分布中心判斷的準(zhǔn)確性

?第18頁/共123頁19二、影響形狀精度的主要因素與控制

非成形運動法足夠的檢測精度保證形狀精度的條件成形運動法基本成形運動（回轉(zhuǎn)、直線）相互位置關(guān)系（幾何關(guān)系）速度關(guān)系（運動關(guān)系）均準(zhǔn)確第19頁/共123頁20機械制造新技術(shù)：

數(shù)控（NumericalControl—NC）技術(shù)加工中心（MC）

工業(yè)機器人（IndustrialRobot）技術(shù)自適應(yīng)控制機床（AdaptiveControlMachineTools）計算機輔助制造（ComputerAidedManufacturing－CAM）

計算機數(shù)控機床（ComputerizedNumericalControl－CNC）

第20頁/共123頁21機械制造新技術(shù)：

可變制造系統(tǒng)柔性制造單元數(shù)字化制造無人化機械制造廠

現(xiàn)階段：互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展（e-制造、網(wǎng)絡(luò)控制、分子開關(guān)）工業(yè)生產(chǎn)追求更大的投入產(chǎn)出經(jīng)濟效益智能制造（IMT）、并行工程（CE）、精節(jié)生產(chǎn)（LP）敏捷制造（AM）、綠色制造、柔性制造（FMS）、虛擬制造、超精加工（KDP晶體）、納米技術(shù)、分子自組裝技術(shù)（化學(xué)、生物）

生物加工的純銅微齒輪第21頁/共123頁22三、影響位置精度的主要因素與控制刀具切削成形面刀具切削成形面

相互重（接）合的表面之間有精度關(guān)系的表面之間工件加工面工件加工面位置精度要求機床幾何精度一次裝夾：如在龍門銑床、加工中心上加工箱體零件采用成形運動法時，位置精度的獲得與裝夾方式有關(guān)第22頁/共123頁23直接裝夾：如用外圓定位在車床上加工齒輪內(nèi)孔后，再在插床上加工鍵槽工件基準(zhǔn)面機床安裝面工件加工面刀具切削成形面位置精度要求刀具切削成形面工件加工面位置精度要求機床幾何精度機床幾何精度第23頁/共123頁24找正裝夾：如在車床上加工與外圓同軸度要求很高的內(nèi)孔工件基準(zhǔn)面機床安裝面刀具切削成形面工件加工面位置精度要求機床幾何精度可調(diào)支承找正精度刀具切削成形面工件加工面位置精度要求機床幾何精度找正精度第24頁/共123頁25夾具裝夾：非成形運動法：

檢測精度

工件基準(zhǔn)面機床安裝面刀具切削成形面工件加工面位置精度要求機床幾何精度夾具安裝面對刀導(dǎo)引精度（找正精度）夾具定位面夾具安裝精度夾具制造精度裝夾精度刀具切削成形面工件加工面位置精度要求機床幾何精度對刀導(dǎo)引精度（找正精度）第25頁/共123頁26

機床的制造誤差、安裝誤差以及在使用過程中精度保持性被破壞等原因，都將會產(chǎn)生機床幾何誤差，進而引起機械加工誤差。四、機床幾何誤差的影響與控制機床幾何精度回轉(zhuǎn)運動精度直線運動精度成形運動之間的位置精度傳動（速度關(guān)系）精度第26頁/共123頁27（1）機床回轉(zhuǎn)運動精度主要取決于機床主軸的回轉(zhuǎn)精度主軸回轉(zhuǎn)誤差的形式

機床主軸回轉(zhuǎn)精度的高低主要以在規(guī)定測量截面內(nèi)主軸一轉(zhuǎn)或數(shù)轉(zhuǎn)內(nèi)諸瞬時回轉(zhuǎn)中心的平均位置的變化范圍來衡量。瞬時回轉(zhuǎn)中心1）主軸回轉(zhuǎn)誤差的主要形式

第27頁/共123頁28

以滑動軸承為例

車床：主軸受力方向不變，故軸徑形狀精度影響最大;軸孔、

前后軸徑以及軸承孔的同軸度、配合精度、裝配精度等也有影響。鏜床：主軸受力方向不斷改變，故主要取決于主軸軸承孔的形狀精度。

主軸徑向跳動將會造成什么加工誤差？2）影響主軸回轉(zhuǎn)精度的主要因素

①

徑向跳動第28頁/共123頁29②軸向竄動

滑動軸承主軸的軸向竄動量取決于止推（承載）軸承副中端面與主軸軸線垂直度較高者

影響滾動軸承主軸軸向竄動的主要因素有：滾道與軸線的垂直度滾動體形狀誤差（軸向間隙變化）尺寸一致性（承載不均而降低剛度）

主軸軸向竄動將會造成什么加工誤差？第29頁/共123頁30③角度擺動

主要取決于主軸前后支承跳動（跳動量、相位等）的綜合影響

3）提高回轉(zhuǎn)運動精度的措施

不僅影響圓度，而且影響圓柱度鏜模；固定頂尖定位，修磨頂尖孔；采用無心磨加工用精密滾動軸承并加預(yù)載，消除間隙、提高剛度改進滑動軸承結(jié)構(gòu)（短三瓦自位軸承）使用液、氣靜壓軸承，剛度高、精度高、工藝性好隔離主軸回轉(zhuǎn)誤差的影響：提高主軸回轉(zhuǎn)精度：第30頁/共123頁31（2）機床直線運動精度

主要取決于機床導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，也和導(dǎo)軌裝配質(zhì)量和不均勻磨損有關(guān)。

以車床為例，導(dǎo)軌誤差可能引起工件的截面尺寸變化，且影響軸向形狀：1）導(dǎo)軌誤差形式及其影響ΔyΔy導(dǎo)軌在鉛垂面內(nèi)的直線度Δy可忽略不計第31頁/共123頁32（2）機床直線運動精度

主要取決于機床導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，也和導(dǎo)軌裝配質(zhì)量和不均勻磨損有關(guān)。

以車床為例，導(dǎo)軌誤差可能引起工件的截面尺寸變化，且影響軸向形狀：1）導(dǎo)軌誤差形式及其影響ΔxΔx導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度Δx誤差敏感方向第32頁/共123頁33（2）機床直線運動精度

主要取決于機床導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，也和導(dǎo)軌裝配質(zhì)量和不均勻磨損有關(guān)。

以車床為例，導(dǎo)軌誤差可能引起工件的截面尺寸變化，且影響軸向形狀：1）導(dǎo)軌誤差形式及其影響Δx雙導(dǎo)軌間在鉛垂方向的平行度Δn第33頁/共123頁34（2）機床直線運動精度

主要取決于機床導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，也和導(dǎo)軌裝配質(zhì)量和不均勻磨損有關(guān)。

以車床為例，導(dǎo)軌誤差可能引起工件的截面尺寸變化，且影響軸向形狀：1）導(dǎo)軌誤差形式及其影響導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度Δx導(dǎo)軌在鉛垂面內(nèi)的直線度Δy雙導(dǎo)軌間在鉛垂方向的平行度Δn誤差敏感方向可忽略不計在平面磨床上加工時情況又如何？第34頁/共123頁352）提高導(dǎo)軌直線運動精度的措施合理的導(dǎo)軌形狀和組合形式改善制造精度、接觸精度和精度保持性采用靜壓導(dǎo)軌90o雙三角導(dǎo)軌適當(dāng)加長工作臺配磨、刮研耐磨損均化作用防磨損第35頁/共123頁36（3）成形運動之間的相互關(guān)系精度

①成形運動間位置關(guān)系的影響與控制圓柱面成為雙曲面平面成為內(nèi)凹或外凸圓柱面成為圓錐面車削時：刀具直線運動與工件回轉(zhuǎn)軸線不垂直刀具與工件回轉(zhuǎn)軸線在空間交錯不平行刀具與工件回轉(zhuǎn)軸線在zx面內(nèi)不平行d-Δd第36頁/共123頁37鏜削時：若工件直線進給運動與鏜桿回轉(zhuǎn)軸線不平行銑削時：若端銑刀回轉(zhuǎn)軸線與工作臺直線進給運動不垂直移位加工可使誤差從Δ減小至Δ?移位方向圓孔成為橢圓孔平面下凹第37頁/共123頁38

提高成形運動間相互位置關(guān)系精度的措施

使用幾何精度高的機床（決定因素）

保證高精度的零部件制造、總裝調(diào)試和維修

誤差檢測與補償

第38頁/共123頁39②

成形運動間速度關(guān)系的影響與控制

車、磨螺紋以及滾齒、插齒、磨齒等加工，要求各成形運動之間具有準(zhǔn)確的速度關(guān)系

滾齒機速度關(guān)系誤差對加工精度的影響

各傳動件傳動誤差對工件精度影響的總和為：第39頁/共123頁40影響速度關(guān)系精度的因素

機床傳動鏈中各傳動元件的制造誤差、裝配誤差以及磨損等，都會破壞正確的運動關(guān)系，造成工件和刀具運動相對速度的不準(zhǔn)確，從而產(chǎn)生加工誤差。在降速鏈中的低速傳動件誤差的影響最大。提高成形運動間速度關(guān)系精度的措施

盡量減少傳動件數(shù)目，縮短傳動鏈長度采用降速傳動保證高精度的傳動零部件制造、總裝調(diào)試和維修傳動誤差檢測與補償?shù)?0頁/共123頁41題1：套筒零件如圖所示。本工序為最后工序，欲在這批工件上銑鍵槽，定位方案見圖示。定位元件為水平放置的帶臺肩心軸，心軸直徑試求：

1．所給定位方案的定位誤差，并判斷能否滿足加工要求；

2．若所給定位方案不能滿足要求，試通過分析計算給出合理方案。

第41頁/共123頁4214采用什么定位元件？第42頁/共123頁43題2：車床上車削軸類零件的外圓A和臺肩面B，如圖。經(jīng)測發(fā)現(xiàn)A面有圓柱度誤差，B對A有垂直度誤差。如果僅考慮機床幾何誤差的影響，試分析產(chǎn)生以上誤差的主要原因。第43頁/共123頁44題3：在平面磨床上用端面砂輪磨削平板工件，為改善切削條件，減少砂輪與工件的接觸面積，常將砂輪傾斜一個角度如圖。若，試分析磨削后的平面形狀并計算平面度誤差，提出改善加工形狀精度的工藝方法。第44頁/共123頁45題4：在銑床上用夾具裝夾加工一批軸件上的鍵槽，如圖示。已知銑床工作臺面與導(dǎo)軌的平行度誤差為0.05/300，夾具兩定位V形塊夾角，交點A的連線與夾具體底面的平行度誤差為0.01/150，階梯軸工件兩端軸徑尺寸為，試分析計算在只考慮上述因素影響時，加工后的鍵槽底面對下母線之間的平行度誤差，并估算最大值（不考慮兩軸頸與外圓的同軸度誤差）。第45頁/共123頁465.2.3機械加工過程因素的影響與控制1.工藝系統(tǒng)受力變形的影響與控制工藝系統(tǒng)受力破壞成形運動精度引起加工誤差加工時工件或夾具變形，加工后產(chǎn)生誤差單爪撥動?，使主軸受力方向改變，瞬時回轉(zhuǎn)中心變動運動部件自重引起結(jié)構(gòu)件變形且隨運動而不斷變化高速運動過程中由于質(zhì)量不均引起有關(guān)環(huán)節(jié)變形接觸變形造成測量誤差夾緊力傳動力重力慣性力測量力切削力力的變化使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)雜變形第46頁/共123頁47控制或減少工藝系統(tǒng)受力變形的措施有效減小切削力根據(jù)變形規(guī)律，預(yù)置系統(tǒng)的反變形；調(diào)刀量調(diào)整恒力測量裝置；相對測量，對比抵消變形的影響減小切削用量補償部件變形恒定測量力提高系統(tǒng)剛度有效地提高工藝系統(tǒng)抵抗受力變形的能力第47頁/共123頁48（1）工藝系統(tǒng)剛度及其對加工精度的影響①工藝系統(tǒng)剛度

工藝系統(tǒng)在受力時抵抗變形的能力工藝系統(tǒng)變形的特點在加工誤差敏感方向?qū)庸ぞ扔绊懽畲笈c受力的大小往往并不呈現(xiàn)線性關(guān)系工藝系統(tǒng)剛度Ks：加工誤差敏感方向上工藝系統(tǒng)受力Fn與變形量（或位移量）Δn

之比第48頁/共123頁49②工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響a）各部剛度不等時在切削力作用下產(chǎn)生的加工誤差車外圓可推導(dǎo)出式中KH、KT、KB——

分別為床頭、尾座及刀架部件的實測平均剛度

E

——工件材料的彈性模量

I——

工件截面慣性矩第49頁/共123頁50簡化公式當(dāng)工件剛度很高時加工盤類工件時

工藝系統(tǒng)剛度隨著受力點在工件軸線方向上的位置不同而變化，使車出的工件在各截面上直徑尺寸不同，產(chǎn)生了形狀和尺寸誤差。第50頁/共123頁51b）切削力變化時對加工精度的影響原因：切削余量不均，工件材質(zhì)變化等結(jié)果：形狀誤差，尺寸分散誤差復(fù)映現(xiàn)象

工件加工前的誤差ΔB以類似的形式反映到加工后的工件上去，造成加工后的誤差ΔW。誤差復(fù)映系數(shù)

ε式中CFp——

工件材料切削條件對背向力的影響系數(shù)

f

——進給量

yFp

——

進給量對背向力的影響指數(shù)第51頁/共123頁52減少誤差復(fù)映影響的主要措施多次走刀提高工藝系統(tǒng)剛度第52頁/共123頁53（2）提高工藝系統(tǒng)剛度的主要措施①提高工件在加工時的剛度或減小其變形

合理選擇工件的加工和裝夾方式薄壁件均勻夾緊；細長件?用跟刀架、中心架，反向進給切削②提高刀具在加工時的剛度

改善刀具材料、結(jié)構(gòu)；熱處理；鉆套、鏜套；對稱刃口抵消切削分力③提高機床及夾具的剛度合理設(shè)計結(jié)構(gòu)，剛度平衡；盡量減少零件數(shù)，提高接合面形狀精度，降低表面粗糙度值，減少接觸變形；可靠預(yù)緊第53頁/共123頁54題5

：假設(shè)工件剛度極大，且車床床頭剛度大于尾座剛度，試分析圖示三種加工情況，各會產(chǎn)生何種形狀誤差。第54頁/共123頁55題6：試分析在車床上加工一批工件的外圓柱面產(chǎn)生圖示三種形狀誤差的主要原因。第55頁/共123頁562.工藝系統(tǒng)熱變形的影響與控制熱源內(nèi)部熱源外部熱源摩擦熱（運動副）轉(zhuǎn)化熱（電動機，動力能耗）加工熱（切削熱、磨削熱）環(huán)境溫度（室溫、地基溫度）輻射熱（陽光、取暖設(shè)備、人體）（1）工藝系統(tǒng)的熱源第56頁/共123頁57（2）工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度的影響（特別是精密件、大型件的加工）機床破壞原有的冷態(tài)幾何精度，造成加工誤差工件冷卻后尺寸改變；局部受熱不均而變形刀具加工過程中熱伸長引起加工尺寸變化精密加工時也要考慮夾具、量具熱變形帶來的誤差第57頁/共123頁58（3）控制工藝系統(tǒng)熱變形的主要措施減少熱量產(chǎn)生和傳入正確使用刀（磨）具、切（磨）削用量；及時刃磨或修整刃具；電機外置、油箱外置；防曬加強散熱能力高效冷卻（噴霧冷卻、潤滑油冷凍降溫）均恒溫度場采用熱對稱和熱補償結(jié)構(gòu)；恒溫間；機床預(yù)熱改進設(shè)計有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、CAD

精密加工機床的熱變形補償系統(tǒng)第58頁/共123頁593.工藝系統(tǒng)磨損的影響與控制（1）工藝系統(tǒng)磨損對加工精度的影響機床零部件破壞原有成形運動精度造成工件的形狀和位置誤差夾具帶來裝夾誤差、對刀導(dǎo)引誤差刀具和磨具使批生產(chǎn)工件尺寸的分散性增大造成尺寸和形狀誤差（大零件、成形刀具加工）量具引起測量誤差第59頁/共123頁60（2）減少工藝系統(tǒng)磨損的主要措施合理設(shè)計機床結(jié)構(gòu)靜壓結(jié)構(gòu)，易損表面防護提高零部件耐磨性耐磨材料（合金鑄鐵、鑲鋼、貼塑）熱處理，合理潤滑，及時更換已磨損件正確使用刀具刀具材料（陶瓷、金剛石），刀具參數(shù)切削用量（尤其是V），刃口形式（寬刃）冷卻潤滑第60頁/共123頁614.工件殘余應(yīng)力的影響與控制工件的殘余應(yīng)力：當(dāng)外部載荷去除以后，仍殘存在工件內(nèi)部的應(yīng)力（1）殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機加力和熱表層塑變（晶格扭曲、拉長、比容增大）毛坯制造冷校直局部塑變第61頁/共123頁62（2）減少或消除殘余應(yīng)力的主要措施合理設(shè)計零件結(jié)構(gòu)時效處理自然時效大件在室外擱置數(shù)天、月小件在車間擱置數(shù)小時（粗、精加工之間）結(jié)構(gòu)對稱，壁厚均勻，減小尺寸差人工時效鑄、鍛、焊件在機械加工前的退火、回火精度穩(wěn)定性要求高的零件，淬火后進行冰冷處理振動時效（激振、敲打）減少加工塑變減少加工熱；精度高的細長工件，不得冷校直

加大余量、多次切削，熱校直第62頁/共123頁635.3加工誤差的統(tǒng)計分析目的：

區(qū)分成批生產(chǎn)中不同性質(zhì)的加工誤差，確定系統(tǒng)誤差的數(shù)值和隨機誤差的范圍，從而找出造成加工誤差的主要因素以便采取相應(yīng)的措施，提高零件的加工精度。系統(tǒng)誤差

在相同的工藝條件下加工一批工件，所產(chǎn)生的大小和方向不變（常值），或按加工順序有規(guī)律的變化（變值）的加工誤差隨機誤差

在相同的工藝條件下加工一批工件，所產(chǎn)生的大小和方向不同，且無規(guī)律變化的加工誤差5.3.1加工誤差的統(tǒng)計性質(zhì)第63頁/共123頁645.3.2

機械加工誤差的分布規(guī)律正態(tài)分布調(diào)整法加工時沒有某種優(yōu)勢因素的影響平頂分布加工過程中有顯著的變值系統(tǒng)誤差，如刀具磨損雙峰分布兩臺機床或兩次調(diào)整加工，精度不同，調(diào)整尺寸不一致偏態(tài)分布加工過程受到人為干預(yù)，如試切法加工時的保全心理在顯著熱變形至達到熱平衡期間進行加工第64頁/共123頁655.3.3

加工誤差的統(tǒng)計分析方法統(tǒng)計分析方法點圖分析法

分布曲線法1．分布曲線法

通過測量一批零件加工后的實際尺寸，做出尺寸分布曲線，然后按照此曲線來判斷該加工方法所產(chǎn)生的加工誤差。

一般情況下，調(diào)整法加工后的零件尺寸服從正態(tài)分布。其概率密度函數(shù)為：第65頁/共123頁66±3σ原則正態(tài)分布的隨機變量的分散范圍是±3σ6σ的大小代表了某種加工方法在一定條件下所能達到的精密度一般情況下，有正態(tài)分布函數(shù)為：令：則有表5.1不同值的分布曲線不同值的正態(tài)分布曲線第66頁/共123頁67加工實測平均尺寸常值系統(tǒng)誤差隨機誤差對一批零件實驗分布曲線與正態(tài)分布曲線相符合設(shè)計要求基本尺寸任一零件的尺寸可表示為：x

R=6x

sxMTxminxmaxδixiy第67頁/共123頁68分布曲線的用途①分析系統(tǒng)誤差的大小和方向分析隨機誤差因素對加工精度的影響分析各尺寸范圍內(nèi)零件的百分比⑥分析減少廢品率的有效方法④預(yù)估產(chǎn)生廢品的可能性⑤分析工序能力等級查表5.2第68頁/共123頁69①分析系統(tǒng)誤差的大小和方向分析隨機誤差因素對加工精度的影響

分析各尺寸范圍內(nèi)零件的百分比

分析減少廢品率的有效方法

預(yù)估產(chǎn)生廢品的可能性例：加工一批

200.01mm小軸，加工后實測平均尺寸為

20.005mm，屬正態(tài)分布,=0.0025mm，試分析其加工誤差情況。

R=6xMxyxsTx解:畫出尺寸分布圖分析工序能力系數(shù)s/2=0.0025mm軸平均尺寸偏大，

s=0.005mm

R=6=0.015mm

由

6<T

知,本序加工有足夠精密度。由xi/

值查表5.1進一步計算。

若

6>T，則必有廢品

雖本題

6<T

，但由于

s存在，仍有廢品率。

由x/

=2，查表得A=0.4772。故本序加工的廢品率：0.5-0.4772=2.28%

從尺寸分布情況看，這些廢品為可修復(fù)廢品。工序能力足夠（表5.2）

消除系統(tǒng)誤差，

s=0，則無廢品。進刀第69頁/共123頁702.點圖分析法（1）單值點圖

在一批零件的加工過程中，依次測量每個零件的加工尺寸，并記入以順次加工的零件號為橫坐標(biāo)、零件加工尺寸為縱坐標(biāo)的圖表中，便構(gòu)成了單值點圖。由圖例可見，刀具磨損引起軸頸加工尺寸的變值系統(tǒng)誤差；尺寸分布近似為平頂分布，實際上隨機誤差

采用單值點圖分析，可把變值系統(tǒng)誤差和隨機誤差區(qū)分開，便于通過誤差補償?shù)姆椒?，消除各種系統(tǒng)誤差，使加工精度得到提高。第70頁/共123頁71（2）圖

點圖反映工藝過程質(zhì)量指標(biāo)分布中心（變值系統(tǒng)誤差）變化點圖則反映工藝過程質(zhì)量指標(biāo)分散范圍（隨機誤差）的變化兩個點圖必須聯(lián)合使用例：第71頁/共123頁72保證和提高機械加工精度的主要途徑（1）減少或消除原始誤差提高機床成形運動精度和剛度提高夾具的制造、安裝精度，減少裝夾誤差和對定誤差提高工件加工時的剛度，減少受力變形（反向切削）減少精密件加工時的熱影響，平衡熱變形第72頁/共123頁73（2）補償或抵消原始誤差補償——人為制造反向誤差抵消——移位法加工（3）轉(zhuǎn)移原始誤差

將誤差轉(zhuǎn)移到不敏感方向轉(zhuǎn)移原始誤差對加工的影響第73頁/共123頁74（4）分化或均化原始誤差分化——分組加工，以利于調(diào)刀均化——研磨第74頁/共123頁75題7：加工一批小軸，其直徑要求為，加工后尺寸接近正態(tài)分布，測量得一批工件直徑尺寸的算術(shù)平均值，均方根差。試計算不合格品率，并分析不合格品產(chǎn)生的可能原因，指出減少不合格品的措施?？山獾茫翰缓细衿仿蕿?/p>

16.49%可能原因及相應(yīng)措施：對刀不準(zhǔn)——需準(zhǔn)確調(diào)刀消除系統(tǒng)誤差；減少不可修復(fù)廢品2.工序能力差——需減小σ

改善工藝條件提示：第75頁/共123頁765.4機械加工表面質(zhì)量的影響因素及其控制由前已知：表面（微觀）形貌表面層物理機械性能（加工變質(zhì)層）機械加工表面質(zhì)量表面粗糙度表面波紋度塑性變形引起的冷作硬化切（磨）削熱引起的金相組織變化力（熱）產(chǎn)生的殘余應(yīng)力輪廓算術(shù)平均偏差Ra微觀不平度10點高度Rz直線波紋度平均波幅Wz圓周波紋度平均波幅Wz第76頁/共123頁775.4.1切削加工表面的形成過程

切削層金屬經(jīng)過第Ⅰ、Ⅱ變形區(qū)后形成了切屑，經(jīng)過第Ⅲ變形區(qū)則形成了已加工表面。

分流點O以下的金屬經(jīng)嚴重的擠壓摩擦產(chǎn)生塑變，脫離后刀面后，因深處基體的的彈性變形產(chǎn)生彈性恢復(fù)Δh，并留在加工表面上。

刀具刃口鈍圓半徑rn后刀面磨損寬度VB使第Ⅲ區(qū)變形復(fù)雜化

在VB和CD段與后刀面接觸而使塑變加劇，甚至可引起表層的非晶質(zhì)化、纖維化及加工硬化。第77頁/共123頁785.4.2機械加工表面粗糙度及其降低的工藝措施一、切削加工刀具操作者環(huán)境冷卻潤滑工件機床夾具切削用量材料表面粗糙度幾何角度安裝情況材料組織剛性精度剛性精度功率運動平穩(wěn)性剛性切削速度進給量背吃刀量種類用量供給方式質(zhì)量振動溫度技術(shù)水平精神狀態(tài)第78頁/共123頁79HH①理論粗糙度（1）切削加工表面粗糙度的成因第79頁/共123頁80②積屑瘤的影響積屑瘤對表面質(zhì)量的影響ΔhD

過切量造成深淺、寬窄不均的犁溝，增大了表面粗糙度積屑瘤周期性生成與脫落碎片鑲嵌在已加工表面上，影響工件的表面質(zhì)量高硬度積屑瘤脫落造成刀具的粘結(jié)磨損，增大了加工表面粗糙度第80頁/共123頁81③鱗刺的影響切削加工表面在切削速度方向產(chǎn)生的魚鱗片狀毛刺其特點是晶粒與基體材料的晶粒相互交錯，無分界線鱗刺的產(chǎn)生條件刀具材料高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷刀具工件材料低（中）碳鋼、鉻鋼、不銹鋼、鋁合金、紫銅等塑性金屬切削條件切削速度vc中等，甚至很低時

鱗刺對表面質(zhì)量的影響增大了表面粗糙度值，成為塑性金屬材料精加工的一大障礙第81頁/共123頁82④切削機理的變化單元切屑周期性斷裂向切削表面以下深入，在加工表面上留下擠裂痕跡——波浪形崩碎切屑形成過程中，從主切削刃處開始的裂紋在接近主應(yīng)力方向斜著向下延伸，發(fā)生斷裂，造成加工表面的凸凹不平切削刃兩側(cè)的工件材料被擠壓后因沒有側(cè)面的約束力而產(chǎn)生隆起，也會使表面粗糙度值加大第82頁/共123頁83⑤切削顫振

機床主軸回轉(zhuǎn)精度不高、導(dǎo)軌形狀誤差引起的運動機構(gòu)跳動，材料不均勻及切屑不連續(xù)等造成切削力波動，均會使刀具與工件間的相對位置產(chǎn)生變化，從而使切削厚度、寬度發(fā)生變化。這些變化的不穩(wěn)定因素會引起加工系統(tǒng)的自激振動，使相對位置變化的振幅加大，導(dǎo)致背吃刀量變化，造成表面粗糙度值加大。⑥切削刃損壞及刀具邊界磨損第83頁/共123頁84（2）切削加工表面粗糙度的控制改善工件材料的切削性能調(diào)質(zhì)后加工，降低塑性，提高硬度，可抑制積屑瘤和鱗刺選擇合理的切削速度，避開積屑瘤生長區(qū)減少f，減小Rmax，避免刀屑粘結(jié)，抑制積屑瘤和鱗刺生長采用有效的冷卻潤滑液，減小摩擦，抑制積屑瘤和鱗刺生長避免工藝系統(tǒng)的振動工件方面切削條件刀具方面合理選擇刀具角度，適當(dāng)減小κr、κ?r或增大rε，以減小Rmax增大γο，使塑性變形減小，以利于抑制積屑瘤和鱗刺采用寬刃刀具，或帶直線修光刃的刀具提高刃磨質(zhì)量，減小刀面粗糙度，磨損超值要及時換刀減小刀具和工件之間的摩擦系數(shù)，控制粘結(jié)、積屑瘤、鱗刺第84頁/共123頁85二、磨削加工適當(dāng)加大砂輪粒度號，增大砂輪單位面積的砂粒數(shù)m適當(dāng)提高砂輪速度vc或降低工件速度vw，即增大vc/vw比值，減少塑變合理使用直徑較大的砂輪（加大Rt）加大砂輪寬度B，減小軸向進給量fa，使B/fa比值增大減小徑向進給量fr或磨削深度ap（甚至無進給光磨）提高砂輪修整質(zhì)量，保持鋒利度和微刃口等高性金剛石砂輪電解在線修銳ELID(ELectrolyticIn-processDressing)選擇合適的砂輪硬度、磨削液及其澆注方法減小磨削表面粗糙度值的措施第85頁/共123頁86三、超精研、研磨、珩磨及拋光加工用參數(shù)為壓強，不是磨削背吃刀量（磨削深度）自為基準(zhǔn)加工，主要是降低表面粗糙度，很難提高加工精度；只有用精密定型研磨工具時，才能提高工件的形狀精度；不需要機床有非常精確的成形運動；加工余量是前序公差的幾分之一，原理上講只要等于上序的Rz特點：超精研

影響加工表面粗糙度的因素主要是磨條壓強和切削角，還有磨條的振頻、振幅，工作速度，磨條粒度，磨條縱向進給量，冷卻液等。加工表面粗糙度可達Rz0.05第86頁/共123頁87研磨濕式研加研磨劑（磨粒加煤油、機油、油酸等），以滾動切削為主，Rz0.1干式研磨粒固定在研具上，滑動切削，Rz0.05拋光研濕式研后進行。磨粒硬度低，細小，加上研磨劑的化學(xué)作用，可使表面粗糙度進一步降低第87頁/共123頁88

主要用于加工內(nèi)孔表面，可達Rz0.4～3.2，甚至Rz0.1

珩磨

也可用于外圓表面的加工第88頁/共123頁89

用軟研具打光已精加工過的表面，去除前序留下的痕跡；或為獲得光亮美觀的表面，提高疲勞強度。機械拋光

用帆布、毛氈或皮帶，加入磨料（氧化鉻、氧化鐵等）也可用配制的拋光研磨膏，在打磨過程中去除金屬層液體拋光

用含磨料的磨削液高速噴磨，擊平凸峰

拋光此外，還有電解拋光、化學(xué)拋光等非傳統(tǒng)加工方法。第89頁/共123頁905.4.3加工表面變質(zhì)層1.冷作硬化（1）冷作硬化的產(chǎn)生及其影響冷作硬化是經(jīng)過切削或磨削加工所造成的表面硬化現(xiàn)象。

經(jīng)過上述幾次變形，使得金屬晶格發(fā)生扭曲，晶粒被拉長、破碎，使位錯運動困難，阻礙了金屬的進一步塑變，而使金屬強化，硬度顯著提高。

加工時切削層及其以下層的金屬塑性變形受刀具刃口鈍圓的擠壓產(chǎn)生附加塑性變形基體材料的彈性恢復(fù)，使已加工表面與刀具后刀面接觸摩擦而再次產(chǎn)生變形受力變形

冷作硬化使表面的耐磨性提高，脆性增加，沖擊韌性降低，也給后續(xù)加工帶來困難，增加刀具磨損，減少刀具壽命。第90頁/共123頁91切削溫度的影響當(dāng)切削溫度低于相變點時，表層將被弱化，硬度將降低；若溫度高于時將產(chǎn)生相變。

加工表面的硬度將是這些強化、弱化及相變綜合作用的結(jié)果：當(dāng)塑性變形為主時，表面要產(chǎn)生硬化；當(dāng)切削溫度起主導(dǎo)作用時，要由相變情況而定。

加工硬化通常用硬化程度ΔH和硬化層深度Δhd

來衡量:

硬化程度ΔH為式中

H0—基體的顯微硬度，HV

H—

硬化層顯微硬度，HV硬化層深度Δhd是指加工硬化層深入基體的距離，以μm計表5.4

第91頁/共123頁92（2）影響加工硬化的因素及控制措施材料硬度越低，塑性增大，ΔH和Δhd越大使用性能好的切削液，可改善工件的切削加工性工件方面切削條件刀具方面選擇較大的γο，減少切削變形，使ΔH和Δhd均減小選擇較大的αο，減少后刀面的摩擦，使加工硬化減小減小刃口鈍圓半徑rn，減小擠壓摩擦，使硬化層深度減小適當(dāng)控制后刀面磨損VB提高刃磨質(zhì)量，減小硬化合理選擇切削用量，可減輕加工硬化選較高的切削速度vc

和較小的f

切削深度的影響不大第92頁/共123頁93殘余應(yīng)力（1）機械加工中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生局部高溫塑性變形使表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，嚴重時出現(xiàn)裂紋局部冷態(tài)塑性變形切削時，表層產(chǎn)生拉伸冷態(tài)塑變形，將使表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力；反之，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力局部金相組織變化馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織，表層體積欲減小，受到基體拉伸，產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力

第93頁/共123頁94由正變?yōu)樨摃r，可使表層殘余拉應(yīng)力逐漸減小；前角為較大負值且切削用量合適時，可得殘余壓應(yīng)力VB值增大，切削溫度升高，使加工表面呈殘余拉應(yīng)力，同時使殘余拉應(yīng)力層深度加大塑性越大，切削加工后產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力越大脆性材料的加工表面易產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力vc增大，熱應(yīng)力為主，使殘余應(yīng)力增大，但深度減小

f增加，殘余拉應(yīng)力增大，但壓應(yīng)力將向里層移動αp對殘余應(yīng)力的影響不顯著（2）影響殘余應(yīng)力的因素及控制措施刀具前角γ0刀具后刀面磨損工件材料切削條件第94頁/共123頁953.磨削燒傷與裂紋及其控制措施

磨削工件時，當(dāng)工件表面層溫度達到或超過金屬材料的相變溫度時，表層金屬材料的金相組織將發(fā)生變化，表層顯微硬度也相應(yīng)變化，并伴隨有殘余應(yīng)力產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)微裂紋，同時出現(xiàn)彩色氧化膜，這種現(xiàn)象稱磨削燒傷。（1）磨削燒傷第95頁/共123頁96馬氏體轉(zhuǎn)變溫度<θ<相變溫度馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鸾M織（索氏體或屈氏體）

磨削淬火鋼時，由于磨削區(qū)溫度的不同，可能產(chǎn)生三種燒傷：回火燒傷淬火燒傷退火燒傷θ>相變溫度時急冷，表層出現(xiàn)二次淬火，硬度提高；內(nèi)層產(chǎn)生過回火組織，硬度降低未用磨削液，θ>相變溫度時慢冷，出現(xiàn)退火，硬度降低第96頁/共123頁97

磨削的高溫在工件表面層引起熱應(yīng)力和金相組織相變帶來的體積應(yīng)力，且多呈現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力。如果這種拉應(yīng)力超過了工件材料的抗拉強度極限時，工件磨削表面就會產(chǎn)生裂紋——磨削裂紋。（2）磨削裂紋

磨削淬火鋼、滲碳鋼及硬質(zhì)合金工件時，常常在垂直于磨削的方向上產(chǎn)生微小龜裂，，嚴重時發(fā)展成龜殼狀微裂紋。有的裂紋不在工件的外表面，而是在表面層下，用肉眼根本無法發(fā)現(xiàn)。第97頁/共123頁98

在零件的制造過程中，一方面要設(shè)法避免裂紋的產(chǎn)生，另一方面要采用適宜的檢驗方法來檢查工件的表面質(zhì)量。

磨削裂紋的方向常與磨削方向垂直或呈網(wǎng)狀，并且與燒傷同時出現(xiàn)。

磨削裂紋降低零件疲勞強度，甚至早期出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂。第98頁/共123頁99（3）減輕磨削燒傷、裂紋的途徑

減少熱量的產(chǎn)生加速熱量的傳出①選擇合理的磨削用量

減小磨削深度ap

，直至進行無進給光磨增大進給量f，減少砂輪和工件表面的接觸時間,以免升溫。為保證加工表面粗糙度，可用寬砂輪。增加工件速度vw，減少接觸時間，使傳到工件上的熱量相對減少。為防止表面粗糙度增大，可同時增加砂輪速度vc——高速磨削，且可有效地避免磨削燒傷。第99頁/共123頁100②提高冷卻效果采用高壓大流量法提高冷卻、沖洗效果安裝帶空氣擋板的噴嘴使磨削液順利噴注到磨削區(qū)采用磨削液霧化法或內(nèi)冷卻法進一步增強冷卻效果第100頁/共123頁101③正確選用砂輪正確選用磨料、結(jié)合劑、粒度、硬度與組織等開槽砂輪④選用新結(jié)構(gòu)和新工藝改進砂輪修整工藝第101頁/共123頁1024.表面強化工藝

利用表面層的冷作硬化和殘余壓應(yīng)力，提高零件的抗疲勞強度和使用壽命。漲孔滾柱滾壓單滾珠滾壓鋼球擠壓多滾珠滾壓噴丸第102頁/共123頁1035.5機械加工過程中的振動及控制機械加工中的振動類型自由振動

5%強迫振動

30%自激振動

65%5.5.1概述切削力突變（切入時），外力沖擊受周期干擾力（地基、電機、齒輪嚙合、回轉(zhuǎn)件不平衡、多刃多齒刀具）系統(tǒng)自身引起的交變切削力作用，加強和維持了自身振動第103頁/共123頁104振動的危害表面質(zhì)量下降（振紋）降低機床、夾具、刀具壽命（聯(lián)接松動，崩刃、磨損）限制生產(chǎn)率的提高（切削用量不能提高）環(huán)境污染（噪音）第104頁/共123頁105超精密車床實現(xiàn)了鏡面加工掃描隧道顯微技術(shù)（ScanningTunnelMicroscope,STM）實現(xiàn)了原子搬遷需要精密的隔振環(huán)境第105頁/共123頁1064321765金剛石刀具研磨裝置示意圖Thelappingsetupfordiamondtool1：空氣隔振墊2：電機3：空氣靜壓軸承4：配重5：裝夾系統(tǒng)6：單晶金剛石7：高磷鑄鐵研磨盤金剛石刀具研磨技術(shù)第106頁/共123頁107

隔振前金剛石刀具前刀面AFM形貌

TherakefaceAFMtopographyoflappeddiamondtoolwithoutairvibrationisolatorsa）水平方向b）垂直方向隔振前機床正常工作的振動情況

Theamplitudeandfrequencyoflappingmachinewithoutairvibrationisolators

殘留在前刀面的研磨痕跡明顯，都為納米尺度的塑性溝槽，表面波紋度相對較大，其表面粗糙度值為Ra2.4nm水平方向振幅為43.4μm垂直方向振幅為184.6μm隔振前第107頁/共123頁108a）水平方向

隔振后機床正常工作的振動情況Theamplitudeandfrequencyoflappingmachinewithairvibrationisolatorsb）垂直方向隔振后金剛石刀具前刀面AFM形貌TherakefaceAFMtopographyoflappeddiamondtoolwithairvibrationisolators

研磨后殘留在前刀面的塑性溝槽已模糊不清，表面相對比較平整，其表面粗糙度值為Ra1.0nm水平方向振幅為25.7μm垂直方向振幅為108.8μm隔振后第108頁/共123頁109強迫振源機外振源通過地基傳給工藝系統(tǒng)機內(nèi)振源電機振動（轉(zhuǎn)子、磁力不平衡）回轉(zhuǎn)零件不平衡（卡盤、砂輪、刀盤、工件等）傳動件振動（齒輪嚙合、皮帶接頭、軸承誤差）往復(fù)件慣性力（牛頭刨床滑枕的運動）切削沖擊（斷續(xù)切削、帶槽工件、材料不均）5.5.2強迫振動及控制第109頁/共123頁110查找振源的方法工件表面振紋振動信號分析車回轉(zhuǎn)零件刨平面零件頻譜分析其中：f——振動頻率，Hzn——主軸轉(zhuǎn)數(shù)，rpmm——振紋數(shù)，個v——切削速度，m/minl——