機(jī)械加工精度與加工表面質(zhì)量

機(jī)械加工精度與加工表面質(zhì)量2第4章機(jī)械加工質(zhì)量4.1機(jī)械加工精度

4.1.1概述

4.1.2獲得加工精度的方法

4.1.3工藝系統(tǒng)幾何誤差

4.1.4工藝系統(tǒng)受力變形

4.1.5工藝系統(tǒng)熱變形

4.1.6工件內(nèi)應(yīng)力引起的變形

4.1.7加工誤差的綜合

4.1.8保證和提高加工精度的途徑4.2加工表面質(zhì)量

4.2.1表面質(zhì)量的基本概念

4.2.2影響加工表面粗糙度主要因素及其控制

4.2.3影響表面物理、力學(xué)性能的因素及其控制34.1機(jī)械加工精度4.1.1概述1）加工精度的概念

加工精度：是指零件加工后，其幾何參數(shù)的實(shí)際數(shù)值與圖紙規(guī)定的設(shè)計(jì)數(shù)值相符合的程度。加工精度包括：尺寸精度：加工表面的實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的尺寸誤差不超過(guò)一定的尺寸公差范圍。在國(guó)標(biāo)中尺寸公差分20級(jí)（IT01、IT0、IT1~IT18）。幾何形狀精度：加工表面的實(shí)際幾何要素對(duì)理想幾何要素的變動(dòng)量不超過(guò)一定公差范圍。在國(guó)標(biāo)中形狀公差有六項(xiàng)：直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度、面輪廓度。相互位置精度：加工表面的實(shí)際幾何要素對(duì)由基準(zhǔn)確定方向或位置的理想幾何要素的變動(dòng)量。在國(guó)標(biāo)中位置公差有八項(xiàng)：平行度、垂直度、傾斜度、同軸度、對(duì)稱(chēng)度、位置度、圓跳動(dòng)、全跳動(dòng)。42）原始誤差的來(lái)源及其與加工誤差l

加工誤差：是指零件加工后，其幾何參數(shù)的實(shí)際數(shù)值與圖紙規(guī)定的設(shè)計(jì)數(shù)值不符合的程度，即實(shí)際數(shù)值與設(shè)計(jì)數(shù)值之差。l

原始誤差：包括機(jī)床、夾具、刀具及工件在內(nèi)的機(jī)械加工工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的誤差，是造成零件加工誤差的工藝因素。l原始誤差與加工誤差的關(guān)系原始誤差對(duì)加工誤差的影響表現(xiàn)為其在工序尺寸上的分量的大小。誤差敏感方向：原始誤差對(duì)加工精度影響最大的方向。誤差不敏感方向：原始誤差對(duì)加工精度影響最小的方向。5l

原始誤差的來(lái)源(1)工件定位與夾緊誤差：定位誤差、夾緊變形。(2)工藝系統(tǒng)靜（幾何）誤差：機(jī)床、夾具、刀具的制造誤差。(3)調(diào)整誤差：工藝系統(tǒng)位置調(diào)整產(chǎn)生的誤差。(4)工藝系統(tǒng)的動(dòng)（過(guò)程）誤差：工藝系統(tǒng)受力及內(nèi)應(yīng)力、熱等產(chǎn)生的變形及磨損。(5)測(cè)量誤差：測(cè)量方法及測(cè)量器具的誤差。(6)加工原理誤差：用近似的表面成形運(yùn)動(dòng)代替理論的表面成形運(yùn)動(dòng)，用近似的刀具刃形代替正確的刃形等產(chǎn)生的加工誤差。（例齒輪加工、車(chē)模數(shù)蝸桿p=πm等）64.1.2獲得加工精度的方法（2）調(diào)整法：通過(guò)預(yù)調(diào)好的機(jī)床、夾具、刀具、工件，在加工中自行獲得尺寸精度。（3）尺寸刀具法：用一定形狀和尺寸的刀具加工獲得。（4）自動(dòng)控制法：用一定裝置，邊加工邊自動(dòng)測(cè)量控制加工。2.

形狀精度的獲得方法成形運(yùn)動(dòng)法（1）軌跡法：利用刀具與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)獲得形狀。（2）成形法：利用成形刀具加工獲得表面形狀。（3）展成法：利用刀具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)使工件被刀具切削成一定形狀的包絡(luò)線。l.

尺寸精度的獲得方法（1）試切法：試切——測(cè)量——調(diào)整——再試切

非成形運(yùn)動(dòng)法：人工修配、樣板加工、劃線加工等。7

獲得加工精度的方法3.

位置精度的獲得方法（1）一次裝夾獲得法（2）多次裝夾獲得法裝夾的方式：直接找正裝夾、劃線找正裝夾、夾具裝夾。84.1.3工藝系統(tǒng)幾何誤差機(jī)床誤差機(jī)床精度取決于其制造精度、裝配精度及磨損情況，其中對(duì)加工精度影響最大的是主軸誤差、導(dǎo)軌誤差等。主軸幾何偏心：車(chē)床上，與定位基準(zhǔn)面間產(chǎn)生同軸度、垂直度等位置誤差；鏜床和鉆床會(huì)造成孔徑的擴(kuò)大。

主軸回轉(zhuǎn)誤差（主軸軸線漂移）：純徑向跳動(dòng)：車(chē)削外圓、鏜孔時(shí)產(chǎn)生圓度誤差。純軸向竄動(dòng)：車(chē)端面產(chǎn)生平面度誤差；車(chē)螺紋產(chǎn)生螺距小周期誤差。純角度擺動(dòng)：產(chǎn)生圓柱度或端面形狀誤差。9主軸誤差對(duì)加工精度的影響：

相同的誤差對(duì)于不同加工方法影響各不相同。例如：鏜床鏜孔時(shí)刀具隨機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)，切削力和誤差敏感方向也在旋轉(zhuǎn)，軸線的漂移會(huì)直接反映到工件上去。

車(chē)削是工件回轉(zhuǎn)，切削力和誤差敏感方向不變，只有水平方向誤差才1:1地反映到工件上。10提高主軸回轉(zhuǎn)精度的措施:（1）提高主軸部件的制造精度，選用高精度滾動(dòng)軸承或采用動(dòng)壓、靜壓軸承（剛度高、回轉(zhuǎn)精度高）；（2）對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行預(yù)緊，以消除間隙或產(chǎn)生微量過(guò)盈，提高軸承剛度。（3）采用合理的工藝方法來(lái)消除主軸回精度對(duì)加工精度的影響，主軸只起傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的作用。例：采用固定頂尖定位加工，工件軸線不變。采用電磁無(wú)心磨削加工，工件與主軸之間有偏心量產(chǎn)生傳遞扭矩，切削力與電磁力合力使工件緊貼在可調(diào)支承，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)與工件定位無(wú)關(guān)。11

導(dǎo)軌誤差：對(duì)加工誤差的影響（以車(chē)削為例）直線度誤差：

導(dǎo)軌扭曲：

導(dǎo)軌與主軸位置誤差：傳動(dòng)誤差：螺紋加工、齒輪加工等要求刀具與工件間保持固定的傳動(dòng)關(guān)系，傳動(dòng)誤差將影響螺紋導(dǎo)程、齒輪的分度精度等。122.刀具誤差

展成法：加工表面是無(wú)數(shù)刀刃軌跡的包絡(luò)面，刀刃形狀為加工表面的共扼曲線，刀具誤差會(huì)影響加工表面的形狀誤差。

軌跡法：工件表面是刀尖與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的包絡(luò)面。定尺寸刀具：如鉆頭、鉸刀、拉刀等，尺寸、形狀直接影響工件尺寸和形狀精度。刀具磨損：直接影響刀具的尺寸、形狀等。刀具誤差包括刀刃廓形制造、刃磨誤差及刀具安裝誤差。成形法：刀具表面廓形“復(fù)印”到加工表面上。安裝誤差也直接影響加工表面形狀精度。例如：車(chē)削螺紋，車(chē)刀安裝偏高或偏低，三角形牙型輪廓會(huì)變成雙曲線。133.夾具制造誤差定位元件、刀具導(dǎo)向裝置、對(duì)刀裝置、分度機(jī)構(gòu)以及夾具體等零件及組件的制造誤差、組裝位置誤差，引起加工表面尺寸及位置誤差。夾具磨損引起的定位誤差。夾具制造誤差主要是：144.1.4工藝系統(tǒng)受力變形1.工藝系統(tǒng)受力變形分析機(jī)械加工過(guò)程中，在重力、切削力、慣性力、傳動(dòng)力等外力作用下，工藝系統(tǒng)都會(huì)變形，破壞刀具與工件間的正確位置，從而產(chǎn)生加工誤差。剛度：指加到系統(tǒng)上的作用力P與由它產(chǎn)生的在作用力方向上的位移y的比值。即K=P/y

工藝系統(tǒng)的剛度：指垂直于待加工表面的切削分力Py與工件在Py方向的位移之比值。Ks=Py/y根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算，兩頂尖加工工件簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁：152.工藝系統(tǒng)受力對(duì)加工精度的影響（1）切削力對(duì)加工精度的影響誤差復(fù)映：有形狀誤差（或相互位置誤差）的工件毛坯，在加工后，因加工余量不均，切削力變化，使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生了相應(yīng)的變形，其形狀誤差（或位置誤差）仍以與毛坯相似的形式、程度不同地反映在新的加工表面上。工件誤差Δg對(duì)毛坯誤差Δm的復(fù)映程度稱(chēng)為誤差復(fù)映系數(shù)ε。即ε=Δg

/Δm例：車(chē)削加工短圓柱毛坯，該毛坯有圓度誤差（橢圓），這時(shí)系統(tǒng)剛度可即近似看成常數(shù)。因此切削過(guò)程中背吃刀量在不斷變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的變形量也隨之而變，最終加工后的表面仍為橢圓。

ε為小于1的正數(shù)，每次切削的復(fù)印系數(shù)為

1

，

2

，

3…最終誤差復(fù)映系數(shù)為ε=

1·2·3

…?1，故切削次數(shù)越多誤差越小。16車(chē)削細(xì)長(zhǎng)工件細(xì)長(zhǎng)工件剛度低，切削時(shí)工件產(chǎn)生彎曲變形而讓刀，且不同的部位變形程度不同，加工工件為腰鼓形。車(chē)削短而粗的剛性軸短軸剛度高，切削時(shí)工藝系統(tǒng)（主要是機(jī)床）的各部分剛度不等，不同的部位變形程度不同而讓刀，加工工件為馬鞍形，且最小直徑出現(xiàn)在中間靠近剛度高的一側(cè)。17慣性力引起加工誤差單爪撥盤(pán)產(chǎn)生離心力而產(chǎn)生定位端面位置誤差；傳遞力矩與切削力矩平衡，半徑方向變形是切削力與傳動(dòng)力產(chǎn)生位移量代數(shù)和，相加后結(jié)果為：心臟線輪廓。夾緊變形重力變形18

縮短切削力作用點(diǎn)和支承點(diǎn)的距離，也可使用輔助支承提高零件剛度。合理使用機(jī)床：懸伸長(zhǎng)度短、運(yùn)動(dòng)間隙小、不運(yùn)動(dòng)部件要鎖緊。其它措施：補(bǔ)償系統(tǒng)受力變形、轉(zhuǎn)移誤差敏感方向、轉(zhuǎn)移誤差等。3.減小工藝系統(tǒng)受力變形的措施提高工藝系統(tǒng)的剛度：包括結(jié)構(gòu)剛度、連接剛度、接觸剛度等。控制受力大小和方向：通過(guò)合理選擇切削參數(shù)、刀具角度控制切削力或分力的大小，也可利用對(duì)稱(chēng)性抵消作用力；改變切削力的方向，避開(kāi)誤差敏感方向。采用合理的裝夾和加工方式。194.1.5工藝系統(tǒng)熱變形工藝系統(tǒng)熱源：

切削熱、傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦能耗發(fā)熱、派生熱源（切屑、冷卻液落在床身上）、外部熱源。

工藝系統(tǒng)熱變形對(duì)加工精度的影響：（1）機(jī)床由于各部分受熱不均勻，發(fā)生彎曲和扭曲變形，降低了、機(jī)床幾何精度，影響加工精度；（2）加工短小工件，加工可以忽略，但測(cè)量時(shí)要考慮熱脹冷縮；（3）車(chē)長(zhǎng)軸時(shí)，溫度逐漸升高，刀具和工件變形漸大，切除量逐漸增大，加工工件產(chǎn)生圓柱度誤差；均勻熱變形量計(jì)算：（4）工件單面受力（如銑、刨、磨等），一面受熱，工件上拱，加工后加工表面出現(xiàn)中凹。20

減少熱變形影響的措施減少發(fā)熱源：分離電機(jī)、液壓系統(tǒng)等；熱補(bǔ)償：均化溫度場(chǎng)，實(shí)際村各部分溫度均勻；保持系統(tǒng)熱平衡：加工前先預(yù)熱，平衡后在加工；環(huán)境恒溫。21例：1.工件剛度極大，床頭剛度大于床尾，分析加工后加工表面形狀誤差。(a)左小右大錐形；(b)形成內(nèi)凹端面；(c)馬鞍形，小徑靠床頭。2.車(chē)削工件，產(chǎn)生圖示誤差，分析主要原因。(a)錐形：導(dǎo)軌與主軸不平行、刀具磨損；(b)腰鼓形：工件剛性差，產(chǎn)生讓刀；(c)馬鞍形：工件剛性好，機(jī)床兩端剛性差。224.1.6工件內(nèi)應(yīng)力引起的變形工件的內(nèi)應(yīng)力是指當(dāng)外載荷去掉后仍然存在與工件內(nèi)部的應(yīng)力。存在內(nèi)應(yīng)力是工件處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，應(yīng)力變化將產(chǎn)生變形。內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因：1）毛坯制造中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力：在鑄造、鍛造、焊接及熱處理中工件受熱不均及金相組織變化時(shí)體積的變化而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。通常表面（薄的部位）先冷卻凝固，芯部（厚的部位）后冷卻，因此先冷卻部分受壓應(yīng)力，后冷卻部分受拉應(yīng)力。馬氏體的密度?。é民R=7.75），奧氏體的密度大（γ奧=7.96），局部相變體積變大時(shí)受拉應(yīng)力，局部相變體積縮小時(shí)受壓應(yīng)力。2）冷校直引起內(nèi)應(yīng)力：剛性較差的、易變形的細(xì)長(zhǎng)工件，采用冷校直的方法糾正彎曲變形時(shí)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。3）切削加工過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力：切削過(guò)程中切削塑性變形、相變等使工件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力。23

消除內(nèi)應(yīng)力的措施合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)：鑄件、鍛件壁厚均勻，焊接件焊縫分布均勻等；盡量不采用冷校直工藝：精密件嚴(yán)禁冷校直，可熱校直或加大余量多切削；合理安排時(shí)效處理消除內(nèi)應(yīng)力；合理安排工藝過(guò)程：粗加工后過(guò)一定時(shí)間后再精加工，粗加工后松開(kāi)工件重新以較小的力裝夾等。244.1.7加工誤差的綜合1）誤差的性質(zhì)（1）系統(tǒng)誤差：連續(xù)加工一批工件時(shí)，加工誤差的大小和方向保持一定或按某一確定規(guī)律變化。前者稱(chēng)為常值系統(tǒng)誤差，后者稱(chēng)為變值系統(tǒng)誤差。（2）隨機(jī)誤差：連續(xù)加工一批工件時(shí)，加工誤差的大小和方向都是無(wú)規(guī)律地變化。隨機(jī)誤差服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。2）加工誤差的綜合加工誤差的綜合是根據(jù)加工情況分析加工精度的影響因素，分項(xiàng)計(jì)算主要誤差，判斷其性質(zhì)，綜合求得加工誤差。系統(tǒng)誤差按代數(shù)和合成：25

隨機(jī)誤差的合成概率法綜合：其中1.2是隨機(jī)誤差的相對(duì)分布系數(shù)（簡(jiǎn)化近似取值）總的標(biāo)準(zhǔn)偏差：263）加工誤差的統(tǒng)計(jì)分析分布曲線法概率直方圖與分布曲線在正常加工條件下，用調(diào)整法加工一批工件所得的尺寸分布曲線符合正態(tài)分布曲線。27正態(tài)分布曲線正態(tài)分布密度函數(shù):

算術(shù)平均值:（工件尺寸分布中心）

標(biāo)準(zhǔn)偏差（均方根偏差）：

分布概率（分布面積）：其中：28實(shí)例：一批活塞精鏜后銷(xiāo)孔檢驗(yàn)尺寸如表，圖樣尺寸φ28-0.015mm分布中心：標(biāo)準(zhǔn)差：σ=0.0022公差帶中點(diǎn)=28-0.015/2=27.992529不合格品率計(jì)算：1.計(jì)算：2.查表：φ(z)3.計(jì)算：合格品率=φ(z1)+φ(z2)不合格品率：FA=0.5-φ(z1)FB=0.5-φ(z2)30工藝能力系數(shù)工藝能力系數(shù)Cp=T/(6σ)工藝能力系數(shù)工藝方案的工藝能力，通常分為五級(jí)。31例題：車(chē)削一批小軸，直徑φ20-0.1mm，測(cè)量結(jié)果服從正態(tài)分布，公差帶中心與分布中心差0.03mm，標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.025mm，求合格品率和廢品率，工藝能力系數(shù)Cp。解：zA=xA/σ=(T/2+0.03)/σ=(0.1/2+0.03)/0.025=3.2FA=φ(zA)=0.499zB=xB/σ=(T/2-0.03)/σ=(0.1/2-0.03)/0.025=0.8FB=φ(zB)=0.288合格品率=FA+FB=0.787廢品率=1-0.787=0.213工藝能力系數(shù)：Cp=T/(6σ)=0.1/(6*0.025)=0.666732例題：在外圓磨床上加工一批光軸，設(shè)計(jì)要求尺寸為φ40±0.03mm，平均值=40.01mm加工后測(cè)得工件的尺寸呈正態(tài)分布，且已知σ=0.01mm，求：

（1）劃出工件尺寸分布曲線圖和尺寸公差范圍；

（2）計(jì)算工藝能力系數(shù)；

（3）廢品率是多少？能否修復(fù)？1解:（1）分布曲線如圖。（2）工藝能力系數(shù)：

Cp=T/(6σ)=0.06/(6*0.01)=1

（3）不合格品都是尺寸過(guò)大，為可修復(fù)不合格品，不合格品率為：

F=0.5-

(z)=0.5-0.4772=2.28%33

控制圖法：控制圖又稱(chēng)點(diǎn)圖，生產(chǎn)中常用單值控制圖和均值-極差控制圖（-R圖）。1）單值控制圖：一般用于單件加工時(shí)間長(zhǎng)和希望盡早發(fā)現(xiàn)異常，需要逐件畫(huà)點(diǎn)，個(gè)別件的偶然因素影響判斷。2）均值-極差控制圖：344.1.8保證和提高加工精度的途徑減少或消除原始誤差；補(bǔ)償或抵消原始誤差；轉(zhuǎn)移原始誤差；誤差分組；誤差平均法；就地加工法；加工過(guò)程控制法。354.2加工表面質(zhì)量4.2.1表面質(zhì)量的基本概念1）表面質(zhì)量的含義：指零件加工后的表面微觀幾何形狀和表面的物理機(jī)械性能狀態(tài)。表面質(zhì)量包括：表面微觀幾何形狀：表面粗糙度（S/H<40）表面波度（50<S/H<1000)

表面層物理機(jī)械性能：表面層冷作硬化表面層殘余應(yīng)力表面層相變362）表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性的影響：初期磨損快，跑合后進(jìn)入正常磨損。表面粗糙時(shí)，高點(diǎn)干摩擦，磨損快；表面太光潔時(shí)潤(rùn)滑油無(wú)法進(jìn)入，造成材料粘結(jié)磨損，最佳Ra0.32~1.25μm。表面硬化，耐磨性提高。表面相變影響耐磨性。表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響：表面越粗糙，抗疲勞性越差。表面硬化抗疲勞性提高，但硬化程度過(guò)高，易出現(xiàn)疲勞裂紋、剝落現(xiàn)象。表層壓應(yīng)力，提高抗疲勞性，表層拉應(yīng)力，降低抗疲勞性。表面質(zhì)量對(duì)零件耐腐蝕性的影響：表面越粗糙，抗腐蝕能力越差。凹陷處易于雜質(zhì)形成原電池，造成電化學(xué)腐蝕。表面質(zhì)量對(duì)配合性質(zhì)的影響表面質(zhì)量對(duì)接觸剛度的影響：表面越粗糙，接觸剛度越低，聯(lián)接牢固性、接觸位置準(zhǔn)確性越差。374.2.2影響加工表面粗糙度主要因素及其控制l

切削過(guò)程中塑性變形及其它物理因素引起的粗糙度（1）積屑瘤（2）鱗刺：較低速切削塑性較差的材料產(chǎn)生節(jié)狀或粒狀切屑，切屑在前刀面上周期性停留代替前刀面推擠切削層，造成塑性變形向切線以下延伸，造成已加工表面拉應(yīng)力太大而導(dǎo)裂，形成鱗片狀毛刺，這就是鱗刺。（3）刃口擠壓塑性變形（4）材料脆性表面粗糙度產(chǎn)生的原因：l

殘留面積38表面粗糙度產(chǎn)生的原因：l

工藝系統(tǒng)的振動(dòng)自由振動(dòng)：靠系統(tǒng)彈性恢復(fù)力維持的振動(dòng)。強(qiáng)迫振動(dòng)：靠外界周期干擾力持續(xù)作用系統(tǒng)被迫產(chǎn)生振動(dòng)。自激振動(dòng)：系統(tǒng)本身引起的交變力作用而產(chǎn)生的振動(dòng)。切出時(shí)切削力做正功，獲得能量；切入時(shí)做負(fù)功，消耗能量。當(dāng)做正功大于負(fù)功時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)。負(fù)摩擦理論（切屑與刀具摩擦力隨相