機械加工精度與表面質量

機械加工精度與表面質量4.1機械加工精度4.1.1概述機械產品質量是由零件的加工質量和機器的裝配質量兩方面保證的；加工質量是保證機器質量的基礎，直接影響到產品的使用性能和壽命。加工質量一般用機械加工精度和加工表面質量兩個重要指標來表示。1．機械加工精度的基本概念零件加工后的實際幾何參數（尺寸、形狀和相互位置）與理想幾何參數相符合的程度；符合的程度越高，則加工精度越高；理想幾何參數是指圖紙規(guī)定的理想零件的幾何參數，即形狀誤差為零、位置誤差為零、尺寸為零件尺寸公差帶中心（平均值）。零件加工精度包含3個方面的內容：

尺寸精度、形狀精度和位置精度形狀精度應高于相應的尺寸精度；相互位置精度也應高于尺寸精度；形狀精度要求高時，相應的尺寸精度和位置精度不一定要求高。2.獲得加工精度的方法（1）獲得尺寸精度的方法試切法調整法定尺寸刀具法自動控制法（2）獲得形狀精度的方法軌跡法利用切削運動中刀尖的運動軌跡，形成被加工表面形狀精度的方法。仿形法刀具按照仿形裝置進給，對工件進行加工的方法。成形法利用成形刀具對工件進行加工的方法。展成法（滾切法或范成法）利用工件和刀具作展成切削運動進行加工的方法。（3）獲得位置精度的方法直接找正裝夾將工件直接放在機床上，用劃針、百分表和直角尺或通過目測直接找正工件在機床上的正確位置之后再夾緊。劃線找正裝夾工件在切削加工前，預先在毛坯表面上劃出加工表面的輪廓線，然后按所劃的線將工件在機床上找正（定位）再夾緊。用夾具裝夾夾具是用于裝夾工件的工藝裝備（或裝置）。直接找正裝夾劃線找正裝夾影響加工精度的原因機械加工工藝系統(tǒng)是由機床、夾具、刀具和工件組成的；工藝系統(tǒng)各組成部分本身存在各種形式的誤差，這些誤差在不同的加工條件下會以各種不同的方式反映為工件的加工誤差；工藝系統(tǒng)的誤差稱為原始誤差。4.研究加工精度的方法單因素分析法

研究某一確定因素對加工精度的影響規(guī)律，將其余因素盡量縮小和控制，使之對結果影響最小而將研究對象因素放大。統(tǒng)計分析法

以生產中一批工件的實測結果為基礎，用數理統(tǒng)計方法進行數據處理，從中找出加工誤差產生和分布的規(guī)律，用于控制工藝過程的正常進行。4.1.2工藝系統(tǒng)幾何誤差對加工精度的影響1．加工原理采用了近似的成形運動或近似的切削刃輪廓進行加工所產生的加工誤差，也稱為理論誤差。

例如，用齒輪滾刀加工齒輪，存在兩種加工原理誤差：刀具齒廓近似造型誤差，用阿基米得或法向直廓基本蝸桿代替漸開線基本蝸桿造成的；包絡造型原理誤差，由于滾刀齒數有限，加工齒形由許多微小折線段組成，與理論上的光滑漸開線有差異而造成的。2.機床誤差（1）機床主軸回轉誤差

端面圓跳動（軸向竄動）

徑向圓跳動角度擺動主軸回轉誤差的3種基本形式因素：主軸的誤差、軸承的誤差、軸承的間隙、與軸承配合零件的誤差以及主軸系統(tǒng)的徑向不等剛度和熱變形等。刀具回轉或工件回轉（2）機床導軌誤差導軌在水平面內的直線度誤差工件半徑產生誤差導軌在垂直平面內的直線度誤差車刀在垂直面內發(fā)生位移，對加工精度的影響較小。導軌水平面內的直線度誤差

導軌垂直面的直線度誤差前后導軌的平行度誤差（扭曲）切削過程中車床溜板沿導軌縱向移動時發(fā)生傾斜，從而使刀尖相對于工件產生擺動，造成加工表面的形狀誤差（圓柱度誤差）。導軌扭曲對加工精度的影響（3）導軌與主軸回轉軸線的位置誤差若車床導軌與主軸回轉軸線在水平面內有平行度誤差，車出的內外圓柱面會產生錐度誤差。

（4）傳動鏈誤差傳動鏈始末兩端傳動元件之間相對運動的誤差。螺紋加工或用展成法加工齒輪、蝸輪等工件時，

影響加工精度的主要因素。3.工藝系統(tǒng)的其他幾何誤差（1）刀具誤差：制造誤差和刀具的磨損。（2）夾具誤差定位元件、刀具導向件、分度機構、夾具體等的制造誤差；夾具裝配后，元件工作面之間的相對位置誤差；使用過程中工作表面的磨損。（3）裝夾誤差：直接影響位置精度或尺寸精度。（4）測量誤差（5）調整誤差工序中，需要對機床、夾具及刀具進行調整。4.1.3工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度的影響工藝系統(tǒng)在切削力、夾緊力、傳動力、慣性力和重力等的作用下，將產生相應變形，使工件產生加工誤差。受力變形對加工精度的影響產生變形的大小，不

僅取決于作用力的大

小，還取決于工藝系

統(tǒng)的剛度。1.工藝系統(tǒng)剛度剛度概念

K越大，物體或系統(tǒng)抵抗變形能力越強，加工精度就越高。工藝系統(tǒng)的剛度：分別為機床、夾具、刀具、工件的剛度2.工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度的影響切削力作用點位置變化引起工件形狀誤差

機床變形、工件變形、工藝系統(tǒng)變形切削力大小變化引起工件形狀誤差

毛坯余量和材料硬度的不均勻，會引起切削力大小的變化。受力方向變化引起工件形狀誤差如慣性力毛坯形狀誤差的復映慣性力引起的加工誤差其他力引起的加工誤差夾緊力引起的加工誤差

裝夾過程中，由于剛度較低或著力點不當，會引起工件變形，造成加工誤差。重力引起的加工誤差

零部件的自重也會引起變形。例如，龍門刨床、龍門銑床刀架導軌橫梁的變形，銑鏜床鏜桿伸長而下垂變形等，都會造成工件的加工誤差。3．減少工藝系統(tǒng)受力變形的途徑提高接觸剛度提高工件的剛度對剛度較低的工件，如叉架類、細長軸等，主要措施是減小支承間的長度，如安裝跟刀架或中心架。提高機床部件剛度合理裝夾工件，減少夾緊變形4.1.4工藝系統(tǒng)受熱變形對加工精度的影響1.工藝系統(tǒng)的熱源（1）內部熱源切削熱、摩擦熱（電動機、軸承、齒輪等傳動副、導軌副、液壓泵、閥等運動部分產生的摩擦熱）。（2）外部熱源指環(huán)境溫度變化和熱輻射的影響。2.工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度的影響（1）機床的熱變形對加工精度的影響車、銑、鉆、鏜類機床，主軸箱中的齒輪、軸承的摩擦發(fā)熱、主軸箱中油池的發(fā)熱是其主要熱源，使主軸箱及與其相結合的床身或立柱的溫度升高而產生較大的熱變形。幾種機床的熱變形趨勢（2）工件的熱變形對加工精度的影響工件均勻受熱時，其熱變形主要影響工件的尺寸精度，有時也會引起形狀誤差。磨削6級精度的絲杠螺紋，絲杠長度L=3m，熱膨脹系數，每磨一次溫度升高3℃，則被磨絲杠將伸長：6級絲杠的螺距累積誤差在全長上不允許超0.02mm（3）刀具的熱變形對加工精度的影響高速鋼刀具車削時刃部的溫度可高達700～800℃，刀具的熱伸長量可達0.03～0.05mm。其影響不可忽略。（4）減小工藝系統(tǒng)熱變形的措施

減少發(fā)熱量；

熱補償方法減小熱變形；

采用合理的機床部件結構減少熱變形的影響；保持工藝系統(tǒng)的熱平衡，加工前使機床高速運轉；控制環(huán)境溫度。精密機床一般安裝在恒溫車間，恒溫室平均溫度一般為20℃，其恒溫精度一般控制在±1℃，精密級為±0.5℃。4.1.5工件內應力對加工精度的影響工件內應力產生的原因（1）毛坯制造和熱處理過程中產生的內應力在鑄、鍛、焊及熱處理過程中，由于零件壁厚不均勻，使得各部分熱脹冷縮不均勻，以及金相組織轉變時的體積變化，使毛坯內部產生相當大的內應力。（2）冷校直產生的內應力彎曲的工件（原來無內應力）要校直，常采用冷校直的工藝方法。冷校直引起的內應力(3)切削加工產生的內應力切削過程中產生的力和熱，也會使被加工工件的表面層變形，產生內應力。2.減少內應力的措施（1）合理設計零件結構簡化結構，考慮壁厚均勻，減少尺寸和壁厚差，增大零件的剛度，以減少在鑄、鍛毛坯制造中產生的內應力。（2）采取時效處理自然時效（放一段時間），人工時效。（3）合理安排工藝應注意粗、精加工分開；使粗加工后有一定的間隔時間讓內應力重新分布，以減少對精加工的影響。4.2加工精度的統(tǒng)計分析以概率論和數理統(tǒng)計學的原理為理論基礎；通過調查和收集數據，整理和歸納；統(tǒng)計分析和統(tǒng)計判斷，找出產生誤差的原因；采取相應的解決措施。4.2.1加工誤差的統(tǒng)計性質1.系統(tǒng)誤差若誤差的大小和方向保持不變，或者按一定規(guī)律變化即為系統(tǒng)性誤差。前者稱為常值系統(tǒng)性誤差，后者稱為變值系統(tǒng)性誤差。加工原理、機床、刀具、夾具、量具的制造誤差、調整誤差、工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差等都是常值系統(tǒng)性誤差。工藝系統(tǒng)（特別是機床、刀具）的熱變形、刀具的磨損均屬于變值系統(tǒng)性誤差。2.隨機誤差在順序加工一批工件時，若誤差的大小和方向是無規(guī)律的變化，這類誤差稱為隨機性誤差。毛坯誤差的復映、定位誤差、夾緊誤差、內應力引起的誤差、多次調整的誤差都是隨機性誤差。隨機性誤差從表面上看似乎沒有什么規(guī)律，但應用數理統(tǒng)計方法可以找出一批工件加工誤差的總體規(guī)律。4.2.2加工誤差的統(tǒng)計方法分布曲線法1.實際曲線法公差帶中心=28-0.015/2mm=27.9925mm；分散范圍=

最大孔徑-最小孔徑=28.004-27.992=0.012mm；活塞銷孔直徑分散范圍中心=組別尺寸范圍/mm中點尺寸/mm頻數/mj頻率/mj/n127.992～27.99427.99344/100227.994～27.99627.9951616/100327.996～27.99827.9973232/100427.998～28.00027.9993030/100528.000～28.00228.0011616/100628.002～28.00428.00322/100分析結果：（1）分散范圍小于公差帶：0.012<0.015（2）廢品率占18%尺寸分散范圍中心與公差帶中心不重合，表明存在常值系統(tǒng)誤差27.9979-27.9925=0.054mm。（3）將鏜刀伸出量縮短0.054/2(mm)，使尺寸分散范

圍中心與公差帶中心重合，可解決廢品問題?；钊N孔直徑尺寸實際分布曲線2.正態(tài)分布曲線當一批工件總數極多，加工中的誤差是由許多相互獨立的隨機因素引起的，而且這些誤差因素中又都沒有任何優(yōu)勢的傾向時，則其分布是服從正態(tài)分布的。正態(tài)分布曲線工件平均尺寸，影響曲線位置樣本均方根偏差，影響曲線形狀正態(tài)分布曲線特點：曲線以直線左右對稱，呈鐘形，表示尺寸靠近分散中心的工件占大多數；對的正偏差和負偏差的概率相等；分布曲線與x軸所圍成的面積包括了全部零件數，故其面積等于1；在尺寸間的零件的頻率可由積分獲得：在范圍內的零件數所占的面積為99.7%4.3機械加工表面質量機械加工后零件表面層的幾何結構，以及受加工的影響，表面層金屬與基體金屬性質產生變化的情況。機械產品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性，在很大程很大程度上取決于其主要零件的表面質量，零件的磨損、腐蝕和疲勞破壞都是從零件表面開始的。4.3.1機械加工表面質量的含義加工表面質量應包括加工表面的幾何特征和表面層物理力學性能的變化。1.表面的幾何特征零件加工表面的微觀幾何形狀粗糙度和表面波度，一般以波距L和波高H的比值來加以區(qū)分。當L／H<50時為表面粗糙度；當L／H=50～1000則稱為表面波度；當L／H>1000時稱為宏觀幾何形狀，即形狀誤差，屬于加工精度研究范疇。表面粗糙度、波度與宏觀幾何形狀誤差（1）表面粗糙度完成切削運動后刀刃在被加工表面上形成的峰谷不平的痕跡。表面粗糙度參數可從輪廓算術平均值

或輪廓最大高度

兩項中選取，推薦優(yōu)先選用

。（2）表面波度加工過程中工藝系統(tǒng)的低頻振動所引起的周期性誤差，用波度表示。2.表面物理力學性能塑性變形產生的加工硬化；切削或磨削熱引起的金相組織變化；力或熱的作用產生的殘余應力。4.3.2表面質量對零件使用性能的影響1.表面質量對零件耐磨性的影響表面粗糙度值越小，其耐磨性越好；表面粗糙度值太小，不利于潤滑油的儲存，接觸面間產生金屬分子間的親和力，甚至產生分子間的粘合，使摩擦阻力增大，磨損反而增加。2．表面質量對零件疲勞強度的影響表面越粗糙，應力集中越嚴重；減小表面粗糙度值可以提高疲勞強度。3．表面質量對零件耐腐蝕性能的影響小表面粗糙度值可以提高零件的耐腐蝕性。4．表面質量對零件配合性質的影響對于間隙配合，如果零件表面粗糙度太大，初期磨損量就大，工作時配合間隙就會增大，以致改變了原來的配合性質，影響了間隙配合的穩(wěn)定