《機械制造工藝》第三章

第三章機械加工質(zhì)量3.1機械加工精度3.2機械加工表面質(zhì)量3.1機械加工精度1．加工精度與加工誤差機械加工精度是指零件加工后的實際幾何參數(shù)（尺寸、形狀及表面間的相互位置）與理想幾何參數(shù)的符合程度。而加工后，零件的實際幾何參數(shù)與理想幾何參數(shù)的偏差程度即為加工誤差從保證產(chǎn)品的使用性能分析，允許有一定的加工誤差；從加工的角度分析，加工后實際幾何參數(shù)與理想幾何參數(shù)絕對符合也是不可能的，也允許有一定的加工誤差。只要加工誤差不超過圖樣規(guī)定的偏差，即為合格品。分析和研究加工誤差產(chǎn)生的原因，掌握其變化規(guī)律，是保證和提高零件加工精度的主要措施。3.1.1概述2．影響加工精度的因素原始誤差與工藝系統(tǒng)初始狀態(tài)有關(guān)與切削過程的物理因素變化有關(guān)工件相對于刀具在靜止狀態(tài)下已存在的誤差機床傳動誤差工件的裝夾誤差機床主軸回轉(zhuǎn)誤差夾具誤差調(diào)整誤差刀具誤差機床導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差工件殘余應(yīng)力引起的變形工藝系統(tǒng)受熱變形工藝系統(tǒng)受力變形刀具磨損測量誤差工件相對于刀具在運動狀態(tài)下已存在的誤差加工原理誤差在切削加工中，各種原始誤差的大小和方向各不相同，對加工精度的影響也是不相同的。因此，在分析原始誤差對加工精度的影響的時候，應(yīng)該找出對加工誤差影響最大的方向（即誤差的敏感方向）和對加工誤差影響最小的方向（即誤差的不敏感方向）。研究加工精度的方法有兩種：單因素分析法和統(tǒng)計分析法。在實際生產(chǎn)中，常常將這兩種方法結(jié)合起來應(yīng)用，一般先用統(tǒng)計分析法尋找誤差的出現(xiàn)規(guī)律，初步判斷產(chǎn)生加工誤差的可能原因，然后運用單因素分析法進行分析、試驗，以便很快地、有效地找出影響加工精度的主要原因。3．研究加工精度的方法3.1機械加工精度1．加工原理誤差因采用了近似的成形運動或近似的刀刃輪廓進行加工而產(chǎn)生的誤差稱為加工原理誤差。2．機床幾何誤差機床的幾何誤差主要是機床主軸回轉(zhuǎn)誤差、機床導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差和傳動鏈傳動誤差。1）機床主軸回轉(zhuǎn)誤差（1）概念主軸回轉(zhuǎn)誤差是指主軸的瞬時回轉(zhuǎn)軸線對其理論回轉(zhuǎn)軸線在規(guī)定測量平面內(nèi)的變動量。3.1.2

工藝系統(tǒng)的幾何誤差（2）對加工精度的影響主軸回轉(zhuǎn)誤差直接影響被加工工件的加工精度，如工件表面的幾何形狀精度、位置精度和表面粗糙度。主軸回轉(zhuǎn)誤差有三種基本形式：徑向圓跳動、端面圓跳動和角度擺動。如圖3-2所示。圖3-3主軸純徑向圓跳動對車削圓度的影響如圖3-3所示，主軸的徑向圓跳動主要影響工件圓柱面的精度。車削時，假設(shè)主軸的徑向圓跳動是在與其實際軸線垂直的y方向上作簡諧直線運動，工件表面

在與車刀相固連的坐標系（Om；x，y，z）中的坐標為圖3-2主軸回轉(zhuǎn)誤差的基本形式（a）徑向圓跳動（b）端面圓跳動（c）角度擺動圖3-4主軸純徑向圓跳動所以有

，略去二次誤差

，則有鏜削時，如圖3-4所示，刀尖切到a′1處時，a′1在與加工表面相固連的直角坐標系（Om；x，y，z）中的坐標為此式表明，鏜刀鏜出的孔是橢圓形的，圓度誤差為A。圖3-5主軸純端面圓跳動主軸的端面圓跳動對圓柱面的加工精度沒有影響，但在加工端面時，它會影響端面形狀和軸向尺寸精度。如圖3-5所示。端面對軸線的垂直度誤差隨切削半徑的減小而增大，其關(guān)系為在加工螺紋時，主軸的端面圓跳動會使加工的螺紋產(chǎn)生螺距的周期性誤差。（3）影響主軸回轉(zhuǎn)精度的主要因素

影響主軸回轉(zhuǎn)精度的主要因素主要有主軸誤差（如主軸支承軸頸的圓度誤差、同軸度誤差等）、軸承誤差（如滑動軸承內(nèi)孔或滾動軸承滾道的圓度誤差、軸承的間隙、軸承配合的誤差等）、主軸系統(tǒng)的徑向不等剛度及熱變形。對于不同類型的機床，其影響因素也各不相同。對工件回轉(zhuǎn)類機床（如車床、外圓磨床等），因切削力的方向不變，主軸回轉(zhuǎn)時，作用在支承上的作用力方向也不變，因此軸承孔與主軸軸頸接觸點的位置基本不變，因而，主軸的支承軸頸的圓度誤差影響較大，而軸承孔的圓度誤差影響較小，如圖3-6（a）所示；對于刀具回轉(zhuǎn)類機床（如鉆床、鏜床等），刀具與主軸一起旋轉(zhuǎn)，切削力方向隨旋轉(zhuǎn)方向而改變，此時軸承孔的圓度誤差影響較大，主軸承支承軸頸的圓度誤差影響較小，如圖3-6（b）所示。圖3-6兩類主軸回轉(zhuǎn)誤差的影響（a）工件回轉(zhuǎn)類機床（b）刀具回轉(zhuǎn)類機床①提高主軸部件的制造精度。②對滾動軸承進行預(yù)緊，使其消除間隙，甚至產(chǎn)生微量過盈。③使主軸的回轉(zhuǎn)誤差不反映到工件上，如在外圓磨床上采用兩固定頂尖支承，主軸只起傳動作用，工件的回轉(zhuǎn)精度完全由頂尖和頂尖孔的精度決定，而不依賴于主軸的回轉(zhuǎn)精度。這是保證工件形狀精度的最簡單又有效的方法。（4）提高主軸回轉(zhuǎn)精度的措施2）機床導(dǎo)軌誤差（1）導(dǎo)軌在水平面內(nèi)直線度誤差的影響，如圖3-7所示。（2）導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)直線度誤差的影響，如圖3-8所示。（3）前后導(dǎo)軌的平行度誤差的影響，如圖3-9所示。（4）導(dǎo)軌對主軸回轉(zhuǎn)軸線平行度的影響圖3-7磨床導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差圖3-8磨床導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)直線度誤差圖3-9車床前、后導(dǎo)軌間的平行度誤差3）機床傳動鏈誤差（1）概念所謂傳動鏈傳動誤差是指內(nèi)聯(lián)系的傳動鏈中首末兩端傳動元件之間相對運動的誤差。例如，在滾齒機上用單頭滾刀加工直齒輪，這種工件與刀具間嚴格的運動關(guān)系由刀具與工件間的傳動鏈來保證。如圖3-10所示，其傳動關(guān)系可具體表示為圖3-10滾齒機傳動鏈圖

傳動鏈傳動誤差一般可用傳動鏈末端元件的轉(zhuǎn)角誤差來衡量。由于各傳動件在傳動鏈中所處的位置不同，它們對工件加工精度（即末端件的轉(zhuǎn)角誤差）的影響也不同。設(shè)滾刀軸均勻旋轉(zhuǎn)，若齒輪z1有轉(zhuǎn)角誤差

，而其他各傳動件無誤差，則傳到末端件（亦即第n個傳動元件）上所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角誤差

為各傳動件對工件精度影響的總和

為各傳動元件所引起末端元件轉(zhuǎn)角誤差的迭加，即如果考慮到傳動鏈中各傳動元件的轉(zhuǎn)角誤差都是獨立的隨機變量，則傳動鏈末端元件的總轉(zhuǎn)角誤差可用概率法估算，即（2）傳動鏈誤差的傳遞系數(shù)（3）減少傳動鏈誤差的措施為了減少機床傳動鏈傳動誤差對工件加工精度的影響，可以采取減少傳動環(huán)節(jié)（即減少傳動元件個數(shù)）以縮短傳動鏈；提高傳動副（特別是末端元件）的制造和裝配精度以減少傳動間隙；在傳動鏈中按降速比遞增的原則分配各傳動副的傳動比；采用誤差校正裝置消除誤差等措施。

3．其他幾何誤差1）刀具誤差機械加工中常用的刀具有三類：一般刀具、定尺寸刀具和成形刀具。夾具的誤差主要指：①定位元件、刀具導(dǎo)向元件、分度機構(gòu)及夾具體等的制造誤差；②夾具上各元件的工作面間的相對尺寸誤差；③夾具在使用過程中工作表面的磨損。2）夾具誤差工件在加工過程中要用各種量具、量儀進行測量，而量具本身的制造誤差、測量時的接觸力、示值讀識的正確程度以及環(huán)境溫度等，都會直接影響加工誤差。因此，要正確地選擇和使用量具，以保證測量精度。3）測量誤差3.1機械加工精度1．基本概念工藝系統(tǒng)是指在切削加工中由機床、刀具、夾具和工件組成的封閉系統(tǒng)。例如，車削細長軸時，在切削力作用下，工件產(chǎn)生彎曲變形，使加工后的軸出現(xiàn)中間粗兩頭細的圓柱度誤差，如圖3-11（a）所示。又如，在內(nèi)圓磨床上用橫向切入法磨孔時，磨頭主軸彎曲變形會使磨出的孔出現(xiàn)帶有錐度的圓柱度誤差，如圖3-11（b）所示。圖3-11工藝系統(tǒng)受力變形引起的加工誤差（a）（b）3.1.3工藝系統(tǒng)的受力變形根據(jù)剛度的定義，機床剛度

，夾具剛度

，刀具剛度

及工件剛度

分別為工藝系統(tǒng)的受力變形是加工中一項很重要的原始誤差，而工藝系統(tǒng)受力變形通常是彈性變形。工藝系統(tǒng)抵抗彈性變形的能力用剛度k來描述。工藝系統(tǒng)在法向分力Fy上的位移量

是工藝系統(tǒng)各組成部分在切削力的結(jié)果，即代入式上式得此式表明，當(dāng)知道工藝系統(tǒng)各個組成部分的剛度，即可求出系統(tǒng)剛度。用剛度一般式來求解工藝系統(tǒng)剛度時，應(yīng)針對具體情況加以分析與簡化，對加工精度影響很小的可略去不計。2．工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度的影響1）切削力作用點位置變化引起的形狀誤差（1）在車床兩頂尖間車削短而粗的光軸圖3-12工藝系統(tǒng)變形隨受力點變化而變化如圖3-12所示，工藝系統(tǒng)總變形顯然，當(dāng)

時，

；當(dāng)

時，

；當(dāng)

時，

。還可以求出當(dāng)

時，工藝系統(tǒng)剛度最大，變形最小，即再求得上述數(shù)據(jù)中最大值與最小值的差值，就得到車削時圓柱度誤差。其中x0（主軸箱處）LLLL（中點）LL

L（尾座）yxt0.01250.01110.01040.01020.01030.01070.01180.0125

表3-1沿工件長度的變形mm【例】設(shè)

，

，

，

，工件長

，則沿工件長度上系統(tǒng)的位移如表3-1所示。工件的圓柱度誤差為，根據(jù)表3-1中數(shù)據(jù)，可做出該零件加工的變形曲線，。變形大的地方，從工件上切去的金屬層??；變形小的地方，切去的金屬層厚，因此機床受力變形后使加工出來的工件呈中間細、兩端粗的鞍形，如圖3-13所示。圖3-13工件在頂尖上車削后的形狀（2）在車床兩頂尖間車削剛性差的細長軸在切削力作用下，工件的變形大大超過機床、夾具和刀具的變形量，此時不考慮機床夾具與刀具的變形，工藝系統(tǒng)的變形完全取決于工件的變形。其變形量可由材料力學(xué)公式來計算，即在分析切削力著力點對工藝系統(tǒng)的影響時，若要考慮機床和工件同時變形，則工藝系統(tǒng)的總變形為二者的疊加。工藝系統(tǒng)剛度隨受力點位置變化而變化的例證很多，如立式車床、龍門刨床、龍門銑床等的橫梁及刀架，大型銑鏜床滑枕內(nèi)的軸等，其剛度均隨刀架位置或滑枕伸出長度不同而不同，如圖3-14所示，其分析方法與上例相同。顯然，當(dāng)

或

時，

；當(dāng)

時，工件剛度最小，變形最大，

。因此，加工后工件呈鼓形，圖3-14工藝系統(tǒng)隨受力點位置變化而變形的情況2）切削力大小變化引起的加工誤差當(dāng)毛坯誤差較大，一次進給不能滿足加工精度要求時，可增加走刀次數(shù)來減小工件的復(fù)映誤差。設(shè)ε1，ε2，ε3，…分別為第一次、第二次、第三次、……走刀時的誤差復(fù)映系數(shù)，則圖3-15零件形狀誤差的復(fù)映在切削加工中，由于被加工表面的幾何形狀等原因，往往會引起切削力的變化，從而造成工件的加工誤差。以車削為例，假設(shè)工件毛坯存在圓度誤差（如橢圓），使切削時刀具的切削深度在ap1與ap2之間變化，如圖3-15所示，現(xiàn)對其進行分析。由于毛坯形狀誤差或材料硬度不均勻而引起切削力變化，使工件產(chǎn)生相應(yīng)誤差的現(xiàn)象叫做“誤差復(fù)映”。毛坯圓度的最大誤差為由以上分析可知，毛坯有形狀誤差（如圓度、圓柱度、直線度等）或相對位置誤差（如偏心等）以及毛坯硬度或材質(zhì)不均勻，加工后仍然會產(chǎn)生同類誤差的解決方法就是通過多次走刀來提高加工精度。車削后工件的圓度誤差3）其他力引起的加工誤差圖3-17慣性力引起的加工誤差圖3-16著力點不當(dāng)引起的加工誤差

①夾緊力引起的加工誤差。如圖3-16所示。

③慣性力引起的加工誤差。高速切削時，工藝系統(tǒng)中的高速旋轉(zhuǎn)的不均衡的零部件（包括刀具、夾具及工件等）將產(chǎn)生離心力。離心力在工件的每一轉(zhuǎn)中不斷變更方向，引起Fy的大小變化，使工藝系統(tǒng)的受力也隨之變化而產(chǎn)生加工誤差。如圖3-17所示的加工將產(chǎn)生圓度誤差。

②重力引起的加工誤差。工藝系統(tǒng)中有關(guān)零部自身的重力也會引起相應(yīng)變形，如龍門銑床橫梁變形、搖臂鉆床的搖臂變形、鏜床鏜桿下垂變形等，都會造成加工誤差。3．機床部件剛度1）機床部件剛度的測定機床由許多零件組成，受力時各零件的彈性變形不相同，使機床整體受力變形變得復(fù)雜。測定方法有靜態(tài)測定法和工件狀態(tài)測定法兩種。2）影響機床部件剛度的因素（1）連接表面間的接觸變形由于零件表面存在著宏觀的幾何形狀誤差與微觀的表面粗糙度，因此，零件間實際接觸狀態(tài)為表面間相對凸起的峰點面接觸，所以實際接觸面積只是理論接觸面積的一小部分。當(dāng)外力作用時，接觸面上將產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力而引起接觸變形，其中既有表面層的彈性變形，也有局部塑性變形。試驗表明，接觸表面間載荷增大，壓強增大，接觸變形也增大，接觸剛度也將隨之增大。同時連接表面間的接觸剛度受接觸表面材料、硬度、表面的紋理方向等諸多因素的影響。（3）部件中薄弱零件的變形部件中的薄弱零件受力后會產(chǎn)生很大的變形，使整個部件的剛度降低。（2）零件間的摩擦力和接合面的間隙機床部件受力變形時，零件接觸表面間會發(fā)生相對錯動，加載時摩擦力阻礙變形發(fā)生；卸載時摩擦力阻礙變形恢復(fù)。配合件受單向載荷后，間隙消除，表面相互接觸剛度增大，對加工精度影響減小。4．減小工藝系統(tǒng)受力變形的措施1）提高連接表面的接觸剛度部件由零件連接而成，實體零件的剛度一般都大大高于部件接觸面的接觸剛度，所以，提高接觸剛度是提高工藝系統(tǒng)剛度的關(guān)鍵。2）提高工件的剛度加工中，切削力引起的加工誤差，往往是由于工件本身剛度不足或其各部位剛度不均勻而產(chǎn)生的，特別是叉架類、細長軸等零件，其本身的剛度較低，非常容易變形。所以，如何提高工件的剛度是提高加工精度的關(guān)鍵。如圖3-18所示。圖3-18增加支承提高工件剛度（a）采用跟刀架（b）采用中心架圖3-19提高部件剛度的裝置3）提高機床部件的剛度在切削加工中，有時由于機床部件剛度低而產(chǎn)生變形和振動，影響加工精度。提高機床部件剛度的方法通常是采用一些輔助裝置。如圖3-19所示。圖3-20工件夾緊變形引起的加工誤差4）合理裝夾工件在工件裝夾時，要根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)特點，選擇適合的裝夾方法裝夾工件，以減小夾緊變形。例如，加工套類工件時，若裝夾不當(dāng)，夾緊時，套筒由于彈性變形而成為三棱形，如圖3-20所示。又如磨削薄片工件，若毛坯翹曲，當(dāng)磁力將工件夾緊時，工件產(chǎn)生彈性變形，磨完后松開工件，彈性恢復(fù)又使磨平的工件表面翹曲。改進的辦法是在工件與磁力吸盤之間加墊薄橡皮墊。當(dāng)工件被吸緊時，橡皮墊被壓縮，使工件變形減?。辉僖阅ズ玫谋砻娑ㄎ?，磨另一面。如圖3-21所示。圖3-21薄片工件的磨削（a）毛坯翹曲（b）吸盤吸緊（c）磨后松開（f）磨后松開（d）磨削凸面（e）磨削凹面5．工件殘余應(yīng)力引起的變形1）殘余應(yīng)力的產(chǎn)生圖3-22鑄件殘余應(yīng)力的形成及變形（1）毛坯制造和熱處理中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力圖3-22所示為一個截面內(nèi)厚外薄的鑄件在澆鑄后的冷卻過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力的情況。圖3-23冷校直引起的殘余應(yīng)力（2）冷校直引起的殘余應(yīng)力如圖3-23（a）所示，工件在反向外力F作用下，產(chǎn)生反向彎曲。這時工件上層受壓應(yīng)力，下層受拉應(yīng)力，應(yīng)力分布情況如圖3-23（b）所示，表層為塑性變形區(qū)，里層為彈性變形區(qū)。除去外力后，彈性區(qū)開始恢復(fù)，使殘余應(yīng)力重新分布，如圖3-23（c）所示。冷校直后雖然減小了彎曲，但工件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)再次進行加工時，又會產(chǎn)生新的變形。（a）冷校直方法（b）加載時殘余應(yīng)力的分布（c）卸載后殘余應(yīng)力的分布2）減少或消除殘余應(yīng)力的措施

①合理設(shè)計零件結(jié)構(gòu)。在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計中，盡量簡化結(jié)構(gòu)，縮小各部分厚薄差異，增大零件剛度，減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

③合理安排工藝過程。安排機械加工工藝時，把粗、精加工分開在不同的工序中進行，使粗加工后有一定的時間讓工件的殘余應(yīng)力重新分布，減小對精加工的影響。加工大型工件時，粗、精加工往往在一個工序中完成，這時應(yīng)在粗加工之后松開工件，讓工件有自由變形的可能，再用較小的夾緊力夾緊工件進行精加工。

②采用消除殘余應(yīng)力的熱處理工序。對鑄、鍛、焊接件進行退火或回火；對淬火件進行回火；對床身、絲杠、箱體、精密主軸等精度要求高的零件，粗加工后進行時效處理。（3）切削加工所引起的殘余應(yīng)力工件在切削加工中，由于切削力和摩擦力的作用，工件表面層金屬會發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。3.1機械加工精度3.1.4工藝系統(tǒng)的熱變形1．內(nèi)部熱源

2)摩擦熱

摩擦熱主要是機床傳動系統(tǒng)（包括液壓傳動系統(tǒng)）中運動部件產(chǎn)生的，如電動機、軸承、齒輪、絲杠副、導(dǎo)軌副、液壓泵、液壓閥等各運動部件產(chǎn)生的摩擦熱1)切削熱切削熱是切削過程中切削層金屬的彈性變形、塑性變形以及刀具與工件、切屑間的摩擦所產(chǎn)生的，是切削過程中最主要的熱源。切削熱由切屑、工件、刀具、夾具、機床及周圍介質(zhì)傳出。各部分傳出的熱量與切削條件及各部分材料的導(dǎo)熱性能有關(guān)。2．外部熱源工藝系統(tǒng)的外部熱源主要是環(huán)境溫度變化和熱輻射對機床熱變形的影響。它對大型精密工件的加工有較大影響。由于作用于工藝系統(tǒng)各組成部分的熱源的發(fā)熱量及位置不同，作用時間也不相同，而工藝系統(tǒng)各部分的熱容量與散熱條件也不一樣，因此，系統(tǒng)的各部分的溫升是不相同的。即使是同一物體上處于不同空間位置的各點，在不同時間其溫度也是不相同的。物體中各點溫度的分布稱為溫度場。當(dāng)物體未達到熱平衡時，各點溫度不僅是坐標位置的函數(shù)，也是時間的函數(shù)，這種溫度場稱為不穩(wěn)態(tài)溫度場。物體達到熱平衡后，各點溫度將不再隨時間而變化，而是其坐標位置的函數(shù)，這種溫度場則稱為穩(wěn)態(tài)溫度場。處于穩(wěn)態(tài)溫度場時引起的加工誤差是有規(guī)律的，有利于保證工件的加工精度。3．減少工藝系統(tǒng)熱變形的主要措施①減少熱源的發(fā)熱及其影響。②

加強散熱能力。③均衡溫度場。④采用合理的機床部件結(jié)構(gòu)。⑤加速達到并保持熱平衡狀態(tài)。⑥控制環(huán)境溫度。3.1機械加工精度3.1.5提高加工精度的工藝措施如剛度差的細長軸類工件在加工時容易產(chǎn)生彎曲變形和振動，為減小其受力彎曲而產(chǎn)生的加工誤差，可采取下列措施：尾座頂尖用彈性頂尖，減少進給力和熱應(yīng)力導(dǎo)致的工件壓彎；采用反向進給方式，工件在Fx力作用下，能向右伸長；使用跟刀架增加剛度；采用較大主偏角的車刀及較大的進給量，增大Fx，以抑制振動，使切削平穩(wěn)，如圖3-24所示。圖3-24不同進給方向車削細長軸的比較1．減少或消除原始誤差在切削加工中，提高機床、夾具、刀具的精度和剛度，減小工藝系統(tǒng)受力、受熱變形等，都可以直接減小原始誤差。為了有效地提高加工精度，首先要查明影響加工精度的主要原始誤差，再根據(jù)該項誤差及加工的具體情況采取相應(yīng)的措施。2．轉(zhuǎn)移原始誤差轉(zhuǎn)移原始誤差就是將原始誤差從誤差的敏感方向轉(zhuǎn)移到誤差的非敏感方向上，這樣在未減少原始誤差的條件下，也可以獲得較高的加工精度。例如，轉(zhuǎn)塔車床轉(zhuǎn)塔刀架轉(zhuǎn)位誤差的轉(zhuǎn)移，如圖3-25所示。3．補償或抵消原始誤差補償或抵消誤差，是人為地造成一種新的原始誤差，去抵消加工過程中原有的原始誤差，從而達到減小加工誤差，提高加工精度的目的。誤差補償是一種有效而經(jīng)濟的方法，結(jié)合現(xiàn)代計算機技術(shù)，能夠達到很好的效果，在實際生產(chǎn)中得到了廣泛運用。圖3-25轉(zhuǎn)塔車床轉(zhuǎn)塔刀架轉(zhuǎn)位誤差的轉(zhuǎn)移3.1機械加工精度3.1.6加工誤差的統(tǒng)計分析法1．加工誤差的性質(zhì)1）系統(tǒng)性誤差根據(jù)誤差的大小和方向的不同，系統(tǒng)性誤差可分為常值系統(tǒng)性誤差和變值系統(tǒng)性誤差。2）隨機性誤差在順序加工一批工件時，誤差的大小和方向不同且呈無規(guī)則變化的稱為隨機性誤差。對于隨機性誤差，從表面上看似沒有什么規(guī)律，但應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計的方法，可以找出一批工件加工時誤差的總體規(guī)律，查出產(chǎn)生這些誤差的原因，然后在工藝上采取相應(yīng)的解決措施。常用的誤差統(tǒng)計分析方法有分布圖分析法和點圖分析法。2．分布圖分析法1）實際分布圖——直方圖直方圖是以工件尺寸（組距為單位長）為橫坐標，以頻率密度為縱坐標的表示該工序加工尺寸的實際分布圖。如圖3-26所示。通過觀察直方圖圖形，判斷生產(chǎn)過程是否穩(wěn)定，估計生產(chǎn)過程的加工質(zhì)量及產(chǎn)生廢品的可能性，分析誤差產(chǎn)生的原因、誤差與基本尺寸偏移的程度，找出解決的辦法。要進一步分析該工序的加工精度問題，必須找出頻率密度和加工尺寸間的關(guān)系，因此必須研究理論分布曲線。圖3-26直方圖（1）正態(tài)分布正態(tài)分布曲線的形狀如圖3-27所示，其概率密度的函數(shù)表達式為2）理論分布圖——正態(tài)分布曲線圖圖3-27正態(tài)分布曲線圖3-28正態(tài)分布曲線及其特征（2）正態(tài)分布的特征參數(shù)μ和

為正態(tài)分布曲線的兩個重要的特征參數(shù)。μ確定分布曲線的位置，μ和公差帶中心的差值反映常值系統(tǒng)性誤差的大小。

決定了分布曲線的形狀和分散范圍。若μ保持不變，

值越小則曲線形狀越陡峭，尺寸分散范圍越小，加工精度越高；反之曲線形狀越平坦，尺寸分散范圍越大，加工精度越低。

的大小反映了隨機性誤差對工件尺寸的影響。隨機性誤差越大，則

越大，如圖3-28所示。①曲線對稱于直線

，靠近μ的工件尺寸出現(xiàn)的概率較大，遠離μ的工件尺寸出現(xiàn)的概率小。②對μ的正偏差和負偏差，其概率相等。③分布曲線與橫坐標圍成的面積代表了一批工件的全部（100%），其相對面積為1。當(dāng)

（即

）時，曲線圍成的面積為0.9973，即99.73%的工件尺寸落在

范圍內(nèi)，僅有0.27%的工件在范圍之外，可以忽略不計。因此，正態(tài)分布曲線的分散范圍一般取為

。（或）是一個很重要的概念，在研究加工誤差時應(yīng)用很廣。的大小代表了某種加工方法在一定條件下（如毛坯余量、機床、夾具、刀具、切削用量等）所能達到的加工精度。從正態(tài)分布圖上可以看出以下特征：（2）判別加工誤差的性質(zhì)鑄、鍛、焊接件進行退火或回火；對淬火件進行回火；對床身、絲杠、箱體、精密主軸等精度要求高的零件，粗加工后進行時效處理。3）分布圖分析法的應(yīng)用（1）確定工序加工方法的精度對于給定的加工方法，由于其隨機性因素影響下所得的加工尺寸的分布符合正態(tài)分布，因而，可以在多次統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，求得給定加工方法的標準偏差

值。然后，按

確定該加工方法的精度。（3）判斷工序能力及其等級工序能力等級可以用工序能力系數(shù)來表示，工序能力系數(shù)為根據(jù)工序能力系數(shù)Cp的大小，可將工序能力分為五個等級，如表3-2所示。一般情況下，工序能力不應(yīng)低于二級，即Cp＞1。CpCp>1.671.67

Cp>1.331.33

Cp>1.01.0Cp>0.670.67Cp工序能力等級特級一級二級三級四級工序能力判斷工序能力

過高工序能力足夠工序能力勉強工序能力

明顯不足工序能力

很差表3-2工序能力等級（4）估算不合格品率正態(tài)分布曲線與橫坐標所包圍的面積代表一批工件的總數(shù)100%，如果尺寸分散范圍超出工件的公差帶T，肯定要產(chǎn)生廢品。如圖3-29（a）所示，在曲線下E，F(xiàn)兩點間面積（陰影部分）代表合格品率，而兩側(cè)的空白部分則是不合格品率。當(dāng)加工外圓表面時，圖中E點左邊空白部分為不可修復(fù)的廢品率，F(xiàn)點右邊的空白部分則為可修復(fù)的不合格品率；加工孔時，恰好相反。對于某一規(guī)定的x范圍的曲線面積，如圖3-29（b）所示，可用下面的積分式求得

①不能反映誤差的變化趨勢。分析加工誤差時，沒有考慮到工件加工的先后順序，難把變值系統(tǒng)性誤差與隨機性誤差的影響區(qū)分開來。4）分布圖分析法的缺點

②分布圖分析法是要等到一批工件加工完成后才能進行的，它不能在加工過程中及時提供控制精度的信息。圖3-29廢品率的估算（a）兩側(cè)分布（b）單側(cè)分布正態(tài)分布的總面積為

令則3.2機械加工表面質(zhì)量3.2.1加工表面質(zhì)量的概念1．加工表面質(zhì)量的含義1）表面幾何形狀特征經(jīng)任何機械加工方法加工后得到的加工表面都不可能是絕對理想的表面，總有峰谷交替的小波紋，偏離理想的光滑表面而形成微小的幾何形狀誤差。按加工表面特征，有如下分類：表面粗糙度表面波度表面?zhèn)?）表面層的物理力學(xué)性能①表面層加工硬化（冷作硬化）。加工后表面層強度、硬度提高的現(xiàn)象。②表面層金相組織改變。加工后表面層的金相組織發(fā)生改變，不同于基體組織。③表面層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。加工后殘存在工件表面層與基體間的應(yīng)力。2．表面質(zhì)量對零件使用性能的影響1）表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響

①表面粗糙度的影響。在一定的工作條件下，一對摩擦表面的粗糙度通常存在一個最佳值。根據(jù)實驗分析，表面粗糙度值Ra約為0.32～1.25μm。

②表面硬化的影響。零件加工表面的加工硬化，使兩接觸表面間的彈性與塑性變形減小，硬度提高從而提高耐磨性。③金相組織變化的影響。在磨削時，由于切削溫度的影響會引起加工表面金屬的金相組織改變，從而使表面層硬度下降，耐磨性降低。2）表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響

①表面粗糙度的影響。表面粗糙度越大，微觀輪廓凹谷的夾角和曲率半徑一般就越小，在交變應(yīng)力作用下，就越容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋，引起疲勞破壞。

②加工硬化的影響。零件表面的硬化層能阻止疲勞裂紋的生長和擴大，有助于提高疲勞強度。但加工硬化程度也不能過大，否則容易產(chǎn)生裂紋。③殘余應(yīng)力的影響。表面殘余應(yīng)力對零件疲勞強度的影響較大。

相互配合的零件間的配合關(guān)系是用間隙值或過盈量來表示的。對于間隙配合，若表面粗糙度過大，則初期磨損量較大，從而增大配合間隙，改變配合性質(zhì)，降低配合精度；對于過盈配合，若表面粗糙度過大，則兩配合表面的凸峰容易被擠平，從而減少配合的實際過盈量，降低配合表面的結(jié)合強度。3．表面質(zhì)量對配合精度的影響①表面粗糙度的影響。表面粗糙度對零件的耐腐蝕性能有較大影響，表面粗糙度越大，其表面上的凹谷越深，與氣體、液體接觸的面積越大，越容易沉積腐蝕性介質(zhì)而產(chǎn)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，所以零件的耐腐蝕性就越差。②表面層殘余應(yīng)力的影響。零件表面存在殘余壓應(yīng)力時，其組織較致密，能阻止表面裂紋的進一步擴張，腐蝕性介質(zhì)不易滲入，有利于提高表面抗腐蝕能力。4．表面質(zhì)量對零件的耐腐蝕性的影響3.2機械加工表面質(zhì)量3.2.2影響加工表面粗糙度的工藝因素及其控制措施1．影響加工表面粗糙度的工藝因素①幾何因素。磨削表面是由砂輪上大量的磨粒擠壓、刻劃出的無數(shù)條壓痕和溝槽形成的。

②物理因素。引起磨削表面粗糙度的物理因素即表面層金屬的塑性變形。2．影響磨削表面粗糙度的因素及其控制措施1）砂輪粒度的影響砂輪粒度號越大，磨粒的粒度就越細，砂輪表面單位面積上的磨粒就越多，磨削表面刻痕就越細，表面粗糙度就越小。但砂輪粒度號也不宜過大，否則，會引起砂輪塞屑，使磨削性能降低，引起燒傷，增大表面粗糙度，如圖3-30所示。圖3-30砂輪粒度與表面粗糙度的關(guān)系2）砂輪硬度的影響砂輪的硬度是指磨粒在磨削力作用下，從砂輪上脫落下來的難易程度。4）磨削用量的影響提高砂輪速度vs有利于減小磨削表面粗糙度。砂輪速度vs越大，單位時間內(nèi)參與切削的磨粒越多，殘余面積減?。煌瑫r，會使工件表面金屬來不及變形，表面粗糙度降低，如圖3-31（a）所示。工件速度vw增大，塑性變形增大，同時會使單位時間內(nèi)磨削工件表面的磨粒數(shù)減少，表面粗糙度增大，如圖3-31（b）所示。橫向進給量（背吃刀量ap）對表層金屬塑性變形的影響很大。增大背吃刀量，單顆磨粒的磨屑厚度增大，磨削力增大，工件變形增大，表面粗糙度增大，如圖3-31（c）所示。3）砂輪修整質(zhì)量的影響砂輪的修整是恢復(fù)砂輪的正確形狀與磨削能力。。圖3-31磨削用量對表面粗糙度的影響（a）（b）（c）3.2機械加工表面質(zhì)量3.2.3影響零件表面層物理力學(xué)性能的主要因素及其控制措施1．表面層的加工硬化

1）加工硬化產(chǎn)生的原因機械加工過程中，工件表面層受切削力作用，產(chǎn)生塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生滑移，晶粒被拉長，形成纖維狀組織，使表面層金屬的硬度增加，這種現(xiàn)象稱為加工硬化或冷作硬化。2）加工硬化的表示方法評定加工硬化的指標有三項：①表面層金屬的顯微硬度HV；②硬化層深度h（μm）；③硬化程度N，其計算公式為3）影響加工硬化的因素刀具刃口半徑（rn）和后刀面的磨損對表面層的加工硬化有決定性影響。刃口半徑增大，切屑變形增大，徑向切削分力增大，后刀面對工件的擠壓、摩擦作用加劇，工件塑性變形增大，硬化程度增大，硬化層深度也增大。因此，增大刀具前角與減小刃口半徑都能減小切屑變形，減小硬化程度。（1）刀具幾何形狀的影響圖3-32切削用量對加工硬化的影響（2）切削用量的影響切削用量中，對加工硬化影響最大的是切削速度和進給量。隨著進給量增大，切削力也增大，表面層金屬的塑性變形增大，硬化程度加劇。但當(dāng)進給量過?。ㄈ?為0.05～0.08mm）時，可能使切削厚度小于刀具刃口半徑，此時刀具與工件摩擦力加劇，使加工硬化現(xiàn)象反而增大。背吃刀量對表層金屬加工硬化的影響不大，如圖3-32所示。（3）被加工材料的影響工件材料硬度越低，塑性越大，切削后硬化程度越嚴重。有色金屬及合金的熔點低，易回復(fù)，硬化現(xiàn)象較鋼材輕很多。根據(jù)不同的工件材料和加工條件，采用合適的切削液，有助于減輕加工硬化現(xiàn)象。2．表層殘余應(yīng)力①冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力。切削過程中，在切削力作用下，金屬切削層產(chǎn)生劇烈的塑性變形，使金屬表層的比容積增大，體積增大，但其變化受到與之相連的里層金屬的阻礙而在表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。②熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力。切削過程中，在切削熱的作用下，加工表面的表面層產(chǎn)生熱膨脹，但金屬基體溫度較低，阻礙表層金屬的熱塑變形而使表層產(chǎn)生壓應(yīng)力。③金相組織變化引起的殘余應(yīng)力。切削時，當(dāng)工件表面溫度高于金屬相變溫度，會引起金屬表層金相組織變化。2）影響殘余應(yīng)力的因素（1）切削加工在切削加工中，凡影響加工硬化、熱塑性變形及金相組織變化的因素，都會引起表面殘余應(yīng)力。影響較大的因素有工件材料、切削速度、刀具前角等，且一種因素在不同的切削條件下，其影響是不相同的。（2）磨削加工磨削加工中，塑性變形嚴重，且磨削熱量大，工件表面溫度高，因而，熱因素與塑性變形對工件表層殘余應(yīng)力的影響都很大。首先，磨削深度ap對工件表層殘余應(yīng)力的性質(zhì)、大小有很大影響。其次，工件材料及其熱處理狀態(tài)對殘余應(yīng)力的性質(zhì)、磨削裂紋產(chǎn)生有很大關(guān)系。圖3-33磨削深度對工件表層殘余應(yīng)力的影響如圖3-33所示。首先，磨削深度ap對工件表層殘余應(yīng)力的性質(zhì)、大小有很大影響。其次，工件材料及其熱處理狀態(tài)對殘余應(yīng)力的性質(zhì)、磨削裂紋產(chǎn)生有很大關(guān)系。1）表層金相組織變化與磨削燒傷的原因機械加工過程中，當(dāng)切削熱的作用使工件表面層溫度超過工件材料的相變臨界溫度時，工件表層的金相組織就會發(fā)生變化。在一般的切削加工中，切屑能帶走大部分的切削熱。磨削淬火鋼時，在工件表層形成的瞬時高溫將使表層金屬產(chǎn)生三種金相組織變化，即三種磨削燒傷：回火燒傷、淬火燒傷和退火燒傷。磨削燒傷時，因磨削熱不同，其表面變質(zhì)層深度不同，往往呈現(xiàn)黃、褐、紫、青等不同的燒傷顏色。這些不同的燒傷顏色即使在最后的光磨中被磨去，但實際上燒傷層并未被完全除去，將會給零件工作帶來隱患。2．表層金屬金相組織變化與磨削燒傷（1）合理選擇磨削用量工件圓周進給速度增大，磨削區(qū)表面溫度增高，由于熱源的作用時間減短，燒傷減輕，但工件表面粗糙度會增大。一般采用提高砂輪磨削速度來彌補。因此，為了減輕磨削燒傷又能得到較小的表面粗糙度，可以同時提高磨削速度和工件圓周進給速度。2）改善磨削燒傷的工藝措施（2）工件材料工件材料的硬度和強度越高，韌性越大，熱導(dǎo)率越小，磨削時的磨削熱越多，相應(yīng)的磨削區(qū)的溫度越高。但工件材料的硬度過低，砂輪易堵塞，磨削的效果也不好。（3）正確選擇砂輪砂輪硬度太高，磨粒磨鈍后不易脫落，易引起燒傷。所以，選用粒度大的、較軟的砂輪能提高砂輪的磨削性能，又不易塞屑，有利于防止發(fā)生燒傷。砂輪結(jié)合劑最好采用具有一定彈性的材料，如樹脂、橡膠等。（4）改善冷卻條件由于砂輪高速旋轉(zhuǎn)而使其表面上產(chǎn)生強大的氣流層，使切削液很難進入磨削區(qū)內(nèi)，不能有效降低磨削區(qū)的溫度。因而通常用的冷卻方法效果較差。改善措施有：采用特殊噴嘴并增大流量；采用內(nèi)冷卻式冷卻法，切削液通過砂輪的孔隙灑向砂輪四周邊緣，直接進入磨削區(qū)，發(fā)揮其有效的冷卻作用；采用開槽砂輪，在砂輪的圓周上開上一些橫槽，將冷卻液帶入磨削區(qū)，防止工件燒傷。零件表層的殘余應(yīng)力對零件或機器的工作性能有直接影響，而表層殘余應(yīng)力的性質(zhì)主要取決于零件最終加工工序的加工方法。因此，零件最終工序加工方法的選擇，應(yīng)考慮該零件的具體工作條件及可能產(chǎn)生的破壞形式。受交變應(yīng)力作用的零件，從提高零件疲勞強度出發(fā)，應(yīng)選擇使零件產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力、避免產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的最終加工方法。4．提高和改善零件表層物理力學(xué)性能的措施1）選擇適當(dāng)?shù)淖罱K工序加工方法圖3-34應(yīng)力分布圖（a）滑動摩擦（b）滾動摩擦

作相對滑動的兩個零件，滑動面將逐漸產(chǎn)生磨損。引起滑動磨損有多方面原因，既有滑動磨損的機械作用，也有黏結(jié)、擴散與氧化磨損等物理化學(xué)因素的綜合作用?；瑒幽p工作應(yīng)力的分布，如圖3-34（a）所示。作相對滾動的兩個零件，其相對運動面也存在機械或滾動摩擦作用，也存在黏結(jié)、擴散、氧化等物理化學(xué)因素的綜合作用，滾動面同樣將逐漸磨損，如圖3-34（b）所示。表3-3各種加工方法在工件表層產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力加工方法殘余內(nèi)應(yīng)力分布殘余內(nèi)應(yīng)力值/MPa殘余內(nèi)應(yīng)力深度h/mm車削一般情況下，表面受拉，里層受壓；磨削速度為10m/s，表面受壓，里層受拉200～800，刀具磨損后達1000

一般情況下，h為0.05～0.10；當(dāng)

用大負前角

）車刀、vc很大時，h可達0.65磨削一般，表面受壓，里層受拉200～10000.05～0.30銑削同車削600～1500—碳鋼淬硬表面受壓，里層受拉400～750—鋼珠滾壓鋼件表面受壓，里層受拉700～800—噴丸強化鋼件表面受壓，里層受拉1000～1200—滲碳淬火表面受壓，里層受拉1000～1100—鍍鉻表面受拉，里層受壓400—鍍鋼表面受拉，里層受壓200—（2）滾壓加工滾壓加工是利用具有較高硬度的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)下對工件表面進行擠壓，使其產(chǎn)生塑性變形，經(jīng)過滾壓，使工件表面上原有的凸峰填充到相鄰的凹谷中去，減小表面粗糙度值，并且由于表層金屬晶格發(fā)生畸變而產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力，提高了零件的承載能力和疲勞強度。（3）噴丸強化噴丸強化是利用大量高速運動的珠丸（直徑為0.4～4mm）打擊工件表面，使工件表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力，以提高零件的疲勞強度和使用壽命。3.2機械加工表面質(zhì)量3.2.4機械加工中的振動1．機械加工中的強迫振動

1）強迫振動產(chǎn)生的原因①高速旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量不平衡引起的振動，如齒輪、帶輪、砂輪、軸、聯(lián)軸器、離合器、電動機轉(zhuǎn)子等。②往復(fù)運動件的慣性力引起的振動，如刨削運動、拉削運動等，往復(fù)運動部件在改變運動方向時所產(chǎn)生的慣性沖擊往往是最強烈的振源。③斷續(xù)切削的周期性沖擊引起的振動，如在銑削、拉削等加工中，刀齒在切入或切出工件時，都會產(chǎn)生較大沖擊而引起振動。④傳動機構(gòu)的缺陷引起的振動，如平帶接頭連接不良、軸承滾動體大小不一、液壓傳動中的沖擊現(xiàn)象都會引起強烈振動。⑤系統(tǒng)外部的周期性激振力引起的振動，如附近機床的振動的影響。2）強迫振動的特性機械加工中的強迫振動與一般機械振動中的強迫振動沒有本質(zhì)上的區(qū)別。簡化工藝系統(tǒng)的強迫振動，使之成為一個單自由度振動系統(tǒng)，且不考慮很快衰減的自由阻尼振動部分，則進入穩(wěn)定狀態(tài)的強迫振動的運動方程式為強迫振動的特性如下①強迫振動是由周期性激振力引起的，不會被阻尼衰減掉。振動本身也不能改變激振力。②強迫振動的頻率與激振力的頻率相同。③強迫振動的振幅不但與激振力的振幅有關(guān)，還與工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性有關(guān)。

④強迫振動的位移總是比激振力滯后一定的相位角

，若

（或系統(tǒng)阻尼為零），則

，此時位移與激