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1、第4章 数控加工质量 4.1 加工精度 4.2 表面质量 习 题 第4章 数控加工质量 第4章 数控加工质量 4.1 加 工 精 度 4.1.1 加工精度的概念 所谓加工精度，是指零件加工后的几何参数（尺寸、几何 形状和相互位置）的实际值与理想值之间的符合程度，而它们 之间的偏离程度（即差异）则为加工误差。加工误差的大小反 映了加工精度的高低。加工精度包括如下三个方面。 第4章 数控加工质量 (1) 尺寸精度：限制加工表面与其基准间的尺寸误差不 超过一定的范围。 (2) 几何形状精度：限制加工表面的宏观几何形状误差 ， 如圆度、圆柱度、平面度、直线度等。 (3) 相互位置精度：限制加工表面与其
2、基准间的相互位 置误差，如平行度、垂直度、同轴度、位置度等。 第4章 数控加工质量 4.1.2 影响加工精度的主要因素 1. 工艺系统的几何误差 1) 加工原理误差 加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮 廓进行加工而产生的误差。 由于数控机床一般只具有直线和圆弧插补功能（少数数控 机床具备抛物线和螺旋线插补功能），因而即便是加工一条平 面曲线， 也必须用许多很短的折线段或圆弧去逼近它。刀具 连续地将这些小线段加工出来，也就得到了所需的曲线形状。 逼近的精度可由每根线段的长度来控制。因此，在曲线或曲面 的数控加工中， 刀具相对于工件的成型运动是近似的。 第4章 数控加工质量 采用近
3、似的成型运动或近似的刀刃轮廓，虽然会带来加工 原理误差， 但往往可简化机床结构或刀具形状，提高生产效 率，且能得到满足要求的加工精度。因此，只要这种方法产生 的误差不超过允许的误差精度，往往比准确的加工方法能获得 更好的经济效果，在生产中仍能得到广泛的应用。 第4章 数控加工质量 2) 调整误差 （1） 试切法。单件小批生产中普遍采用试切法。加工时 先在工件上试切，根据测得的尺寸与图样要求的差值，来调 整刀具与工件的相对位置，然后再进行试切、再测量、再调 整，直至符合规定的尺寸要求后才正式切削出整个待加工表 面。用试切法所带来的调整误差有测量误差、机床进给机构 的位移误差。 第4章 数控加工质
4、量 （2） 调整法。在成批大量的生产中，广泛采用试切法 （或样件、样板）调整好刀具与工件的相对位置，然后保持 这种相对位置不变来加工一批零件，从而获得所要求的零件 尺寸。 第4章 数控加工质量 3) 机床误差 （1） 主轴回转误差。机床主轴是用来传递主要切削运动 并带动工件或刀具作回转运动的重要零件。其回转运动精度 是机床主要精度指标之一，主要影响零件加工表面的几何形 状精度、位置精度和表面粗糙度。主轴回转误差主要包括其 径向圆跳动、轴向窜动和摆动。 造成主轴径向圆跳动的主要原因是轴径与轴承孔圆度不 高、轴承滚道的形状误差、轴与孔安装后不同轴以及滚动体 误差等。主轴径向圆跳动将造成工件的形状误
5、差。 第4章 数控加工质量 （2） 导轨误差。导轨是确定机床主要部件相对位置的 基准件，也是运动的基准，它的各项误差直接影响着工件的 精度。以数控车床为例， 当床身导轨在水平面内出现弯曲（ 前凸）时，工件上产生腰鼓形（如图4-1(a)所示）误差； 当 床身导轨与主轴轴心在垂直面内不平行时，工件上会产生鞍 形（如图4-1(b)所示）误差；而当床身导轨与主轴轴心在水 平面内不平行时，工件上会产生锥形（如图4-1(c)所示）误差 。 第4章 数控加工质量 图4-1 机床导轨误差对工件精度的影响 (a) 腰鼓形； (b) 鞍形； (c) 锥形 第4章 数控加工质量 4) 夹具误差 产生夹具误差的主要原
6、因是各夹具元件的制造、装配及 夹具在使用过程中工作表面的磨损。 夹具误差将直接影响到工件表面的位置精度及尺寸精度 ， 其中对加工表面的位置误差影响最大。 为了减少夹具误差所造成的加工误差，夹具的制造误差 必须小于工件的公差，一般常取工件公差的1/31/5。对于 容易磨损的定位元件和导向元件，除应采用耐磨性好的材料 制造外，还应采用可拆卸结构，以便磨损到一定程度时能及 时更换。 第4章 数控加工质量 5) 刀具误差 刀具的制造和磨损是产生刀具误差的主要原因。刀具误 差对加工精度的影响，因刀具的种类、材料等的不同而异。 （1）定尺寸刀具（如钻头、铰刀、键槽铣刀、镗刀块 及圆拉刀等）的尺寸精度将直接
7、影响工件的尺寸精度。 （2） 成型刀具（如成型车刀、成型铣刀、成型砂轮等 ）的形状精度将直接影响工件的形状精度。 第4章 数控加工质量 （4） 一般刀具（如车刀、铣刀、镗刀）的制造精度对 加工精度没有直接影响。 刀具在切削过程中都不可避免地要产生磨损，刀具的磨 损会影响刀具与工件被加工表面的相对位置，直接造成工件 的尺寸误差和形状误差。 第4章 数控加工质量 2. 工艺系统受力变形引起的加工误差 工艺系统在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力 等的作用下， 会产生相应的变形（一般来说，工艺系统的受 力变形通常是弹性变形），从而破坏已调好的刀具与工件之 间的正确位置，使工件产生几何形状误差和尺
8、寸误差。 例如车削细长轴时，在切削力的作用下，工件因弹性变 形而出现“让刀”现象，使工件产生腰鼓形的圆柱度误差， 如图4-3(a)所示。又如，在内圆磨床上用横向切入法磨孔时 ，由于内圆磨头主轴的弯曲变形， 磨出的孔会出现带有锥度 的圆柱度误差，如图4-3(b)所示。 第4章 数控加工质量 图4-3 工艺系统受力变形引起的加工误差 (a) 腰鼓形圆柱度误差； (b) 带有锥度的圆柱度误差 第4章 数控加工质量 3. 工艺系统热变形产生的误差及改善措施 1) 机床的热变形 引起机床热变形的因素主要有电动机、电器和机械动力源 的能量损耗转化发出的热；传动部件、运动部件在运动过程中 发生的摩擦热；切屑
9、或切削液落在机床上所传递的切削热； 还有外界的辐射热等。这些热都将或多或少地使机床床身、 工作台和主轴等部件发生变形， 如图4-5所示。 第4章 数控加工质量 图4-5 机床热变形对加工精度的影响 (a) 车床的热变形； (b) 铣床的热变形 第4章 数控加工质量 2) 工件的热变形 产生工件热变形的主要原因是切削热的作用，工件因受 热膨胀而影响其尺寸精度和形状精度。 为了减小工件热变形对加工精度的影响，常常采用切削 液冷却带走大量热量；也可通过选择合适的刀具或改变切削 参数来减少切削热的产生；对大型或较长的工件，采用弹性 后顶尖，使其在夹紧状态下末端能有自由伸缩的可能。 第4章 数控加工质量
10、 4.1.3 提高加工精度的途径 1. 误差预防技术 误差预防技术是指采用相应措施来减少或消除误差，亦即 减少误差源或改变误差源与加工误差之间的数量转换关系。 例如，在车床上加工细长轴时，因工件刚性差，容易产生 弯曲变形而造成几何形状误差。其主要原因是径向力Fp顶弯工 件，轴向力Ff在顺向进给时压弯工件，切削热使工件产生热伸 长从而增大了轴向力等。为减少或消除误差，可采用如下一些 措施： 第4章 数控加工质量 （1） 采用跟刀架，消除径向力Fp的影响。 （2） 采用较大的主偏角车刀可增大轴向力Ff ，工件在强 有力的拉伸作用下还能消除径向颤动， 使切削平稳。 第4章 数控加工质量 2. 误差补
11、偿技术 误差补偿技术是指在现存的原始误差条件下，通过分析 、 测量进而建立数学模型，并以这些原始误差为依据，人为 地在工艺系统中引入一个附加的误差，使之与工艺系统原有 的误差相抵消，以减小或消除零件的加工误差。 例如数控机床采用的滚珠丝杠，为了消除热伸长的影响 ， 在精磨时有意将丝杠的螺距加工得小一些，装配时预加载 荷拉伸，使螺距拉大到标准螺距，产生的拉应力用来吸收丝 杠发热引起的热应力。 第4章 数控加工质量 4.2 表 面 质 量 4.2.1 表面质量的概念 1. 表面层的几何形状 加工后的表面几何形状总是以“峰”和“谷”交替出现的 形式偏离其理想的光滑表面 第4章 数控加工质量 2. 表
12、面层的物理力学性能 表面层的物理力学性能主要包括下述三个方面。 （1） 表面层的冷作硬化：指零件加工表面层产生强烈 的塑性变形后，其强度、硬度有所提高的现象。 （2） 表面层的残余应力：指加工中由于切屑的变形和 切削热的影响，材料表层内产生的残余应力。 （3） 表面层金相组织的变化：指表面层因切削热（特 别是磨削）使工件表层金相组织发生的变化。 第4章 数控加工质量 4.2.2 表面质量对零件使用性能的影响 1. 对零件耐磨性的影响 零件的耐磨性与摩擦副的材料、表面硬度和润滑条件有 关，在这些条件已确定的情况下，零件的表面质量就起着决 定性作用。 当两个零件的表面接触时，其表面的凸峰顶部先接触
13、， 其实际接触面积远远小于理论上的接触面积。表面越粗糙， 实际的接触面积就愈小，凸峰处的单位面积压力就会增大， 表面更容易磨损。即使在有润滑油的条件下，也会因接触处 的压强超过油膜张力的临界值，破坏了油膜的形成而加剧表 面层的磨损。 第4章 数控加工质量 表面层的加工硬化使零件的表面层硬度提高，从而使零件 的耐磨性提高，一般能提高0.51倍。但如果冷作硬化过度， 会使金属组织疏松，零件的表面层金属变脆，甚至出现剥落现 象， 磨损反而会加剧，使耐磨性下降。 第4章 数控加工质量 2. 对零件疲劳强度的影响 表面质量对零件疲劳强度影响很大，因为在交变载荷的 作用下，零件表面微观上不平的凹谷处和表面
14、层的划痕、裂 纹等缺陷处容易引起应力集中，从而产生和扩大疲劳裂纹， 造成零件的疲劳破坏。试验表明，减小表面粗糙度可以使零 件的疲劳强度提高。因此，对于一些重要零件的表面，如连 杆、曲轴等，应进行光整加工，以减小零件的表面粗糙度， 提高其疲劳强度。 第4章 数控加工质量 3. 对零件耐腐蚀性能的影响 零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于零件的表面粗糙度 。 零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质而发生化学腐蚀 ， 凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈； 在不同材料表面凸 峰间还容易产生电化学作用而引起电化学腐蚀。因此，降低 零件的表面粗糙度可以提高零件的耐腐蚀性能。 表面残余应力对零件的耐腐蚀性能也有较大影
15、响。表面 冷作硬化或金相组织变化，往往会引起表面残余应力。零件 表面的残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入， 可增强零件的耐腐蚀性；而表面残余拉应力则会降低零件的 耐腐蚀性。 第4章 数控加工质量 4. 对配合性质及其他方面的影响 互相配合的零件，如果其配合表面粗糙，若是间隙配合会 使配合件很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，降低配合 精度；若是过盈配合，则装配后配合表面的凸峰被挤平， 有 效过盈量减小，影响配合的可靠性。因此，对有配合要求的表 面，必须规定较小的表面粗糙度。 总之，零件的表面质量对零件的使用性能、寿命的影响都 是很大的。 第4章 数控加工质量 4.2.3 影响表面质
16、量的因素及改善途径 1. 影响表面粗糙度的工艺因素及改善措施 1） 工件材料 一般韧性较大的塑性材料加工后表面粗糙度较大；对于 同种材料，金相组织的粒度愈细，热处理后得到的硬度愈高 ， 加工后表面粗糙度就愈小。因此，为了减小加工表面的粗 糙度，常在切削加工前对材料进行调质或正火处理，以获得 均匀、 细密的晶粒组织和较大的硬度。 第4章 数控加工质量 2） 切削用量 在低速切削或变速切削时，切屑和加工表面的塑性变形小 ，也不容易产生积屑瘤，因此加工表面粗糙度值小。但是在一 定切削速度范围内加工塑性材料时，由于容易产生积屑瘤和鳞 刺且塑性变形较大，因而表面粗糙度值较大，如图4-9所示。切 削脆性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响较小。 减小进给量可减小残留面积高度，使表面粗糙度值降低。 但当进给量太小而刀刃又不够锋利时，刀刃不能切削而是挤压 ，这就增大了工件的塑性变形，反而使粗糙度值增大。 切削深度对表面粗糙度的影响不明显
