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1、机械制造技术基础 第5章 机械加工质量及其控制 FUNDAMENTALS OF MACHINERY MANUFACTURING TECHNOLOGY Machining Quality and its Control 1 5.1 概述 5.1.1 机械加工质量的含义 表面（微观）形貌 加工变质层 零件质量 装配质量 机械产品质量 材料，金相组织 (材质) 加工精度，波纹度 ，表面粗糙度 (几何) 加工精度 表面质量 尺寸精度 形状精度 位置精度 机械加工质量 2 加工精度及其发展 车、铣 磨 CNC机床 研磨，工具磨 光学磨，金刚石车、磨 金刚石超精车、磨，电解加工 衍射光栅刻线机 电子束，离
2、子束，X射线 分子束生长，离子注 扫描隧道技术 3 激光反射镜平面度提 高到30nm，表面粗糙度 降低到10nm，反射率将提 高到 99.8%以上。否则， 寿命将大大缩短 磁头与磁盘间的飞行 高度在50nm以下，若进一 步降低将使存储容量呈指 数倍增长 1kg精密陀螺转子的偏 心增加0.5nm，将引起 100m的射程误差和50m的 轨道误差 4 5 机械加工精度的各项指标既有区别，又有联系。 一般情况下，形状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术 机械加工的技术重点 大型工件的加工技术 特殊材料的加工技术 尺寸公差 位置公差 形状公差 表面粗糙度值 6 5.
3、1.2 机械加工精度的获得方法 1尺寸精度的获得方法 手工逐步调刀获得所需尺寸 加工前先调整好刀具位置再进行一批加工 尺寸精度由刀具保证 （钻头、拉刀） 自动化的试切法 试切法 调整法 定尺寸刀具法 自动控制法 2形状精度的获得方法 成形运动法 非成形运动法 仿形法 靠模 展成法 成形表面通过包络形成 轨迹法 车、刨、磨 形状精度超过机床成形运动精度时使用 成形刀具法 成形运动和刃形 7 3位置精度的获得方法 直接装夹 效率高，精度低 找正装夹 高精度，小批 夹具装夹 效率高，精度可满足要求 一次装夹法 多次装夹法 非成形运动法 与机床几何精度有关 位置精度要求极高时采用 与检测精度密切相关
4、8 5.1.3 机械加工表面质量及其对机器使用 性能的影响 表面（微观）形貌 表面层物理机械 性能（ 加工变质层） 机械加工 表面质量 表面粗糙度 表面波纹度 塑性变形引起的冷作硬化 切（磨）削热引起的金相组织变化 力（热）产生的残余应力 1. 机械加工表面质量的含义 9 2. 机械加工表面质量对机器使用性能的影响 （1）影响耐磨性 粗糙度值大，实际接触面积小，接触 应力大，易磨损，耐磨性差。 粗糙度值越小，实际接触面积越大，耐磨性较好。 若粗糙度值过小，可能增加制造成本，且可能破坏润滑油膜，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，但硬化过度 反会使结晶组织出现过度变形，甚至产
5、生裂纹或剥落，使磨损加 剧，使耐磨性降低 。 10 （2）影响疲劳强度 交变载荷作用时，表面粗糙度、划痕及微裂纹等均会引起 应力集中，从而降低疲劳强度。 加工表面粗糙度的纹路方向与受力方向垂直时，疲劳强度 明显降低。 一般加工硬化可提高疲劳强度，但硬化过度则会适得其反 。 残余应力为压应力时，可部分抵消交变载荷施加的拉压力 ，阻碍和延缓裂纹的产生或扩大，从而提高疲劳强度；但为拉 应力时，则会大大降低疲劳强度。 有些加工方法，如滚压加工，可减小粗糙度值、强化表面层 ，使表层呈压应力状态，从而防止产生微裂纹，提高疲劳强度。 11 （3）影响耐蚀性 表面粗糙度值大的表面，腐蚀性物质（气体、液体）容易
6、 渗透到表面的凹凸不平处，从而产生化学或电化学作用而被腐 蚀。 表面微裂纹处容易受腐蚀性气体或液体的侵蚀，如零件表 面有残余压应力，则可阻碍微裂纹的扩展，从而在一定程度上 提高零件的耐蚀性。 12 （4）影响配合性质 影响配合性质最主要因素是表面粗糙度。对于间隙配合， 经初期磨损后，间隙会有所增大，严重时会影响密封性能或导 向精度；对于过盈配合，使计算所得过盈量与实际过盈量有所 不同，成为过渡配合甚至间隙配合，从而可能影响过盈配合的 连接强度。 此外，加工表面质量对零件接触刚度、运动平稳性和噪音 等也有影响。 13 加工误差与原始误差 加工误差加工后每个零件在尺寸、形状、位置 方面与理想零件的
7、差值。 （几何参数的偏差） 5.2 机械加工精度的影响因素及控制措施 原始误差由于机床、刀具、量具、夹具和工件组 成的工艺系统造成加工误差的因素。 5.2.1 机械加工工艺系统原始误差 14 常值 系统性误差 误差的性质 变值 随机性误差 误差敏感方向：加工表面法向原始误差引起的加 工误差最大 误差敏感方向 误差非敏感方向 15 原 始 误 差 机床 夹具 刀具 工件（毛坯） 工艺系统静误差 加工过程中产生的误差 受力变形 热变形 刀具磨损 残余应力变形 工件装夹误差 调整误差 （更换工件、刀具、夹具、量具时调整） 测量误差 （测量方法和量具误差） 原理误差 （阿线滚刀滚切渐开线齿轮、数控插补
8、） 原 有 误 差 16 用模数铣刀铣齿轮时的齿形误差 17 5.2.2 工艺系统原有误差对加工精度的影响与控制 一、影响尺寸精度的主要因素与控制 改善测量方法；提高测量精度 式中， L 为跃进距离；G为工作台重量； 0 ， 分别为静、动摩擦系数； K 为机构传动刚度。 改进工艺方法（精车、精磨、研磨） 减小刀具或磨粒的刃口钝圆半径 re 试切测量精度： 微量进给精度： 微薄切削层的极限厚度： 定位调整精度:减少定位误差；提高进给重复定位精度 提高对尺寸分布中心判断的准确性 18 二、影响形状精度的主要因素与控制 非成形运动法 足够的检测精度 保证形 状精度 的条件 成形运动法 基本成形运动
9、（回转、直线） 相互位置关系 （几何关系） 速度关系 （运动关系） 均准确 19 机械制造新技术： 数控（Numerical ControlNC）技术 加工中心（MC） 工业机器人（Industrial Robot）技术 自适应控制机床（Adaptive Control Machine Tools） 计算机辅助制造（Computer Aided ManufacturingCAM） 计算机数控机床（Computerized Numerical ControlCNC） 20 机械制造新技术： 可变制造系统 柔性制造单元 数字化制造 无人化机械制造厂 现阶段： 互联网技术的迅猛发展（e-制造、网络控
10、制、分 子开关） 工业生产追求更大的投入产出经济效益 智能制造（IMT）、并行工程（CE）、精节生产 （LP） 敏捷制造（AM）、 绿色制造、柔性制 造（FMS）、虚拟制造、超精加工（KDP晶体） 、纳米技术、分子自组装技术（化学、生物） 生物加工的纯铜微齿轮 21 三、影响位置精度的主要因素与控制 刀具切削成形面刀具切削成形面 相互重（接）合的表面之间 有精度关系的表面之间 工件加工面工件加工面 位置精度要求 机床几何精度 一次装夹： 如在龙门铣床、加工中心上加工箱体零件 采用成形运动法时，位置精度的获得与装夹方式有关 22 直接装夹：如用外圆定位在车床上加工齿轮内孔后，再在插 床上加工键槽
11、 工件基准面 机床安装面 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 机床几何 精度 机床几何 精度 23 找正装夹： 如在车床上加工与外圆同轴度要求很高的内孔 工件基准面 机床安装面刀具切削成形面 工件加工面 位置精度 要求 机床几何 精度 可调支承 找正 精度 刀具切削成形面 工件加工面 位置精度 要求 机床几何 精度 找正 精度 24 夹具装夹： 非成形运动法： 检测精度 工件基准面 机床安装面刀具切削成形面 工件加工面 位置精度 要求 机床几何 精度 夹具安装面 对刀导引精度 （找正精度） 夹具定位面 夹具安装 精度 夹具制造 精度 装夹精度
12、 刀具切削成形面 工件加工面 位置精度 要求 机床几何 精度 对刀导引精度 （找正精度） 25 机床的制造误差、安装误差以及在使用过程中精 度保持性被破坏等原因，都将会产生机床几何误差， 进而引起机械加工误差。 四、机床几何误差的影响与控制 机床几何精度 回转运动精度 直线运动精度 成形运动之间的位置精度 传动（速度关系）精度 26 （1） 机床回转运动精度 主要取决于机床主轴的回转精度 主轴回转误差的形式 机床主轴回转精度的高低主 要以在规定测量截面内主轴一转 或数转内诸瞬时回转中心的平均 位置的变化范围来衡量。 瞬时回转中心 1） 主轴回转误差的主要形式 27 以滑动轴承为例 车床：主轴受
13、力方向不变，故轴径形状精度影响最大;轴孔、 前后轴径以及轴承孔的同轴度、配合精度、装配精度 等也有影响。 镗床：主轴受力方向不断改变，故主要取决于主轴轴承孔的形 状精度。 主轴径向跳动 将会造成什么 加工误差？ 2） 影响主轴回转精度的主要因素 径向跳动 28 轴向窜动 滑动轴承主轴的轴向窜动量取决于止推（承载）轴承副 中端面与主轴轴线垂直度较高者 影响滚动轴承主轴轴向窜动的主要 因素有： 滚道与轴线的垂直度 滚动体形状误差（轴向间隙变化） 尺寸一致性（承载不均而降低刚度） 主轴轴向窜动将会造成什么加工误差？ 29 角度摆动 主要取决于主轴前后支承跳动（跳动量、相位等 ）的综合影响 3）提高回
14、转运动精度的措施 不仅影响圆度，而且影响圆柱度 镗模；固定顶尖定位，修磨顶尖孔；采用无心磨加工 用精密滚动轴承并加预载，消除间隙、提高刚度 改进滑动轴承结构（短三瓦自位轴承） 使用液、气静压轴承，刚度高、精度高、工艺性好 隔离主轴回转误差的影响： 提高主轴回转精度： 30 （2） 机床直线运动精度 主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不 均匀磨损有关。 以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化， 且影响轴向形状： 1）导轨误差形式及其影响 y y 导轨在铅垂面内的直线度y 可忽略不计 31 （2） 机床直线运动精度 主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不 均匀磨损
15、有关。 以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化， 且影响轴向形状： 1）导轨误差形式及其影响 x x 导轨在水平面内的 直线度x 误差敏感方向 32 （2） 机床直线运动精度 主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不 均匀磨损有关。 以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化， 且影响轴向形状： 1）导轨误差形式及其影响 x 双导轨间在铅垂方向 的平行度n 33 （2） 机床直线运动精度 主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不 均匀磨损有关。 以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化， 且影响轴向形状： 1）导轨误差形式及其影响 导轨在水平面内的 直线度x 导轨在铅垂面内的 直线度y 双导轨间在铅垂方向 的平行度n 误差敏感方向 可忽略不计 在平面磨床上加工时情况又如何？ 34 2）提高导轨
