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1、机械制造技术基础第6章 机械加工质量的影响因素及控制FUNDAMENTALS OF MACHINERY MANUFACTURING TECHNOLOGY Machining Quality and its Control 表面（微观）形貌加工变质层机械加工表面质量表面粗糙度表面波纹度轮廓算术平均偏差Ra微观不平度10点高度Rz直线波纹度平均波幅Wz圆周波纹度平均波幅Wz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）产生的残余应力研究热点之一基本概念RZHRZ 6.1 概 述加工变质层的雷德（H.Rether）模型压缩区塑性变形区。是由切削力造成的结晶组织变化层。此区最外层为纤维化
2、层，是由刀具与切削层间的摩擦挤压造成的，还有切削热造成的表面层的强化或弱化等等，存在着由塑性变形、切削热及金相组织变化引起的残余应力。该层也称应力变质层。吸附层在最外层。生有氧化膜或化合物并吸收渗进某些气体、液体或固体粒子。亚表层6.1.2 机械加工精度的获得方法一、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尺寸刀具法自动控制法二、形状精度的获得方法成形运动法非成形运动法成形刀具法 形状精度决定于成形运动和刃形展成法 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如：0级平
3、板的加工仿形法 形状精度决定于靠模的精度三、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（机床不能满足要求）6.1.3机械加工表面质量对机器使用性能和寿命的影响（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，甚至产生裂纹或剥落，使磨损加剧，使耐磨性降低。（2
4、）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。6.1.3机械加工表面质量对机器使用性能和寿命的影响（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）容易渗透到表面的凹凸不平处，从而产
5、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。 （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，加工表面质量对运动平稳性和噪音等也有影响。加工误差与原始误差 机械加工工艺系统的概念 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差值。 （几何参数的偏差） 6.2 机械加工精度的影响因素及
6、其控制原始误差由于机床、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。误差分类原始误差：统计误差：从影响零件加工精度的本质上分（单因素）从性质上分（多因素）原 始 误 差原 有 误 差机床 夹具(制造误差)刀具(制造、安装) 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 工艺系统磨损 残余应力变形工件装夹误差（定位、夹紧）除此外：对定、过程调整误差 （更换工件、刀具、夹具、量具时进行调整）测量误差 （测量方法和量具误差）原理误差（渐开线齿轮、数控插补、英制螺纹）6.2.3 受力、热、 磨损、残余应力6.2 机床几何误差原始误差概念分析原有误差对零件加工精度的影响及
7、控制：误差敏感方向：加工表面法向原始误差所引起的加工误差最大误差敏感方向误差非敏感方向误差的性质 6.3 加工误差的统计分析常值变值随机性误差系统性误差统计误差概念ZX12fy XYxRxRxRyRy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（激光测距、非接触式测量、激光干涉仪、光删尺） 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 。(1/3-1/10) e试切测量精度：微量进给精度：控制刀具或工件 微量进给（会出 现：爬行现象）
8、微薄切削层的极限厚度：定位调整精度:(a) 减少定位误差；(b) 提高进给重复定位精度; (c) 提 高对尺寸分布中心判断的准确性二、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采用成形运动法时，位置精度的获得与装夹方式有关结论：影响位置精度的是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结论：影响位置精度的是机
9、床几何精度直接装夹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）结论：影响位置精度的是对刀导引精度、装夹精度三、影响形状精度的主要因素与控制 基本成形运动 （回转、直线）成形运动法 相互位置关系 （几何关系） 均准确保证形状精度 (针对于机床) 速度关系 （运动关系）的条件（怎样保证） 非成形运动法 足够的检测精度(机床无法满足) 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，
10、都将会产生机床几何误差，进而引起机械加工误差。 6.2.3 机床几何误差及其对加工精度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）精度会对零件的加工精度造成 影响：主要指形状精度运动本身及相 互关系均要准 确，否则1. 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。瞬时回转中心如是滚动轴承：车、铣床影响零 件加工精度的主 要因素是什么？影响主轴回转精度的主要因素（1）径向跳动以滑动轴承为例 车床： 主轴受力方向不变，故轴径形状精度对零件加
11、工精度影响最大 ； 轴孔、前后轴径及轴承孔的同轴度、配合精度、装配精度等也有影响。结论：零 件加工后的形状精度与轴颈（圆度）一致。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。结论： 零件加工后的形状精度（圆度）与轴承孔（圆度）一致。 （2）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？（ 提示：加工表面）（3）角度摆动提高回转运动精度的措施用精密滚动轴承并加预载，消除间隙、提高刚
12、度提高主轴回转精度 改进滑动轴承结构 短三瓦自位轴承.ppt用液、气静压轴承，刚度高、精度高、工艺性好保证工件回转精度不仅影响圆度，而且影响圆柱度固定顶尖定位，修磨顶尖孔；采用无心磨加工无 心磨削原理.ppt主要取决于主轴前后支承跳动（跳动量、相位等）的综合影响2. 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。 导轨在水平面内的直线度导轨在铅垂面内的直线度双导轨间在铅垂方向的平行度以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化，且影响轴向形状：误差敏感方向可忽略不计提高导轨直线运动精度的措施合理的导轨形状和组合形式改善制造精度、接触精度和精度保持性采用静压导轨
13、（液、气体）90o 双三角导轨，适当加长工作台配磨、刮研，耐磨损均化作用，防磨损直线电机驱动液体静压导轨 （350UPL） Nanotech 350UPL 是单点金刚 石切削（SPDT）加工的极品 HIT-1型超精密机床局部图3. 成形运动间位置关系精度 圆柱面成为 双曲面平面成为 内凹或外凸圆柱面成为 圆锥面车削时：刀具直线运动与工件回 转轴线不垂直刀具与工件回转轴线在 空间交错不平行刀具直线运动与工件回 转轴线在zx（水平面内 ）面内不平行d - d相互位置关系精度将直接影响工件的形状精度镗削时： 若工件直线进给运动与镗杆回转轴线不平行铣削时： 若端铣刀回转轴线与工作台直线进给运动不垂直移
14、位加工可使误差从 减小至移位方向圆孔成为椭圆孔平面下凹光学零件超精密磨削工艺中，中心高位置对零件加工精度的影响。对零件形状精度的影响金刚石砂轮修整装置非球曲面加工后照片金刚石砂轮修整照片(a) 修整前(b) 修整后提高相互位置关系精度的措施Tetraform C 使用几何精度高的机床（决定因素）保证高精度的零部件制造、总装调试和维修误差检测与补偿（在已有机床上进行）4. 成形运动间速度关系精度 -车、磨螺纹以及滚齿、插齿、磨齿等加工，要求各成形运动之间具有准确的速度关系。 滚齿机刀具与工件间 的运动关系提高成形运动速度关系精度的措施 尽量减少传动件数目，缩短传动链长度（最好1个） 采用降速传动链保证高精度的传动零部件制造、总装调试和维修 传动误差检测与补偿(大小相等、方向相反的误差) 影响速度关系精度的因素 机床传动链中各传动元件的制造误差、装配误差以及磨损
