机械加工质量分析及控制

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1、第第3 3章章 机械加工质量分析及控制机械加工质量分析及控制 第一节 概述 第二节 影响加工精度的主要因素及其控制 第三节 加工误差的综合分析 第四节 影响表面质量的因素及其控制 第五节 机械加工中振动的基本知识第一第一节节节节 概概 述述一、加工精度和表面质量的概念机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。 表面质量指零件表面的几何特征和表面层的物理力学性能。1.加工表面几何特征 加工表面的几何特征，主要由表面粗糙度和 表面波度两部分组成（见图3-1）。图3-1 加工表面的几何形状特征2.加工表面层物理力学性能变化（1）表面层的冷作硬化 （2）表面

2、层残余应力的形成 （3）表面层的金相组织变化图3-2 二、加工精度的获得方法1.尺寸精度的获得方法 （1）试切法 （2）定尺寸刀具法 （3）调整法 （4）自动控制法2.形状精度的获得方法（1）轨迹法 （2）成形法 （3）展成法3.位置精度的获得方法（1）一次装夹获得法 当零件上有相互位置精度 要求的各表面是在同一次装夹中加工出来时，表 面相互位置精度是由机床有关部分的相互位置精 度来保证的。 （2）多次装夹获得法 当零件上有相互位置精度 要求的各表面被安排在不同的安装中加工时，零 件表面的相互位置精度主要取决于安装精度。三、表面粗糙度对零件使用性能的影响 1.对零件耐磨性的影响 2.对零件配合

3、性能的影响 3.对零件疲劳强度的影响 4.对零件耐蚀性的影响 5.对零件接触刚度的影响图3-3 表面粗糙度值与初期磨损量的关系第二节第二节 影响加工精度的主要因素及其控制影响加工精度的主要因素及其控制图3-4原始误差加工原理误差 工件装夹误差工艺系统静误差调整误差工艺系统动误差度量误差机床误差 夹具误差 刀具制造误差工艺系统受力变形 工艺系统受热变形 刀具磨损 工件内应力引起的变形加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的切削刃轮廓进行加工而产生的误差。一、加工原理误差如： 在数控机床上采用“行切法”加工复杂形面。图3-5 空间曲面的数控加工加工中引起机床误差的原因主要有机床的制造误差、 安

4、装误差及其磨损等三个方面。二、工艺系统的静误差二、工艺系统的静误差（一）机床误差1主轴回转误差（1） 主轴回转误差的基本形式 为便于分析和研究，主轴回转运动误差可以分解为三 种基本形式：轴向跳动、径向跳动、角度摆动。轴向跳动：瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运 动，如图图3-6所示。主轴的轴向跳动对工件的圆柱面加工 没有影响，主要影响端面形状、轴向尺寸精度端面垂直度。 主轴存在轴向跳动误差时，车削加工螺纹会将使加工后的螺 旋产生螺距误差。 径向跳动：瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向 的径向运动，如图图3-6所示。主轴的纯径向跳动会使工件 产生圆柱度误差，对加工端面基本没有影响。但加工

5、方法不 同，所引起的加工误差形式和程度也不同。 纯角度摆动：瞬时回转轴线与平均回转轴线方向成一倾 斜角度，但其交点位置固定不变的运动，如图图3-6所示。图3-6 主轴回转误差的基本形式1）主轴的纯径向跳动对加工精度的影响主轴的径向圆跳动会使工件产生圆度误差，但径向圆跳动的 方式和规律不同，加工方法不同（如车削和镗削），对加工 精度的影响也不同。 如图3-7所示，在镗床上镗孔时，刀具回转，工件不转。假设 主轴回转中心在y方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速 相同，振幅为A，则镗刀刀尖的运动轨迹为一椭圆，而加工 出的孔即呈现椭圆形状，其圆度误差为A。图3-8 主轴的径向圆跳动对车外圆精度的影响图

6、3-7 主轴的径向圆跳动对镗孔精度的影响2）轴向窜动对加工精度的影响主轴的轴向窜动对内 、外圆的加工精度没有影 响，但加工端面时，会使 加工的端面与内外圆轴线 产生垂直度误差。主轴每转一周，要沿 轴向窜动一次，使得切出 的端面产生平面度误差（ 图3-9）。当加工螺纹时， 会产生螺距误差。图3-9 主轴的纯轴向窜动对加工精 度的影响3 3）主轴的倾角摆动对加工精度的影响。）主轴的倾角摆动对加工精度的影响。图3-10 主轴的倾角摆动对加工精度的影响主轴的倾角摆动对加工精度的影响与径向圆跳动对加 工精度的影响相似，其区别在于倾角摆动不仅影响工件加 工表面的圆度误差，而且影响工件加工表面的圆柱度误差

7、。（3） 影响主轴回转精度的主要因素1）滑动轴承误差对主轴回转精度的影响 轴承误差主要 来源于主轴轴颈和轴承孔等的圆度误差和波度。 2）滚动轴承误差对主轴回转精度的影响 滚动轴承的内 圈、外圈和滚动体本身的几何精度将影响主轴回转精度。 3）轴承配合质量对主轴回转精度的影响 与轴承相配合 零件的制造精度和装配质量对主轴回转精度有重要影响。图3-11 图3-12 （4） 提高主轴回转精度的措施(1) 提高主轴部件的制造精度和装配精度。 (2) 当主轴采用滚动轴承时，应对其适当预紧，使消 除轴承间隙，增加轴承刚度，均化误差，可提高主轴的回 转精度。 (3) 采用运动和定位分离的主轴结构，可减小主轴误

8、 差对零件加工的影响，使主轴的回转精度不反映到工件上 去。实际生产中，通常采用两个固定顶尖支承定位加工， 主轴只起传动作用，如外圆磨床。 图3-13 用固定顶尖支承磨外圆2导轨导向误差机床导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准，也是运动基准。机床的导轨精度是指导轨副的运动件实际运动方向与理想方向的符合程度，这两者之间的偏差值称为导向误差。直线导轨的导向精度包括：导轨在水平面内的直线度、导轨在垂直面内的直线度、前后导轨的平行度、导轨对主轴回转轴线的平行度等。以在车床上车削圆柱面为例， 分析导轨导向误差对加工精度的影 响。 1) 导轨在水平面内直线度误差 卧式车床在水平面内存在直线 度误差Y ，见

9、图3-14，则车刀尖 的直线运动轨迹也要产生直线度误 差Y，从而造成工件圆柱度误差， R=Y，如图3-14所示。这表明水平方向是卧式车床加 工误差对导轨误差的敏感方向。（1）导轨导向精度对加工精度的影响图3-14 卧式车床导轨直线度误差2) 导轨在垂直面内直线度误差的影响 卧式车床在垂直面内存在直线度误差Z ，则 车刀尖的直线运动轨迹也要产生直线度误差Z， 从而造成工件圆柱度误差， R =Z2/(2R)= Z2/d, 说明卧式车床对导轨在垂直面内直线度误差不 敏感。3) 导轨扭曲误差如果机床前后导轨不 平行（扭曲），则引起被 加工零件半径误差为：图3-15 导轨扭曲误差式中 H车床中心高；B导

10、轨精度；导轨倾斜角；前后导轨的扭 曲量。 （2 2）影响机床导轨导向误差的因素）影响机床导轨导向误差的因素1）机床制造误差2）机床安装误差3）导轨磨损如何提高机床导轨的导向精度？ 机床设计与制造时，应从结构、材料、加工工 艺等方面采取措施，提高制造精度 机床安装时，应校正好水平和保证地基质量 使用时，要注意调整轨道配合间隙，同时保证 良好的润滑和防护3传动链的传动误差（1）机床传动链的传动误差及其对加工精度的影响机床传动链误差是指机床内部传动机构传动过程中出现传动链首末两端传动元件间相对运动的误差。传动链误差一般不影响圆柱面和平面的加工精度，但对齿轮、蜗轮蜗杆、螺纹和丝杆等加工有较大影响。 图

11、3-16 齿轮机床传动链（2）减少传动链传动误差 的措施 1）缩短传动链长度，减少 传动链中传动件的数目。 2）采用降速传动链。 3）提高传动元件，特别是 提高末端传动元件的制造 精度和装配精度。 4）采用误差补偿的方法。图3-17 精密丝杠螺距误差补偿设置（二）刀具与家具误差（二）刀具与家具误差1.刀具误差刀具误差包括刀具的制造误差、安装误差 和磨损。 2.夹具误差夹具误差影响工件加工表面的位置精度或 尺寸精度。1. 工艺系统刚度 工艺系统的刚度定义为在加工误差敏感方向上工艺系统 所受外力与变形量之比。 根据系统所受载荷的性质不同，工艺系统刚度可分为静 刚度和动刚度两种。 静刚度主要影响工件

12、的几何精度； 动刚度则反映系统抵抗动态力的能力，主要影响工件表 面的波度和表面粗糙度。三、三、 工艺系统的动误差工艺系统的动误差（一）工艺系统受力变形引起的误差图3-18 2 2、机床部件的刚度及其、机床部件的刚度及其特点特点1）作用力与变形不是线性关系，反映出刀架的变形不纯粹 是弹性变形。 2）加载与卸载曲线不重合，两曲线间包容的面积代表了加 载卸载循环中所损失的能量，即外力在克服部件内零件 间的摩擦力和接触面塑性变形所做的功。 3）卸载后曲线不回到原点，说明产生了残余变形。在反复 加载卸载后，残余变形逐渐趋近于零。4）部件的实际刚度远比按实体 所估算的要小。由于机床部件的 刚度曲线不是线性

13、的，其刚度不 是常数，一般取曲线两端点连线 的斜率来表示其平均刚度。图3-19 影响机床部件刚度的因素很复杂，主要因素 包括以下几方面： （1）联接表面间的接触变形 （2）薄弱零件的变形 （3）零件表面间摩擦力的影响 （4）接合面的间隙图3-20 3 3、工艺系统刚度对加工精度的影响、工艺系统刚度对加工精度的影响（1）切削力作用点位置变化引起的工件形状误差（2）切削力大小变化引起的加工误差（3）其他作用力对加工精度的影响图3-21 图3-22 图3-23 图3-24 图3-25（1）合理设计零部件结构 （2）提高联接表面的接触刚度此外提高接触刚度的主要措施还有：1）提高机床部件中零件间接合表面

14、的质量。2）给机床部件预加载荷。 （3）采用合理的装夹方式、加工方式提高工艺系统刚度4、减少工艺系统受力变形的措施图3-26（二）工件残余应力引起的误差（二）工件残余应力引起的误差残余应力又称内应力，是指在没有外力作用下或去除外力后仍残存在工件内部的应力。零件中的残余应力往往处于一种很不稳定的相对平衡状态，在常温下特别是在外界某种因素的影响下很容易失去原有状态，使残余应力重新分布，零件产生相应的变形，从而破坏了原有的精度。因此，必须采取措施消除残余应力对零件加工精度的影响。1.1.产生产生残余应力的残余应力的原因原因（1）毛坯制造和热处理过程中产生的残余应力 在 铸、锻、焊及热处理等热加工过程

15、中，由于工件各部分热胀 冷缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，使毛坯内部产 生了相当大的残余应力。图3-27弯曲的工件(原来无残余应力)要校直，常采用冷校直。（2）冷校直带来的残余应力图3-28图3-29切削过程中产生的力和热，也会使被加工工件的表面层变形，产生残余应力。（3）切削加工中产生的残余应力2.减少或消除残余应力的措施1合理设计零件结构2增加时效处理 工序3. 合理安排 工艺过程例如：对铸、锻、焊接件进行退火 或回火；零件淬火后进行回火；对 精度要求高的零件，如床身、丝杆 、箱体、精密主轴等，在粗加工后 进行时效处理。例如：粗、精加工分开在不同工序中进行，留有一定时间让残余应力重新

16、分布；在加工大型工件时，粗、精加工往往在一个工序中来完成，这时应在粗加工后松开工件，让工件有自由变形的可能，然后再用较小的夹紧力夹紧工件后进行精加工。（三（三） 工艺系统的热变形对加工精度的影响工艺系统的热变形对加工精度的影响在机械加工过程中，工艺系统会受到各种热源的影响，使工艺系统各个组成部分产生复杂的变形，这种变形称为热变形。1.概述据统计，在精密加工中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40一70。高效、高精度、自动化加工技术的发展，使工艺系统热变形问题变得更为突出，已成为机械加工技术进一步发展的一个重要的研究课题。（1）工艺系统的热源系统内部热源 (切削热和摩擦热) 系统外部热源 (环境温度和太阳辐射热) 一方面，工艺系 统受热源影响， 温度逐渐升高；另一方面，热量 通过各种传导方 式向周围散发。（2）温度场与工艺系统热平衡2.2.