第章机械加工质量分析及控制机械制造工艺学

章机械加工质量分析及控制章机械加工质量分析及控制 机械加工质量包括两个指标机械加工质量包括两个指标:加工精度加工精度 表面质量表面质量 直接影响整台机械的使用性能和寿命，本章直接影响整台机械的使用性能和寿命，本章研究机械加工精度和表面质量问题。研究机械加工精度和表面质量问题。第一节第一节 概述概述一、加工精度和表面质量的概念一、加工精度和表面质量的概念1 1、加工精度、加工精度加工精度指零件加工后实际的几何参数（尺寸、形加工精度指零件加工后实际的几何参数（尺寸、形状、相互位置）与理想零件的几何参数的状、相互位置）与理想零件的几何参数的符合程度符合程度。加工精度由尺寸精度、形状精度和位置精度组成。加工精度由尺寸精度、形状精度和位置精度组成。加工精度的高低用加工精度的高低用加工误差加工误差的大小来衡量。的大小来衡量。2、表面质量、表面质量零件表面的几何特征，表面层的物理、力学性能。零件表面的几何特征，表面层的物理、力学性能。加工表面的几何特加工表面的几何特征征表面粗糙度：表面粗糙度：（L/HL/H5050）。）。评定指标：轮廓的算术平均偏差评定指标：轮廓的算术平均偏差RaRa和轮廓和轮廓最大高度最大高度RzRz。表面粗糙度从微观角度衡量几何形状误差。表面粗糙度从微观角度衡量几何形状误差。表面波度：表面波度：（L/H=50L/H=5010001000）表面波度是从宏观角度衡量几何形状误差表面波度是从宏观角度衡量几何形状误差表面层的物理力学性能发生了如下变化表面层的物理力学性能发生了如下变化:n表面层的冷作硬化（塑性变形引起晶体滑移、晶格扭表面层的冷作硬化（塑性变形引起晶体滑移、晶格扭曲等）曲等）n表面层残余应力的形成（切削变形和切削热的影响）表面层残余应力的形成（切削变形和切削热的影响）n表面层金相组织的变化（切削热引起）表面层金相组织的变化（切削热引起）切削区温度升高到金相组织变化的临界点时，工件切削区温度升高到金相组织变化的临界点时，工件表面层就会产生金相组织变化。特别是磨削时，切削区表面层就会产生金相组织变化。特别是磨削时，切削区温度高达温度高达8001000C8001000C，极易产生金相组织变化或烧伤，极易产生金相组织变化或烧伤现象，同时还伴随产生残余应力。现象，同时还伴随产生残余应力。二、加工精度的获得方法二、加工精度的获得方法1 1、尺寸精度的获得方法、尺寸精度的获得方法n试切法（效率低，只用于单件小批生产）试切法（效率低，只用于单件小批生产）n定尺寸刀具法（钻孔、铣槽、丝锥加工螺纹）定尺寸刀具法（钻孔、铣槽、丝锥加工螺纹）n调整法调整法 （利用机床上的定程装置、对刀装置，（利用机床上的定程装置、对刀装置，预先调整好机床、刀具和工件的相对位置）预先调整好机床、刀具和工件的相对位置）n自动控制法（在线加工，举例磨削）自动控制法（在线加工，举例磨削）2 2、形状精度的获得方法、形状精度的获得方法n轨迹法轨迹法 利用刀具的运动轨迹形成要求的表面利用刀具的运动轨迹形成要求的表面几何形状。获得的形状精度取决于刀具与工件几何形状。获得的形状精度取决于刀具与工件成形运动的精度。成形运动的精度。n成形法：利用成形刀具代替普通刀具来获得成形法：利用成形刀具代替普通刀具来获得要求的几何形状的表面，获得的表面形状精度，要求的几何形状的表面，获得的表面形状精度，既取决于刀刃的形状精度，又有赖于机床成形既取决于刀刃的形状精度，又有赖于机床成形运动的精度。运动的精度。n展成法展成法 利用刀具和工件作展成运动来获得加利用刀具和工件作展成运动来获得加工表面工表面 展成法的加工精度取决于刀刃的几何形状精展成法的加工精度取决于刀刃的几何形状精度和啮合运动的准确精度。度和啮合运动的准确精度。3 3、位置精度的获得方法、位置精度的获得方法n一次装夹获得法：一次装夹获得法：当零件上有相互位置精度要当零件上有相互位置精度要求的各表面是在求的各表面是在同一次装夹中加工出来同一次装夹中加工出来的时候，表的时候，表面相互位置精度是面相互位置精度是由机床有关部分的相互位置精度由机床有关部分的相互位置精度来保证的。来保证的。n多次装夹法：多次装夹法：当零件上有相互位置精度要求的当零件上有相互位置精度要求的各表面被安排在各表面被安排在不同的安装中加工时不同的安装中加工时，零件表面的，零件表面的相互相互位置精度主要取决于安装精度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三、表面粗糙度对零件使用性能的影响1 1、对零件耐磨性的影响、对零件耐磨性的影响（1 1）表面越粗糙，配合表面间的实际有效接表面越粗糙，配合表面间的实际有效接触面积越小，单位面积压力增大，表面易磨损。触面积越小，单位面积压力增大，表面易磨损。（2 2）过于光滑的表面不利于润滑油的储存，）过于光滑的表面不利于润滑油的储存，还会增加两表面的分子的吸附作用，磨损也会还会增加两表面的分子的吸附作用，磨损也会加剧。加剧。一般磨损分三个阶段：初期磨损阶段；正常磨一般磨损分三个阶段：初期磨损阶段；正常磨损阶段；急剧磨损阶段。损阶段；急剧磨损阶段。（3 3）表面粗糙度对初期磨损量有直接影响，在）表面粗糙度对初期磨损量有直接影响，在一定工作情况下，摩擦副表面有一一定工作情况下，摩擦副表面有一最佳粗糙度最佳粗糙度值值，过大或过小的粗糙度会使初期磨损量增大，过大或过小的粗糙度会使初期磨损量增大，使总的耐磨时间缩短。使总的耐磨时间缩短。重重载轻载2 2、对零件配合性能的影响、对零件配合性能的影响（1 1）间隙配合中，如配合表面粗糙度较大，则）间隙配合中，如配合表面粗糙度较大，则在初期磨损阶段磨损量就大，造成零件的尺寸发在初期磨损阶段磨损量就大，造成零件的尺寸发生变化，配合间隙增大，改变了配合性质。生变化，配合间隙增大，改变了配合性质。（2 2）过盈配合中，如配合表面粗糙，则装配后）过盈配合中，如配合表面粗糙，则装配后表面的凸峰将被挤压平整，从而使实际过盈量减表面的凸峰将被挤压平整，从而使实际过盈量减小，减弱了过盈配合的结合强度。因此设计零件小，减弱了过盈配合的结合强度。因此设计零件时，对于配合精度要求高的零件应该规定较小的时，对于配合精度要求高的零件应该规定较小的表面粗糙度。表面粗糙度。3 3、对零件抗腐蚀性的影响、对零件抗腐蚀性的影响 当零件在潮湿的空气中或在腐蚀性介质中工当零件在潮湿的空气中或在腐蚀性介质中工作时，会发生化学腐蚀或电化学腐蚀。由于粗作时，会发生化学腐蚀或电化学腐蚀。由于粗糙表面的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化糙表面的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀，或在两种材料表面粗糙度凸峰间容易学腐蚀，或在两种材料表面粗糙度凸峰间容易产生电化学作用而引起电化学腐蚀。所以减小产生电化学作用而引起电化学腐蚀。所以减小表面粗糙度可以提高零件的抗腐蚀性。表面粗糙度可以提高零件的抗腐蚀性。4 4、对零件疲劳强度的影响、对零件疲劳强度的影响 在交变载荷作用下，零件上的应力集中区容在交变载荷作用下，零件上的应力集中区容易产生和发展成裂纹，导致疲劳破坏。表面粗糙易产生和发展成裂纹，导致疲劳破坏。表面粗糙度大将大大降低零件的疲劳强度。度大将大大降低零件的疲劳强度。5 5、对零件接触刚度的影响、对零件接触刚度的影响 表面粗糙度越小，则接触刚度越高。故减小表面粗糙度越小，则接触刚度越高。故减小表面粗糙度是提高接触刚度的一个最有效的措施。表面粗糙度是提高接触刚度的一个最有效的措施。6 6、对零件的密封性和摩擦系数也有很大影响。、对零件的密封性和摩擦系数也有很大影响。粗糙度小则密封性好，摩擦系数小。粗糙度小则密封性好，摩擦系数小。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 由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统系统存在存在各种误差各种误差，这些误差会在不同的具体条，这些误差会在不同的具体条件下，以不同的程度反映到加工零件上去，而造件下，以不同的程度反映到加工零件上去，而造成成加工误差加工误差。这种造成加工误差的工艺系统的。这种造成加工误差的工艺系统的原原有误差有误差，称为，称为原始误差。原始误差。造成加工误差的原始误差：造成加工误差的原始误差：n加工原理误差加工原理误差n工件装夹误差工件装夹误差n调整误差调整误差n测量误差测量误差n工艺系统的静误差工艺系统的静误差n工艺系统的动误差工艺系统的动误差一、加工原理误差一、加工原理误差 采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。进行加工而产生的误差。n三坐标数控铣床球头铣刀铣削曲面时的，刀具三坐标数控铣床球头铣刀铣削曲面时的，刀具相对于工件的运动对于曲面来说是近似的成形相对于工件的运动对于曲面来说是近似的成形运动。运动。n滚齿用的齿轮滚刀，采用阿基米德蜗杆或法向滚齿用的齿轮滚刀，采用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线蜗杆，而产生刀刃齿廓近似直廓蜗杆代替渐开线蜗杆，而产生刀刃齿廓近似误差。误差。二、工件装夹误差（定位和夹紧）二、工件装夹误差（定位和夹紧）定位基准不是设计基准而产生的定位基准不是设计基准而产生的定位误差定位误差；夹紧力过大而产生的夹紧力过大而产生的夹紧误差夹紧误差。三三、调整误差调整误差 加工前对机床、刀具、夹具进行调整而产生加工前对机床、刀具、夹具进行调整而产生的误差。的误差。四、测量误差四、测量误差 加工完毕对工件进行测量时，由于测量方法加工完毕对工件进行测量时，由于测量方法和量具本身的误差而产生测量误差。和量具本身的误差而产生测量误差。五、工艺系统的静误差五、工艺系统的静误差 加工前就已存在的机床、刀具、夹具本身的加工前就已存在的机床、刀具、夹具本身的制造误差，称为工艺系统的静误差（几何误差）制造误差，称为工艺系统的静误差（几何误差）n机床误差机床误差n刀具误差刀具误差n夹具误差夹具误差（一）机床误差（一）机床误差1 1、主轴回转误差、主轴回转误差 机床主轴是用来装夹工件或刀具的基准件，机床主轴是用来装夹工件或刀具的基准件，并传递切削运动和动力。并传递切削运动和动力。其其回转精度回转精度主要主要影响影响被加工零件的被加工零件的几何形几何形状精度、位置精度和表面粗糙度。状精度、位置精度和表面粗糙度。（1 1）主轴回转误差）主轴回转误差的基本形式的基本形式n纯轴向窜动纯轴向窜动n纯径向跳动纯径向跳动n纯倾角摆动以及它纯倾角摆动以及它们的组合们的组合（2 2）主轴回转误差对加工精度的影响）主轴回转误差对加工精度的影响 主轴回转误差对加工精度的影响，主轴回转误差对加工精度的影响，取决于取决于不同截面内主轴瞬时回转轴线相对于刀尖位置的不同截面内主轴瞬时回转轴线相对于刀尖位置的变化情况。变化情况。车外圆车外圆正圆，有同轴度误差正圆，有同轴度误差镗孔镗孔椭圆椭圆n主轴径向圆跳动对加工精度的影响主轴径向圆跳动对加工精度的影响n主轴轴向窜动对加工精度的影响主轴轴向窜动对加工精度的影响 对外圆与内孔的形状精度没有影响，而对端面与对外圆与内孔的形状精度没有影响，而对端面与内、外圆垂直度有一定的影响。内、外圆垂直度有一定的影响。n主轴倾角摆动对加工精度的影响主轴倾角摆动对加工精度的影响 倾角摆动不仅影响加工表面的倾角摆动不仅影响加工表面的圆度误差，圆度误差，而且影而且影响加工表面的响加工表面的圆柱度误差圆柱度误差。（3 3）影响主轴回转精度的主要因素）影响主轴回转精度的主要因素 主轴回转误差与轴承的误差、轴承间隙、与轴承主轴回转误差与轴承的误差、轴承间隙、与轴承配合零件的误差及主轴转速等多种因素有关。配合零件的误差及主轴转速等多种因素有关。滑动轴承误差对主轴回转精度的影响滑动轴承误差对主轴回转精度的影响 主轴采用滑动轴承时，轴承误差主要来源于主轴采用滑动轴承时，轴承误差主要来源于主轴主轴轴径和轴承孔的圆度和波度。轴径和轴承孔的圆度和波度。滚动轴承误差对主轴回转精度的影响滚动轴承误差对主轴回转精度的影响 主轴采用滚动轴承时，主轴采用滚动轴承时，滚动轴承内圈