机械制造技术基础(第5章完成)课件

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1、2024/7/30河南科技大学机电工程学院1第第5章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制n5.1 机械加工质量概述机械加工质量概述n5.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.3 保证和提高加工精度的主要措施保证和提高加工精度的主要措施n5.4 加工误差的统计分析加工误差的统计分析 n5.5 影响加工表面质量的因素影响加工表面质量的因素 n5.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动 2024/7/30河南科技大学机电工程学院25.1 概述概述n5.1.1 机械加工质量概述机械加工质量概述n1机械产品质量机械产品质量n是指用户对产品的满意程度。有三层含意：产品设计

2、质量、产品制造质量和服务。n机械加工质量机械加工质量 n通常包括机械加工精度和加工表面质量两个指标；n前者指零件加工后宏观的尺寸精度、形状精度和相互位置精度；n后者主要指零件加工后表面的微观几何形状精度和物理机械性能。 2024/7/30河南科技大学机电工程学院35.1 概述概述机械加工质量机械加工质量尺寸精度形状精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力图5-1 机械工质量包含的内容2024/7/30河南科技大学机电工程学院45.1 机

3、械加工质量概述机械加工质量概述n5.1.2 机械加工精度的基本概念机械加工精度的基本概念n1 1加工精度、加工误差与公差加工精度、加工误差与公差n n加工精度加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、几是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、几何形状和各表面间的相互位置）与理想几何参数的符何形状和各表面间的相互位置）与理想几何参数的符合程度。合程度。n n零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度。零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度。n n符合程度愈高，加工精度就愈高。符合程度愈高，加工精度就愈高。n n加工误差加工误差是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、几是指零件加工后

4、的实际几何参数（尺寸、几何形状和各表面间的相互位置）与理想几何参数的偏何形状和各表面间的相互位置）与理想几何参数的偏离程度。离程度。n n加工误差愈小，则加工精度愈高，反之亦然。加工误差愈小，则加工精度愈高，反之亦然。n n加工误差的大小反映了加工精度的高低。加工误差的大小反映了加工精度的高低。n n任何加工方法都不可能把零件加工的绝对准确，总会出现这样任何加工方法都不可能把零件加工的绝对准确，总会出现这样或那样的加工误差。把加工误差控制在零件图上所规定的公差或那样的加工误差。把加工误差控制在零件图上所规定的公差范围内就可以了。范围内就可以了。 2024/7/30河南科技大学机电工程学院55.

5、1 机械加工质量概述机械加工质量概述n5.1.2 机械加工精度的基本概念机械加工精度的基本概念n2 2研究加工精度的目的与方法研究加工精度的目的与方法n研究加工精度的目的在于弄清各种原始误差对加工精度的影响规律，掌握控制加工误差的方法，找出减少加工误差、提高加工精度的工艺措施和途径，把加工误差控制在规定的公差范围内。n研究加工精度的方法有两种：一是因素分析法，通过分析计算或实验、测试等方法，研究某一确定因素对加工精度的影响。一般不考虑其它因素的同时作用，主要是分析各项误差单独的变化规律。二是统计分析法，运用数理统计方法对生产中一批工件的实测结果进行数据处理，用以控制工艺过程的正常进行。主要研究

6、各项误差综合的变化规律，一般只适合于大批量生产。 2024/7/30河南科技大学机电工程学院65.1 机械加工质量概述机械加工质量概述n5.1.3 机械加工表面质量的概念机械加工表面质量的概念n1 1加工表面质量的含义加工表面质量的含义n n加工表面质量加工表面质量指零件经过机械加工后表面层的微观几指零件经过机械加工后表面层的微观几何形状误差和表面层的物理机械性能。何形状误差和表面层的物理机械性能。n n(1)(1)加工后表面层的几何形状特征加工后表面层的几何形状特征 宏观几何形状误差（平面度、圆度等）宏观几何形状误差（平面度、圆度等）L1/H1L1/H1波长波长/ /波高波高10001000

7、波度波度 L2/H2L2/H2波长波长/ /波高波高=50=5010001000；且具有周期特性；且具有周期特性微观几何形状误差微观几何形状误差( (表面粗糙度表面粗糙度 ) ) L3/H3L3/H3波长波长/ /波高波高5050图5-2 粗糙度和波度之间的关系示意图2024/7/30河南科技大学机电工程学院75.1 机械加工质量概述机械加工质量概述n5.1.3 机械加工表面质量的概念机械加工表面质量的概念n1 1加工表面质量的含义加工表面质量的含义n n(2)(2)表面层金属的物理机械性能表面层金属的物理机械性能 n主要包括表面层的冷作硬化、残余应力、金相组织变化等三个方面的内容。 n2 2

8、表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响对耐磨性影响对耐磨性影响表面粗糙度值表面粗糙度值耐磨性耐磨性，但有一定限度（图，但有一定限度（图6-36-3）纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好适当硬化可提高耐磨性适当硬化可提高耐磨性对耐疲劳性影响对耐疲劳性影响表面粗糙度值表面粗糙度值 耐疲劳性耐疲劳性适当硬化可提高耐疲劳性适当硬化可提高耐疲劳性对耐蚀性影响对耐蚀性影响表面粗糙度值表面粗糙度值耐蚀性耐蚀性表面压应力：有利于提高耐蚀性表面压应力：有利于提高耐蚀性对配合质量影响对配合质量影响表面粗糙度值 配合质量Ra（m）初始磨损量重载荷轻载荷图5-3 表面

9、粗糙度与初始磨损量2024/7/30河南科技大学机电工程学院85.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.1 概述概述n n 1. 1. 原原始始误误差差引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与工艺过程有关的原始误差(动误差)原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形刀具磨损测量误差工件残余应力引起的变形工件相对于刀具静止状态下的误差工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差2024/7/30河南科技大学机电工程学院

10、95.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n1 1加工原理误差加工原理误差n指采用近似的成形运动或近似的刀具轮廓进行加工而产生的误差。 例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件(图5-4) 式中式中 R R 球头刀半径；球头刀半径； h h 允许的残留高度。允许的残留高度。例2：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮（5-1）SRh图5-4 空间曲面数控加工2024/7/30河南科技大学机电工程学院105.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n2机床误差机床误差n1)机床主轴的回转

11、误差 主轴回转误差主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移( (或偏离或偏离程度程度) )n(1)主轴回转误差的基本形式 为便于研究，可将主轴回转为便于研究，可将主轴回转 误差分解为径向圆跳动、端误差分解为径向圆跳动、端 面圆跳动和倾角摆动三种基面圆跳动和倾角摆动三种基 本型式（本型式（图图5-55-5）b）纯端面圆跳动a）纯径向圆跳动c）纯角向摆动图5-5 主轴回转误差基本形式2024/7/30河南科技大学机电工程学院115.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n2机床误差机床误差n

12、1)机床主轴的回转误差 n(2)主轴回转误差对加工精度的影响 主轴纯轴向窜动对内外圆柱面的加工没有影响车床上车端面时，车出的工件端面与圆柱面不垂直，图5-6（a）加工螺纹时，主轴的轴向窜动使导程产生周期误差，图5-6（b）故精密车床主轴的轴向窜动误差控制在23m内，甚至更严。图5-6 主轴纯轴向窜动a）工件端面与轴线不垂直；b）螺纹导程周期误差2024/7/30河南科技大学机电工程学院125.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(2)主轴回转误差对加工精度的影响 主轴纯径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）考虑最简单的情况，主轴回转中心在

13、X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为：式中R 刀尖回转半径； 主轴转角。显然，式（5-2）为一椭圆。 结论：镗孔时结论：镗孔时结论：镗孔时结论：镗孔时, ,主轴纯径向主轴纯径向圆跳动影响加工表面的圆圆跳动影响加工表面的圆度误差度误差（5-2） 图5-7 主轴纯径向圆跳动对镗孔精度影响e2024/7/30河南科技大学机电工程学院135.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(2)主轴回转误差对加工精度的影响 主轴纯径向跳动对加工精度的影响（车外圆）仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运

14、动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖运动轨迹接近于正圆（图5-8）思考：主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率为主轴转速两倍，被车外圆形状如何？ 结论：车外圆时结论：车外圆时结论：车外圆时结论：车外圆时, ,主轴纯径向圆跳主轴纯径向圆跳动对加工表面的圆度误差影响不动对加工表面的圆度误差影响不大大, ,但该误差方向是误差敏感方向，但该误差方向是误差敏感方向，故一般精密车床的主轴径向圆跳故一般精密车床的主轴径向圆跳动误差应控制在动误差应控制在5um5um以内。以内。 12345678e图5-8 径向跳动对车外圆精度影响2024/7/30河南科技大学机电工程学院145.2 影响加工精度

15、的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(2)主轴回转误差对加工精度的影响主轴轴线纯角度摆动对加工精度的影响(情形1：主轴在绕其轴线自转的同时，其轴线在某一平面内，在平均轴线附近作纯角度摆动。 )如果摆动频率与主轴回转频率相一致，在垂直于平均轴线的截面内，相当于几何轴心绕平均回转轴心作简谐直线运动。由前面分析可知，车削外圆表面仍是一个圆，就整体而言车削出来的工件是一个圆柱，其半径等于刀尖到平均轴线的距离。如图6-9a）所示。在刀具回转镗孔时，在垂直于主轴平均轴线的各个截面内都形成椭圆，就工件内表面整体来说，镗削出来的是一个椭圆柱孔，如图6-9b）所示。如

16、果是刀具主轴送进镗孔，在各个截面内椭圆的长轴将是变化的。 图5-9 主轴纯角度摆动的第一种情况 （a）车削外圆；（b）镗孔2024/7/30河南科技大学机电工程学院155.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(2)主轴回转误差对加工精度的影响主轴轴线纯角度摆动对加工精度的影响(情形2：主轴在绕其轴线自转的同时，又绕其平均轴线沿圆锥轨迹公转。 )此时，几何轴线相对于平均轴线在空间形成一个圆锥轨迹。如果沿平均轴线与之垂直的各个截面看，等于几何轴心绕平均回转轴心作圆周运动，只是各截面内的圆周回转半径不同而已。在此种情况下，无论车削或镗削都能

17、得到一个正圆柱，如图6-10所示。 图5-10 主轴纯角度摆动的第二种情况 （a）车削外圆；（b）镗孔2024/7/30河南科技大学机电工程学院165.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(2)主轴回转误差对加工精度的影响 表5-1主轴回转误差对车削和镗削加工误差的影响 主轴回转误差的基本形式车床上车削镗床上镗削内、外圆端面螺纹孔端面纯径向跳动影响极小无影响无影响圆度误差无影响纯轴向窜动无影响平面度误差 垂直度误差螺距误差无影响平面度误差 垂直度误差纯角度摆动影响极小影响极小螺距误差圆柱度误差平面度误差2024/7/30河南科技大学机

18、电工程学院175.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(3) 影响主轴回转精度的主要因素。AB图5-11 轴径不圆引起车床主轴径向跳动图5-12 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动滑动轴承车床（图5-11） 轴径不圆引起车床主轴向跳动镗床（图5-12） 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动静压轴承对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用滚动轴承内、外滚道的圆度误差、滚道相对于轴承内孔的偏心及滚动体的形状误差和直径误差 与滑动轴承一样，不同的机床类型，滚道形状误差的影响是不同的 2024/7/30河南科技大学机电工程学院185.2 影响加工精度的因素分析

19、影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(3) 影响主轴回转精度的主要因素。推力轴承滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差（图5-13）其他因素轴承孔、轴径圆度误差；轴承孔同轴度误差；轴肩、隔套端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差；装配质量等a） b）0图5-13 止推轴承端面误差对主轴轴向窜动影响2024/7/30河南科技大学机电工程学院195.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(4)提高主轴回转精度的措施 a、设计和制造高精度的主轴部件 在主轴部件的制造中，注意提高主轴轴颈、箱体支承孔及与轴承

20、相配合零件有关表面的加工精度。在主轴部件的装配中，可通过调整轴承的径向圆跳动，使其误差相互补偿或抵消，以提高主轴回转精度。a、对滚动轴承进行预紧 c、使回转精度不依赖于主轴 工件的回转成形运动不是靠机床主轴的回转运动来实现，而是靠工件的定位基准或被加工面本身与夹具定位元件组成的回转运动副来实现。例如采用死顶尖磨外圆，理论上讲，回转轴线是固定不变的，可加工出高精度的外圆。 2024/7/30河南科技大学机电工程学院205.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(5)主轴回转误差的测量传统测量方法存在问题 包含心轴、锥孔误差在内包含心轴、锥

21、孔误差在内 非运动状态非运动状态 准确测量方法图5-14 传统测量方法a)b)图5-15 主轴回转误差测量法1 摆动盘 2，4 传感器 3 精密测球 5 放大器 6 示波器2024/7/30河南科技大学机电工程学院215.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n2机床误差机床误差n2)导轨导向误差对加工精度的影响。 n机床导轨误差:导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差。在机床的精度标准中，直线导轨的导向精度一般包括：导轨在水平面内的直线度（弯曲）、在垂直面内的直线度（弯曲）、前后导轨的平行度（扭曲）、导轨对主轴回转轴线的平行度（或

22、垂直度）等。n(1)导轨在水平面内的直线度误差会使加工工件产生鼓形或鞍形导轨水平面内的直线度误差导轨水平面内的直线度误差, ,误差敏感方向误差敏感方向, ,影响显著。影响显著。如果导轨在水平面内的直线如果导轨在水平面内的直线度误差为度误差为YY，则由此引起，则由此引起的工件半径误差的工件半径误差YY图图5-165-16 图5-16 导轨在水平面内的直线度误差引起的加工误差2024/7/30河南科技大学机电工程学院225.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(1)导轨在水平面内的直线度误差会使加工工件产生鼓形或鞍形导轨在水平面内向“后凸

23、”图5-1（a），纵向车削圆柱面时使工件产生“鞍形”误差图5-1（b）。同理可知，如果导轨在水平面内向“前凸”，纵向车削圆柱面时会使工件产生“鼓形”误差。 图5-1 导轨在水平面内的直线度误差引起的加工误差(a) (b)2024/7/30河南科技大学机电工程学院235.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(2)导轨在垂直平面内的直线度误差对工件加工的影响导轨在垂直平面内出现“下凹”图5-18（a），会导致车刀刀尖切线方向偏移z图5-18 （b），显然工件的半径由R增致，其增量为R，图5-18 导轨在垂直面内的直线度误差其中其中 导轨垂

24、直面内的直线度误差导轨垂直面内的直线度误差, ,误差非敏感方向误差非敏感方向, ,影响小。影响小。对比图对比图5-175-17和图和图5-185-18所示情所示情况后发现，同样大小的原始况后发现，同样大小的原始误差在不同方向所引起的加误差在不同方向所引起的加工误差是不等的。当原始误工误差是不等的。当原始误差出现在加工表面的法线方差出现在加工表面的法线方向时，引起的加工误差最大。向时，引起的加工误差最大。为此就把加工表面的法线方为此就把加工表面的法线方向称为向称为误差敏感方向误差敏感方向。 2024/7/30河南科技大学机电工程学院245.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2

25、.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(3) 前后导轨之间的扭曲对工件加工的影响导轨扭曲对加工精度的影响导轨扭曲对加工精度的影响, ,影响显著影响显著设车床中心高为设车床中心高为H H，导轨宽度为导轨宽度为B B，则，则导轨扭曲量引起的导轨扭曲量引起的刀尖在工件径向的刀尖在工件径向的变化量为：变化量为： X图5-19 导轨扭曲引起的加工误差HRDBXY（5-3） 2024/7/30河南科技大学机电工程学院255.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(4)导轨对主轴回转轴线位置误差对工件加工精度的影响 图5-20 成形运动间位置误差对

26、外圆和端面车削的影响fZzzc）HyR0fXZLfdDdxa）b）2024/7/30河南科技大学机电工程学院265.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(5)影响导轨导向精度的主要因素n n机床制造误差机床制造误差n n机床安装误差机床安装误差n n导轨磨损导轨磨损2024/7/30河南科技大学机电工程学院275.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n3）机床传动链误差n(1)机床传动误差对加工精度的影响以齿轮机床传动链为例：式中 n 传动链末端元件转角误差； kj 第j 个传

27、动元件的误差传递系数，表明第j个传动元件对末端元件转角误差影响程度，其数值等于该元件至末端元件的传动比； n 传动链末端元件角速度； j 第j 个传动元件转角误差的初相角。（5-4） 图5-21 齿轮机床传动链z7 = z8 = 16z1 = 64zn = 96z5 = z6 = 23z3 = z4 = 23bz2 = 16zn-1 = 1icefacd2024/7/30河南科技大学机电工程学院285.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n(2)提高传动精度措施n n缩短传动链长度缩短传动链长度n n 提高末端元件的制造精度与安装精度提

28、高末端元件的制造精度与安装精度n n 采用降速传动采用降速传动n n 采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节n n 对传动误差进行补偿对传动误差进行补偿图5-22 传动链误差的频谱分析a)nA1A2Aib)（频率）A（幅值）12i2024/7/30河南科技大学机电工程学院295.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n n3 3刀具制造误差刀具制造误差n n定尺寸刀具（钻头、绞刀等）定尺寸刀具（钻头、绞刀等）尺寸误差和形状误差尺寸误差和形状误差影影响加工尺寸误差响加工尺寸误差n n成形刀具

29、和展成刀具成形刀具和展成刀具形状误差形状误差影响加工形状误差影响加工形状误差n n刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差2024/7/30河南科技大学机电工程学院305.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.2 工艺系统几何误差工艺系统几何误差n n4 4夹具几何误差夹具几何误差 n n夹具误差影响加工位置精度。夹具误差影响加工位置精度。n n 与夹具有关的影响位置误差因素包括：与夹具有关的影响位置误差因素包括：n1）定位误差；n2）刀具导向（对刀）误差；n3）夹紧误差；n4）夹具制造误差；n5）夹具安装误差；n通常要求定位误差和夹具制造误差不

30、大于工件相应公差的1/3。L0.056F710F7k620H 7g 6YZ图5-23 钻径向孔的夹具2024/7/30河南科技大学机电工程学院315.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n问题思考n机械加工过程中，工艺系统在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力等外力作用下会产生相应的弹性变形和塑性变形，破坏刀具和工件之间的正确位置关系，使工件产生几何形状误差和尺寸误差。观察以下几种加工情况：（1）在一台新车床的两顶尖间车削细长轴时，观察切屑厚度的变化。（2）在一台旧车床的两顶尖间车削短粗工件时，观察切屑厚度的变化。（3）在一台外圆

31、磨床上“无进给光磨”一根长轴。这些现象的发生说明了什么问题？2024/7/30河南科技大学机电工程学院325.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n1工艺系统刚度n1）工艺系统刚度的一般概念n刚度的一般定义是作用力与由它所引起的在作用力方向上的变形量的比值。 n将此定义引入工艺系统，并注意误差敏感方向的受力变形，n工艺系统的刚度kxt可定义为：切削力在加工表面法线方向的分力Fp与在总切削力作用下产生的沿法向的变形yxt的比值.n亦有,在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比. kxtFp /yxt 式（5-5）思考:（1）为

32、什么使用切削分力Fp而不使用总切削力？（2）yxt是由什么力引起的？yxt的方向是否一定会与Fp方向一致？ 2024/7/30河南科技大学机电工程学院335.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n2）工艺系统刚度的计算工艺系统受力变形等于工艺系统各组成部分受力变形之迭加。由此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：kjc、kjj、kdj和kgj分别表示：机床刚度、夹具刚度、刀具刚度和工件刚度在用上式求解某一系统刚度时，应针对具体情况进行分析。例如外圆车削时，车刀的受力变形很小，可忽略不计，于是可省去刀具刚度一项。又如镗

33、箱体零件的孔时，镗杆的受力变形严重影响加工精度，而箱体零件的刚度一般较大，其受力变形可忽略不计。2024/7/30河南科技大学机电工程学院345.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n2工艺系统刚度对加工精度的影响n1）切削力作用点位置变化引起的加工误差加工过程中，工艺系统刚度会随切削力作用点的位置变化而变化，因此使工艺系统受力变形也随之变化，引起加工误差。如图5-24所示，假定工件短而粗、而车刀悬伸长度很小，此时工艺系统的变形只考虑机床的变形。再假定加工余量均匀，切削深度基本不变化，则切削力Fp保持不变。于是根据图5-24所示关系

34、可以推导出机床的总变形为： 图5-24 工艺系统变形随切削力位置变化而变化2024/7/30河南科技大学机电工程学院355.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n1）切削力作用点位置变化引起的加工误差机床的总变形 :这说明工艺系统的变形是x的函数。随着车刀位置（即切削力作用点）的变化，工艺系统的变形也是变化的。变形大的地方，从工件上切去较少的金属层；变形小的地方，切去较多的金属层。因此工艺系统变形只考虑机床的变形加工出来的工件呈两端粗、中间细的鞍形，如图5-25所示。图5-25 工件在顶尖上车削后的形状1机床不变形的理想情况；2考虑

35、主轴箱、尾座变化的情况；3包括考虑刀架变形在内的情况2024/7/30河南科技大学机电工程学院365.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n1）切削力作用点位置变化引起的加工误差假如车削的工件是一根细长轴，在切削力作用下，其变形大大超过机床、夹具和刀具所产生的变形。此时机床、夹具和刀具的受力变形可忽略不计，工艺系统的变形完全取决于工件的变形。根据材料力学关于简支梁变形的计算公式，切削点的变形量为：由于由于工件变形工件变形，使工件加工后，使工件加工后成成鼓形鼓形（图图5-265-26）图5-26 工件受力变形引起的加工误差2024/7

36、/30河南科技大学机电工程学院375.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n2）切削力大小变化引起的加工误差误差复映规律n 以椭圆截面车削为例说明（图5-27）式中 g 工件圆度误差； m 毛坯圆度误差； k 工艺系统刚度； 误差复映系数。图5-27 误差复映现象ap11ap22毛坯外形工件外形（5-6）由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映到工件上，此种现象称为“误差复映”。2024/7/30河南科技大学机电工程学院385.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n n误

37、差复映系数误差复映系数n误差复映程度可用误差复映系数来表示，误差复映系数与系统刚度成反比。由式（5-6）可得：n机械加工中，误差复映系数通常小于1。可通过多次走刀，消除误差复映的影响。（5-7）（5-8）2024/7/30河南科技大学机电工程学院395.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n3夹紧力、惯性力和重力引起的变形对加工精度的影响n（1）夹紧力引起的加工误差 由于夹紧不当，夹紧后套筒成三棱形图5-28（a），镗孔后内孔呈正圆形图5-28（b），松开卡爪后内孔又变为三棱形图5-28（c）。为减小夹紧变形，采用如图5-28（d）

38、所示的开口过渡环或图5-28（e）所示的专用卡爪可使夹紧力均匀分布。 图5-28 夹紧力引起的误差 2024/7/30河南科技大学机电工程学院405.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n（2）惯性力引起的加工误差理论上不会产生圆度理论上不会产生圆度误差（但会产生圆柱误差（但会产生圆柱度误差）度误差）会引起强迫振动会引起强迫振动图5-29 传动力对加工精度的影响zlRXYFpFcFcdFcdxra）OOr0XYFpAFcdrcd=Fcd / kcOFcFc / kcFp / kcb）O2024/7/30河南科技大学机电工程学院415

39、.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n（3）机床部件和工件本身重力引起的加工误差 【例】龙门铣横梁解决1：重量转移解决2：变形补偿图5-32 龙门铣横梁变形补偿图5-30 龙门铣横梁变形图5-31 龙门铣横梁变形转移2024/7/30河南科技大学机电工程学院425.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.3 工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形n4减小工艺系统受力变形的途径n（1）合理的结构设计 n在设计工艺装备时，除应合理选择零件结构和截面形状外，还应尽量减少连接面的数量，并注意各部分刚度匹配。 n（2）提高接

40、触刚度。n常用的方法有：改善工艺系统主要零件接触面的配合质量；给机床部件预加载荷，如对轴承进行预紧、滚珠丝杠螺母副的调整等。 n（3）采用合理的装夹方式和加工方式，提高工艺系统刚度。n如车削细长轴时采用中心架或跟刀架增加支承以提高工件的刚度；采用反向车削细长轴，使工件由原来的轴向受压变为受拉，也可提高工件的刚度；当加工呈悬臂加工状态时，设法通过增加支承改成简支梁状态，提高刚度；在机床上安装工件时，尽量降低工件的重心。 2024/7/30河南科技大学机电工程学院435.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n1工艺系统的热源n n工艺系统热变形

41、工艺系统热变形n在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约4070%。n n工艺系统热源工艺系统热源n n温度场与工艺系统热平衡温度场与工艺系统热平衡n温度场工艺系统各部分温度分布n热平衡单位时间内，系统传入的热量与传出的热量相等，系统各部分温度保持在一相对稳定的数值上n温 度场与热平衡研究目前以实验研究为主 工艺系统热源内部热源外部热源切削热摩擦热环境热源辐射热2024/7/30河南科技大学机电工程学院445.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n2机床热变形引起的误差n n机床热变形特点机床热变形特点n体积大，热容

42、量大，温升不高，达到热平衡时间长n结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著车、铣、钻、镗类机床，主要热源是主轴箱轴承的摩擦热和主轴箱中油池的发热，使主轴箱及与它相连接部分（如床身或立柱）的温度升高，从而引起主轴的抬高和倾斜。图5-33（a）所示为车床热变形趋势。图5-33（b）所示万能铣床的热源也是主传动系统，由于左箱壁温度高也导致主轴线升高并倾斜。 图5-33 常见机床的热变形趋势(a)车床；(b)卧式铣床 2024/7/30河南科技大学机电工程学院455n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n2机床热变形引起的误差磨床类机床通常都有液压传动系统并配有高速磨头，它的主要热源为砂轮

43、主轴轴承的发热和液压系统的发热。主要表现在砂轮架位移，工件头架的位移和导轨的变形。其中，砂轮架的回转摩擦热影响最大，而砂轮架的位移，直接影响被磨工件的尺寸。对于大型机床如导轨磨床、外圆磨床、立式车床、龙门铣床等的长床身部件，机床床身的热变形将是影响加工精度的主要因素。a）铣床受热变形形态b）外圆磨床受热变形形态c）导轨磨床受热变形形态图5-34 立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形2024/7/30河南科技大学机电工程学院465.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n3工件热变形引起的加工误差n1)工件均匀受热 长度：长度： 直径：直径：式

44、中 L， D 长度和直径热变形量； L，D 工件原有长度和直径； 工件材料线膨胀系数； t 温升。 5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性 例：长例：长400mm400mm丝杠，加工过程温升丝杠，加工过程温升11，热伸长量为：，热伸长量为：2024/7/30河南科技大学机电工程学院475.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n2)工件不均匀受热 式中 X 变形挠度； L，S 工件原有长度和厚度； 工件材料线膨胀系数； t 温升。板类工件单面加工时的热变形（图板类工件单面加工时的热变形（图5-355-35）此值已大于精密导轨平直度要求结

45、结果果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。例例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：图5-35 平面加工热变形X/ 4LS2024/7/30河南科技大学机电工程学院485.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n4刀具热变形引起的加工误差 体体积积小小，热热容容量量小小，达达到到热平衡时间较短热平衡时间较短 温温升升高高，变变形形不不容容忽忽视视（达（达0.03 0.03 0.05mm0.05mm）特点(min)图5-36 车刀热变形曲线连续切削升温曲线冷却曲线间断切削升温曲线

46、（m）maxb0c0.63max变形曲线（图6-36）式中式中 热伸长量；热伸长量； maxmax达到热平衡热伸长量；达到热平衡热伸长量； 切削时间；切削时间； cc时时间间常常数数（热热伸伸长长量量为为热热平平衡衡热热伸伸长长量量约约63%63%的的时时间，常取间，常取3 34 4分钟）。分钟）。2024/7/30河南科技大学机电工程学院495.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n5减少热变形对加工精度影响的措施n减少热源发热和隔离热源 n减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。n充分冷却和强制冷却。n隔离热源。n加强散热能力 n增加散热面

47、积或使用 强制性的风冷、水冷 n均衡温度场n立式平面磨床立柱前壁温度高，产生后倾。n解决解决：采用热空气加热立柱后壁（图5-37）图5-37 均衡立柱前后壁温度场2024/7/30河南科技大学机电工程学院505.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.4 工艺系统热变形工艺系统热变形n采用合理的机床结构 n热对称结构n热补偿结构图5-38，主轴热补偿n合理选择装配基准（图5-39）n控制环境温度n恒温n人体隔离n加速达到热平衡n高速空运转n人为加热图5-38 双端面磨床主轴热补偿1主轴 2壳体 3过渡套筒图5-39 支承距影响热变形L1L22024/7/30河南科技大学机电工

48、程学院515.2 影响加工精度的因素分析影响加工精度的因素分析n5.2.5.工件内应力引起的变形工件内应力引起的变形n n、残余应力来源、残余应力来源n毛坯制造和热处理产生的残余应力（图5-40）n冷校直带来的残余应力n切削加工带来的残余应力n n、减小残余应力措施、减小残余应力措施n设计合理零件结构n 粗、精加工分开n 避免冷校直n 时效处理图5-41 冷校直引起的残余应力压拉加载压压拉拉卸载图5-40 铸件残余应力引起的变形2024/7/30河南科技大学机电工程学院525.3 保证和提高加工精度的主要措施保证和提高加工精度的主要措施n5.3.1 误差预防技术误差预防技术n1、误差预防技术的

49、措施误差预防技术是指在源头直接采取减少原始误差或减少原始误差影响的措施 .具体的措施有:n合理采用先进工艺和设备 n直接减少原始误差法 n加工细长轴时采用中心架或跟刀架；采用反向进给切削，使轴向力对工件起拉伸作用，同时尾座改用可伸缩的弹性顶尖。n均分原始误差法 n将上工序加工的工件（或毛坯）按误差大小分为n组，然后按组分别调整加工 n转移原始误差法 n把影响加工精度的原始误差从敏感方向转移到非敏感方向或其它零部件上去 2024/7/30河南科技大学机电工程学院535.3 保证和提高加工精度的主要措施保证和提高加工精度的主要措施n5.3.1 误差预防技术误差预防技术n1、误差预防技术的措施n均化

50、原始误差法 n如对于配合精度要求很高的轴和孔，常采用研磨方法来制造n就地加工法 n如为使牛头刨床、龙门刨床的工作台面分别对滑枕和横梁保持很高的平行度，就在装配后在机床自身上进行“自刨自”的精加工。平面磨床的工作台面也是在装配后作“自磨自”的最终加工。 图5-42 立轴转塔车床刀架转位误差的转移2024/7/30河南科技大学机电工程学院545.3 保证和提高加工精度的主要措施保证和提高加工精度的主要措施n5.3.2 误差补偿技术误差补偿技术误差补偿的方法就是人为地制造一种新的原始误差去抵消当前成为问题的原有的原始误差，并应尽量使两者大小相等，方向相反，从而达到减少加工误差，提高加工精度的目的。n

51、1、误差补偿法 在横梁导轨制造时故意使导轨面产生向上凸的几何形状误差，从而抵消由于铣头自重产生向下的弯曲变形，保证加工精度。 图5-43 龙门铣床横梁导轨预加变形 2024/7/30河南科技大学机电工程学院555.3 保证和提高加工精度的主要措施保证和提高加工精度的主要措施n5.3.2 误差补偿技术误差补偿技术n2控制误差法 n对于变值系统误差的补偿就不是用一种固定的补偿量所能解决的。于是生产中就发展了所谓积极控制的误差补偿技术，又叫控制误差法。 在加工循环中，利用测量装置连续地测量出工件的实际尺寸，随时给刀具以附加的补偿量以控制刀具和工件间的相对位置，直至实际值与调定值的差不超过预定的公差为

52、止。这样，工件尺寸的变动范围始终在自动控制之中。现代机械加工中的在线测量和在线补偿就属于这种形式。图5-44 精密丝杠螺距误差补偿装置2024/7/30河南科技大学机电工程学院565.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.1 加工误差的分类加工误差的分类n n1 1、加工误差统计特性、加工误差统计特性n n2 2、系统误差、系统误差在顺序加工一批工件中，其大小和方向均不改变，或按一定规律变化的加工误差。n常值系统误差其大小和方向均不改变。如机床、夹具、刀具的制造误差，工艺系统在均匀切削力作用下的受力变形，调整误差，机床、夹具、量具的磨损等因素引起的加工误差。n 变值系统误差误差大小和

53、方向按一定规律变化。如机床、夹具、刀具在热平衡前的热变形，刀具磨损等因素引起的加工误差。加工误差系统误差随机误差常值系统误差变值系统误差2024/7/30河南科技大学机电工程学院575.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.1 加工误差的分类加工误差的分类n n3 3随机误差随机误差n在顺序加工一批工件中，其大小和方向随机变化的加工误差。n 随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用而引起的。n随机误差服从统计学规律。n如毛坯余量或硬度不均，引起切削力的随机变化而造成的加工误差；定位误差；夹紧误差；残余应力引起的变形等。n n4 4、加工误差的统计分析、加工误差的统计分析n运用数理统计

54、原理和方法，根据被测质量指标的统计性质，对工艺过程进行分析和控制。2024/7/30河南科技大学机电工程学院585.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法分布曲线分析法是将测量加工后所得一批工件的实际尺寸或误差，根据测量结果作出该批工件尺寸或误差的分布图，按照此图来分析和判断加工误差的情况。 n1实际分布曲线n1）采集数据n 样本容量通常取 n = 50200n2）确定分组数、组距、组界、组中值n 初选分组数 k；n 确定组距 d：n 确定分组数 kn 确定各组组界、组中值n 统计各组频数2024/7/30河南科技大学机电工程学院595.4加工误差的统

55、计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法n3）计算样本平均值和标准差:n计算该样本的统计数字特征：平均值和标准偏差。是为了进一步分析该工序的加工精度情况，可在实际分布图上标出该工序的加工公差带位置 ，并比较。n4）以组中值Xj代替组内零件实际值，绘制图5-45为实际分布曲线折线图（由直方图的组中值连线而得）。n样本的平均值 表示该样本的尺寸分散中心，它主要决定于调整尺寸的大小和常值系统性误差。 2024/7/30河南科技大学机电工程学院605.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法图5-45 活塞销孔直径尺寸实际分布图 公差范

56、围中心：LM280.015/227.9925mm;常值系统误差：cx27.997927.99250.0054mm； 样本的标准偏差反映了该批工件的尺寸分散程度，它是由变值系统误差和随机误差决定的。该误差大，也大；误差小，也小。由图5-45看出，部分工件的尺寸超出了公差范围，即废品（实际分布曲线图中阴影部分）；但这批工件的分散范围0.012mm比公差带0.015小，说明实际加工能力比图纸要求的要高：T6。之所以出现了废品，是由于有系统误差cx0.0054存在。如果能设法将分散中心调整到公差范围中心，工件就完全合格。2024/7/30河南科技大学机电工程学院615.4加工误差的统计分析加工误差的统

57、计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法n2理论分布曲线n1）正态分布n n概率密度函数概率密度函数yF（z）图5-46 正态分布曲线( z = 0 )x(z)0z-+式中和分别为 正态分布随机变量总体平均值和标准差。平均值=0，标准差=1的正态分布称为标准正态分布，记为： x N ( 0, 1 )2024/7/30河南科技大学机电工程学院625.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n65.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法n1）正态分布n n分布函数分布函数令：称称 z z 为标准化变量为标准化变量将将 z z 代入上式，有：代入上式，有：则利用上式，可将非标准正态分布转换成标准

58、正态分布进行计算（图5-47）yF（z）图5-47 正态分布曲线( z = 0 )x(z)0z-+2024/7/30河南科技大学机电工程学院635.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法n1）正态分布n正态分布的概率密度函数有两个特征参数 图5-46可以看出，当x时， ，这是曲线的最大值，也是曲线的分布中心。在它左右的曲线是对称的。正态分布总体的和通常是不知道的，但可以通过它的样本平均值和样本标准偏差来估计。即用样本的 代替总体的，用样本的代替总体的。表征分布曲线位置的参数是 。当不变时，改变 值，分布曲线沿横坐标移动，但形状不变，如图5-48（a）所

59、示。是表征分布曲线形状的参数。当 不变时改变，曲线形状发生变化，如图5-48（b）所示。可见，反映了随机变量的分散程度，其大小完全由随机误差所决定。 (a) 不变，变化时的情形 (b) 不变，变化时的情形图5-48 、对正态分布曲线的影响2024/7/30河南科技大学机电工程学院645.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法n2）非正态分布曲线xy0a）双峰分布xy0b）平顶分布xy0c）偏向分布图5-49 几种非正态分布 双峰分布：两次调整下加工的工件或两台机床加工的工件混在一起（图5-49a） 平顶分布：工件瞬时尺寸分布呈正态，其算术平均值近似成线

60、性变化（如刀具和砂轮均匀磨损）（图5-49b）偏向分布：如工艺系统存在显著的热变形，或试切法加工孔时宁小勿大，加工外圆时宁大勿小（图5-49c）2024/7/30河南科技大学机电工程学院655.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法n3分布曲线的应用n1)判别加工误差的性质 n如果T / 61，则必然出废品，且主要是由随机误差造成的 n如果T / 61，且有废品出现，则主要是由系统误差引起的 n如果此时尺寸分布服从正态分布，则说明加工过程中没有明显的变值系统误差 n尺寸分散中心 与公差带中心不重合就说明存在常值系统误差。n2)确定工序能力及其等级 n引

61、入工序能力系数Cp以判断工序能力的大小。Cp按下式计算n CpT / 6 n根据Cp的大小，把工序能力分为五级。工序能力不应低于二级。n3）估算不合格品率 2024/7/30河南科技大学机电工程学院665.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法n3）估算不合格品率n例:检查一批在卧式镗床上精镗后的活塞销孔直径。图纸规定尺寸与公差为 mm，图5-50所示检测后的尺寸分布图,符合正态分布.试分析其加工质量.解(1)根据题意确定误差性质: mm公差范围中心LM280.015/227.9925mm; 常值系统误差cx27.997927.99250.0054mm

62、； (2)在图示中找各极值点位置并计算: (3)计算不合格品率:图5-502024/7/30河南科技大学机电工程学院675.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.2 分布曲线分析法分布曲线分析法n查表可得A0.3253。所以nP废品率0.5A0.50.32530.174717.47%nP合格率0.5 + A0.5 + 0.32530.825382.53%n n4)4)分布图分析法的缺点分布图分析法的缺点n不能反映误差的变化趋势。很难把随机性误差与变值系统性误差区分开来。n由于必须等一批工件加工完毕后才能得出尺寸分布情况，因而不能在加工过程中及时提供控制精度的资料。采用下面介绍的点图法

63、，可以弥补上述不足。2024/7/30河南科技大学机电工程学院685.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.3 点图分析法点图分析法n点图法是在一批工件的加工过程中，按顺序依次测量被加工工件的尺寸，并以时间间隔为序，逐个或逐组记入相应图表中，以此为依据对加工误差以及加工过程进行分析的方法。n1. 单值点图 工件尺寸工件序号a）14024681012公差带T控制限01234567样组序号b）工件尺寸公差带T控制限工件序号c）AABOOB工件尺寸 图5-51 反映变值系统误差的单值点图 2024/7/30河南科技大学机电工程学院695.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.3

64、点图分析法点图分析法n2. 图 表示样组平均值，表示样组平均值，R R表示样组极差表示样组极差 图是控制图和图是控制图和R R控制图联合使用的统称控制图联合使用的统称 图控制限图控制限图： R 图：2024/7/30河南科技大学机电工程学院705.4加工误差的统计分析加工误差的统计分析n5.4.3 点图分析法点图分析法n3 图分析n工艺过程稳定性n点子正常波动工艺过程稳定；n点子异常波动工艺过程不稳定n稳定性判别n没有点子超出控制限n大部分点子在中心线上下波动，小部分点子靠近控制限n点子变化没有明显规律性（如上升、下降倾向，或周期性波动）n同时满足为稳定图5-52 图R 图UCL=19.67C

65、L=8.900510样组序号1520LCL=00510样组序号1520x 图LCL=11.57UCL=21.89CL=16.732024/7/30河南科技大学机电工程学院715.5 影响加工表面质量的因素影响加工表面质量的因素n5.5.1 影响表面粗糙度的因素影响表面粗糙度的因素n1切削加工中影响表面粗糙度的因素n1)刀具几何形状的影响 n n直线刃车刀直线刃车刀n n圆弧刃车刀圆弧刃车刀n n影响因素：影响因素：图5-53 车削时残留面积的高度frRmaxvfrb）Rmaxfa）vf2024/7/30河南科技大学机电工程学院725.5 影响加工表面质量的因素影响加工表面质量的因素n5.5.1

66、 影响表面粗糙度的因素影响表面粗糙度的因素n2)切削用量的影响 n n切削速度影响最大：切削速度影响最大：v = 10v = 1050m/min50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（刺，表面粗糙度最差（图图5-545-54）n n其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等图5-54 切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m） 0200400600hKsRz2024/

67、7/30河南科技大学机电工程学院735.5 影响加工表面质量的因素影响加工表面质量的因素n5.5.1 影响表面粗糙度的因素影响表面粗糙度的因素n3)零件材料性能的影响 n被加工材料的塑性和金相组织对表面粗糙度的影响也很大。材料的塑性大，易形成鳞刺和积屑瘤。材料的晶粒越大，加工后的表面粗糙度也越大。对材料进行调质处理有助于改善加工后的表面粗糙度 。n合理选择冷却润滑液有利于减小加工表面的粗糙度。n2磨削中影响表面粗糙度的因素n1)砂轮方面 n砂轮的粒度越小，有利于降低表面粗糙度。但粒度过小，砂轮容易堵塞，反而使表面粗糙度增大，还易引起烧伤。n砂轮硬度应大小合适，半钝化期越长越好，常选用中软组织的

68、砂轮。砂轮过硬或过软，都不利于降低表面粗糙度，常选用中等组织的砂轮。n砂轮的修整质量是改善表面粗糙度的重要因素。修整质量的好坏与所用工具和修整砂轮时的纵向进给量有关。 2024/7/30河南科技大学机电工程学院745.5 影响加工表面质量的因素影响加工表面质量的因素n5.5.1 影响表面粗糙度的因素影响表面粗糙度的因素n2）磨削用量 n砂轮速度v，Ran 工件速度vw，Ra n 砂轮纵向进给f，Ra n 磨削深度ap，Ra n3）其它方面 n工件材料硬度越小、塑性大、导热性差，磨削性差，磨削后的表面粗糙度大。n采用切削液可以降低磨削区温度，减小烧伤，有利于降低表面粗糙度。 图5-55 磨削用量

69、对表面粗糙度的影响vw = 40(m/min)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v = 50(m/s)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v(m/s), vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b）2024/7/30河南科技大学机电工程学院755.5 影响加工表面质量的因素影响加工表面质量的因素n5.5.2 影响表面层物理力学性能的因素影响表面层物理力学性能的因素n1表面层金属的加工硬化n1)表层金属加工硬化的程度取决于产生塑性变形的力、变形速度

70、及变形时的温度。n切削力越大，塑性变形越大，硬化程度越大。n变形速度越大，塑性变形越不充分，硬化程度也就随之降低。n变形时的温度不仅影响塑性变形的程度，也会影响变形后金相组织的恢复。n因此，表层金属加工硬化是强化作用和恢复作用的综合结果。n切削温度越高、高温持续时间越长、强化程度越大，则恢复作用也就越强。n2)影响表层金属加工硬化的主要因素 n(1)被加工工件材料 n工件材料塑性越大，加工硬化倾向越大，硬化程度越严重。 2024/7/30河南科技大学机电工程学院765.5 影响加工表面质量的因素影响加工表面质量的因素n5.5.2 影响表面层物理力学性能的因素影响表面层物理力学性能的因素n(2)

71、刀具方面 n前角减小，加工硬化程度增大。刀具刃口钝圆半径增大，加工硬化程度增大。后刀面磨损VB值对硬化层深度的影响如图5-56所示。 00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z)图6-56 后刀面磨损对冷硬影响2024/7/30河南科技大学机电工程学院775.5 影响加工表面质量的因素影响加工表面质量的因素n5.5.2 影响表面层物理力学性能的因素影响表面层物理力学性能的因素n(3)切削用量 n切削加工时，进给量f增大会使加工硬化程度增大，如图5-57所示。而切削深度ap影响不明显

72、。但磨削时，工件转速增大，加工硬化程度增大；磨削深度ap增大，加工硬化程度增大，如图5-58所示。切（磨）削速度v增大，会使切削温度升高，加工硬化程度将会减小。 图5-57 f 和 v 对冷硬的影响硬度(HV)0f (mm /r)0.20.40.60.8v =170(m/min)135(m/min)100(m/min )50(m/min)100200300400工件材料：45图5-58 磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削2024/7/30河南科技大学机电工程学院785.5 影响加工表面质量的因素影响加工表面质量的

73、因素n5.5.2 影响表面层物理力学性能的因素影响表面层物理力学性能的因素n2表面层金属残余应力n切削过程中形成表面层金属残余应力的原因 n1)冷态塑性变形n在切削力的作用下，加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压与摩擦，使晶格扭曲，表面层金属比容增大，体积膨胀，但受到与它相连的内层金属的牵制，故加工后表层金属产生残余压应力(-)，里层产生残余拉应力(+)。n2)热态塑性变形 n切削加工中，在切削热的作用下，已加工表面的温度往往很高而产生热膨胀，此时表层产生热压应力。n加工后，表层已产生的热塑性变形收缩受到内层金属的阻碍。故加工后表面层残余应力为拉应力(+)，里层则产生残余压应力(-)。n在

74、磨削时，磨削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，有时甚至会产生裂纹。 2024/7/30河南科技大学机电工程学院795.5 影响加工表面质量的因素影响加工表面质量的因素n5.5.2 影响表面层物理力学性能的因素影响表面层物理力学性能的因素n3)金相组织变化 n当加工表面温度超过工件材料的相变温度时，其金相组织将会发生相变。不同的金相组织有不同的密度，故相变会引起体积变化。由于基体材料的限制，表面层金属体积膨胀时会产生残余压应力，缩小时会产生残余拉应力。n磨削淬火钢时，如果表面层产生回火，其金相组织由马氏体转化为索氏体或托氏体，表层金属密度增大而体积缩小。表面层将产生残余拉应力。里层将产

75、生残余压应力。 n实际加工后表面层残余应力是上述三方面原因的综合结果。冷态塑性变形占主导地位时，表面层会产生残余压应力；而热塑性变形占主导地位时，表面层则会产生残余拉应力。2024/7/30河南科技大学机电工程学院805.5 影响加工表面质量的因素影响加工表面质量的因素n5.5.2 影响表面层物理力学性能的因素影响表面层物理力学性能的因素n3表面层金属金相组织变化n金相组织发生变化只有在温度足够高时才会发生。因此对于一般切削加工来说，表层金属的金相组织没有质的变化。n而磨削加工时所消耗的能量绝大部分要转化为热，且有约70%以上的热量传给工件，使加工表面层金属金相组织发生变化，造成表层金属的强度

76、和硬度降低，并产生残余应力，甚至会出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。n避免和减轻磨削烧伤的基本途径是尽可能减少磨削热的产生和加快散热速度 ,具体措施有 :n合理选择砂轮。选择合适的粘接剂，采用硬度稍软砂轮；n适当减小磨削深度和磨削速度，适当增加工件的转动速度和轴向进给量；n采用高效冷却方式(如高压大流量冷却、喷雾冷却、内冷却)等措施，能较好地降低磨削区温度，防止磨削烧伤。 2024/7/30河南科技大学机电工程学院815.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动n5.6.1 概述概述n1. 机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害n影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度n

77、影响生产效率 n 加速刀具磨损，易引起崩刃n 影响机床、夹具的使用寿命n 产生噪声污染，危害操作者健康n2. 机械加工过程中振动的类型机械加工过程中振动的类型n3. 自由振动自由振动n工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。n由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。自由振动强迫振动自激振动2024/7/30河南科技大学机电工程学院825.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动n5.6.2 机械加工过程中的强迫振动机械加工过程中的强迫振动n1强迫振动产生的原因强迫振动产生的原因n三由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起n强

78、迫振动振源：机外机内。机外振源均通过地基把振动传给机床。机内：n 1）回转零部件质量的不平衡n 2）机床传动件的制造误差和缺陷n 3）切削过程中的冲击n2. 强迫振动的特征强迫振动的特征n频率特征：与干扰力频率同，或是干扰力频率整倍数n幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振n相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关2024/7/30河南科技大学机电工程学院835.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动n5.6.3 机械加工过程中的自激振动机械加工过程中的自激振动n1自激振动的概

79、念自激振动的概念n n在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动的周期性振动n n自激振动过程可用传递函数概念说明（自激振动过程可用传递函数概念说明（图图5-595-59）电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图5-59 自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）2024/7/30河南科技大学机电工程学院845.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动n5.6.3 机械加工过程中的自激振动机械加工过程中的自激振动n2自激振动的特征自激振动的特征n n自激振动是一种不衰减振动自激振动是一种不衰减振动n

80、n自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率n n自激振动能否产生及振幅的大小取决于振动系统在每自激振动能否产生及振幅的大小取决于振动系统在每一个周期内获得和消耗的能量对比情况（一个周期内获得和消耗的能量对比情况（图图5-605-60）图5-60 自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0振幅2024/7/30河南科技大学机电工程学院855.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动n5.6.3 机械加工过程中的自激振动机械加工过程中的自激振动n3自激振动机理自激振动机理n n1 1）再生机理：）再生机理：切削过程，由于偶然干扰，使加工系统产生振动并在

81、加工表面上留下振纹。第二次走刀时，刀具将在有振纹的表面上切削，使切削厚度发生变化，导致切削力周期性地变化，产生自激振动。 图5-61 再生自激振动原理图f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切入 切出fy0y2024/7/30河南科技大学机电工程学院865.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动n5.6.3 机械加工过程中的自激振动机械加工过程中的自激振动n3自激振动机理自激振动机理n n2 2）再生机理产生条件）再生机理产生条件（上页（上页图图5-615-61）图中a）b）c）系统无能量获得；d）y 滞后于y0，即 0- ，此时切出比切入半周期中的平均切

82、削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动。n n3 3）振型耦合机理：）振型耦合机理：将车床刀架简化为两自由度振动系统，等效质量m用相互垂直的等效刚度分别为k1、k2两组弹簧支撑（设x1为低刚度主轴，下页图5-62）n n4 4）振型耦合机理自激振动的产生：）振型耦合机理自激振动的产生：n（1）k1=k2，x1与x2无相位差, 轨迹为直线，无能量输入。2024/7/30河南科技大学机电工程学院875.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动n5.6.3 机械加工过程中的自激振动机械加工过程中的自激振动n n4 4）振型耦合机理自激振动的产生

83、：）振型耦合机理自激振动的产生：n（2） k1k2，x1超前x2 ，轨迹dcba为一椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入n（3） k1k2，x1滞后于x2 ，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：abcd。此时，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的小，有能量获得，振动能够维持 。图5-62 车床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2k2k112X2024/7/30河南科技大学机电工程学院885.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动n5.6.4 控制机械加工振动的途径控制机械加工振动的途径n1.消除或减小强迫振动的途径消除或减小强迫振动的途径 n消振、隔振

84、与减振。 n减小激振力。减小激振力即可有效地减小振幅。n调节振源频率。使其远离机床加工系统薄弱模态的固有频率。 n提高工艺系统的刚度和增大阻尼。 n提高工艺系统刚度，可有效的改善工艺系统的抗振性和稳定性。n增大工艺系统的阻尼，将增强工艺系统对激振能量的消耗作用，能够有效地防止和消除振动。 n2.消除或减小自激振动的途径消除或减小自激振动的途径 n合理选用刀具的几何参数 n刀具的几何参数中，对振动影响最大的是主偏角kr和前角o n适当减小后角o ，有利于提高切削稳定性。 2024/7/30河南科技大学机电工程学院895.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动n5.6.4 控制机械加工振动的

85、途径控制机械加工振动的途径n2.消除或减小自激振动的途径消除或减小自激振动的途径 n1）合理选用刀具的几何参数 n刀具的几何参数中，对振动影响最大的是主偏角kr和前角o n适当减小后角o ，有利于提高切削稳定性。n2）合理选择切削用量n推荐采用高速切削，既可避免产生自激振动，又可提高生产率n振幅随着f的增加而减小。进给量大，重叠切削的系数小，所以有利于抑制再生颤振。因此，在机床参数和其它方面的要求（如表面粗糙度）允许的情况下可选取较大的进给量。 n随着ap的增加，切削力增大，振幅也增大 ，容易产生颤振。 n3）提高工艺系统的抗振性 n提高工艺系统刚度 n增大工艺系统阻尼2024/7/30河南科

86、技大学机电工程学院905.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动n5.6.4 控制机械加工振动的途径控制机械加工振动的途径n3）提高工艺系统的抗振性阻尼材料铸铁环铸铁套筒图5-63 零件上加阻尼材料2024/7/30河南科技大学机电工程学院915.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动n5.6.4 控制机械加工振动的途径控制机械加工振动的途径4）合理布置低刚度主轴的方位x2x2x1x1x1x1x2x2图5-64 两种尾座结构2024/7/30河南科技大学机电工程学院925.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动n5.6.4 控制机械加工振动的途径控制机械加工振动的途径5）采用各种减振装置n动力减振器 n摩擦式减振器（图5-65）n冲击式减振器（图5-66）图5-65 摩擦式减震器 1飞轮 2摩擦盘 3摩擦垫 4螺母 5弹簧 图5-66 冲击式减振镗刀与减振镗杆1冲击块 2紧定螺钉a）减振镗刀 b）减振镗杆谢谢 谢！谢！2024/7/30河南科技大学机电工程学院946.6 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动n一级内容n二级内容n三级内容n四级内容n五级内容