第一章 机械加工质量

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,第一章 机械加工质量,保证机械产品质量是机械制造人员的首要任务。产品的制造质量包括零件的制造质量和产品的装配质量两个方面。零件的制造质量将直接影响产品的性能、效率、寿命及可靠性等质量指标，它是保证产品制造质量的基础。零件的机械加工质量，它包括机械加工精度和表面质量两个方面。,第一节,机械加工精度,第二节,加工误差的统计分析,第三节,机械加工表面质量,第一节 机械加工精度,高产、优质、低消耗，产品技术性能好、使用寿命长，这是机械制造企业的基本要求。而质量则是最根本的问题,加工质量指标分为：,加工精度,宏观几何参数,加工表面质量,微观几何参数和表面物理,-,机械性能等方面的参数,机械加工精度,零件在加工后的几何参数,（尺寸、几何形状、表面间的相互位置）,的实际值与理论值相符合的程度,机械加工精度包括,：,尺寸精度、形状精度、位置精度,三者有联系，也有区别,所谓理想零件,，,即对表面形状而言，就是绝对正确的圆柱面、平面、锥面等；对表面位置而言，就是绝对的平行、垂直、同轴和一定的角度等；对尺寸而言，就是零件尺寸的公差带中心,由于机械加工中的种种原因，不可能把零件做得绝对精确，总会产生,偏差,。,这种偏差即,加工误差,。,一、获得加工精度的方法,获得尺寸精度的方法,试切法,：,通过试切,测量,调整,再试切，反复进行到工件尺寸达到规定要求为止,调整法,：,先调整好刀具和工件在机床上的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持这个位置不变，以保证工件被加工尺寸,定尺寸刀具法,：,通过刀具的相应尺寸保证加工表面的尺寸精度,自动控制法,：,将测量、进给装置和控制系统组成一个自动加工系统，通过自动测量和数字控制装置，在达到尺寸精度后自动停止加工,主动测量法,：,边加工边测量加工尺寸,获得形状精度的方法,刀尖轨迹法,：,通过刀尖运动的轨迹来获得形状精度的方法,仿形法,：,刀具依照仿形装置进给获得工件形状精度的方法,成形法,：,利用成形刀具对工件加工获得形状精度的方法,展成法,：,利用工件和刀具的展成切削运动进行加工的方法,获得位置精度的方法,直接找正定位法,：,用划针或百分表直接在机床上找正工件位置,划线找正定位法,：,先按零件图在毛坯上划好线，再以所的划线为基准找正它在机床的位置,夹具定位法,：,在机床上安装好夹具，工件放在夹具中定位,机床控制法,：,利用机床的相对位置精度保证位置精度,二、影响加工精度的因素及其分析,工艺系统,由机床、夹具、刀具和工件构成的一个完整系统,原始误差,工艺系统中的误差,来自两个方面：,加工前就存在的工艺系统本身的误差,加工过程中因工艺系统受力变形等引起的误差,1,加工原理误差,（理论误差）,原理误差,即在加工中采用了近似的加工运动、近似的刀具轮廓和近似的加工方法而产生的原始误差,近似的加工方法带来的误差,例如，用尖车刀车外圆，也不是光滑的圆柱面，而是一个螺旋面,近似的刀具轮廓带来的误差,例如用模数铣刀铣齿轮，由于：铣刀的成形面不是纯粹的渐开线；模数相同而齿数不同的渐开线齿轮齿形是不同的，一把铣刀铣一组齿数的齿轮，故存在原理,误差,2,工艺系统的几何误差,机床几何误差,包括机床本身各部件的制造误差、安装误差和使用过程中磨损,主轴回转运动误差及其影响因素,回转运动的精度取决于其回转中心相对刀具或工件的位置精度，即取决于机床主轴的回转精度,主轴回转误差有三种：主轴的径向跳动、主轴的轴向窜动、主轴的角度摆动,影响主轴回转精度的因素：,滑动轴承轴颈或滚动轴承滚道圆度误差,滚动轴承内环的壁厚误差,滑动轴承轴颈、轴承套或滚动轴承滚道的波度,滚动轴承滚子的圆度误差和尺寸偏差,轴承间隙以及切削中的受力变形,轴承定位端面与轴心线垂直度误差,轴承端面之间的平行度误差,锁紧螺母端面的跳动等,导轨误差,导轨是确定主要部件相对位置的基准，也是运动基准，各项误差 直接影响被加工工件的精度,对导轨的精度要求主要有：,在水平面内的直线度,在垂直面内的直线度,前后导轨的平行度（扭曲）,导轨误差对加工精度的影响： 如车削时导轨在水平面内弯曲，向前凸出，则出现鼓形误差；向后凸出，则出现鞍形误差,传动链误差,传动链误差产生的原因,传动元件的制造误差、传动元件的装配误差、使用过程中的磨损,减少传动链误差对加工精度的影响，可采取如下措施：,缩短传动链,采用降速传动,提高传动链的制造精度和装配精度,设法消除传动链的间隙,采用误差校正机构提高传动精度,3,工艺系统受力变形及对加工精度的影响,工艺系统受力变形的现象,加工过程中的力：切削力、传动力、夹紧力、重力、控制力、惯性力、干扰力等,工艺系统的刚度,刚度,工艺系统受外力作用后抵抗变形的能力,在上述力的作用下，工艺系统受力变形，刀具和工件相对退让。设刀具相对工件在切削接触点法线方向的相对位移量为,y,，则工艺系统的刚度是：,工艺系统的刚度特性,力和变形不是直线关系，即不符合虎克定律,加载和卸载曲线不重合,卸载后，变形不能恢复到起点,部件刚度比我们想象的小,影响部件刚度的因素,接触变形,（接触点的变形）,薄弱零件本身的变形,间隙的影响,摩擦的影响,施力方向的影响,工艺系统的刚度对加工精度的影响,归纳起来为下列常见形式：,由于受力点位置的变化而产生的工件形状误差,误差复映,毛坯材料硬度不均匀使切削力产生变化，工艺系统受力变形随之变化而产生加工误差,工艺系统中其它作用力使工艺系统中某些环节受力变形而产生加工误差,误差复映规律,误差复映,由毛坯加工余量和材料硬度的变化引起切削力和工艺系统受力变形的变化，因而产生工件的尺寸、形状误差的现象,误差复映规律,误差复映系数,：定量反映毛坯误差经过加工后减少的程度,=,当加工过程有多次走刀时，每次走刀的复映系数为,1,、,2,、,3,，则总复映系数,总,=,1,2,3,可简化为,总,（,1,）,n,由于, 1,，所以经过多次走刀，则可能使毛坯误差复映到工件上的误差减少到公差带允许值的范围内,例：一个工艺系统，其误差复映系数为,0.25,，工件在本工序前的圆度误差,0.5mm,，为保证本工序,0.01mm,的形状精度，本工序最少走刀几次？,解：,0.5(0.25),n,0.01,解得,n=3,减少工艺系统受力变形的措施,提高表面配合质量，以提高接触刚度,或者预加载荷，以提高接触刚度,或者锁紧暂不需移动的部件，以提高接触刚度,设置辅助支承，提高部件刚度,缩短切削力作用点和支承点的距离，提高工件刚度,选择合理的零件结构和断面形状,提高刀具刚度；改善材料性能,合理装夹工件，减少夹紧变形,4,工艺系统热变形及对加工精度的影响,工艺系统热变形的现象,工艺系统受热升温而使工件、刀具及机床的许多部分会因温度升高而产生复杂变形,改变工件、刀具、机床间的相互位置,破坏刀具与工件间相互运动的正确性,改变已调整好的加工尺寸,引起切削深度和切削力改变,破坏传动链的精度,引起热变形的热源,：,内部热源：,切削热，摩擦热，电气等,外部热源：,环境温度变化，取暖设备，热幅射等,减少和控制工艺系统热变形的主要途径,结构措施,采用热对称结构,使关键件的热变形在无害于加工精度的方向移动,合理安排支承位置，使产生热变形位移的有效部分缩短,发热量大的热源采取足够的冷却措施，采用热补偿方法减少热变形,均衡关键件的温升，避免弯曲,隔离热源,工艺措施,环境恒温，避免光照,保持工艺系统热平衡，如加工前机床空转一段时间,（精密加工中途不停车）,装夹时考虑加工热变形方向,注意选材,保持刀具锋利,（降低切削热）,粗、精加工分开,切削区施加充分的冷却液,安装误差,定位误差,基准不重合引起,定位元件和定位面制造误差,元件配合间隙引起,夹紧误差,夹紧机构的夹紧力不当引起,夹紧方式不当引起,夹紧状态不良引起,第二节 加工误差的综合分析,1,误差的性质,误差分为两类,：,系统性误差,当连续加工一批零件时，误差的大小和方向或是保持不变，或是按一定规律变化。前者称为常值系统性误差，后者称为变值系统性误差,常值系统性误差有：原理误差，刀具、夹具、量具、机床的制造误差，调整误差，系统受力变形,变值系统性误差有：工艺系统热变形，刀具、夹具、量具、机床磨损,随机性误差,加工一批零件时，其误差的大小和方向无规律地变化，这类误差称为随机性误差,随机性误差有：复映误差，定位误差，夹紧误差，多次调整引起的误差，内应力引起的误差,2,加工误差的数理统计分析法,实际分布曲线,将零件按尺寸大小以一定的间隔范围分成若干组，同一尺寸间隔内的零件数称为频数,m,i,，零件总数,n,；频率为,m,i,/n,。以频数或频率为纵坐标，以零件尺寸为横坐标，画出直方图，进而画成一条折线，即为实际分布曲线,理论分布曲线,实践证明，当被测量的一批零件（机床上用调整法一次加工出来的一批零件）的数目足够大而尺寸间隔非常小时，则所绘出的分布曲线非常接近“正态分布曲线”,正态分布曲线的方程为：,利用正态分布曲线可以分析产品质量；可以判断加工方法是否合适；可以判断废品率的大小，从而指导下一批的生产,零件出现的概率已达,99.73%,，在此尺寸范围之外（ ）的零件只占,0.27%,如果代表零件的公差,T,，则,99.73%,就代表零件的合格率，,0.27%,就表示零件的废品率,因此，,=,T,时，加工一批零件基本上都是合格品了，即时，产品无废品,四、提高加工精度的工艺措施,1,直接消除和减少误差法,例如车细长轴的三条措施：,采用反向走刀（进给）切削,用大进给量和大主偏角（,9093,）车刀,在卡盘一端车出一个缩颈,2,误差补偿法,人为地制造出一种新的或者利用原有的一种原始误差去抵消另一种原始误差,例如预加载荷精加工磨床床身导轨；用校正机构提高丝杆车床传动链精度,3,误差转移法,将工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等转移到不影响加工精度的方向去,例如，镗模镗孔，主轴与镗杆采用浮动联接,4,误差平均法,例如，研磨加工高精度的轴和孔，利用误差相互比较、相互消除来提高精度；再如，刮研精密平板,5,“就地加工”法,例如车床配制主轴法兰盘；再如转塔车床加工转塔上的六个刀架安装孔,6,控制误差法,对付变值系统性误差必须采用可变补偿的方法,三种形式,：,主动测量：加工过程中随时测量，随时进行误差补偿,偶件配合测量：以互配件中的一件作为基准去控制另一件,积极控制起决定性作用的加工条件：例如精密螺纹磨床的自动恒温控制,一、零件的表面质量及其对使用性能的影响,概述,表面质量是指零件加工后的表面层状态,表面质量影响零件的工作性能、可靠性、寿命,第三节 机械加工表面质量,表面质量的主要内容,：,表面层的几何形状特征,表面粗糙度：即表面微观几何形状误差,表面加工纹理：即表面切削加工刀纹的形状和方向,表面波度：介于宏观几何误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差,伤痕：加工表面个别位置出现的缺陷,表面层的物理力学性能的变化,物理力学性能：,表面层塑性变形引起的冷作硬化层深度；表面层硬度的变化；表面层内的残余应力；刀瘤引起的撕裂、折皱等；微观及宏观裂纹；性能,（如极限强度等）,的变化；重熔金属的沉积层,金相组织,：,相变；再结晶；过时效。,化学性质：,晶间腐蚀和选择性浸蚀；表面脆化,（氢脆）,二、表面质量对零件使用性能的影响,表面质量对零件耐磨性的影响,两零件作相对运动时，接触的凸峰处产生弹性变形、塑性变形、剪切等现象，即产生磨损；磨损达到一定程度，接触面积增大，金属分子间的亲和力使表面咬焊；表面轮廓形状、加工纹路以及吸附层、冷作硬化层等也影响耐磨。,零件表面层材料的冷作硬化，能提高表面层的硬度，增强表面层的接触刚度，减少摩擦表面间发生弹性和塑性变形的可能性，使金属之间咬合的现象减少，因而增强耐磨性。但硬化过度会降低金属组织的稳定性，使表层金属脆化而脱落，致使磨损加剧。,表面质量对零件疲劳强度的影响,表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷引起应力集中而产生疲劳损坏；表面层的残余应力和冷作硬化能提高疲劳强度（故有专门的表面强化工艺：喷丸、滚压）；但硬化过度会降低金属组织的稳定性，使表层金属脆化而脱落或产生裂纹，致使磨损加剧。,表面质量对零件抗腐蚀性能的影响,零件表面粗糙的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀或电化学腐蚀；在应力状态下，特别是在拉应力状态下工作，容易出现裂纹，引起晶间破坏，产生应力腐蚀。,表面质量影响零件的配合性质,相配零件的配合关系是利用间隙量和过盈量来表示的，由于表面粗糙度的存在，使得有效的间隙或过盈量发生变化，影响配合精度和配合性质；动配合件的磨损改变原来的配合性质，影响动配合的稳定性；粗糙的静配合的实际过盈量比预定的小，静配合的可靠性差。,表面质量对零件其他性能的影响,零件的表面质量还将对零件的密封性能、零件的接触刚度、运动的灵活性和发热损失、原有精度等产生影响。,影响表面质量的因素,机械加工表面不可能是理想光滑表面,表面层材料加工时会产生物理、化学变化,切削力、切削热使表层产生各种变化,外界介质的腐蚀等等,三、影响机械加工表面粗糙度的因素及 降低表面粗糙度的工艺措施,1,影响切削加工表面粗糙度的因素,几何因素,尖刀切削时：,带圆角半径的刀切削时：,影响表面粗糙度的几何因素有：,刀具的几何形状和几何角度,进给量,刀刃本身的粗糙度,物理因素,切削力和摩擦力,塑性变形过程中形成的积屑瘤,切削过程中工件表面上形成鳞刺,工艺系统的动态因素,振动,机械振动分为自由振动、强迫振动、自激振动三大类，金属切削过程中，主要是强迫振动和自激振动两种类型,振动主要是产生波度、粗糙度而影响零件表面质量,2,降低表面粗糙度的工艺措施,合理选择刀具的几何角度,适当增大前角、后角,增大刀尖圆弧半径,减小主、副偏角,改善材料切削性能,减小材料塑性,（采取正火、调质等方法）,细化材料晶粒（热处理）,合理选择切削用量,合理选择切削速度，避开积屑瘤、鳞刺产生的切削速度区,减少进给量,切削深度不宜过小,正确使用切削液,乳化液、硫化油、植物油等性能各有不同，应合理选用,采用辅助加工方法,常用的有：研磨、珩磨、超精加工等,提高工艺系统的精度和刚度,主运动和进给运动系统的精度要高,系统的刚度和抗振性好,受力变形和热变形要小,四、影响表面物理力学性能的工艺因素,1,表面层的残余应力,表面层残余应力的产生,当切削过程中表面层组织发生形状变化和组织变化时，在表面层及其与基体材料的交界处就会产生互相平衡的弹性应力，称为表面残余应力,残余应力分类,：,零件整个尺寸范围内平衡的残余应力,晶粒范围内平衡的残余应力,晶胞间平衡的残余应力,残余应力产生的原因,冷塑性变形,（切削力的作用）,热塑性变形,（切削热的作用）,金相组织变化,（切削高温作用下，引起表面层金属发生相变）,通常是上述三种原因综合作用的结果,2,表面层的加工硬化,表面冷作硬化现象,切削（含磨削）过程中，刀具前面迫使金属受到挤压而产生塑性变形，使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并使晶粒拉长、破碎和纤维化，引起材料强化、硬度提高，这就是冷作硬化现象,表面层硬化后的金属性质的具体特点为,：,晶体形状改变（拉长、破碎）,晶体方向改变（塑性变形后形成一定方向，纤维化）,变形抵抗力增加（产生冷作硬化）,导电性、导磁性、导热性亦有变化,表面层产生残余应力,决定表面层硬化程度的因素,产生塑性变形的力,塑性变形的速度,塑性变形时的温度,影响加工冷作硬化的因素,切削用量（主要是切削速度、进给量。切削速度的影响：低速时，塑性变形大，冷硬大；速度增加，冷硬减少；但速度超过,100m/min,时，冷硬又增加。进给量增大，塑性变形增大，冷硬增加；进给量太小，刀具挤压作用增大，冷硬增加。）,刀具（刀具的刃口圆角大和后刀面的磨损严重以及前刀面的粗糙度高，都将使得刀具对工件表面层金属的挤压和摩擦作用增加，因而冷硬程度和深度都增加。）,工件材料的影响（工件材料硬度越低，切削时塑性变形越大，冷硬现象越严重。）,