第三章第三章 机械加工质量机械加工质量 3.1 3.1 概概 述述一、加工精度一、加工精度v机械加工质量：加工精度和表面质量 加工精度：零件在加工以后的几何参数（尺寸、形状和 位置）的实际值与理想值的符合程度。 加工误差：零件加工后的几何参数的实际值与理想值的 偏离程度。 加工精度包括：（1）尺寸精度 （2）形状精度 （3）位 置精度 宏观几何形状误差（平面度、圆度等）波长/波高1000 波度 波长/波高=501000；且具有周期特性 表面粗糙度 波长/波高50a）波度 b）表面粗糙度图1 零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ（3）表面层的物理机械性能：包括表面层的冷作硬化，表 面层的残余应力。二、表面质量二、表面质量 v 表面质量是指机械加工后零件表面层的状况，包括： （1）表面粗糙度：微观几何形状误差 （2）波度：中间几何形状误差3.2 产生加工误差的主要因素1 1、机床误差机床误差1. 导轨误差 （1）导轨在水平面内的直 线度误差（导轨在水平面内 的弯曲）（图3）（图17） 直径误差：v原始误差：工艺系统本身的误差。原始误差通过加 工过程直接反映到工件上就成为加工误差。图3 卧式车床的基本结构及运动1主轴箱 2夹盘 3刀架 4后顶尖 5尾座 6床身 7光杠 8丝杠 9溜板箱 10底座 11进给箱X Zn 普通车床普通车床YYoDR水平面导轨水平面内直线度图 17 导轨在水平面内直线度误差（2）导轨在垂直面内的直线度误差 （导轨在垂直面内的弯曲）（图18）由 知略去则oabD垂直平面导轨垂直面直线度ZdYZ图18 导轨在垂直面内直线度误差Rd/2设：Y=0.01mm ，R=50mm 则由于法向原始误差而产生的加工误差Y =0.01mmZ=0.01mm则由于切向原始误差产生的加工误差 Y =Z2/d =0.000001mm此值完全可以忽略不计。由于Z2数值 很小，因此该误差对工件的尺寸精度和形状 精度影响甚小。 2. 机床主轴轴线与导轨的平行度误差(1)主轴轴线与导轨在水平面内不平行工件被加工成锥体，锥度为(2)主轴轴线与导轨在垂直面内不平行OX为工件轴线，AC为刀尖运动轨迹则任意位置x处的半径：以y代替则得：任意位置x处半径方向的加工误差为：或b，Lbtg主轴轴线与导轨在垂直面内L长度的平行度误差式中=b（1）主轴回转误差的基本形 式 主轴回转误差是指主轴实际主轴回转误差是指主轴实际 回转回转轴轴线对其理想回转轴线线对其理想回转轴线 的漂移。的漂移。 为便于研究，可将主轴回为便于研究，可将主轴回 转误差分解为径向跳动、轴转误差分解为径向跳动、轴 向窜动和角度摆动三种基本向窜动和角度摆动三种基本 型式。型式。b）轴向窜动轴向窜动a）径向跳动c）角度摆动图 主轴回转误差基本形式3. 3. 主轴回转误差主轴回转误差 实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。由于实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。由于 主轴实际回转轴线在空间的位置是在不断变化的，由上述主轴实际回转轴线在空间的位置是在不断变化的，由上述 三种运动所产生的位移（即误差）是一个瞬时值。三种运动所产生的位移（即误差）是一个瞬时值。AB（2 2） 影响主轴回转精度的主要因素内外滚道圆度误差、滚动体 形状及尺寸误差图19 轴径不圆引起车床主 轴径向跳动 滑动轴承 镗床镗床（图（图2020） 轴承孔不轴承孔不 圆引起镗床主轴径向跳动圆引起镗床主轴径向跳动图20 轴承孔不圆引起镗床主 轴径向跳动 滚动轴承 车床车床（图（图1919） 轴径不圆引轴径不圆引 起车床主轴径向跳动起车床主轴径向跳动 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。刀具 误差一般刀具定尺寸刀具成形刀具展成法刀具如普通车刀、单刃 镗刀和面铣刀等的制 造误差对加工精度没有 直接影响，但磨损后对 工件尺寸或形状精度有 一定影响。定尺寸刀具（如钻 头、铰刀、圆孔拉刀等） 的尺寸误差直接影响被 加工工件的尺寸精度。 尺寸磨损和刀具的安装， 也会影响加工精度。成形刀具（如成形车 刀、成形铣刀、盘形齿 轮铣刀等）的形状误差、 安装误差、磨损影响被 加工面的形状精度。展成法刀具（如齿轮 滚刀、插齿刀等）加工齿 轮时，刀具的形状误差、 安装误差、磨损影响被 加工面的形状精度。二、刀具误差v切削过程中刀具在切除工件上的金属层，同时工件与 切屑也对刀具起作用，使刀具磨损。刀具严重磨损，会 缩短刀具使用时间、恶化加工表面质量、增加刀具材料 损耗、增大切削力、增大切削温度、产生振动。因此，刀具磨损是影响生产效率、加工质量和成本 的一个重要因素。v刀具磨损三个阶段： （段）初期磨损阶段 在开始切削的短时间内，磨损 较快。这是由于刀具表面粗糙不平或表层组织不耐磨引 起的。 （段）正常磨损阶段 随着切削时间增长，磨损量以 较均匀的速度加大。这是由于刀具表面磨平后，接触面 增大，压强减小所致。 （段）急剧磨损阶段 磨损量达到一定数值后，磨损 急损加速、继而刀具损坏。这是由于切削时间过长，磨 损严重，切削温度剧增，刀具强度，硬度降低所致。图 车刀的尺寸磨损图 车刀磨损过程工艺系统：机床、夹具、工件、刀具外力：切削力、传 动力、惯性力、夹 紧力、重力产生加工误差破坏了刀具、工 件间相对位置三、工艺系统受力变形引起的加工误差工艺系统受力变形现象1.基本概念 工艺系统的刚度：在外力作用下，工艺系统抵抗变形的能 力。式中工艺系统刚度，为2.机床的刚度及对加 工精度的影响 （1）机床的刚度计算 机床压移量（3-1）1-mmN.而由相似三角形求出：所以故 （3-2）设 分别为由切削力在床头和尾架处所引起或的压力，则：所以代入(3-2)并整理得：将式（3-3）及（3-3）代入式（3-1）得：因为： 故任意点即离床头为x处的机床刚度（3-4）代入式（3-4）得：当车刀位于床头时，当车刀位于尾架时，令，可得刚度的极限在处，又因，即有最大值：以0dxJdj图 刚度变化造成工件误差1理想的工件形状2车出的工件形状（）影响机床刚度的主要因素：a.接触刚度的影响b.机床部件中薄弱零件的影响（图23）c.间隙影响d.连接件刚度的影响图23 机床部件刚度的薄弱环节a) 溜板中的楔铁 b) 轴承套3.工件的刚度对加工精度的影响 （）工件在两顶尖间加工 （）工件在卡盘中加工 （）工件装在卡盘上并用后顶尖支承v减小变形措施： a.夹紧点尽量靠近被加工面 b.采用中心架、跟刀架（如图） 。 c.加工薄壁零件时，夹紧力均匀 分布。图 中心架的应用图 跟刀架的应用4.刀具的刚度对加工精度的影响a.减少刀杆或刀具的悬臂量 b.加大刀杆截面积 c.镗孔时，用镗套支承进行导向；钻孔时，用钻套导向。 d.减小切削力及加工过程中切削力的变化多种情况下，刀具的刚度对 工件精度无显著影响，但镗小 直孔、钻小而深的孔等影响较 大。v减小变形的措施：图 镗床上镗孔5.工艺系统的刚度对加工精度的影响刀具变形即式中工艺系统变形机床变形夹具变形工件变形式中刚度，则：柔度，令刚度的倒数为柔度 ，即6.误差复映规律m在车床上加工短圆柱毛坯误差：图24 误差复映现象ap1y1ap2y2毛坯外形工件外形工件误差：（3-12）背吃刀量为时工件法向切削分力背吃刀量为根据切削原理，=复映系数：几次走刀，总复映系数为：式中：21PP、aa21PP、aa时工艺系统的弹性压移 增加走刀次数,可减小误差复映,提高加工精度,但生产率 降低了。 提高工艺系统刚度，对减小误差复映系数具有重要意义 。 毛坯的各种形状误差（圆度、圆柱度、同轴度、平面度 等）都会以一定的复映系数，复映成工件的加工误差。 毛坯材料的不均匀，HB有变化，同样会引起力的变化， 产生加工误差，分析方法同误差复映规律。四、工艺系统热变形引起的加工误差（一）概 述工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形，从而破坏 工件与刀具间正确的相对位置，造成加工误差。据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的 40%70%。工艺系统的热变形不仅严重地影响加工精度，而且还影 响加工效率的提高。实现数控加工后，加工误差不能再由人工进行补偿，全靠机床 自动控制，因此热变形的影响就显得特别重要。工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的一个重大研 究课题。1. 工艺系统的热源电机、轴承、齿轮、 油泵等工件、刀具、切屑、 切削液气温、室温变化、 热、冷风等热源切削热摩擦热外部热源内部热源环境温度热辐射日光、照明、暖气 、体温等2. 工艺系统的热平衡工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐 升高。同时，它们也通过各种传热方式向周围散 发热量。 热 平 衡 当单位时间内传入和散发 的热量相等时，工艺系统达 到了热平衡状态。 而工艺系统的热变形也就 达到某种程度的稳定。机床在开始工作的一段时间内，其 温度场处于不稳定状态，其精度也是很 不稳定的，工作一定时间后，温度才逐 渐趋于稳定，其精度也比较稳定。因此，精密加工应在热平衡状态下 进行。r在生产中，必须注意:（二）机床热变形对加工精度的影响机床热变形会使机床的静态几何精度发生变化而影响 加工精度，其中主轴部件、床身、导轨、立柱、工作台等 部件的热变形，对加工精度影响最大。各类机床其结构、工作条件及热源形式均不相同，因此 机床各部件的温升和热变形情况是不一样的。1. 车、铣、钻、镗类机床主轴箱中的齿轮、 轴承摩擦发热、 润滑油发热。2.龙门刨床、牛头刨床、立式车床类机床导轨副的摩擦热3.各 种 磨 床砂轮主轴轴承的 发热和液压系统 的发热运转时间 / h0 1 2 3 450150100200位移 /m20406080温升 / YX前轴承温升图 车床受热变形a） 车床受热变形形态b） 温升与变形曲线车床热变形车床热变形v 立铣（图a）图 立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形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v 外圆磨（图b）v 导轨磨（图c）其他机床热变形其他机床热变形 （1）减少发热，隔热，如电动机、齿轮箱、液压装置 等热源尽量从主机中分离出去，不能分离的热源如 主轴轴承、高速运动导轨副、丝杆副等部件应从结 构和润滑等方面改变其摩擦特性。发热部件和机床 大件间用隔热材料隔开。 （2）加强散热 （3）热平衡t减小机床热变形的措施：（三）工件热变形对加工精度的影响1. 工件均匀受热对于一些形状简单、对称的零件，如轴、套筒等，加工时（如车 削、磨削）切削热能较均匀地传入工件，工件热变形量可按下式估算 ：L=Lt式中 工件材料的线膨胀系数；L工件在热变形方向的尺寸，单位为mm；t工件温升，单位为。车削，工件的切削热不到10%；钻孔，工件的切削热占 50%以上；磨削，磨削热（84%左右）传入工件。 热主要来自切削区域例如：在磨削400mm长的丝杠螺纹时，每磨一 次温度升高1，则被磨丝杠将伸长L=1.1710-54001=0.0047mm而5级丝杠的螺距累积误差在400mm长度上不允 许超过5m左右。因此，热变形对工件加工精度影响很大。2. 工件不均匀受热在刨削、铣削、磨削加工平面时，工件单面受热，上 下平面间产生温差，导致工件向上凸起，凸起部分被工具 切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生