第2章_机械加工质量2017改

机械加工质量第2章2.1机械加工精度2.2机械加工的表面质量第2章机械加工质量机器零件的加工质量决定了机器的：1.性能2.质量3.寿命机器产品加工质量的内容：1.加工精度——宏观的零件几何参数2.加工表面质量——零件表面层的物理机械性能@加工表面质量粗糙度方面已获得小于0.0005μm的粗糙度。@加工质量与设备、工艺方法、工艺措施有关。2.1机械加工精度2.1.1概述1、机械加工精度(简称加工精度)：是指零件在机械加工后的几何参数(尺寸、几何形状和表面间相互位置)的实际值和理论值相符合的程度。2、加工误差：实际参数与理论参数的差值2.1机械加工精度2.1.2影响加工精度的因素及其分析在机械加工中，零件的尺寸、几何形状和表面间相互位置的形成，取决于工件和刀具在切削运动过程中的相互位置关系，而工件和刀具又安装在夹具和机床上。1）工艺系统：机械加工中，机床、夹具、刀具和工件构成的完整系统2）工艺系统中的误差产生零件加工误差的根源，称为原始误差2.1机械加工精度1.加工原理误差2.1机械加工精度原理误差：由于采用了近似的加工运动或近似的刀具轮廓而产生的原始误差。例:①滚刀用阿基米德蜗杆代替渐开线蜗杆（近似的刀具轮廓）；②模数铣刀铣齿（近似的刀具轮廓）；③用公制丝杆车蜗杆或英制螺纹。（近似的加工运动）2.1机械加工精度42311(ZZZZPPi机床丝杆螺距蜗杆）螺距工件例1.在公制车床上车模数为2mm蜗杆时，挂轮计算式为：，若P=6mm，机床丝杆螺距）（蜗杆螺距）(14321PPzzzz,120,80,70,1104321ZZZZ求加工后蜗杆螺距误差是多少？P1=2P=6i而理论螺距应该为：P=mπ=2×3.14159=6.2832mm所以螺距误差为：△p=P1－P=6.2857－6.2832=0.0025mm解：42311(ZZZZPPi机床丝杆螺距蜗杆）螺距工件2857.6620708011042311PZZZZiPP(1)机床几何误差2.机床、刀具、夹具的制造误差与磨损2.1机械加工精度机床误差来自机床本身各部件三方面：①制造；②安装；③磨损。对加工误差影响大的机床误差有三个部分：1）主轴回转误差;2）导轨误差;3）传动链误差。1）主轴回转误差。纯径向跳动误差轴向窜动误差纯角度摆动误差车外圆时它使加工面产生圆度和圆柱度误差。①主轴纯径向跳动误差对加精度的影响。产生的主要原因：主轴支承轴颈的圆度误差、轴承工作表面的圆度误差等。a.切削力F的作用方向不变（见图2-5车外圆的情形)R△RR1R33241理论位置实际位置Roo′b.切削力F的作用方向变化（见图2-4镗床镗孔)在切削力F的作用下，主轴总是以其支承轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，因此，轴承内表面的圆度误差将直接反映为主轴径向圆跳动δd，而主轴支承轴颈的圆度误差则影响不大。②主轴轴向窜动误差对加工精度的影响主轴的纯轴向窜动对内、外圆加工没有影响，但所加工的端面却与内外圆轴线不垂直。主轴每转一周，就要沿轴向窜动一次，向前窜动的半周中形成右螺旋面，向后窜动的半周中形成左螺旋面，最后切出如同端面凸轮一样的形状，并在端面中心附近出现一个凸台。当加工螺纹时，则会产生单个螺距内的周期误差。③纯角度摆动误差对加工精度的影响。主轴的纯角度摆动也因加工方法而异。车外圆时，会产生圆柱度误差(锥体)；镗孔时，孔将成椭圆形如图2-6所示。④影响主轴回转精度的因素及提高回转精度的措施。主轴回转轴线的运动误差不仅和主轴部件的制造精度有关，而且还和切削过程中主轴受力、受热后的变形有关。但主轴部件的制造精度是主要的，是主轴回转精度的基础，它包含轴承误差、轴承间隙、与轴承相配合零件的误差等。图2-7轴颈与轴套孔圆度误差引起的径向跳动2）导轨误差使刀尖在水平面内产生位移ΔY，造成工件在半径方向上的误差ΔR。①导轨在水平面内有直线度误差。此项误差对于普通车床和外圆磨床，将直接反映在被加工工件表面的法向方向，所以对加工精度影响极大，使工件产生圆柱度误差(鞍形或鼓形)。②导轨在垂直平面内有直线度误差。如图2-9所示，使刀尖产生ΔZ的位移，造成工件在半径方向上产生误差ΔR=(ΔZ）2/2R，除加工圆锥形表面外，它对加工精度的影响不大，可以忽略不计。图2-10龙门刨床导轨在垂直平面内直线度引起的误差但对于龙门刨床、龙门铣床及导轨磨床来说，导轨在垂直面内的直线度误差将直接反映到工件上。如图2-10所示龙门刨床，工作台为薄长件，刚性很差，如果床身导轨为中凹形，刨出的工件也是中凹形。(3)导轨间的平行度误差对加工精度的影响当前后导轨在垂直平面内有平行度误差（扭曲误差）时，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生圆柱度误差。导轨间在垂直方向有平行度误差Δl3时，如图2-11所示，将使工件与刀具的正确位置在误差敏感方向产生Δy≈（H/B)×δ的偏移量，使工件半径产生ΔR＝Δy的误差，对加工精度影响较大。除了导轨本身的制造误差之外，导轨磨损是造成机床精度下降的主要原因。选用合理的导轨形状和导轨组合形式，采用耐磨合金铸铁导轨、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨以及对导轨进行表面淬火处理等措施均可提高导轨的耐磨性。3．传动链误差：指由于传动链中的传动元件存在制造误差、装配误差及使用过程中的磨损引起的误差。即始末两端传动元件间相对运动的误差。通过谐波分析判断误差来自哪个元件。措施：①减少传动链中的元件数目，缩短传动链，以减少误差来源。②提高传动元件，特别是末端传动元件的制造精度和装配精度。③传动链齿轮间存在间隙，同样会产生传动链误差，因此要消除间隙。④采用误差校正机构来提高传动精度。影响：有些加工方法（如车螺纹，滚齿，插齿等），要求刀具与工件之间必须具有严格的传动比关系。机床传动链误差是影响这类表面加工精度的主要原因之一。滚齿机传动系统图：（2）刀具误差1)刀具的制造误差a.采用定尺寸刀具（例如钻头、铰刀、键槽铣刀、圆拉刀等）加工时，刀具的尺寸误差和磨损将直接影响工件尺寸精度。b.采用成形刀具（例如成形车刀、成形铣刀、齿模数铣刀、成形砂轮等）加工时，刀具的形状误差和磨损将直接影响工件的形状精度。c.对于一般刀具（例如车刀、镗刀、铣刀等），其制造误差对工件加工精度无直接影响刀具的尺寸磨损量NB：NB是在被加工表面的法线方向上测量的。刀具的尺寸磨损量可用下式计算NBo为初期磨损量；KNB为正常磨损阶段曲线的斜率，称为相对磨损。图2-12刀具的尺寸磨损图2-13刀具磨损量与切削路程的关系（3）夹具的制造误差与磨损夹具误差包括工件的定位误差和夹紧变形误差、夹具的安装误差和分度误差以及夹具的磨损等。图2-14夹具误差的影响1—夹具体2—钻模板3—钻模套4—衬套5—定位轴在设计夹具时，对夹具上直接影响工件加工精度的有关尺寸的制造公差一般取为工件上相应尺寸公差的1/2～1/5。夹具元件磨损将使夹具的误差增大。为保证工件加工精度，夹具中的定位元件、导向元件、对刀元件等关键易损元件均需选用高性能耐磨材料制造。3、工艺系统受力变形及其对加工精度的影响图2-15车床各部位弹性连接(1)工艺系统受力变形的现象由机床、夹具、工件、刀具所组成的工艺系统是一个弹性系统，在加工过程中由于切削力、夹紧力、重力、传动力、惯性力等外力的作用，将引起工艺系统各环节产生弹性变形，此变形造成位移。图2-16细长轴车削时的受力变形图2-17切入式磨孔时磨头轴的受力变形(2)工艺系统受力变形对加工精度的影响工件的加工精度除受切削力大小的影响外，还受切削力作用点位置变化的影响。(3)误差复映规律在加工过程中，由于工件毛坯加工余量或材料硬度的变化，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误差和形状误差。毛坯（余量、硬度）不均匀切削力变化变形变化尺寸和形状误差工艺系统刚度越高，“误差复映系数”ε越小，即复映到工件上的误差越小。误差复映系数ε：加工前后误差之比值。它代表误差复映的程度。4.工艺系统热变形及其对加工精度的影响(1)工艺系统热源加工过程中，工艺系统的热源主要有两大类：切削热和摩擦热。(2)机床热变形不同类型的机床因其结构与工作条件的差异而使热源和变形形式各不相同。图2-19(3)工件热变形由切削热引起，热伸长量：△L=αL△t当工件能够自由伸长时，工件热变形主要影响尺寸精度，否则，还会产生圆柱度误差。式中L—工件变形方向的长度（或直径）(mm);α—工件的热膨胀系数（1/℃),钢的热膨胀系数为1.2×10－5/℃，铸铁为1×10－5/℃，黄铜为1.7×10－5/℃；Δt—工件的平均温升（℃）。例：6级丝杠的螺距累积误差在全长上不许超过0.02mm，现磨一根长3m的丝杠，每磨一次温升3℃，能否达到要求？△L=αL△t=12×10-6×3000×3=0.1mm火车导轨有缝吗？减少工件热变形对加工精度影响的措施1)在切削区施加充足的切削液。2)提高切削速度或进给量，以减少传入工件热量。3)粗、精加工分开，使粗加工的余热不带到精加工工序中。4)刀具和砂轮勿让过分的磨钝才进行刃磨和修正，以减少切削热和磨削热。5)使工件在夹紧状态下有伸缩的自由(如采用弹簧后顶尖等)。（4）刀具热变形刀具热变形的热源主要是切削热由于刀体小,热容量小,刀具温升非常高。例如,用高速钢车刀切削时：刀刃部分温升可达700--800度；刀具伸长量可达0.03～0.05mm补充：减小工艺系统热变形的途径1．减少发热量2．改善散热条件3．均衡温度场4．改进机床结构5.工件内应力引起的变形内应力：亦称残余应力，是指在没有外力作用下或去除外力作用后残留在工件内部的应力。工件一旦有内应力产生，就会使工件材料处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位转化，转化速度或快或慢，但迟早总是要转化的，转化的速度取决于外界条件。当带有内应力的工件受到力或热的作用而失去原有的平衡时，内应力就将重新分布以达到新的平衡，并伴随有变形发生，使工件产生加工误差。（1）内应力产生的原因1）热加工（毛坯制造）中产生的内应力以铸造为例，由于壁厚不均，冷却速度不一致，内应力的状态为厚壁或心部受拉应力，薄壁或外表层受压应力。2）冷校直产生的内应力塑性变形是物质-包括流体及固体在一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。弹性变形材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。3）切削加工产生的内应力（2）减小或消除内应力变形误差的途径1)采用适当的热处理工序。2)给工件足够的变形时间。精密零件粗、精加工应分开；大型零件，粗、精加工安排在一个工序内，粗加工后应先将工件松开，使其自由变形。3)零件结构要合理。6.调整误差：机械加工中，由于工艺系统“机床-夹具-工件-夹具”没有调整到正确的位置而产生的加工误差。(1)试切法调整试切法调整就是对被加工零件进行试切-测量-调整-再试切，直到符合规定的尺寸要求时，再正式切出整个加工表面。1)测量误差。测量时由测量器具误差、测量温度变化、测量力及视觉偏差等引起的误差，使加工误差扩大。2)微量进给的影响。“爬行”3)切削厚度影响。锐利的切削刃最小切削厚度5um，钝刀20~50um。图2-23试切调整(2)按定程机构调整在半自动机床、自动机床和自动线上，广泛应用行程挡块、靠模及凸轮等机构来保证加工精度。(3)用样件或样板调整在各种仿形机床、多刀机床和专用机床的加工中，常采用专门的样件或样板来调整刀具、机床与工件之间的相对位置，这样样件或样板本身的制造误差、安装误差、对刀误差就成了影响调整误差的主要因素。前面分析和讨论了各种原始误差因素对加工精度的影响，并提出了一些解决单个问题的措施。1.直接消除和减少原始误差2.1.4提高加工精度的工艺措施1）以车细长轴为例：①采用跟刀架或中心架；②采用反向进给；③大主偏角大进给；④伸缩性的弹性活顶尖。进给方向a)Fy进给方向Fy跟刀架活顶尖b)2)在卡盘一端的工件上车出一个缩颈，以增加工件柔性，减少