445加工表面质量和精度

2020/1/12绵阳新晨动力金工车间1机械工程师资格考试第四部分机械制造工艺2020/1/12绵阳新晨动力金工车间24.4.5加工表面质量和精度表面层相变表面层残余应力表面层冷作硬化表面层物理机械性能表面波度表面粗糙度表面微观几何形状表面质量形状精度位置精度尺寸精度加工精度加工质量机械加工质量2020/1/12绵阳新晨动力金工车间31.机械加工精度加工精度：是指零件加工后，其几何参数的实际数值与图纸规定的设计数值相符合的程度。☆尺寸精度☆几何形状精度☆相互位置精度1）加工精度的概念2020/1/12绵阳新晨动力金工车间41）加工精度的概念☆尺寸精度☆相互位置精度☆几何形状精度加工表面的实际尺寸与设计尺寸的符合程度（公差带的宽度和公差带的位置）在国标中尺寸公差分20级（IT01、IT0、IT1~IT18）加工表面的实际几何要素与理想几何要素的符合程度在国标中形状公差有六项：直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。加工表面的实际几何要素的位置与理想几何要素的位置的符合程度国标中位置公差有八项平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度、位置度、圆跳动、全跳动。2020/1/12绵阳新晨动力金工车间52）加工误差与原始误差加工误差原始误差包括机床、夹具、刀具及工件在内的机械加工工艺系统各环节的误差。指零件加工后，其几何参数的实际数值与图纸规定的设计数值不符合的程度，即实际数值与设计数值之差。工艺系统的制造误差及磨损工艺系统的力、热效应引起的变形加工过程其他原始误差原始误差的来源（工艺系统）2020/1/12绵阳新晨动力金工车间6工艺系统的制造误差及磨损工艺系统的力、热效应引起的变形加工过程其他原始误差原始误差的来源（工艺系统）机床（主轴、导轨、传动链）、夹具（定位、对刀、分度等）、刀具等的制造误差及磨损工艺系统受力变形（切削、夹紧、惯性等力）工艺系统热变形（切削热、摩擦热、其他热等）工件残余应力引起的变形（变形、金相组织等）加工原理误差（近似的成形运动、刀具刃形等)工件定位误差（定位方案本身）调整误差（安装、测量工具、试切与实切的切削参数差异等）测量误差（测量方法、环境条件、人为因素等）2020/1/12绵阳新晨动力金工车间7原始误差与加工误差的关系原始误差对加工误差的影响主要是它在加工（工序）尺寸方向上的分量的大小的作用。一般是切削加工表面的法向。原始误差在该方向对加工精度影响最大。误差敏感方向一般是切削加工表面的切向。原始误差在该方向对加工精度影响最小。误差不敏感方向2020/1/12绵阳新晨动力金工车间83)获得加工精度的方法试切法：通过试切——测量——调整——再试切获得尺寸精度的方法⑴尺寸精度的获得方法调整法：通过预调好的机床、夹具、刀具、工件的相对位置，来保证一批工件尺寸精度的方法。定尺寸刀具法：用一定形状和尺寸的刀具加工获得。自动控制法：用一定的测量、进给及控制装置，边加工边测量边调整，自动完成一个加工循环。2020/1/12绵阳新晨动力金工车间93)获得加工精度的方法⑵形状精度的获得方法成形运动法轨迹成形法:利用刀具与工件间的相对运动轨迹来获得形状。成形刀具法：利用成形刀具加工获得表面形状。展成法：利用刀具与工件相对运动关系，使工件被刀具切削成一定形状的包络线所构成的加工表面。非成形运动法人工修配样板加工划线加工2020/1/12绵阳新晨动力金工车间103)获得加工精度的方法⑶位置精度的获得方法主要由机床和夹具精度以及工件的安装精度来保证。装夹的方式：直接找正装夹划线找正装夹夹具装夹。2020/1/12绵阳新晨动力金工车间11直接找正装夹2020/1/12绵阳新晨动力金工车间12划线找正装夹2020/1/12绵阳新晨动力金工车间13夹具装夹2020/1/12绵阳新晨动力金工车间144)工艺系统几何误差机床精度取决于其制造精度、装配精度及磨损情况。主要有主轴误差、导轨误差、传动链误差等。⑴机床误差几何偏心回转误差直线度误差导轨扭曲纯角度摆动纯径向跳动纯轴向窜动主轴误差导轨误差传动链误差2020/1/12绵阳新晨动力金工车间15车床加工将产生同轴度、垂直度等位置误差；镗床和钻床会造成孔径的扩大。主轴误差主轴几何偏心引起的误差2020/1/12绵阳新晨动力金工车间16主轴回转误差分析2020/1/12绵阳新晨动力金工车间17主轴纯径向跳动对加工精度的影响车削外圆、镗孔时产生圆度误差。主轴纯角度摆动对加工精度的影响车削加工时产生圆度、圆柱度或端面形状误差；镗削加工时将产生圆度或圆柱度误差主轴纯轴向窜动对加工精度的影响端面跳动、螺距周期误差。2020/1/12绵阳新晨动力金工车间18主轴误差对加工精度的影响要具体情况具体分析镗床镗孔时刀具随机床主轴回转，切削力和误差敏感方向也在变化，轴线的位置变化会直接反映到工件上去。车削是工件回转，切削力和误差敏感方向不变，只有水平方向误差才1:1地反映到工件上。相同的误差对于不同加工方法影响各不相同。最大可能2020/1/12绵阳新晨动力金工车间19提高主轴回转精度的措施提高主轴部件的制造精度，选用高精度滚动轴承或采用动压、静压轴承（刚度高、回转精度高）；对滚动轴承进行预紧，以消除间隙或产生微量过盈，提高轴承刚度。采用合理的工艺方法来消除主轴回精度对加工精度的影响，主轴只起传递动力和运动的作用。☆采用固定顶尖定位加工，工件轴线不变☆采用电磁无心磨削加工2020/1/12绵阳新晨动力金工车间20工件与主轴之间有偏心量产生传递扭矩，切削力与电磁力合力使工件紧贴在可调支承，主轴转动与工件定位无关。2020/1/12绵阳新晨动力金工车间21导轨误差（以车削为例）•直线度误差：yR水平面内：RzR22垂直面内：AΔHδR•导轨扭曲：螺纹加工、齿轮加工等要求刀具与工件间保持固定的传动关系，传动误差将影响螺纹导程、齿轮的分度精度等。传动误差2020/1/12绵阳新晨动力金工车间22⑵刀具误差•展成法：加工表面是无数刀刃轨迹的包络面，刀刃形状为加工表面的共扼曲线，刀具误差会影响加工表面的形状误差。•轨迹法：工件表面是刀尖与工件相对运动轨迹的包络面。•定尺寸刀具：如钻头、铰刀、拉刀等，尺寸、形状直接影响工件尺寸和形状精度。•刀具磨损：直接影响刀具的尺寸、形状等，进而影响加工工件的尺寸和形状。刀具误差包括刀刃廓形制造、刃磨误差及刀具安装误差。•成形法：刀具表面廓形“复印”到加工表面上。安装误差也直接影响加工表面形状精度。例如：车削螺纹，车刀安装偏高或偏低，三角形牙型轮廓会变成双曲线。2020/1/12绵阳新晨动力金工车间23⑶夹具制造误差•定位元件、刀具导向装置、对刀装置、分度机构以及夹具体等零件及组件的制造、装配误差。•夹具磨损引起的定位误差。夹具制造误差主要是：⑷工件的装夹误差装夹不正确、夹紧变形等⑸测量误差测量是对加工的引导，测量方法、原理、水平等引起的误差均会造成误导。2020/1/12绵阳新晨动力金工车间245)工艺系统受力变形指加到系统上的作用力P与由它产生的在作用力方向上的位移y的比值。即K=P/y⑴工艺系统的刚度机械加工过程中，在重力、切削力、惯性力、传动力等外力作用下，工艺系统都会变形，破坏刀具与工件间的正确位置，从而产生加工误差。指垂直于待加工表面的切削分力Py与工件在Py方向的位移之比值。K=Py/y刚度工艺系统的刚度2020/1/12绵阳新晨动力金工车间25工艺系统的变形包括：工件的变形、机床的变形、夹具的变形和刀具的变形等。即所以工艺系统刚度的一般形式为2020/1/12绵阳新晨动力金工车间26⑵切削力对加工精度的影响误差复映：有形状误差（或相互位置误差）的工件毛坯，加工时，因加工余量不均，引起切削力变化，使工艺系统产生变形。由此形成的形状误差（或位置误差）仍以与毛坯相似的形式、程度不同地反映在新的加工表面上。ε为小于1的正数，每次切削的复映系数为1，2，3…最终误差复映系数为ε=1·2·3…«1，故切削次数越多这种“复映”的误差越小。工件误差Δg对毛坯误差Δm的复映程度称为误差复映系数ε。即ε=Δg/Δm2020/1/12绵阳新晨动力金工车间27例：车削加工短圆柱毛坯。该毛坯有圆度误差（椭圆），系统刚度可近似看成常数。因此切削过程中由于背吃刀量的不断变化，系统的变形量也随之变化，导致加工后的表面仍为椭圆。因y系统=Fp/k系统，所以上式可表达为112112)1(nm绵阳新晨动力金工车间28车削细长工件细长工件刚度低，切削时工件产生弯曲变形而让刀，且不同的部位变形程度不同，加工工件为腰鼓形。2020/1/12绵阳新晨动力金工车间29车削短而粗的刚性轴短轴刚度高，切削时工艺系统（主要是机床）的各部分刚度不等，不同的部位变形程度不同而让刀，加工工件为马鞍形，且最小直径出现在中间靠近刚度高的一侧。在刀具切削点处，工件轴线的位移yx为）尾头kkFyPx/(min工艺系统的总变形量为yx和y刀架的简单叠加为2020/1/12绵阳新晨动力金工车间30切削力作用的其他情况2020/1/12绵阳新晨动力金工车间31⑶惯性力对加工精度的影响单爪拨盘产生离心力而产生定位端面位置误差；传递力矩与切削力矩平衡，径向变形是切削力与传动力所引起的变形量的叠加，结果为：心脏线轮廓。2020/1/12绵阳新晨动力金工车间32⑷夹紧力对加工精度的影响2020/1/12绵阳新晨动力金工车间33⑸重力对加工精度的影响2020/1/12绵阳新晨动力金工车间34减小工艺系统受力变形的措施①提高工艺系统的刚度包括结构刚度、连接刚度、接触刚度等。工艺装备自身刚度不足。机床、刀具、夹具都可能存在此类问题。零件相互之间使用的连接件刚度不足。零件表面的宏观、微观几何误差使实际接触面积减小而引起的刚度不足。结构刚度连接刚度接触刚度2020/1/12绵阳新晨动力金工车间35减小工艺系统受力变形的措施②控制受力大小和方向通过合理选择切削参数、刀具角度控制切削力或分力的大小；利用对称性抵消作用力；浮动镗刀、双刃镗刀、对称切削、质量偏心时采用平衡块平衡等。改变切削力的方向，避开误差敏感方向。2020/1/12绵阳新晨动力金工车间36减小工艺系统受力变形的措施通过一定的工艺措施减小系统已有误差对加工精度的影响。消除主轴回转原始误差对工件加工的影响2020/1/12绵阳新晨动力金工车间37减小工艺系统受力变形的措施改变走刀方向减小受力变形的影响2020/1/12绵阳新晨动力金工车间38６）减小工艺系统受力变形的措施③采用合理的装夹和加工方式2020/1/12绵阳新晨动力金工车间39６）减小工艺系统受力变形的措施④缩短切削力作用点和支承点的距离，也可使用辅助支承提高零件刚度。如使用中心架、跟刀架等⑤合理使用机床悬伸长度短、运动间隙小、不运动部件要锁紧。2020/1/12绵阳新晨动力金工车间40⑥其它措施补偿系统受力变形减小工艺系统受力变形的措施2020/1/12绵阳新晨动力金工车间41⑥其它措施转移误差敏感方向减小工艺系统受力变形的措施2020/1/12绵阳新晨动力金工车间42⑥其它措施转移误差减小工艺系统受力变形的措施2020/1/12绵阳新晨动力金工车间43６）工艺系统热变形•工艺系统热源切削热、传动系统摩擦能耗发热、派生热源（切屑、冷却液落在床身上）、外部热源。•工艺系统热变形对加工精度的影响（1）机床由于各部分受热不均匀，发生弯曲和扭曲变形，降低了机床几何精度，影响加工精度；（2）加工短小工件时可以忽略，但测量时要考虑热胀冷缩；（3）车长轴时，温度逐渐升高，刀具和工件变形渐大，切除量逐渐增大，加工工件产生圆柱度误差。均匀热变形量计算：（4）工件单面受力（如铣、刨、磨等），一面受热，工件上拱，加工后加工表面出现中凹。tLL2020/1/12绵阳新晨动力金工车间44•减少热变形影响的措施1)减少发热