第三章 机械加工质量

2020年2月17日星期一1第三章机械加工质量分析与控制高产、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.第一节概述一.加工精度与表面质量的概念加工质量指标分为：加工精度——宏观几何参数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2020年2月17日星期一2加工精度——零件在加工后在尺寸、几何形状、表面间的相互位置等几何参数与理想零件的相符合的程度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2020年2月17日星期一3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。加工误差是零件加工后实际几何参数与理想零件几何参数的不符合程度。2020年2月17日星期一4表面质量表面质量指零件表面的几何特征和表面层的物理、力学性能。表面的几何特征包括表面粗糙度和波度，物理力学性能包括塑性变形、组织变化和表层金属层的残余内应力。1．加工表面的几何形状(1)表面粗糙度它是指加工表面的微观几何形状误差，L／H50属于微观几何形状偏差，称为表面粗糙度.2020年2月17日星期一5表面质量(续)(2)表面波度它是介于宏观几何形状与微观几何形状误差(即粗糙度)之间的周期性几何形状误差。L／H=50～1000，则称为表面波度。(3)宏观几何形状误差它是指圆柱度误差、圆度误差等，属于加工精度的范围。2020年2月17日星期一6表面质量(续)2．加工表面层的物理力学性能变化(1)表面层的冷作硬化表面层产生的塑性变形使晶体间发生剪切滑移，晶格被扭曲、晶粒被拉长。破碎和纤维化，引起材料的强化，使表面层的强度和硬度都有所提高，这种现象称为表面冷作硬化.2020年2月17日星期一72．加工表面层的物理力学性能变化(2)表面层残余应力的形成在切削或磨削加工过程中，出于切削变形和切削热的影响。加工表面层会产生残余应力，亦即在加工后表面层与基体材料间产生的互相平衡的弹性应力.(3)表面层的金相组织变化机械加工特别是磨削加工中，工件表面在切削热产生的高温作用下，常会发生不同程度的金相组织的变化。2020年2月17日星期一8二、加工精度的获得方法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继续2020年2月17日星期一9back2020年2月17日星期一10back2020年2月17日星期一11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2020年2月17日星期一122020年2月17日星期一13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继续2020年2月17日星期一14back2020年2月17日星期一15back2020年2月17日星期一16back2020年2月17日星期一17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2020年2月17日星期一18三.表面粗糙度对零件使用性能的影响1．对零件耐磨性的影响零件表面越粗糙，配合表面间的实际有效接触面积越小，单位面积压力增大，表面易磨损。但过于光滑的表面不利于润滑油的储存，还会增加两表面的分子吸附作用，磨损也会加剧。2020年2月17日星期一19三.表面粗糙度对零件使用性能的影响2．对零件配合性能的影响间隙配合中，改变了配合性质。过盈配合中,减弱了过盈配合的结合强度。在设计零件时，对于配合精度要求高的零件应该规定较小的表面粗糙度。3．对零件疲劳强度的影响表面粗糙度(特别是在零件上应力集中区的粗糙度)大将大大降低零件的疲劳强度。2020年2月17日星期一20三.表面粗糙度对零件使用性能的影响4．对零件抗腐蚀性的影响零件的表面粗糙度对耐腐蚀性也有影响，减小表面粗糙度可以提高零件的抗腐蚀性。5．对零件接触刚度的影响表面粗糙度越小，则接触刚度越高。故减小表面粗糙度是提高接触刚度的一个最有效的措施。粗糙度小则密封性好、摩擦因数小；反之，则密封性差、摩擦因数大。2020年2月17日星期一21第二节影响加工精度的主要因素及其控制•零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件所组成的工艺系统中进行的。因此，零件的工艺系统中各方面的误差都有可能造成工件的加工误差.2020年2月17日星期一22几个概念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——凡是能直接引起加工误差的各种因素，即工艺系统中的误差。例来自两个方面：加工前就存在的工艺系统本身的误差-静误差加工过程中因工艺系统受力变形或热变形等引起的误差-动误差继续2020年2月17日星期一23原始误差的存在，使工艺系统各组成部分之间的位置关系或速度关系偏离了理想状态，致使加工后的零件产生了加工误差。back2020年2月17日星期一242020年2月17日星期一25一．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2020年2月17日星期一26近似的刀具和工件的运动联系所带来的加工误差例如车模数螺纹时，传动比I==只要能保证加工精度和零件的使用性能，一定的原理误差是允许的。这种误差不应超过相应公差的10~15%。PP机床丝杆螺距工件螺距14231zzzz2020年2月17日星期一27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再如，用齿轮滚刀加工齿轮时，滚刀也是采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线蜗杆2020年2月17日星期一28二．工艺系统的几何（静）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1.主轴回转误差及其影响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，影响被加工零件的几何形状精度、位置精度和表面相糙度。2020年2月17日星期一291.主轴回转误差及其影响(1)主轴回转误差的基本形式主轴回转误差是指主轴实际回转线相对其理想回转轴线的漂移。通常是以平均回转轴线(各瞬时回转轴线的平均位置)来代替理想回转轴线。主轴回转误差有三种：主轴的纯径向跳动、主轴的纯轴向窜动、主轴的角度摆动2020年2月17日星期一302020年2月17日星期一311.主轴回转误差及其影响(2)主轴回转误差对加工精度的影响不同的加工方法和不同形式的主轴，回转误差所造成的加工误差通常不同。1)主轴的径向圆跳动对加工精度的影响主轴的径向圆跳动会使工件产生圆度误差，但径向圆跳动的方式和规律不同，加工方法不同(如车削和镗削)，对加工精度影响也不同。刀具回转，工件不转。工件回转，刀具不转。2020年2月17日星期一32backX方向,Y方向2020年2月17日星期一33误差敏感方向:把对加工精度影响最大的那个方向(通过切削刃的加工表面法向).误差不敏感方向:把对加工精度影响最小的那个方向(通过切削刃的加工表面切向).Z方向,Y方向2020年2月17日星期一34(2)主轴回转误差对加工精度的影响2)主轴的轴向窜动对加工精度的影响主轴的轴向窜动对圆柱面的加工精度没有影响，但在加工端面时，会使车出的端面与圆柱面不垂直.加工螺纹时，主轴的端面圆跳动将使螺距产生周期误差2020年2月17日星期一35(2)主轴回转误差对加工精度的影响3)主轴的倾角摆动对加工精度的影响主轴的倾角摆动对加工精度的影响与径向圆跳动对加工精度的影响相似，其区别在于倾角摆动不仅影响工件加工表面的圆度误差，而且影响工件加工表面的、圆柱度误差。2020年2月17日星期一36(3)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2020年2月17日星期一37(3)影响主轴回转精度的因素1)滑动轴承误差对主轴回转精度的影响主轴采用滑动轴承时，轴承误差主要来源于主轴轴颈和轴承孔的圆度误差和波度。2020年2月17日星期一38(3)影响主轴回转精度的因素1)滑动轴承误差对主轴回转精度的影响对于工件回转类机床，影响主轴回转精度的主要是主轴轴颈的圆度和波度，而轴承孔的形状误差影响较小。对于刀具回转类机床，对主轴回转精度影响较大的是轴承孔的圆度。2020年2月17日星期一39(3)影响主轴回转精度的因素2)滚动轴承误差对主轴回转精度的影响内圈、外圈和滚动体----滚动轴承的外圈滚道看做轴承孔，而滚动轴承的内圈滚道看做轴颈。----按照滑动轴承分析.对于工件回转类机床，滚动轴承内圈滚道圆度对主轴回轴精度影响较大；而对于刀具回转类机床，滚动轴承外圈滚道倒圆度对主轴回转精度影响较大。滚动轴承的内、外圈滚道若有波度，则无论刀具回转类还是工件回转类机床都将引起主轴产生高频径向圆跳动。2020年2月17日星期一40(3)影响主轴回转精度的因素推力轴承滚道端面误差会造成主轴端面圆跳动，若只有一个端面滚道存在误差，对端面圆跳动影响很小；只有当两个滚道端面均存在误差时，才会引起较大的跳动量。滚动体误差:2020年2月17日星期一41(3)影响主轴回转精度的因素3)轴承配合质量对主轴回转精度的影响与之相配合的轴颈或箱体支承孔的圆度误差，会使轴承圈或轴瓦发生变形而产生圆度误差.与轴承端面配合的零件，如果端面有平面度误差或与主轴回转轴线不垂直，会使轴承圈滚道倾斜，造成主轴回转轴线的轴向漂移。2020年2月17日星期一42(4)提高主轴回转精度的措施1)提高主轴部件的设计与制造精度2)对滚动轴承进行预紧3)采用误差转移法:通过采用专用的工装夹具直接保证工件在加工过程中的的回转精度，使主轴的误差不再反映到工件上.返回2020年2月17日星期一432.导轨导向误差导轨是确定主要部件相对位置的基准，也是运动基准.机床导轨的导向精度是指导轨副的运动件实际运动方向与理想运动方向的符合程度，这两者之间的偏差值称为导向误差。对导轨的精度要求主要有：导轨在水平面内的直线度、导轨在垂直面内的直线度、前后导轨的平行度（扭曲）、导轨对主轴回转轴线的平行度(或垂直度)等。2020年2月17日星期一44(1)导轨导向精度对加工精度的影响考虑导轨误差引起刀具与工件在误差敏感方向的相对位移。下面以在车床上车削圆柱面为例进行分析。2020年2月17日星期一451)导轨在水平面内的直线度误差车床导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响较大。2020年2月17日星期一462)导轨在垂直面内的直线度误差DzR2)(2020年2月17日星期一473)导轨扭曲误差BHHyR2020年2月17日星期一48(2)影响机床导轨导向误差的因素1)机床制造误差2)机床安装误差3)导轨磨损(3)主轴回转轴心线与床身导轨不平行对加工精度的影响。以车削为例，在水平面内