機(jī)械加工精度與表面質(zhì)量

機(jī)械加工精度與表面質(zhì)量4.1機(jī)械加工精度4.1.1概述機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量是由零件的加工質(zhì)量和機(jī)器的裝配質(zhì)量?jī)煞矫姹ＷC的；加工質(zhì)量是保證機(jī)器質(zhì)量的基礎(chǔ)，直接影響到產(chǎn)品的使用性能和壽命。加工質(zhì)量一般用機(jī)械加工精度和加工表面質(zhì)量?jī)蓚€(gè)重要指標(biāo)來(lái)表示。1．機(jī)械加工精度的基本概念零件加工后的實(shí)際幾何參數(shù)（尺寸、形狀和相互位置）與理想幾何參數(shù)相符合的程度；符合的程度越高，則加工精度越高；理想幾何參數(shù)是指圖紙規(guī)定的理想零件的幾何參數(shù)，即形狀誤差為零、位置誤差為零、尺寸為零件尺寸公差帶中心（平均值）。零件加工精度包含3個(gè)方面的內(nèi)容：

尺寸精度、形狀精度和位置精度形狀精度應(yīng)高于相應(yīng)的尺寸精度；相互位置精度也應(yīng)高于尺寸精度；形狀精度要求高時(shí)，相應(yīng)的尺寸精度和位置精度不一定要求高。2.獲得加工精度的方法（1）獲得尺寸精度的方法試切法調(diào)整法定尺寸刀具法自動(dòng)控制法（2）獲得形狀精度的方法軌跡法利用切削運(yùn)動(dòng)中刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡，形成被加工表面形狀精度的方法。仿形法刀具按照仿形裝置進(jìn)給，對(duì)工件進(jìn)行加工的方法。成形法利用成形刀具對(duì)工件進(jìn)行加工的方法。展成法（滾切法或范成法）利用工件和刀具作展成切削運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工的方法。（3）獲得位置精度的方法直接找正裝夾將工件直接放在機(jī)床上，用劃針、百分表和直角尺或通過(guò)目測(cè)直接找正工件在機(jī)床上的正確位置之后再夾緊。劃線找正裝夾工件在切削加工前，預(yù)先在毛坯表面上劃出加工表面的輪廓線，然后按所劃的線將工件在機(jī)床上找正（定位）再夾緊。用夾具裝夾夾具是用于裝夾工件的工藝裝備（或裝置）。直接找正裝夾劃線找正裝夾影響加工精度的原因機(jī)械加工工藝系統(tǒng)是由機(jī)床、夾具、刀具和工件組成的；工藝系統(tǒng)各組成部分本身存在各種形式的誤差，這些誤差在不同的加工條件下會(huì)以各種不同的方式反映為工件的加工誤差；工藝系統(tǒng)的誤差稱為原始誤差。4.研究加工精度的方法單因素分析法

研究某一確定因素對(duì)加工精度的影響規(guī)律，將其余因素盡量縮小和控制，使之對(duì)結(jié)果影響最小而將研究對(duì)象因素放大。統(tǒng)計(jì)分析法

以生產(chǎn)中一批工件的實(shí)測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從中找出加工誤差產(chǎn)生和分布的規(guī)律，用于控制工藝過(guò)程的正常進(jìn)行。4.1.2工藝系統(tǒng)幾何誤差對(duì)加工精度的影響1．加工原理采用了近似的成形運(yùn)動(dòng)或近似的切削刃輪廓進(jìn)行加工所產(chǎn)生的加工誤差，也稱為理論誤差。

例如，用齒輪滾刀加工齒輪，存在兩種加工原理誤差：刀具齒廓近似造型誤差，用阿基米得或法向直廓基本蝸桿代替漸開(kāi)線基本蝸桿造成的；包絡(luò)造型原理誤差，由于滾刀齒數(shù)有限，加工齒形由許多微小折線段組成，與理論上的光滑漸開(kāi)線有差異而造成的。2.機(jī)床誤差（1）機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差

端面圓跳動(dòng)（軸向竄動(dòng)）

徑向圓跳動(dòng)角度擺動(dòng)主軸回轉(zhuǎn)誤差的3種基本形式因素：主軸的誤差、軸承的誤差、軸承的間隙、與軸承配合零件的誤差以及主軸系統(tǒng)的徑向不等剛度和熱變形等。刀具回轉(zhuǎn)或工件回轉(zhuǎn)（2）機(jī)床導(dǎo)軌誤差導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差工件半徑產(chǎn)生誤差導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度誤差車刀在垂直面內(nèi)發(fā)生位移，對(duì)加工精度的影響較小。導(dǎo)軌水平面內(nèi)的直線度誤差

導(dǎo)軌垂直面的直線度誤差前后導(dǎo)軌的平行度誤差（扭曲）切削過(guò)程中車床溜板沿導(dǎo)軌縱向移動(dòng)時(shí)發(fā)生傾斜，從而使刀尖相對(duì)于工件產(chǎn)生擺動(dòng)，造成加工表面的形狀誤差（圓柱度誤差）。導(dǎo)軌扭曲對(duì)加工精度的影響（3）導(dǎo)軌與主軸回轉(zhuǎn)軸線的位置誤差若車床導(dǎo)軌與主軸回轉(zhuǎn)軸線在水平面內(nèi)有平行度誤差，車出的內(nèi)外圓柱面會(huì)產(chǎn)生錐度誤差。

（4）傳動(dòng)鏈誤差傳動(dòng)鏈?zhǔn)寄﹥啥藗鲃?dòng)元件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的誤差。螺紋加工或用展成法加工齒輪、蝸輪等工件時(shí)，

影響加工精度的主要因素。3.工藝系統(tǒng)的其他幾何誤差（1）刀具誤差：制造誤差和刀具的磨損。（2）夾具誤差定位元件、刀具導(dǎo)向件、分度機(jī)構(gòu)、夾具體等的制造誤差；夾具裝配后，元件工作面之間的相對(duì)位置誤差；使用過(guò)程中工作表面的磨損。（3）裝夾誤差：直接影響位置精度或尺寸精度。（4）測(cè)量誤差（5）調(diào)整誤差工序中，需要對(duì)機(jī)床、夾具及刀具進(jìn)行調(diào)整。4.1.3工藝系統(tǒng)受力變形對(duì)加工精度的影響工藝系統(tǒng)在切削力、夾緊力、傳動(dòng)力、慣性力和重力等的作用下，將產(chǎn)生相應(yīng)變形，使工件產(chǎn)生加工誤差。受力變形對(duì)加工精度的影響產(chǎn)生變形的大小，不

僅取決于作用力的大

小，還取決于工藝系

統(tǒng)的剛度。1.工藝系統(tǒng)剛度剛度概念

K越大，物體或系統(tǒng)抵抗變形能力越強(qiáng)，加工精度就越高。工藝系統(tǒng)的剛度：分別為機(jī)床、夾具、刀具、工件的剛度2.工藝系統(tǒng)受力變形對(duì)加工精度的影響切削力作用點(diǎn)位置變化引起工件形狀誤差

機(jī)床變形、工件變形、工藝系統(tǒng)變形切削力大小變化引起工件形狀誤差

毛坯余量和材料硬度的不均勻，會(huì)引起切削力大小的變化。受力方向變化引起工件形狀誤差如慣性力毛坯形狀誤差的復(fù)映慣性力引起的加工誤差其他力引起的加工誤差?yuàn)A緊力引起的加工誤差

裝夾過(guò)程中，由于剛度較低或著力點(diǎn)不當(dāng)，會(huì)引起工件變形，造成加工誤差。重力引起的加工誤差

零部件的自重也會(huì)引起變形。例如，龍門(mén)刨床、龍門(mén)銑床刀架導(dǎo)軌橫梁的變形，銑鏜床鏜桿伸長(zhǎng)而下垂變形等，都會(huì)造成工件的加工誤差。3．減少工藝系統(tǒng)受力變形的途徑提高接觸剛度提高工件的剛度對(duì)剛度較低的工件，如叉架類、細(xì)長(zhǎng)軸等，主要措施是減小支承間的長(zhǎng)度，如安裝跟刀架或中心架。提高機(jī)床部件剛度合理裝夾工件，減少夾緊變形4.1.4工藝系統(tǒng)受熱變形對(duì)加工精度的影響1.工藝系統(tǒng)的熱源（1）內(nèi)部熱源切削熱、摩擦熱（電動(dòng)機(jī)、軸承、齒輪等傳動(dòng)副、導(dǎo)軌副、液壓泵、閥等運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生的摩擦熱）。（2）外部熱源指環(huán)境溫度變化和熱輻射的影響。2.工藝系統(tǒng)熱變形對(duì)加工精度的影響（1）機(jī)床的熱變形對(duì)加工精度的影響車、銑、鉆、鏜類機(jī)床，主軸箱中的齒輪、軸承的摩擦發(fā)熱、主軸箱中油池的發(fā)熱是其主要熱源，使主軸箱及與其相結(jié)合的床身或立柱的溫度升高而產(chǎn)生較大的熱變形。幾種機(jī)床的熱變形趨勢(shì)（2）工件的熱變形對(duì)加工精度的影響工件均勻受熱時(shí)，其熱變形主要影響工件的尺寸精度，有時(shí)也會(huì)引起形狀誤差。磨削6級(jí)精度的絲杠螺紋，絲杠長(zhǎng)度L=3m，熱膨脹系數(shù)，每磨一次溫度升高3℃，則被磨絲杠將伸長(zhǎng)：6級(jí)絲杠的螺距累積誤差在全長(zhǎng)上不允許超0.02mm（3）刀具的熱變形對(duì)加工精度的影響高速鋼刀具車削時(shí)刃部的溫度可高達(dá)700～800℃，刀具的熱伸長(zhǎng)量可達(dá)0.03～0.05mm。其影響不可忽略。（4）減小工藝系統(tǒng)熱變形的措施

減少發(fā)熱量；

熱補(bǔ)償方法減小熱變形；

采用合理的機(jī)床部件結(jié)構(gòu)減少熱變形的影響；保持工藝系統(tǒng)的熱平衡，加工前使機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)；控制環(huán)境溫度。精密機(jī)床一般安裝在恒溫車間，恒溫室平均溫度一般為20℃，其恒溫精度一般控制在±1℃，精密級(jí)為±0.5℃。4.1.5工件內(nèi)應(yīng)力對(duì)加工精度的影響工件內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因（1）毛坯制造和熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力在鑄、鍛、焊及熱處理過(guò)程中，由于零件壁厚不均勻，使得各部分熱脹冷縮不均勻，以及金相組織轉(zhuǎn)變時(shí)的體積變化，使毛坯內(nèi)部產(chǎn)生相當(dāng)大的內(nèi)應(yīng)力。（2）冷校直產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力彎曲的工件（原來(lái)無(wú)內(nèi)應(yīng)力）要校直，常采用冷校直的工藝方法。冷校直引起的內(nèi)應(yīng)力(3)切削加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力切削過(guò)程中產(chǎn)生的力和熱，也會(huì)使被加工工件的表面層變形，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。2.減少內(nèi)應(yīng)力的措施（1）合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，考慮壁厚均勻，減少尺寸和壁厚差，增大零件的剛度，以減少在鑄、鍛毛坯制造中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。（2）采取時(shí)效處理自然時(shí)效（放一段時(shí)間），人工時(shí)效。（3）合理安排工藝應(yīng)注意粗、精加工分開(kāi)；使粗加工后有一定的間隔時(shí)間讓內(nèi)應(yīng)力重新分布，以減少對(duì)精加工的影響。4.2加工精度的統(tǒng)計(jì)分析以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理為理論基礎(chǔ)；通過(guò)調(diào)查和收集數(shù)據(jù)，整理和歸納；統(tǒng)計(jì)分析和統(tǒng)計(jì)判斷，找出產(chǎn)生誤差的原因；采取相應(yīng)的解決措施。4.2.1加工誤差的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)1.系統(tǒng)誤差若誤差的大小和方向保持不變，或者按一定規(guī)律變化即為系統(tǒng)性誤差。前者稱為常值系統(tǒng)性誤差，后者稱為變值系統(tǒng)性誤差。加工原理、機(jī)床、刀具、夾具、量具的制造誤差、調(diào)整誤差、工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差等都是常值系統(tǒng)性誤差。工藝系統(tǒng)（特別是機(jī)床、刀具）的熱變形、刀具的磨損均屬于變值系統(tǒng)性誤差。2.隨機(jī)誤差在順序加工一批工件時(shí)，若誤差的大小和方向是無(wú)規(guī)律的變化，這類誤差稱為隨機(jī)性誤差。毛坯誤差的復(fù)映、定位誤差、夾緊誤差、內(nèi)應(yīng)力引起的誤差、多次調(diào)整的誤差都是隨機(jī)性誤差。隨機(jī)性誤差從表面上看似乎沒(méi)有什么規(guī)律，但應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法可以找出一批工件加工誤差的總體規(guī)律。4.2.2加工誤差的統(tǒng)計(jì)方法分布曲線法1.實(shí)際曲線法公差帶中心=28-0.015/2mm=27.9925mm；分散范圍=

最大孔徑-最小孔徑=28.004-27.992=0.012mm；活塞銷孔直徑分散范圍中心=組別尺寸范圍/mm中點(diǎn)尺寸/mm頻數(shù)/mj頻率/mj/n127.992～27.99427.99344/100227.994～27.99627.9951616/100327.996～27.99827.9973232/100427.998～28.00027.9993030/100528.000～28.00228.0011616/100628.002～28.00428.00322/100分析結(jié)果：（1）分散范圍小于公差帶：0.012<0.015（2）廢品率占18%尺寸分散范圍中心與公差帶中心不重合，表明存在常值系統(tǒng)誤差27.9979-27.9925=0.054mm。（3）將鏜刀伸出量縮短0.054/2(mm)，使尺寸分散范

圍中心與公差帶中心重合，可解決廢品問(wèn)題?；钊N孔直徑尺寸實(shí)際分布曲線2.正態(tài)分布曲線當(dāng)一批工件總數(shù)極多，加工中的誤差是由許多相互獨(dú)立的隨機(jī)因素引起的，而且這些誤差因素中又都沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)的傾向時(shí)，則其分布是服從正態(tài)分布的。正態(tài)分布曲線工件平均尺寸，影響曲線位置樣本均方根偏差，影響曲線形狀正態(tài)分布曲線特點(diǎn)：曲線以直線左右對(duì)稱，呈鐘形，表示尺寸靠近分散中心的工件占大多數(shù)；對(duì)的正偏差和負(fù)偏差的概率相等；分布曲線與x軸所圍成的面積包括了全部零件數(shù)，故其面積等于1；在尺寸間的零件的頻率可由積分獲得：在范圍內(nèi)的零件數(shù)所占的面積為99.7%4.3機(jī)械加工表面質(zhì)量機(jī)械加工后零件表面層的幾何結(jié)構(gòu)，以及受加工的影響，表面層金屬與基體金屬性質(zhì)產(chǎn)生變化的情況。機(jī)械產(chǎn)品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性，在很大程很大程度上取決于其主要零件的表面質(zhì)量，零件的磨損、腐蝕和疲勞破壞都是從零件表面開(kāi)始的。4.3.1機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義加工表面質(zhì)量應(yīng)包括加工表面的幾何特征和表面層物理力學(xué)性能的變化。1.表面的幾何特征零件加工表面的微觀幾何形狀粗糙度和表面波度，一般以波距L和波高H的比值來(lái)加以區(qū)分。當(dāng)L／H<50時(shí)為表面粗糙度；當(dāng)L／H=50～1000則稱為表面波度；當(dāng)L／H>1000時(shí)稱為宏觀幾何形狀，即形狀誤差，屬于加工精度研究范疇。表面粗糙度、波度與宏觀幾何形狀誤差（1）表面粗糙度完成切削運(yùn)動(dòng)后刀刃在被加工表面上形成的峰谷不平的痕跡。表面粗糙度參數(shù)可從輪廓算術(shù)平均值

或輪廓最大高度

兩項(xiàng)中選取，推薦優(yōu)先選用

。（2）表面波度加工過(guò)程中工藝系統(tǒng)的低頻振動(dòng)所引起的周期性誤差，用波度表示。2.表面物理力學(xué)性能塑性變形產(chǎn)生的加工硬化；切削或磨削熱引起的金相組織變化；力或熱的作用產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。4.3.2表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響1.表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性的影響表面粗糙度值越小，其耐磨性越好；表面粗糙度值太小，不利于潤(rùn)滑油的儲(chǔ)存，接觸面間產(chǎn)生金屬分子間的親和力，甚至產(chǎn)生分子間的粘合，使摩擦阻力增大，磨損反而增加。2．表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響表面越粗糙，應(yīng)力集中越嚴(yán)重；減小表面粗糙度值可以提高疲勞強(qiáng)度。3．表面質(zhì)量對(duì)零件耐腐蝕性能的影響小表面粗糙度值可以提高零件的耐腐蝕性。4．表面質(zhì)量對(duì)零件配合性質(zhì)的影響對(duì)于間隙配合，如果零件表面粗糙度太大，初期磨損量就大，工作時(shí)配合間隙就會(huì)增大，以致改變了原來(lái)的配合性質(zhì)，影響了間隙配合的穩(wěn)定