5-機(jī)械加工質(zhì)量解析第一頁，共40頁。4.1機(jī)械加工精度4.1.1概述

1）加工精度的概念

加工精度：是指零件加工后，其幾何參數(shù)的實際數(shù)值與圖紙規(guī)定的設(shè)計數(shù)值相符合的程度。加工精度包括：尺寸精度：加工表面的實際尺寸與設(shè)計尺寸的尺寸誤差不超過一定的尺寸公差范圍。在國標(biāo)中尺寸公差分20級（IT01、IT0、IT1~IT18）。幾何形狀精度：加工表面的實際幾何要素對理想幾何要素的變動量不超過一定公差范圍。在國標(biāo)中形狀公差有六項：直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度、面輪廓度。相互位置精度：加工表面的實際幾何要素對由基準(zhǔn)確定方向或位置的理想幾何要素的變動量。在國標(biāo)中位置公差有八項：平行度、垂直度、傾斜度、同軸度、對稱度、位置度、圓跳動、全跳動。2機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第二頁，共40頁。2）原始誤差的來源及其與加工誤差l

加工誤差：是指零件加工后，其幾何參數(shù)的實際數(shù)值與圖紙規(guī)定的設(shè)計數(shù)值不符合的程度，即實際數(shù)值與設(shè)計數(shù)值之差。

l

原始誤差：包括機(jī)床、夾具、刀具及工件在內(nèi)的機(jī)械加工工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的誤差，是造成零件加工誤差的工藝因素。l原始誤差與加工誤差的關(guān)系原始誤差對加工誤差的影響表現(xiàn)為其在工序尺寸上的分量的大小。誤差敏感方向：原始誤差對加工精度影響最大的方向。誤差不敏感方向：原始誤差對加工精度影響最小的方向。3機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第三頁，共40頁。l

原始誤差的來源(1)工件定位與夾緊誤差：定位誤差、夾緊變形。(2)工藝系統(tǒng)靜（幾何）誤差：機(jī)床、夾具、刀具的制造誤差。(3)調(diào)整誤差：工藝系統(tǒng)位置調(diào)整產(chǎn)生的誤差。(4)工藝系統(tǒng)的動（過程）誤差：工藝系統(tǒng)受力及內(nèi)應(yīng)力、熱等產(chǎn)生的變形及磨損。(5)測量誤差：測量方法及測量器具的誤差。(6)加工原理誤差：用近似的表面成形運(yùn)動代替理論的表面成形運(yùn)動，用近似的刀具刃形代替正確的刃形等產(chǎn)生的加工誤差。（例齒輪加工、車模數(shù)蝸桿p=πm等）4機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第四頁，共40頁。4.1.2獲得加工精度的方法（2）調(diào)整法：通過預(yù)調(diào)好的機(jī)床、夾具、刀具、工件，在加工中自行獲得尺寸精度。（3）尺寸刀具法：用一定形狀和尺寸的刀具加工獲得。（4）自動控制法：用一定裝置，邊加工邊自動測量控制加工。2.

形狀精度的獲得方法成形運(yùn)動法

（1）軌跡法：利用刀具與工件間的相對運(yùn)動軌跡來獲得形狀。（2）成形法：利用成形刀具加工獲得表面形狀。（3）展成法：利用刀具與工件相對運(yùn)動使工件被刀具切削成一定形狀的包絡(luò)線。l.

尺寸精度的獲得方法（1）試切法：試切——測量——調(diào)整——再試切

非成形運(yùn)動法：人工修配、樣板加工、劃線加工等。5機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第五頁，共40頁。

獲得加工精度的方法3.

位置精度的獲得方法（1）一次裝夾獲得法（2）多次裝夾獲得法裝夾的方式：直接找正裝夾、劃線找正裝夾、夾具裝夾。6機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第六頁，共40頁。4.1.3工藝系統(tǒng)幾何誤差機(jī)床誤差

機(jī)床精度取決于其制造精度、裝配精度及磨損情況，其中對加工精度影響最大的是主軸誤差、導(dǎo)軌誤差等。主軸幾何偏心：車床上，與定位基準(zhǔn)面間產(chǎn)生同軸度、垂直度等位置誤差；鏜床和鉆床會造成孔徑的擴(kuò)大。

主軸回轉(zhuǎn)誤差（主軸軸線漂移）：純徑向跳動：車削外圓、鏜孔時產(chǎn)生圓度誤差。純軸向竄動：車端面產(chǎn)生平面度誤差；車螺紋產(chǎn)生螺距小周期誤差。純角度擺動：產(chǎn)生圓柱度或端面形狀誤差。7機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第七頁，共40頁。主軸誤差對加工精度的影響：

相同的誤差對于不同加工方法影響各不相同。例如：鏜床鏜孔時刀具隨機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)，切削力和誤差敏感方向也在旋轉(zhuǎn)，軸線的漂移會直接反映到工件上去。

車削是工件回轉(zhuǎn)，切削力和誤差敏感方向不變，只有水平方向誤差才1:1地反映到工件上。8機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第八頁，共40頁。提高主軸回轉(zhuǎn)精度的措施:（1）提高主軸部件的制造精度，選用高精度滾動軸承或采用動壓、靜壓軸承（剛度高、回轉(zhuǎn)精度高）；（2）對滾動軸承進(jìn)行預(yù)緊，以消除間隙或產(chǎn)生微量過盈，提高軸承剛度。（3）采用合理的工藝方法來消除主軸回精度對加工精度的影響，主軸只起傳遞動力和運(yùn)動的作用。例：采用固定頂尖定位加工，工件軸線不變。采用電磁無心磨削加工，工件與主軸之間有偏心量產(chǎn)生傳遞扭矩，切削力與電磁力合力使工件緊貼在可調(diào)支承，主軸轉(zhuǎn)動與工件定位無關(guān)。9機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第九頁，共40頁。

導(dǎo)軌誤差：對加工誤差的影響（以車削為例）直線度誤差：

導(dǎo)軌扭曲：

導(dǎo)軌與主軸位置誤差：傳動誤差：螺紋加工、齒輪加工等要求刀具與工件間保持固定的傳動關(guān)系，傳動誤差將影響螺紋導(dǎo)程、齒輪的分度精度等。10機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第十頁，共40頁。2.刀具誤差

展成法：加工表面是無數(shù)刀刃軌跡的包絡(luò)面，刀刃形狀為加工表面的共扼曲線，刀具誤差會影響加工表面的形狀誤差。

軌跡法：工件表面是刀尖與工件相對運(yùn)動軌跡的包絡(luò)面。

定尺寸刀具：如鉆頭、鉸刀、拉刀等，尺寸、形狀直接影響工件尺寸和形狀精度。刀具磨損：直接影響刀具的尺寸、形狀等。刀具誤差包括刀刃廓形制造、刃磨誤差及刀具安裝誤差。成形法：刀具表面廓形“復(fù)印”到加工表面上。安裝誤差也直接影響加工表面形狀精度。例如：車削螺紋，車刀安裝偏高或偏低，三角形牙型輪廓會變成雙曲線。11機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第十一頁，共40頁。3.夾具制造誤差定位元件、刀具導(dǎo)向裝置、對刀裝置、分度機(jī)構(gòu)以及夾具體等零件及組件的制造誤差、組裝位置誤差，引起加工表面尺寸及位置誤差。夾具磨損引起的定位誤差。夾具制造誤差主要是：12機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第十二頁，共40頁。4.1.4工藝系統(tǒng)受力變形1.工藝系統(tǒng)受力變形分析機(jī)械加工過程中，在重力、切削力、慣性力、傳動力等外力作用下，工藝系統(tǒng)都會變形，破壞刀具與工件間的正確位置，從而產(chǎn)生加工誤差。

剛度：指加到系統(tǒng)上的作用力P與由它產(chǎn)生的在作用力方向上的位移y的比值。即K=P/y

工藝系統(tǒng)的剛度：指垂直于待加工表面的切削分力Py與工件在Py方向的位移之比值。Ks=Py/y根據(jù)材料力學(xué)計算，兩頂尖加工工件簡化為簡支梁：13機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第十三頁，共40頁。2.工藝系統(tǒng)受力對加工精度的影響（1）切削力對加工精度的影響誤差復(fù)映：有形狀誤差（或相互位置誤差）的工件毛坯，在加工后，因加工余量不均，切削力變化，使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生了相應(yīng)的變形，其形狀誤差（或位置誤差）仍以與毛坯相似的形式、程度不同地反映在新的加工表面上。工件誤差Δg對毛坯誤差Δm的復(fù)映程度稱為誤差復(fù)映系數(shù)ε。即ε=Δg

/Δm例：車削加工短圓柱毛坯，該毛坯有圓度誤差（橢圓），這時系統(tǒng)剛度可即近似看成常數(shù)。因此切削過程中背吃刀量在不斷變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的變形量也隨之而變，最終加工后的表面仍為橢圓。

ε為小于1的正數(shù)，每次切削的復(fù)印系數(shù)為

1

，

2

，

3…最終誤差復(fù)映系數(shù)為ε=1·2·3

…?1，故切削次數(shù)越多誤差越小。14機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第十四頁，共40頁。車削細(xì)長工件細(xì)長工件剛度低，切削時工件產(chǎn)生彎曲變形而讓刀，且不同的部位變形程度不同，加工工件為腰鼓形。車削短而粗的剛性軸短軸剛度高，切削時工藝系統(tǒng)（主要是機(jī)床）的各部分剛度不等，不同的部位變形程度不同而讓刀，加工工件為馬鞍形，且最小直徑出現(xiàn)在中間靠近剛度高的一側(cè)。15機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第十五頁，共40頁。慣性力引起加工誤差單爪撥盤產(chǎn)生離心力而產(chǎn)生定位端面位置誤差；傳遞力矩與切削力矩平衡，半徑方向變形是切削力與傳動力產(chǎn)生位移量代數(shù)和，相加后結(jié)果為：心臟線輪廓。夾緊變形重力變形16機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第十六頁，共40頁。

縮短切削力作用點和支承點的距離，也可使用輔助支承提高零件剛度。合理使用機(jī)床：懸伸長度短、運(yùn)動間隙小、不運(yùn)動部件要鎖緊。其它措施：補(bǔ)償系統(tǒng)受力變形、轉(zhuǎn)移誤差敏感方向、轉(zhuǎn)移誤差等。3.減小工藝系統(tǒng)受力變形的措施提高工藝系統(tǒng)的剛度：包括結(jié)構(gòu)剛度、連接剛度、接觸剛度等。控制受力大小和方向：通過合理選擇切削參數(shù)、刀具角度控制切削力或分力的大小，也可利用對稱性抵消作用力；改變切削力的方向，避開誤差敏感方向。采用合理的裝夾和加工方式。17機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第十七頁，共40頁。4.1.5工藝系統(tǒng)熱變形工藝系統(tǒng)熱源：

切削熱、傳動系統(tǒng)摩擦能耗發(fā)熱、派生熱源（切屑、冷卻液落在床身上）、外部熱源。

工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度的影響：（1）機(jī)床由于各部分受熱不均勻，發(fā)生彎曲和扭曲變形，降低了、機(jī)床幾何精度，影響加工精度；（2）加工短小工件，加工可以忽略，但測量時要考慮熱脹冷縮；（3）車長軸時，溫度逐漸升高，刀具和工件變形漸大，切除量逐漸增大，加工工件產(chǎn)生圓柱度誤差；均勻熱變形量計算：（4）工件單面受力（如銑、刨、磨等），一面受熱，工件上拱，加工后加工表面出現(xiàn)中凹。18機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第十八頁，共40頁。

減少熱變形影響的措施減少發(fā)熱源：分離電機(jī)、液壓系統(tǒng)等；熱補(bǔ)償：均化溫度場，實際村各部分溫度均勻；保持系統(tǒng)熱平衡：加工前先預(yù)熱，平衡后在加工；環(huán)境恒溫。19機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第十九頁，共40頁。例：1.工件剛度極大，床頭剛度大于床尾，分析加工后加工表面形狀誤差。(a)左小右大錐形；(b)形成內(nèi)凹端面；(c)馬鞍形，小徑靠床頭。2.車削工件，產(chǎn)生圖示誤差，分析主要原因。(a)錐形：導(dǎo)軌與主軸不平行、刀具磨損；(b)腰鼓形：工件剛性差，產(chǎn)生讓刀；(c)馬鞍形：工件剛性好，機(jī)床兩端剛性差。20機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第二十頁，共40頁。4.1.6工件內(nèi)應(yīng)力引起的變形工件的內(nèi)應(yīng)力是指當(dāng)外載荷去掉后仍然存在與工件內(nèi)部的應(yīng)力。存在內(nèi)應(yīng)力是工件處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，應(yīng)力變化將產(chǎn)生變形。內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因：1）毛坯制造中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力：在鑄造、鍛造、焊接及熱處理中工件受熱不均及金相組織變化時體積的變化而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。通常表面（薄的部位）先冷卻凝固，芯部（厚的部位）后冷卻，因此先冷卻部分受壓應(yīng)力，后冷卻部分受拉應(yīng)力。馬氏體的密度?。é民R=7.75），奧氏體的密度大（γ奧=7.96），局部相變體積變大時受拉應(yīng)力，局部相變體積縮小時受壓應(yīng)力。2）冷校直引起內(nèi)應(yīng)力：剛性較差的、易變形的細(xì)長工件，采用冷校直的方法糾正彎曲變形時產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。3）切削加工過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力：切削過程中切削塑性變形、相變等使工件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力。21機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第二十一頁，共40頁。

消除內(nèi)應(yīng)力的措施合理設(shè)計零件結(jié)構(gòu)：鑄件、鍛件壁厚均勻，焊接件焊縫分布均勻等；盡量不采用冷校直工藝：精密件嚴(yán)禁冷校直，可熱校直或加大余量多切削；合理安排時效處理消除內(nèi)應(yīng)力；合理安排工藝過程：粗加工后過一定時間后再精加工，粗加工后松開工件重新以較小的力裝夾等。22機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第二十二頁，共40頁。4.1.7加工誤差的綜合1）誤差的性質(zhì)（1）系統(tǒng)誤差：連續(xù)加工一批工件時，加工誤差的大小和方向保持一定或按某一確定規(guī)律變化。前者稱為常值系統(tǒng)誤差，后者稱為變值系統(tǒng)誤差。（2）隨機(jī)誤差：連續(xù)加工一批工件時，加工誤差的大小和方向都是無規(guī)律地變化。隨機(jī)誤差服從統(tǒng)計規(guī)律。2）加工誤差的綜合加工誤差的綜合是根據(jù)加工情況分析加工精度的影響因素，分項計算主要誤差，判斷其性質(zhì)，綜合求得加工誤差。系統(tǒng)誤差按代數(shù)和合成：23機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第二十三頁，共40頁。3）加工誤差的統(tǒng)計分析分布曲線法概率直方圖與分布曲線在正常加工條件下，用調(diào)整法加工一批工件所得的尺寸分布曲線符合正態(tài)分布曲線。24機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第二十四頁，共40頁。正態(tài)分布曲線正態(tài)分布密度函數(shù):

算術(shù)平均值:（工件尺寸分布中心）

標(biāo)準(zhǔn)偏差（均方根偏差）：

分布概率（分布面積）：其中：25機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第二十五頁，共40頁。實例：一批活塞精鏜后銷孔檢驗尺寸如表，圖樣尺寸φ28-0.015mm分布中心：標(biāo)準(zhǔn)差：σ=0.0022公差帶中點=28-0.015/2=27.992526機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第二十六頁，共40頁。不合格品率計算：1.計算：2.查表：φ(z)3.計算：合格品率=φ(z1)+φ(z2)

不合格品率：FA=0.5-φ(z1)FB=0.5-φ(z2)27機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第二十七頁，共40頁。工藝能力系數(shù)工藝能力系數(shù)Cp=T/(6σ)工藝能力系數(shù)工藝方案的工藝能力，通常分為五級。28機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第二十八頁，共40頁。例題：車削一批小軸，直徑φ20-0.1mm，測量結(jié)果服從正態(tài)分布，公差帶中心與分布中心差0.03mm，標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.025mm，求合格品率和廢品率，工藝能力系數(shù)Cp。解：zA=xA/σ=(T/2+0.03)/σ=(0.1/2+0.03)/0.025=3.2FA=φ(zA)=0.499zB=xB/σ=(T/2-0.03)/σ=(0.1/2-0.03)/0.025=0.8FB=φ(zB)=0.288合格品率=FA+FB=0.787廢品率=1-0.787=0.213工藝能力系數(shù)：Cp=T/(6σ)=0.1/(6*0.025)=0.666729機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第二十九頁，共40頁。例題：在外圓磨床上加工一批光軸，設(shè)計要求尺寸為φ40±0.03mm，平均值=40.01mm加工后測得工件的尺寸呈正態(tài)分布，且已知σ=0.01mm，求：

（1）劃出工件尺寸分布曲線圖和尺寸公差范圍；

（2）計算工藝能力系數(shù)；

（3）廢品率是多少？能否修復(fù)？1

解:（1）分布曲線如圖。（2）工藝能力系數(shù)：

Cp=T/(6σ)=0.06/(6*0.01)=1

（3）不合格品都是尺寸過大，為可修復(fù)不合格品，不合格品率為：

F=0.5-(z)=0.5-0.4772=2.28%30機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第三十頁，共40頁。

控制圖法：控制圖又稱點圖，生產(chǎn)中常用單值控制圖和均值-極差控制圖（-R圖）。1）單值控制圖：一般用于單件加工時間長和希望盡早發(fā)現(xiàn)異常，需要逐件畫點，個別件的偶然因素影響判斷。2）均值-極差控制圖：31機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第三十一頁，共40頁。4.1.8保證和提高加工精度的途徑減少或消除原始誤差；補(bǔ)償或抵消原始誤差；轉(zhuǎn)移原始誤差；誤差分組；誤差平均法；就地加工法；加工過程控制法。32機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第三十二頁，共40頁。4.2加工表面質(zhì)量4.2.1表面質(zhì)量的基本概念1）表面質(zhì)量的含義：指零件加工后的表面微觀幾何形狀和表面的物理機(jī)械性能狀態(tài)。表面質(zhì)量包括：表面微觀幾何形狀：

表面粗糙度（S/H<40）表面波度（50<S/H<1000)

表面層物理機(jī)械性能：表面層冷作硬化表面層殘余應(yīng)力表面層相變33機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第三十三頁，共40頁。2）表面質(zhì)量對零件使用性能的影響表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響：初期磨損快，跑合后進(jìn)入正常磨損。表面粗糙時，高點干摩擦，磨損快；表面太光潔時潤滑油無法進(jìn)入，造成材料粘結(jié)磨損，最佳Ra0.32~1.25μm。表面硬化，耐磨性提高。表面相變影響耐磨性。表面質(zhì)量對疲勞強(qiáng)度的影響：表面越粗糙，抗疲勞性越差。表面硬化抗疲勞性提高，但硬化程度過高，易出現(xiàn)疲勞裂紋、剝落現(xiàn)象。表層壓應(yīng)力，提高抗疲勞性，表層拉應(yīng)力，降低抗疲勞性。表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性的影響：表面越粗糙，抗腐蝕能力越差。凹陷處易于雜質(zhì)形成原電池，造成電化學(xué)腐蝕。表面質(zhì)量對配合性質(zhì)的影響表面質(zhì)量對接觸剛度的影響：表面越粗糙，接觸剛度越低，聯(lián)接牢固性、接觸位置準(zhǔn)確性越差。34機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第三十四頁，共40頁。4.2.2影響加工表面粗糙度主要因素及其控制l

切削過程中塑性變形及其它物理因素引起的粗糙度（1）積屑瘤（2）鱗刺：較低速切削塑性較差的材料產(chǎn)生節(jié)狀或粒狀切屑，切屑在前刀面上周期性停留代替前刀面推擠切削層，造成塑性變形向切線以下延伸，造成已加工表面拉應(yīng)力太大而導(dǎo)裂，形成鱗片狀毛刺，這就是鱗刺。（3）刃口擠壓塑性變形（4）材料脆性表面粗糙度產(chǎn)生的原因：l

殘留面積35機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造基礎(chǔ)第三十五頁，共40頁。表面粗糙度產(chǎn)生的原因：l

工藝系統(tǒng)的振動自由振動：靠系統(tǒng)彈性恢復(fù)力維持的振動。強(qiáng)迫振動：靠外界周期干擾力持續(xù)作用系統(tǒng)被迫產(chǎn)生振動。自激振動：系統(tǒng)本身引起的交變力作用而產(chǎn)生的振動。切出時切削力做正功，獲得能量；切入時做負(fù)功，消耗能量。當(dāng)做正功大于負(fù)功時，系統(tǒng)產(chǎn)生振動。負(fù)摩擦理論（切屑與刀具摩擦力隨相對速度增加而下降，做功產(chǎn)生能量）再生效應(yīng)（前后兩次切削部分重疊相位滯后時，易產(chǎn)生振動）振型耦合原