5.1機(jī)械加工精度及誤差影響因素5.2機(jī)械加工表面質(zhì)量

思考與練習(xí)題

第5章機(jī)械加工質(zhì)量 5.1機(jī)械加工精度及誤差影響因素

5.1.1加工精度與誤差概述

1.機(jī)械加工精度的概念

機(jī)械加工精度(簡稱加工精度)是指零件加工后的實(shí)際幾何參數(shù)對(duì)理想幾何參數(shù)的符合程度。它們之間的偏離程度即為加工誤差。加工誤差越大,則加工精度越低,反之越高。機(jī)械加工中是用控制加工誤差來保證零件的加工精度的。加工精度包括零件的幾何形狀精度、尺寸精度、相互位置精度。

2.影響加工精度的原始誤差

機(jī)械加工時(shí),機(jī)床、刀具、夾具和工件等組成的工藝系統(tǒng)的各個(gè)部分在加工過程中,應(yīng)該保持嚴(yán)格的相對(duì)位置關(guān)系。由于受到許多因素的影響,系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)難免會(huì)產(chǎn)生一定的偏移,使工件和刀具間相對(duì)位置的準(zhǔn)確性受到影響,從而引起加工誤差。原始誤差即導(dǎo)致工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)產(chǎn)生偏移的這些因素的總稱。原始誤差中,有的取決于工藝系統(tǒng)的初始狀態(tài),有的與切削過程有關(guān)。

圖5－1原始誤差與加工誤差的關(guān)系

如圖5－1所示,車外圓時(shí),當(dāng)原始誤差使刀具相對(duì)于工件沿徑向偏移一個(gè)δ時(shí),就會(huì)使工件直徑產(chǎn)生一個(gè)2δ的加工誤差。如果原始誤差使刀具相對(duì)于工件沿切向偏移一個(gè)δ,則工件直徑的加工誤差為

(5－1)

由式(5－1)可以看出,直徑誤差Δ與相對(duì)位移量δ相比是高階小量,一般可忽略不計(jì)。通過分析可知,其他方向的原始誤差對(duì)加工精度的影響情況介于上述兩種情況之間。即當(dāng)原始誤差的方向發(fā)生在加工表面法線方向時(shí),引起的加工誤差最大;當(dāng)原始誤差的方向發(fā)生在加工表面的切線方向時(shí),引起的加工誤差最小,一般可以忽略不計(jì)。

1)與工藝系統(tǒng)初始狀態(tài)有關(guān)的主要原始誤差

(1)原理誤差:加工原理上存在的誤差。

(2)工藝系統(tǒng)幾何誤差:主要包括機(jī)床、刀具、夾具的制造誤差和磨損,系統(tǒng)調(diào)整誤差,工件定位誤差和夾具、刀具安裝誤差等。實(shí)際上,切削加工中的原理誤差也屬于幾何誤差,只是因?yàn)槠湓蛱貏e,所以予以區(qū)分。

2)與切削過程有關(guān)的主要原始誤差

(1)工藝系統(tǒng)力效應(yīng)產(chǎn)生的變形:包括系統(tǒng)受力變形,工件內(nèi)應(yīng)力變形等。

(2)工藝系統(tǒng)熱效應(yīng)產(chǎn)生的變形:在系統(tǒng)工作中出現(xiàn)的熱源的影響下引起的變形。

此外,環(huán)境的溫度條件,測(cè)量方法和工人的技術(shù)水平等,也對(duì)加工精度有影響。

5.1.2工藝系統(tǒng)幾何誤差的影響

1.加工原理誤差(理論誤差)

原理誤差即是在加工中由于采用近似的加工運(yùn)動(dòng)、近似的刀具輪廓和近似的加工方法而產(chǎn)生的原始誤差。

完全符合理論要求的加工方法,有時(shí)很難實(shí)現(xiàn),甚至是不可能的。這種情況下,只要能滿足零件的精度要求,就可以采用近似的方法進(jìn)行加工。這樣能夠使加工難度大為降低,有利于提高生產(chǎn)效率,降低成本。例如,常用的齒輪滾刀就有兩種原理誤差:一是近似造形原理誤差,即由于制造上的困難,采用阿基米德蝸桿或法向直廓基本蝸桿代替漸開線基本蝸桿;二是由于滾刀必須是具有有限的前后刀面和切削刃才能滾切齒輪,而不是連續(xù)的蝸桿。滾切的齒輪齒形實(shí)際上是一根折線,和理論上光滑的漸開線有差異。這兩種蝸桿的螺旋面在成形原理上與漸開線蝸桿存在著差異,所以,滾齒是一種近似的加工方法。

又如模數(shù)蝸桿的螺距為πm(m為與之嚙合的蝸輪的模數(shù)),車削加工時(shí),由于π是無理數(shù),無法精確選配掛輪齒數(shù),只能用近似于π的分?jǐn)?shù)值來計(jì)算掛輪,從而產(chǎn)生了原理誤差。這一原理誤差使得成形運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確,造成螺距誤差。

2.工藝系統(tǒng)制造誤差

對(duì)加工精度起主要影響作用的工藝系統(tǒng)制造誤差包括主軸回轉(zhuǎn)誤差、導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差、傳動(dòng)鏈誤差、刀具誤差、定位誤差等。

1)主軸回轉(zhuǎn)誤差

主軸回轉(zhuǎn)軸線的誤差運(yùn)動(dòng),可分為三種基本形式:

(1)軸向串動(dòng):瞬時(shí)回轉(zhuǎn)軸線沿平均回轉(zhuǎn)軸線方向的漂移運(yùn)動(dòng)(見圖5－2(a))。它主要影響所加工工件的端面形狀精度而不影響圓柱面的形狀精度,見圖5－3。在加工螺紋時(shí)則影響螺距精度。

(2)徑向跳動(dòng):瞬時(shí)回轉(zhuǎn)軸線始終平行于平均回轉(zhuǎn)軸線,但沿徑向方向有漂移運(yùn)動(dòng)(見圖5－2(b)),因此在不同橫截面內(nèi),軸心的誤差運(yùn)動(dòng)軌跡都是相同的。徑向漂移運(yùn)動(dòng)對(duì)加工精度的影響要看加工的具體情況而定,如圖5－4所示,在車削加工中對(duì)工件圓柱面的形狀精度無影響,而在鏜床上鏜孔時(shí)則對(duì)孔的形狀精度有影響,如圖5－5所示。

圖5－2主軸回轉(zhuǎn)軸線誤差運(yùn)動(dòng)類別

圖5－3主軸軸向串動(dòng)對(duì)端面加工

圖5－4車削時(shí)幾何偏心引起的徑向圓跳動(dòng)的影響對(duì)圓度的影響

圖5－5鏜孔時(shí)主軸幾何偏心引起的徑向圓跳動(dòng)對(duì)孔的圓度的影響

對(duì)兩式平方后相加,則得:

這是一個(gè)長半軸為(R+A)、短半軸為R的橢圓方程,它代表孔橫截面形狀,由方程知道,孔存在大小為2A的圓度誤差。

(3)純角向擺動(dòng):瞬時(shí)回轉(zhuǎn)軸線與平均回轉(zhuǎn)軸線成一傾斜角,但其交點(diǎn)位置固定不變的漂移運(yùn)動(dòng)(見圖5－2(c))。因此,在不同橫截面內(nèi),軸心的誤差運(yùn)動(dòng)軌跡是相似的。純角度擺動(dòng)主要影響所加工工件圓柱面的形狀精度,同時(shí)對(duì)端面的形狀精度也有影響。

實(shí)際上,主軸工作時(shí)其回轉(zhuǎn)軸線的漂移運(yùn)動(dòng)總是上述三種誤差運(yùn)動(dòng)的合成。故不同橫截面內(nèi)軸心的誤差運(yùn)動(dòng)軌跡既不相同,又不相似；既影響所加工工件圓柱面的形狀精度,又影響端面的形狀精度。

主軸回轉(zhuǎn)軸線漂移的原因主要是:軸承的誤差、軸承間隙、與軸承配合零件的誤差及主軸系統(tǒng)工作時(shí)的受力變形和熱變形以及回轉(zhuǎn)過程多方面的動(dòng)態(tài)因素。

提高主軸回轉(zhuǎn)精度的途徑:通過上面分析可知,主軸回轉(zhuǎn)誤差對(duì)加工精度有顯著影響。為了提高主軸回轉(zhuǎn)精度,不但要根據(jù)機(jī)床精度要求選擇相應(yīng)精度等級(jí)的軸承,還需要恰當(dāng)確定支承軸頸、支承座孔等有關(guān)零件的精度及其與軸承的配合精度,并嚴(yán)格保證裝配質(zhì)量要求。只有這樣才能獲得高的回轉(zhuǎn)精度。

2)機(jī)床導(dǎo)軌誤差

在各類機(jī)床上進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)一般都需要機(jī)床的某些運(yùn)動(dòng)部件完成直線運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)大多作為加工中的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),加工中進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的精度高低直接關(guān)系到加工精度的好壞。機(jī)床導(dǎo)軌副是實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的主要導(dǎo)向部件,其制造、裝配精度和使用中的磨損程度是影響直線運(yùn)動(dòng)精度的主要因素?，F(xiàn)以水平設(shè)置的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)為例,說明機(jī)床導(dǎo)軌誤差的形式及其影響。

(1)導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差:如圖5－6所示,導(dǎo)軌如果存在水平方向的直線度誤差,則導(dǎo)軌上的移動(dòng)部件沿導(dǎo)軌直線移動(dòng)時(shí),將在水平方向偏離理想位置。對(duì)于在臥式車床、外圓磨床上加工外圓來講,這是加工誤差的敏感方向,在工件的半徑上造成等量的誤差;對(duì)于在銑床、刨床上加工垂直面來說,它也是敏感方向。但如果是在平面磨床上磨削水平面或在銑床、刨床上加工水平面,則該方向是誤差的非敏感方向,該誤差對(duì)加工精度的影響可忽略不計(jì)。

圖5－6導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差

(2)導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度誤差:導(dǎo)軌在磨損后都會(huì)出現(xiàn)這種情況。移動(dòng)部件沿導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí),在垂直方向上偏離理想位置。如圖5－7所示。這對(duì)于車、磨床加工外圓時(shí),為誤差非敏感方向;而對(duì)于銑、刨、磨水平面的加工,卻是誤差的敏感方向,該誤差會(huì)對(duì)加工造成很大影響。

圖5－7導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度誤差

(3)導(dǎo)軌面間的平行度誤差:如圖5－8所示,是車床床身的兩條平行導(dǎo)軌,其平行度誤差(扭曲)是指導(dǎo)軌在水平方向的傾斜,且兩導(dǎo)軌面不一致。在某一截面上就出現(xiàn)了圖示的狀況:床鞍產(chǎn)生后仰(或前傾),使刀具偏離理想位置。由幾何關(guān)系可知,Δy=H·Δ/B。

圖5－8機(jī)床導(dǎo)軌面的平行度誤差

4)刀具誤差

一般刀具(如普通車刀、單刃鏜刀和銑平面的銑刀等)的制造誤差不直接影響加工精度,但在加工時(shí),其切削過程中的磨損將造成一定的加工誤差。例如,車削長軸時(shí),由于刀具的磨損,工件的縱剖面將出現(xiàn)錐度。為了減小刀具磨損對(duì)加工精度的影響,應(yīng)根據(jù)工件的材料和加工要求,合理選擇刀具材料、切削用量和冷卻潤滑方法。

用定尺寸刀具(如鉆頭、絞刀、拉刀等)加工時(shí),刀具的制造誤差和使用過程中的磨損都將直接影響工件的尺寸精度,刀具安裝不正確也會(huì)影響工件的尺寸精度。

用成形刀具加工時(shí),刀具的形狀誤差將直接影響工件的形狀精度,用刀具對(duì)工件表面進(jìn)行展成加工時(shí),刀具的切削刃形狀及有關(guān)尺寸和技術(shù)條件也會(huì)直接影響工件的加工精度。另外這類刀具使用過程中的磨損都會(huì)造成加工誤差。

5)夾具誤差

夾具誤差主要是指由于定位元件、刀具導(dǎo)向裝置、分度機(jī)構(gòu)以及夾具的零、部件的制造誤差,引起定位元件工作面間、導(dǎo)向元件間、定位工作面與對(duì)刀面或?qū)蛟ぷ髅嬉约岸ㄎ还ぷ髅媾c夾具在機(jī)床上的定位面間等的尺寸誤差和相互位置誤差。夾具誤差將直接影響加工表面的位置精度或尺寸精度。例如平面定位時(shí)支承釘?shù)牡雀咝哉`差將直接影響加工表面的位置精度;各鉆模套間的尺寸誤差和平行度(或垂直度)誤差將直接影響所加工孔系的尺寸精度和位置精度。

6)定位誤差和調(diào)整誤差

工件與刀具、夾具夾裝在機(jī)床上或工件裝在夾具上,均應(yīng)保證它們之間一定的相互位置關(guān)系,但由于定位、調(diào)整不可避免地存在誤差,影響它們之間的相互位置關(guān)系,因而影響工件的加工精度。

零件加工的每一個(gè)工序中,為了獲得被加工表面的形狀、尺寸和位置精度,必須對(duì)機(jī)床、夾具和刀具進(jìn)行調(diào)整,以確保它們之間的相互位置關(guān)系正確。任何調(diào)整工作必然會(huì)帶來一些誤差,使它們之間的位置關(guān)系偏離理想狀態(tài)。這種由于調(diào)整而產(chǎn)生的誤差即為調(diào)整誤差。

5.1.3工藝系統(tǒng)受力變形的影響

1.工藝系統(tǒng)的剛度

剛度是物體抵抗使其變形的作用力的能力,是作用力與其引起的在作用力方向上的變形量的比值。工藝系統(tǒng)受力位移產(chǎn)生的加工誤差,主要決定于系統(tǒng)本身的剛度。

(1)接觸面剛度差。由于配合零件表面具有宏觀的形狀誤差和微觀的粗糙度,因此,實(shí)際接觸面積只是理論接觸面積的一小部分,真正處于接觸狀態(tài)的只是個(gè)別凸峰(見圖5－9)。所以,接觸表面隨外力作用的增加,將產(chǎn)生彈性和塑性變形,使接觸面相互靠近,即產(chǎn)生相對(duì)位移。這就是部件剛度遠(yuǎn)比實(shí)體零件剛度低的原因。

圖5－9連接面之間的接觸情況

(2)系統(tǒng)中的薄弱零件,受力后極易產(chǎn)生較大的變形。

(3)接觸面之間的摩擦力,在加載時(shí)會(huì)阻止變形的增加,卸載時(shí)又會(huì)阻止變形的恢復(fù)。

(4)有的接觸面存在間隙和潤滑油膜。因此,一個(gè)部件受力位移的大致過程首先是消除各有關(guān)配合零件之間的間隙和擠掉其間的油膜的變形,接著主要是部件中薄弱環(huán)節(jié)零件的變形,最后則是其他組成零件本身的彈性變形和相互連接面的彈性變形和塑性變形參加進(jìn)來。

從一個(gè)部件受力位移和每個(gè)零件變形的關(guān)系來看,凡是外力能傳達(dá)到的每個(gè)環(huán)節(jié),都有不同程度的變形匯總到部件或整個(gè)工藝系統(tǒng)的總位移中去。因此,工藝系統(tǒng)在受力情況下的總位移量y系統(tǒng)是各組成部分變形和位移的疊加,即

這就是說,知道了工藝系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的剛度以后,工藝系統(tǒng)剛度即可求出。各組成環(huán)節(jié)中,工件和刀具受力變形的情況及其剛度,按照不同的安裝方法,根據(jù)材料力學(xué)的理論可以直接計(jì)算出來,這里不再重復(fù)。

y系統(tǒng)=y機(jī)床+y夾具+y刀具+y工件

2.工藝系統(tǒng)剛度對(duì)零件加工精度的影響

1)切削力位置的影響

工藝系統(tǒng)因受力點(diǎn)位置的變化,其位移量也隨之變化,因而造成工件的形狀誤差。例如,在車床兩頂尖上車外圓。設(shè)工件剛度很大,在切削力Fy作用下的變形可以忽略不計(jì),則工藝系統(tǒng)的總位移取決于機(jī)床的頭座、尾座和刀架的位移。圖5－10所示為刀具距離前頂尖x時(shí),工藝系統(tǒng)的變形情況。

圖5－10工藝系統(tǒng)的位移隨推力點(diǎn)位置變化的情況

由圖可知,離前頂尖x處系統(tǒng)的總位移為

y系統(tǒng)=y刀架+yx

由上式可知,工藝系統(tǒng)的剛度隨進(jìn)給位置x的改變而改變;剛度大則位移小,剛度小則位移大。由于工藝系統(tǒng)的位移量是x的二次函數(shù),故車成的工件母線不是直線,而是兩頭大、中間小,呈鞍形。

若假設(shè)工件細(xì)長、剛度很低,機(jī)床、夾具、刀具在切削推力作用下的位移可以忽略不計(jì),則工藝系統(tǒng)的位移完全等于工件的變形量,如圖5－11所示。按材料力學(xué)的計(jì)算公式,在切削點(diǎn)x處的工件變形量為

(N/mm)式中:

E——彈性模量;

I——慣性矩。

圖5－11工件剛度差時(shí)位移量隨力點(diǎn)變化

圖5-12毛坯形狀誤差的復(fù)映

上式說明,毛坯(或上道工序)的誤差要復(fù)映到加工后的工件上,復(fù)映到工件上的誤差總是小于毛坯(或上道工序)的誤差;誤差復(fù)映系數(shù)ε的大小反映誤差復(fù)映的程度。

當(dāng)?shù)谝淮巫叩逗?工件誤差仍然大于圖紙的要求時(shí),可進(jìn)行第二次、第三次以至若干次走刀。由于各次走刀后的工件誤差為

3)傳動(dòng)力、慣性力、重力和夾緊力的影響

這些力產(chǎn)生變化將會(huì)引起工藝系統(tǒng)某些環(huán)節(jié)受力變形發(fā)生變化,從而造成加工誤差。分述如下:

(1)由于傳動(dòng)力變化而引起的加工誤差。例如,用單爪撥盤帶動(dòng)工件時(shí),傳動(dòng)力Fa在撥盤的每一轉(zhuǎn)中不斷改變方向,有時(shí)與切削力Fy方向相同,有時(shí)則相反(見圖5－13)。因而引起工藝系統(tǒng)有關(guān)環(huán)節(jié)受力變形(主要有前頂尖),使工件產(chǎn)生圓度誤差。這種誤差可采用雙撥爪撥盤來消除。

圖5－13單爪撥盤傳動(dòng)對(duì)工件形狀誤差的影響

(2)由于慣性力變化而引起的誤差。高速切削時(shí),若工件不平衡,會(huì)產(chǎn)生較大的離心力。此離心力在工件每轉(zhuǎn)中不斷改變方向,有時(shí)與推力Fy同向,有時(shí)則反向。圖5－14(a)表示離心力Q正好與推力Fy反向,把工件推向刀具,增加了實(shí)際切深;圖5－14(b)表示力Q正好與Fy同向,把工件推離刀具,減少了實(shí)際切深,結(jié)果工件產(chǎn)生圓度誤差。

圖5－14離心力對(duì)加工誤差的影響

(3)由夾緊力引起的誤差。工件剛度較差時(shí),若夾緊方法不當(dāng),常引起零件加工后的形狀誤差。例如用三爪卡盤夾持薄壁套筒鏜孔(見圖5－15),圖中1為工件,2為工件夾緊后內(nèi)、外圓變形成三棱圓,3為鏜孔成正圓,4為松開卡爪后工件因彈性復(fù)原孔又變成三棱圓。

圖5－15薄壁套筒的裝夾變形

(4)重力對(duì)零件加工精度的影響。如圖5－16所示的龍門銑床,其橫梁在兩個(gè)銑頭重力的作用下,隨橫向進(jìn)給使橫梁受力變形不斷改變的情況,因而嚴(yán)重影響了加工表面的形狀精度。再如細(xì)長工件在自重作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲變形,影響加工精度。

圖5－16龍門銑床部件在重力作用下的變形

3.減少工藝系統(tǒng)受力變形的途徑

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),減少工藝系統(tǒng)受力變形的途徑可歸納為以下幾個(gè)方面:

(1)提高配合面的接觸剛度。由于部件的剛度大大低于相同外形尺寸的實(shí)體零件的剛度,因此提高接觸剛度是提高工藝系統(tǒng)剛度的關(guān)鍵。提高各零件結(jié)合表面的幾何形狀精度和降低接觸表面粗糙度就能提高接觸剛度。

提高機(jī)床導(dǎo)軌面的刮研質(zhì)量,提高頂尖錐體與主軸和尾座錐孔的接觸質(zhì)量,多次修研工件中心孔等,都是實(shí)際生產(chǎn)中為提高接觸剛度經(jīng)常采用的工藝措施。

生產(chǎn)實(shí)踐證明,合理調(diào)整和使用機(jī)床可以增加接觸剛度。如正確調(diào)整鑲條和使用鎖緊機(jī)構(gòu),便可取得良好效果。

(2)設(shè)置輔助支承或減少懸伸長度以提高工件剛度。例如車細(xì)長軸時(shí)采用中心架和跟刀架;工件在卡盤上懸伸太長時(shí)可加后頂尖支承;用卡盤安裝工件時(shí)盡量減少外伸長度等等。

(3)提高刀具剛度。欲提高刀具剛度,可在刀具材料、結(jié)構(gòu)和熱處理方面采取措施。例如采用硬質(zhì)合金刀片和淬硬刀桿以增加剛度，可能時(shí)增加刀具外形尺寸也很有效。

(4)采用合理的安裝方法和加工方法。例如在臥式銑床上銑一角形零件的端面,用圖5－17(a)所示的方法,會(huì)使工藝系統(tǒng)的剛度較差。如果將工件倒放,改用端銑刀加工(見圖5－17(b)),則工藝系統(tǒng)剛度會(huì)提高。

圖5－17銑角形零件的兩種安裝方法

5.1.4工藝系統(tǒng)熱變形的影響

工藝系統(tǒng)受熱后,會(huì)使各部分溫度上升,產(chǎn)生變形,即工件體積增加。如直徑為φ50mm的工件,溫度上升5℃后直徑將增加3～5μm,這樣會(huì)使切削深度加大,改變刀具尺寸,且使工藝系統(tǒng)各組成部分之間的相對(duì)位置遭到改變,同時(shí)也破壞了刀具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。因此,工藝系統(tǒng)的熱變形會(huì)引起加工誤差。據(jù)統(tǒng)計(jì),在精密加工中,由于熱變形引起的加工誤差約占總加工誤差的40％～70％。

熱變形不僅嚴(yán)重地降低了加工精度,而且還會(huì)影響生產(chǎn)效率。這是因?yàn)?為了避免熱變形的影響,往往在工作前要使機(jī)床空轉(zhuǎn)或在工作過程中進(jìn)行調(diào)整,這就要浪費(fèi)許多工時(shí);有時(shí)由于機(jī)床局部溫升過高,還不得不暫停工作。

1.引起工藝系統(tǒng)變形的熱源

引起工藝系統(tǒng)熱變形的熱源有兩大類:一是內(nèi)熱源,包括運(yùn)動(dòng)摩擦熱和切削熱;二是外熱源,包括環(huán)境溫度和輻射熱。

(1)運(yùn)動(dòng)摩擦熱。機(jī)床的各種運(yùn)動(dòng)副,如軸與軸承、齒輪與齒輪、溜板與導(dǎo)軌、絲杠與螺母、摩擦離合器等,它們?cè)谙鄬?duì)運(yùn)動(dòng)中將產(chǎn)生一定程度的摩擦并轉(zhuǎn)化為摩擦熱。動(dòng)力能源的能量消耗也有部分轉(zhuǎn)化為熱能,如電動(dòng)機(jī)、油馬達(dá)、液壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等工作時(shí)所產(chǎn)生的熱。

(2)切削熱。車削時(shí),大量切削熱被切屑帶走,切削速度越高,切屑帶走的熱量占總切削熱的百分比越大,傳給工件的熱量只占切削熱的10％～30％,傳給刀具的熱量不大于5％。銑、刨加工時(shí),傳給工件的熱量一般在30％以下。鉆、鏜孔時(shí),大量切屑留在孔內(nèi),故傳給工件的熱量約占50％以上。而磨削時(shí),84％的熱量傳給工件,磨削區(qū)溫度有時(shí)高達(dá)800～1000℃。

(3)環(huán)境溫度的影響。周圍環(huán)境溫度隨四季氣溫和晝夜溫度的變化而變化,局部室溫差、熱風(fēng)、冷風(fēng)、空氣對(duì)流,都會(huì)使工藝系統(tǒng)的溫度發(fā)生變化。

(4)輻射熱?？拷翱诘臋C(jī)床,常單面或局部受陽光輻射,靠近采暖設(shè)備的機(jī)床,也是單面或局部受熱,于是直接受輻射的部分和未受輻射的部分出現(xiàn)溫差,從而導(dǎo)致機(jī)床變形。照明燈和人體熱量的輻射,在精密加工的恒溫工房里也是不可忽視的。

2.機(jī)床熱變形及其對(duì)加工精度的影響

機(jī)床質(zhì)量大,受熱后一般溫度上升緩慢,且溫升不高。但由于熱量分布不均勻和結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造成機(jī)床各部分的溫度也不均勻,即有較大的溫差出現(xiàn)。因而機(jī)床各部分的變形出現(xiàn)差異,使零部件之間的相對(duì)位置發(fā)生變化,喪失了機(jī)床原有的精度。故機(jī)床上出現(xiàn)溫差是造成機(jī)床熱變形、產(chǎn)生加工誤差的主要原因。

例如,C620-1型車床,主軸在16.8℃下,以n=1200r／min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)6小時(shí),實(shí)際測(cè)得的溫度升高值的分布情況如圖5－18所示。從圖中可以看出:①由于熱源來自主軸箱,床身左面溫度高于右面,床面溫度高于床腳,特別是床面與床腳溫差很大(14℃),這就導(dǎo)致床面膨脹量遠(yuǎn)大于床腳膨脹量,左面膨脹大于右面膨脹,因而床面凸起,使主軸軸線位置由a變到b。②由于主軸箱溫度高,膨脹變形后使主軸軸線由b上升到c。③前軸承比后軸承溫度高9℃,故前軸承變形升高量大于后軸承升高量,致使主軸進(jìn)一步傾斜。

圖5－18

C620-1型車床的溫度分布及其熱變形

一般機(jī)床受熱升溫的過程是:開始工作時(shí)溫度逐漸上升,經(jīng)過一段時(shí)間后溫度接近一個(gè)穩(wěn)定值,此時(shí)熱量的傳入和傳出達(dá)到平衡,溫度不再隨時(shí)間變化,這種現(xiàn)象稱為熱平衡。當(dāng)機(jī)床停車后,各點(diǎn)溫度將以更為緩慢的速度逐漸下降。與加熱階段一樣,冷卻過程的溫度也是不穩(wěn)定的,因而變形也是不穩(wěn)定的。

3.刀具熱變形對(duì)加工精度的影響

刀具熱變形的主要熱源是切削熱。雖然切削熱傳入刀具的比重很小,但刀具體積小,熱容量小,因而具有較高溫度,并會(huì)因熱伸長造成加工誤差。

一般情況下刀具工作是間斷的(特別是銑刀),有短暫的冷卻時(shí)間,因而對(duì)加工精度影響很小。在加工大型零件時(shí),例如車長軸或在立車上加工大直徑的平面,由于刀具在長時(shí)間的切削過程中逐漸膨脹,往往造成幾何形狀誤差,前者造成錐形誤差,后者造成平面度誤差。但由于刀具的磨損能互相補(bǔ)償一些,故對(duì)加工精度的影響有時(shí)也不甚顯著。

對(duì)于定尺寸刀具和成形刀具,一般都在充分冷卻下工作,故熱變形不大。但冷卻不充分時(shí)則會(huì)影響零件的尺寸和形狀精度。

在采用定距切削法加工一批零件時(shí),開始一段時(shí)間加工的零件尺寸有變化(外圓直徑逐漸減少,內(nèi)孔直徑逐漸增大),當(dāng)?shù)毒哌_(dá)到熱平衡后,工件尺寸就只在微小范圍內(nèi)變動(dòng)。

綜上所述,通常刀具熱變形對(duì)加工精度影響不大。

4.工件熱變形對(duì)加工精度的影響

在切削加工過程中,工件主要受切削熱的影響產(chǎn)生變形。若在工件熱膨脹的條件下達(dá)到了規(guī)定尺寸,則冷卻收縮后尺寸將變小,甚至超差。

工件熱變形有兩種情況:一種是比較均勻的受熱,如車、鏜、圓磨等加工方法;一種是不均勻的受熱,如平面的刨、銑、磨加工。對(duì)于均勻受熱的工件,一般情況下它主要影響尺寸精度。例如,磨精密絲杠時(shí),工件受熱伸長,磨完后冷卻收縮就會(huì)出現(xiàn)螺距累積誤差。據(jù)研究,被磨絲杠因熱升溫,若與機(jī)床母絲杠出現(xiàn)1℃溫差時(shí),400mm長的絲杠要出現(xiàn)4.4μm的螺距累積誤差。而舊5級(jí)精度的絲杠、400mm內(nèi)螺距累積誤差的公差為6.5μm,顯然這種熱變形造成的誤差不可忽視。對(duì)于不均勻受熱的工件,如磨平面,工件單面受熱,上下表面形成溫差而變形,從而影響工件的幾何形狀精度。圖5－19床身磨削時(shí)的熱變形

5.控制熱變形的主要途徑

(1)隔熱和減少熱量的產(chǎn)生。由于內(nèi)熱源是影響機(jī)床熱變形的主要熱源,因此,凡是可以從主機(jī)分離出去的熱源,如電機(jī)、變速箱、液壓裝置和油箱等,應(yīng)盡可能放置在機(jī)床外部。對(duì)不能分離出去的熱源,如主軸軸承、絲杠副、摩擦離合器和高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌等,則可采取隔熱、改進(jìn)結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)潤滑等方法。

圖5－20座標(biāo)鏜床的隔熱裝置

(2)強(qiáng)制冷卻控制溫升。要完全消除內(nèi)熱源發(fā)出的熱量是不可能的,為此可采取強(qiáng)制冷卻的辦法。例如數(shù)控機(jī)床普遍采用冷凍機(jī)對(duì)潤滑油進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。機(jī)床內(nèi)的潤滑油被當(dāng)作冷卻劑使用,將主軸軸承和齒輪箱中產(chǎn)生的熱由潤滑油吸收帶走。又例如在S7450型螺紋磨床上,為了保證被磨絲杠溫度穩(wěn)定,采用恒溫的切削液對(duì)工件進(jìn)行淋浴。機(jī)床的空心母絲杠則通入恒溫油以保證加工精度的穩(wěn)定。

(3)均衡溫度。均衡機(jī)床各部分溫度、減小溫差,是降低工藝系統(tǒng)熱變形的又一個(gè)辦法。

圖5－21所示為在平面磨床上,采用熱空氣加熱溫升較低的立柱后壁,以均衡立柱前后壁的溫度,這樣可以顯著降低立柱的彎曲變形。

圖5－21用熱空氣均衡立柱前后壁的溫度

M7150A平面磨床:利用帶有余熱的回油流經(jīng)床身下部,使床身下部溫度升高,借以補(bǔ)償床身上部導(dǎo)軌的摩擦熱,減小上下溫差?；赜陀糜捅脧?qiáng)制循環(huán)。采用這一措施后,床身上下溫差僅有1～2℃,導(dǎo)軌中凹量由未采取措施前的0.265mm下降至0.05mm。

(4)控制溫度變化。在熱的影響中,比較棘手的問題在于溫度變化不定。若能保持溫度穩(wěn)定,即使熱變形產(chǎn)生了加工誤差,也容易設(shè)法補(bǔ)償。

對(duì)于環(huán)境溫度的變化,一般是將精密設(shè)備(如螺紋磨床、齒輪磨床、座標(biāo)鏜床等)安置在恒溫房內(nèi)工作。恒溫的精度一般取±1℃,精度高的取±0.5℃。精加工前先讓機(jī)床空轉(zhuǎn)一段時(shí)間,待機(jī)床達(dá)到或接近熱平衡后,然后加工。這也是解決溫度變化不定,保證加工精度的一項(xiàng)措施。

(5)采取補(bǔ)償措施。當(dāng)熱變形不可避免時(shí),可采用補(bǔ)償措施以消除其對(duì)加工精度的影響。例如精磨床身導(dǎo)軌時(shí),導(dǎo)軌因熱變形,中部被磨去較多金屬,冷卻后中部下凹,如圖5－19所示。為了減小此種變形的影響,可采取使床身向相反方向預(yù)先變形進(jìn)行補(bǔ)償?shù)霓k法，例如磨前用螺釘壓板將工件壓成中凹,或在前道工序預(yù)先將工件加工成中凹,加工時(shí)中部只能磨去較少金屬,使熱變形造成的誤差得到補(bǔ)償。

又如,為了解決MB7650雙端面磨床主軸熱伸長的問題,采用了如圖5－22所示的補(bǔ)償機(jī)構(gòu),即在軸承與殼體間增設(shè)一個(gè)過渡套筒,此套筒與殼體僅在前端接觸而后端不接觸。當(dāng)主軸因發(fā)熱而向前伸長時(shí),套筒則向后伸長,并使整個(gè)主軸也向后移動(dòng),自動(dòng)補(bǔ)償了主軸向前伸長,消除了主軸熱變形對(duì)加工精度的影響。

圖5－22雙端面磨床主軸的熱補(bǔ)償

5.1.5工件內(nèi)應(yīng)力引起的變形

1.內(nèi)應(yīng)力的概念和影響

(1)在常溫下,零件處于某種相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),外表看不出明顯變化,但實(shí)際上零件卻在緩慢而不明顯地不斷變形,直到內(nèi)應(yīng)力消失為止。例如刮研具有內(nèi)應(yīng)力的平板,已經(jīng)刮得很平的表面,隔一段時(shí)間檢查,表面又有了翹曲;一些零件加工后存放一段時(shí)間會(huì)出現(xiàn)變形。這說明具有殘余應(yīng)力的零件,其尺寸、形狀的穩(wěn)定性差,時(shí)間長了會(huì)喪失原有的加工精度。若將這種零件裝入機(jī)器,由于使用中產(chǎn)生變形,可能會(huì)破壞整臺(tái)機(jī)器的質(zhì)量。

(2)在零件受力、受熱、受振動(dòng)或破壞其原有結(jié)構(gòu)時(shí),其相對(duì)平衡和穩(wěn)定的狀態(tài)被破壞,內(nèi)應(yīng)力將重新分布,以求達(dá)到新的相對(duì)平衡。在內(nèi)應(yīng)力重新分布的過程中,零件將產(chǎn)生相應(yīng)的變形,有時(shí)甚至是急劇的變形。

2.產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的原因

殘余應(yīng)力是由于金屬內(nèi)部相鄰的宏觀或微觀組織發(fā)生不均勻的體積變化引起的。這種變化來源于熱加工,也來源于冷加工。

(1)毛坯制造過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。在鑄、鍛、熱軋、焊接等毛坯熱加工過程中,由于毛坯各部分厚度不均勻,冷卻速度和收縮程度不一致,因而各部分互相牽制,使毛坯內(nèi)部產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力。

圖5－23(a)所示為一壁厚不均勻的鑄件毛坯。在澆鑄后冷卻時(shí),由于壁1和壁2比較薄,容易散熱,故冷卻較快。壁3比較厚,冷卻較慢。當(dāng)壁1、壁2從塑性狀態(tài)冷卻到彈性狀態(tài)時(shí)(約620℃左右),壁3也冷卻到彈性狀態(tài)時(shí),壁1、壁2的溫度已下降很多而接近于室溫,固態(tài)收縮基本結(jié)束,因而將阻礙壁3進(jìn)一步的固態(tài)收縮。結(jié)果使壁3受到拉應(yīng)力,壁1、壁2受到壓應(yīng)力,相互間可取得暫時(shí)的平衡。如果在鑄件的壁1上開個(gè)口(見圖5－23(b)),則壁1上的壓應(yīng)力消失。鑄件在壁3和壁2的殘余應(yīng)力作用下,壁3收縮,壁2伸長,鑄件產(chǎn)生彎曲變形,直到內(nèi)應(yīng)力達(dá)到新的平衡狀態(tài)為止。

圖5－23鑄件殘余應(yīng)力的形成及鑄件變形

圖5－24床身因殘余應(yīng)力引起的變形

(2)熱處理產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。熱處理過程中,當(dāng)工件冷卻時(shí),各部分的冷卻速度和收縮不一致,于是在工件內(nèi)部造成殘余應(yīng)力(稱熱應(yīng)力)。而當(dāng)金屬的金相組織發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)(如奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體),體積要膨脹,但各部分在轉(zhuǎn)變時(shí)間上不一致,因而膨脹量也不一致,這也會(huì)造成工件的內(nèi)應(yīng)力(稱為組織應(yīng)力)。

(3)機(jī)械加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。切削加工時(shí),工件表層在切削力和切削熱的作用下,由于各部分塑性變形程度不同,以及金相組織變化的作用,也將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

①工件在刀具刃口圓角的擠壓下,表層組織產(chǎn)生塑性變形、晶格扭曲,金屬密度下降(疏松),體積增大,但由于受基體金屬的限制,于是表層產(chǎn)生壓應(yīng)力,靠近表層未變形的基體則產(chǎn)生拉應(yīng)力。已加工表面還受刀具后面的摩擦而拉伸,也因受基體金屬的限制,表層產(chǎn)生壓應(yīng)力,里層產(chǎn)生拉應(yīng)力。其深度在精加工時(shí)為十分之幾毫米,粗加工時(shí)可達(dá)1.5～2mm。

②切削熱使工件表層受熱膨脹,也由于受里層金屬限制而產(chǎn)生應(yīng)力,若表層的壓應(yīng)力超過材料彈性極限,則溫度降至常溫后形成內(nèi)應(yīng)力。

③磨削加工中,有時(shí)表層的局部高溫會(huì)引起金相組織轉(zhuǎn)變,從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

(4)冷校直帶來的內(nèi)應(yīng)力。細(xì)長軸和絲杠等剛度差的工件,為了減少軸線彎曲,常在工藝過程中進(jìn)行冷校直,見圖5－25(a)。冷校后的工件,直線度誤差減小了,但卻產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。圖5－25(b)所示工件在校直力F的作用下,軸線上部產(chǎn)生壓應(yīng)力,用“-”表示,軸線下部產(chǎn)生拉應(yīng)力,用“＋”表示。中心區(qū)(虛線內(nèi))由于應(yīng)力小,只產(chǎn)生彈性變形;外部層(虛線外)由于應(yīng)力大于材料的彈性極限,產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)外力去除后,中心部分的彈性變形本來可以全部恢復(fù)原狀,但受外部塑性變形層的限制恢復(fù)不了,于是里外層相互牽制,形成了新的應(yīng)力分布,如圖5－25(c)所示。

圖5－25冷校直引起的內(nèi)應(yīng)力

3.減小和消除內(nèi)應(yīng)力的措施

對(duì)于精度要求較高或易于變形的零件,必須消除內(nèi)應(yīng)力,以穩(wěn)定加工精度。具體措施有:

(1)在鑄、鍛、焊毛坯制造后,采用時(shí)效或退火處理,消除毛壞制造時(shí)造成的內(nèi)應(yīng)力。

(2)對(duì)于精度較高、形狀較為復(fù)雜的零件,應(yīng)將粗、精加工分開,這樣可使粗加工后,內(nèi)應(yīng)力因結(jié)構(gòu)變化而重新分布引起的變形,有充分時(shí)間表現(xiàn)出來,并被精加工修正,從而避免了內(nèi)應(yīng)力對(duì)零件精度的影響。對(duì)于不便劃分粗、精加工階段的大型工件,可在粗加工后,將夾緊在機(jī)床或夾具上的工件松開,使內(nèi)應(yīng)力自由地重新分布、充分變形,然后再輕夾或輕壓好工件進(jìn)行精加工。

(3)對(duì)于精密零件,單靠粗、精加工分開還不足以徹底消除內(nèi)應(yīng)力的影響,通常還必須在粗加工至精加工之間進(jìn)行多次時(shí)效處理,以消除各階段切削加工造成的內(nèi)應(yīng)力。

將鑄件噴丸或放在滾筒內(nèi)清砂,在它們相互撞擊的過程中,也可達(dá)到消除內(nèi)應(yīng)力的目的。

(4)精密零件在加工過程中嚴(yán)禁冷校直,改用加熱校直。

5.1.6提高加工精度的措施

減少加工誤差的措施大致可歸納為以下六個(gè)方面:

1.直接減少原始誤差法

即在查明影響加工精度的主要原始誤差因素之后,設(shè)法對(duì)其直接進(jìn)行消除或減少。例如車削細(xì)長軸時(shí),采用跟刀架、中心架可消除或減少工件變形所引起的加工誤差。采用大進(jìn)給量反向切削法,基本上消除了軸向切削力引起的彎曲變形。若輔以彈簧頂尖,可進(jìn)一步消除熱變形所引起的加工誤差。又如在加工薄壁套筒內(nèi)孔時(shí),采用過度圓環(huán)以使夾緊力均勻分布,避免夾緊變形所引起的加工誤差。

2.誤差補(bǔ)償法

誤差補(bǔ)償法是人為地制造一種誤差,去抵消工藝系統(tǒng)固有的原始誤差,或者利用一種原始誤差去抵消另一種原始誤差,從而達(dá)到提高加工精度的目的。例如用預(yù)加載荷法精加工磨床床身導(dǎo)軌,借以補(bǔ)償裝配后受部件自重而引起的變形。磨床床身是一個(gè)狹長的結(jié)構(gòu),剛度較差,在加工時(shí),導(dǎo)軌三項(xiàng)精度雖然都能達(dá)到,但在裝上進(jìn)給機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)等以后,便會(huì)使導(dǎo)軌產(chǎn)生變形而破壞了原來的精度,采用預(yù)加載荷法可補(bǔ)償這一誤差。又如用校正機(jī)構(gòu)提高絲杠車床傳動(dòng)鏈的精度。在精密螺紋加工中,機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差將直接反映到工件的螺距上,使精密絲杠加工精度受到一定的影響。為了滿足精密絲杠加工的要求,采用螺紋加工校正裝置以消除傳動(dòng)鏈造成的誤差,如圖5－26所示。

圖5－26螺紋加工校正裝置

3.誤差轉(zhuǎn)移法

誤差轉(zhuǎn)移法的實(shí)質(zhì)是轉(zhuǎn)移工藝系統(tǒng)的累積誤差、受力變形和熱變形等。例如,磨削主軸錐孔時(shí),錐孔和軸徑的同軸度不是靠機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度來保證的,而是靠夾具保證,當(dāng)機(jī)床主軸與工件采用浮動(dòng)連接以后,機(jī)床主軸的原始誤差就不再影響加工精度,而轉(zhuǎn)移到由夾具來保證加工精度。外圓磨削工件時(shí),利用死頂尖定心和雞心夾頭傳遞轉(zhuǎn)矩和工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),目的也是在于使磨床主軸的徑向誤差不會(huì)傳遞給工件。

在箱體的孔系加工中,在鏜床上用鏜模鏜削孔系時(shí),孔系的位置精度和孔距間的尺寸精度都依靠鏜模和鏜桿的精度來保證。鏜桿與主軸之間為浮動(dòng)連接,故機(jī)床的精度與加工無關(guān),這樣就可以利用普通精度和生產(chǎn)率較高的組合機(jī)床來精鏜孔系。由此可見,往往在機(jī)床精度達(dá)不到零件的加工要求時(shí),通過誤差轉(zhuǎn)移的方法,能夠用一般精度的機(jī)床加工高精度的零件。

4.誤差分組法

在加工中,由于工序毛坯誤差的存在,造成了本工序的加工誤差。毛坯誤差的變化,對(duì)本工序的影響主要有兩種情況:復(fù)映誤差和定位誤差。如果上述誤差太大,不能保證加工精度,而且要提高毛坯精度或上一道工序加工精度是不經(jīng)濟(jì)的。這時(shí)可采用誤差分組法,即把毛坯或上工序尺寸按誤差大小分為n組,每組毛坯的誤差就縮小為原來的1／n,然后按各組分別調(diào)整刀具與工件的相對(duì)位置或調(diào)整定位元件,就可大大地縮小整批工件的尺寸分散范圍。

例如,某廠加工齒輪磨床上的交換齒輪時(shí),為了達(dá)到齒圈徑向跳動(dòng)的精度要求,將交換齒輪的內(nèi)孔尺寸分成三組,并用與之尺寸相對(duì)應(yīng)的三組定位心軸進(jìn)行加工。其分組尺寸見表5－1。

表5－1交換齒輪內(nèi)孔尺寸分組

5.就地加工法

在加工和裝配中,有些精度問題牽涉到很多零部件間的相互關(guān)系,相當(dāng)復(fù)雜。如果單純地提高零件精度來滿足設(shè)計(jì)要求,這不僅困難,有時(shí)甚至不可能達(dá)到。此時(shí),若采用就地加工法,就可解決這種難題,將各環(huán)節(jié)的累積誤差一次性消除。

例如,在轉(zhuǎn)塔車床制造中,轉(zhuǎn)塔上六個(gè)安裝刀具的孔,其軸心線必須保證與機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)中心線重合,而六個(gè)平面又必須與旋轉(zhuǎn)中心線垂直。如果單獨(dú)加工轉(zhuǎn)塔上的這些孔和平面,裝配時(shí)要達(dá)到上述要求是困難的,因?yàn)槠渲邪撕軓?fù)雜的尺寸鏈關(guān)系,因而在實(shí)際生產(chǎn)中采用了就地加工法。即在裝配之前,這些重要表面不進(jìn)行精加工,等轉(zhuǎn)塔裝配到機(jī)床上以后,再在自身機(jī)床上對(duì)這些孔和平面進(jìn)行精加工。具體方法是在機(jī)床主軸上裝上鏜刀桿和能做徑向進(jìn)給的小刀架,對(duì)這些表面進(jìn)行精加工便能達(dá)到所需要的精度。

6.誤差平均法

誤差平均法是利用有密切聯(lián)系的表面之間的相互比較和相互修正,或者利用互為基準(zhǔn)進(jìn)行加工,以達(dá)到很高的加工精度。如配合精度要求很高的軸和孔,常用對(duì)研的方法來達(dá)到。所謂對(duì)研,就是配偶件的軸和孔互為研具相對(duì)研磨。在研磨前有一定的研磨量,其本身的尺寸精度要求不高。在研磨過程中,配合表面相對(duì)研擦和磨損的過程,就是兩者的誤差相互比較和相互修正的過程。

又如三塊一組的標(biāo)準(zhǔn)平板,是利用相互對(duì)研、配刮的方法加工出來的，這是因?yàn)槿齻€(gè)表面能夠分別兩兩密合,只有在都是精確平面的條件下才有可能。另外還有直尺、角度規(guī)、多棱體、標(biāo)準(zhǔn)絲杠等高精度量具和工具,都是利用誤差平均法制造出來的。

5.2機(jī)械加工表面質(zhì)量

5.2.1表面質(zhì)量內(nèi)涵及其對(duì)零件使用性能的影響

1.機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義

表面質(zhì)量的含義有以下兩方面的內(nèi)容:

(1)表面層的幾何形狀特征,包括：

①表面粗糙度。即表面的微觀幾何形狀誤差。評(píng)定的參數(shù)主要有輪廓算術(shù)平均偏差Ra或輪廓微觀不平度十點(diǎn)平均高度Rz。

②波度。它是介于宏觀幾何形狀誤差與表面粗糙度之間的周期性幾何形狀誤差,如圖5－27所示。其主要產(chǎn)生于振動(dòng),應(yīng)作為工藝缺陷設(shè)法消除。

圖5－27表面粗糙度和波度

(2)表面層物理力學(xué)性能的變化。表面層物理力學(xué)性能主要指下面三個(gè)方面的內(nèi)容:

①表面層的加工硬化。

②表面層金相組織的變化。

③表面層殘余應(yīng)力。

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。零件的耐磨性是一項(xiàng)很重要的性能指標(biāo)。當(dāng)零件的材料、潤滑條件和加工精度決定之后,表面質(zhì)量對(duì)耐磨性起著關(guān)鍵的作用。因加工后的零件表面存在著凸起的輪廓峰和凹下的輪廓谷,兩配合面或結(jié)合面的實(shí)際接觸面積總比理想接觸面積小,實(shí)際上只是在一些凸峰頂部接觸。這樣,當(dāng)零件受力的作用時(shí),凸峰部分的應(yīng)力很大。零件的表面越粗糙,實(shí)際接觸面積就越小,凸峰處單位面積上的應(yīng)力就越大。當(dāng)兩個(gè)零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),接觸處就會(huì)產(chǎn)生彈性、塑性變形和剪切等現(xiàn)象,凸峰部分被壓平而造成磨損。

雖然表面粗糙度對(duì)摩擦面影響很大,但并不是表面粗糙度愈小愈耐磨。過于光滑的表面會(huì)擠出接觸面間的潤滑油,引起分子之間的親和力,從而產(chǎn)生表面咬焊、膠合,使得磨損加劇,如圖5－28所示。就零件的耐磨性而言,最佳表面粗糙度Ra的值在0.8～0.2μm之間。

圖5－28初始磨損量與表面粗糙度的關(guān)系

零件表面紋理形狀和紋理方向?qū)δ湍バ砸灿酗@著的影響。一般來講,圓弧狀的、凹坑狀的表面紋理,耐磨性好;而尖峰狀的表面紋理耐磨性差,因它的承壓面小,而壓強(qiáng)大。在輕載并充分潤滑的運(yùn)動(dòng)副中,兩配合面的刀紋方向與運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí),耐磨性較好;與運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí),耐磨性最差;其余的情況,介于上述的兩者之間。而在重載又無充分潤滑的情況下,兩結(jié)合表面的刀紋方向垂直時(shí),磨損較小。由此可見,重要的零件應(yīng)規(guī)定最后工序的加工紋理方向。

零件表面層材料的冷作硬化,能提高表面層的硬度,增強(qiáng)表面層的接觸剛度,減少摩擦表面間發(fā)生彈性和塑性變形的可能性,使金屬之間咬合的現(xiàn)象減少,因而增強(qiáng)了耐磨性。但硬化過度會(huì)降低金屬組織的穩(wěn)定性,使表層金屬變脆、脫落,致使磨損加劇,所以硬化的程度和深度應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)。

(2)零件表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響。零件在交變載荷的作用下,其表面微觀不平的凹谷處和表面層的缺陷處容易引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生疲勞裂紋,造成零件的疲勞破壞。試驗(yàn)表明,減小表面粗糙度值可以使零件的疲勞強(qiáng)度有所提高。因此,對(duì)于重要零件的重要表面,往往應(yīng)進(jìn)行光整加工,以減小零件的表面粗糙度值,提高其疲勞強(qiáng)度。

冷作硬化可以在零件表面形成一個(gè)冷硬層,因而能阻礙表面層疲勞裂紋的出現(xiàn),從而提高疲勞強(qiáng)度。但冷硬程度過大,表層金屬變脆,反而易于產(chǎn)生裂紋。

表面殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度也有很大影響。當(dāng)表面層為殘余壓應(yīng)力時(shí),能延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展,提高零件的疲勞強(qiáng)度;當(dāng)表面層為殘余拉應(yīng)力時(shí),容易使零件表面產(chǎn)生裂紋,從而降低其疲勞強(qiáng)度。

(3)零件表面質(zhì)量對(duì)零件耐腐蝕性能的影響。零件的耐腐蝕性在很大程度上取決于零件的表面粗糙度。零件表面越粗糙,凹谷越深,越容易沉積腐蝕性介質(zhì)而產(chǎn)生腐蝕。因此,減小零件表面粗糙度,可以提高零件的耐腐蝕性能。

零件表面層的殘余壓應(yīng)力和一定程度的硬化有利于阻礙表面裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展,因而有利于提高零件的抗腐蝕能力。而表面殘余拉應(yīng)力則降低零件的耐腐蝕性能。

(4)零件表面質(zhì)量對(duì)配合性質(zhì)及其他性能的影響。由于零件表面粗糙度的存在,將影響配合精度和配合性質(zhì)。在間隙配合中,零件表面的粗糙度將使配合件表面的凸峰被擠平,從而增大配合間隙,降低配合精度;在過盈配合中,則將使配合件間的有效過盈量減小甚至消失,影響了配合的可靠性。因此,對(duì)有配合要求的表面,必須規(guī)定較小的表面粗糙度。

在過盈配合中,如果表面硬化嚴(yán)重,將可能造成表層金屬與內(nèi)部金屬脫離的現(xiàn)象,從而破壞配合的性質(zhì)和精度。表面殘余應(yīng)力過大,將引起零件變形,使零件的幾何尺寸改變,這樣也將影響配合精度和配合性質(zhì)。

5.2.2切削表面粗糙度的影響因素和改進(jìn)措施

零件經(jīng)過切削加工之后所獲得的表面,其質(zhì)量的好壞,影響因素是很多的。一般來說,最主要的是幾何因素、物理因素和加工中工藝系統(tǒng)的振動(dòng)等。

1.影響切削加工表面粗糙度的幾何因素

切削加工過程中,刀具相對(duì)于工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí),在被加工表面上殘留的面積愈大,所獲得表面將愈粗糙。用單刃刀切削時(shí),殘留面積只與進(jìn)給量f、刀尖圓角半徑r0及刀具的主偏角kr、副偏角kr′有關(guān),如圖5－29所示。

圖5-29切削層殘留面積(a)尖刀切削

(b)帶圓角半徑r0刀的切削

尖刀切削時(shí)(見圖5－29(a)),帶圓角半徑r0的刀切削時(shí)(見圖5－29(b)),

由公式可知,減小進(jìn)給量,減小主、副偏角,增大刀尖圓角半徑,都能減小殘留面積的高度H,也就減小了零件的表面粗糙度。進(jìn)給量f對(duì)表面粗糙度影響較大。當(dāng)f值較低時(shí),雖然有利于表面粗糙度的減小,但生產(chǎn)率也成比例地降低,而且過小的進(jìn)給量,將造成薄層切削,反而容易引起振動(dòng),使得表面粗糙度增大。

增大刀尖圓角半徑有利于粗糙度的減小,但同時(shí)會(huì)引起吃刀抗力Fy的增加,從而加大工藝系統(tǒng)的振動(dòng)。因此在增大刀尖圓角半徑時(shí),要考慮吃刀抗力的潛在因素。

減小主、副偏角均有利于表面粗糙度的降低,但在精加工時(shí)它們對(duì)粗糙度的影響較小。

前角對(duì)表面粗糙度沒有直接影響。但適當(dāng)增大前角,刀具易于切入工件,塑性變形小,有利于減小表面粗糙度。

2.影響切削加工表面粗糙度的物理因素

(1)切削力和摩擦力的影響。在切削過程中,刀具的刃口圓角及后刀面對(duì)工件的擠壓和摩擦使金屬材料發(fā)生塑性變形,引起已有的殘留面積扭歪或溝紋加深,增大表面粗糙度。而加工脆性材料時(shí),切屑成碎粒狀,加工表面往往出現(xiàn)微粒崩碎痕跡,留下許多麻點(diǎn),使表面顯得粗糙。

(2)積屑瘤的影響。當(dāng)切削刀具以一定的速度切削塑料材料時(shí),切屑上的一些小顆粒就會(huì)粘附在前刀面的刀尖處,形成硬度很高的積屑瘤,它可以代替前刀面和切削刃進(jìn)行切削。當(dāng)切屑與積屑瘤之間的摩擦力大于積屑瘤與前刀面的冷焊強(qiáng)度,或受到?jīng)_擊、振動(dòng)時(shí),積屑瘤就會(huì)脫落,以后又逐漸生成新的積屑瘤,如圖5－30所示。這種積屑瘤的生成、長大和脫落將嚴(yán)重影響零件表面粗糙度。

圖5－30積屑瘤

(3)鱗刺的影響。在切削過程中,由于切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用,使切屑在前刀面上產(chǎn)生周期停留,從而擠拉剛加工過的表面,嚴(yán)重時(shí)使表面出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象,在已加工表面上形成鱗刺,使表面粗糙不平,如圖5－31所示。

從以上物理因素對(duì)粗糙度的影響來看,要減小表面粗糙度,除必須減少切削力引起的塑性變形外,主要應(yīng)避免產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺,其主要工藝措施有:選擇不易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺的切削速度;改善材料的切削性能;正確選擇切削液等。

圖5－31鱗刺的產(chǎn)生5.2.3磨削表面粗糙度的影響因素和改進(jìn)措施

1.磨削加工的特點(diǎn)

(1)磨削過程比金屬切削刀具的切削過程要復(fù)雜得多,砂輪在磨削工件時(shí),磨粒在砂輪表面上所分布的高度是不一致的。磨粒的磨削過程常分為:滑擦階段、刻劃階段和切削階段。但對(duì)整個(gè)砂輪來講,滑擦作用、刻劃作用、切削作用是同時(shí)產(chǎn)生的。

(2)砂輪的磨削速度高磨削溫度高,磨削時(shí)砂輪線速度為v砂=30～50m／s,目前高速磨削發(fā)展很快,v砂=80～125m／s。磨粒大多為負(fù)前角,單位切削力比較大,故切削溫度很高,磨削點(diǎn)附近的瞬時(shí)溫度可高達(dá)800～1000℃。這樣高的溫度常引起被磨表面燒傷、工件變形和產(chǎn)生裂紋。

(3)磨削時(shí)砂輪的線速度高,參與切削的磨粒多,所以,單位時(shí)間內(nèi)切除金屬的量大。徑向切削力較大,會(huì)引起機(jī)床工作系統(tǒng)發(fā)生彈性變形和振動(dòng)。

2.影響磨削加工表面粗糙度的因素

影響磨削表面粗糙度的因素很多,主要的有:

1)磨削用量的影響

(1)砂輪速度。隨著砂輪線速度的增加,在同一時(shí)間里參與切削的磨粒數(shù)也增加,每顆磨粒切去的金屬厚度減少,殘留面積也減少,而且高速磨削可減少材料的塑性變形,減小表面粗糙度。

(2)工件速度。在其他磨削條件不變的情況下,隨工件線速度的降低,每顆磨粒每次接觸工件時(shí)切去的切削厚度減少,殘留面積也小,因而粗糙度低。但必須指出,工件線速度過低時(shí),工件與砂輪接觸的時(shí)間長,傳到工件上的熱量增多,甚至?xí)斐晒ぜ砻娼饘傥⑷?反而增大表面粗糙度,而且還增加表面燒傷的可能性。因此,通常取工件線速度等于砂輪線速度的1／60左右。

(3)磨削深度和光磨次數(shù)。磨削深度增加,則磨削力和磨削溫度都增加,磨削表面塑性變形程度增大,從而增大表面粗糙度值。為提高磨削效率又能獲得較小的表面粗糙度,一般開始采用較大的磨削深度,然后采用較小的磨削深度,最后進(jìn)行無進(jìn)給磨削,即光磨。光磨次數(shù)增加,可減小粗糙度。

2)砂輪的影響

(1)砂輪的粒度。粒度越細(xì),則砂輪單位面積上的磨粒越多,每顆磨粒切去的金屬厚度越少,刻痕也細(xì),粗糙度就細(xì)。但粒度過細(xì)切屑容易堵塞砂輪,使工件表面溫度增高,塑性變形加大,粗糙度值反而增大,同時(shí)還容易引起燒傷,所以常用的砂輪粒度在80＃以內(nèi)。

(2)砂輪的硬度。砂輪太軟,則磨粒易脫落,有利于保持砂輪的鋒利,但很難保證砂輪的等高性。砂輪如果太硬,磨損了的磨粒也不易脫落,這些磨損了的磨粒會(huì)加劇與工件表面的擠壓和摩擦作用,造成工件表面溫度升高,塑性變形加大,并且還容易使工件產(chǎn)生表面燒傷。所以砂輪的硬度以適中為好,主要根據(jù)工件的材料和硬度進(jìn)行選擇。

(3)砂輪的修整。砂輪使用一段時(shí)間后就必須進(jìn)行修整,及時(shí)修整砂輪有利于獲得鋒利和等高的微刃。慢的修整進(jìn)給量和小的修整深度,還能大大增加切刃數(shù),這些均有利于降低被磨工件的表面粗糙度。

(4)砂輪材料。砂輪材料即指磨料,它可分為氧化物類(剛玉)、碳化物類(碳化硅、碳化硼)和超硬磨料類(人造金剛石、立方碳化硼)。鋼類零件用剛玉砂輪磨削可得到滿意的表面粗糙度;鑄鐵、硬質(zhì)合金等工件材料用碳化物砂輪磨削時(shí)表面粗糙度較小;用金剛石砂輪磨削可得到極小的表面粗糙度值,但加工成本也比較高。

3)被加工材料的影響

工件材料的性質(zhì)對(duì)磨削粗糙度影響也大,太硬、太軟、太韌的材料都不容易磨光。這是因?yàn)椴牧咸矔r(shí),磨粒很快鈍化,從而失去切削能力;材料太軟時(shí)砂輪又很容易被堵塞;而韌性太大且導(dǎo)熱性差的材料又容易使磨粒早期崩落,這些都不利于獲得低的表面粗糙度。

5.2.4表面機(jī)械物理性能的影響因素及改進(jìn)措施

1.表面層的冷作硬化

在切削或磨削加工過程中,若加工表面層產(chǎn)生的塑性變形使晶體間產(chǎn)生剪切滑移,晶格嚴(yán)重扭曲,并產(chǎn)生晶粒的拉長、破碎和纖維化,引起表面層的強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象,稱為冷作硬化現(xiàn)象。

表面層的硬化程度取決于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度及變形時(shí)的溫度。力越大,塑性變形越大,產(chǎn)生的硬化程度也越大。變形速度越大,塑性變形越不充分,產(chǎn)生的硬化程度也就相應(yīng)減小。變形時(shí)的溫度影響塑性變形程度,溫度高硬化程度減小。

1)影響表面層冷作硬化的因素

(1)刀具。刀具的刃口圓角和后刀面的磨損對(duì)表面層的冷作硬化有很大影響,刃口圓角和后刀面的磨損量越大,冷作硬化層的硬度和深度也越大。

(2)切削用量。在切削用量中,影響較大的是切削速度vc和進(jìn)給量f。當(dāng)vc增大時(shí),則表面層的硬化程度和深度都有所減小。這是由于一方面切削速度增大會(huì)使溫度增高,有助于冷作硬化的回復(fù);另一方面由于切削速度的增大,刀具與工件接觸時(shí)間短,使工件的塑性變形程度減小。當(dāng)進(jìn)給量增大時(shí),則切削力增大,塑性變形程度也增大,因此表面層的冷作硬化現(xiàn)象嚴(yán)重。但當(dāng)f過小時(shí),由于刀具的刃口圓角在加工表面上的擠壓次數(shù)增多,因此表面層的冷作硬化現(xiàn)象也會(huì)增大。

(3)被加工材料。被加工材料的硬度越低和塑性越大,則切削加工后其表面層的冷作硬化現(xiàn)象越嚴(yán)重。

2)減少表面層冷作硬化的措施

(1)合理選擇刀具的幾何參數(shù),采用較大的前角和后角,并在刃磨時(shí)盡量減小其切削刃口圓角半徑。

(2)使用刀具時(shí),應(yīng)合理限制其后刀面的磨損程度。

(3)合理選擇切削用量,采用較高的切削速度和較小的進(jìn)給量。

(4)加工時(shí)采用有效的切削液。

2.表面層的金相組織變化

1)表面層金相組織變化的原因及磨削燒傷

機(jī)械加工時(shí),切削所消耗的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能而使加工表面出現(xiàn)溫度升高。當(dāng)溫度升高到超過金相組織變化的臨界點(diǎn)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生金相組織的變化。一般的切削加工,由于單位切削截面所消耗的功率不是太大,故產(chǎn)生金相組織變化的現(xiàn)象較少。但磨削加工因切削速度高,產(chǎn)生的切削熱比一般的切削加工大幾十倍,這些熱量部分由切屑帶走,很小一部分傳入砂輪,若冷卻效果不好,則很大一部分將傳入工件表面,使工件表面層的金相組織發(fā)生變化,引起表面層的硬度和強(qiáng)度下降,產(chǎn)生殘余應(yīng)力甚至引起顯微裂紋,這種現(xiàn)象