1、,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),第5章 機械加工質(zhì)量及其控制,FUNDAMENTALS OF MACHINERY MANUFACTURING TECHNOLOGY,Machining Quality and its Control,5.1 概述5.1.1 機械加工質(zhì)量的含義,機械產(chǎn)品質(zhì)量,機械加工質(zhì)量,加工精度及其發(fā)展,激光反射鏡平面度提高到30nm，表面粗糙度 降低到10nm，反射率將提高到 99.8%以上。否則，壽命將大大縮短,磁頭與磁盤間的飛行高度在50nm以下，若進(jìn)一步降低將使存儲容量呈指數(shù)倍增長,1kg精密陀螺轉(zhuǎn)子的偏心增加0.5nm，將引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差,機械加工精度的各

2、項指標(biāo)既有區(qū)別，又有聯(lián)系。 一般情況下，形狀精度要求高于尺寸精度，位置精度要求也高于尺寸精度。,精密和超精密加工技術(shù) 機械加工的技術(shù)重點 大型工件的加工技術(shù) 特殊材料的加工技術(shù),尺寸公差 位置公差 形狀公差 表面粗糙度值,5.1.2 機械加工精度的獲得方法,1尺寸精度的獲得方法,手工逐步調(diào)刀獲得所需尺寸,加工前先調(diào)整好刀具位置再進(jìn)行一批加工,尺寸精度由刀具保證 （鉆頭、拉刀）,自動化的試切法,試切法,調(diào)整法,定尺寸刀具法,自動控制法,3位置精度的獲得方法,與機床幾何精度有關(guān),位置精度要求極高時采用 與檢測精度密切相關(guān),5.1.3 機械加工表面質(zhì)量及其對機器使用性能的影響,表面（微觀）形貌 表面

3、層物理機械 性能（ 加工變質(zhì)層）,機械加工表面質(zhì)量,表面粗糙度 表面波紋度,塑性變形引起的冷作硬化 切（磨）削熱引起的金相組織變化 力（熱）產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,1. 機械加工表面質(zhì)量的含義,2. 機械加工表面質(zhì)量對機器使用性能的影響,（1）影響耐磨性 粗糙度值大，實際接觸面積小，接觸 應(yīng)力大，易磨損，耐磨性差。,粗糙度值越小，實際接觸面積越大，耐磨性較好。 若粗糙度值過小，可能增加制造成本，且可能破壞潤滑油膜，造成干摩擦。 加工表面硬化到一定程度能使耐磨性有所提高，但硬化過度反會使結(jié)晶組織出現(xiàn)過度變形，甚至產(chǎn)生裂紋或剝落，使磨損加劇，使耐磨性降低 。,（2）影響疲勞強度 交變載荷作用時，表面粗糙度

4、、劃痕及微裂紋等均會引起應(yīng)力集中，從而降低疲勞強度。 加工表面粗糙度的紋路方向與受力方向垂直時，疲勞強度明顯降低。 一般加工硬化可提高疲勞強度，但硬化過度則會適得其反。 殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時，可部分抵消交變載荷施加的拉壓力，阻礙和延緩裂紋的產(chǎn)生或擴大，從而提高疲勞強度；但為拉應(yīng)力時，則會大大降低疲勞強度。,有些加工方法，如滾壓加工，可減小粗糙度值、強化表面層，使表層呈壓應(yīng)力狀態(tài)，從而防止產(chǎn)生微裂紋，提高疲勞強度。,（3）影響耐蝕性 表面粗糙度值大的表面，腐蝕性物質(zhì)（氣體、液體）容易滲透到表面的凹凸不平處，從而產(chǎn)生化學(xué)或電化學(xué)作用而被腐蝕。 表面微裂紋處容易受腐蝕性氣體或液體的侵蝕，如零件表面有殘

5、余壓應(yīng)力，則可阻礙微裂紋的擴展，從而在一定程度上提高零件的耐蝕性。,（4）影響配合性質(zhì) 影響配合性質(zhì)最主要因素是表面粗糙度。對于間隙配合，經(jīng)初期磨損后，間隙會有所增大，嚴(yán)重時會影響密封性能或?qū)蚓?；對于過盈配合，使計算所得過盈量與實際過盈量有所不同，成為過渡配合甚至間隙配合，從而可能影響過盈配合的連接強度。,此外，加工表面質(zhì)量對零件接觸剛度、運動平穩(wěn)性和噪音等也有影響。,加工誤差與原始誤差 加工誤差加工后每個零件在尺寸、形狀、位置方面與理想零件的差值。 （幾何參數(shù)的偏差）,5.2 機械加工精度的影響因素及控制措施,原始誤差由于機床、刀具、量具、夾具和工件組成的工藝系統(tǒng)造成加工誤差的因素。,5

6、.2.1 機械加工工藝系統(tǒng)原始誤差,誤差敏感方向：加工表面法向原始誤差引起的加工誤差最大,誤差敏感方向 誤差非敏感方向,原 始 誤 差,機床 夾具 刀具 工件（毛坯）,工藝系統(tǒng)靜誤差,加工過程中產(chǎn)生的誤差,受力變形 熱變形 刀具磨損 殘余應(yīng)力變形,工件裝夾誤差,調(diào)整誤差 （更換工件、刀具、夾具、量具時調(diào)整）,測量誤差 （測量方法和量具誤差）,原理誤差 （阿線滾刀滾切漸開線齒輪、數(shù)控插補）,用模數(shù)銑刀銑齒輪時的齒形誤差,5.2.2 工藝系統(tǒng)原有誤差對加工精度的影響與控制,一、影響尺寸精度的主要因素與控制,改善測量方法；提高測量精度,式中， L 為躍進(jìn)距離；G為工作臺重量； 0 ， 分別為靜、動摩

7、擦系數(shù)； K 為機構(gòu)傳動剛度。,改進(jìn)工藝方法（精車、精磨、研磨） 減小刀具或磨粒的刃口鈍圓半徑 re,二、影響形狀精度的主要因素與控制,非成形運動法 足夠的檢測精度,保證形狀精度的條件,成形運動法,基本成形運動 （回轉(zhuǎn)、直線）,相互位置關(guān)系 （幾何關(guān)系）,速度關(guān)系 （運動關(guān)系）,均準(zhǔn)確,機械制造新技術(shù)： 數(shù)控（Numerical ControlNC）技術(shù) 加工中心（MC） 工業(yè)機器人（Industrial Robot）技術(shù) 自適應(yīng)控制機床（Adaptive Control Machine Tools） 計算機輔助制造（Computer Aided ManufacturingCAM） 計算機數(shù)控

8、機床（Computerized Numerical ControlCNC）,機械制造新技術(shù)： 可變制造系統(tǒng) 柔性制造單元 數(shù)字化制造 無人化機械制造廠,現(xiàn)階段： 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展（e-制造、網(wǎng)絡(luò)控制、分子開關(guān)） 工業(yè)生產(chǎn)追求更大的投入產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)效益 智能制造（IMT）、并行工程（CE）、精節(jié)生產(chǎn)（LP） 敏捷制造（AM）、 綠色制造、柔性制造（FMS）、虛擬制造、超精加工（KDP晶體）、納米技術(shù)、分子自組裝技術(shù)（化學(xué)、生物）,生物加工的純銅微齒輪,三、影響位置精度的主要因素與控制,采用成形運動法時，位置精度的獲得與裝夾方式有關(guān),直接裝夾：如用外圓定位在車床上加工齒輪內(nèi)孔后，再在插 床上加工鍵

9、槽,工件基準(zhǔn)面,工件加工面,位置精度要求,工件加工面,位置精度要求,機床幾何精度,機床幾何精度,找正裝夾： 如在車床上加工與外圓同軸度要求很高的內(nèi)孔,工件基準(zhǔn)面,機床安裝面,刀具切削成形面,工件加工面,位置精度要求,機床幾何精度,可調(diào)支承,找正精度,刀具切削成形面,工件加工面,位置精度要求,機床幾何精度,找正精度,夾具裝夾：,非成形運動法： 檢測精度,工件基準(zhǔn)面,機床安裝面,刀具切削成形面,工件加工面,位置精度要求,機床幾何精度,夾具安裝面,對刀導(dǎo)引精度 （找正精度）,夾具定位面,夾具安裝精度,夾具制造精度,裝夾精度,刀具切削成形面,工件加工面,位置精度要求,機床幾何精度,對刀導(dǎo)引精度 （找正

10、精度）,機床的制造誤差、安裝誤差以及在使用過程中精度保持性被破壞等原因，都將會產(chǎn)生機床幾何誤差，進(jìn)而引起機械加工誤差。,四、機床幾何誤差的影響與控制,（1） 機床回轉(zhuǎn)運動精度 主要取決于機床主軸的回轉(zhuǎn)精度,主軸回轉(zhuǎn)誤差的形式,1） 主軸回轉(zhuǎn)誤差的主要形式,以滑動軸承為例 車床：主軸受力方向不變，故軸徑形狀精度影響最大;軸孔、 前后軸徑以及軸承孔的同軸度、配合精度、裝配精度 等也有影響。 鏜床：主軸受力方向不斷改變，故主要取決于主軸軸承孔的形 狀精度。,主軸徑向跳動將會造成什么加工誤差？,2） 影響主軸回轉(zhuǎn)精度的主要因素, 徑向跳動, 軸向竄動 滑動軸承主軸的軸向竄動量取決于止推（承載）軸承副中

11、端面與主軸軸線垂直度較高者,影響滾動軸承主軸軸向竄動的主要因素有： 滾道與軸線的垂直度 滾動體形狀誤差（軸向間隙變化） 尺寸一致性（承載不均而降低剛度）,主軸軸向竄動將會造成什么加工誤差？, 角度擺動 主要取決于主軸前后支承跳動（跳動量、相位等）的綜合影響,3）提高回轉(zhuǎn)運動精度的措施,不僅影響圓度，而且影響圓柱度,鏜模；固定頂尖定位，修磨頂尖孔；采用無心磨加工,用精密滾動軸承并加預(yù)載，消除間隙、提高剛度 改進(jìn)滑動軸承結(jié)構(gòu)（短三瓦自位軸承） 使用液、氣靜壓軸承，剛度高、精度高、工藝性好,（2） 機床直線運動精度 主要取決于機床導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，也和導(dǎo)軌裝配質(zhì)量和不均勻磨損有關(guān)。,以車床為例，導(dǎo)軌誤

12、差可能引起工件的截面尺寸變化，且影響軸向形狀：,1）導(dǎo)軌誤差形式及其影響,（2） 機床直線運動精度 主要取決于機床導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，也和導(dǎo)軌裝配質(zhì)量和不均勻磨損有關(guān)。,以車床為例，導(dǎo)軌誤差可能引起工件的截面尺寸變化，且影響軸向形狀：,1）導(dǎo)軌誤差形式及其影響,導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的 直線度x,誤差敏感方向,（2） 機床直線運動精度 主要取決于機床導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，也和導(dǎo)軌裝配質(zhì)量和不均勻磨損有關(guān)。,以車床為例，導(dǎo)軌誤差可能引起工件的截面尺寸變化，且影響軸向形狀：,1）導(dǎo)軌誤差形式及其影響,雙導(dǎo)軌間在鉛垂方向 的平行度n,（2） 機床直線運動精度 主要取決于機床導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，也和導(dǎo)軌裝配質(zhì)量和不均勻磨損

13、有關(guān)。,以車床為例，導(dǎo)軌誤差可能引起工件的截面尺寸變化，且影響軸向形狀：,1）導(dǎo)軌誤差形式及其影響,導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的 直線度x,導(dǎo)軌在鉛垂面內(nèi)的 直線度y,雙導(dǎo)軌間在鉛垂方向 的平行度n,誤差敏感方向,可忽略不計,在平面磨床上加工時情況又如何？,2）提高導(dǎo)軌直線運動精度的措施,（3）成形運動之間的相互關(guān)系精度 成形運動間位置關(guān)系的影響與控制,圓柱面成為雙曲面,平面成為 內(nèi)凹或外凸,圓柱面成為圓錐面,銑削時：若端銑刀回轉(zhuǎn)軸線與工作臺直線進(jìn)給運動不垂直,移位加工可使誤差從 減小至,圓孔成為橢圓孔,平面下凹,提高成形運動間相互位置關(guān)系精度的措施 使用幾何精度高的機床（決定因素） 保證高精度的零部件制

14、造、總裝調(diào)試和維修 誤差檢測與補償, 成形運動間速度關(guān)系的影響與控制 車、磨螺紋以及滾齒、插齒、磨齒等加工，要求各成形運動之間具有準(zhǔn)確的速度關(guān)系,滾齒機,速度關(guān)系誤差對加工精度的影響,各傳動件傳動誤差對工件精度影響的總和為：,影響速度關(guān)系精度的因素 機床傳動鏈中各傳動元件的制造誤差、裝配誤差以及磨損等，都會破壞正確的運動關(guān)系，造成工件和刀具運動相對速度的不準(zhǔn)確，從而產(chǎn)生加工誤差。 在降速鏈中的低速傳動件誤差的影響最大。,題1：套筒零件如圖所示。本工序為最后工序，欲在 這批工件上銑鍵槽，定位方案見圖示。定位元 件為水平放置的帶臺肩心軸，心軸直徑 試求： 1所給定位方案的定位誤差，并判斷能否滿足加

15、 工要求； 2若所給定位方案不 能滿足要求，試通 過分析計算給出合 理方案。,采用什么定位元件？,題2：車床上車削軸類零件的外圓A和臺肩面B，如圖。經(jīng)測發(fā)現(xiàn)A面有圓柱度誤差， B對A有垂直度誤差。如果僅考慮機床幾何誤差的影響，試分析產(chǎn)生以上誤差的主要原因。,題3：在平面磨床上用端面砂輪磨削平板工件，為改善切削條件，減少砂輪與工件的接觸面積，常將砂輪傾斜一個角度如圖 。若 ，試分析磨削后的平面形狀并計算平面度誤差，提出改善加工形狀精度的工藝方法。,題4： 在銑床上用夾具裝夾加工一批軸件上的鍵槽，如圖示。已知銑床工作臺面與導(dǎo)軌的平行度誤差為0.05/300，夾具兩定位V形塊夾角 ，交點A的連線與夾

16、具體底面的平行度誤差為0.01/150，階梯軸工件兩端軸徑尺寸為 ，試分析計算在只考慮上述因素影響時，加工后的鍵槽底面對 下母線之間的平行度誤差，并估算最大值（不考慮兩軸頸與 外圓的同軸度誤差）。,5.2.3 機械加工過程因素的影響與控制,1. 工藝系統(tǒng)受力變形的影響與控制,加工時工件或夾具變形，加工后產(chǎn)生誤差,單爪撥動，使主軸受力方向改變，瞬時回轉(zhuǎn)中心變動,運動部件自重引起結(jié)構(gòu)件變形且隨運動而不斷變化,高速運動過程中由于質(zhì)量不均引起有關(guān)環(huán)節(jié)變形,接觸變形造成測量誤差,力的變化使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)雜變形,控制或減少工藝系統(tǒng)受力變形的措施,有效減小切削力,根據(jù)變形規(guī)律，預(yù)置系統(tǒng)的反變形；調(diào)刀量調(diào)整,

17、恒力測量裝置；相對測量，對比抵消變形的影響,有效地提高工藝系統(tǒng)抵抗受力變形的能力,（1）工藝系統(tǒng)剛度及其對加工精度的影響 工藝系統(tǒng)剛度,工藝系統(tǒng)在受力時抵抗變形的能力, 工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,a） 各部剛度不等時在切削力作用下產(chǎn)生的加工誤差,車外圓,可推導(dǎo)出,式中,KH 、KT 、KB 分別為床頭、尾座及刀架部件的實測平均剛度 E 工件材料的彈性模量 I 工件截面慣性矩,簡 化 公 式,當(dāng)工件剛度很高時,加工盤類工件時,工藝系統(tǒng)剛度隨著受力點在工件軸線方向上的位置不同而變化，使車出的工件在各截面上直徑尺寸不同，產(chǎn)生了形狀和尺寸誤差。,b）切削力變化時對加工精度的影響,原因： 切削余量不

18、均，工件材質(zhì)變化等 結(jié)果： 形狀誤差，尺寸分散,減少誤差復(fù)映影響的主要措施,多次走刀,提高工藝系統(tǒng)剛度,（2） 提高工藝系統(tǒng)剛度的主要措施, 提高工件在加工時的剛度或減小其變形,合理選擇工件的加工和裝夾方式 薄壁件均勻夾緊；細(xì)長件用跟刀架、中心架，反向進(jìn)給切削, 提高刀具在加工時的剛度,改善刀具材料、結(jié)構(gòu)； 熱處理； 鉆套、鏜套； 對稱刃口抵消切削分力, 提高機床及夾具的剛度,合理設(shè)計結(jié)構(gòu)，剛度平衡；盡量減少零件數(shù)，提高接合面形狀精度，降低表面粗糙度值，減少接觸變形；可靠預(yù)緊,題5 ：假設(shè)工件剛度極大，且車床床頭剛度大于 尾座剛度，試分析圖示三種加工情況，各會產(chǎn)生何種形狀誤差。,題6：試分析在

19、車床上加工一批工件的外圓柱面 產(chǎn)生圖示三種形狀誤差的主要原因。,2. 工藝系統(tǒng)熱變形的影響與控制,熱源,內(nèi)部熱源,外部熱源,摩擦熱 （運動副）,轉(zhuǎn)化熱 （電動機，動力能耗）,加工熱 （切削熱、磨削熱）,環(huán)境溫度 （室溫、地基溫度）,輻射熱 （陽光、取暖設(shè)備、人體）,（1）工藝系統(tǒng)的熱源,（2）工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度的影響 （特別是精密件、大型件的加工）,機床 破壞原有的冷態(tài)幾何精度，造成加工誤差,工件 冷卻后尺寸改變；局部受熱不均而變形,刀具 加工過程中熱伸長引起加工尺寸變化,精密加工時也要考慮夾具、量具熱變形帶來的誤差,（3）控制工藝系統(tǒng)熱變形的主要措施,減少熱量產(chǎn)生和傳入 正確使用刀（磨

20、）具、切（磨）削 用量；及時刃磨或修整刃具；電機 外置、油箱外置；防曬,加強散熱能力 高效冷卻（噴霧冷卻、潤滑油 冷凍降溫）,均恒溫度場 采用熱對稱和熱補償結(jié)構(gòu)；恒溫間； 機床預(yù)熱,改進(jìn)設(shè)計 有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、CAD 精密加工機床的熱變形補償系統(tǒng),3. 工藝系統(tǒng)磨損的影響與控制,（1）工藝系統(tǒng)磨損對加工精度的影響,機床零部件 破壞原有成形運動精度造成工件的形狀 和位置誤差,夾具 帶來裝夾誤差、對刀導(dǎo)引誤差,刀具和磨具 使批生產(chǎn)工件尺寸的分散性增大 造成尺寸和形狀誤差（大零件、成形刀具加工）,量具 引起測量誤差,（2） 減少工藝系統(tǒng)磨損的主要措施,合理設(shè)計機床結(jié)構(gòu) 靜壓結(jié)構(gòu)，易損表面防護(hù),提

21、高零部件耐磨性 耐磨材料（合金鑄鐵、鑲鋼、貼塑） 熱處理， 合理潤滑，及時更換已磨損件,正確使用刀具 刀具材料（陶瓷、金剛石），刀具參數(shù) 切削用量（尤其是V）， 刃口形式（寬刃） 冷卻潤滑,4. 工件殘余應(yīng)力的影響與控制,工件的殘余應(yīng)力： 當(dāng)外部載荷去除以后，仍殘存在工件 內(nèi)部的應(yīng)力,（1） 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生,機加力和熱 表層塑變（晶格扭曲、 拉長、比容增大）,毛坯制造,冷校直 局部塑變,（2） 減少或消除殘余應(yīng)力的主要措施,大件在室外擱置數(shù)天、月 小件在車間擱置數(shù)小時（粗、精加工之間）,結(jié)構(gòu)對稱，壁厚均勻，減小尺寸差,鑄、鍛、焊件在機械加工前的退火、回火,精度穩(wěn)定性要求高的零件，淬火后進(jìn)行冰冷

22、處理,振動時效（激振、敲打）,減少加工塑變,減少加工熱；精度高的細(xì)長工件，不得冷校直 加大余量、多次切削，熱校直,5.3 加工誤差的統(tǒng)計分析,目的：,區(qū)分成批生產(chǎn)中不同性質(zhì)的加工誤差，確定系統(tǒng)誤差的 數(shù)值和隨機誤差的范圍，從而找出造成加工誤差的主要因素 以便采取相應(yīng)的措施，提高零件的加工精度。,5.3.1 加工誤差的統(tǒng)計性質(zhì),5.3.2 機械加工誤差的分布規(guī)律,正態(tài)分布,調(diào)整法加工時沒有某種優(yōu)勢因素的影響,平頂分布,加工過程中有顯著的變值系統(tǒng)誤差，如刀具磨損,雙峰分布,兩臺機床或兩次調(diào)整加工，精度不同，調(diào)整尺寸 不一致,偏態(tài)分布,加工過程受到人為干預(yù)，如試切法加工時的保全心理 在顯著熱變形至達(dá)

23、到熱平衡期間進(jìn)行加工,5.3.3 加工誤差的統(tǒng)計分析方法,一般情況下，調(diào)整法加工后的零件 尺寸服從正態(tài)分布。其概率密度函數(shù)為：, 3 原則 正態(tài)分布的隨機變量的分散范圍是 3,6 的大小代表了某種加工方法在一定條件下所能達(dá)到的精密度,一般情況下，有,正態(tài)分布函數(shù)為：,表5.1,不同 值的分布曲線,不同 值的正態(tài)分布曲線,加工實測平均尺寸,常值系統(tǒng)誤差,隨機誤差,對一批零件 實驗分布曲線 與 正態(tài)分布曲線 相符合,設(shè)計要求基本尺寸,任一零件的尺寸可表示為：,分布曲線的用途, 分析系統(tǒng)誤差的大小和方向,分析隨機誤差因素對加工精度 的影響,分析各尺寸范圍內(nèi)零件的百 分比, 分析減少廢品率的有效方法,

24、 預(yù)估產(chǎn)生廢品的可能性, 分析系統(tǒng)誤差的大小和方向,分析隨機誤差因素對加工精度的影響,分析各尺寸范圍內(nèi)零件的百分比,分析減少廢品率的有效方法,預(yù)估產(chǎn)生廢品的可能性,例：加工一批 200.01 mm 小軸，加工后實測平均尺寸為 20.005 mm， 屬正態(tài)分布, =0.0025 mm， 試分析其加工誤差情況。,解:,畫出尺寸分布圖,分析工序能力系數(shù), s/2=0.0025 mm,軸平均尺寸偏大， s=0.005 mm, R = 6 = 0.015 mm 由 6 T 知, 本序加工有足夠精密度。,由 xi / 值查表5.1 進(jìn)一步計算。,若 6 T，則必有廢品 雖本題 6 T ，但由于 s 存在，

25、仍有廢品率。,由 x/ =2，查表得 A=0.4772。 故本序加工的廢品率：0.5-0.4772=2.28%,從尺寸分布情況看，這些廢品為可修復(fù)廢品。,工序能力足夠（表5.2）,消除系統(tǒng)誤差， s = 0，則無廢品。 進(jìn)刀,2. 點圖分析法,（1）單值點圖,在一批零件的加工過程中，依次測量每個零件的加工尺寸，并記入以順次加工的零件號為橫坐標(biāo)、零件加工尺寸為縱坐標(biāo)的圖表中，便構(gòu)成了單值點圖。,采用單值點圖分析，可把變值系統(tǒng)誤差和隨機誤差區(qū)分開，便于通過誤差補償?shù)姆椒?，消除各種系統(tǒng)誤差，使加工精度得到提高。,點圖反映工藝過程質(zhì)量指標(biāo)分布中心（變值系統(tǒng)誤差）變化 點圖則反映工藝過程質(zhì)量指標(biāo)分散范圍

26、（隨機誤差）的變化 兩個點圖必須聯(lián)合使用,例：,保證和提高機械加工精度的主要途徑,（1） 減少或消除原始誤差,提高機床成形運動精度和剛度 提高夾具的制造、安裝精度，減少裝夾誤差和對定誤差 提高工件加工時的剛度，減少受力變形 （反向切削） 減少精密件加工時的熱影響，平衡熱變形,（2）補償或抵消原始誤差,補償人為制造反向誤差 抵消移位法加工,（3）轉(zhuǎn)移原始誤差,將誤差轉(zhuǎn)移到不敏感方向 轉(zhuǎn)移原始誤差對加工的影響,（4）分化或均化原始誤差,分化分組加工，以利于調(diào)刀 均化研磨,題7： 加工一批小軸，其直徑要求為 ，加工后尺寸接近正態(tài)分布，測量得一批工件直徑尺寸的算術(shù)平均值 ，均方根差 。試計算不合格品率

27、，并分析不合格品產(chǎn)生的可能原因，指出減少不合格品的措施。,可解得： 不合格品率為 16.49%,可能原因及相應(yīng)措施： 對刀不準(zhǔn)需準(zhǔn)確調(diào)刀 消除系統(tǒng)誤差；減少不可修復(fù)廢品 2. 工序能力差需減小 改善工藝條件,提示：,5.4 機械加工表面質(zhì)量的影響因素及其控制,由前已知：,表面（微觀）形貌 表面層物理機械 性能（ 加工變質(zhì)層）,機械加工表面質(zhì)量,表面粗糙度 表面波紋度,塑性變形引起的冷作硬化 切（磨）削熱引起的金相組織變化 力（熱）產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,輪廓算術(shù)平均偏差Ra 微觀不平度10點高度Rz,直線波紋度平均波幅Wz 圓周波紋度平均波幅Wz,5.4.1 切削加工表面的形成過程,切削層金屬經(jīng)過第、

28、變形區(qū)后形成了切屑，經(jīng)過第變形區(qū)則形成了已加工表面。,分流點O以下的金屬經(jīng)嚴(yán)重的擠壓摩擦產(chǎn)生塑變，脫離后刀面后，因深處基體的的彈性變形產(chǎn)生彈性恢復(fù)h，并留在加工表面上。,在VB 和CD段與后刀面接觸而使塑變加劇，甚至可引起表層的非晶質(zhì)化、纖維化及加工硬化。,5.4.2 機械加工表面粗糙度 及其降低的工藝措施,一、切削加工,H,H, 理論粗糙度,（1）切削加工表面粗糙度的成因, 積屑瘤的影響,積屑瘤對表面質(zhì)量的影響,hD 過切量造成深淺、寬窄不均的犁溝，增大了表面粗糙度,積屑瘤周期性生成與脫落 碎片鑲嵌在已加工表面上，影響工件的表面質(zhì)量,高硬度積屑瘤脫落 造成刀具的粘結(jié)磨損，增大了加工表面粗糙度

29、, 鱗刺的影響,切削加工表面在切削速度方向產(chǎn)生的魚鱗片狀毛刺 其特點是晶粒與基體材料的晶粒相互交錯，無分界線, 切削機理的變化,單元切屑周期性斷裂向切削表面以下深入，在加工表面上留下擠裂痕跡波浪形,崩碎切屑形成過程中，從主切削刃處開始的裂紋在接近主應(yīng)力方向斜著向下延伸，發(fā)生斷裂，造成加工表面的凸凹不平,切削刃兩側(cè)的工件材料被擠壓后因沒有側(cè)面的約束力而產(chǎn)生隆起，也會使表面粗糙度值加大, 切削顫振,機床主軸回轉(zhuǎn)精度不高、導(dǎo)軌形狀誤差引起的運動機構(gòu)跳動，材料不均勻及切屑不連續(xù)等造成切削力波動，均會使刀具與工件間的相對位置產(chǎn)生變化，從而使切削厚度、寬度發(fā)生變化。 這些變化的不穩(wěn)定因素會引起加工系統(tǒng)的自

30、激振動，使相對位置變化的振幅加大，導(dǎo)致背吃刀量變化，造成表面粗糙度值加大。, 切削刃損壞及 刀具邊界磨損,（2）切削加工表面粗糙度的控制,改善工件材料的切削性能 調(diào)質(zhì)后加工，降低塑性，提高硬度，可抑制積屑瘤和鱗刺,選擇合理的切削速度，避開積屑瘤生長區(qū) 減少 f ，減小Rmax，避免刀屑粘結(jié)，抑制積屑瘤和鱗刺生長 采用有效的冷卻潤滑液，減小摩擦，抑制積屑瘤和鱗刺生長 避免工藝系統(tǒng)的振動,合理選擇刀具角度，適當(dāng)減小r、r 或增大r，以減小Rmax 增大 ，使塑性變形減小，以利于抑制積屑瘤和鱗刺 采用寬刃刀具，或帶直線修光刃的刀具 提高刃磨質(zhì)量，減小刀面粗糙度，磨損超值要及時換刀 減小刀具和工件之間

31、的摩擦系數(shù)，控制粘結(jié)、積屑瘤、鱗刺,二、磨削加工,適當(dāng)加大砂輪粒度號，增大砂輪單位面積的砂粒數(shù)m 適當(dāng)提高砂輪速度 vc 或降低工件速度 vw ，即增大 vc/ vw 比值，減少塑變 合理使用直徑較大的砂輪（加大Rt） 加大砂輪寬度B，減小軸向進(jìn)給量fa，使 B/fa 比值增大 減小徑向進(jìn)給量 fr 或磨削深度ap（甚至無進(jìn)給光磨） 提高砂輪修整質(zhì)量，保持 鋒利度和微刃口等高性 金剛石砂輪電解在線修銳 ELID (ELectrolytic In-process Dressing ) 選擇合適的砂輪硬度、磨削液及其澆注方法,減小磨削表面粗糙度值的措施,三、超精研、研磨、珩磨及拋光,加工用參數(shù)為壓

32、強，不是磨削背吃刀量（磨削深度） 自為基準(zhǔn)加工，主要是降低表面粗糙度，很難提高加工精度；只有用精密定型研磨工具時，才能提高工件的形狀精度；不需要機床有非常精確的成形運動；加工余量是前序公差的幾分之一，原理上講只要等于上序的Rz,特點：,超精研,研磨,主要用于加工內(nèi)孔表面，可達(dá)Rz 0.43.2，甚至Rz 0.1,珩磨,也可用于外圓表面的加工,用軟研具打光已精加工過的表面，去除前序留下的痕跡；或為獲得光亮美觀的表面，提高疲勞強度。,機械拋光 用帆布、毛氈或皮帶，加入磨料（氧化鉻、 氧化鐵等）也可用配制的拋光研磨膏，在打 磨過程中去除金屬層 液體拋光 用含磨料的磨削液高速噴磨，擊平凸峰,拋光,此外

33、，還有電解拋光、化學(xué)拋光等非傳統(tǒng)加工方法。,5.4.3 加工表面變質(zhì)層,1. 冷作硬化,（1）冷作硬化的產(chǎn)生及其影響 冷作硬化是經(jīng)過切削或磨削加工所造成的表面硬化現(xiàn)象。,經(jīng)過上述幾次變形，使得金屬晶格發(fā)生扭曲，晶粒被拉長、破碎，使位錯運動困難，阻礙了金屬的進(jìn)一步塑變，而使金屬強化，硬度顯著提高。,冷作硬化使表面的耐磨性提高，脆性增加，沖擊韌性降低，也給后續(xù)加工帶來困難，增加刀具磨損，減少刀具壽命。,切削溫度的影響 當(dāng)切削溫度低于相變點時，表層將被弱化， 硬度將降低；若溫度高于時將產(chǎn)生相變。,加工表面的硬度將是這些強化、弱化及相變綜合作用的結(jié)果： 當(dāng)塑性變形為主時，表面要產(chǎn)生硬化； 當(dāng)切削溫度起

34、主導(dǎo)作用時，要由相變情況而定。,（2）影響加工硬化的因素及控制措施,材料硬度越低，塑性增大， H 和hd越大 使用性能好的切削液，可改善工件的切削加工性,選擇較大的 ，減少切削變形，使H 和hd均減小 選擇較大的，減少后刀面的摩擦，使加工硬化減小 減小刃口鈍圓半徑rn，減小擠壓摩擦，使硬化層深度減小 適當(dāng)控制后刀面磨損VB 提高刃磨質(zhì)量，減小硬化,合理選擇切削用量，可減輕加工硬化 選較高的切削速度vc 和較小的f 切削深度的影響不大,殘余應(yīng)力 （1）機械加工中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生,局部高溫塑性變形 使表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力， 嚴(yán)重時出現(xiàn)裂紋 局部冷態(tài)塑性變形 切削時，表層產(chǎn)生拉伸冷 態(tài)塑變形，將使表層產(chǎn)

35、生 殘余拉應(yīng)力；反之，產(chǎn)生 殘余壓應(yīng)力 局部金相組織變化 馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織，表 層體積欲減小，受到基體拉 伸，產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,由正變?yōu)樨?fù)時，可使表層殘余拉應(yīng)力逐漸減?。?前角為較大負(fù)值且切削用量合適時，可得殘余壓應(yīng)力,VB值增大，切削溫度升高，使加工表面呈殘余拉應(yīng)力，同時使殘余拉應(yīng)力層深度加大,塑性越大，切削加工后產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力越大 脆性材料的加工表面易產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,vc增大，熱應(yīng)力為主，使殘余應(yīng)力增大，但深度減小 f 增加，殘余拉應(yīng)力增大，但壓應(yīng)力將向里層移動 p 對殘余應(yīng)力的影響不顯著,（2）影響殘余應(yīng)力的因素及控制措施,3. 磨削燒傷與裂紋及其控制措施,磨削工件時，當(dāng)工件表面層溫

36、度達(dá)到或超過金屬材料的相變溫度時，表層金屬材料的金相組織將發(fā)生變化，表層顯微硬度也相應(yīng)變化，并伴隨有殘余應(yīng)力產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)微裂紋，同時出現(xiàn)彩色氧化膜，這種現(xiàn)象稱磨削燒傷。,（1）磨削燒傷,馬氏體轉(zhuǎn)變溫度 相變溫度 馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鸾M織（索氏體或屈氏體）,磨削淬火鋼時，由于磨削區(qū)溫度的不同，可能產(chǎn)生三種燒傷：,回火燒傷,淬火燒傷,退火燒傷, 相變溫度時急冷，表層出現(xiàn)二次淬火，硬度提高；內(nèi)層產(chǎn)生過回火組織，硬度降低,未用磨削液， 相變溫度時慢冷，出現(xiàn)退火，硬度降低,磨削的高溫在工件表面層引起熱應(yīng)力和金相組織相變帶來的體積應(yīng)力，且多呈現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力。 如果這種拉應(yīng)力超過了工件材料的抗拉強度極限時

37、，工件磨削表面就會產(chǎn)生裂紋磨削裂紋。,（2）磨削裂紋,磨削淬火鋼、滲碳鋼及硬質(zhì)合金工件時，常常在垂直于磨削的方向上產(chǎn)生微小龜裂，嚴(yán)重時發(fā)展成龜殼狀微裂紋。有的裂紋不在工件的外表面，而是在表面層下，用肉眼根本無法發(fā)現(xiàn)。,在零件的制造過程中，一方面要設(shè)法避免裂紋的產(chǎn)生，另一方面要采用適宜的檢驗方法來檢查工件的表面質(zhì)量。,磨削裂紋的方向常與磨削方向垂直或呈網(wǎng)狀，并且與燒傷同時出現(xiàn)。,磨削裂紋降低零件疲勞強度，甚至早期出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂。,（3）減輕磨削燒傷、裂紋的途徑,減少熱量的產(chǎn)生 加速熱量的傳出, 選擇合理的磨削用量,減小磨削深度ap ，直至進(jìn)行無進(jìn)給光磨 增大進(jìn)給量f，減少砂輪和工件表面的接觸

38、時間,以免升溫。為保證加工表面粗糙度，可用寬砂輪。 增加工件速度vw，減少接觸時間，使傳到工件上的熱量相對減少。為防止表面粗糙度增大，可同時增加砂輪速度vc高速磨削，且可有效地避免磨削燒傷。, 提高冷卻效果,采用高壓大流量法 提高冷卻、沖洗效果 安裝帶空氣擋板的噴嘴 使磨削液順利噴注到磨削區(qū) 采用磨削液霧化法或內(nèi)冷卻法 進(jìn)一步增強冷卻效果, 正確選用砂輪,正確選用磨料、結(jié)合劑、粒度、硬度與組織等,開槽砂輪, 選用新結(jié)構(gòu)和新工藝,改進(jìn)砂輪修整工藝,4. 表面強化工藝,利用表面層的冷作硬化和殘余壓應(yīng)力，提高零件的抗疲勞強度和使用壽命。,漲孔,滾柱滾壓,單滾珠滾壓,鋼球擠壓,多滾珠滾壓,噴丸,5.5

39、 機械加工過程中的振動及控制,機械加工中的 振動類型,5.5.1 概述,切削力突變（切入時），外力沖擊,受周期干擾力（地基、電機、齒輪嚙合、回轉(zhuǎn)件不平衡、多刃多齒刀具）,系統(tǒng)自身引起的交變切削力作用，加強和維持了自身振動,振動的危害,表面質(zhì)量下降 （振紋）,降低機床、夾具、刀具壽命 （聯(lián)接松動，崩刃、 磨損）,限制生產(chǎn)率的提高 （切削用量不能提高）,環(huán)境污染 （噪音）,超精密車床 實現(xiàn)了鏡面加工,掃描隧道顯微技術(shù) （Scanning Tunnel Microscope , STM） 實現(xiàn)了原子搬遷,需要精密的隔振環(huán)境,金剛石刀具研磨裝置示意圖 The lapping setup for dia

40、mond tool 1：空氣隔振墊 2：電機 3：空氣靜壓軸承 4：配重 5：裝夾系統(tǒng) 6：單晶金剛石 7：高磷鑄鐵研磨盤,金剛石刀具研磨技術(shù),隔振前金剛石刀具前刀面AFM形貌 The rake face AFM topography of lapped diamond tool without air vibration isolators,a）水平方向,b）垂直方向,隔振前機床正常工作的振動情況 The amplitude and frequency of lapping machine without air vibration isolators,殘留在前刀面的研磨痕跡明顯，都為納米尺度的塑性溝槽，表面波紋度相對較大，其表面粗糙度值為 Ra 2.4 nm,隔振后金剛石刀具前刀面AFM形貌 The rake face AFM topography of lapped diamond tool with air vibration isolators,研磨后殘留在前刀面的塑性溝槽已模糊不清，表面相對比較平整，其表面粗糙度值為 Ra 1.0 nm,