Transcript 第七章
第7章 机械零件制造质量 教学目标 本章要求建立机械加工质量的基本理念， 明确机械加工精度和表面质量的基本概念、影响 因素，初步了解提高加工质量的工艺措施。 7.1 机械零件的加工精度 加工精度 加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状 及各表面相互位置等参数）与理想几何参数的符合程度。符合 程度越高，加工精度就越高。反之，越低。 加工误差 实际加工时不可能也没有必要把零件做得与理 想零件完全一致，而总会有一定的偏差，即加工误 差。 7.1.1 获得加工精度的方法 试切法 调整法 1.尺寸精度的获得方法 定尺寸刀具法 自动控制法 刀尖轨迹法 2. 获得形状精度的方法 成形刀具法 展成法 直接找正 3. 获得位置精度的方法 划线找正 夹具定位 7.1.2 加工误差的来源 加工误差主要来源于工艺系统的原始 误差。 机械加工中，由机床、刀具、夹具和工 件所组成的工艺系统，各环节之间本身存在 着制造、安装、调整、磨损、力变形、热变 形等各种各样的误差，在切削加工中由于力 的作用，工艺系统中各种误差就会以不同的 程度和方式反映为零件的加工误差，此类误 差称为机械加工的原始误差。 与工艺系统本身初始状态有关的原始误差的种类 加工原理误差 工艺系统的几何误差 工艺系统受力变形引起的误差 工艺系统受热变形引起的误差 工件内应力引起的加工误差 测量误差 7.2 工艺系统的原始误差及其影响因素 7.2.1加工误差 利用近似的加工运动或近似的刀具轮廓，进 行加工形成的误差称为原理误差。又称理论误差。 例1 铣制齿轮（图1） 用模数铣刀铣齿轮 时，因为齿形是基圆半径 的函数，同模数，齿数不 同，渐开线形状也不一 样。即每种模数、每种齿 数都应有相对应的铣刀。 这是一个排列组合问题， 数量大得无法办得到。实 际上每种模数用8～15把刀 管所有的齿数。必然带来 误差。 图1 例2 滚切齿轮（图2） 渐开线齿形理想表面 为连续的渐开线，但是， 由于滚刀刀齿不连续（若 连续即为普通蜗杆，无切 削能力）,使每个刀齿之 间总有一定距离。所以齿 形实际上是一系列的折线 组成的。 图2 7.2.2 工艺系统的几何误差及其对加工精度的影响 1. 机床的几何误差 机床几何误差的来源 机床制造 磨损 安装 机床几何误差的组成 ①主轴回转误差 ②导轨误差 ③传动链误差 机床的几何误差组成 机床主轴回转误差 机床几何误差 机床导轨误差 机床传动链误差 •轴向窜动 •径向跳动 •角度摆动 •水平面内直线度 •垂直面内直线度 •前后导轨的平行度 •内联传动链始末两 端传动元件间相对 运动误差 (2)机床导轨的导向误差 ① 机床导轨的导向误差对加工精度的影响 车床导轨的精度要求主要有以下三个方面：在水平面 内的直线度；在垂直面内的直线度；前后导轨的平行 度(扭曲)。 卧式车床导轨在水平面内的直线度误差，将使刀尖相 对于工件回转轴线在加工面的法线方向(加工误差敏感 方向)上产生位移，位移量等于导轨的直线度误差，造 成工件的轴向形状误差，对加工精度的影响最大。车 削外圆时，工件形成鼓形或腰形，即圆柱度误差。 车削工件时，导轨在垂直面内的直线度误差， 将使刀尖相对于工件回转轴线在加工面的切线方向 (误差非敏感方向)的运动轨迹不是一条直线，但由 此造成工件的轴向形状误差很小，一般可忽略不计。 如图7-5所示，在车削或磨削外圆时，对圆柱度影 响不大，但是磨削平面时，该误差在敏感方向，对 平面度影响较大。 图7-5 车削或磨削外圆时，前后导轨在 垂直面内存在平行度误差(扭曲)时， 将产生圆柱度误差。 车床导轨对主轴轴线的水平面内 的平行度误差将使工件形状呈圆锥形 (圆柱度误差)，在垂直面内不平行会 使工件呈马鞍形。 ② 提高导轨导向精度的措施 提高导轨的导向精度，改善导轨制造精度和 配合接触精度是提高直线运动精度的关键。 在加工导轨时，经常采用刮研的方法 。 采用静压导轨或贴塑导轨 。 合理的导轨形状和导轨组合也可提高导轨直线 运动精度和精度保持性。常见的导轨形状有矩 形、三角形、燕尾形等 。 (3) 机床传动链误差及其对加工精度的影响 减少机床传动误差对加工精度的影响， 常用的方法有： 减少传动链中的环节，缩短传动链，达到缩小 累积误差的目的； 尽可能按照降速比递增的原则分配传动比，控 制误差传递比率； 提高传动副(特别是末端传动副)的制造和装配 精度； 消除传动间隙，采用误差校正机构等措施。 2. 刀具的误差及其对加工精度的影响 刀具误差是指刀具制造误差、安装误差以及 使用中的磨损，这些因素都影响工件的加工精度。 刀具误差对加工精度的影响因刀具种类不同而有 变化。 一般单刃刀具如普通车刀、单刃镗刀、平面 铣刀等，多数采用轨迹法获得形状精度，尺寸精 度由调整或试切法确定，因此刀具的制造误差对 加工精度没有直接的影响。但当刀具与工件的相 对位置调整好以后，在加工过程中，刀具的磨损 对尺寸和形状误差将会有影响。 刀具在切削过程中，切削刃、刀面与工件、 切屑产生强烈摩擦，使刀具磨损。当刀具磨损达 到一定值时，工件的表面粗糙度值增大，切屑颜 色和形状发生变化，并伴有振动。 钻头、铰刀、拉刀、槽铣刀等定尺寸刀具， 成形车刀、成形铣刀、齿轮刀具等成形刀具的制 造误差及磨损误差，均直接影响工件的加工尺寸 精度和形状精度。 在加工批量不大时，由刀具磨损带来的误差 可以忽略不计。 3、夹具误差和工件安装误差 夹具的误差主要是指： 1）定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具 体等零件的制造误差。 2）夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对 尺寸误差。 3）夹具在使用过程中工作表面的磨损。（图例） 工件的安装误差包括定位误差和夹紧误差。 机械加工中，不论采用何种加工方法都需 要对机床、刀具、夹具等进行调整，而采用任 何调整方法及使用任何调整工具都难免带来原 始误差，这就是调整误差。调整误差的来源和 对加工精度的影响因加工方式的不同而变化。 试切法加工 4、工艺系 统调整误差 调整法加工 •试切、测量的尺 寸精度 •刀尖圆角半径 除了试切法涉及的各 项误差外，还有定程 机构本身的误差、样 板或样件的误差即调 整尺寸的误差等，都 会影响到加工精度。 7.2.3 工艺系统受力变形引起的加工误差 由机床、夹具、工件、刀具所组成的工艺系统并不 是一个刚性系统，在加工过程中由于切削力、传动力、惯 性力、夹紧力以及重力等的作用，各部分会产生弹性变形， 从而破坏了刀具与工件之间的准确位置，产生加工误差。 例如，车削细长轴时，工件是系统中刚度最薄弱环 节，在切削力作用下产生弯曲变形，改变了切削全长上 的背吃刀量，加工后会形成腰鼓形的圆柱度误差。在内 圆磨床上以切入法磨内孔，刚度薄弱环节是内圆磨头， 工件产生圆柱度(锥度)误差，如图7-7。 1.切削力大小的变化对加工精度的影响 工艺系统受力变形现象 外力：切削力、传 动力、惯性力、夹 紧力、重力 工艺系统： 机床、夹具、 工件、刀具 破坏了刀具、工 件间相对位置 产生加工误差 （举例） 如图7-8所示，工件毛坯存在圆度误差，使 车削时刀具的切削深度在与之间变化，切削分力 Fy也随切削深度的变化由最大变到最小，工艺系 统将产生由y1变到y2的变形，刀尖相对于工件产 生y1到y2的位移，形成了被加工表面的圆度误差。 这种现象称为误差复印。 2.切削力作用点的变化对加工精度的影响 切削过程中，切削力作用点的不断变化会使 工艺系统刚度发生瞬时变化，这可能使得被加工工 件产生形状误差。 在车床上加工短而粗的光轴，工件刚度较大， 工艺系统的变形主要取决于机床头架、尾座(包括 顶尖)和刀架的变形。工艺系统在靠近工件两端处。 头架和尾座刚度较小，变形较大，被推离刀具，切 去的金属层较少；刀具移动到工件中间部分，粗短 工件刚度较大，变形较小，产生的让刀量小，切去 金属层较厚。工件加工完成后，呈两端粗、中间细 的鞍形(圆柱度误差)。 在两顶尖之间车削细长轴时，工件刚度很小， 细长轴是工艺系统中刚度最薄弱环节。切削时， 随着切削力作用点的变化工件的刚度也不断发生 变化。车刀处于中间位置时，工件发生弯曲现象， 轴心线产生变形。当切削力的作用点靠近两端支 撑点时，支撑刚度相对较大，变形小，切去的金 属层较厚；当切削力作用点处于工件中间位置时， 系统(工件)刚度较小，变形大，产生的让刀量较 大，切去的金属层较薄，在工件中点变形量最大， “让刀现象”最严重，使工件中部切削量小于两 端，使工件呈腰鼓形(圆柱度误差)。 一般地，当系统刚度较薄弱时，提高工艺系统 各部分的刚度是减少加工误差的有效途径。例如， 加工细长轴时，可以使用跟刀架或中心架提高工件 的支撑刚度，也可以采用“倒走刀”的方法，改善 工件弯曲变形情况。 3.惯性力对加工精度的影响 切削加工中，高速旋转的夹具、刀具和工件等如果 不平衡，将会产生离心力，并且该力在每一转中方向不断 改变，影响了工艺系统的力平衡，因而产生加工误差。 图7-11所示为车削不平衡工件时惯性力作用的情况。 当离心力 Q与切削力Fy反向时，工件被推向刀具，背吃刀 量增加(见图7-11(a))；当离心力 Q 与切削力 Fy 同向时， 工件被推离刀具，背吃刀量减小(见图7-11(b))。从加工 表面的每个截面看，仍类似于一个圆，但从整个长度看， 圆心不在一条直线上，工件产生了圆度误差。 4. 夹紧力对加工精度的影响 当工件刚度较差时，夹紧力的作用点和大小的 选择非常重要，选择不当将导致较大的误差。 例1 铣削连杆端面时，F直接加在杆身上，如图 所示，由于杆身刚度差，夹紧后两头上翘，用铣刀 加工平以后，松开工件，弹性恢复，引起两孔端面 不平行 夹紧力的作用点选择 例2： 在车床上镗薄壁管件的孔，用三爪卡盘夹 紧，由于夹紧力过大，产生弹性变形，加工完 内孔去掉F(夹紧力）后，孔仍然不圆 例2图 提高工艺系统 的刚度和连接 表面的接触刚 度 减少工艺系统力 变形，提高加工 精度的措施 提高工件支撑 刚度，减少工 件受力变形 合理装夹工件， 减少夹紧变形 7.2.4工艺系统受热变形引起的加工误差 工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形， 从而破坏工件与刀具间正确的相对位置，造成加工误差。 据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误 差的40%~70%。工艺系统的热变形不仅严重地影响加工 精度，而且还影响加工效率的提高。 实现数控加工后，加工误差不能再由人工进行补偿， 全靠机床自动控制，因此热变形的影响就显得特别重要。 工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的 一个重大研究课题。 1.工艺系统的热源和热平衡 切削热 •工件、刀具、切屑、 切削液 内部热源 摩擦热 热源 环境温度 外部热源 热辐射 •电机、轴承、齿轮、 油泵等 •气温、室温变化、 热、冷风等 •日光、照明、暖气 、体温等 工艺系统的热平衡 工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐 升高。同时，它们也通过各种传热方式向周围散 发热量。 • 热平衡 当单位时间内传入和散发 的热量相等时，工艺系统达 到了热平衡状态。 • 而工艺系统的热变形也就 达到某种程度的稳定。 在生产中，必须注意: 机床在开始工作的一段时间内，其 温度场处于不稳定状态，其精度也是很 不稳定的，工作一定时间后，温度才逐 渐趋于稳定，其精度也比较稳定。 因此，精密加工应在热平衡状态下 进行。 2.工件热变形引起的加工误差 加工方法不同，工件形状不同，则工件的热 变形也不相同。 一般来说，车削和磨削外圆时，工件受热均 匀，开始时工件的温升接近于零，随着切削时间 的增加工件温度逐渐升高，直径逐渐膨胀。尽管 胀大量被切除，但工件冷却收缩后表面仍产生形 状误差(锥度误差)和尺寸误差。 要特别注意的是，在两顶尖之间车削或磨削 细长轴类零件时，为避免工件受热伸长造成弯曲 变形，影响圆柱度误差，宜使用弹性尾顶尖。 精密丝杠磨削时，工件受热伸长会影响螺距 误差，要注意改善。 磨削薄片零件时，被磨削的上表面温度升高 很快，工件受热不均匀，加工面与底面温差大， 工件呈上凸状，凸起部分被磨去较厚层，冷却后 形成下凹形状误差。导轨面磨削也存在类似情况， 导轨容易产生直线度误差。 3.刀具热变形引起的加工误差 刀具热变形也主要由切削热引起。 切削时，大部分的切削热被切屑带走，传入 刀具的热量主要集中在体积小、此热容小的刀头 部分，使得刀具切削部分局部温升很大。例如高 速钢刀具车削时，刃部温度可达700 ℃～800 ℃， 刀具热伸长量可达0.03 mm～0.05 mm，这种变形对 加工精度的影响就不能忽略。 4. 机床热变形引起的加工误差 机床热变形会使机床的静态几何精度发生变 化而影响加工精度，其中主轴部件、床身、导轨、 立柱、工作台等部件的热变形，对加工精度影响 最大。 各类机床其结构、工作条件及热源形式均 不相同，因此机床各部件的温升和热变形情况 是不一样的。 车床主要受到主轴箱中的轴承、齿轮、离 合器等传动副的摩擦热的影响。 对大型平面磨床、外圆磨床、龙门铣床等 长床身机床，温差的影响也非常显著。一般来 说，床身表面比底面温度高，造成床身弯曲， 表面呈中凸状，刀架直线运动精度受到影响， 导致工件产生形状误差。 减少工艺系统热变形，可以通过减少发热 和隔离热源、冷却与散热、控制环境温度变化 等途径来实现。 7.2.5 工艺系统内应力引起的加工误差 在零件没有外加载荷时仍然残存在工件内 部的应力称为内应力或残余应力。 机械零件在制造过程中，由于形状、 尺寸及组织的变化，其内部可能存在各种内应 力，其内部组织处于一种不稳定的状态。即使 在常温下内应力也会重新分布，造成零件缓慢 地、不断地进行向平衡状态的变化，直到内应 力平衡为止。在这一转化过程中，零件的形状 会随之发生变化，使原有的加工精度受到影响， 甚至丧失。 1.内应力及其对加工精度的影响 机械零件毛坯在制造或淬火等热加工过程 中，内部产生相当大的内应力。零件的结构越 复杂、各部分厚度越不均匀，毛坯内部的内应 力也越大。 细长轴类零件刚性差，如光杠、丝杠、曲 轴、凸轮轴等，轧制的棒料在车削后产生的内 应力要重新分布，因此在加工和使用过程中容 易产生弯曲变形，多数采用冷校直工艺，但是 会带来内应力重新分布，引起工件变形从而影 响加工精度。因此，精密丝杠加工不允许校直， 要用多次人工时效消除内应力。 此外，在工件切削(磨削)过程中，工件表面 层在切削力、切削热的作用下，也会产生不同程 度的热塑性变形、冷塑性变形和金相组织的变化， 使工件表面层产生内应力，引起变形。大多数情 况下，热的作用大于力的作用，特别是在高速切 削、强力切削、磨削时。磨削加工时，表层应力 严重时可能会导致工件产生裂纹。 2.减少和消除内应力变形的方法 (1) 合理设计零件的结构。 (2) 合理选择校直工艺。 (3) 合理安排时效及其他去应力的热处理。 (4) 合理安排工艺过程。 7.3机械加工的表面质量 评价零件是否合格的质量指标除了机械加工精度 外，还有机械加工表面质量。机械加工表面质量是指 零件经过机械加工后的表面层状态，即零件表面粗糙 度、表面波度、表面加工纹理等微观几何形状误差、 表面加工硬化、金相组织变化及残余应力等现象。零 件的表面质量对产品的工作性能和寿命等影响很大， 因此探讨和研究机械加工表面，掌握机械加工过程中 各种工艺因素对表面质量的影响规律，对于保证和提 高产品的质量具有十分重要的意义。 7.3.1机械加工表面质量 表面层的 几何形状 机械加工 表面质量 表面层物理 力学性能 ①表面粗糙度 ②表面波度 ③表面加工纹理 ④伤痕 主要表现为表面层 的加工冷作硬化、 表面层金相组织的 变化和表面层的残 余应力。 7.3.2机械加工表面质量对零件使用性能的影响 1 表面质量对零件耐磨性的影响 零件的耐磨性与摩擦副的材料、润滑条件、加工精度 及零件的表面质量等有关。当其他因素确定后，零件的表 面质量对耐磨性将起着关键性的作用。 当两个零件的表面开始接触时，接触部分首先集中在 其波峰的顶部，因此实际接触面积远远小于名义接触面积， 并且表面粗糙度越大，实际接触面积越小，表面磨损就越 快速，波峰很快被磨平，即使有润滑油存在，也会因为接 触点处压应力过大，油膜被破坏而形成干摩擦，导致零件 接触表面的磨损加剧。可见表面粗糙度对零件的初期磨损 影响很大，如图7-17所示。 但是，当表面粗糙度过小时，接触表面间 储存润滑油的能力变差，接触表面容易发生分 子胶合、咬焊，同样也会造成磨损加剧。因此 表面粗糙度选择要合理。 表面层的加工冷作硬化能提高表层硬度， 增强表面层的接触刚度，从而降低接触处的弹 性、塑性变形，使耐磨性有所提高。但如果硬 化程度过大，表面层金属组织会变脆，出现微 观裂纹，甚至会使金属表面组织剥落而加剧零 件的磨损。因此零件的表面硬化要控制在合理 的范围内。 2. 零件表面质量对疲劳强度的影响 在交变载荷作用下，表面粗糙、裂纹等处容易引起应 力集中，造成疲劳破坏。一般来说，表面粗糙度越大，表 面划痕越深，其抗疲劳破坏能力越差。因此，对于如曲轴、 连杆等承受交变载荷的重要零件，常进行光整加工以减小 零件的表面粗糙度值，提高其疲劳强度。 表面适度的加工硬化能阻止已有裂纹的扩展和新裂纹 的产生，提高零件的疲劳强度；但加工硬化过于严重会使 零件表面组织变脆，容易出现裂纹，从而使零件的疲劳强 度降低。 3.零件表面质量对耐腐蚀性能的影响 零件表面粗糙度越大，在波谷处越容易积 聚腐蚀性介质而使零件发生化学腐蚀和电化学 腐蚀。 表层残余压应力使表面组织致密，腐蚀性 介质不易侵入，有助于提高表面的耐腐蚀能力； 残余拉应力则降低零件耐腐蚀性能。 4.零件表面质量对零件间配合性能的影响 零件间的配合性能是由过盈量或间隙量来 决定的。间隙配合中，表面粗糙度大的零件初 期的迅速磨损使得配合间隙增大，降低了配合 精度；过盈配合中，如果表面粗糙度大，则装 配时表面波峰被压平，使得实际有效过盈量减 少，降低配合件的连接强度，影响配合的可靠 性。 对于相配合的滑动零件，为提高运动的灵 活性，降低摩擦系数，减少发热和功率损失， 应规定恰当的表面粗糙度值。 表层残余应力会使零件在使用过程中继续变 形，失去原有的精度，使机器工作性能恶化，引 起零件进一步变形，使零件的形状、尺寸发生改 变，因此对零件间的配合性能和配合精度也有影 响。 对间隙密封的液压缸、滑阀来说，减小表面 粗糙度可以减少泄漏、提高密封性能。 7.3.3影响零件表面质量的工艺因素及其改进措施 影响已加工表面 粗糙度的因素 几何因素 物理因素 减小表面粗糙度的措施 合理选择切削用量 选择合理的刀具几何参数 合理安排工件的热处理工艺 选择合适的切削液 防止或减小工艺系统振动