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1、河南科技大学教案首页课程名称机械制造工艺学计划学时2授课章节第三章：机械加工质量； 3-1机械加工质量的基本概念；3-2 影响加工精度的因素；教学目的和要求：目的是让学生对加工误差有一个清醒的认识，了解加工精度、加工误差的概念，掌握加工误差的分析方法，了解影响表面质量的主要因素，掌握加工质量对机器的那些使用性能有影响。教学基本内容：本次课主要讲授机械加工质量的概念、影响加工精度的因素等内容。教学重点和难点：机械加工质量的概念以及影响加工精度的诸多因素。各种加工误差的分析方法。授课方式、方法和手段：采用多媒体辅助教学手段讲授作业与思考题：影响工件机械加工质量的主要因素有哪些？提高工件机械加工质量
2、的主要措施有哪些？说明：1教案首页中各栏目内上下尺寸可自行调整。2教案首页后续页用河南科技大学教案专用纸书写，或使用A4纸打印。第三章 工件的机械加工质量本章主要讲授以下四方面的内容：第一节 机械加工质量的基本概念 第二节 影响加工精度的因素 第三节 影响表面质量的因素 第四节 表面质量对机器零件使用性能的影响 第一节 机械加工质量的基本概念本节主要讲授以下三方面的内容：一、机械加工精度 二、机械加工表面质量 三、获得加工精度的方法和经济加工精度 一、机械加工精度 机器零件经过机械加工后，各表面的实际尺寸、实际形状和实际相互位置与其理想值的接近程度称为加工精度（通常以公差值的大小或公差等级度量
3、）。某个零件的差值是加工误差（通常以具体数值度量）。零件加工精度的具体内容是：1.尺寸精度：指加工后零件表面本身或表面之间的实际尺寸与理想尺寸之间的符合程度，如长度、宽度、高度、直径等。2.几何形状精度：指加工后零件各表面本身的实际形状与理想零件表面形状之间的符合程度，如平面度、直线度、圆度、圆柱度、锥度等。3.位置精度：指加工后零件各表面间的实际相互位置与理想零件各表面之间位置的符合程度，如平行度、垂直度、同轴度等。二、机械加工表面质量 加工表面质量对机器零件的使用性能以及整部机械的工作性能有很大的影响。加工表面质量主要包括以下两部分内容：1.表面粗糙度（表面几何学特征） 指零件最外层表面的
4、微观几何形状。2.表面层的物理机械性能（表面层材质的变化） 指在一定深度的零件表面层出现与基体材料组织不同的变质情况，主要指表面层因塑性变形引起的冷作硬化、表面层因切削热引起的金相组织变化、表面层产生的残余应力。三、获得加工精度的方法和经济加工精度 (一)获得尺寸精度的方法 (二)获得形状精度的方法 (三)获得位置精度的方法 (四) 经济加工精度 (一)获得尺寸精度的方法 获得零件尺寸精度的方法主要有以下四种：1试切法：先在工件加工表面上试切一小部分，测量试切所达到的尺寸，按加工要求作适当调整，再试切、再测量、如此反复，当试切尺寸达到要求时，按最后试切的位置切削整个待加工表面。这种方法加工精度
5、不稳定，生产率低，其加工精度取决于操作者的技术水平，通常只适用于单件小批生产。2定尺寸刀具法：用具有一定尺寸精度的刀具来保证工件被加工部位的尺寸，如钻孔、铰孔、拉孔和攻丝等。这种方法通常应用于零件的内表面加工。3. 调整法：按工件规定的尺寸，调整好刀具和工件在机床上的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持这个相对位置不变。刀具和工件的相对位置，多用定程机构和对刀装置等进行调整，如行程开关、定程挡块、样件、样板、对刀块等。这种方法工件的尺寸是在一次调整后得到的，因此工件的尺寸稳定性好，生产率高。 4自动控制法：利用测量装置、进给装置和控制系统，使工件在加工过程中，自动测量、进给、补偿，当工件达到
6、要求的尺寸时，自动停止加工。具体方法有自动测量和数字控制等。这种方法在自动加工机床和生产自动线上广泛应用，生产率高，工件的尺寸精度易于保证。(二)获得形状精度的方法 获得零件几何形状精度的方法有以下三种：1轨迹法：利用切削运动中刀具刀尖的运动轨迹形成工件被加工表面的形状，如工件外圆车削加工中，工件作旋转主运动，刀具作轴向进给运动，刀尖相对于工件的运动轨迹即形成了工件的外圆表面。2成形法：利用成形刀具刀刃的几何形状切削出工件的形状。这种加工方法中，工件的形状精度与刀刃的形状精度和刀具的安装精度有关。3. 展成法：利用刀具和工件作展成切削运动时，刀刃在被加工表面上的包络面形成工件的加工表面。这种加
7、工方法，工件的形状精度与机床展成运动中的传动链精度有关。(三)获得位置精度的方法 机械加工中，零件表面的相互位置精度主要取决于工件在机床上的安装方式。按生产批量、加工精度要求和工件大小不同，工件的安装方式主要有两种。 找正安装 机床夹具安装具体内容在本书第四章有关章节详讲。(四) 经济加工精度 某种加工方法的经济加工精度，是指在正常的生产条件下（机床设备、工艺装备、切削用量、工人等级，工时定额）所能达到的公差等级。每一种加工方法的经济加工精度都与一定范围的公差等级相对应，而且经济加工精度所对应的公差等级并不是一成不变的，它随着机械加工水平的不断提高、机床和工艺装备的改进而逐渐提高。每种加工方法
8、的经济加工精度，也有相应的表面粗糙度范围。也就是说，尺寸公差等级和表面粗糙度是相对应的，即公差等级愈高，表面粗糙度愈小。不同加工方法的经济加工精度和表面粗糙度可参考有关资料或手册。第二节 影响加工精度的因素 影响加工精度的因素是非常复杂的，在这里我们仅从工艺系统（机床、夹具、工件和刀具所构成的系统）来讨论这个问题。主要从以下两个方面：1.工艺系统的原有误差 主要有原理误差、机床误差、夹具误差、安装误差、刀具误差、测量误差、调整误差等。2.加工过程中的误差 主要有工艺系统的受力变形、受热变形、磨损和残余应力变形等。第二节 影响加工精度的因素一、加工原理误差 二、机床的制造误差及磨损 三、刀具的制
9、造误差及磨损 四、工艺系统受力、受热变形引起的误差 五、测量误差和调整误差 六、工件内应力(残余应力)引起的误差 七、总加工误差的合成 注：有关定位误差、安装误差和对刀误差将在第四章中讨论一、加工原理误差 由于采用近似的加工方法、近似形状的刀具、近似的传动比进行加工，就会产生加工误差，称为原理误差或理论误差。如滚齿就是一种近似的加工方法，由于滚刀的齿数是有限的，所以滚切出来的渐开线不是理想的光滑渐开线，而是多条趋近于该曲线的折线。不仅滚齿方法是近似的加工方法，滚刀也是近似形状的刀具，所以也会引起加工误差。车螺纹时，如果螺距具有几位小数，在选择挂轮时，因为挂轮的齿数是固定的，所以往往只能得到近似
10、的螺距。应当指出，当包括原理误差在内的加工误差总和不超过规定的工序公差时，就可以采用近似的加工方法。采用近似方法往往比理论上精确的方法简单，加工误差的累积较少，它有利于简化机床结构、降低刀具成本和提高生产率，是切实可行的加工方法。二、机床的制造误差及磨损 机械加工中，工件相对刀具的各种成形运动是由机床来完成的，零件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。影响机床精度的因素是非常复杂的，不同的机床也有很大的差别。下面以车床为例进行说明。其他机床可参照这些分析方法进行。(一)机床导轨的直线度误差 (二)机床导轨与主轴轴线的平行度误差 (三)机床主轴旋转时轴线位置的变化 (四)机床导轨的磨损 (五)
11、控制机床误差的措施 (一)机床导轨的直线度误差 1.车床导轨在水平面内有直线度误差y，如图所示，则会引起工件沿轴线方向任一截面的直径误差2y。如果沿轴线方向任一截面的y值不等，还将引起工件的圆柱度误差。因此，车床导轨在水平面内有直线度误差，对工件精度的影响很大，必须加以控制。 YYoDR水平面导轨水平面内直线度2.如果车床导轨在垂直面内有直线度误差，如图所示，则刀尖由a点移到b点，并引起工件半径上的加工误差y。由直角三角形oab知 则 略去，则 = 由于很小，所以更小，故这项加工误差很小。因此，车床导轨在垂直面内有直线度误差，对工件直径的影响很小。 垂直平面导轨垂直面直线度ZdR导轨在垂直面内
12、直线度误差Rd/2Z(二)机床导轨与主轴轴线的平行度误差 如果机床导轨与主轴轴线在水平面内不平行，工件被加工成锥体形 。如果机床导轨与主轴轴线在垂直面内不平行，工件被加工成双曲面回转体 。(三)机床主轴旋转时轴线位置的变化 主轴旋转轴线位置的变化，将影响工件的圆度。1主轴是工件的旋转中心（车床），由于切削载荷使主轴的轴颈始终压紧在轴承表面的一定部位上，如图a所示，则主轴轴颈的圆度就会反映到工件上去，而轴承孔的误差影响很小。因此，采用滑动轴承的主轴轴颈的圆度公差一般都定得很小，普通精度的机床，此值为（35）m。如果采用的是滚动轴承，则轴承的径向跳动必须保证严格的公差，为此可采用精密轴承和正确的安
13、装方法等。2主轴是刀具的旋转中心（镗床），工件不旋转，机床主轴带着镗杆和镗刀一起旋转，由于切削力的方向时刻都在改变，因而主轴的轴颈始终以其某一母线紧压着轴承表面的不同部位，如图b所示，这时滑动轴承的圆度将反映到工件上，而主轴轴颈的圆度对工件的精度则没有影响。 （四）机床导轨的磨损 在使用过程中，由于各摩擦部分的磨损，机床的精度还要逐渐下降。对加工精度影响最大的是机床主轴的轴颈(采用滑动轴承时)和轴承的磨损，以及床身导轨的磨损。如图3-6所示，车床床身前导轨（图中K ）的磨损比后导轨(图中M )厉害，一般大5倍。而前导轨本身，磨损最厉害的部位在离主轴前端400mm附近，因为刀架经常在这段范围内工
14、作。如果前导轨在床身长度上某处磨成一个深度为的凹坑，而后导轨还是平直的，则当刀架移动到凹坑上时，刀尖就会在水平方向偏离距离，工件直径将增加，当刀架移过了这个区段后，车刀的刀尖又回到原来的位置。刀尖偏移值 式中，是床身前导轨的磨损量；H是机床的中心高；B是前、后导轨间的距离。（五）控制机床误差的措施 1.减小导轨误差导轨的误差来源于导轨的制造误差、不均匀磨损和变形、机床的安装误差等。所以应合理设计导轨，以提高导轨的刚性、耐磨性，近年来精密机床有的采用滚动导轨、静压导轨等，以减小不均匀磨损。另外，要注意机床的正确安装，床身的水平调整，提高导轨的制造精度，加大导轨与工作台(溜板)的配合长度以均化导轨
15、误差等。2.减小主轴旋转误差 机床中采用精密的主轴部件，如采用静压轴承(特别是静压球轴承，其径向和轴向跳动可达0.04m)，或用短三瓦自位轴承。选用相应等级的滚动轴承，并相应提高轴颈、支承孔、调节件的制造精度和配合质量等，都可以减小主轴回转误差。另外，主轴和装在主轴上的零件（如齿轮、皮带轮等）的动平衡，对减小主轴回转误差也有较大的作用。3.机床磨损的危害与防止防止机床磨损的措施有：施加足够的、合适的润滑剂；设置防止微粒进入界面的防护装置，并定期清除污染物；采用气、液静压轴承和静压导轨；使用耐磨材料，如贴塑导轨、涂层导轨等；重载、高速运动副采用强制冷却措施等。三、刀具的制造误差及磨损 刀具误差也
16、包括制造和磨损两方面，刀具误差对加工精度的影响，随刀具种类的不同而异。定尺寸刀具，如钻头、铰刀、孔拉刀、丝攻、扳牙、槽铣刀等，加工时刀具的尺寸、形状误差及磨损，直接影响工件的尺寸精度和形状精度。成形刀具，如成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等的形状误差与磨损，将直接影响工件加工表面的形状精度。展成法加工刀具，如齿轮滚刀、插齿刀等的刀刃形状制造误差与磨损，将影响齿形的加工精度。普通刀具，如普通车刀、刨刀、端铣刀、单刃镗刀等，它们的制造误差与加工精度没有直接的关系，但其磨损对工件的尺寸和形状精度有很大的影响。减少刀具磨损对加工误差影响的措施：(1)尺寸补偿或调整 如数控机床按给定补偿值控制工作台在刀具尺
17、寸磨损方向的进给行程。采用主动控制工件尺寸的闭环控制机床，如广泛应用于汽车生产中的半自动外圆磨床。调整法加工中定期检测工件尺寸，调整刀具位置来补偿尺寸误差。(2)根据工件材料选用亲和力小、耐磨的刀具材料 如陶瓷合金、立方氮化硼、人造金刚石、表面涂层硬质合金等。(3)选择相应的切削液 要求切削液有较强的浸润性、润滑性、冷却性、稳定性、对环境的无害性、防锈性。(4)砂轮的自动修整与补偿(5)适当减少切削用量，以提高刀具耐用度。河南科技大学教案首页课程名称机械制造工艺学计划学时2授课章节第三章：机械加工质量；3-2 影响加工精度的因素；教学目的和要求：目的是让学生对加工误差有一个清醒的认识，了解加工
18、精度、加工误差的概念，掌握加工误差的分析方法。教学基本内容：本次课主要讲授影响加工精度的因素。教学重点和难点：机械加工质量的概念以及影响加工精度的诸多因素。各种加工误差的分析方法。授课方式、方法和手段：采用多媒体辅助教学手段讲授作业与思考题：影响工件机械加工质量的主要因素有哪些？提高工件机械加工质量的主要措施有哪些？说明：1教案首页中各栏目内上下尺寸可自行调整。2教案首页后续页用河南科技大学教案专用纸书写，或使用A4纸打印。四、工艺系统受力、受热变形引起的误差 工艺系统：机床、夹具、工件和刀具所构成的系统（一）工艺系统的受力变形 （二）工艺系统的热变形 （一）工艺系统的受力变形 1.基本概念
19、2.机床的刚度及其对加工精度的影响 3.工件的刚度及其对加工精度的影响 4.刀具的刚度及其对加工精度的影响 5.工艺系统的刚度对加工精度的影响 6.误差复映规律 7.控制工艺系统受力变形的主要措施 1.基本概念 工艺系统在外力(切削力、夹紧力、传动力、离心力等)的作用下会产生弹性变形，这种弹性变形包括工艺系统各组成环节本身的弹性变形，以及各组成环节配合处的位移。工艺系统的受力变形是影响加工精度的重要因素，工艺系统受力变形的大小，与工艺系统的刚度有关。在外力作用下，工艺系统抵抗变形的能力称为工艺系统刚度。加工表面法线方向的变形，对加工误差的影响最大。因此，工艺系统刚度是指在切削力Fx、Fy、Fz
20、的综合作用下，沿加工表面法线方向上的切削分力Fy与刀刃在此方向上相对于工件的压移之比值，即 = 式中， (N/mm)是工艺系统刚度。工艺系统刚度对加工精度有影响；工艺系统刚度与振动现象密切相关，工艺系统刚度不足，还会影响加工表面质量和生产率。 2.机床的刚度及其对加工精度的影响 机床的刚度是指机床抵御外力引起自身变形的能力。刚度计算：它的大小决定于各有关部件的刚度，各有关部件的刚度可以通过试验测定，知道了机床各部件的刚度，就可以计算出机床的刚度，教材以车床为例讨论了机床刚度的计算过程。 结论：机床刚度是一个变值，是随受力方向、刀具位置等变化而变化的。 3.工件的刚度及其对加工精度的影响 工件的
21、刚度可以近似地用材料力学中的公式计算，这时假设机床及刀具不产生变形。现以车床上常见的加工情况为例进行说明。 (1)工件在车床两顶尖间加工 这种装夹方式近似于一根梁自由支承在两个支点上，在切削分力FP的作用下，如果工件是一根光轴，则工件最大挠曲发生在工件中间位置，在工作行程中，车刀所切下的切削厚度将不相等，在工件中点处，即挠曲最大的地方切削最薄，而两端切削较厚，加工出的零件形状，如图3-10所示。(2)工件在卡盘中加工 这种装夹方式近似于悬臂梁，如果工件是光轴，则最大挠曲发生在切削力作用于工件末端时，加工后的零件形状，如图3-11所示。这种装夹方式一般用于长径比不大的工件。(3)工件装在卡盘中并
22、用后顶尖支承加工这种装夹方式属于静不定系统，加工后的零件形状，如图3-12所示。(4)加工薄壁套筒、圆环和其它类似的工件 夹紧薄壁套筒、圆环和其它类似的工件时，工件很容易变形。如图3-13所示为三爪卡盘夹紧薄壁工件的情况，这时已经加工完的孔的形状产生了误差。因此，加工薄壁零件时，夹紧力应在工件圆周上均匀分布，如采用液性塑料夹具等。 4.刀具的刚度及其对加工精度的影响 在工艺系统中，只有刀具的刚度是最小的，对加工精度产生一定的影响，但影响的大小、方式等与加工系统有直接关系。教材中简要分析了镗床的情况。5.工艺系统的刚度对加工精度的影响 根据前面的分析，对车床而言，由于机床刚度和工件刚度在工件全长
23、上都是变值，故工艺系统的刚度在工件全长上也是一个变值，因此，加工后零件各个横剖面上的直径尺寸各不相同，工艺系统的刚度在工件全长上的差别愈大，则零件的几何形状误差愈大。 6.误差复映规律 如果在车床上加工具有偏心(或其它形状误差)的毛坯，如图3-16所示。毛坯转一转时，背吃刀量从最小值增加至最大值，然后再降至最小值，切削力也相应地由最小增加至最大，又减至最小。这时，工艺系统各部件也相应地产生弹性压移，切削力大时弹性压移大，切削力小时弹性压移小，所以偏心毛坯加工后所得到的表面仍然是偏心的，即毛坯误差被复映下来，只不过误差减小了，这称为误差复映规律。加工后工件直径上的误差可确定如下 (3-12)式中
24、,、 是背吃刀量为、时工艺系统的弹性压移；、是背吃刀量为、时工件法向切削分力。根据切削原理，法向切削分力与切向切削分力有如下关系 而 式中,是主要与刀具几何角度有关的系数，一般取0.4；是进给量；是背吃刀量；是与工件材料、刀具几何形状等有关的系数。将值代入式(3-12)得= = = = （3-13）从上式可知，当毛坯的偏心 (或其他形状误差)一定时，工艺系统刚度愈大，加工后工件的偏心(或其它形状误差)愈小，即加工后工件的精度愈高。为了表示工件加工后精度提高的程度，用复映系数表示，即 （3-14）值愈小，加工后零件的精度愈高。当该表面分几次工作行程进行加工时，第一次工作行程后的复映系数为，第二次
25、工作行程后的复映系数为，第三次复映系数为，则该表面总的复映系数为因为每个复映系数均小于1，故总的复映系数将是一个很小的数值。这样，经过几次工作行程后，零件上的误差比毛坯误差小得多，有可能达到允许的公差范围，从而得到所要求的精度。因此，精度要求高的表面，需要有粗、精和光整加工等几道工序。式(3-13)也可以写成如下形式 = (3-15)因此，只要测量出毛坯加工前后的偏心(或半径上的误差)，从切削用量手册中查出；或通过电测仪器测出，则工艺系统刚度就可以确定。如果加工的工件刚性很好(工件不变形)，则式(3-15)所得即为机床刚度 。7.控制工艺系统受力变形的主要措施 控制工艺系统受力变形的主要措施有
26、：减少切削用量、补偿工艺系统有关部件的受力变形、提高工艺系统刚度等。减少切削用量是一种比较消极的办法，而补偿受力变形也往往由于结构限制或加工调整过于复杂，而使其采用受到限制。比较彻底的解决办法是提高工艺系统的刚度，特别是提高工艺系统中薄弱环节的刚度。 (1)提高工件加工时的刚度 对薄壁套类零件可采用另加刚性开口夹紧环或改用端面轴向夹紧等措施，如图a所示。对薄片类零件(如摩擦片等)的磨削加工，则可采用厚橡皮支承和弹性浮动滚轮夹压，或采用环氧树脂粘结等措施，如图b所示。对细长轴类的加工，可采用中心架、跟刀架或前后支承架等措施。(2)提高刀具加工时的刚度 在零件加工过程中，为了提高刀具的刚度，除从刀
27、具材料、结构和热处理等方面采取相应的措施外，还可通过采用附加支承和具有对称刃口的刀具，来提高刀具在加工时的刚度。如镗孔时，镗杆直径往往受到加工孔径的限制使其刚度明显降低，为此可采用支承导向套和具有对称刃口的镗刀块代替单刀头，以提高镗杆在加工时的刚度。(3)提高机床和夹具的刚度 在机械加工中使用的机床和夹具，是由较多数量的零件组成的，提高它们的刚度除了提高其组成零件本身的刚度外，还应着重提高各有关组成零件的连接面刚度。为此，可采取如下措施： 1）在设计机床或夹具时，应尽量减少其组成零件数量，以减少总的接触变形量。 2）在加工机床或夹具的组成零件时，应尽量提高有关组成零件连接表面的形状精度，并降低
28、其表面粗糙度。 3）对机床或夹具上的固定联接件，装配时采用预紧措施。（二）工艺系统的热变形 机械加工过程中，工艺系统要产生热量，工艺系统受热而引起的变形，称为热变形。热的来源主要有以下三个方面：(1)切削热。(2)摩擦热和传动热。(3)环境热。1.机床热变形及其对加工精度的影响 2.工件热变形及其对加工精度的影响 3.刀具热变形及其对加工精度的影响 4.控制工艺系统受热变形的主要措施 1.机床热变形及其对加工精度的影响 机床受热而产生变形的情况比工件和刀具的热变形复杂，而且视机床类型不同而异。对于车、铣、镗床类机床，其主要热源是主轴箱的发热，它将使箱体和床身(或立柱)发生变形和翘曲，从而造成主
29、轴的位移和倾斜，如图3-19所示。磨床一般都是液压传动并有高速磨头，故这类机床的热源主要是磨头轴承和液压系统的发热。轴承的发热将使磨头轴线产生热位移，当前后轴承的温升不同时其轴线还会出现倾斜。液压系统的发热将使床身各处的温升不同，进而导致床身的弯曲变形。几种磨床的热变形情况如图3-20所示。2.工件热变形及其对加工精度的影响 工件所受的热主要来自切削区，切削热的分布情况如图3-21所示。加工精密零件或薄壁零件时，加工环境的温度变化也会产生明显的影响。均匀的温度变化，将使工件的尺寸变化；不均匀的温度变化，会改变工件的形状。 3.刀具热变形及其对加工精度的影响 刀具的热源主要是切削热。虽然切削热传
30、给刀具的比例较少（图3-21），但由于刀具体积小，所以刀面上的温度还是比较高的。车刀的刀头受热后伸长，工件被加工的直径就随之减小。图3-23所示为车刀的热变形曲线，它的热变形规律与机床相似，也是按指数曲线上升和降低，只是刀体热容量小，达到热平衡的时间短得多，一般连续工作(1620) min就达到了。达到热平衡时，车刀热变形一般在(0.030.05)mm左右。实际工作中，常不可能连续工作16min以上(加工面小、切削时间短)，而是有停歇的间断切削情况，这时刀具的热变形就要小些。4. 控制工艺系统受热变形的主要措施 (1)工艺措施 1）合理安排工艺过程。 为了避免粗加工时的热变形对加工精度的影响，
31、在安排工艺过程时，应把粗、精加工分开在两道工序中进行，并尽量延长粗、精加工之间的转换时间，以使工件粗加工后有足够的冷却。在单件小批生产中，粗精加工在同一道工序进行，则粗加工后应停机一段时间使工艺系统冷却，并将工件松开再重新夹紧后，进行精加工。 2）保持工艺系统的热平衡。 机床开机工作一段时间后，由热源传入的热量与散发的热量相等时，就达到了热平衡，此时机床各部位的热变形趋于稳定。因此，在精密加工之前，应让机床先空转一段时间，等达到热平衡时再进行加工，有利于加工精度的保证。由于机床结构和工作条件不同，达到热平衡时所需的时间也各不相同。一般车床、磨床需要46h，中小型机床为(12)h，大型精密机床热
32、容量大，所需的热平衡时间也长，有的机床可达50h。为了缩短热平衡时间，可在机床工作初期，人为地给机床供热，以促使机床更快地达到平衡状态。 3）控制环境温度。 精密零件的加工和装配，应在恒温室内进行。恒温室的平均温度(温度基数)一般可取20，恒温精度通常分为一般级1、精密级0.5、超精密级0.01，则相应的控制温度分别为(201)、(200.5)和(200.01)。1-壳体 2-过渡套筒 3-主轴 4）施加冷却液。 在切削区域施加充分的冷却液，这也是生产中常采用的工艺措施。（2）采取补偿措施。 当热变形不可避免时，可采取补偿措施来消除其对加工精度的影响。采用这种措施时必须先掌握热变形的规律。如图
33、3-24所示的是解决MB7650双端面磨床主轴热伸长问题时，采用的补偿机构。即在轴承与壳体间增设一个过渡套筒，此套筒与壳体仅在前端固定而后端不接触。当磨床主轴轴承 发热向前伸长时，套筒发热向后伸长，并使主轴也向后移动，从而自动补偿了主轴向前的热伸长，消除了主轴热变形对加工精度的影响。（3）改进机床结构，进行计算机辅助设计。五、测量误差和调整误差 (一)测量误差 ：测量误差是指工件实际尺寸与量具表示出的尺寸之间的差值。加工一般精度的零件时，测量误差可占工件公差的15110，而加工精密零件时，测量误差可占工件公差的13左右。产生的原因如下： 测量误差产生的原因如下： (1)计量器具本身精度的影响。
34、 (2)温度的影响。 (3)人的主观原因。(二)调整误差：切削加工时，要获得规定的尺寸就必须对机床、刀具和夹具进行调整。在单件、小批生产中，普遍采用试切法调整；而在成批、大量生产中，则常采用调整法。不论哪种调整方法，都会产生调整误差。不同的获得尺寸精度的调整方法，引发不同的调整误差。六、工件内应力(残余应力)引起的误差 定义：工件去掉外力后，存留在工件内部的应力称为内应力(或残余应力)。产生的原因：当外界条件发生变化，如温度改变或工件被切除一部分金属、金相组织的转变 ，强化时塑性变形等。特点：内应力经过一个时期后，自发地逐渐形成新的平衡状态，这个过程称叫做内应力重新分布。它同时伴随着零件形状的
35、变化，这是内应力的一个特点。减小和消除内应力的工艺措施： (1)改善零件结构。 在机器零件的结构设计中，尽量简化零件结构、减小尺寸和壁厚差异、使壁厚均匀、提高零件的刚度等，均可以减少在毛坯制造中产生的内应力。 (2)合理安排工艺过程。在安排工艺过程中，应尽可能地将粗、精加工分开，使粗加工后有一定的时间让内应力重新分布，工件充分变形，再经过精加工加以纠正，从而减少对加工精度的影响。在加工大型零件时，粗、精加工往往在一道工序中完成，这时应在粗加工后松开工件，待其自由变形后，再用较小的夹紧力夹紧工件进行精加工。对于精度要求高的零件，在加工过程中禁止进行冷校直，必要时可用热校直代替冷校直，以减少内应力
36、的产生。 (3)设立消除内应力的专门工序。消除内应力的专门工序主要有热处理和时效处理。如对铸、锻、焊件进行退火和回火；零件淬火后进行回火；对精度要求高的零件(如床身、丝杠、箱体、精密主轴等)在粗加工后进行时效处理等。对一些要求很高的零件，如精密丝杠、标准齿轮、精密床身等，往往在每次切削加工后都要进行时效处理。常用的时效处理方法有高温时效、低温时效、冲击时效和振动时效等。七、总加工误差的合成 在零件加工过程中，各种原始误差会造成不同性质的加工误差，如系统误差和随机误差。对加工误差的分析在于确定系统误差的数值和随机误差的范围，从而找出造成加工误差的主要因素，以便采取相应的措施，提高零件的加工精度。
37、在生产中常用统计学的方法分析加工总误差。（一）分布曲线法 这种方法通过测量一批加工后零件的实际尺寸，作出尺寸分布曲线，然后按此曲线的位置和形状判断这种加工方法产生误差的情况。利用尺寸分布曲线与公差带的关系图和表3-1，可以：（1）分析系统误差的大小和方向；（2）指出随机误差因素对加工精度的综合影响；（3）分析各尺寸范围内的零件占总数的百分比；（4）估算产生废品的可能性及数量；（5）分析减少废品率的有效方法。（二）点图法 利用点图法能将按一定规律变化的系统误差和随机误差区分开，在一批零件的加工中及时发现加工误差的变化，以便采取补偿措施消除各种系统误差，使加工精度得到提高。河南科技大学教案首页课程
38、名称机械制造工艺学计划学时2授课章节第三章：机械加工质量； 3-3影响表面质量的因素；3-4 加工质量对机器使用性能的影响；教学目的和要求：目的是让学生了解影响表面质量的主要因素，掌握加工质量对机器的那些使用性能有影响。教学基本内容：本次课主要讲授影响表面质量的因素、加工质量对机器使用性能的影响等内容。教学重点和难点：机械加工质量的概念以及影响加工精度的诸多因素。各种加工误差的分析方法。授课方式、方法和手段：采用多媒体辅助教学手段讲授作业与思考题：影响工件机械加工质量的主要因素有哪些？提高工件机械加工质量的主要措施有哪些？说明：1教案首页中各栏目内上下尺寸可自行调整。2教案首页后续页用河南科技
39、大学教案专用纸书写，或使用A4纸打印。第三节 影响表面质量的因素 工件的表面质量对使用性能的影响是非常大的。产生的因素也是非常多的。一、表面粗糙度 二、表面强化和表面残余应力 一、表面粗糙度 用金属切削刀具对零件表面进行加工时，影响加工表面粗糙度的因素有以下几个方面。1.刀具结构参数的影响 如图3-30a所示，若车削加工主要是以刀刃的直线部分形成表面粗糙度(不考虑刀尖圆弧半径的影响)，则可以通过几何关系导出图3-30 车削加工时影响表面粗糙度的几何因素a)不考虑刀尖圆弧半径的影响 b)背吃刀量和进给量较小的影响 =式中,是刀具的进给量(mmr)；，是刀具的主偏角和副偏角。若加工时的背吃刀量和进
40、给量均较小，则加工后表面粗糙度主要是由刀尖的圆弧部分构成，其关系可由如图3-30b所示的几何关系导出当中心角很小时，可用sin代替sin，且sin，故得如图3-31所示，虚线是按上式计算所得的与、 的关系曲线，图中实线是实际加工所得的结果。相比较可见计算所得与实际结果是相似的，两者在数量上的一些差别是因为 不仅受刀具几何形状的影响，同时还受表面金属层塑性变形的影响，在进给量小、切屑薄及金属材料塑性较大的情况下，这个差别就更大些。图3-31 与、 的关系对铣削、钻削等加工，也可以按几何关系导出类似的关系式，找出影响表面粗糙度的几何因素。但对铰孔加工来说，则同用宽刃车刀精车加工一样，刀具的进给量对
41、加工表面粗糙度的影响不大。为减少或消除几何因素对加工表面粗糙度的影响，可以选用合理的刀具几何角度、减小进给量和选用具有直线过渡刃的刀具。2.物理因素的影响 物理因素对加工表面粗糙度的影响一般比较复杂，它与切削原理中所述的加工表面形成过程有关，如在加工过程中产生的积屑瘤、鳞刺和振动等。切削过程中刀具的刃口圆角及后面的挤压与摩擦，使金属材料发生塑性变形而使理想残留面积挤歪或沟纹加深，因而增大了表面粗糙度。在加工塑性材料时，切削过程中出现积屑瘤和鳞刺，会使表面粗糙度严重恶化。(1)切削用量的影响1)进给量的影响。在粗加工和半精加工中，当 0.15mmr时，对表面粗糙度 的影响很大，符合前述的几何因素
42、的影响关系。当0.15mmr时，则的进一步减少就不能引起明显的降低。0.02mmr时，就不再使降低，这时加工表面粗糙度主要取决于被加工表面的金属塑性变形程度。2)切削速度的影响。加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响较大。切削速度越高，切削过程中切屑和加工表面层的塑性变形程度越轻，加工后表面粗糙度也就越低，如图3-32所示，为试验材料为45钢的切屑收缩系数、积屑瘤高度、表面粗糙度与切削速度的关系曲线。图3-32 、的关系曲线当切削速度较低时，刀刃上易出现积屑瘤，它将使加工表面的粗糙度提高。实验证明，当切削速度下降到某一临界值以下时，将明显提高。产生积屑瘤的临界速度将随加工材料、冷却润滑及刀
43、具状况等条件的不同而不同。由此可见，用较高的切削速度，既可以使生产率提高又可以使表面粗糙度下降。所以不断地创造条件以提高切削速度，一直是提高工艺水平的重要方向。其中发展新刀具材料和采用先进刀具结构，常可使切削速度大为提高。加工脆性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响不大。一般说，切削脆性材料比切削塑性材料容易达到表面粗糙度的要求。3)背吃刀量的影响。一般来说背吃刀量对加工表面粗糙度的影响是不明显的。但由于刀刃不可能刃磨得绝对尖锐，而是具有一定的刃口半径，当小到一定数值以下时，这时正常切削就不能维持，常出现挤压、打滑和周期性地切入加工表面等现象，从而使表面粗糙度提高。为降低加工表面粗糙度，应根据刀
44、具刃口刃磨的锋利情况选取相应的背吃刀量值。(2)工件制造用材料的影响。工件材料的韧性和塑性变形倾向越大，切削加工后的表面粗糙度越高。如低碳钢工件，加工后的表面粗糙度就高于中碳钢工件。由于黑色金属材料中铁素体的韧性好，塑性变形大，若能将铁素体珠光体组织转变为索氏体或屈氏体马氏体组织，就可以降低加工后的表面粗糙度。工件材料金相组织的晶粒越均匀、颗粒越细，加工时越能获得较低的表面粗糙度。为此，对工件进行正火或回火处理后再加工，能使加工表面粗糙度明显降低。图3-33 加工表面的波纹3.加工过程中振动的影响 机械加工时工艺系统的振动，是指刀具相对工件产生周期性的位移，在加工表面上形成波纹，如图3-33所
45、示。振动不仅加大加工表面的粗糙度，也使刀具很快变钝或崩刃，机床联结处遭到破坏，限制生产率的提高。机械加工时的振动有两种，即强迫振动和自激振动。（1）强迫振动：由外界具有一定频率的周期性变化的激振力所引起的振动称为强迫振动。其特征是，机床振动的频率与激振力的频率一致，它不会自行衰减消失。当激振力频率接近或等于工艺系统本身的固有频率时，就会引起共振，对工艺系统危害严重。机械加工时产生强迫振动的原因有以下几方面：系统外部的周期性干扰；传动机构的缺陷；由于断续切削产生切削力周期变化而引起的振动；旋转零件的质量偏心等。（2）自激振动：没有外界周期性激振力时所产生的振动称为自激振动。这时，激振力是由切削运动本身产生的。它的特征是，切削过程停止，激振力也就跟着消失；自激振动的频率接近于系统的固有频率；它也不会自行衰减。有关自激振动的原因有各种不同的观点，请参阅有关参考书。减轻或消除自激振动的措施为：提高工艺系统的刚度；正确选择刀具和切削用量；采用消振装置等。二、表面强化和表面残余应力 （一）表面强化 定义：金属表面层塑性变形，使得表面层的显微组织受到破坏，晶格畸变，晶粒在变形方向被拉伸，晶界面增加，晶粒间易于咬合，这些作用使晶粒滑移困难，表面层的硬度和强度提高了，延伸率和收缩率降低了，从而在工件表面