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1、掌握 机械加工质量的基本概念 影响加工精度、外表质量的因素；了解 外表质量对机器零件使用性能的影响。重点：掌握机械加工质量的基本概念及影响加工精度、外表质量的因素。难点：外表质量对机器零件使用性能的影响。本章提要 机器产品的质量包括装配质量和零件的加工质量。机械制造工艺的三个指标：质量、生产率、经济性。机械加工质量问题是本课程研究的主要内容之一。一、机械加工精度机械加工质量的基本概念3.1 机械加工质量的基本概念 加工精度：零件加工后的实际几何参数尺寸、形状和位置与理想几何参数相符合的程度。符合程度越高则加工精度就越高。加工误差：零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度称为加工误差。加
2、工误差的大小表示了加工精度的上下，加工误差是加工精度的度量。“加工精度和“加工误差是评定零件几何参数准确程度的两种不同概念。生产实际中用控制加工误差的方法或现代主动适应加工方法来保证加工精度。加工精度包括三个方面内容：尺寸精度 指加工后零件的实际尺寸与零件尺寸的公差带中心的相符合程度。几何形状精度 指加工后的零件外表的实际几何形状与理想的几何形状的相符合程度。位置精度 指加工后零件有关外表之间的实际位置与理想 机械加工质量的基本概念外表质量是指机器零件加工后外表层的状态。有两局部：二、机械加工外表质量1 外表几何学特征 外表几何学特征是指零件最外层外表的微观几何形状，通常用外表粗糙度、外表波度
3、表示。外表层材质的变化是指一定深度的零件外表层出现与基体材料组织不同的变质情况，主要指外表层冷作硬化简称冷硬、由于切削热引起工件外表温升过高，外表层金属发生金相组织变化的现象、外表层剩余应力2 外表层材质的变化 加工外表质量的重要性在于：它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。三、获得加工精度的方法和经济加工精度机械加工质量的基本概念一 机械加工中获得工件尺寸精度的方法 1试切法 即经过数次试切、测量，直至到达要求尺寸。2定尺寸刀具法 用刀具的尺寸保证工件的加工尺寸。3调整法 预先调整好的刀具位置，然后加工一批工件。4自动控制法 自动测量 在工件到达要求时，自动测量装置使机床
4、自动退刀并停止工作。数字控制 尺寸的获得刀架的移动或工作台的移动由预先编制好的程序通过计算机数字控制装置自动控制。二机械加工获得工件形状精度的方法 1轨迹法 由切削运动中刀尖轨迹形成被加工外表的形状。2成形法 由成形刀具刀刃的几何形状切削出工件的形状。3展成法 刀具和工件作展成切削运动时，由刀刃在被加工外表上的包络面形成成形外表。三位置精度的获得方法 1一次装夹获得法 零件外表的位置精度在一次安装中，由刀具相对于工件的成形运动位置关系保证。2屡次装夹获得法 通过刀具相对工件的成形运动与工件定位基准面之间的位置关系来保证零件外表的位置精度。3非成形运动法 利用人工，而不是依靠机床精度，对工件的相
5、关外表进行反复的检测和加工，使之到达零件的位置精度要求。机械加工质量的基本概念四经济加工精度机械加工质量的基本概念 加工成本与精度的关系在I、段应用此法加工是不经济的。在段，加工方法与加工精度是相互适应的，加工误差与成本基本上是反比关系，可以较经济地到达一定的精度，段的精度范围就称为这种加工方法的经济精度。机械加工质量的基本概念 某种加工方法的经济精度，是指在正常的工作条件下包括完好的机床设备、必要的工艺装备、标准的工人技术等级、标准的耗用时间和生产费用所能到达的加工精度。与经济加工精度相似，各种加工方法所能到达的外表粗糙度也有一个较经济的范围。各种加工方法所能到达的经济精度、外表粗糙度以及外
6、表形状以及位置精度可查阅金属机械加工工艺人员手册。为了获得零件的尺寸、形状和相对位置精度，必须分析研究加工过程中影响加工精度的因素。3.2 影响加工精度的因素 零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统中进行的。工艺系统中但凡能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。原始误差的存在，使工艺系统各组成局部之间的位置关系或速度关系偏离了理想状态，致使加工后的零件产生了加工误差。原始误差的分类归纳如下。假设原始误差是在加工前已存在，即在无切削负荷的情况下检验的，称为工艺系统静误差；假设在有切削负荷情况下产生的则称为工艺系统动误差。影响加工精度的因素 图71 为活塞销孔精镗工序中的各种原始
7、误差：由于定位基准不是设计基准而产生的定位误差;由于夹紧力过大而产生的夹紧误差属工件装夹误差；机床制造或使用中的磨损产生的导轨误差属于机床误差；调整刀具与工件之间位置而产生的对刀误差属调整误差；由于切削热、摩擦热等因素的影响而产生的机床热变形属于工艺系统热变形;还有加工过程中的刀具磨损;加工完毕测量工序尺寸时,由于测量方法和量具本身的误差而产生的测量误差。各种原始误差的大小和方向各有不相同，而加工误差则必须在工序尺寸方向上测量。所以原始误差的方向不同时对加工误差的影响也不同。图32或观看动画以车削为例说明原始误差与加工误差的关系。图中实线为刀尖正确位置，虚线为误差位置。原始误差的方向不同时对加
8、工误差的影响也不同。把对加工误差影响最大的那个方向即通过刀刃的加工外表的法线方向称为误差敏感方向。3132影响加工精度的因素一、加工原理误差 加工原理是指加工外表的形成原理。加工原理误差是由于采用了近似的切削运动或近似的切削刃形状所产生的加工误差。为了获得规定的加工外表，要求切削刃完全符合理论曲线的形状，刀具和工件之间必须作相对准确的切削运动。但往往为了简化机床或刀具的设计与制造，降低生产成本，提高生产率和方便使用而采用了近似的加工原理，在允许的范围内存在一定的原理误差。影响加工精度的因素例如：滚齿就是一种近似的加工方法。由于滚动的齿数是有限的，所以滚切出来的渐开线不是理想的光滑渐开线而是多条
9、趋近于该曲线的折线。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的螺距。二、机床的制造误差及磨损 机床误差是指在无切削负荷下，来自机床本身制造误差、安装误差和磨损，主要包括主轴回转误差、导轨误差、传动链误差。一主轴回转误差的概念 主轴回转误差的概念 理论上机床主轴回转时，回转轴线的空间位置是固定不变的，即它的瞬时速度为零。而实际主轴系统中存在着各种影响因素，使主轴回转轴线的位置发生变化。将主轴实际回转轴线对理想回转轴线漂移在误差敏感方向上的最大变动量称为主轴回转误差。影响加工精度的因素 主轴回转误差可分为所示的三种基本类型：如图 纯径向跳动：实际回
10、转轴线始终平行于理想回转轴线，在一个平面内作等幅的跳动。纯轴向窜动：实际回转轴线始终沿理想回转轴线作等幅的窜动。纯角度摆动：实际回转轴线与理想回转轴线始终成一倾角，在一个平面上作等幅摆动，且交点位置不变。一、是主轴轴颈与支承座孔的圆度误差，波度和同轴度、止推面或轴肩与回转轴线的垂直度误差。二、是滑动轴承轴颈和轴承孔的圆度、波度和同轴度、端面与回转轴线的垂直度；或滚动轴承滚道的圆度、波度、滚动体的圆度误差和尺寸误差，滚道与轴承内孔的同轴度误差如图7.4;轴承间隙及止推滚动轴承的滚道与回转轴线的垂直度误差等。影响加工精度的因素 不同型式的主轴回转误差对加工精度的影响是不同的；同一类型的回转误差在不
11、同的加工方式中的影响也不相同。如图7.5、7.6、7.7、7.8和表7.1所示。影响主轴回转精度的主要因素主轴回转误差对加工精度的影响主轴回转误差的基本形式车床上车削 镗床上镗削内、外圆 端面 螺纹 孔 端面纯径向跳动 影响极小 无影响 圆度误差 无影响纯轴向窜动 无影响平面度误差 垂直度误差螺距误差 无影响平面度误差 垂直度误差纯角度摆动 圆柱度误差形响极小 螺距误差 圆柱度误差 平面度误差 机床主轴回转误差产生的加工误差影响加工精度的因素影响加工精度的因素举例：在外圆磨床上加工如图的零件，当n12 n2，或n1 n2时，假设只考虑主铀回转误差的影响试分析在图中给定的两种情况下，磨削后工件的
12、外圆应是什么形状?为什么?二 导轨误差 机床导轨是机床主要部件的相对位置及运动的基准，导轨误差将直接影响加工精度。1导轨在垂直面内的直线度误差 卧式车床或外圆磨床的导轨垂直面内有直线度误差Z如图7.9a，使刀尖运动轨迹产生直线度误差Z，由于是误差非敏感方向，零件的加工误差RZ22R可忽略不计。而平面磨床、尤门刨床这时是误差敏感方向，所以导轨误差将直接反映到被加工的零件上。影响加工精度的因素导轨在水平面内的直线度误差2导轨在水平面内的直线度误差 卧式车床或外圆磨床的导轨水平面内有直线度误差Y如图7.9b，将使刀尖的直线运动轨迹产生同样的直线度误差Y，由于是误差敏感方向，工件的加工误差RY，造成零
13、件的圆柱度误差。对平面磨床和龙门刨床，导轨水平方向为误差非敏感方向，加工误差可忽略。导轨的平行度误差 7.3 一般车床H/B2/3，外圆磨床H/B1。因此这项原始误差对加工精度的影响不能忽略。4 导轨与主轴回转轴线的平行度误差 假设车床导轨与主轴回转轴线在水平面内有平行度误差，车出的内外圆柱面产生锥度；假设在垂直面内有平行度误差，则圆柱面成双曲线回转体如 图7.11，因是误差非敏感方向故可忽略。当卧式车床或外圆磨床的前后导轨存在平行度误差扭曲时见图7.10，刀具和工件之间的相对位置发生了变化，结果引起了工件的形状误差。在垂直于纵向走刀的某一截面内，假设前后导轨的平行度误差头Z，则零件的半径误差
14、为：3 前后导轨的平行度扭曲导轨的平行度误差 举例为什么对车床床身导轨在水平面的直线度要求高于在垂直面的直线度要求?而对平面磨床的床身导轨其要求则相反呢?对镗床导轨的直线度为什么在水平面与垂直面都有较高的要求？举例在车床上加工圆盘件的端面时，有时会出现圆锥面中凸或中凹或端面凸轮似的形状如螺旋面，试从机床几何误差的影响分析造成如下图的端面几何形状误差的原因是什么?产生图a，端面中凸或中凹的主要原因是横进给刀架导轨与主轴回转轴线不垂直或横导轨在水平面的不直度引起的。产生图b端面凸轮状的主要原因是主轴的轴向窜动，或横导轨在水平面的不直度。三传动链误差 传动链误差 传动链误差是指机床内联系传动链始末两
15、端传动元件之间相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。滚齿机-单线滚刀加工齿轮；滚刀一转工件一齿 产生的原因是传动链中各传动元件的制造误差、装配误差及磨损等。假设传动元件 j，在某一时刻产生转角误差是转角的正弦或余弦为：i=isinjt+j 则所造成传动链末端元件n的转角误差：jn=kjj。kj为误差传递系数。各传动件对工件精度影响的总和,即传动链的总转角误差为：=jn=kjisinjt+j控制机床误差的措施四控制机床误差的措施 1 减小导轨误差的方法：提高刚度、耐磨性；滚动导轨、静压导轨；2 减小主轴回转误差的方法：滑动轴承、静压轴承；主轴部件做动平衡；3 防止机床磨损的方法：
16、润滑油；设防护罩；滚动或静压导轨轴承；使 用耐磨材料；三、刀具的制造误差及磨损 1 刀具误差对加工精度的影响 刀具误差对加工精度的影响随刀具种类不同而异：定尺寸刀具；成形刀具；展成法刀具；普通刀具；刀具磨损引起的误差占总加工误差的比例很大。2 刀具的磨损分三个阶段 第一阶段：时间短1km；第二阶段：磨损量与切削路程 成正比30km；第三阶段：切削刃变钝切削力变大、工艺系统变形增加刀具的制造误差及磨损刀具的制造误差及磨损3 减少刀具磨损对加工误差影响的措施 尺寸补偿或调整；根据工件材料选用亲和力小、耐磨的材料，如陶瓷合金、立方氮化硼、人造 石、外表涂层硬质合金；选择适宜的切削液；砂轮的自动修正与
17、补偿；适当减小切削用量，以提高刀具的耐用度。四、工艺系统受力、受热变形引起的误差工艺系统受力、受热变形引起的误差1 工艺系统刚度 工艺系统在切削力作用下在各个受力方向产生相应变形，但影响最大的是误差敏感方向，所以工艺系统刚度指切削力在加工外表法向的分力FY与FX、FY、FZ同时作用下产生的沿法向的变形Y系统之间的比值。刚度K系统柔度C系统如下：工艺系统受力变形不但影响工件的加工精度，而且还影响外表质量，限制切削用量和生产率的提高。机械加工过程中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、重力和惯性力等外力作用下，会产生变形，破坏刀具和零件之间的正确位置关系，使零件产生加工误差见图。一工艺系统的受力变形
18、零件的刚度 由于力与变形一般都是在静态条件下进行考虑和测量的，故上述刚度、柔度分别称为静刚度和静柔度。静刚度是工艺系统本身的属性，在线性范围内可认为与外力无关。零件的刚度 形状规则、简单的零件的刚度可用有关力学公式推算。长轴零件两顶尖装夹按简支梁计算，三爪卡盘装夹按悬臂梁计算。零件用两顶尖装夹，工件的变形可按简支梁计算，最大变形为：最小刚度为：零件用三爪卡盘装夹，工件的变形可按悬臂梁计算，最大变形为：最小刚度为：2工艺系统各组成局部的刚度 机床部件的刚度机床部件的刚度 机床结构形状复杂，各部件受力影响变形各不相同，且变形后对工件加工精度的影响也不同。影响机床部件刚度的因素：接合面间的间隙；薄弱
19、零件本身的变形见图；连接外表间的接触变形见图。由于机床部件刚度的复杂性，很难用理论公式计算，刚度计算主要通过实验方法来测定见图。从机床静刚度曲线可以看出：变形与载荷不成线性关系，反映刀架的变形不纯粹是弹性变形；加载与卸载曲线不重合，有剩余变形存在，两曲线中包容的面积代表了加载-卸载循环中所损失的能量，即外力在克服部件内零件间的摩擦和接触塑性变形所作的功；实际刚度比估算的小，因为机床部件由许多零件组成，零件之间存在着结合面、配合间隙和刚度薄弱环节，机床部件刚度受这些因素影响，特别是薄弱环节对部件刚度影响较大。刀具的刚度 车刀、镗刀等工艺系统的刚度工艺系统的刚度 工艺系统在切削力作用下都会产生不同
20、程度的变形，工艺系统受力总变形是各个组成局部变形的迭加，即：而工艺系统各部件的刚度为：所以工艺系统刚度为：知道工艺系统各组成局部的刚度后，就可以求出整个工艺系统的刚度。工艺系统刚度的一个特点：整个工艺系统的刚度比其中刚度最小的那个环节的刚度还小。3 工艺系统受力变形对加工精度的影响工艺系统受力变形对加工精度的影响 切削过程中力作用位置的变化对加工精度的影响 工艺系统的刚度另一个特点是：工艺系统的各环节的刚度和整个工艺系统的刚度，是随着受力点位置变化而变化。如图7.18。由此可见，工艺系统刚度在沿工件轴向的各个位置是不同的。所以加工后工件各个横截面上的直径尺寸也不相同，造成加工后的形状误差。如图
21、7.12a细长零件，刚度低，工艺系统的变形取决于零件的变形，产生鼓形加工误差。而图7.12b短粗工件，工件刚度较大，变形相对小，工艺系统的变形取决于机床头、尾架、顶尖、刀架和刀具的变形，零件产生鞍形加工误差。切削过程中受力大小变化对加工精度的影响 在零件同一截面内切削，由于材料硬度不均或加工余量的变化将引起切削力大小的变化，而此时工艺系统的刚度K系统是常量，所以变形不一致，导致零件的加工误差。图7.20为车削有椭圆形圆度误差的短圆柱毛坯外圆，刀尖调整到要求的尺寸图中虚线位置，在工件的每一转中切深由毛坯长半径的最大值ap1变化到短半径的最小值ap2时，切削力也就由最大的FY1，变化到最小的FY2
22、。，由Y=Fy/K可知切削力变化引起对应的让刀变形Y1，Y2。令ap1-ap2为毛坯误差毛坯，Y1-Y2为一次走刀后的工件误差工件，则有:为误差复映系数 误差复映规律：当毛坯有形状误差或位置误差时，加工后工件仍会有同类的加工误差。但每次走刀后工误差将逐步减少。假设每次走刀复映系数为1、2、n，则总 1 2 n工艺系统受力变形对加工精度的影响工艺系统受力变形对加工精度的影响举例 在卧式镗床上加工箱体孔，假设只考虑镗杆刚度的影响，试在如下图中画出四种镗孔方式加工后孔的几何形状，并说明为什么？a镗杆送进，有后支承；b镗杆送进，没后支承。c工作台送进；d在镗模上加工工艺系统受力变形对加工精度的影响提高
23、机床和夹具的刚度：1 在设计机床和夹具时，应尽量减少其组成零件数量，以减少总的接触变形量；2 在设计机床和夹具时，应尽量提高有关组成零件的形状精度，以减少其外表粗糙度；3对机床或夹具上的固定联接件，装配时采用预紧措施；3控制工艺系统受力变形的主要措施提高工件加工时的刚度 提高刀具加工时的刚度二 工艺系统的热变形工艺系统热源内部热源外部热源切削热摩擦热环境热辐射热电机、轴承、齿轮、油泵等工件、刀具、切屑、切削液气温、室温变化、热、冷风等日光、照明、暖气、体温等工艺系统的热变形 机械加工过程中，工艺系统在各种热源的影响下，产生复杂的变形，破坏了工件与刀具相对位置和相对运动的准确性，引起加工误差。据
24、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。1.机床热变形对加工精度的影响机床热变形 一般机床的体积较大，热容量大，虽温升不高，但变形量不容无视。且由于机床结构较复杂，加之到达热平衡的时间较长，使其各局部的受热变形不均，从而会破坏原有的相互位置精度，造成工件的加工误差。由于机床结构形式和工作条件不同，引起机床热变形的热源和变形形式也不相同。对于车、铣、钻、镗类机床，主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热和润滑油发热是其主要热源，使主轴箱及与之相连局部如床身或立柱的温度升高而产生较大变形。龙门刨床、导轨磨床等大型机床由于它们
25、的床身较长，如果导轨面与底面间有温差，就会产生较大的弯曲变形，从而影响加工精度。几种机床的热变形趋势机床热变形举例 车床主轴箱的温升导致主轴线抬高，主轴前轴承的温升高于后轴承又使主轴倾斜，主轴箱的热量经油池传到床身，导致床身中凸，更促使主轴线向上倾斜，最终导致主轴回转轴线与导轨的平行度误差，使加工后的零件产生圆柱度误差。万能铣床的热源也是主传动系统，由于左箱壁温度高也导致主轴线升高并倾斜。导轨磨床床身导轨面与床身底面温差1时，其弯曲变形量可达0.22mm。2.刀具的热变形对加工精度的影响刀具的热变形 刀具热变形的热源是切削热。传给刀具的切削热虽然很少，但刀具质量小，热容量小，所以仍会有很高的温
26、升，引起刀具的热伸长而产生加工误差。某些工 件加工时刀具连续工作时间较长，随着切削时间的增加，刀具逐渐受热伸长如图7.22，车刀的热伸长中连续工作曲线A，使加工后的工件产生圆柱度误差或端面的平面度误差。在成批生产小型工件时每个工件切削的时间较短，刀具断续工作，刀具受热和冷却是交替进行的，热变形情况如图7.22中断续切削曲线C所示。对每一个工件来说，产生的形状误差是较小的；对一批工件来说，在刀具未到达热平衡时，加工出的一批工件尺寸有一定的误差，造成一批工件尺寸的分散。3.工件的热变形对加工精度的影响工件的热变形 工件热变形的热源主要是切削热，对有些大型件、精密件，环境温度也有很大的影响。传入工件
27、的热量越多、工件的质量越小则热变形越大。工件均匀受热，车镗轴套类零件圆柱面，长度及径向受热变形。假设在受热时测量到达规定尺寸，冷却后尺寸变小，可能出现尺寸超差。工件均匀受热的变形量可按L=LT估算。工件不均匀受热，铣、刨、磨平面等，工件单面受热产生弯曲变形磨削细长轴时工件温生逐渐增加。见图控制工艺系统受热变形主要措施4.控制工艺系统受热变形主要措施 1 工艺措施 合理安排工艺过程粗、精分开 保持工艺系统的热平衡 控制环境温度20；施加切削液；2采取补偿措施图3-24 3改进机床结构图3-25。五.测量误差和调整误差测量误差和调整误差 测量误差是指工件实际尺寸与量具测量出的尺寸之间的差值。加工一
28、般精度的零件时，测量误差可占工件公差的1/101/5，而加工精密零件时，测量误差可占1/3左右。一测量误差 测量时，由于各种因素会造成误差误读、误算、视差、刻度误差、磨耗误差、接触力误差、挠曲误差、余弦误差、阿贝 Abbe 误差、热变形误差，了解产生误差的原因，并有效的解决，方可使整个测量过程中误差减至最少。产生误差的原因归纳成五大类：人为因素 量具因素 力量因素 测量因素 环境因素 测量误差和调整误差人为因素：由于人为因素所造成的误差，包括误读、误算和视差等。而误读常发生在游标尺、分厘卡等量具。游标尺刻度易造成误读一个最小读数，如在10.00 mm处常误读成10.02 mm或9.98 mm。
29、视差常在读取测量值的方向不同或刻度面不在同一平面时所发生。量具因素：由于量具因素所造成的误差，包括刻度误差、磨耗误差及使用前未经校正等因素。刻度分划是否准确，必须经由较精密的仪器来校正与追溯。量具使用一段时间后会产生相当程度磨耗，因此必须经校正或送修方能再使用。力量因素：由于测量时所使用接触力或接触所造成挠曲的误差。依据虎克定律，测量尺寸时，如果以一定测量力使测轴与机件接触，则测轴与机件皆会局部或全面产生弹性变形，为防止此种弹性变形，测轴与机件应采相同材料制成。测量因素：测量时，因仪器设计或摆置不良等所造成的误差，包括余弦误差、阿贝误差等。余弦误差是发生在测量轴与待测外表成一定倾斜角度。环境因
30、素：测量时受环境或场地之不同，可能造成的误差有热变形误差和随机误差为最显着。热变形误差通常发生于因室温、人体接触及加工后工件温度等情形下，因此必须在温湿度控制下，不可用手接触工件及量具、工件加工后待冷却后才测量。测量误差和调整误差一调整误差 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。单件、小批生产中常采用试切法调整:试切法调整不可防止会产生误差。单件、小批生产中常采用试切法调整，产生调整误差的主要因素：1由于测量带来误差；2加工余量的影响；3微进给误差 4判断误差的影响成批、大量生产中常采用调整法:对刀有误差：挡块、行程开关、行程控制阀的精度和灵敏度。六、工件剩余应力引起的
31、变形工件剩余应力引起的变形 剩余应力又称内应力是指当外部载荷去除以后，仍然残存在工件内部的应力。它是因为对工件进行热加工或冷加工，使金属内部宏观的或微观的组织发生不均匀的体积变化而产生的。具有剩余应力的零件，其内部组织处于一种极不稳定的状态，有着强烈的恢复到无应力状态的倾向，因此不断地释放应力，直到其完全消失为止。在剩余应力这一消失过程中，零件的形状逐渐变化，原有的加工精度逐渐丧失。剩余应力的产生1毛坯制造及热处理过程中产生的剩余应力 在铸、锻、焊及热处理过程中，由于工件各局部不均匀的热胀冷缩以及金相组织转变时的体积改变，工件内部会产生很大的内应力。工件结构越复杂、壁厚相差越大、散热条件越差，
32、内应力就越大。后续加工中再切去金属，工件内部的应力将重新分布，从而导致产生加工误差。2工件冷校直产生的剩余应力 细长轴类零件加工时，通常采用冷校直的方法纠正弯曲变形。为使工件变直，局部材料的应力必须超过其弹性极限，即产生塑性变形。外力去除后，工件内弹性变形局部要恢复原有形状，而塑性变形后的材料已不能恢复。两局部材料互相牵制，应力重新分布，到达新的平衡状态。这时，将会在工件内部产生内应力。如果在后续加工中再切去一层金属，工件内部的应力将重新分布而导致弯曲，因此而产生几何形状误差。3机械加工产生剩余应力机械加工过程中，由于切削力和切削热的综合作用，会使外表层金属晶格发生变形或使金相组织变化，从而会
33、造成外表层的剩余应力。剩余应力的产生工件剩余应力引起的变形工件剩余应力引起的变形减少和消除内应力的工艺措施1改善零件结构2合理安排工艺过程3设立消除内应力的专门机构七、加工误差的统计分析加工误差系统误差随机误差常值系统误差变值系统误差误差统计分析 常值系统误差：在连续加工一批零件时，加工误差的大小和方向基外乡保持不变，称为常值系统误差。变值系统误差：如果加工误差是按零件的加工次序作有规律变化的，则称之为变值系统误差。随机误差：在连续加工一批零件中，出现的误差如果大小和方向是不规则地变化着的，则称为随机误差。随机误差和系统误差的划分不是绝对的，二者既有区别又有联系。同一原始误差在不同条件下引起的
34、可能是随机误差，也可能是系统误差。一 分布曲线法直方图实际分布图直方图 加工一批工件，由于随机性误差的存在，加工尺寸的实际数值是各不相同的，这种现象称为尺寸分散。在一批零件的加工过程中，测量各零件的加工尺寸，把测得的数据记录下来，按尺寸大小将整批工件进行分组，每一组中的零件尺寸处在一定的间隔范围内。同一尺寸间隔内的零件数量称为频数，频数与该批零件总数之比称为频率。以工件尺寸为横坐标，以频数或频率为纵坐标，即可作出该工序工件加工尺寸的实际分布图直方图。连接直方图中每一直方宽度的中点组中值得到一条折线，即实际分布曲线。正态分布曲线方程正态分布曲线 实践和理论分析说明，当用调整法加工一批总数极多的而
35、且这些误差因素中又都没有任何优势的倾向时，其分布服从正态分布曲线又称高斯曲线。正态分布曲线方程式为：式中 Y正态分布的概率密度；正态分布曲线的均值；正态分布曲线的标准偏 差均方根偏差。理论上的正态分布曲线是向两边无限延伸的，而在实际生产中产品的特征值如尺寸值却是有限的。因此用有限的样本平均值和样本标准偏差S作为理论均值和标准偏差的估计值。由数理统计原理得有限测定值的计算公式如下：正态分布曲线的特性正态分布曲线的特性曲线对称于直线X,在X处到达极大值，在X处有拐点，当X时曲线以 X轴为其渐近线，曲线成钟形。正态曲线的这些特性说明被加工零件的尺寸靠近分散中心均值的工件占大局部，而尺寸远离分散中心的
36、工件是极少数，而且工件尺寸大于和小于的频率是相等的。正态分布曲线下的面积A代表了工件样本的总数，即100。如果改变参数的值而保持不变，则分布曲线沿着X轴平移而不改变其形状，如图a，决定正态分布曲线的位置。反之，如果使值固定不变，值变化时曲线形状就变化了，如图b。所以正态分布曲线的形状是由标准偏差来决定的，的大小完全由随机误差所决定。联系到加工误差的两种表现特性，显而易见，随机误差引起尺寸分散，常值系统误差决定分散带中心位置，而变值系统误差则使中心位置随着时间按一定规律移动。正态分布曲线的特性分布曲线下所包含的全部面积代表一批加工零件，即100零件的实际尺寸都在这一分布范围内。如图727所示C点
37、代表规定的最小极限尺寸 Amin，CD代表零件的公差带，在曲线下面C、D两点之间的面积代表加工零件的合格率。曲线下面其余局部的面积图上无阴影线的局部则为废品率。在加工外圆时，图上左边无阴影线局部相当于不可修复的废品，右边的无阴影线局部则为可修复的废品；在加工内孔时，则恰好相反。对于正态分布曲线来说，由到X曲线下的面积由式决定。假设工件公差为，则：当分散中心与公差带中心重合，不产生废品的条件是6；当分散中心与公差带中心重合，不产生废品的条件是 6 2系统。尺寸过大或过小的废品率均由下式计算：Q废品率0.5 A 正态分布曲线的特性 3 或6 在研究加工误差时是一个很重要的概念。6 的大小代表了某一
38、种加工方法在规定的条件下所能到达的加工精度，即工艺能力。在实际生产中，常以工艺能力系数Cp。来衡量工艺能力:Cp=/6。工艺能力系数说明了工艺能力满足公差要求的程度。根据工艺能力系数的大小，将工艺分五级：【例题71】检查一批在卧式镗床上精镗后的活塞销孔直径。图纸规定尺寸与公差为，抽查件数n100，分组数k6。测量尺寸、分组间隔、频数和频率见表7.4。求实际分布曲线图、工艺能力及合格率，分析出现废品的原因并提出改进意见。表74 活塞销孔直径测且结果分布曲线法的实例组尺寸范围 组中值Xj频数mi频率mi/n1 27.99227.994 27.993 4 4/1002 27.99427.996 27
39、.995 16 16/1003 27.99627.998 27.997 32 32/1004 27.99828.000 27.999 30 30/1005 28.00028.002 28.001 16 16/1006 28.00228.004 28.003 2 2/100解：以组中值Xj代替组内零件实际值，绘制图7.29为实际分布曲线。分散范围=最大孔径一最小孔径 28.0427.9920.012mm；样本平均值又称尺寸分散范围中心即平均孔径：公差范围中心 常值系统误差样本标准差工艺能力系数，二级工艺能力；废品率：由，查表7.3可得A0.3253；所以 实测结果分析：局部工件的尺寸超出了公差范
40、围，有1747的废品实际分布曲线图中阴影局部；这批工件的分散范围0.012mm比公差带0015mm小，也就是说实际加工能力比图纸要求的要高：Cp1.11，即6。只是由于有系统0.0054的存在而产生废品。如果能设法将分散中心调整到公差范围中心，工件就完全合格。具体的调整方法是将镗刀的伸出量调短些，以减少镗刀受力变形产生的加工误差。分布曲线法的实例分布曲线法的应用 判断加工性质 判断是否存在明显变值系统误差，如加工过程中没有明显的变值系统误差，其加工尺寸分布接近正态分布形位误差除外；判断是否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小，如果分散中心偏离公差带中心，则工艺系统有常值系统误差。确定工序能力
41、 估算合格品率或不合格品率分布图分析法的缺点分布图分析法不能反映误差的变化趋势；没有考虑加工先后顺序，难区分随机性误差和变值系统性误差；加工完成统计，不能在过程中起到及时控制质量的作用。分布曲线法的应用7.3.3 点图法1个值点图：依次测量每工件尺寸记入横坐标为零件号纵坐标为尺寸的图表中，它能较清楚地揭示出加工过程中误差的性质及其变化趋势。如图。2均值-极差点图：采用顺序小样本46，由小样本均值点图和极差点图组成，横坐标为小样本组序号。反映了系统性误差、随机误差及其变化趋。如图。工艺的稳定，从数理统计的原理来说，一个工艺过程的质量参数的总体分布，其平均值 和标准偏差在整个工艺过程中假设能保持不
42、变，则工艺是稳定的。点图法7.4 提高加工精度的途径 1 减少误差法2 误差补偿法3 误差分组法4 误差转移法5“就地加工法6 误差平均法7 控制误差法提高加工精度的途径7.4.1 减少误差法加工原理误差 查明产生加工误差的主要因素后，设法对其直接进行消除或减弱。如细长轴加工用中心架或跟刀架会提高工件的刚度，也可采用反拉法切削，工件受拉不受压不会因偏心压缩而产生弯曲变形，如图7.32、7.33。7.4.2 误差补偿法 误差补偿法是人为地造出一种新的原始误差，去抵消原来工艺系统中存在的原始误差，尽量使两者大小相等、方向相反而到达使误差抵消得尽可能彻底的目的，如图。7.4.3 误差分组法 误差分组
43、法是把毛坯或上工序加工的工件尺寸经测量按大小分为n组，每组尺寸误差就缩减为原来的1/n。然后按各组的误差范围分别调整刀具位置，使整批工件的尺寸分散范围大大缩小。提高加工精度的途径7.4.4 误差转移法误差转移法是把原始误差从误差敏感方向转移到误差的非敏感方向。如图7.357.4.5 就地加工法就地加工法是全部零件按经济精度制造，然后装配成部件或产品，且各零部件之间具有工作时要求的相对位置，最后以一个外表为基准加工另一个有位置精度要求的外表，实现最终精加工，这就是“就地加工法，也称自身加工修配法。“就地加工的要点，就是要求保证部件间什么样的位置关系，就在这样的位置关系上利用一个部件装上刀具去加工
44、另一个部件。如图7.367.4.6 误差平均法提高加工精度的途径7.4.7 控制误差法控制误差法是在利用测量装置加工循环中连续地测量出工件的实际尺寸，随时给刀具以附加的补偿，控制刀具和工件间的相对位置，直至实际值与调定值的差不超过预定的公差为止。误差均分法就是利用有密切联系的外表之间的相互比较和相互修正或者利用互为基准进行加工，以到达很高的加工精度。如“三板互易、“易位法等。如图。第三节 影响外表质量的因素影响外表质量的因素提高机械加工外表质量，应研究的主要内容如下：1 外表粗糙度及其改善的工艺措施；2外表层物理、力学性能及其提高的工艺措施；3机械加工中的振动及其控制。影响外表质量的因素一、外
45、表粗糙度切削加工时外表粗糙度的形成，大致可归纳为三方面的原因：几何因素物理因素工艺系统的振动影响外表质量的因素1、刀具结构参数的影响 由刀具相对于工件作进给运动时在加工外表上遗留下来的切削层残留面积图3.30。理论上的最大粗糙度Rmax可由刀具形状、进给量f，按几何关系求得。当不考虑刀尖圆弧半径时：当背吃刀量和进给量很小时，粗糙度主要由刀尖圆弧构成：影响外表质量的因素 图中结果说明：1计算所得的粗糙度与 实际结果是相似的。2计算所得的粗糙度值小于实际结果。其原因是:还有外表金属层塑性变形的影响。当进给量小、切屑薄及金属材料塑性较大的情况下，这个差异就更大了。影响外表质量的因素2、物理因素的影响
46、 塑性材料加工后外表的实际轮廓和理论轮廓 由图知，实际粗糙度与理论粗糙度差异较大。主要是与被加工材料的性能及切削机理有关的物理因素的影响。切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产生塑性变形。韧性越好的材料塑性变形越大，且容易出现积屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶化。还有切削用量、冷却润滑液和刀具材料等因素影响。影响外表质量的因素积屑瘤与切削温度有关:3、加工过程中振动的影响 加工过程中的振动不仅加大外表的粗糙度，也使刀具很快变钝或崩刃，机床连接处遭到破坏，限制生产率的提高。机械加工时的振动有两种：强迫振动系统外部的周期性干扰、旋转零件的质量偏心 自激振动没有外界周期性激振力时所产生的振动
47、，激振力是由切削运动本身产生的。切削过程停止，激振力也就跟着消失二、机械加工后外表强化和外表剩余应力 切削或磨削加工时，外表层金属由于塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格发生拉长、扭曲和破碎而得到强化。冷作硬化的特点：变形抵抗力提高屈服点提高，塑性降低相对延伸率降低。冷硬的指标:通常用冷硬层的深度h、外表层的显微硬度H以及硬化程度N来表示，如图所示其中N=H/H0，H0为原来的显微硬度。一外表强化 机械加工后外表强化和外表剩余应力 外表层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度。力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；变形时的温度不仅
48、影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复程度。切削加工时外表层的硬化可能有两种情况：完全强化 此时出现晶格歪扭以及纤维结构和变形层物理机械性质的改变；不完全强化 假设温度超过0.250.30T熔熔化绝对温度，则除了强化现象外，同时还有回复现象，此时歪扭的晶格局部得到恢复，减低了冷硬作用；如果温度超过0.30T熔就会发生金属再结晶，此时由于强化而改变了的外表层物理机械性能几乎可以完全恢复。机械加工后外表强化和外表剩余应力机械加工时外表层的冷作硬化就是强化作用和回复作用的综合结果。机械加工后外表强化和外表剩余应力影响冷作硬化的主要因素 刀具 刀具的切削刃口圆角和后刀面的磨损量对于冷硬层有很大
49、的影响，此两值增大时，冷硬层深度和硬度也随之增大。前角减少时，冷硬也增大。被加工材料 被加工材料硬度愈低、塑性愈大，切削后的冷硬现象愈严重。切削用量的影响 切削速度增大时，刀具与工件接触时间短，塑性变形程度减少，同时会使温度增高，有助于冷硬的回复，所以硬化层深度和硬度都有所减少。进给量增大时，切削力增大，塑性变形程度也增大，因此硬化现象增大。但在进给量较小时，由于刀具的刃口圆角在加工外表单位长度上的挤压次数增多，因此硬化倾向也会增大。径向进给量增大时，冷硬层深度也有所增大，但其影响程度不显著。机械加工后外表强化和外表剩余应力二 外表剩余应力 在机械加工中，工件外表层金属相对基体金属发生形状、体
50、积的变化或金相组织变化时，工件外表层中将残留相互平衡的剩余应力。产生外表层剩余应力的原因：冷态塑性变形 机械加工时，表层金属产生强烈的塑性变形。沿切削速度方向外表产生拉伸变形，晶粒被拉长，金属密度会下降，即比容增大，而里层材料则阻碍这种变形，因而在外表层产生剩余压应力，在里层则产生剩余拉应力。机械加工后外表强化和外表剩余应力热态塑性变形 机械加工时，切削或磨削热使工件外表局部温升过高，引起高温塑性变形。如图为因加工温度而引起剩余应力的示意图。第1层温度在塑性温度以上，产生热塑变形，故没有应力；第2层温度在塑性温度与室温之间，只产生弹性热膨胀，膨胀受到第3层的阻碍，产生压应力；第3层处在室温的冷