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课题二十七机械加工质量分析【教学目的和要求】了解机械加工质量的相关概念，掌握影响机械加工质量的因素和规律。初步具备能够理论联系实际分析械加工精度和表面质量问题的能力。【教学内容摘要】本课题包括机械加工精度和加工表面质量两方面内容。机械加工精度主要讨论工艺系统各环节中存在的各种原始误差及其对加工精度的影响，以及保证零件加工精度的措施。加工表面质量涉及表面质量的概念、影响表面粗糙度的因素、零件表面变形层物理力学性能及其影响因素。【教学重点、难点】本课题教学重点是原始误差对加工精度的影响，影响表面质量的工艺因素，保证零件加工精度和提高表面质量的措施。难点是深刻理解相关理论并掌握分析解决加工质量问题的途径和方法。【教学方法和使用教具】讲授法、讨论。【教学时数】8学时【教学内容】问题一：机械加工精度分析一、原始误差及其分类在机械加工时，由机床、夹具、刀具和工件构成的系统称为工艺系统。工艺系统各环节中所存在的各种误差称为原始误差。影响原始误差的因素很多，一部分与工艺系统本身的初始状态有关，一部分与切削过程有关，还有一部分与工件加工后的情况有关。一般可将其作下述分类。原始误差加工前的误差加工中的误差加工后的误差加工原理误差工艺系统受力变形工艺系统热变形磨损误差度量误差内应力引起的变形调整误差刀夹具制造误差定位误差机床几何误差二、加工原理误差及其对加工精度的影响加工原理误差是由于采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓所产生的误差。例如，常用的齿轮滚刀就有两种误差：一是滚刀刀刃的近似造形原理误差，即由于制造上的困难，采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆；二是由于滚刀刀刃数有限，所切成的齿轮齿形是一条折线，并非理论上的光滑曲线，所以滚切齿轮是一种近似的加工方法。再如车削模数蜗杆时，由于蜗杆的螺距等于蜗轮的周节（齿距，即πｍ），其中m是模数，而π是一个无理数，但车床配挂齿轮的齿数是有限的，因此在选择配挂齿轮时，只能将π化为近似的分数值计算，这样就会引起刀具相对工件的成形运动不准确，造成螺距误差。但是这种螺距误差可以通过配换合适的齿轮而减小。三、工艺系统几何误差及其对加工精度的影响（一）机床的几何误差产生原因：机床的制造、安装和磨损表现方面：主轴回转误差、导轨导向误差和传动链传动误差主轴回转运动误差的概念及其影响因素主轴回转误差——就是主轴的实际回转轴线相对于平均回转轴线（实际回转轴线的对称中心线）的最大变动量。主轴回转误差可分解为三种基本形式：轴向窜动、径向跳动和角度摆动。1、机床主轴回转误差影响主轴回转精度的因素支承主轴轴径的滑动轴承内孔或滚动轴承滚道的圆度误差；滚动轴承内环孔与滚道的同轴度误差；滑动轴承的内孔或滚动轴承滚道的波度；滚动轴承滚子的形状误差和尺寸差；轴承间隙以及切削中的受力变形等。此外，还有轴承定位端面和轴心线垂直度误差、轴承端面之间的平行度误差及锁紧螺母端面跳动等主轴回转误差对加工精度的影响例：图示为车削外圆表面时发生在不同方向上的相对位移对加工工序尺寸所产生的影响（R﹢ΔR）2﹦R2﹢ΔZ2展开并整理，得：ΔR=ΔZ2/2R-ΔR2/2R因为ΔR2/2R是ΔR的高阶无穷小量，故可舍去不计，则ΔR≈ΔZ2/2R。分析误差敏感方向——对加工精度影响最大的原始误差方向（法向）误差非敏感方向——对加工精度影响最小的原始误差方向（切向）由以上讨论可以知道，在分析原始误差对加工精度的影响时，应主要在误差敏感方向上进行分析主轴回转误差对加工精度的影响，随加工方法的不同而异例1例2提高主轴回转精度的措施提高主轴部件（特别是轴承）的制造精度滚动轴承可进行预紧消除间隙提高主轴支承轴径、箱体支承孔的加工精度使用中，对主轴部件进行良好的维护保养以及定期维修采取误差转移措施减小机床主轴回转误差对加工精度的影响（如死顶尖）产生原因：机床导轨的制造误差、安装误差、磨损误差表现方面及对加工精度的影响2、机床导轨导向误差导轨在水平面内的直线度误差导轨在垂直面内的直线度误差机床两导轨的平行度误差（扭曲）在机械加工中，对于某些表面的加工，如车螺纹、滚齿和插齿等，为保证工件的精度，要求工件和刀具之间必须有准确的速比关系。这种速比关系的获得取决于机床传动系统中工件与刀具之间的内联系传动链的传动精度。传动精度又取决于传动链中各传动零件的制造和装配精度，以及在使用过程中各传动零件的磨损程度。另外，各传动零件在传动链中的位置不同，对传动链传动精度的影响程度也不同。传动链中末端传动元件的转角误差对传动链传动精度的影响最大，将直接反映到工件的加工精度上。因此，为保证传动链的传动精度，应注意保证传动机构尤其是末端传动件的制造和装配精度，尽量减少传动元件，缩短传动路线或必要时采用附加的校正机构。3、传动链误差（二）调整误差1、试切法加工误差来源主要有：（1）测量误差（2）微进给机构的位移误差（“爬行”）（3）最小切削厚度极限（二）调整误差2、调整法加工调整误差与所用调整方法有关。常用调整方法有：（1）用定程机构调整（2）用样板或样件调整（3）用对刀或导引元件调整（三）刀具、夹具制造误差及工件定位误差机械加工中常用的刀具有：▲一般刀具▲定尺寸刀具▲成形刀具夹具制造误差一般指定位元件、导向元件及夹具体等零件制造和装配误差。工件的定位误差前已述。（四）工艺系统磨损误差1、工艺系统磨损对加工精度的影响工艺系统中机床、夹具、刀具以及量具虽然都会磨损，但其磨损速度和程度对加工精度的影响不同。其中以刀具的磨损速度最快，对加工精度影响最明显，而机床、夹具、量具的磨损比较缓慢，对加工精度影响也不明显2、减少工艺系统磨损的主要措施（1）对机床的主要表面采用防护装置（2）采取有效的润滑措施（3）提高零部件的耐磨性（4）选用新的耐磨刀具材料（如立方氮化硼）四、工艺系统受力变形对加工精度的影响实例：讨论分析误差产生原因例1例2无进给磨削（光磨），磨削时火花继续存在，且先多后少，直至消失分析结果工艺系统的受力变形是加工中一项很重要的原始误差。它不仅严重地影响加工精度，而且还影响表面质量，也会限制切削用量和生产率的提高（一）工艺系统刚度分析工艺系统刚度定义为：工件加工表面法向分力与刀具相对工件在该力方向上的位移的比值1、工件、刀具的刚度例2、接触刚度接触刚度不是一个常数，即其变形量与外力之间不是线性关系。影响接触刚度的因素主要有：（1）相互接触表面的几何形状误差和表面粗糙度（2）材料及其硬度3、机床部件的刚度（1）机床部件刚度的特性外力与变形之间是一种非线性函数关系。（2）影响机床部件刚度的主要因素1）各接触面的接触变形。2）各薄弱环节零件的变形3）间隙和摩擦的影响4、夹具的刚度（二）工艺系统受力变形对加工精度的影响1、切削力对加工精度的影响（1）切削力大小的变化对加工精度的影响切削力大小的变化几何形状误差材料硬度不均匀加工之后工件所具有与加工之前相类似的误差的现象，称为“误差复映”假设加工之前工件（毛坯）所具有的误差为Δm，加工之后工件所具有的误差为Δw，令ε=Δw/Δmε表示了加工误差与毛坯误差之间的比例关系，即“误差复映”的规律，故称ε为“误差复映系数”“误差复映”规律是普遍存在的，加工之前工件（毛坯）所具有的各种误差，总是以一定程度复映到加工后的工件上，因此，在加工时，应采取措施减小误差复映，保证加工精度减小误差复映措施：●提高工艺系统刚度kxt●减小毛坯误差Δm●多次走刀（2）切削力作用点位置的变化对加工精度的影响下面以在两顶尖间车削光轴为例予以分析：1）在两顶尖间车削短而粗的光轴工件具有腰鼓形圆柱度误差工件具有马鞍形圆柱度误差2）在两顶尖间车削细而长的光轴通过上述分析可知,当工艺系统各处的刚度值不同时，工件产生的形状误差值也不同。工艺系统各处的刚度相差越大，产生的形状误差也越大。由此可以得到结论，从减小形状误差来看，工艺系统各部分刚度不要相差过大。在很多情况下，某一部分刚度过高于其它部分刚度的意义不大。找出刚度薄弱环节加以提高，使其和其它部分的刚度大体接近的办法常称为刚度平衡，这是提高工艺系统刚度，减少加工误差的一个有效途径2、惯性力、传动力和夹紧力对加工精度的影响（1）惯性力和传动力对加工精度的影响例（2）夹紧力对加工精度的影响例3、减少工艺系统受力变形的主要工艺措施（1）提高接触刚度措施：①改善主要零件接触面的配合质量②零部件之间预加载荷（2）提高工件刚度，减少受力变形（3）提高机床部件刚度，减少受力变形例（4）合理装夹工件，减少夹紧变形例（4）合理装夹工件，减少夹紧变形例五、工艺系统热变形对加工误差的影响加工精度主要取决于工艺系统的两个性能，即系统的静态-动态力学特性和热学特性。据统计，在精密加工和大件加工当中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40～70％1、工艺系统的热源及热平衡工艺系统的热源内部热源外部热源摩擦热切削热环境温度热辐射2、工件热变形对加工精度的影响引起工件热变形的热源主要是切削热，有些大型精密件还受环境温度影响。工件热变形对加工精度的影响可分为四种情况：①工件均匀受热尺寸误差②工件不均匀受热形状误差③工件热变形受阻形状误差④工件结构和散热条件不同形状误差减少切削热粗、精加工工序分开合理选择切削用量和刀具几何参数，以及进行充分冷却等减少工件热变形对加工精度影响的主要措施3、刀具的热变形对加工精度的影响●连续切削●间断切削4、机床热变形对加工精度的影响5．减少工艺系统热变形的工艺措施（1）减少发热和隔热（2）加强散热能力（3）控制温度变化缩短机床预热期，既有利于保证加工精度，又有利于提高生产率。缩短机床预热期有两种方法：①加工工件前，让机床先高速空运转，当机床迅速达到热平衡后，再换成工作转速进行加工；②在机床的适当部位附设加热源，机床开动初期人为地给机床供热，促使其迅速达到热平衡。（4）均衡温度场（5）采取补偿措施六、工件内应力对加工精度的影响1、内应力的概念所谓内应力（残余应力）是指当外部的载荷除去以后，仍残存在工件内部的应力。内应力主要是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化而产生的。其外界因素来自热加工和冷加工。机械加工中一般认为内应力是有害的具有内应力的工件处于一种不稳定状态中，它内部的组织有强烈的倾向要恢复到一种没有应力的状态。即使在常温下，其内部组织也在不断地发生着变化，直到内应力消失为止。在内应力变化的过程中，零件的形状逐渐地变化，原有的精度也会逐渐地丧失2、内应力产生的原因及所引起的加工误差（1）毛坯制造中产生的内应力例（2）冷校直带来的内应力例例冷校直虽然减少了弯曲，但工件仍处于不稳定状态，如再次加工，又将产生新的弯曲变形。因此，高精度丝杠的加工，不采用冷校直，而是用多次人工时效或热校直、加大毛坯余量等措施，来消除或减小内应力对加工精度的影响（3）切削加工中产生的内应力切削时，工件表面层在切削力和切削热的作用下，由于工件各部分产生不同的塑性变形，以及金属组织等变化的影响也会引起内应力。这种内应力的分布情况（应力的大小及方向）由加工时的工艺因素来决定3、减少或消除内应力的措施（1）合理设计零件结构在零件结构设计中，应尽量缩小零件各部分厚度尺寸之间的差异，以减少铸、锻件毛坯在制造中产生的内应力。（2）采取时效处理自然时效处理、人工时效处理、振动时效处理（3）合理安排工艺过程七、保证加工精度的工艺措施1、直接减小误差法这种方法是生产中应用较广的一种方法，它是在查明产生加工误差的原始误差之后，设法对其进行消除或减小。实例：采用“大主偏角反向切削法”车削细长轴，基本上消除了轴向切削力引起的弯曲变形。若辅之以弹簧顶尖，可进一步消除热变形引起的热伸长的危害2、误差补偿法误差补偿法是人为地造出一种新的误差，去抵消原来工艺系统中固有的原始误差。实例1：用预加载荷法精加工磨床床身导轨，借以补偿装配后受有关机床部件自重影响而产生的变形，以及热变形造成加工后床身导轨面中凹的加工误差。实例2：用校正机构提高丝杠车床传动链精度。3、误差分组法在加