第四章 机械加工质量及其控制

第四章机械加工质量及其控制第四章机械加工质量及其控制本章提要机器零件的加工质量是整台机器质量的基础。机器零件的加工质量一般用机械加工精度和加工表面质量两个重要指标表示，它的高低将直接影响整台机器的使用性能和寿命。第四章机械加工质量及其控制内容提纲4.14.24.34.4概述机械加工精度的影响因素及控制加工误差的综合分析机械加工表面质量的影响因素及控制机械加工过程中的振动及控制4.5第四章机械加工质量及其控制第一节概述机械加工质量包括几何参数方面的质量和表面物理机械参数方面的质量。其中几何参数方面的尺寸精度、宏观几何精度和位置精度属于机械加工精度范畴，而表面物理机械参数方面的质量和微观几何形状精度属于机械加工表面质量范畴。第四章机械加工质量及其控制随着机器速度、负载的增高以及自动化生产的需要，对机器性能的要求也不断提高，因此保证机器零件具有更高的加工精度也越显得重要。我们在实际生产中经常遇到和需要解决的工艺问题，多数也是加工精度问题。研究机械加工精度的目的是研究加工系统中各种误差的物理实质，掌握其变化的基本规律，分析工艺系统中各种误差与加工精度之间的关系，寻求提高加工精度的途径，以保征零件的机械加工质量。零件的机械加工表面质量决定了机器的使用性能和延长使用寿命。机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。第一节概述第四章机械加工质量及其控制加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数的符合程度。（1）零件的尺寸精度：加工后零件的实际尺寸与零件理想尺寸相符的程度。（2）零件的形状精度：加工后零件的实际形状与零件理想形状相符的程度。（3）零件的位置精度：加工后零件的实际位置与零件理想位置相符的程度。第一节概述一、机械加工精度（一）机械加工精度的概念第四章机械加工质量及其控制加工误差：实际加工不可能做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，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。加工误差的大小表示了加工精度的高低。生产实际中用控制加工误差的方法来保证加工精度。加工精度和加工误差是从两种观点来评定零件几何参数，所谓保证和提高加工精度问题就是限制和降低加工误差问题。第一节概述一、机械加工精度（一）机械加工精度的概念第四章机械加工质量及其控制获得工件尺寸精度的方法有：试切法、调整法、定尺寸刀具法、自动控制法1)试切法：调整—试切—测量计算—调整，这样反复几次直到试切尺寸符合要求为止。主要影响因素:测量精度，微进给机构的准确性，刀具的切削性能；可达到很高的精度。第一节概述一、机械加工精度（二）加工精度的获得方法第四章机械加工质量及其控制获得工件尺寸精度的方法有：试切法、调整法、定尺寸刀具法、自动控制法第一节概述一、机械加工精度（二）加工精度的获得方法2)调整法：首先调整好刀具与工件的相对位置,并要求在一批零件的加工过程中保持这个位置不变。如多刀机床,六角自动车床等。影响因素与试切法相同，有调整精度和调整装置的刚度等。第四章机械加工质量及其控制4)自动控制法:将测量、调整和切削等机构组成一个自动加工系统，工件达到尺寸后，系统自动停止加工。第一节概述一、机械加工精度（二）加工精度的获得方法3)定尺寸刀具法:用刀具尺寸来保证工件尺寸。第四章机械加工质量及其控制第一节概述机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米——几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的耐磨性、抗腐蚀性、配合质量和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。二、机械加工表面质量（一）表面质量的概念第四章机械加工质量及其控制吸附层8nm基体材料纤维层压缩区几十~几百微米热影响区显微硬度残余应力加工表面层沿深度变化示意图残余拉应力(＋)；残余压应力(－)第一节概述二、机械加工表面质量（一）表面质量的概念第四章机械加工质量及其控制零件表面质量表面粗糙度表面波度表面物理力学性能的变化表面微观几何形状误差表面层冷作硬化表面层残余应力表面层金相组织的变化机械加工表面质量是指经过机械加工后零件表面层所产生的物理机械性能的变化以及表面层微观几何形状误差，又称为表面完整性，主要包括表面层微观几何形状和表面层物理机械性能。第一节概述二、机械加工表面质量（一）表面质量的概念第四章机械加工质量及其控制表面粗糙度：表面微观几何形状误差，其波长与波高的比值在L1/H1＜40的范围内，波距1mm。由刀刃切削后形成。表面波度：介于加工精度（宏观几何形状误差L3/H3=1000）和表面粗糙度间的一种带有周期性的几何形状误差，其波长与波高的比值在40＜L2/H2＜1000的范围，波距=1~10mm。由工艺系统的振动引起。纹理方向：表面刀纹的方向，它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。伤痕：加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。例如：砂眼、气孔、裂痕等。1、表面层的几何形状第一节概述二、机械加工表面质量（一）表面质量的概念第四章机械加工质量及其控制L1范围内的凹凸不平(表面粗糙度)H1L2范围内的凹凸不平(波度)H2平面度H3表面粗糙度和波度1、表面层的几何形状第一节概述二、机械加工表面质量（一）表面质量的概念第四章机械加工质量及其控制表面层冷作硬化(简称冷硬)：在机械加工中,零件表面层产生强烈的冷态塑性变形后,引起的强度和硬度都有所提高的现象。一般情况下表面硬化层的深度可达0.05—0.30mm。表面层金相组织的变化：机械加工过程中，由于切削热或磨削热的作用引起工件表面温升过高，表面层金属的金相组织发生变化的现象。表面层残余应力：是由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生残余应力。残余拉应力(＋)；残余压应力(－)2、表面层的物理机械性能第一节概述二、机械加工表面质量（一）表面质量的概念第四章机械加工质量及其控制零件耐磨性的影响因素：摩擦副的材料；热处理情况；润滑条件；表面质量(接触面积)。1、表面质量对耐磨性的影响第一节概述二、机械加工表面质量（二）表面质量对零件使用性能的影响零件磨损三个阶段：初期磨损阶段；正常磨损阶段；剧烈磨损阶段磨损过程的基本规律第四章机械加工质量及其控制（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响表面粗糙度太大和太小都不耐磨表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。1、表面质量对耐磨性的影响第一节概述二、机械加工表面质量（二）表面质量对零件使用性能的影响第四章机械加工质量及其控制（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。初期磨损量与粗糙度的关系1、表面质量对耐磨性的影响第一节概述二、机械加工表面质量（二）表面质量对零件使用性能的影响第四章机械加工质量及其控制（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。T7A钢车削后不同冷硬度与耐磨性的关系HB磨损量(μm)1、表面质量对耐磨性的影响第一节概述二、机械加工表面质量（二）表面质量对零件使用性能的影响第四章机械加工质量及其控制（3）表面层产生的金相组织变化零件耐磨性的影响金相组织的变化引起基体材料硬度的变化，进而影响零件的耐磨性。1、表面质量对耐磨性的影响第一节概述二、机械加工表面质量（二）表面质量对零件使用性能的影响（4）表面纹理对耐磨性的影响第四章机械加工质量及其控制（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位、划痕和裂纹等容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。2、表面质量对零件疲劳强度的影响第一节概述二、机械加工表面质量（二）表面质量对零件使用性能的影响第四章机械加工质量及其控制（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。残余应力有拉应力和压应力之分:残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。残余拉应力(＋)；残余压应力(－)2、表面质量对零件疲劳强度的影响第一节概述二、机械加工表面质量（二）表面质量对零件使用性能的影响第四章机械加工质量及其控制（1）表面粗糙度对零件配合精度的影响表面粗糙度较大，则降低了配合精度。（2）表面残余应力对零件配合精度的影响表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。3、表面质量对零件配合精度的影响第一节概述二、机械加工表面质量（二）表面质量对零件使用性能的影响第四章机械加工质量及其控制（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。（2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。4、表面质量对零件耐腐蚀性能的影响第一节概述二、机械加工表面质量（二）表面质量对零件使用性能的影响第四章机械加工质量及其控制减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。表面层的残余应力会使零件在使用过程中继续变形，失去原来的精度，降低机器的工作质量。5、表面质量对零件其它使用性能的影响第一节概述二、机械加工表面质量（二）表面质量对零件使用性能的影响第四章机械加工质量及其控制粗糙度太大、太小都不耐磨适度冷硬能提高耐磨性对疲劳强度的影响对耐腐蚀性能的影响对工作精度的影响粗糙度越大，疲劳强度越差适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度粗糙度越大、工作精度降低残余应力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性第一节概述二、机械加工表面质量第四章机械加工质量及其控制在机械加工中，零件的尺寸、几何形状和表面间相对位置的形成，取决于工件和刀具在切削运动过程中相互位置的关系。零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的系统中进行的。该系统即为工艺系统。工艺系统存在的误差称之为原始误差；原始误差是造成加工误差的根源。原始误差的存在，使工艺系统各组成部分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。第二节机械加工精度的影响因素及控制第四章机械加工质量及其控制原始误差工艺系统静误差工艺系统动误差调整误差机床误差刀具制造误差夹具误差加工原理误差工件装夹误差工艺系统受力变形刀具磨损残余应力引起变形测量误差工艺系统热变形第二节机械加工精度的影响因素及控制加工前加工中加工后第四章机械加工质量及其控制若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；若在有切削负荷情况下产生的则称为工艺系统动误差。第二节机械加工精度的影响因素及控制原理误差：是指由于采用了近似的成形运动、近似的刀刃形状等原因而产生的加工误差。车削螺纹，齿轮加工，齿轮滚刀，模数铣刀等机械加工中，采用近似的成形运动或近似的刀刃形状进行加工，虽然会由此产生一定的原理误差，但却可以简化机床结构和减少刀具数，只要加工误差能够控制在允许的制造公差范围内，就可采用近似加工方法。第四章机械加工质