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第3章机械加工质量分析及控制第一节概述第二节影响加工精度的主要因素及其控制第三节加工误差的综合分析第四节影响表面质量的因素及其控制第五节机械加工中振动的基本知识第一节概述一、加工精度和表面质量的概念机械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。表面质量指零件表面的几何特征和表面层的物理力学性能。1.加工表面几何特征加工表面的几何特征，主要由表面粗糙度和表面波度两部分组成（见图3-1）。图3-1加工表面的几何形状特征2.加工表面层物理力学性能变化（1）表面层的冷作硬化（2）表面层残余应力的形成（3）表面层的金相组织变化图3-2二、加工精度的获得方法1.尺寸精度的获得方法（1）试切法（2）定尺寸刀具法（3）调整法（4）自动控制法2.形状精度的获得方法（1）轨迹法（2）成形法（3）展成法3.位置精度的获得方法（1）一次装夹获得法当零件上有相互位置精度要求的各表面是在同一次装夹中加工出来时，表面相互位置精度是由机床有关部分的相互位置精度来保证的。（2）多次装夹获得法当零件上有相互位置精度要求的各表面被安排在不同的安装中加工时，零三、表面粗糙度对零件使用性能的影响1.对零件耐磨性的影响2.对零件配合性能的影响3.对零件疲劳强度的影响4.对零件耐蚀性的影响5.对零件接触刚度的影响图3-3表面粗糙度值与初期磨损量的关系第二节影响加工精度的主要因素及其控制图3-4原始误差加工原理误差工件装夹误差工艺系统静误差调整误差工艺系统动误差度量误差机床误差夹具误差刀具制造误差工艺系统受力变形工艺系统受热变形刀具磨损工件内应力引起的变形加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的切削刃轮廓进行加工而产生的误差。一、加工原理误差如：在数控机床上采用“行切法”加工复杂形面。图3-5空间曲面的数控加工加工中引起机床误差的原因主要有机床的制造误差、安装误差及其磨损等三个方面。二、工艺系统的静误差（一）机床误差1．主轴回转误差（1）主轴回转误差的基本形式为便于分析和研究，主轴回转运动误差可以分解为三种基本形式：轴向跳动、径向跳动、角度摆动。轴向跳动：瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动，如图图3-6所示。主轴的轴向跳动对工件的圆柱面加工没有影响，主要影响端面形状、轴向尺寸精度端面垂直度。主轴存在轴向跳动误差时，车削加工螺纹会将使加工后的螺旋产生螺距误差。径向跳动：瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动，如图图3-6所示。主轴的纯径向跳动会使工件产生圆柱度误差，对加工端面基本没有影响。但加工方法不同，所引起的加工误差形式和程度也不同。纯角度摆动：瞬时回转轴线与平均回转轴线方向成一倾斜角度，但其交点位置固定不变的运动，如图图3-6所示。图3-61）主轴的纯径向跳动对加工精度的影响主轴的径向圆跳动会使工件产生圆度误差，但径向圆跳动的方式和规律不同，加工方法不同（如车削和镗削），对加工如图3-7所示，在镗床上镗孔时，刀具回转，工件不转。假设主轴回转中心在y方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，振幅为A，则镗刀刀尖的运动轨迹为一椭圆，而加工出的孔即呈现椭圆形状，其圆度误差为A图3-8主轴的径向圆跳动对车外圆精度的影响图3-7主轴的径向圆跳动对镗孔精度的影响2）轴向窜动对加工精度的影响主轴的轴向窜动对内、外圆的加工精度没有影响，但加工端面时，会使加工的端面与内外圆轴线产生垂直度误差。主轴每转一周，要沿轴向窜动一次，使得切出的端面产生平面度误差（图3-9）。当加工螺纹时，会产生螺距误差。图3-9主轴的纯轴向窜动对加工精度的影响3）主轴的倾角摆动对加工精度的影响。图3-10主轴的倾角摆动对加工精度的影响主轴的倾角摆动对加工精度的影响与径向圆跳动对加工精度的影响相似，其区别在于倾角摆动不仅影响工件加工表面的圆度误差，而且影响工件加工表面的圆柱度误差。（3）影响主轴回转精度的主要因素1）滑动轴承误差对主轴回转精度的影响轴承误差主要来源于主轴轴颈和轴承孔等的圆度误差和波度。2）滚动轴承误差对主轴回转精度的影响滚动轴承的内圈、外圈和滚动体本身的几何精度将影响主轴回转精度。3）轴承配合质量对主轴回转精度的影响与轴承相配合零件的制造精度和装配质量对主轴回转精度有重要影响。图3-11图3-12（4）提高主轴回转精度的措施(1)提高主轴部件的制造精度和装配精度。(2)当主轴采用滚动轴承时，应对其适当预紧，使消除轴承间隙，增加轴承刚度，均化误差，可提高主轴的回转精度。(3)采用运动和定位分离的主轴结构，可减小主轴误差对零件加工的影响，使主轴的回转精度不反映到工件上去。实际生产中，通常采用两个固定顶尖支承定位加工，主轴只起传动作用，如外圆磨床。图3-13用固定顶尖支承磨外圆2．导轨导向误差机床导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准，也是运动基准。机床的导轨精度是指导轨副的运动件实际运动方向与理想方向的符合程度，这两者之间的偏差值称为导向误差。直线导轨的导向精度包括：导轨在水平面内的直线度、导轨在垂直面内的直线度、前后导轨的平行度、导轨对主轴回转轴线的平行度等。以在车床上车削圆柱面为例，分析导轨导向误差对加工精度的影响。1)导轨在水平面内直线度误差卧式车床在水平面内存在直线度误差ΔY，见图3-14，则车刀尖的直线运动轨迹也要产生直线度误差ΔY，从而造成工件圆柱度误差，ΔR=ΔY，如图3-14所示。这表明水平方向是卧式车床加工误差对导轨误差的敏感方向。（1）导轨导向精度对加工精度的影响图3-14卧式车床导轨直线度误差2)导轨在垂直面内直线度误差的影响卧式车床在垂直面内存在直线度误差ΔZ，则车刀尖的直线运动轨迹也要产生直线度误差ΔZ，从而造成工件圆柱度误差，ΔR=ΔZ2/(2R)=ΔZ2/d,说明卧式车床对导轨在垂直面内直线度误差不敏感。3)导轨扭曲误差如果机床前后导轨不平行（扭曲），则引起被加工零件半径误差为：图3-15导轨扭曲误差式中H——车床中心高；B——导轨精度；——导轨倾斜角；——前后导轨的扭曲量。（2）影响机床导轨导向误差的因素1）机床制造误差2）机床安装误差3）导轨磨损如何提高机床导轨的导向精度？机床设计与制造时，应从结构、材料、加工工艺等方面采取措施，提高制造精度机床安装时，应校正好水平和保证地基质量使用时，要注意调整轨道配合间隙，同时保证良好的润滑和防护3．传动链的传动误差（1）机床传动链的传动误差及其对加工精度的影响机床传动链误差是指机床内部传动机构传动过程中出现传动链首末两端传动元件间相对运动的误差。传动链误差一般不影响圆柱面和平面的加工精度，但对齿轮、蜗轮蜗杆、螺纹和丝杆等加工有较大影响。图3-16齿轮机床传动链（2）减少传动链传动误差的措施1）缩短传动链长度，减少传动链中传动件的数目。2）采用降速传动链。3）提高传动元件，特别是提高末端传动元件的制造精度和装配精度。4）采用误差补偿的方法。图3-17（二）刀具与家具误差1.刀具误差刀具误差包括刀具的制造误差、安装误差和磨损。2.夹具误差夹具误差影响工件加工表面的位置精度或尺寸精度。1.工艺系统刚度工艺系统的刚度定义为在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比。根据系统所受载荷的性质不同，工艺系统刚度可分为静刚度和动刚度两种。静刚度主要影响工件的几何精度；动刚度则反映系统抵抗动态力的能力，主要影响工件表面的波度和表面粗糙度。三、工艺系统的动误差（一）工艺系统受力变形引起的误差图3-182、机床部件的刚度及其特点1）作用力与变形不是线性关系，反映出刀架的变形不纯粹2）加载与卸载曲线不重合，两曲线间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3）卸载后曲线不回到原点，说明产生了残余变形。在反复加载—4）部件的实际刚度远比按实体所估算的要小。由于机床部件的刚度曲线不是线性的，其刚度不是常数，一般取曲线两端点连线的斜率来表示其平均刚度。图3-19影响机床部件刚度的因素很复杂，主要因素包括以下几方面：（1）联接表面间的接触变形（2）薄弱零件的变形（3）零件表面间摩擦力的影响（4图3-203、工艺系统刚度对加工精度的影响（1）切削力作用点位置变化引起的工件形状误差（2）切削力大小变化引起的加工误差（3）其他作用力对加工精度的影响图3-21图3-22图3-23图3-24图3-25（1）合理设计零部件结构（2）提高联接表面的接触刚度此外1）提高机床部件中零件间接合表面的质量。2）给机床部件预加载荷。（3）采用合理的装夹方式、加工方式提高工艺系统刚度4、减少工艺系统受力变形的措施图3-26（二）工件残余应力引起的误差残余应力又称内应力，是指在没有外力作用下或去除外力后仍残存在工件内部的应力。零件中的残余应力往往处于一种很不稳定的相对平衡状态，在常温下特别是在外界某种因素的影响下很容易失去原有状态，使残余应力重新分布，零件产生相应的变形，从而破坏了原有的精度。因此，必须采取措施消除残余应力对零件加工精度的影响。1.产生残余应力的原因（1）毛坯制造和热处理过程中产生的残余应力在铸、锻、焊及热处理等热加工过程中，由于工件各部分热胀冷缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，使毛坯内部产生了相当大的残余应力。图3-27弯曲的工件(原来无残余应力)要校直，常采用冷校直。（2）冷校直带来的残余应力图3-28图3-29切削过程中产生的力和热，也会使被加工工件的表面层变形，产生残余应力。（3）切削加工中产生的残余应力2.减少或消除残余应力的措施1．合理设计零件结构2．增加时效处理工序3.合理安排工艺过程例如：对铸、锻、焊接件进行退火或回火；零件淬火后进行回火；对精度要求高的零件，如床身、丝杆、箱体、精密主轴等，在粗加工后进行时效处理。例如：粗、精加工分开在不同工序中进行，留有一定时间让残余应力重新分布；在加工大型工件时，粗、精加工往往在一个工序中来完成，这时应在粗加工后松开工件，让工件有自由变形的可能，然后再用较小的夹紧力夹紧工件后进行精加工。（三）工艺系统的热变形对加工精度的影响在机械加工过程中，工艺系统会受到各种热源的影响，使工艺系统各个组成部分产生复杂的变形，这种变形称为热变形。1.概述据统计，在精密加工中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40％一70％。高效、高精度、自动化加工技术的发展，使工艺系统热变形问题变得更为突出，已成为机械加工技术进一步发展的一个重要的研究课题。（1）工艺系统的热源系统内部热源(切削热和摩擦热)系统外部热源(环境温度和太阳辐射热)一方面，工艺系统受热源影响，温度逐渐升高；另一方面，热量通过各种传导方式向周围散发。（2）温度场与工艺系统热平衡2.机床热变形对加工精度的影响机床受热源的影响，各部分温升将发生变化．由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件将发生不同程度的热变形，破坏了机床原有的几何精度，从而降低了机床的加工精度。图3-303.刀具热变形对加工精度的影响切削热（是主要的）外部热源（对于精密件不可忽视）使工件产生变形的热源同时，不同的加工方法，不同的工件材料、结构和尺寸件的受热变形也不相同。图3-31刀具热伸长量与切削时间的关系4.工具热变形对加工精度的影响刀具的热变形主要是切削热引起的，传给刀具的热量虽不多，但由于刀具体积小、热容量小且热量又集中在切削部分，因此切削部分仍产生很高的温升。依据物理公式计算工件长度或直径上的热变形量：式中，L——工件原有长度或直径，单位为mm;——工作材料的线膨胀系数；——温升。5、减少和控制工艺系统热变形的主要途径1．减少热源的发热和隔离热源2．均衡温度场3．采用合理的机床结构4．控制环境温度，加速达到热平衡状态对于不能分离的热源，如主抽轴承、丝杠螺母副、高速运动的导轨副等，则可以从结构、润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热。1）减少热源的发热和隔离热源采用有效的冷却措施为了减少机床的热变形，凡是可能分离出去的热源应移出，如电动机、变速箱、液压系统、冷却系统等，均应移出。热源可能分离出去减少发热