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械产品质量取决于零件的加工质量和产品的装配质量，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。机械产品加工的首要任务，就是保证零件的机械加工质量要求。本章重点讨论影响机械加工精度和表面质量的因素及其控制方法。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实际生产中经常遇到和需要解决的工艺问题，多数是加工精度问题。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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第二节机械加工精度的影响因素及控制一、工艺系统几何误差对加工精度的影响工艺系统的几何误差主要是指机床、夹具、刀具本身在制造时所产生的误差、使用中的调整误差和磨损误差以及工件的定位误差等，这些原始误差将不同程度地反映到被加工工件上，形成零件的加工误差。第四章机械加工质量及其控制加工中，刀具相对于工件的成形运动，通常都是通过机床完成的。工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床误差来源有：机床本身的制造、磨损和安装。机床制造误差中对工件加工精度影响较大的误差有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。第二节机械加工精度的影响因素及控制一、工艺系统几何误差对加工精度的影响（一）机床的几何误差第四章机械加工质量及其控制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。主轴回转误差：主轴实际回转轴线对理想回转轴线的最大位置变动量。主轴回转误差分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动三种不同形式的误差。（1）主轴回转误差第二节机械加工精度的影响因素及控制一、工艺系统几何误差对加工精度的影响（一）机床的几何误差第四章机械加工质量及其控制（1）主轴回转误差第二节机械加工精度的影响因素及控制一、工艺系统几何误差对加工精度的影响（一）机床的几何误差第四章机械加工质量及其控制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影响极小螺距误差圆柱度误差平面度误差（1）主轴回转误差第二节机械加工精度的影响因素及控制一、工艺系统几何误差对加工精度的影响（一）机床的几何误差第四章机械加工质量及其控制1）导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响导轨是机床中确定各主要部件相对位置关系的基准，也是运动的基准。（2）导轨误差第二节机械加工精度的影响因素及控制一、工艺系统几何误差对加工精度的影响（一）机床的几何误差第四章机械加工质量及其控制导轨在水平面内有直线度误差Δy时，在导轨全长上刀具相对于工件的正确位置将产生Δy的偏移量，使工件半径产生ΔR=Δy的误差。导轨在水平面内的直线度误差将直接反映在被加工工件表面的法线方向(误差敏感方向)上，对加工精度的影响最大。误差的敏感方向：加工误差对加工精度影响最大的方向，为误差的敏感方向。当原始误差方向恰为加工表面法线方向时，引起的加工误差为最大；而当原始误差的方向恰为加工表面的切线方向时，引起的加工误差为最小，通常可以忽略。1）导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响（2）导轨误差第二节机械加工精度的影响因素及控制一、工艺系统几何误差对加工精度的影响（一）机床的几何误差第四章机械加工质量及其控制2）导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度的影响导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度影响很小，一般可忽略不计。（2）导轨误差第二节机械加工精度的影响因素及控制一、工艺系统几何误差对加工精度的影响（一）机床的几何误差第四章机械加工质量及其控制dΔRR+ΔRRΔZ222)(ZRRR)1()1(212222RRZRRZRRRZ∵122RZ4422222222122821)(12)121(21211)1(RZRZRZRZRZ22212221)1(RZRZ222RZRnmxnnmmmxmmmxx!)1()1(!2)1(1)1(*2)11(x第四章机械加工质量及其控制3）导轨间的平行度误差对加工精度的影响（2）导轨误差第二节机械加工精度的影响因素及控制一、工艺系统几何误差对加工精度的影响（一）机床的几何误差第四章机械加工质量及其控制传动链误差：是指传动链始末两端传动元件相对运动的误差。对于某些表面的加工，如车螺纹、滚齿和插齿等，为了保证工件的精度，要求工件和刀具间的运动必须有准确的速比关系。当传动链中的各传动元件（如齿轮、蜗轮、蜗杆等）存在制造误差、装配误差和磨损，会破坏正确运动关系，影响刀具与工件间相对运动的正确性使工件产生误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。机床传动链误差是影响表面加工精度的主要原因之一。提高传动元件的制造精度和装配精度，减少传动件数，均可减小传动链误差。（3）传动链误差第二节机械加工精度的影响因素及控制一、工艺系统几何误差对加工精度的影响（一）机床的几何误差第四章机械加工质量及其控制第二节机械加工精度的影响因素及控制一、工艺系统几何误差对加工精度的影响（二）工艺系统其他几何误差（1）刀具误差（2）夹具误差（3）测量误差（4）调整误差第四章机械加工质量及其控制第二节机械加工精度的影响因素及控制二、工艺系统受力变形对加工精度影响在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力等的作用下，工艺系统将产生相应的变形（弹性变形和塑性变形）和振动。这种变形和振动，会破坏刀具和工件之间的成型运动和位置关系和速度关系，还影响切削运动的稳定性，从而造成各种加工误差。工艺系统的受力变形通常是弹性变形，一般说来，工艺系统抵抗弹性变形的能力越强，加工精度越高。第四章机械加工质量及其控制机械加工中，工艺系统在外力的作用下，将产生相应变形,使工件产生加工误差。工艺系统在外力作用下产生变形的大小，不仅取决于作用力的大小，还取决于工艺系统的刚度。第二节机械加工精度的影响因素及控制二、工艺系统受力变形对加工精度影响（一）工艺系统刚度工艺系统刚度:误差敏感方向上的切削力Fp与工艺系统在该方向上的变形y的比值，称为工工艺系统刚度KxKx=Fp/y(N/mm)工艺系统在某一位置受力作用产生的变形量y应为工艺系统各组成环节在此位置受该力作用产生的变形量的代数和，即：y系＝y机床＋y刀具＋y夹具＋y工件第四章机械加工质量及其控制第二节机械加工精度的影响因素及控制二、工艺系统受力变形对加工精度影响工艺系统在某一位置受力作用产生的变形量y应为工艺系统各组成环节在此位置受该力作用产生的变形量的代数和，即：y系统＝y机床＋y刀具＋y夹具＋y工件而k系统=Fp/y系统，k机床=Fp/y机床，k刀具=Fp/y刀具，k夹具=Fp/y夹具，k工件=Fp/y工件工件夹具刀具机床系kkkkk11111统k系统工艺系统刚度主要取决于薄弱环节的刚度（一）工艺系统刚度第四章机械加工质量及其控制1．受力点位置发生变化引起的工件形状误差第二节机械加工精度的影响因素及控制二、工艺系统受力变形对加工精度影响（二）工艺系统刚度对加工精度的影响例：若在车床顶尖间加工刚度低的细长杆，则工艺系统的位移取决于工件的变形，其刚度为：在车床顶尖间加工刚度很高的短粗光轴，则工艺系统的总位移取决于机床头/尾座和刀架(包括刀具)的位移。第四章机械加工质量及其控制lxFFp尾座lxlFFp头座22111lxklxlkkFyyypx尾座主轴刀架刀架系统lxyyyyyxx)(头座尾座头座头座k系统1．受力点位置发生变化引起的工件形状误差第二节机械加工精度的影响因素及控制二、工艺系统受力变形对加工精度影响（二）工艺系统刚度对加工精度