第一章-加工质量控制基础

机械加工机械加工质量控制与检测加工精度表面质量加工工艺控制郑州城市学院2第1章加工质量控制基础1.1零件的使用性能与加工质量1.2零件加工过程质量控制的影响因素1.3加工过程质量控制措施1.4几种典型零件的加工质量控制1.1零件的加工质量与使用性能◆机械产品组成：零件、组件、部件、机构等组成机器。机器的性能、寿命、可靠度等取决于零件质量（机器的加工和装配调试）。◆零件的加工缺陷直接影响零件的耐磨性、疲劳强度、抗腐蚀性、配合精度等使用性能，还会引起应力集中、应力腐蚀，从而加速零件的失效。◆产品的配合性能、耐磨损性、抗腐蚀性和抗疲劳破坏能力等使用性能都与零件的加工质量有关。31.1.1零件使用性能（质量）◆性能分类：功能性能和使用性能◆使用性能：是指产品在一定条件下，实现预定目的或者规定用途的能力。任何产品都具有其特定的使用目的或者用途。功能性能；产品规定功能或者规定用途要求。◆符合性质量：标准规定的，能够检验◆二者关系：功能性能规定是前提，使用性能实现是保证（统称为可靠性，可行性介绍）。4◆为保证产品正常发挥其功能，具有良好的使用性能，需保证零件的加工质量，对加工工艺过程进行控制。◆工艺？◆工艺过程？5◆工艺：就是制造产品的方法。◆生产过程：是指将原材料转变为成品的全过程.◆工艺过程：在生产过程中，凡是改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程称为工艺过程。◆机械加工：常温加工和加热加工及介于两者之间的加工。.◆机械加工工艺过程：采用机械加工的方法，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。671.1.2零件的加工质量◆加工质量（基础）保证产品的功能要求和使用性能。加工质量有哪些要求？◆零件的加工质量包括零件的加工精度和表面质量两个方面的内容。相组织变化）变质层（力学性能及金材料性能方面表面粗糙度微观相互位置误差形状误差尺寸误差加工误差宏观几何方面加工质量波度：介于宏观几何形状误差与微观表面粗糙度之间的几何形状误差加工质量包含两方面内容：加工精度（影响功能发挥）和表面质量（影响使用性能）1.加工精度：加工精度实质是指零件加工后的尺寸、形状、位置等实际几何参数与公称几何参数相符合的程度。实际参数与公称参数之间的偏离程度称为误差；误差越大，精度越低，零件的加工质量越差。在规定值（公差）之内合格。公差、误差和精度的关系。9国家标准规定：常用的分为20级，分别用IT01、IT0、IT1、IT2…IT18表示。数字越大，精度越低。常用IT5-IT13精度•高精度：IT5、IT6通常由磨削加工获得。•中等精度：IT7-IT10通常由精车、铣、刨获得。•低精度：IT11-IT13通常由粗车、铣、刨、钻等加工方法获得。几何公差：形成：机械零件由几何要素组成,零件加工后，不仅存在尺寸误差,而且还会产生形状.方向和位置误差,其表面、轴线、中心对称平面等的实际形状和位置相对于所要求的理想形状和位置，存在着误差，这种误差称为形状和位置误差，简称几何误差。形状位置精度用等级公差表示。影响；产品的使用性能和互换性.如由于间隙不均加剧磨损或影响强度.位置不对影响装配（互换性）等,所以正确确定几何公差是机械产品精度设计的重要内容之一.设计依据是产品使用要求和相关标准.制造依据产品标准。几何公差的特征符号公差带的主要形状形状公差：（1）平面度公差带公差带为间距等于公差值t的两平行平面所限定的区域。（2）圆度公差带公差带为在给定横截面内，半径差等于公差值t的两同心圆所限定的区域。（3）圆柱度公差带公差带为半径差等于公差值t的两同轴线圆柱面所限定的区域。方向公差：（1）平行度公差带面对面平行度公差带:公差带为间距等于公差值t且平行于基准平面的两平行平面所限定的区域。（2）垂直度公差带面对面垂直度公差带:公差带为间距等于公差值t且垂直于基准平面的两平行平面所限定的区域。（3）线对面垂直度公差带在任意方向上，公差带为直径等于公差值Φt且轴线垂直于基准平面的圆柱面所限定的区域。（4）圆跳动公差((径向.轴向.斜向)◆加工质量影响装配质量（互换性）和功能的发挥。◆加工零件的质量控制内容包括：在零件加工过程中的质量控制工艺措施和加工内容完成后的检验测量。◆零件质量控制—加工工艺和检测的控制。23242.表面质量：指机械加工后零件表面层的微观几何结构及表层金属材料性质发生变化的情况。它是零件加工后表面层状态完整性的表征。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。极薄（几微米——几十微米），总存在一定的微观几何形状的偏差，表面层的物理力学性能也发生变化。但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。表面几何形状特征:（表面粗糙度和表面波度）表面物理力学状态（表面加工硬化、表面金相组织和表面残余应力）25◆表面的几何形状特征：加工表面的微观几何特征主要包括表面粗糙度和表面波度两部分组成。表面粗糙度是指加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性，它是一种微观几何形状误差，也称为微观不平度。表面粗糙度应与形状误差（宏观几何形状误差）和表面波度区别开。通常，波距小于1mm的属于表面粗糙度，波距在1-10mm的属于表面波度，波距大于10mm的属于形状误差工作表面:Ra3.2-0.4um，非工作表面：Ra12.5-3.2um以上。26产生原因：切削加工时，由于振动，刀痕及刀具与零件之间的摩擦，在制造的零件表面不可避免的产生一些微小的峰谷。零件表面上这些微小的峰谷的高低程度就称为表面粗糙度。粗加工后的表面用肉眼就能看到，精加工后的表面用放大镜或显微镜仍能观察到。从相反概念的角度表面粗糙度也可以称为表面光洁度。27◆表面物理力学状态（表面加工硬化、表面金相组织和表面残余应力）：加工前后状态变化。物质组成：分子-原子-晶格（原子排列形式），晶格排列不同决定材料性能不同。表面加工硬化：机械加工中产生的塑性变形使表层晶格扭曲、畸变、挤紧、晶粒间产生滑移，表层材料硬度、强度增加的现象—冷作硬化。变形越大加工硬化越严重。（加工过程材料硬化—热处理—晶格恢复）28表面金相组织：加工过程中加工区域（表层）温度达到或超过工件材料相变温度时，金相组织会发生变化，其金属性能发生变化。残余应力：机械加工中工件冷（热）态塑性变形和金相组织变化（切削力和切削热的作用）的综合结果。表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的力，使其性能不稳定。这种应力即为表面层的残余应力（内应力）。工件内应力：外部载荷去除后仍残存在工件内部的应力为内应力；内应力往往处于一种不稳定的平衡状态。在外部因素作用下，内应力重新分配工件变形，破坏原有的加工精度。2930◆零件的加工精度影响规定功能的发挥，如汽车刹车、转向；拖拉机耕地、提升等和装配性能（互换性）◆零件的使用性能主要包括零件的装配性能、耐磨性、抗疲劳强度、耐腐蚀性，零件的加工质量会对它们产生直接的影响。◆主要影响见下：◆表面粗糙度对耐磨性的影响一般说表面粗糙度值越小，零件耐磨性越好。但表面粗糙度值太小，紧密接触的两个光滑表面之间润滑油不易储存，容易发生分子粘接，磨损反而增加。◆表面加工硬化对耐磨性的影响表面层的加工硬化使摩擦副表面层金属的硬度提高，所以一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度越高，耐磨性就越高，这是因为过度的加工硬化将会引起裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。（1）零件的表面质量对耐磨性的影响(2）零件的表面质量对抗疲劳强度的影响◆表面粗糙度对抗疲劳强度的影响表面粗糙度值越大，应力集中越严重，越容易形成和扩展疲劳裂纹。表面层残余应力对抗疲劳强度的影响◆表面层残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残余压应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生。◆表面加工硬化对抗疲劳强度的影响加工硬化可以在零件表面形成一个冷硬层能够防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。但是如果冷硬层过深过硬，反而容易产生疲劳裂纹。（3）零件的表面质量对耐蚀性能的影响◆表面粗糙度值越大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就越多，渗透和腐蚀作用就越强烈。因此，零件的表面粗糙度值越大，耐蚀性能就越差。◆表面层的残余拉应力会降低零件的耐蚀性而残余压应力则能增强零件的耐蚀性。（4）零件的表面质量对配合精度的影响◆对于间隙配合表面粗糙度值大（精度低）会使磨损加大，使实际间隙增大，破坏了要求的配合性质。对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，使实际过盈量减小，降低了配合件之间的连接强度。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机械加工表面质量的影响◆产品质量—零件加工（装配）质量—工艺—检测的控制◆对加工零件的质量控制内容包括：在零件加工过程中的质量控制工艺措施和加工内容完成后的检验测量。36371.2零件加工过程质量控制的影响因素◆工艺过程决定了零件的质量，如何控制，要求是什么？有哪些影响因素？◆穿插（机加加工视频）和车削示意图◆1.加工工艺系统：由机床、夹具、刀具和工件组成。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。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。◆加工工艺系统的误差是工件产生加工误差的根源，系统的误差决定了零件的精度。38◆原始误差：加工工艺系统的误差是工件产生加工误差的根源，我们把工艺系统的各种误差称之为原始误差。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◆原始误差如下表：◆控制原始误差是确保加工质量（包括加工精度和表面质量）有效措施之一。39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加工前加工中加工后41加工误差产生的原因◆加工前的误差◆理论误差、装夹误差、机床制造、安装误差及刀具误差、夹具误差、调整误差。◆加工中的误差◆工艺系统受力变形、工艺系统受热变形、刀具磨损、测量误差、残余应力引起的变形。◆控制方法与措施：◆试切法、调整法、定尺寸刀具法、自动控制法、误差转移法、误差分组法、42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。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。1.3加工质量控制措施◆控制原始误差是确保加工质量（包括加工精度和表面质量）有效措施之一。◆以车加工（图示）为例分别讨论。◆补充知识：工艺系统各部分介绍、刀具、三要素、受力和受热变形特点、成型原理。常用的术语：积屑瘤、复映误差等44工程制图1.机床和工艺系统介绍（三爪卡盘、刀架、跟刀架和尾座等）(插入视频)CA6140车床外形图2.刀具组成麻花钻螺纹刀具(梳刀)盘形铣刀3.金属的切削原理金属的切削过程是被切削金属层在刀具切削刃和前刀面的挤压作用下而产生剪切、滑移变形的过程。切削金属时，切削层金属受到刀具的挤压开始产生弹性变形，随着刀具的推进，应力、应变逐渐加大，当应力达到材料的屈服强度时产生塑性变形，刀具再切入，当应力达到材料的抗拉强度时，金属层被挤裂而形成切屑。Ⅰ、滑移变形区Ⅱ、前刀面摩擦变形区Ⅲ、后刀面摩擦变形区4.车削表面的形成：5.切削三