1、第五章机械制造的质量分析第五章机械制造的质量分析第一节概述第二节机械加工精度第三节机械加工的表面质量第一节概述第一节概述一、机械加工质量二、加工精度与加工误差三、获得机械加工精度的方法1.获得尺寸精度的方法(1)试切法通过试切测量调整再试切，反复进行，直至达到要求为止。(2)调整法预先按要求调整好刀具与工件的位置并在一批零件的加工中均保持此位置不变，以获得规定的加工尺寸。(3)定尺寸刀具法直接靠刀具的尺寸来保证工件的加工尺寸，如钻孔、铰孔，工件的孔径靠钻头、铰刀的直径来保证。(4)自动控制法将测量装置、进给装置和控制系统组成一个自动加工系统，加工过程中测量装置自动测量工件的加工尺寸，并与要求的
2、尺寸进行比较后发出信号，信号通过转换、放大后控制进给系统对刀具或机床的位置作相应的调整，直到达到规定的加工尺寸要求，加工自动停止。2.获得形状精度的方法(1)轨迹法它是依靠刀具与工件的相对运动轨迹获得工件形状。(2)成形法是利用成形刀具加工工件的成形表面以获得所要求的形状精度的方法。(3)展成法滚齿、插齿等齿轮加工都是用展成法来获得齿形的。3.获得位置精度的方法第一节概述第一节概述第二节机械加工精度第二节机械加工精度图5-1原始误差的方向对加工精度的影响一、原理误差原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的刀具切削刃形状来加工而产生的加工误差。二、工艺系统几何误差(一)机床的几何误差1.主轴旋转
3、误差第二节机械加工精度第二节机械加工精度图5-2主轴旋转误差的分解a)径向圆跳动b)轴向窜动c)角度摆动第二节机械加工精度第二节机械加工精度(1)主轴旋转误差的概念理论上，主轴旋转时的旋转轴线应与主轴的几何轴线重合，且在旋转的过程中该轴线在空中的位置应保持不变。1)径向圆跳动：主轴瞬时旋转轴线始终作平行于平均旋转轴线的径向漂移运动。2)轴向窜动：主轴瞬时旋转轴线相对于平均旋转轴线在轴向的漂移运动。3)角度摆动：主轴瞬时旋转轴线与平均旋转轴线成一倾斜角，其交点位置固定不变的漂移运动。(2)主轴旋转误差对加工精度的影响机床主轴上一般都安装有刀具或工件，其旋转误差一方面使表面成形运动不准确，另一方面
4、使刀具与工件之间的正确位置遭到破坏。第二节机械加工精度第二节机械加工精度2.机床导轨误差(1)导轨的直线度误差导轨的直线度误差可有水平和垂直两个方向，如图5-3所示。图5-3机床导轨的直线度误差a)水平面内的直线度b)垂直面内的直线度第二节机械加工精度第二节机械加工精度(2)导轨在垂直平面内的平行度误差如图5-4所示，机床前、后两导轨在垂直平面内不平行会造成其上的运动部件前后摆动，使得刀具或工件的运动轨迹成了一条空间曲线，从而造成工件形状误差。图5-4两导轨不平行及其引起的加工误差a)两导轨不平形b)造成的加工误差3.传动链误差第二节机械加工精度第二节机械加工精度(二)夹具、刀具的误差1.夹具
5、的误差2.刀具的误差(1)用试切法加工工件的尺寸精度取决于刀具相对于工件位置的调整，刀具的制造误差对工件加工精度没有直接影响。(2)用定尺寸法加工刀具的制造误差将直接引起工件的尺寸误差。(3)用成形法加工成形刀具切削刃的形状误差、磨损或刀具安装不正确将直接造成工件的形状误差。(三)测量误差(四)调整误差1.试切法加工中的调整误差2.调整法加工的调整误差第二节机械加工精度第二节机械加工精度三、工艺系统的受力变形(一)工艺系统的刚度1.刀具、工件的刚度2.机床、夹具等部件的刚度3.接触刚度(二)工艺系统受力变形对加工精度的影响1.切削力的影响(1)切削力作用点位置变化工件、刀具的刚度随力作用点位置
6、而变，因此造成各处让刀量不等，从而造成工件形状误差。第二节机械加工精度第二节机械加工精度图5-5切削力作用点位置变化造成的工件误差a)鼓形b)鞍形c)孔素线不直(2)切削力大小的变化当由毛坯误差造成实际背吃刀量变化时，会引起切削力Fp大小的变化，而Fp大小的变化又会造成让刀量的变化，从而使加工后的工件保留了与毛坯相似的误差。第二节机械加工精度第二节机械加工精度图5-6毛坯的误差复映第二节机械加工精度第二节机械加工精度2.其他力的影响(1)离心惯性力和传动力离心惯性力和传动力共同的特点是力的方向在每一转中不断地改变，因此它在y向的分力有时和切削力同向，有时则相反，从而破坏工艺系统各成形运动的位置
7、精度。(2)夹紧力刚性较差的工件安装时，夹紧力方向和作用点不当，都会引起工件的相应变形，从而造成加工误差。(3)重力重力的影响主要是引起机床的变形，使机床原有几何精度丧失。(4)工件内应力的影响内应力是指当外部载荷去除后，仍然残存在工件内部的应力。(三)减小工艺系统受力变形的途径第二节机械加工精度第二节机械加工精度(1)提高接触刚度对各零、部件的接触面，可通过提高其形状精度、表面硬度、降低表面粗糙度值、预加载荷等措施来提高接触刚度。(2)提高刀具的刚度对于刚度较差的刀具，如镗杆、内圆磨砂轮杆等，可采用加装辅助支承等办法来提高其支承刚度。(3)合理装夹工件，减少工件变形当工件刚度较差时，工件变形
8、就成了影响加工精度的主要矛盾。1)夹紧工件时应夹工件刚性好的方向和部位。2)使夹紧力对准定位支承，从而使工件受“拉压”而不受弯矩作用。3)加装辅助支承，提高支承刚度，如车细长轴时采用跟刀架、中心架等辅助支承等。第二节机械加工精度第二节机械加工精度4)使夹紧力分散，避免局部压强过大。(4)提高机床、夹具等部件的刚度可从加强薄弱环节，使各零部件的刚度基本一致；提高接触精度；采用“预紧”的办法(如当工作台纵向进给时把横向、垂向锁紧；在机床主轴锥孔中装刀、装夹具时用拉杆从主轴后端将刀具或夹具拉紧等)消除间隙等。(5)消除离心惯性力、重力的影响如对高速旋转件进行仔细的平衡、装夹偏心工件时加配重块；安装大
9、型机床、工件时，支承点位置布置在离两端2L/9处(L是被支承面的全长)、加装辅助支承等。四、工艺系统的热变形1.工艺系统的热源(1)切削热切削过程中产生的热量大部分传给了切屑，少部分传给了刀具和工件。第二节机械加工精度第二节机械加工精度(2)摩擦热工艺系统中凡有相对运动的地方均会产生摩擦热，如轴承、导轨、传动齿轮、摩擦离合器、液压系统以及电动机等。(3)外部热源工艺系统外部环境的温度变化，如气温的变化以及阳光、灯光、暖气散热片的影响等。2.工艺系统的热平衡3.机床热变形的趋势及其引起的加工误差4.工件热变形及其对加工精度的影响5.刀具的热变形及其对加工精度的影响6.减少工艺系统热变形的工艺措施
10、(1)减少发热合理选择切削用量和刀具角度、及时修整砂轮和刃磨刀具，以减少切削热；对各摩擦部位加强润滑，以减少摩擦热。(2)加强散热采用冷却性能好的切削液，使切削区温度降低。第二节机械加工精度第二节机械加工精度(3)隔离热源将润滑油池、液压油箱、电动机等移出机床外；及时将切屑排出机床外或用隔热垫来接切屑，以免将热量传给机床。(4)控制温度变化加工前先让机床高速空运转一段时间，使系统达到热平衡后再加工；在恒温室内加工。(5)误差补偿装夹工件时给工件附加一个夹紧力，用工件受力产生的弹性变形去弥补热变形(如磨床床身导轨，工件的热变形会使磨出的工件中凹，装夹床身时，在中部用螺栓压板加压，使其加工前先产生
11、一个中凹变形，就可避免因热变形而使中部磨去较多的现象)。第二节机械加工精度第二节机械加工精度第三节机械加工的表面质量第三节机械加工的表面质量一、表面质量的含义1.表面粗糙度和波纹度2.表面层物理力学性能1)表面层冷作硬化：表层的显微硬度高于母体。2)表面层残余应力：加工后，表层中残留的压应力或拉应力。3)表面层金相组织变化：表层的金相组织与基体不同。二、表面质量对产品使用性能的影响1.表面粗糙度(1)对工作精度的影响表面粗糙度的影响主要是使实际接触面积减小。(2)对机器使用寿命的影响机器的寿命与其耐磨性和抗疲劳性有关。2.表面冷作硬化3.表面残余应力4.表面金相组织的变化三、影响表面质量的因素
12、及其控制措施(一)影响表面粗糙度的因素及其控制措施1.切削加工(1)合理选择切削用量 1)进给量f：减小f可使残留面积高度降低，从而使表面粗糙度值降低。2)切削速度c：c主要是通过对积屑瘤和鳞刺的影响来起作用的。(2)合理选择刀具角度 1)前角o和刃倾角s：虽然o和s不直接影响残留面积高度，但却通过对切削力、金属塑性变形、切屑的流向等的影响而间接影响表面粗糙度。第三节机械加工的表面质量第三节机械加工的表面质量2)主偏角r、副偏角r和刀尖圆弧半径：适当减小r、r,增大均可使残留面积高度降低，因而对降低表面粗糙度值有利。3)刀具本身的表面粗糙度刀具前刀面粗糙会使刀具与切屑摩擦增大，容易生成积屑瘤；
13、刀具后刀面粗糙会加剧刀具与工件已加工面之间摩擦，都会影响工件的表面粗糙度。(3)改善工件材料的切削性能一般来说，切削太硬和太软的材料及韧性太大的材料都不易得到光洁的表面，金相组织粒度越细的材料越容易获得光洁的表面。(4)正确选择切削液切削液的冷却和润滑作用对降低表面粗糙度值都有利，其中更直接的是润滑作用。2.磨削加工(1)合理选择和修整砂轮第三节机械加工的表面质量第三节机械加工的表面质量1)砂轮的粒度：砂粒越细，在工件表面上留下的刻痕越密、越浅，表面粗糙度值就越小。2)砂轮的硬度：砂轮太软，砂粒容易脱落，有利于保持砂粒的锋利，但不利于保持砂粒的等高性；砂轮太硬则正好相反。3)砂轮的修整：砂轮表
14、面修整得不好，表面砂粒不处于同一高度，部分较低的砂粒就没有起到作用，加工时单位时间内通过工件被磨表面的磨粒数就减少，表面就粗糙。(2)合理选择磨削用量1)砂轮线速度vs：vs大，同一时间内参加磨削的砂粒就多，每颗磨粒切去的金属厚度就少，工件表面刻痕就密，因此也就越光滑。2)工件的线速度vg：vg大，单位时间内划过工件被磨表面的磨粒数就减少，刻痕就疏，磨出的表面就粗糙。第三节机械加工的表面质量第三节机械加工的表面质量3)纵向进给量fa：同样道理，纵磨法磨削时适当减小fa可使工件表面粗糙度值减小。4)背吃刀量(磨削深度)p：p的增大将使塑性变形增大，从而使工件表面变粗。(二)影响表面物理力学性能的
15、因素及其控制1.表面冷作硬化2.表面残余应力3.表面层金相组织变化四、机械加工中的振动1.受迫振动(1)受迫振动产生的原因外界周期性的干扰力是引起受迫振动的根源，而周期性的干扰力的来源有以下几方面。第三节机械加工的表面质量第三节机械加工的表面质量1)回转件的不平衡：砂轮、齿轮、带轮、电动机的转子、偏心夹具、偏心工件等回转件，若不平衡就会造成离心惯性力。2)传动件的制造缺陷：如齿轮的制造、安装精度不高，传动时产生冲击、滚动轴承间隙过大、滚动体尺寸不均匀、平带的接头、V带的厚度不均匀、往复运动换向时的冲击，液压系统的压力脉动等。3)断续切削：被加工表面不连续(如花键轴)，铣削、刨削等加工时刀齿的切
16、入切出，砂轮硬度不均，磨损不均等，都会造成切削力周期性变化。4)从地基传来的外部振源：机床附近有锻压设备、通道运输设备等，这些设备引起的振动通过地基传入机床。(2)减小或消除受迫振动的途径1)排除振源。第三节机械加工的表面质量第三节机械加工的表面质量2)隔振。3)避开共振区。4)提高系统抗振性。2.自激振动(1)合理选择切削用量避开中速切削。(2)合理选择刀具角度加大主偏角r。(3)改进刀具结构和方位采用图5-7所示的减振刀具结构，都有利于减少自振的产生。第三节机械加工的表面质量第三节机械加工的表面质量第三节机械加工的表面质量第三节机械加工的表面质量图5-7减振刀具结构a)弯头刨刀b)弹性刀杆车刀c)改变车刀安装角度d)削扁镗杆1镗杆2刀头3调整螺钉(4)提高工艺系统的抗振性提高抗振性可从提高系统刚度，增大机床结构的阻尼，增强机床与地基的连接刚度，提高刀杆的截面惯性矩、刀杆材料的弹性模量和阻尼性等方面来考虑。(5)加装减振器减振器的作用是增加阻尼、消耗吸收振动能量，使振动不能维持。第三节机械加工的表面质量第三节机械加工的表面质量
