1、机械工程师资格考试机械工程师资格考试第四部分第四部分 机械制造工艺机械制造工艺11/16/20221南京理工大学4.4.5 4.4.5 加工表面质量和精度加工表面质量和精度表面层相变表面层残余应力表面层冷作硬化表面层物理机械性能表面波度表面粗糙度表面微观几何形状表面质量形状精度位置精度尺寸精度加工精度加工质量机械加工质量机械加工质量11/16/20222南京理工大学1.1.机械加工精度机械加工精度 加工精度：加工精度：是指零件加工后，其几何参数的实际数值与图是指零件加工后，其几何参数的实际数值与图纸规定的设计数值相符合的程度。纸规定的设计数值相符合的程度。尺寸精度尺寸精度 几何形状精度几何形状
2、精度 相互位置精度相互位置精度1 1）加工精度的概念）加工精度的概念11/16/20223南京理工大学1 1）加工精度的概念）加工精度的概念 尺寸精度尺寸精度 相互位置精度相互位置精度 几何形状精度几何形状精度加工表面的实际尺寸与设计尺寸的符合程度加工表面的实际尺寸与设计尺寸的符合程度（公差带的宽度和公差带的位置）（公差带的宽度和公差带的位置）在国标中尺寸公差分在国标中尺寸公差分2020级（级（IT01IT01、IT0IT0、IT1IT18IT1IT18）加工表面的实际几何要素与理想几何要素的符合程度加工表面的实际几何要素与理想几何要素的符合程度在国标中形状公差有六项：在国标中形状公差有六项：
3、直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。加工表面的实际几何要素的位置与理想几何要素的位置的符合程度加工表面的实际几何要素的位置与理想几何要素的位置的符合程度国标中位置公差有八项国标中位置公差有八项平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度、位置度、圆跳动、全跳动。对称度、位置度、圆跳动、全跳动。11/16/20224南京理工大学2 2）加工误差与原始误差）加工误差与原始误差加工误差加工误差原始误差原始误差包括机床、夹具、刀具及工件在内的机械加工工艺系统各环包括机床、夹具、刀具及工件在内的机械加工工艺系统各环
4、节的误差。节的误差。指零件加工后，其几何参数的实际数值与图纸规定的设计数指零件加工后，其几何参数的实际数值与图纸规定的设计数值不符合的程度，即实际数值与设计数值之差。值不符合的程度，即实际数值与设计数值之差。工艺系统的制造误差及磨损工艺系统的制造误差及磨损工艺系统的力、热效应引起的变形工艺系统的力、热效应引起的变形加工过程其他原始误差加工过程其他原始误差原始误差的来源（工艺系统）原始误差的来源（工艺系统）11/16/20225南京理工大学工艺系统的制造误差及磨损工艺系统的制造误差及磨损工艺系统的力、热效应引起的变形工艺系统的力、热效应引起的变形加工过程其他原始误差加工过程其他原始误差原始误差的
5、来源（工艺系统）原始误差的来源（工艺系统）机床（主轴、导轨、传动链）、夹具（定位、对刀、分机床（主轴、导轨、传动链）、夹具（定位、对刀、分度等）、刀具等的制造误差及磨损度等）、刀具等的制造误差及磨损工艺系统受力变形（切削、夹紧、惯性等力）工艺系统受力变形（切削、夹紧、惯性等力）工艺系统热变形（切削热、摩擦热、其他热等）工艺系统热变形（切削热、摩擦热、其他热等）工件残余应力引起的变形（变形、金相组织等）工件残余应力引起的变形（变形、金相组织等）加工原理误差（近似的成形运动、刀具刃形等加工原理误差（近似的成形运动、刀具刃形等)工件定位误差（定位方案本身）工件定位误差（定位方案本身）调整误差（安装、
6、测量工具、试切与实切的切削参数差异等）调整误差（安装、测量工具、试切与实切的切削参数差异等）测量误差（测量方法、环境条件、人为因素等）测量误差（测量方法、环境条件、人为因素等）11/16/20226南京理工大学原始误差与加工误差的关系原始误差与加工误差的关系 原始误差对加工误差的影响主原始误差对加工误差的影响主要是它在加工（工序）尺寸方向要是它在加工（工序）尺寸方向上的分量的大小的作用。上的分量的大小的作用。一般是切削加工表面的法向。原始误一般是切削加工表面的法向。原始误差在该方向对加工精度影响最大。差在该方向对加工精度影响最大。误差敏感方向误差敏感方向一般是切削加工表面的切向。原始误一般是切
7、削加工表面的切向。原始误差在该方向对加工精度影响最小差在该方向对加工精度影响最小。误差不敏感方向误差不敏感方向11/16/20227南京理工大学3)3)获得加工精度的方法获得加工精度的方法试切法试切法：通过试切：通过试切测量测量调整调整再试切获得尺寸精度再试切获得尺寸精度的方法的方法 尺寸精度的获得方法尺寸精度的获得方法调整法调整法：通过预调好的机床、夹具、刀具、工件的相对位置，：通过预调好的机床、夹具、刀具、工件的相对位置，来保证一批工件尺寸精度的方法。来保证一批工件尺寸精度的方法。定尺寸刀具法定尺寸刀具法：用一定形状和尺寸的刀具加工获得。：用一定形状和尺寸的刀具加工获得。自动控制法自动控制
8、法：用一定的测量、进给及控制装置，边加工边测：用一定的测量、进给及控制装置，边加工边测量边调整，自动完成一个加工循环。量边调整，自动完成一个加工循环。11/16/20228南京理工大学3)3)获得加工精度的方法获得加工精度的方法 形状精度的获得方法形状精度的获得方法p 成形运动法成形运动法轨迹成形法轨迹成形法:利用刀具与工件间的相对运动轨迹来获得形状。利用刀具与工件间的相对运动轨迹来获得形状。成形刀具法：成形刀具法：利用成形刀具加工获得表面形状。利用成形刀具加工获得表面形状。展成法：展成法：利用刀具与工件相对运动关系，使工件被刀具切削成利用刀具与工件相对运动关系，使工件被刀具切削成一定形状的包
9、络线所构成的加工表面。一定形状的包络线所构成的加工表面。p 非成形运动法非成形运动法人工修配人工修配样板加工样板加工划线加工划线加工11/16/20229南京理工大学3)3)获得加工精度的方法获得加工精度的方法 位置精度的获得方法位置精度的获得方法主要由机床和夹具精度以及工件的安装精度来保证。主要由机床和夹具精度以及工件的安装精度来保证。装夹的方式：装夹的方式：直接找正装夹直接找正装夹 划线找正装夹划线找正装夹 夹具装夹。夹具装夹。11/16/202210南京理工大学直接找正装夹直接找正装夹11/16/202211南京理工大学划划 线线 找找 正正 装装 夹夹11/16/202212南京理工大
10、学夹夹 具具 装装 夹夹11/16/202213南京理工大学4)4)工艺系统几何误差工艺系统几何误差机床精度取决于其制造精度、装配精度及磨损情况。机床精度取决于其制造精度、装配精度及磨损情况。主要有主轴误差、导轨误差、传动链误差等。主要有主轴误差、导轨误差、传动链误差等。机床误差机床误差几何偏心几何偏心回转误差回转误差直线度误差直线度误差导轨扭曲导轨扭曲纯角度摆动纯角度摆动纯径向跳动纯径向跳动纯轴向窜动纯轴向窜动主轴误差主轴误差导轨误差导轨误差传动链误差传动链误差11/16/202214南京理工大学 车床加工将产生同轴度、垂直度等位置误差；车床加工将产生同轴度、垂直度等位置误差；镗床和钻床会造
11、成孔径的扩大。镗床和钻床会造成孔径的扩大。p主轴误差主轴误差主轴几何偏心引起的误差主轴几何偏心引起的误差11/16/202215南京理工大学主轴回转误差分析主轴回转误差分析11/16/202216南京理工大学主轴纯径向跳动对加工精度的影响主轴纯径向跳动对加工精度的影响车削外圆、镗孔时产生圆度误差。车削外圆、镗孔时产生圆度误差。主轴纯角度摆动对加工精度的影响主轴纯角度摆动对加工精度的影响车削加工时产生圆度、圆柱度或端面形状误差；车削加工时产生圆度、圆柱度或端面形状误差；镗削加工时将产生圆度或圆柱度误差镗削加工时将产生圆度或圆柱度误差主轴纯轴向窜动对加工精度的影响主轴纯轴向窜动对加工精度的影响端面
12、跳动、螺距周期误差。端面跳动、螺距周期误差。11/16/202217南京理工大学主轴误差对加工精度的影响要具体情况具体分析主轴误差对加工精度的影响要具体情况具体分析 镗床镗孔时刀具随机床主轴镗床镗孔时刀具随机床主轴回转，切削力和误差敏感方向回转，切削力和误差敏感方向也在变化，也在变化，轴线的位置变化会轴线的位置变化会直接反映到工件上去直接反映到工件上去。车削是工件回转，切削车削是工件回转，切削力和误差敏感方向不变，力和误差敏感方向不变，只只有水平方向误差才有水平方向误差才1:11:1地反地反映到工件上映到工件上。相同的误差对于不同加工方法影响各不相同。相同的误差对于不同加工方法影响各不相同。最
13、大最大可能可能11/16/202218南京理工大学提高主轴回转精度的措施提高主轴回转精度的措施n 提高主轴部件的制造精度，选用高精度滚动轴承或采用动压、静提高主轴部件的制造精度，选用高精度滚动轴承或采用动压、静压轴承（刚度高、回转精度高）；压轴承（刚度高、回转精度高）；n 对滚动轴承进行预紧，以消除间隙或产生微量过盈，提高轴承刚对滚动轴承进行预紧，以消除间隙或产生微量过盈，提高轴承刚度。度。n 采用合理的工艺方法来消除主轴回精度对加工精度的影响，主轴采用合理的工艺方法来消除主轴回精度对加工精度的影响，主轴只起传递动力和运动的作用。只起传递动力和运动的作用。采用固定顶尖定位加工，工件轴线不变采用
14、固定顶尖定位加工，工件轴线不变 采用电磁无心磨削加工采用电磁无心磨削加工11/16/202219南京理工大学 工件与主轴之间有偏心量产生传递扭矩，切削力与电磁工件与主轴之间有偏心量产生传递扭矩，切削力与电磁力合力使工件紧贴在可调支承，主轴转动与工件定位无关。力合力使工件紧贴在可调支承，主轴转动与工件定位无关。11/16/202220南京理工大学p导轨误差导轨误差（以车削为例）（以车削为例）直线度误差直线度误差：yR 水平面内：水平面内：RzR22 垂垂直直面面内内：AHR 导轨扭曲：导轨扭曲：螺纹加工、齿轮加工等要求刀具与工件间保持固定的传动关系，传螺纹加工、齿轮加工等要求刀具与工件间保持固定
15、的传动关系，传动误差将影响螺纹导程、齿轮的分度精度等。动误差将影响螺纹导程、齿轮的分度精度等。p传动误差传动误差11/16/202221南京理工大学 刀具误差刀具误差 展成法：展成法：加工表面是无数刀刃轨迹的包络面，刀刃形状为加工表加工表面是无数刀刃轨迹的包络面，刀刃形状为加工表面的共扼曲线，刀具误差会影响加工表面的形状误差。面的共扼曲线，刀具误差会影响加工表面的形状误差。轨迹法：轨迹法：工件表面是刀尖与工件相对运动轨迹的包络面。工件表面是刀尖与工件相对运动轨迹的包络面。定尺寸刀具：定尺寸刀具：如钻头、铰刀、拉刀等，尺寸、形状直接影响工件如钻头、铰刀、拉刀等，尺寸、形状直接影响工件尺寸和形状精
16、度。尺寸和形状精度。刀具磨损：刀具磨损：直接影响刀具的尺寸、形状等，进而影响加工工件的直接影响刀具的尺寸、形状等，进而影响加工工件的尺寸和形状。尺寸和形状。刀具误差包括刀刃廓形制造、刃磨误差及刀具安装误差。刀具误差包括刀刃廓形制造、刃磨误差及刀具安装误差。成形法：成形法：刀具表面廓形刀具表面廓形“复印复印”到加工表面上。安装误差也直接到加工表面上。安装误差也直接影响加工表面形状精度。例如：车削螺纹，车刀安装偏高或偏低，影响加工表面形状精度。例如：车削螺纹，车刀安装偏高或偏低，三角形牙型轮廓会变成双曲线。三角形牙型轮廓会变成双曲线。11/16/202222南京理工大学 夹具制造误差夹具制造误差
17、定位元件、刀具导向装置、对刀装置、分度机构以及夹定位元件、刀具导向装置、对刀装置、分度机构以及夹具体等零件及组件的制造、装配误差。具体等零件及组件的制造、装配误差。夹具磨损引起的定位误差。夹具磨损引起的定位误差。夹具制造误差主要是：夹具制造误差主要是：工件的装夹误差工件的装夹误差 装夹不正确、夹紧变形等装夹不正确、夹紧变形等 测量误差测量误差 测量是对加工的引导，测量方法、原理、水平等引起的误差测量是对加工的引导，测量方法、原理、水平等引起的误差均会造成误导。均会造成误导。11/16/202223南京理工大学5)5)工艺系统受力变形工艺系统受力变形指加到系统上的作用力指加到系统上的作用力P P
18、与由它产生的在作用力方向上与由它产生的在作用力方向上的位移的位移y y的比值。即的比值。即K=P/y K=P/y 工艺系统的刚度工艺系统的刚度 机械加工过程中，在重力、切削力、惯性力、传动力等外力机械加工过程中，在重力、切削力、惯性力、传动力等外力作用下，工艺系统都会变形，破坏刀具与工件间的正确位置，从作用下，工艺系统都会变形，破坏刀具与工件间的正确位置，从而产生加工误差。而产生加工误差。指垂直于待加工表面的切削分力指垂直于待加工表面的切削分力PyPy与工件在与工件在PyPy方向的位移方向的位移之比值。之比值。K=K=Py/yPy/y刚度刚度工艺系统的刚度工艺系统的刚度11/16/202224
19、南京理工大学 工艺系统的变形包括：工件的变形、机床的变形、夹具的工艺系统的变形包括：工件的变形、机床的变形、夹具的变形和刀具的变形等。即变形和刀具的变形等。即所以工艺系统刚度的一般形式为所以工艺系统刚度的一般形式为11/16/202225南京理工大学 切削力对加工精度的影响切削力对加工精度的影响 误差复映：误差复映：有形状误差（或相互位置误差）的工件毛坯，加工时，有形状误差（或相互位置误差）的工件毛坯，加工时，因加工余量不均，引起切削力变化，使工艺系统产生变形。由此形因加工余量不均，引起切削力变化，使工艺系统产生变形。由此形成的形状误差（或位置误差）仍以与毛坯相似的形式、程度不同地成的形状误差
20、（或位置误差）仍以与毛坯相似的形式、程度不同地反映在新的加工表面上。反映在新的加工表面上。为小于为小于1 1的正数，每次切削的复映系数为的正数，每次切削的复映系数为 1 1 ，2 2 ，3 3 最终误差复映系数为最终误差复映系数为=1 1 2 2 3 3 11，故切削次数越多这种故切削次数越多这种“复映复映”的误差越小。的误差越小。工件误差工件误差gg对毛坯误差对毛坯误差 mm的复映程度称为误差复映系数的复映程度称为误差复映系数。即即 =gg/mm11/16/202226南京理工大学例：车削加工短圆柱毛坯。该毛坯有圆度误差（椭圆），系统刚度例：车削加工短圆柱毛坯。该毛坯有圆度误差（椭圆），系统
21、刚度可近似看成常数。因此切削过程中由于背吃刀量的不断变化，系统可近似看成常数。因此切削过程中由于背吃刀量的不断变化，系统的变形量也随之变化，导致加工后的表面仍为椭圆。的变形量也随之变化，导致加工后的表面仍为椭圆。因因y y系统系统 =FpFp/k/k系统系统，所以上式可表达为，所以上式可表达为112112)1(nmwwwnwwn11/16/202227南京理工大学车削细长工件车削细长工件细长工件刚度低，切削细长工件刚度低，切削时工件产生弯曲变形而时工件产生弯曲变形而让刀，且不同的部位变让刀，且不同的部位变形程度不同，加工工件形程度不同，加工工件为腰鼓形。为腰鼓形。11/16/202228南京理
22、工大学车削短而粗的刚性轴车削短而粗的刚性轴 短轴刚度高，切削时工艺系统（主要是机床）的各部分短轴刚度高，切削时工艺系统（主要是机床）的各部分刚度不等，不同的部位变形程度不同而让刀，加工工件为刚度不等，不同的部位变形程度不同而让刀，加工工件为马鞍形，且最小直径出现在中间靠近刚度高的一侧。马鞍形，且最小直径出现在中间靠近刚度高的一侧。在刀具切削点处，工件轴线的位移在刀具切削点处，工件轴线的位移y yx x为为）尾头kkFyPx/(min工艺系统的总变形量为工艺系统的总变形量为y yx x和和y y刀架刀架的简单叠加为的简单叠加为 11/16/202229南京理工大学切削力作用的其他情况切削力作用的
23、其他情况11/16/202230南京理工大学 惯性力对加工精度的影响惯性力对加工精度的影响 单爪拨盘产生离心力而产生定位端面位置误差；传递力矩与单爪拨盘产生离心力而产生定位端面位置误差；传递力矩与切削力矩平衡，径向变形是切削力与传动力所引起的变形量的切削力矩平衡，径向变形是切削力与传动力所引起的变形量的叠加，结果为：心脏线轮廓。叠加，结果为：心脏线轮廓。11/16/202231南京理工大学 夹紧力对加工精度的影响夹紧力对加工精度的影响11/16/202232南京理工大学 重力对加工精度的影响重力对加工精度的影响11/16/202233南京理工大学p减小工艺系统受力变形的措施减小工艺系统受力变形
24、的措施提高工艺系统的刚度提高工艺系统的刚度 包括结构刚度、连接刚度、接触刚度等。包括结构刚度、连接刚度、接触刚度等。工艺装备自身刚度不足。机床、刀具、夹具工艺装备自身刚度不足。机床、刀具、夹具都可能存在此类问题。都可能存在此类问题。零件相互之间使用的连接件刚度不足。零件相互之间使用的连接件刚度不足。零件表面的宏观、微观几何误差使实际接触面零件表面的宏观、微观几何误差使实际接触面积减小而引起的刚度不足。积减小而引起的刚度不足。结构刚度结构刚度连接刚度连接刚度接触刚度接触刚度11/16/202234南京理工大学p减小工艺系统受力变形的措施减小工艺系统受力变形的措施 控制受力大小和方向控制受力大小和
25、方向 通过合理选择切削参数、刀具角度控制切削力或分力的通过合理选择切削参数、刀具角度控制切削力或分力的大小；大小；利用对称性抵消作用力；利用对称性抵消作用力；浮动镗刀、双刃镗刀、对称切削、质量偏心时采用平衡块浮动镗刀、双刃镗刀、对称切削、质量偏心时采用平衡块平衡等。平衡等。改变切削力的方向，避开误差敏感方向。改变切削力的方向，避开误差敏感方向。11/16/202235南京理工大学p减小工艺系统受力变形的措施减小工艺系统受力变形的措施 通过一定的工艺措施减小系统已有误差对加工精度的影响。通过一定的工艺措施减小系统已有误差对加工精度的影响。消除主轴回转原消除主轴回转原始误差对工件加始误差对工件加工
26、的影响工的影响11/16/202236南京理工大学p减小工艺系统受力变形的措施减小工艺系统受力变形的措施改变走刀方向减小受力变形的影响改变走刀方向减小受力变形的影响11/16/202237南京理工大学）减小工艺系统受力变形的措施）减小工艺系统受力变形的措施 采用合理的装夹和加工方式采用合理的装夹和加工方式11/16/202238南京理工大学）减小工艺系统受力变形的措施减小工艺系统受力变形的措施 缩短切削力作用点和支承点的距离，也可使用辅助支承提高零缩短切削力作用点和支承点的距离，也可使用辅助支承提高零件刚度。件刚度。如使用中心架、跟刀架等如使用中心架、跟刀架等 合理使用机床合理使用机床 悬伸长
27、度短、运动间隙小、不运动部件要锁紧。悬伸长度短、运动间隙小、不运动部件要锁紧。11/16/202239南京理工大学 其它措施其它措施 补偿系统受力变形补偿系统受力变形p减小工艺系统受力变形的措施减小工艺系统受力变形的措施11/16/202240南京理工大学 其它措施其它措施 转移误差敏感方向转移误差敏感方向 p减小工艺系统受力变形的措施减小工艺系统受力变形的措施11/16/202241南京理工大学 其它措施其它措施转移误差转移误差p减小工艺系统受力变形的措施减小工艺系统受力变形的措施11/16/202242南京理工大学）工艺系统热变形）工艺系统热变形 工艺系统热源工艺系统热源 切削热、传动系统
28、摩擦能耗发热、派生热源（切屑、冷却液落切削热、传动系统摩擦能耗发热、派生热源（切屑、冷却液落在床身上）、外部热源。在床身上）、外部热源。工艺系统热变形对加工精度的影响工艺系统热变形对加工精度的影响 （1 1）机床由于各部分受热不均匀，发生弯曲和扭曲变形，降低）机床由于各部分受热不均匀，发生弯曲和扭曲变形，降低了机床几何精度，影响加工精度；了机床几何精度，影响加工精度；（2 2）加工短小工件时可以忽略，但测量时要考虑热胀冷缩；）加工短小工件时可以忽略，但测量时要考虑热胀冷缩；（3 3）车长轴时，温度逐渐升高，刀具和工件变形渐大，切除量）车长轴时，温度逐渐升高，刀具和工件变形渐大，切除量逐渐增大，
29、加工工件产生圆柱度误差。均匀热变形量计算：逐渐增大，加工工件产生圆柱度误差。均匀热变形量计算：（4 4）工件单面受力（如铣、刨、磨等），一面受热，工件上拱，）工件单面受力（如铣、刨、磨等），一面受热，工件上拱，加工后加工表面出现中凹。加工后加工表面出现中凹。tLL11/16/202243南京理工大学 减少热变形影响的措施减少热变形影响的措施1)减少发热源：分离电机、液压系统等；减少发热源：分离电机、液压系统等；2)热补偿：均化温度场。如对机床的某些部位进行加热，热补偿：均化温度场。如对机床的某些部位进行加热，使各部分温度均匀，以达到减小热变性的目的；使各部分温度均匀，以达到减小热变性的目的；3
30、)保持系统热平衡：加工前先预热，平衡后在加工；保持系统热平衡：加工前先预热，平衡后在加工；4)环境恒温。环境恒温。11/16/202244南京理工大学例：例：1.1.工件刚度极大，床头刚度大于床尾，分析加工后加工表面工件刚度极大，床头刚度大于床尾，分析加工后加工表面形状误差。形状误差。(a)(a)左小右大锥形；左小右大锥形；(b)(b)形成内凹端面；形成内凹端面；(c)(c)马鞍形，小径靠床头。马鞍形，小径靠床头。2.2.车削工件，产生图示误差，分析主要原因。车削工件，产生图示误差，分析主要原因。(a)(a)锥形：导轨与主轴不平行、刀具磨损；锥形：导轨与主轴不平行、刀具磨损；(b)(b)腰鼓形
31、：工件刚性差，产生让刀；腰鼓形：工件刚性差，产生让刀；(c)(c)马鞍形：工件刚性好，机床两端刚性差。马鞍形：工件刚性好，机床两端刚性差。11/16/202245南京理工大学7 7）工件内应力引起的变形）工件内应力引起的变形 工件的内应力工件的内应力是指当外载荷去掉后仍然存在于工件内部的应力。存在内应力时是指当外载荷去掉后仍然存在于工件内部的应力。存在内应力时工件处于不稳定的平衡状态，应力变化将产生变形。工件处于不稳定的平衡状态，应力变化将产生变形。内应力产生的原因内应力产生的原因 毛坯制造中产生内应力毛坯制造中产生内应力在铸造、锻造、焊接及热处理中工件受热不均及金相组织变化时在铸造、锻造、焊
32、接及热处理中工件受热不均及金相组织变化时体积的变化而产生内应力。体积的变化而产生内应力。11/16/202246南京理工大学表面（薄的部位）先冷却凝固表面（薄的部位）先冷却凝固芯部（厚的部位）后冷却芯部（厚的部位）后冷却 金相组织变化会引起材料密度变化金相组织变化会引起材料密度变化马氏体的密度小（马氏体的密度小（马马=7.75=7.75）奥氏体的密度大（奥氏体的密度大（奥奥=7.96=7.96）局部相变体积变大时受压应力局部相变体积变大时受压应力局部相变体积缩小时受拉应力局部相变体积缩小时受拉应力先冷却部分受压应力先冷却部分受压应力后冷却部分受拉应力后冷却部分受拉应力11/16/202247南
33、京理工大学 刚性较差的、易变形的细长工件，采用冷校直的方法纠正弯曲变刚性较差的、易变形的细长工件，采用冷校直的方法纠正弯曲变形时产生内应力。形时产生内应力。切削过程中切削塑性变形、相变等使工件表面产生残余应力。切削过程中切削塑性变形、相变等使工件表面产生残余应力。弹性变形区域弹性变形区域塑性变形区域塑性变形区域 冷校直引起内应力冷校直引起内应力 切削加工过程中产生内应力切削加工过程中产生内应力11/16/202248南京理工大学 消除内应力的措施消除内应力的措施n 合理设计零件结构：铸件、锻件壁厚均匀，焊接件焊缝分布均合理设计零件结构：铸件、锻件壁厚均匀，焊接件焊缝分布均匀等；匀等；n 尽量不
34、采用冷校直工艺：精密件严禁冷校直，可热校直或加大尽量不采用冷校直工艺：精密件严禁冷校直，可热校直或加大余量多切削；余量多切削；n 合理安排时效处理消除内应力；合理安排时效处理消除内应力；n 合理安排工艺过程：粗加工后过一定时间后再精加工，或者粗合理安排工艺过程：粗加工后过一定时间后再精加工，或者粗加工后松开工件重新以较小的力装夹等，都可以收到较好的效加工后松开工件重新以较小的力装夹等，都可以收到较好的效果。果。11/16/202249南京理工大学2.2.加工表面质量加工表面质量表面微观几何形状：表面微观几何形状：表面粗糙度（表面粗糙度（S/H40S/H40）表面波度（表面波度（50S/H100
35、0)50S/H1000)表面层物理机械性能：表面层物理机械性能：表面层冷作硬化表面层冷作硬化 表面层残余应力表面层残余应力 表面层相变表面层相变1 1）表面质量的概念表面质量的概念指零件加工后的表面微观几何形状和表面的物理力学性能状指零件加工后的表面微观几何形状和表面的物理力学性能状态。表面质量包括：态。表面质量包括：表面质量对零件的耐磨性、疲劳性能、配合性能、耐腐蚀性等表面质量对零件的耐磨性、疲劳性能、配合性能、耐腐蚀性等有很大影响有很大影响11/16/202250南京理工大学2 2）表面质量对零件使用性能的影响）表面质量对零件使用性能的影响 对零件耐磨性的影响对零件耐磨性的影响表面粗糙的影
36、响表面粗糙的影响重载荷重载荷轻载荷轻载荷 表面粗糙度太大和太小都不表面粗糙度太大和太小都不耐磨。耐磨。表面粗糙时，高点干摩表面粗糙时，高点干摩擦，磨损快；表面太光洁时润擦，磨损快；表面太光洁时润滑油无法进入，造成材料粘结滑油无法进入，造成材料粘结磨损。磨损。表面粗糙度的最佳值与机器表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关一般为零件的工作情况有关一般为 Ra0.321.25mRa0.321.25m11/16/202251南京理工大学2 2）表面质量对零件使用性能的影响）表面质量对零件使用性能的影响 对零件耐磨性的影响对零件耐磨性的影响表面硬化的影响表面硬化的影响加工表面的冷作硬化，一般能提高零
37、件的耐磨性。加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使摩擦因为它使摩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。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。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这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度化，将引起金属组织过度“疏松疏松”，在相对运动中可能会产生金属，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。剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。11/16/202252南京理工大学2 2）表面
38、质量对零件使用性能的影响）表面质量对零件使用性能的影响 对零件耐磨性的影响对零件耐磨性的影响金相组织变化的影响金相组织变化的影响切削过程的金相组织变化时工件表面硬度变化（一般会使工件硬切削过程的金相组织变化时工件表面硬度变化（一般会使工件硬度降低）而影响耐磨性。度降低）而影响耐磨性。11/16/202253南京理工大学2 2）表面质量对零件使用性能的影响）表面质量对零件使用性能的影响 对零件疲劳强度的影响对零件疲劳强度的影响表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响 表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。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，对承受交
39、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容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，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。的能力越差。11/16/202254南京理工大学2 2）表面质量对零件使用性能的影响）表面质量对零件使用性能的影响 对零件疲劳强度的影响对零件疲劳强度的影响表面硬化的影响表面硬化的影响 表面层表面层硬度、强度
40、适当提高硬度、强度适当提高，使微观裂纹的形成、扩展受阻，使微观裂纹的形成、扩展受阻，可可以提高疲劳强度以提高疲劳强度；过度硬化过度硬化会产生裂纹，会产生裂纹，使疲劳强度降低。使疲劳强度降低。残余应力的影响残余应力的影响残余拉应力残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强降低疲劳强度。度。残余压应力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，从而裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度提高零件的疲劳强度。11/16/202255南京理工大学2 2）表面质量对零件使用性能的影响）表面质
41、量对零件使用性能的影响 对零件配合性质的影响对零件配合性质的影响表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响 零件之间的配合性质取决于过盈量和间隙值的大小，表面粗糙零件之间的配合性质取决于过盈量和间隙值的大小，表面粗糙度的存在会影响有效过盈量和间隙值。表面粗糙度越大，初期磨度的存在会影响有效过盈量和间隙值。表面粗糙度越大，初期磨损越快，对配合性质的影响也越大。损越快，对配合性质的影响也越大。残余应力的影响残余应力的影响 表面层存在残余应力时，会影响配合尺寸的稳定性，从而影响零表面层存在残余应力时，会影响配合尺寸的稳定性，从而影响零件的配合性质。件的配合性质。11/16/202256南京理工大学2 2）表面
42、质量对零件使用性能的影响）表面质量对零件使用性能的影响 对零件耐腐蚀性能的影响对零件耐腐蚀性能的影响表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响 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。腐蚀性能。残余应力的影响残余应力的影响 零件表面残余压应力时使零件表面组织紧密，腐蚀性物质不易进零件表面残余压应力时使零件表面组织紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性；而表面残余拉应力时，则会降低零件入，可增强零件的耐腐蚀性；
43、而表面残余拉应力时，则会降低零件耐腐蚀性。耐腐蚀性。11/16/202257南京理工大学3 3）影响加工表面粗糙度主要因素及其控制）影响加工表面粗糙度主要因素及其控制p 表面粗糙度产生的原因表面粗糙度产生的原因H=H=f/(cotf/(cotr r+cot+cotr r)H=f H=f 2 2/(8r/(8r)残留面积残留面积11/16/202258南京理工大学p 表面粗糙度产生的原因表面粗糙度产生的原因刃口挤压塑性变形刃口挤压塑性变形（2 2）切削过程中塑性变形及其它物理因素引起的粗糙度）切削过程中塑性变形及其它物理因素引起的粗糙度 积屑瘤积屑瘤 鳞刺鳞刺 较低速切削塑性较差的材料产生节状（
44、或粒状）切屑，切屑在前较低速切削塑性较差的材料产生节状（或粒状）切屑，切屑在前刀面上周期性停留代替前刀面推挤切削层，使塑性变形向切线以下刀面上周期性停留代替前刀面推挤切削层，使塑性变形向切线以下延伸，造成已加工表面拉应力太大而导裂形成鳞片状的毛刺。延伸，造成已加工表面拉应力太大而导裂形成鳞片状的毛刺。材料脆性材料脆性11/16/202259南京理工大学 选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。减小表面粗糙度的措施减小表面粗糙度的措施 切削速度切削速度 加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响主要与积屑瘤、加工塑性材料时，切削
45、速度对表面粗糙度的影响主要与积屑瘤、鳞刺的产生有关。鳞刺的产生有关。此外，切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小此外，切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小 选择合适的切削条件选择合适的切削条件11/16/202260南京理工大学对表面粗糙度无直接影响。对表面粗糙度无直接影响。减小表面粗糙度的措施减小表面粗糙度的措施 进给量进给量减小进给量可以减小残留面积高度，所以可减小表面粗糙度值。减小进给量可以减小残留面积高度，所以可减小表面粗糙度值。选择合适的切削条件选择合适的切削条件 背吃刀量背吃刀量 进给量、背吃刀量都不能太小，否则由于刀刃圆弧的存在无法进给量、背吃刀量都不能太小
46、，否则由于刀刃圆弧的存在无法切入切削层，在加工表面上引起附加的塑性变形，使表面粗糙度切入切削层，在加工表面上引起附加的塑性变形，使表面粗糙度值加大。值加大。11/16/202261南京理工大学 减小表面粗糙度的措施减小表面粗糙度的措施 切削液切削液 选择合适的切削条件选择合适的切削条件切削液冷却、润滑作用切削液冷却、润滑作用减小切屑、工件、刀具之间的摩擦减小切屑、工件、刀具之间的摩擦降低切削区的温度降低切削区的温度减小表面粗糙度值减小表面粗糙度值减小切削过程的塑性变形减小切削过程的塑性变形抑制鳞刺和积屑瘤的产生抑制鳞刺和积屑瘤的产生11/16/202262南京理工大学 减小表面粗糙度的措施减小
47、表面粗糙度的措施刀具材料刀具材料 合理选用刀具几何参数和刀具材料合理选用刀具几何参数和刀具材料刀具几何参数刀具几何参数刀尖圆弧半径、主偏角直接影响残留面积高度；刀尖圆弧半径、主偏角直接影响残留面积高度；增大前角，塑性变形减小，增大前角，塑性变形减小，R Ra a小；小；增大后角，刀具与工件的摩擦减小，增大后角，刀具与工件的摩擦减小，R Ra a小；小；刃倾角会影响实际工作前角；刃倾角会影响实际工作前角；提高刀具的刃磨质量。提高刀具的刃磨质量。主要从减小积屑瘤产生的角度分析：主要从减小积屑瘤产生的角度分析：采用与工件材料分子亲和力小的刀具材料；采用与工件材料分子亲和力小的刀具材料；选择硬度、强度
48、较高的刀具材料；选择硬度、强度较高的刀具材料；11/16/202263南京理工大学 减小表面粗糙度的措施减小表面粗糙度的措施 材料的晶粒材料的晶粒 改善工件材料的性能和金相组织改善工件材料的性能和金相组织 材料的塑性材料的塑性 中低速切削时，工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表中低速切削时，工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。面愈粗糙。对低碳钢进行正火处理、对中碳钢进行调质处理、对高对低碳钢进行正火处理、对中碳钢进行调质处理、对高碳钢进行退火，可以碳钢进行退火，可以改善切削性能，改善切削性能，减小表面粗糙度减小表面粗糙度。加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在
49、加工表加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。面留下许多麻点，使表面粗糙。同样材料晶粒组织大同样材料晶粒组织大 RaRa，常用正火、调质处理常用正火、调质处理11/16/202264南京理工大学 减小表面粗糙度的措施减小表面粗糙度的措施 减小表面粗糙度；减小表面粗糙度；改变表面应力状态（压应力）；改变表面应力状态（压应力）；表面形变强化；表面形变强化；有利于提高疲劳强度和硬度，延长使用寿命。有利于提高疲劳强度和硬度，延长使用寿命。使用特殊的加工方法使用特殊的加工方法 细颗粒硬质合金刀具细颗粒硬质合金刀具 Ra0.10.5Ra0.10.5，精车，精车R
50、a0.1Ra0.1 金刚石车刀，超高速（金刚石车刀，超高速（3000m/min3000m/min）精车）精车Ra0.025Ra0.025 微量切削微量切削 滚压加工、喷丸、碾光滚压加工、喷丸、碾光 提高工艺系统的抗振性提高工艺系统的抗振性 采用超精加工、珩磨等光整加工方法作为最终工序采用超精加工、珩磨等光整加工方法作为最终工序11/16/202265南京理工大学4 4）影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制）影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制影响表面层物理力学性能的主要因素影响表面层物理力学性能的主要因素表面层物理表面层物理力学性能力学性能塑变引起的冷硬塑变引起的冷硬金相组织变化引起金
