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1、第二章 加工精度分析与制造质量监控技术,2.1基本概念精度的基本含义机械加工精度 指零件加工后，其几何参数（尺寸、形状和各表面间相互位置）与理想几何参数的符合程度。加工误差指零件加工后实际几何参数与理想几何参数的偏差。加工误差越小，加工精度越高。机械加工精度包括尺寸精度：加工后零件的实际尺寸与零件理想尺寸相符的程度。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。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。,2.1.2 获得规定加工精度的方法1.尺寸精度的获得方法试切法：即试切-测量-再试切-直至测量结果达到图纸给定要求的方法。试切法的效率低，对操作者的技术水平要求较高，多
2、用于单件、小批生产或高精度零件的加工。定尺寸刀具法：零件的尺寸精度是由具有一定尺寸的刀具或组合刀具保证的，常用于孔、槽面、成形表面的加工。（用刀具的相应尺寸来保证加工表面的尺寸）调整法：按试切好的工件或标准样件或对刀装置等，调整刀具相对于工件加工表面的位置，并在加工过程中保持这一位置，从而获得零件所要求的尺寸精度。调整法多用于成批、大量生产。自动控制法：使用一定的装置(自动测量或数字控制)，在工件达到要求尺寸时，自动停止加工。,2.获得形状精度的主要方法仿形法：用特定形状的刀具切削工件，工件表面形状和精度完全取决于刀具的制造精度。如：所谓“电子配钥匙”成形运动法：使刀具相对于工件做有规律的切削
3、成形运动，从而获得所要求的零件表面形状。如：滚齿、车螺纹非成形运动法：通过对加工表面形状的检测，由工人对其进行相应的修整加工，以获得所要求的形状精度。尽管非成形运动法是获得零件表面形状精度的最原始方法，效率相对比较低。,3.位置精度的获得方法一次装夹获得法：零件表面的位置精度在一次安装中，由刀具相对于工件的成形运动位置关系保证。多次装夹获得法：通过刀具相对工件的成形运动与工件定位基准面之间的位置关系来保证零件表面的位置精度。,2.2 影响机械加工精度的工艺因素,2.2.1 方法误差原理误差：指采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差，一般多为形状误差。如图21 在实际生产中，采
4、用理论上完全准确的方法进行加工往往会使机床的结构复杂，刀具的制造困难，加工的效率降低。而采用近似加工方法，则常常可使工艺装备简单化，生产成本降低，故在满足产品精度要求的前提下，原理误差的存在是允许的。,2.2.2 机床误差 主轴回转误差、机床导轨误差和机床传动链误差1.主轴回转误差 主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移。主轴回转轴线的运动误差分解为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式 主轴回转误差产生的加工误差 径向跳动：影响工件圆度；轴向窜动：影响轴向尺寸，加工螺纹时影响螺距值；角度摆动：影响圆柱度,2.机床导轨误差 导轨在水平面内的直线度、导轨在垂直面内的直线度和双
5、导轨间在垂直方向的平行度（扭曲）。导轨在水平面内的直线度误差：卧式车床导轨在水平面内的直线度误差1将直接反映在被加工工件表面的法线方向（加工误差的敏感方向）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。例如：车削外圆柱面，加工误差敏感方向为外圆的直径方向。,导轨在垂直平面内的直线度误差：卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差2可引起被加工工件的形状误差和尺寸误差。但2对加工精度的影响要比1小得多。由图可知，若因2而使刀尖由a下降至b，不难推得工件半径R的变化量。,刀架运动时会产生摆动，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生形状误差。由图可见，当前
6、后导轨有了扭曲误差3之后，由几何关系可求得y（H/B）3。一般车床的H/B2/3，外圆磨床的H/B1，车床和外圆磨床前后导轨的平行度误差对加工精度的影响很大。,前后导轨存在平行度误差（扭曲）：,3.传动链误差传动链误差是指机床内联系传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。例如：车削螺纹的加工，主轴与刀架的相对运动关系不能严格保证时，将直接影响螺距的精度。减少传动链传动误差的措施：1）减少传动件的数目，缩短传动链。传动元件越少，传动累积误差就越小，传动精度就越高。2）提高传动元件精度和采用校正装置,2.2.3 夹具误差和磨损 夹具的作用是使工件相对于刀具和机床具有正确的位置，因此夹具的制造误差对
7、工件的加工精度（特别是位置精度）有很大影响。一般夹具的制造公差应小于被加工工件的公差。夹具误差包括：（1）夹具各元件之间的位置误差；（2）夹具中各定位元件的磨损；（3）夹具在机床上的安装误差。,2.3.4 刀具误差和磨损 定尺寸刀具、成形刀具加工时，刀具的制造误差会直接影响工件的加工精度；而对一般刀具（如车刀等），其制造误差对工件加工精度无直接影响。任何刀具在切削过程中，都不可避免地要产生磨损，并由此引起工件尺寸和形状的改变。措施：正确地选用刀具材料和选用新型耐磨刀具材料；合理地选用刀具几何参数和切削用量；正确地刃磨刀具；正确地采用冷却液等。,2.2.5 工艺系统受力变形1.基本概念 机械加工
8、工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降。,如图a示，车细长轴时，工件在切削力的作用下会发生变形，使加工出的轴出现中间粗两头细的情况；又如在内圆磨床上进行切入式磨孔时，图b，由于内圆磨头轴比较细，磨削时因磨头轴受力变形，而使工件孔呈锥形。,刚度：物体抵抗使其变形的能力K=F/YF:外力 Y：外力作用方向上的变形量静刚度：引起弹性变形的外力是一个大小、方向和作用点都不变的静力，由此力和变形决定的刚度称为静刚度。静刚度影响加工精度。动刚度：引起弹性变形的外力是一个交变力，则力的变形所决定的刚度称为动刚
9、度。动刚度影响表面质量。2.工艺系统刚度及其对加工精度的影响 在机械加工过程中，机床、夹具、刀具和工件在切削力作用下，都将分别产生变形y机、y夹、y刀、y工，致使刀具和被加工表面的相对位置发生变化，使工件产生加工误差。,工艺系统刚度的倒数等于其各组成部分刚度的倒数和。工艺系统刚度对加工精度的影响主要有以下几种情况 由于机床刚度变化引起的误差由于切削力变化引起的误差 加工过程中，由于工件的加工余量发生变化工件材质不均等因素引起的切削力变化，使工艺系统变形发生变化，从而产生加工误差。由于夹紧变形引起的误差 工件在装夹时，由于工件刚度较低或夹紧力着力点不当，会使工件产生相应的变形，造成加工误差。其它
10、作用力的影响 传动力与惯性力,毛坯误差复映现象：若毛坯A有椭圆形状误差。让刀具调整到图上（P48）双点划线位置，在毛坯椭圆长轴方向上的背吃刀量为ap1，短轴方向上的背吃刀量为ap2。由于背吃刀量不同，切削力不同，工艺系统产生的让刀变形也不同，对应于ap1产生的让刀为y1，对应于ap2产生的让刀为y2,故加工出来的工件B仍然存在椭圆形状误差。由于毛坯存在圆度误差毛ap1-ap2，因而引起了工件的圆度误差工y1-y2，且毛愈大，工愈大，这种现象称为加工过程中的毛坯误差复映现象。工与毛之比值称为误差复映系数，它是误差复映程度的度量。渐精加工：,3.减少工艺系统受力变形的途径1）提高机床零部件间结合表
11、面的质量2）对部件运动面预加负载3）提高工件定位基面的精度和减少定位基面的表面粗糙度4）使用辅助支承提高工艺系统刚度5）采用合理安装夹紧方式减少装夹变形,2.2.6 工艺系统的受热变形,1.工艺系统的热源:摩擦热、切削热辐射热及环境温度等2.刀具热变形：刀具受热以后，引起刀具热伸长，刀尖位置发生变化，因而影响加工精度 3.工件热变形：死顶尖装夹工件时，热变形将造成工件弯曲。在磨床上为消除热变形的影响，而采用弹簧顶尖。4.机床受热变形：当机床受热不均时，造成机床部件产生变形。例如：机床主轴前、后端受热不均，将造成主轴抬高，并倾斜。5.减少工艺系统热变形的措施：减少发热和隔热；改善散热条件；均衡温
12、度场；改进机床结构；加快温度场的平衡；控制环境温度。,2.2.7 工件安装、调整和测量的误差,1.工件安装误差2.调整误差3.测量误差2.2.8 工件内应力引起的变形残余应力（内应力）：没有外力作用而存在于零件内部的应力产生：在热处理工序中由于工件壁厚不均匀、冷却不均、金相组织的转变等原因，使工件产生内应力。,减小内应力变形误差的途径 1.改进零件结构设计零件时，尽量做到壁厚均匀，结构对称，以减少内应力的产生。2.增设消除内应力的热处理工序时效 自然时效：将毛坯或工件长期放在室内或室外，使其受气温变化的影响，自然松弛和变形，以减小内应力。人工时效：用人工的方法减少工件的内应力。3.合理安排工艺
13、过程粗加工和精加工宜分阶段进行，使工件在粗加工后有一定的时间来松弛内应力。,2.4 机械加工的表面质量,机械加工表面质量的意义微观几何性质：表面粗糙度 无论用何种加工方法加工，在零件表面总会留下微细的凸凹不平的刀痕，出现交错起伏的峰谷现象，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。这就是零件加工后的表面粗糙度。过去称为表面光洁度 轮廓的平均算术偏差(Ra)通过零件的表面轮廓作一中线 m，将一定长度的轮廓分成两部分，使中线两侧轮廓线与中线之间所包含的面积相等 表面层的物理性质：零件加工表面冷作硬化、金相组织变化、残余应力,冷作硬化：切削或磨削过程中，加工表层产生塑性
14、变形使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并产生晶粒拉长、破碎和纤维化，引起材料的强化，这时它的强度和硬度都提高了，这就是加工表面的冷作硬化现象。金相组织变化：机械加工过程中，工件的加工区和邻近区域，温度会急剧升高，当温度超过材料的金相组织变化的临界点时，会产生金相组织的变化，并伴随出现极大的表面残余应力甚至裂纹。,表面质量对仪器使用性能的影响1.表面粗糙度对耐磨性的影响 表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说表面粗糙度值愈小，其磨损性愈好。但表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。因此，接触面的粗糙度有一个最佳值，其值与零件的工作情况有关，工作载荷加大时
15、，初期磨损量增大，表面粗糙度最佳值也加大。2.表面质量对配合质量的影响 表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量。对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，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，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度。,3.表面质量对疲劳强度的影响 表面粗糙度对疲劳强度的影响 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。表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏底能力就愈差。残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响 残余应力对零件疲劳强度的影响很大。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
16、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 表面冷硬一般伴有残余应力的产生，可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利。4.表面质量对耐蚀性的影响 零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多。抗蚀性就愈差。表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。,2.4.3 影响表面质量的工艺因素,在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常在前刀面切削处粘有剖面呈三角状的硬块。其硬度通常是工件材料硬度的23倍，能够代替切削刃进行切削。这部分冷焊在前刀面的金
17、属称为积屑瘤。,成因：在刀-屑接触区间内，由于粘结作用，使切屑底层与前刀面接触的金属被粘结在前刀面上，而切屑从其上面流过。在被粘结金属与切屑之间又形成内摩擦，产生加工硬化，在适当的温度与压力情况下，又有一层金属被阻滞在已粘结的金属层上面，与其粘结成一体并逐渐增大，便形成了积屑瘤。,切削加工过程的振动,1.强迫振动强迫振动是由于外界周期性的干扰力作用所引起的不衰减振动。它与一般机械中的强迫振动一样，其频率与干扰力的频率相同或成倍数关系。强迫振动的振源有机外与机内之分。机外振源均通过地基把振动传给机床，可用隔振地基隔离。机内振源可分为下列三种：1）高速回转零部件质量的不平衡。2）机床传动件的制造误差和缺陷。3）切削过程中的冲击。2.自激振动 在机械加工过程中，由该加工系统本身引起的交变切削力反过来加强和维持系统自身振动的现象称自激振动，又称颤振。减小或消除自激振动的基本途径,
