第四章 機械加工質(zhì)量

第四章機械加工質(zhì)量第一節(jié)機械加工精度

加工精度，是指零件加工后的幾何尺寸、形狀和相互位置的實際值與理想值之間的符合程度，而它們之間的偏離程度(即差異)則為加工誤差。加工誤差的大小反映了加工精度的高低。

（1）尺寸精度：限制加工表面與其基準間的尺寸誤差不超過一定的范圍。（2）幾何形狀精度：限制加工表面的宏觀幾何形狀誤差，如圓度、圓柱度、平面度、直線度等。（3）位置精度：限制加工表面與其基準間的相互位置誤差，如平行度、垂直度、同軸度、位置度等。獲得加工尺寸精度的方法

（1）試切法試切法是通過試切——測量——調(diào)整——再試切，反復進行，直到達到要求的尺寸精度。試切法的生產(chǎn)率低、加工精度取決于工人的技術(shù)水平，不需要復雜的裝置。主要適用于單件、小批量生產(chǎn)。（2）定行程法（調(diào)整法）采用行程控制裝置調(diào)整控制刀具相對于工件的位置，并在一批零件的加工過程中始終保持這一位置不變，以獲得規(guī)定的加工尺寸精度。這種方法比試切法加工精度的保持性好，且具有較高的生產(chǎn)率，對操作工人要求不高，對調(diào)整工的要求較高，在大批大量生產(chǎn)中廣泛使用。獲得加工尺寸精度的方法

（3）定尺寸刀具法是采用具有一定尺寸精度的刀具來保證工件的加工尺寸精度。如采用鉆頭、擴孔鉆、鉸刀、拉刀、槽銑刀等，這種方法的生產(chǎn)率較高，加工精度由刀具來保證。（4）自動控制法這種方法是將測量裝置、進給裝置和控制系統(tǒng)組成一個加工系統(tǒng)。加工過程中自動測量裝置測量工件的加工尺寸，并與要求的尺寸對比后發(fā)出信號，信號通過轉(zhuǎn)換、放大后控制機床或刀具作相應(yīng)調(diào)整，直到達到規(guī)定的加工尺寸要求后自動停止。這種方法的生產(chǎn)率高、加工尺寸的穩(wěn)定性好，但對自動加工系統(tǒng)的要求較高，適用于大批大量生產(chǎn)。獲得加工形狀精度的方法（1）軌跡法利用刀尖運動的軌跡來形成被加工表面的形狀。普通的車削、銑削、刨削和磨削均屬于軌跡法。形狀精度取決于成形運動的精度。（2）成形法利用刀具的幾何形狀來代替機床的某些成形運動而獲得的工件的表面形狀。如成形車削、銑削、磨削等。形狀精度取決于刀刃的形狀精度和成形運動的精度。（3）展成法利用刀具和工件的展成運動所形成的包絡(luò)面來得到工件的表面形狀。如滾齒、插齒、磨齒等。形狀精度取決于刀刃的形狀精度和展成運動的精度。獲得加工位置精度的方法機械加工中，被加工表面對其它表面的位置精度的獲得，主要取決于工件的裝夾。即直接找正裝夾法、劃線找正裝夾法和夾具裝夾法三種。直接找正、劃線找正法適于單件小批生產(chǎn)夾具裝夾法適于成批大量生產(chǎn)影響加工精度的主要因素

1）工藝系統(tǒng)的幾何誤差（1）加工原理誤差（2）機床誤差（3）夾具誤差（4）刀具誤差2）工藝系統(tǒng)受力變形引起的加工誤差（1）讓刀變形（2）夾緊變形3）工藝系統(tǒng)熱變形產(chǎn)生的誤差（1）機床的熱變形（2）工件的熱變形4）工件內(nèi)應(yīng)力引起的誤差工藝系統(tǒng)的幾何誤差

加工原理誤差加工原理誤差是指采用了近似的成型運動或近似形狀的刀具進行加工而產(chǎn)生的誤差。包括插補誤差、非圓曲線的編程逼近誤差、刀具形狀制造誤差等插補誤差：直線、圓弧插補算法引起的誤差逼近誤差：采用等步長、等弦長、等誤差逼近算法的誤差刀具形狀制造誤差。如齒輪滾刀有兩種誤差：一是為了制造方便，采用阿基米德蝸桿或法向直廓蝸桿代替漸開線基本蝸桿而產(chǎn)生的刀刃齒廓形狀誤差；二是由于滾刀刀齒有限，實際上加工出的齒形是一條由微小折線段組成的曲線，和理論上的光滑漸開線有一定的差異，從而產(chǎn)生加工原理誤差。工藝系統(tǒng)的幾何誤差

2、機床誤差機床誤差是由機床主軸和導軌等的制造、安裝及使用中的磨損形成的誤差。主軸回轉(zhuǎn)誤差：主要由徑向圓跳動、軸向竄動、主軸擺動。主軸徑向圓跳動：軸徑與軸承孔圓度不高、軸承滾道的形狀誤差、軸與孔安裝后不同軸等造成。主軸徑向圓跳動將造成工件的形狀誤差。主軸軸向竄動：軸承端面滾道的跳動、軸承間隙等造成。影響端面與軸線的垂直度

擺動：前后軸承不同軸。影響尺寸精度及形狀誤差工藝系統(tǒng)的幾何誤差3、導軌誤差以車床為例：導軌在水平面內(nèi)出現(xiàn)彎曲，產(chǎn)生腰鼓形（前凸彎）或鞍形（后凹彎）誤差。導軌與主軸線在垂直面內(nèi)不平行，產(chǎn)生鞍形誤差。導軌與主軸線在水平面內(nèi)不平行，產(chǎn)生錐形差。

工藝系統(tǒng)的幾何誤差3、導軌誤差當導軌在水平面有一個誤差△時，造成的半徑方向的加工誤差△R＝△，為誤差敏感方向（法向）當導軌在垂直面有一個誤差△時，造成的半徑方向的加工誤差△R≈△2／d，完全可以忽略不計。為誤差非敏感方向（切向）。工藝系統(tǒng)的幾何誤差4、夾具誤差夾具元件的制造、裝配及夾具在使用過程中工作表面的磨損造成夾具誤差。夾具誤差將直接影響到工件表面的位置精度及尺寸精度，特別是對位置精度影響最大。為了減少夾具誤差所造成的加工誤差，夾具的制造誤差必須控制在一定的范圍之內(nèi)，一般常取工件公差的1／3～l／5。對于容易磨損的定位元件和導向元件，應(yīng)耐磨且便于更換。

工藝系統(tǒng)的幾何誤差刀具誤差刀具的制造誤差和使用中磨損是產(chǎn)生刀具誤差的主要原因

定尺寸刀具（如鉆頭、鉸刀等）的尺寸精度將直接影響工件的尺寸精度。而成型刀具（如成型車刀、成型銑刀等）的形狀精度將直接影響工件的形狀精度。展成刀具的刀刃形狀影響工件形狀

工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差1）．讓刀變形車削時工件受力產(chǎn)生彈性彎曲“讓刀”使工件呈腰鼓形銑、鏜、磨時刀具受力產(chǎn)生彈性彎曲“讓刀”使工件呈腰鼓形

工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差2）．夾緊變形主要出現(xiàn)于薄壁件、細長桿件等剛性較差的工件。

工藝系統(tǒng)熱變形引起的誤差1）．機床熱變形引起機床熱變形的因素主要有電動機、電器和機械動力源的能量損耗轉(zhuǎn)化發(fā)出的熱；傳動部件、運動部件在運動過程中發(fā)生的摩擦熱；切屑或切削液落在機床上所傳遞的切削熱；還有外界的輻射熱等。2）．工件熱變形主要是切削熱的作用，工件因受熱膨脹而影響其尺寸精度和形狀精度。

工件內(nèi)殘余應(yīng)力引起的誤差內(nèi)應(yīng)力使零件處于一種不穩(wěn)定的相對平衡狀態(tài)，一旦外界條件產(chǎn)生變化，如環(huán)境溫度的改變、繼續(xù)進行切削加工、受到撞擊等，內(nèi)應(yīng)力的暫時平衡就會被打破而進行重新分布，零件將產(chǎn)生相應(yīng)的變形，從而破壞原有的精度。

壁厚均勻的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減少在鑄、鍛毛坯制造中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；在毛坯制造之后或粗加工后、精加工前，安排時效處理以消除內(nèi)應(yīng)力；切削加工時，將粗、精加工分開進行，使粗加工后有一定的時間間隔讓內(nèi)應(yīng)力重新分布，以減少其對精加工的影響

調(diào)整誤差零件加工的每一個工序中，為了獲得被加工表面的形狀、尺寸和位置精度，總得對機床、夾具和刀具進行調(diào)整。通過調(diào)整機床、夾具和刀具來帶來的原始誤差即為調(diào)整誤差。在采用調(diào)整法獲得尺寸時，不同的調(diào)整方法有不同的誤差來源。（1）試切法調(diào)整試切法調(diào)整，就是對被加工零件進行“試切—測量—調(diào)整—再試切”，直至達到所要求的精度。它的調(diào)整誤差來源有：1）測量誤差。測量工具的制造誤差、讀數(shù)的估計誤差以及測量溫度和測量力等引起的誤差都將進入到測量所得的讀數(shù)中，形成測量誤差。2）微量進給時，機構(gòu)靈敏度所引起的誤差。在試切中，總是要微量調(diào)整刀具的進給量，以便最后達到零件的尺寸精度。3）最小切削厚度的影響。在切削加工中，刀具所能切掉的最小切削厚度是有一定限度的。（2）用定程機構(gòu)調(diào)整在半自動機床、自動機床和自動線上，廣泛應(yīng)用行程擋塊、靠模及凸輪等機構(gòu)來保證加工精度。（3）用樣件或樣板調(diào)整在各種仿形機床、多刀機床和專用機床加工中，常采用專門的樣件或樣板來調(diào)整刀具、機床與工件之間的相對位置，以此保證零件的加工精度。加工誤差的數(shù)理統(tǒng)計分析法組別k尺寸范圍/㎜組中心值/㎜頻數(shù)m頻率m/n127.992～27.99427.99344/100227.994～27.99627.9951616/100327.996～27.99827.9973232/100427.998～28.00027.9993030/100528.000～28.00228.0011616/100628.002～28.00428.00322/1001．實際分布曲線：用調(diào)整法加工出來的一批工件，尺寸總是在一定范圍內(nèi)變化的，這種現(xiàn)象稱為尺寸分散。尺寸分散范圍就是這批工件最大和最小尺寸之差。一批活塞銷孔鏜孔后孔徑尺寸為φ28mm，從中抽取100件作為樣本，測量后得出100個數(shù)據(jù)，按尺寸從小到大進行分組，組距為0.002mm，作出頻數(shù)統(tǒng)計表見表4-1，根據(jù)表4-1的數(shù)據(jù)可以畫出直方圖和分布折線圖見圖4-12。圖4-12活塞銷孔直徑尺寸分布圖1-理論分布位置2-公差范圍中心（27。9925）3-分散范圍中心（27。9979）4-實際分布位置5-廢品區(qū)

2．直方圖和分布折線圖的作法

(1）收集數(shù)據(jù)。通常在同一批次的工作中取100件（稱樣本容量）。測量各工件的實際尺寸或?qū)嶋H誤差，并找出其中的最大值Xmax和最小值Xmin。

(2）分組。將抽取的工件按尺寸大小分成K組。通常每組至少有4～５件。

(3）計算組距。組距 h=

(4）計算組界。各組組界：Xmin±（j-1）h±h/2其中：j=1、2、3、4…、k各組的中值：Xmin+（j-1）h

(5）統(tǒng)計頻數(shù)mj。

(6）繪制直方圖和分布折線圖。以組界尺寸為橫坐標，頻數(shù)為縱坐標，可作出直方圖。以每組的中值為橫坐標，以頻數(shù)為縱坐標，可作出分布折線圖。3．正態(tài)分布曲線實踐表明：在正常生產(chǎn)條件下，如無占優(yōu)勢的影響誤差的因素存在，而所測零件數(shù)量足夠多，尺寸間隔很小時，各零件尺寸是按正態(tài)分布的，分布折線便非常接近于正態(tài)分布曲線（高斯曲線），因此通常用正態(tài)分布曲線來代替實際分布曲線，使加工誤差的分析計算得到簡化。（1）正態(tài)分布曲線方程式Y(jié)=

圖4-13正態(tài)分布曲線

(2）正態(tài)分布曲線的特點①曲線呈鐘形，中間高，兩邊低；這表示尺寸靠近分散中心的工件占大部分，而尺寸遠離分散中心的工件是極少數(shù)。②曲線以X=的豎線為軸對稱分布，表示工件尺寸大于和小于的頻率相等。③均方根差決定曲線的形狀。如圖（4—14)所示，越大，曲線越平坦，尺寸越分散，也就是加工精度越低；越??；曲線越陡峭，尺寸越集中，加工精度越高。值的大小也反映了隨機性誤差的大小。④曲線分布中心決定分布曲線的位置。改變的大小，曲線將沿X軸平移，曲線形狀不變，如圖4-15所示。這是常值系統(tǒng)性誤差影響的結(jié)果。圖4-14

正態(tài)分布曲線的性質(zhì)圖4-15

不變時使分布曲線移動例1已知=0.005mm，零件公差帶T=0.02mm，且公差對稱于分散范圍中心，相距X=0.01mm，試求此時的廢品率。解：Z=X/=0.01/0.005=2查表4-2當Z=2時，2φ（Z）=0.9544故廢品率為[1-2φ（Z）]100%=[1-0.9544]100%=4.56%例2 車一批軸的外圓，其圖樣規(guī)定的尺寸為φ20-00.1mm，根據(jù)測量結(jié)果，此工序的分布曲線是按正態(tài)分布，其=0.025㎜,曲線的頂峰位置和公差中心相差0.03mm，偏右端，試求其合格率和廢品率。解：尺寸分布如圖4-16所示，合格率由A，B兩部分計算查表得 ZA=3.2φ（ZA）=0.49931ZB=0.8φ（ZB）=0.2881故合格率 （0.49931+0.2881）×100%=78.741%不合格率 （0.5-0.2881）×100%=21.2%由圖4-16可知，雖有廢品，但尺寸均大于零件的上限尺寸，故可修復。4．正態(tài)分布曲線的應(yīng)用（1）可以計算出一批加工好的零件的合格品率和廢品率。（2）可以判斷一批零件存一在的加工誤差的性質(zhì)。如果一批零件的尺寸分布符合正態(tài)分布，則說明不存在變值系統(tǒng)性誤差；如果分散范圍中心和公差帶中心不重合，則說明存在常值系統(tǒng)性誤差；如果實際尺寸分布不符合正態(tài)分布，曲線存在雙峰或平頂?shù)雀鞣N形狀，說明存在著變值系統(tǒng)性誤差。（3）進行工藝驗證——判斷工序的工藝能力工藝能力是指加工工藝達到產(chǎn)品質(zhì)量要求的能力。工藝能力的大小通常用工藝能力系數(shù)CP來表示，其值等于加工工件的公差除以本工序?qū)嶋H能達到的精度值6，即：CP=當工藝能力系數(shù)CP≥1時，說明本工序存在著不出廢品的必要條件，此時工藝能力是夠的；當CP＜1時，說明工藝能力不足，本工序的加工必然會出廢品，CP值越小，工藝能力越不足，出的廢品越多。提高加工精度的措施1）誤差預防技術(shù)減少誤差源或改變誤差源與加工誤差之間的數(shù)量轉(zhuǎn)換關(guān)系。例如，車細長軸時，工件剛性差，易產(chǎn)生彎曲變形而造成幾何形狀誤差。為此，可：（1）采用跟刀架，消除徑向力的影響。（2）采用反向走刀，使軸向力的壓縮作用變?yōu)槔熳饔?，同時采用彈性頂尖，消除可能的壓彎變形。2）誤差補償技術(shù)通過分析、測量，對已知或預計的誤差為依據(jù)，人為地在工藝系統(tǒng)中引入一個附加的誤差，使之與工藝系統(tǒng)原有的誤差相抵消，以減小或消除零件的加工誤差。例如，滾珠絲杠的加工，先有意將絲杠的螺距加工得小一些，裝配時預加載荷拉伸，使螺距拉大到標準螺距，產(chǎn)生的拉應(yīng)力用來吸收絲杠發(fā)熱引起的熱應(yīng)力。數(shù)控機床的絲杠螺距誤差補償也就是預先測出各段誤差值，由系統(tǒng)自動發(fā)出補償脈沖來消除。表面質(zhì)量的概念一、基本概念1。幾何形狀（1）表面粗糙度：微觀幾何形狀不平度。L/H≤40（2）波度：宏觀和微觀之間的幾何不平度。40≤

L/H≤1000（3）幾何形狀誤差：宏觀幾何不平度，屬于加工精度范疇。2。表面物理力學性能（1）冷作硬化：強烈塑變后，硬、強度有所提高（2）殘余應(yīng)力：切削變形和切削熱，使表層產(chǎn)生殘余應(yīng)力（3）金相組織改變：因切削熱使表層金相組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改變表面質(zhì)量與使用性能1）對零件耐磨性的影響粗糙度大，凸峰間擠裂、破碎加劇，磨損明顯粗糙度小，緊密接觸面間不儲油，干摩擦加劇磨損。最佳Ra值大致為0.3～1．2um。表層的冷作硬化可提高零件的耐磨性，但過渡硬化則脆而易剝落。

2）對疲勞強度的影響粗糙度小，產(chǎn)生應(yīng)力集中的可能性小，抗疲勞強度得以提高。表層的加工硬化可以阻礙表面層疲勞裂紋的出現(xiàn)，提高零件的疲勞強度。但過渡硬化反而易產(chǎn)生裂紋甚至剝落，表層的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時，易產(chǎn)生并引發(fā)裂紋；為