机械加工质量分析及控制.ppt

第3章 机械加工质量分析及控制,第一节 概述第二节 影响加工精度的主要因素及其控制第三节 加工误差的综合分析第四节 影响表面质量的因素及其控制第五节 机械加工中振动的基本知识,第一节 概 述,零件的加工质量是保证机械产品工作性能和产品寿命的基础。,衡量进行加工质量的指标有两方面,加工精度表面质量,本章的任务是讨论零件的机械加工精度问题。,一、加工精度和表面质量的概念,在机械加工过程中，由于各种因素的影响，使刀具和工件间的正确位置发生偏移，因而加工出来的零件不可能与理想的要求完全符合，两者的符合程度可用机械加工精度和加工误差来表示。,是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。,1、机械加工精度：,2、加工误差：,是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的偏离程度。加工精度越高，则加工误差越小，反之越大。,从保证产品的使用性能分析，没有必要把每个零件都加工得绝对准确，可以允许有定的加工误差，只要加工误差不超过图样规定的偏差，即为合格品。,加工精度的高低是以国家有关公差标准来表示的。保证和提高加工精度实际上就是限制和降低加工误差。,3、表面质量（一）加工表面几何特征 加工表面的几何特征，主要由表面粗糙度和表面波度两部分组成（见图3-1）。（二）加工表面层物理力学性能,图3-1表面粗糙度和波度,(1)试切法,应用：单件小批生产中。,方法：对工件进行试切测量调整再试切，直到达到要求的精度为止。,二、加工精度的获得方法,1)测量误差。由量具本身精度度、测量方法及使用条件引起。2)进给机构的位移误差。在微量调整刀具的位置、低速微量进给中，常常出现进给机构的“爬行”现象，其结果使刀具的实际位移与刻度盘上的数值不一致、造成加工误差。3)试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响。精加工时，切削刃只起挤压作用而不起切削作用，但正式切削时的深度较大工件。,这时，引起调整误差的因素有：,(2)调整法,影响调整精度的因素有：,1）上述影响试切法调整精度的因素，因为采用调整法对工艺系统进行调整时，也要以试切为依据。2）用定程机构调整时，调整精度取决于行程挡块、靠模及凸轮等机构的制造精度和刚度；,3）用样件或样板调整时，调整精度取决于祥件或样板的制造、安装和对刀精度；4）工艺系统初调好以后，般要试切几个工件，并以其平均尺寸作为判断调整是否准确的依据。由于试切加工的工件数(称为抽样件数)不可能太多，不能完全反映整批工件切削过程中的各种随机误差，故试切加工几个工件的平均尺寸与总体尺寸不能完全符合，也造成加工误差。,三、加工表面质量对零件使用性能的影响,1.表面质量对零件耐磨性的影响,（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响 一对刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间，最初阶段只是在表面粗糙度的峰部接触，实际接触面积远小于理论接触面积，在相互接触的峰部，有非常大的单位压力，使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏，引起严重磨损。,零件磨损的特点:零件磨损一般可分为三个阶段，图中、和三个区域分别表示了这三个阶段。,：磨损快、时间较短。,：随着表面粗糙度峰部不断被碾平和被剪切，实际接触面积不断加大，单位压力也逐渐减小，摩擦副即进入正常磨损阶段。正常磨损阶段经历的时间较长。,：随着表面粗糙度的峰部不断被碾平和被剪切，接触面积越大，零件间的金属分子亲和力增大，表面间机械咬合作用增大，磨损急剧增加。区是剧烈磨损区，此时摩擦副不能正常工作。,磨损量,工作时间,初期磨损阶段,正常磨损阶段,剧烈磨损阶段,表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说来，表面粗糙度值越小，其耐磨性越好。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，接触面的表面粗糙度有一个最佳值一般由试验确定。,平均磨损量，%,表面粗糙度,发动机活塞销最合适的表面粗糙度值,（2）表面冷作硬化对零件耐磨性的影响,加工表面的冷作硬化，使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，减少了摩擦副接触处的弹性和塑性变形，故一般可使耐磨性提高。,但也不是冷作硬化程度越高耐磨性也越高，这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。,磨损量,HB,320,340,360,380,400,420,440,50,60,70,80,90,2.表面质量对零件疲劳强度的影响 金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面或表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响较大。（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 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。表面粗糙度值越大，表面的裂纹越深，纹底半径越小，抗疲劳破坏的能力越差。零件上易产生应力集中的沟槽、圆角等处的表面粗糙度，对疲劳强度的影响更大。,（2）残余应力对零件疲劳强度的影响 残余应力对疲劳强度强度的影响较大。表面残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面残余压应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的发生，有利于提高疲劳强度。（3）冷作硬化对零件疲劳强度的影响 表面冷作硬化一般伴有残余压应力的产生，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。但表面冷作硬化过高时，可能会产生较大的脆性裂纹，从而降低疲劳强度。,3.表面质量对耐腐蚀性能的影响,（1）表面粗糙度对零件耐蚀性的影响,大气里气体、液体与金属工件接触，会在金属表面凝聚而使金属腐蚀。表面粗糙度越大，接触面越大，腐蚀物质越易沉积于凹坑中，耐蚀性越差。,（2）表面层金属力学物理性能对零件耐蚀性的影响 当零件表面有残余压应力时，有利于阻止表面裂纹的进一步扩大，耐蚀性提高；当零件表面有残余拉应力时，则会使表面裂纹的进一步扩大，耐蚀性变差。,4.表面质量对零件配合质量的影响,（1）间隙配合,对于间隙配合，工作表面越粗糙，磨损越大，使配合间隙很快增大，从而改变原有的配合性质，降低配合精度。对于液压、气动元件，还会造成泄露量增大；,（2）过盈配合,对于过盈配合，由于在轴压入孔时，表面粗糙度的部分凸峰被挤平，而使过盈量减小，降低了连接强度，影响配合的可靠性。,因此，具有配合精度要求的表面，需具有较小的表面粗糙度。,三、影响表面质量的工艺因素,1、表面粗糙度,在切削加工中刀具的几何形状、切削用量、切削液、振动等工艺因素，都会影响表面粗糙度。,（1）几何因素,在切削过程中，刀具的刃口圆角及后刀面的挤压与摩擦使金属材料发生塑性变形而使理论残留面积挤歪或沟纹加深，因而增大了表面粗糙度。,实际轮廓,理论轮廓,（2）物理因素 切削加工后表面粗糙度的实际轮廓之所以与纯几何因素所形成的理论轮廓有很大的差异，主要是由于切削过程中塑性变形的影响。,在切削过程中出现刀瘤（积屑瘤）,积屑瘤形成后并不是稳定不变的，而是不断地形成、长大，然后粘附在切屑上被带走或留在工件上。由于积屑瘤有时会伸出切削刃之外，其轮廓也很不规则，因而使加工表面上出现深浅和宽窄都不断变化的刀痕，大大恶化了表面粗糙度。,积屑瘤是切削过程中切屑底层与前刀面冷焊的结果。,加工塑性材料时，切削速度为中、低速，易产生积屑瘤。,在切削过程出现鳞刺 鳞刺是已加工表面上出现的鳞片状毛刺般的缺陷。切削过程中出现鳞刺是由于切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用造成周期性地停留，代替刀具推挤切削层，造成切削层和工件之间出现撕裂现象。,I.抹拭,II.沉积,III.导裂,IV.刮成,鳞刺的形成过程,2.表面层的冷作硬化,（1）加工硬化（或冷作硬化）定义 机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。,但在加工过程中所产生的切削热又将使冷作硬化弱化，故硬化程度取决于强化和弱化的综合。,（2）衡量表面层加工硬化的指标表面层的显微硬度HR；硬化层深度h；硬化程度N,HR0：工件原表面层的显微硬度。,（1）表面残余应力的产生机理 当切削及磨削过程中加工表面相对于基体材料发生形状、体积变化或金相组织变化时，在加工后表面层中将残留有应力，应力大小随深度而变化，其最外层的应力和表面层与基体材料交界处（以下简称里层）的应力符号相反，并相互平衡。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弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。,3.表层金属的残余应力,冷塑性变形的影响 在切削加工过程中，工件表面层受切削力的作用，会拉长表层金属的纤维，产生塑性变形，使表层金属的比容增大，导致体积膨胀；刀具后刀面与已加工表面的摩擦，会加大这种拉伸作用。但表层金属体积膨胀会受到与之相连的里层金属的阻碍。故：在加工时，表层产生拉应力，里层处于弹性变形状态下。,（1）冷塑性变形的影响 当切削加工完成后，切削力已去除，里层金属趋向复原（弹性恢复），但受到已产生塑性变形的表面层限制，回复不到原状，因而在表面层产生残余压应力，里层则为拉应力与之相平衡。,（2）热塑性变形的影响 表面层在切削热的作用下产生热膨胀，此时基体温度较低，因此表面热膨胀受到基体的限制而产生热压缩应力。当表面层的温度超过材料的弹性变形的温度范围时，就会产生热塑性变形（在压力作用下材料相对缩短）。当切削过程结束，温度下降至与基体温度一致时，因为表面层已产生热塑性变形，但受到基体的限制产生拉应力，里层则为残余压应力。,距表层深度,4.金相组织变化的影响 切削时产生的高温会引起表面层的相变。由于不同的金相组织有不同的比重，表面层金相组织变化的结果造成了体积的变化。表面层体积膨胀时，因为受到基体的限制，产生压应力；反之表面层体积缩小，则产生拉应力。各种金相组织中，马氏体比重最小，奥氏体比重最大。,磨削淬火钢时若表面产生回火现象，马氏体转变成索氏体或屈氏体（这两者组织均为扩散程度很高的珠光体），因体积缩小，表面层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。若表面层产生二次淬火现象，则表面层产生二次淬火马氏体，其体积比里层的回火组织大，因而表层产生压应力，里层产生拉应力。,四、提高零件疲劳强度的加工方法,（1）喷丸强化 喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表面，使工件表面产生冷硬层和残余压应力，可显著提高零件的疲劳强度。珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用一段时间后，自然变成球状）。喷丸强化主要用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，如板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、焊缝等。经喷丸加工后的表面，硬化层深度可达0.7mm，零件表面粗糙度值可由52.5m 减小到0.630.32m（Ra），可几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿命。,滚压加工原理,（2）滚压加工 滚压加工是利用经过淬火和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，使受压点产生弹性和塑性变形，表层的凸起部分向下压，凹下部分向上挤，逐渐将前工序留下的波峰压平，降低了表面粗糙度；同时它还能使工件表面产生硬化层和残余压应力。因此提高了零件的承载能力和疲劳强度。,单滚柱滚压,滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行。,五、机械加工过程的中振动,机械加工过程中产生的振动，是一种十分有害的现象。它将导致：,刀具与工件产生位移而使加工表面产生波纹；,加剧刀具磨损，甚至崩刃；,机床联接特性受到破坏；,危害人的健康；,（一）、机械加工精度 1.机械加工精度：零件加工以后的实际几何参数与理想几何参数的接近程度。（宏观几何特征）,六、机械加工精度及其控制,机械加工质量,机械加工精度,加工表面质量,尺寸精度、形状精度、位置精度,理想零件尺 寸：零件尺寸的公差带中心。表面形状：绝对准确的圆柱面、圆锥面、平面等。表面位置：绝对的平行、垂直、同轴等。,2.加工误差 所谓加工误差是指实际零件与理想零件在几何参数上的偏离程度。由此可见：加工精度和加工误差这两个概念是从两个观点来评定零件几何参数这个同一事物的。,目前，还没有加工手段可以将零件的几何参数制作成百分百的准确存在误差。只要能保证零件在机器中的功能，把零件的加工精度保持在一定的范围之内是完全允许的合理规定公差。,尺寸精度的高低用尺寸公差来体现：国家标准分为20级,IT1、IT2、IT3、IT4、IT5、IT6、IT7、IT8、IT9、IT10、,IT01、IT02（备用）,IT11、IT12、IT13、IT14、IT15、IT16、IT17、IT18,（1）数字越小、精度越高；（2）同一尺寸，精度等级越高，公差越小；（3）同一精度等级，尺寸越大，公差越大。,形状精度（国家标准，用公差来规定）,平行度,垂直度,同轴度,圆度,直线度,平面度,位置精度（国家标准，用公差来规定）,圆柱度,倾斜度,对称度,(二)、影响机械加工精度的主要因素,在机械加工中，零件的尺寸、形状和表面间的相对位置的形成，归结到一点，就是取决于工件和刀具在切削过程中的相互位置关系，而工件和刀具又安装在夹具和机床上，并受到机床和夹具的约束。,在机械加工中，由机床、刀具、工件、夹具构成的系统，被称之为工艺系统。,因此，加工精度问题也就牵涉到整个工艺系统的精度问题。,镗杆,滑台,1.机床、刀具、夹具的制造误差及磨损,2.机床、刀具、夹具、工件的受力变形、热变形,3.安装误差、测量误差、调整误差,4.原理误差,工艺系统中的种种误差，在不同的具体条件下，以不同的程度反映为加工误差。工艺系统的误差是“因”，是根源；加工误差是“果”，是表现。因此，把工艺系统的误差称之为原始误差。,分析思路：在机械加工中，由于工艺系统中各组成部分自身的误差，导致刀具相对于工件在切削过程中的位置关系发生变化，从而引起加工误差。,1.产生零件加工误差的原因？2.误差的大小？3.误差的性质？,分析方法：1.单因素分析法2.统计分析法,如用范成法加工渐开线齿轮，滚刀的刀齿的轴剖面形状为直线，滚切成近似的渐开线齿面，即渐开线齿形为无数直线包络而成。,一）、加工原理误差,(四）、工艺系统的几何精度对加工精度的影响,采用了近似的加工运动或近似的刀具轮廓而产生的几何轨迹误差。,工件齿轮,滚刀,包络线,例：车削螺纹,二）、调整误差,在切削加工时，为获得规定的尺寸，就必须对机床、刀具和夹具进行必要的调整，由于调整不可能绝对的准确，也就带来了一项原始误差调整误差。,（1）度量误差（2）加工余量的影响（3）微量进给误差,1.试切法调整（单件、小批量）,2.调整法（大批量）（1）定程机构误差（2）样件或样板的误差（3）测量有限试件造成的误差,三）、机床误差,机床误差来之三个方面：机床本身的制造、安装和磨损。机床在出厂之前要通过精度检验。例如：导轨的直线度、主轴的回转精度等。这些都是在没有切削载荷的情况下进行的反映静误差。合格的机床在使用了一段时间后，将会产生磨损，机床原有的精度也将会降低，并可能产生这样或那样的加工精度问题。评价一台机床精度的高低，除了看它在静态下的情况，还需看它在切削载荷下的动态情况。,1.导轨误差 导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准，也是运动部件的基准，它的各项误差直接影响被加工工件的精度。例如车床的导轨：,（1）导轨在水平面内有直线度误差,导轨的直线度误差将导致刀具在水平内沿工件径向产生相应的位移，即：R=1,（2）导轨在垂直面内有直线度误差,忽略高阶无穷小,例：被车削工件的直径：D=40mm，车床导轨在水平面内的直线度误差：1=0.1mm、在垂直面内的直线度误差：2=0.1mm，,非误差敏感方向,则：,注意：误差敏感方向加工表面的法线方向。若原始误差发生在误差敏感方向，则对工件的加工精度影响较大。,例：刨床刨削平面,导轨在垂直面内的直线度误差对加工精度影响大。,（3）车床主轴旋转轴线与导轨的平行度误差,例：镗孔,（4）前后导轨的平行度误差（扭曲）,卧式车床或外圆磨床若前后导轨存在平行度误差时，刀具和工件之间相对位置发生变化，刀尖运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生形状误差。,H,B,若扭曲误差为3，工件误差R(H/B)3，一般车床H/B2/3，外圆磨床H/B1，误差对加工精度影响很大。,H：机床主轴中心高B：前后导轨的跨度,2.主轴回转误差误差,（1）主轴回转误差的基本概念,所谓主轴回转误差，是指主轴实际回转轴线对理想回转轴线的漂移。,径向圆跳动,轴向圆跳动（窜动）,角度摆动,（2）主轴回转误差对加工精度的影响,径向跳动,对于镗削：,刀尖到实际回转轴线的距离为定值。,若主轴几何轴线作偏心运动，则镗削的孔为真圆，半径为刀尖到平均回转轴线间距离。,径向跳动,若坐标起点为：,对于车削，主轴的误差运动为：,轴向跳动,无论是车削还是镗削，对圆柱面的加工精度没有影响。,车端面：,车螺纹：,将产生周期性螺距误差。,角度摆动,车削：圆柱；镗削：椭圆柱。,当摆动频率与主轴回转频率相同,（3）影响主轴回转精度的因素,滑动轴承,轴承误差,滚动轴承,滑动或滚动轴承滚道的圆度误差,车削,镗削,主轴轴颈有圆度误差,1.对车削的影响？,2.对镗削的影响？,（3）影响主轴回转精度的因素,轴承误差,滑动或滚动轴承滚道的圆度误差；滑动轴承的间隙、滚动轴承的游隙滚动轴承外圈内滚道、内圈外滚道的同轴度误差；滚动体本身的误差（尺寸、形状）。,轴承定位端面与轴心线的垂直度误差 主轴轴径的圆度误差 受力、热变形等,（4）提高主轴回转精度的措施 提高主轴部件的制造精度 对滚动轴承进行预紧 误差转移,3.机床传动链误差,滚刀,传动链的传动误差是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差。,例：,：末端件转角误差,：第j个元件的转角误差传至末端件的误差,提高制造精度，特别是末端件的精度。,四）、夹具的制造误差与磨损,1.定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等的制造误差。,2.夹具装配后，上述各元件工作面间的相对尺寸误差。,3.夹具在使用中工作表面的磨损。,五）、刀具的制造误差与磨损,1.切削刀具决定工件的最终尺寸和形状,例如：定尺寸刀具钻头、绞刀、圆孔拉刀等。刀具的尺寸误差直接影响工件的尺寸精度；成形刀具成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等。刀具的形状误差直接影响工件的形状精度；展成法刀具齿轮滚刀、插齿刀等。切削刃的几何形状及刀具有关尺寸精度会直接影响工件的形状精度。,2.一般刀具（普通车刀、单刃镗刀、面铣刀等）刀具的制造误差对加工精度无直接影响。,磨损量,工作时间,初期磨损阶段、正常磨损阶段、剧烈磨损阶段,3.刀具的磨损,(1)刀具的磨损（特别是误差敏感方向上）将引起工件的尺寸和形状误差。,(2)刀具的不断磨损将会引起切削力沿加工表面的法线方向的分力逐渐增大，导致工艺系统受力变形工件的尺寸和形状误差增大，工件的尺寸和形状因而产生额外的变化。,若工艺系统的刚度不足，则受力变形引起的加工误差更严重。,一）、基本概念,刚度：工艺系统抵抗变形的能力。,工艺系统的受力变形一般是弹性变形,工艺系统的刚度可由下式表示：,法向切削力,位移,（四）、工艺系统的受力变形对加工精度的影响,y：Fy、Fx、Fz共同作用的综合结果。而切削分力Fy对加工精度的影响最大（误差敏感方向）,二）、工艺系统刚度的计算,三）、工艺系统的刚度对加工精度的影响,1.切削力作用点位置的变化对加工精度的影响,（1）假定工件短而粗，其受力变形可忽略不计，车刀悬伸也很短，受力后的弯曲变形在法向的分量也可忽略不计，即工艺系统的变形完全取决于机床的变形。,由系统刚度的定义：,B,A,f,n,Fy,C,工艺系统的变形yx是一个二次抛物线方程，变形大小随刀具在方向位置的变化而变化，使车出的工件沿轴向呈鞍形。,（2）工件变形引起的加工误差,若考虑工件本身的刚度（假设此时不考虑机床和刀具的变形），即可由材料力学公式计算工件在切削点的变形量：,E：工件的弹性模量；I：工件截面的惯性矩。,显然，加工后的工件呈鼓形。,（3）刀具的刚度不足引起的加工误差可以认为刀具在工件全长上，其变形量近似不变，即由于其变形引起的加工误差为尺寸误差（直径变大）。,（4）工艺系统刚度所引起的加工误差,注意：,工件的装夹方式与工件的刚度,2.复映误差,毛坯加工余量和材料硬度的不均匀，会引起切削力大小的变化。工艺系统由于受力大小的不同，变形的大小也相应发生变化，从而导致工件尺寸和几何形,毛坯,状的误差，加工出的工件形状与毛坯形状相类似，这种规律称为误差复映规律，所产生的误差为复映误差。,毛坯直径误差：,车削后工件直径误差：,当材料硬度均匀、切削条件及进给量一定的条件下：,车削时：,由此引伸的问题：1.当工件毛坯有形状误差（如：圆度、圆柱度、直线度等）或相互位置误差（如偏心、径向跳动等）时，加工后仍然有相类似的加工误差出现。2.当材料硬度不均匀或者有硬质点，同样会造成加工误差。3.复映现象产生的加工误差，可通过增加走刀次数加以纠正。,例（P95、2-8）：设已知一工艺系统的误差复映系数为0.25，工件在本工序前有圆度误差0.45mm，若本工序形状精度规定为 0.01mm，问：至少进给几次方能使形状精度合格？,解：由题设知：,一次进给后：,二次进给后：,三次进给后：,所以，经过三次进给后，能使形状精度合格。,3.夹紧力和重力,由于机床部件或工件本身重量以及它们在移动中位置变化而引起的加工误差,机床部件自重引起地横梁变形,四）、机床部件刚度,加力器,测力环,千分表,1.特点,（1）变形与作用力非线性关系，反映刀架部件的变形不纯粹是弹性变形。,（2）加载与卸载曲线不重合，所包围的面积代表了加卸载循环中所损失的能量（塑性变形、摩擦）。,（3）卸载后曲线不回到原点，说明有残留变形。,（4）部件的实际刚度远比实体所估算的小。,（3）机床零部件制造与装配质量对加工精度的影响,接触刚度,机床薄弱零件的刚度,联结件的刚度,零件的间隙,实际接触面积小于理论接触面积。,机床上个别薄弱零件常会大大降低整个部件的刚度,螺栓联结的预紧、轴承的预紧，当外力超过其预紧力产生的摩擦力时，刚度明显降低。,五）、减小工艺系统受力变形对加工精度影响的措施,从二个方面考虑：提高系统刚度；减小载荷及变化。,5.切削载荷,6.误差转移,梁的变形 镗模等,刀具的几何参数 毛坯精度及余量,（五）、工艺系统的热变形对加工精度的影响,工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形。,在热作用下，工件、刀具及机床的许多部分因温度的升高而产生复杂的变形，从而改变它们之间的相互位置关系，破坏工件和刀具之间相对运动的正确性，改变已调整好的加工尺寸，引起切削深度和切削力的改变，造成加工误差。,据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%70%。工艺系统的热变形不仅严重地影响加工精度，而且还影响加工效率的提高。,工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的一个重大研究课题。,一、工艺系统的热源,热源,内部热源,外部热源,切削热,摩擦热和传动热,环境温度,热辐射,被加工材料切削层的弹性、塑性变形，前、后刀面与切屑、已加工表面的摩擦产生的热量。,日光、照明、暖气、体温等。,气温、室温变化、热、冷风等。,运动件的摩擦（齿轮、轴承、导轨等）产生的热量；液压传动及电机的温升等产生的热量。,工艺系统的热平衡,工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐升高。同时，它们也通过各种传热方式向周围散发热量。,热平衡：当单位时间内传入和散发的热量相等时，工艺系统达到了热平衡状态。工艺系统的热变形也就达到某种程度的稳定。,二、机床热变形对加工精度的影响,机床热变形会影响加工精度，其中主轴部件、床身、导轨、立柱、工作台等部件的热变形，对加工精度影响最大。各类机床其结构、工作条件及热源形式均不相同，因此机床各部件的热变形情况是不一样的。,1.磨床受热变形,外圆磨床：由于热变形会造成砂轮轴线与工件轴线的距离发生变化，且可能产生平行度误差。,平面磨床：立柱弯曲变形，造成砂轮主轴与工作台间的垂直度误差。,2.车床热变形,由于热变形会造成主轴箱在垂直面内和水平面内发生偏转和倾斜，且床身导轨向上凸起。一般在垂直面内的热变形对加工精度的影响较小；而在水平面内的热变形对加工精度的影响较大。,三）、工件热变形,1.均匀受热,f,2.非均匀受热,f,3.单边受热（非均匀受热）,毛坯形状,加工上表面,加工完成、冷却后,四）、刀具热变形,刀具热变形主要是由切削热引起的。切削加工时虽然大部分切削热被切屑带走，传入刀具的热量并不多，但由于刀具体积小，热容量小，导致刀具切削部分的温升急剧升高，刀具热变形对加工精度的影响比较显著。,车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线,车刀连续工作时的热伸长曲线；,切削停止后，车刀温度下降曲线；,间断切削的车刀热伸长曲线。,车外圆时，车刀热变形会使工件产生圆柱度误差（倒喇叭口）。,五）、工件残余应力引起的加工误差,什么是残余应力?,产生原因：,残余应力是由金属内部的相邻宏观或微观组织发生了不均匀的体积变化而产生的，促使这种变化的因素主要来自热加工或冷加工。,1.毛坯制造中产生的残余应力,（1）在铸造、锻造、焊接及热处理过程中，由于工件各部分冷却收缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，在毛坯内部就会产生残余应力（图a）。,（2）毛坯的结构越复杂，各部分壁厚越不均匀以及散热条件相差越大，毛坯内部产生的残余应力就越大。,（3）具有残余应力的毛坯，其内部应力暂时处于相对平衡状态，虽在短期内看不出有什么变化，但当加工时切去某些表面部分后，这种平衡就被打破，内应力重新分布，并建立一种新的平衡状态，工件明显地出现变形。,原因：在外力F的作用下，工件内部的应力重新分布。,影响：当外力F去除后，弹性变形本可完全恢复，但因塑性变形部分的阻止而恢复不了，使残余应力重新分布而达到平衡。,现象：在长棒料或细长零件弯曲的反方向施加外力F，以达到校直目的。,2.冷校直引起的残余应力,措施：对精度要求较高的细长轴，不允许采用冷校直来减小弯曲变形，而采用加大毛坯余量，经过多次切削和时效处理来消除内应力，或采用热校直。,