《机械制造工程基础》第5章机械加工精度及表面质量.ppt

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1、1,机械制造工艺学,第5章 机械加工精度及表面质量,5.1 概述,2,5.1.1 机械加工精度的基本概念,（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）,加工精度,加工精度是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的接近程度。加工误差是指加工后零件的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度。,图5-1 加工质量包含的内容,3,引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。,5.1.2 影响加工精度的因素,图5-2 原始误差构成,4,5.1.3 误差敏感方向,（5-1）,（5-2）,显然：,工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最

2、大的方向，称为误差敏感方向。误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。,5,6,机械制造工艺学,第5章 机械加工表面质量,7,加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。,5.2.1 加工原理误差,式中 R 球头刀半径；h 允许的残留高度。,例2：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮,例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件(图5-4),（5-3）,8,5.2.2 机床误差,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。为便于研究，可将主轴回转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（图5-5）。,9,5.2.2 机床误差,主轴回转误差

3、对加工精度的影响,主轴径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）,考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为：,式中 R 刀尖回转半径；主轴转角。,显然，上式为一椭圆。,10,图5-7 径向跳动对车外圆精度影响,5.2.2 机床误差,仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖运动轨迹接近于正圆（图5-7）。,思考：主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率为主轴转速两倍，被车外圆形状如何？,结论：主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差。,主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）,11,

4、机床主轴回转误差产生的加工误差,12,5.2.2 机床误差,主轴端面圆跳动对加工精度的影响,被加工端面不平，与圆柱面不垂直；加工螺纹时，产生螺距周期性误差。,主轴倾角摆动对加工精度的影响,与主轴径向跳动影响类似,不仅影响圆度误差，而且影响圆柱度误差。,13,5.2.3 刀具与夹具误差,定尺寸刀具（钻头、绞刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差；成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差；刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差。,14,5.2.3 刀具与夹具误差,夹具误差影响加工位置精度；与夹具有关的影响位置误差因素包括：,通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1/3。,1）定位误差；2）刀具导

5、向（对刀）误差；3）夹紧误差；4）夹具制造误差；5）夹具安装误差；,15,5.2.4 调整误差,测量误差。试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差。机床进给机构的位移误差。,定程机构误差。样件或样板误差。测量有限试件造成的误差。,图5-9 试切法与调整法,16,大批量生产时常采用行程挡块、靠模、凸轮作为定程机构，其制造精度和调整精度产生调整误差,样件、样板的制造精度和安装精度、对刀精度产生调整误差,测量误差进给机构位移误差（爬行现象）加工余量的影响（余量很小时，刀刃打滑）,影响工件在机床上占有正确的加工位置,17,机械制造工艺学,第5章 机械加工表面质量,18,夹紧力、重力、传动力和惯性力引起

6、的加工误差,夹紧力影响,a）b）图5-10 薄壁套夹紧变形,图5-10 薄壁工件磨削,【例1】薄壁套夹紧变形 解决：加开口套,【例2】薄壁工件磨削 解决：加橡皮垫,5.3.1 工艺系统刚度对加工精度的影响,19,图5-11 龙门铣横梁变形,【例】龙门铣横梁,图5-12 龙门铣横梁变形转移,图5-13 龙门铣横梁变形补偿,重力影响,5.3.1 工艺系统刚度对加工精度的影响,解决1：重量转移,解决2：变形补偿,20,5.3.2 工件残余应力引起的变形,图5-15 铸件残余应力引起变形,图5-16 冷校直引起的残余应力,设计合理零件结构；粗、精加工分开；避免冷校直；时效处理。,毛坯制造和热处理产生的

7、残余应力（图5-15）；,冷校直带来的残余应力（图5-16）；,切削加工带来的残余应力。,21,机械制造工艺学,第5章 机械加工表面质量,22,5.4.1 概述,在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约4070%。,温度场工艺系统各部分温度分布；热平衡单位时间内，系统传入的热量与传出的热量相等，系统各部分温度保持在一相对稳定的数值上；温度场与热平衡研究目前以实验研究为主。,工件、刀具、切屑、切削液,电机、轴承、齿轮、油泵等,气温、室温变化、热、冷风等,日光、照明、暖气、体温等,23,5.4.2 机床热变形对加工精度影响,体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长；结构

8、复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著。,图5-17 车床受热变形,a）车床受热变形形态,b）温升与变形曲线,24,5.4.2 机床热变形对加工精度影响,立铣（图a）,图5-18 立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形,a）铣床受热变形形态,b）外圆磨床受热变形形态,c）导轨磨床受热变形形态,外圆磨（图b）,导轨磨（图c）,25,5.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响,体积小，热容量小，达到热平衡时间较短；温升高，变形不容忽视(达0.03 0.05mm)。,特点,变形曲线（图5-19）,（5-16）,式中 热伸长量；max 达到热平衡热伸长量；切削时间；c 时间常数（热伸长量为热平衡热

9、伸长量约63%的时间，常取34分钟）。,26,圆柱类工件热变形,5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性。,式中 L，D 长度和直径热变形量；L，D 工件原有长度和直径；工件材料线膨胀系数；t 温升。,长度：,（5-17）,（5-18）,直径：,例：长400mm丝杠，加工过程温升1，热伸长量为：,5.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响,27,式中 X 变形挠度；L，S 工件原有长度和厚度；工件材料线膨胀系数；t 温升。,（5-19）,板类工件单面加工时的热变形（图5-20）,此值已大于精密导轨平直度要求,结果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。例：高

10、600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：,5.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响,28,5.4.4 减小热变形对加工精度影响的措施,例1：磨床油箱置于床身内，其发热使导轨中凹解决：导轨下加回油槽,例2：立式平面磨床立柱前壁温度高，产生后倾。解决：采用热空气加热立柱后壁（图5-22）。,图5-22 均衡立柱前后壁温度场,减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。充分冷却和强制冷却。隔离热源。,29,热对称结构热补偿结构(图5-23,主轴热补偿)。,图5-23 双端面磨床主轴热补偿1主轴 2壳体 3过渡套筒,合理选择装配基准（图5-24）。,高速空运转；人为加热。,恒温；人体

11、隔离。,5.5.4 减小热变形对加工精度影响的措施,30,机械制造工艺学,第5章 机械加工表面质量,31,5.5.1 加工表面质量的概念,表面粗糙度波度纹理方向伤痕(划痕、裂纹、砂眼等),表面质量,图5-25 加工质量包含的内容,32,5.5.1 加工表面质量的概念,零件宏观几何形状误差、波度、表面粗糙度,宏观几何形状误差(平面度、圆度等)波长/波高1000；波度 波长/波高=501000；且具有周期特性；表面粗糙度 波长/波高50。,33,5.5.2 表面质量对零件使用性能的影响,对耐磨性影响,表面粗糙度值 耐疲劳性；适当硬化可提高耐疲劳性。,表面粗糙度值耐蚀性；表面压应力：有利于提高耐蚀性

12、。,表面粗糙度值 配合质量。,表面粗糙度值耐磨性，但有一定限度(图5-27）；,纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好;适当硬化可提高耐磨性。,34,机械制造工艺学,第5章 机械加工表面质量,35,5.6.1 切削加工表面粗糙度影响因素与改进,图5-28 车削时残留面积的高度,直线刃车刀（图5-28 a）,圆弧刃车刀（图5-28 b）,影响因素：刀尖圆弧半径rg，主偏角k，副偏角k，进给量f。,36,切削速度影响最大：v=1050m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图5-29）。,其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等。,5.6.1 切削加工表面粗糙度影响因素与改进,37,

13、机械制造工艺学,第5章 机械加工表面质量,38,5.7.1 影响表面冷作硬化的因素与改进,切削加工,f，冷硬程度(图5-30)；,切削用量影响,刀具影响,r，冷硬程度;其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著(图5-31)。,工件材料,材料塑性，冷硬倾向;,切削速度影响复杂(力与热综合作用结果)；切削深度影响不大。,39,磨削速度冷硬程度（弱化作用加强）；工件转速冷硬程度；纵向进给量影响复杂。,磨削深度冷硬程度（图5-32）；,磨削用量,砂轮,砂轮粒度号冷硬程度；砂轮硬度、组织影响不显著。,工件材料,材料塑性 冷硬倾向；材料导热性 冷硬倾向。,5.7.1 影响表面冷作硬化的因素与改进,40,5

14、.7.1 影响层金属残余应力的因素与改进,v残余应力(热应力起主导作用，图5-33);,切削用量,刀具,前角+，残余拉应力;刀具磨损残余应力。,工件材料,材料塑性残余应力;铸铁等脆性材料易产生残余压应力。,仅讨论切削加工,f残余应力（图5-34）;,切削深度影响不显著。,41,5.7.2 磨削烧伤与磨削裂纹,合理选择砂轮；合理选择磨削用量；改善冷却条件。,工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜。,磨削烧伤,磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现。,图5-35 带空气挡板冷却喷嘴,