第4章機械加工質量本章要點機械加工中的振動影響加工精度的因素影響機械加工表面質量的因素工藝系統幾何誤差工藝系統受力變形工藝系統熱變形加工誤差的統計分析1機械制造技術基礎第4章機械加工質量MachiningQuality4.1

機械加工質量概述IntroductiontoMachiningQuality24.1.1機械加工誤差與機械加工精度

加工質量機械加工質量的三個內容：

機械加工精度

機械表面加工質量

機械加工表面變質層34.1.1機械加工誤差與機械加工精度加工質量◆

零件宏觀幾何形狀誤差、表面波度、表面粗糙度a）波度b）表面粗糙度圖4-1零件加工表面的粗糙度與波度RZλHλRZ宏觀幾何形狀誤差（平面度、圓度等）—波長/波高＞1000表面波度—波長/波高=50～1000；且具有周期特性(因加工中的振動形成)表面粗糙度——波長/波高＜504◆

加工精度：零件加工后實際幾何參數與理想幾何參數接近程度。加工精度尺寸精度形狀精度位置精度(通常形狀誤差限制在位置公差內，位置公差限制在尺寸公差內)4.1.1機械加工誤差與機械加工精度機械加工精度54.1.2機械加工表面質量及其對零件使用性能的影響機械加工表面質量圖4-2加工變質層模型表4-1加工表面變質層的構成情況64.1.2機械加工表面質量及其對零件使用性能的影響

★影響耐磨性Ra（μm）初始磨損量重載荷輕載荷圖4-3表面粗糙度與初始磨損量表面粗糙度值↓→耐疲勞性↑適當硬化可提高耐疲勞性表面粗糙度值↓→耐蝕性↑表面壓應力：有利于提高耐蝕性表面粗糙度值↑→配合質量↓表面粗糙度值↓→耐磨性↑，但有一定限度（圖4-3）★影響疲勞強度★影響耐蝕性★影響配合性質紋理形式與方向：圓弧狀、凹坑狀較好適當硬化可提高耐磨性機械加工表面質量對使用性能的影響★影響接合面的密封性表面粗糙度值↑→密封性↓★影響運動平穩性★影響噪聲7引起加工誤差的根本原因是工藝系統存在著誤差，將工藝系統的誤差稱為原始誤差。原始誤差與工藝系統原始狀態有關的原始誤差(幾何誤差)與工藝過程有關的原始誤差(動誤差)原理誤差定位誤差調整誤差刀具誤差夾具誤差機床誤差工藝系統受力變形（包括夾緊變形）工藝系統受熱變形刀具磨損測量誤差工件殘余應力引起的變形工件相對于刀具靜止狀態下的誤差工件相對于刀具運動狀態下的誤差主軸回轉誤差導軌導向誤差傳動誤差原始誤差——原始誤差分類原始誤差構成4.1.3機械加工工藝系統的原始誤差84.1.4誤差敏感方向

圖4-5：ΔRΔYRRΔR=ΔX（4-1）（4-2）顯然：工藝系統原始誤差方向不同，對加工精度的影響程度也不同。對加工精度影響最大的方向，稱為誤差敏感方向。誤差敏感方向一般為已加工表面過切削點的法線方向。圖4-5誤差敏感方向ＯYR0Xa）ＯYR0Xb）誤差敏感方向94.1.5機械加工精度的獲得方法

◆試切法

尺寸精度的獲得方法形狀精度的獲得方法◆成形運動法軌跡法、展成法和成形刀具法

◆非成形運動法利用人工對加工表面進行檢測和修整，以獲得所要求的形狀精度。位置精度的獲得方法◆一次裝夾法◆多次裝夾法◆非成形運動法利用人工對加工表面進行檢測和修整，以獲得所要求的位置精度。◆尺寸刀具法◆調整法

◆自動控制法10機械械制制造造技技術術基基礎礎第4章機械械加加工工質質量量MachiningQuality4.2

工藝系統原有誤差對加工精度的影響及控制Originalerror

ofTechnologicalSysteminfluencetomachiningPrecisionanditsControl11加工工原原理理誤誤差差是是指指采采用用了了近近似似的的成成型型運運動動或或近近似似的的刀刀刃刃輪輪廓廓進進行行加加工工而而產產生生的的誤誤差差。。4.2.1加加工工原原理理誤誤差差對對加加工工精精度度的的影影響響及及其其控控制制式中中R———球球頭頭刀刀半半徑徑；；h———允允許許的的殘殘留留高高度度。。例2：：用阿阿基基米米德德蝸蝸桿桿滾滾刀刀滾滾切切漸漸開開線線齒齒輪輪例1：：在數數控控銑銑床床上上采采用用球球頭頭刀刀銑銑削削復復雜雜形形面面零零件件SRh空間曲面數控加工加工原理誤差124.2.2量量具具誤誤差差與與測測量量誤誤差差對對加加工工精精度度的的影影響響及及其其控控制制計量量器器具具誤誤差差是是由示示值值誤誤差差、、示示值值穩穩定定性性、、回回程程誤誤差差和和靈靈敏敏度度等等四四個個方方面面綜綜合合起起來來的的極極限限誤誤差差。。測量量者者的的視視力力、、判判斷斷能能力力、、測測量量經經驗驗；；相相對對測測量量或或間間接接測測量量中中所所用用的的對對比比標標準準、、數數學學運運算算精精確確度度；；單單次次測測量量判判斷斷的的不不準準確確等等。。量具誤差測量誤差134.2.3裝裝夾夾誤誤差差與與夾夾具具誤誤差差對對加加工工精精度度的的影影響響及及其其控控制制利用用夾夾具具裝裝夾夾工工件件進進行行加加工工時時，，造造成成工工件件加加工工表表面面之之間間尺尺寸寸和和位位置置誤誤差差的的因因素素主主要要有有：：工件件裝裝夾夾誤誤差差△△ZJ包括括定定位位誤誤差差△△DW和夾夾緊緊誤誤差差△△JJ。夾夾緊緊誤誤差差是是夾夾緊緊工工件件時時引引起起工工件件和和夾夾具具變變形形所所造造成成的的加加工工誤誤差差。。夾具具對對定定誤誤差差△△DD包括括對對刀刀誤誤差差△△DA和夾夾具具位位置置誤誤差差△△JW。30±0.05φ6F7φ10F7k6φ20H7g6YZ圖4-7鉆徑向孔的夾具在夾夾具具設設計計時時，，對對于于結結構構上上與與工工件件加加工工精精度度有有關關的的技技術術要要求求都都要要嚴嚴格格。。一一般般精精加加工工用用夾夾具具的的有有關關尺尺寸寸公公差差取取工工件件相相應應尺尺寸寸公公差差的的1/2~1/3；；粗粗加加工工時時取取1/5~1/10。。144.2.3裝裝夾夾誤誤差差與與夾夾具具誤誤差差對對加加工工精精度度的的影影響響及及其其控控制制定位位誤誤差差是由基準位位置誤差和和基準不重重合誤差組組成。為減減小定位誤誤差，應盡盡量選用工工序基準作作為定位基基準，并要要求夾具定定位元件和和工件定位位基準面的的制造誤差差。一般應應將定位誤誤差控制在在≤1/3工件尺寸寸或位置公公差。夾緊誤差是夾具和工工件在夾緊緊力的作用用下發生變變形而帶來來的加工誤誤差。通常常夾具的變變形影響很很小，可忽忽略不計。。對刀誤差產生于對刀刀導引元件件的制造、、裝配和使使用過程。。將影響刀刀具相對于于定位元件件位置的準準確性和一一致性，造造成一批工工件的加工工誤差。154.2.4刀刀具誤差與與調整誤差差對加工精精度的影響響及其控制制刀具的制造與安裝精度刀具刃口質質量直接影影響微量切切削。定尺寸刀具具（鉆頭、、絞刀等））尺寸誤差差影響加工工尺寸誤差差成形刀具和和展成刀具具形狀誤差差影響加工工形狀誤差差刀具磨損影影響加工尺尺寸誤差或或形狀誤差差為提高成形形刀具的刃刃磨和安裝裝精度，可可采用光學學曲面磨床床進行精確確刃磨，通通過對刀樣樣板或對刀刀顯微鏡，，實現成形形刀具的準準確安裝。。在分度轉位位刀架上安安裝刀具加加工時，應應注意尺寸寸減少分度度誤差對加加工精度的的影響。(誤差敏感感方向對加加工精度的的影響)圖4-8立軸轉塔車床刀架轉位誤差的轉移16刀具的調整4.2.4刀刀具誤差與與調整誤差差對加工精精度的影響響及其控制制生產中常用用的刀具調調整方法有有：按標準樣塊塊或對刀塊塊(導套)調整刀具具按試切一個個工件后的的實測尺寸寸調整刀具具。在成批及大大量生產的的調整法加加工中，零零件加工后后的尺寸精精度很大程程度上取決決于刀具的的調整精度度。按標準樣塊塊或對刀塊塊(導套)調整刀具具，影響刀具具調整精度度的因素：：標準樣板板本身的尺尺寸精度、、對刀塊(導套)相相對工件定定位元件之之間的尺寸寸精度、刀刀具調整時時的目測精精度、切削削加工時刀刀具相對于于工件加工工表面的彈彈性退讓、、行程擋擋塊的受力力變形。按試切一個個工件后的的實測尺寸寸調整刀具具時，可能導導致進給機機構的重復復定位精度度和按試切切一個工件件尺寸調整整刀具的不不準確性，，引起加工工后這批零零件尺寸分分布中心位位置的偏離離?？刹捎迷嚽星袔讉€工件件取平均值值的方法進進行刀具調調整，提高高對一批工工件尺寸分分布中心位位置判斷的的準確性。。174.2.4刀刀具誤差與與調整誤差差對加工精精度的影響響及其控制制微量進給精度提高微量進進給機構的的主要措施施：盡量傳動鏈鏈，減小傳傳動絲杠的的長徑比，，消除各傳傳動元件間間的間隙，，以提高進進給機構的的傳動剛度度；采用滾珠絲絲杠螺母副副、滾動導導軌副或靜靜壓導軌，，使用性能能優越的導導軌材料和和潤滑油，，以減小進進給機構各各傳動副間間的摩擦力力和靜、動動摩擦系數數差；合理布置傳傳動機構的的結構布局局，防止運運動部件受受扭側力矩矩而增大摩摩擦阻力。。采用新型的的微量進給給原理，如如電致伸縮縮微量進給給機構、尺尺蠖(huò)機機構、摩擦擦驅動機構構等。184.2.5機機床幾何誤誤差對加工工精度的影影響及其控控制機床的幾何何精度機床主軸回回轉精度的的高低，以以在規定測測量截面內內，主軸一一轉或數轉轉內諸回轉轉中心相對對于其平均均位置(平平均軸線)的變動范范圍來衡量量?；剞D運動精度主軸回轉誤誤差主軸回轉時實實際回轉軸軸線與理想想回轉軸線線的偏移量量。主軸回轉精精度的三種種形式b）主軸軸向竄動a）主軸徑向跳動c）主軸角度擺動圖4-10主軸回轉誤差形式19回轉運動精度徑向跳動產產生徑向向跳動的原原因主要是是軸承副的的制造誤差差。根據不不同的主軸軸部件布置置情況影響響支加工精精度。主軸軸承為為滑動軸承承時，主軸軸軸頸的誤誤差將在回回轉過程中中引起軸線線產生瞬時時變化，造造成徑向跳跳動。4.2.5機機床幾何誤誤差對加工工精度的影影響及其控控制圖4-11采用滑動軸承時主軸徑向跳動分析20主軸軸承為為滾動軸承承時，影響響徑向跳動動的因素：：外環與箱體體孔間的配配合質量內環與主軸軸軸頸的配配合質量外環滾道和和內環滾道道的圓度外環滾道對對其外圓的的同軸度內環滾道對對其內孔的的同軸度軸承裝配引引起的受力力變形滾動軸承間間隙滾動體的形形狀及尺寸寸的一致性性回轉運動精度4.2.5機機床幾何誤誤差對加工工精度的影影響及其控控制★由于存在誤誤差敏感方方向，加工工不同表面面時，主軸軸徑向跳動動所引起的的加工誤差差也不同。。車床上加加工外圓、、內孔時，，主軸徑向向跳動將引引起工件圓圓度誤差，，對工件端端面加工無無影響。214.2.5機機床幾何誤誤差對加工工精度的影影響及其控控制回轉運動精度軸向竄動滑動軸承主主軸的軸向向竄動，是是主軸軸頸頸的軸向承承載面或主主軸軸承的的承載面與與主軸回轉轉軸線間的的垂直度誤誤差引起的的。滾動軸承主主軸的軸向向竄動決定定于止推軸軸承兩個滾滾道的精度度和滾動體體的精度。。★根據誤差敏敏感方向分分析，車端端面時，主主軸的軸向向竄動將造造成工件端端面的平面面度誤差及及端面相對對于內、外外圓的垂直直度誤差；；車削螺紋紋時會造成成螺距誤差差；主軸的的軸向竄動動對加工外外圓或內孔孔影響不大大。a）b）Δ≈0Δ圖4-12止推軸承端面誤差對主軸軸向竄動的影響22角度擺動4.2.5機機床幾何誤誤差對加工工精度的影影響及其控控制回轉運動精度★角度擺動不不僅影響加加工表面的的圓度誤差差，而且影影響工件加加工表面的的圓柱度誤誤差。車削削外圓或內內孔時，角角度擺動會會造成錐度度誤差；在在鏜孔時，，會使鏜出出的孔為橢橢圓形。23提高主軸回回轉精度的的措施4.2.5機機床幾何誤誤差對加工工精度的影影響及其控控制回轉運動精度選用高精度度的軸承，，并提高主主軸及箱體體的制造精精度和主軸軸部件的裝裝配精度。。對高速速主軸軸部件件要進進行動動平衡衡，對對精密密滾動動軸承承要采采取預預加載載荷等等工藝藝措施施。采用液液體或或氣體體靜壓壓軸承承，由由于無無磨損損，高高剛度度（是是滾動動軸承承的5～6倍）），以以及對對主軸軸軸頸頸的形形狀誤誤差的的均化化作用用，可可以大大幅度度地提提高主主軸回回轉精精度。。★軸類零零件采采用雙雙固定定頂尖尖定位位加工工，可可避開開主軸軸回轉轉精度度對加加工精精度的的直接接影響響，這這在精精密磨磨削加加工中中經常常使用用。在在這種種情況況下，，工件件頂尖尖孔的的形狀狀誤差差成為為影響響被加加工工工件形形狀精精度的的決定定因素素，必必須對對其及及時地地進行行修整整。244.2.5機機床幾幾何誤誤差對對加工工精度度的影影響及及其控控制直線運動精度機床的的直線線運動動精度度主要要指導導軌的的導向向精度度。準確的的直線線運動動主要要取決決于：：機床導導軌的的制造造精度度機床導導軌與與其工工作臺臺間的的接觸觸精度度機床導導軌精精度包包括：：導軌在在水平平面內內的直直線度度導軌在在垂直直面內內的直直線度度雙導軌軌間在在垂直直方向向的平平行度度接觸精精度以以相互互配合合的導導軌面面間單單位面面積接接觸斑斑點個個數量量。機床導導軌誤誤差對對刀具具或工工件的的直線線運動動精度度有直直接影影響。。它將將導致致刀尖尖相對對于工工件加加工表表面的的位置置變化化，而而對工工件的的形狀狀精度度產生生影響響。25直線運動精度4.2.5機機床幾幾何誤誤差對對加工工精度度的影影響及及其控控制△X△XΔx將直接接反映映在工工件加加工表表面法法線方方向(加工工誤差差敏感感方向向)上上，誤誤差ΔR=Δx，對加加工精精度影影響最最大。。刀尖在在水平平面內內的運運動軌軌跡造造成工工件軸軸向形形狀誤誤差。。導軌在在水平平面內內的直直線度度264.2.5機機床幾幾何誤誤差對對加工工精度度的影影響及及其控控制直線運動精度△Y對臥式式車床床Δd≈ΔY2/d若設ΔY=0.1mm,d=40mm，，則Δd=0.00025mm，，影響響可忽忽略不不計(加工工誤差差非敏敏感方方向)。而對平平面磨磨床、、龍門門刨床床誤差差將直直接反反映在在工件件上。。導軌在在垂直直面內內的直直線度度274.2.5機機床幾幾何誤誤差對對加工工精度度的影影響及及其控控制ΔX

圖4-13導軌扭曲引起的加工誤差HδΔRDαBXY雙導軌軌間在在垂直直方向向的平平行度度直線運動精度△n－－車床床前后后縱導導軌間間存在在的平行度度誤差差?！镆话丬囓嚧睭/B≈2/3，故故△n對工工件加加工表表面誤誤差的的影響響很大大。284.2.5機機床幾幾何誤誤差對對加工工精度度的影影響及及其控控制成形運動間位置關系精度圖4-14成形運動間位置誤差對外圓和端面車削的影響fαZΔzΔzαc）HyR0fXZLfdD－ΔdΔxa）b）294.2.5機機床幾幾何誤誤差對對加工工精度度的影影響及及其控控制成形運動間位置關系精度圖4-15成形運動間位置誤差對臥鏜內孔的影響圖4-16端銑刀對稱銑削時的平面度誤差和移位加工30圖4-17齒輪機床傳動鏈z7=z8=16z1=64zn=96z5=z6=23z3=z4=23bz2=16zn-1=1icefacd以齒輪輪機床床傳動動鏈為為例：：式中Δφn——傳傳動動鏈末末端元元件轉轉角誤誤差；；kj——第第j個個傳動動元件件的誤誤差傳傳遞系系數，，表明明第j個傳傳動元元件對對末端端元件件轉角角誤差差影響響程度度，其其數值值等于于該元元件至至末端端元件件的傳傳動比比；ωn——傳傳動動鏈末末端元元件角角速度度；αj——第第j個個傳動動元件件轉角角誤差差的初初相角角。成形運動間速度關系精度4.2.5機機床幾幾何誤誤差對對加工工精度度的影影響及及其控控制31縮短傳傳動鏈鏈長度度采用降降速傳傳動提高末末端元元件的的制造造精度度與裝裝配精精度采用頻頻譜分分析方方法，，找出出影響響傳動動精度度的誤誤差環環節采取誤誤差補補償方方法末端元元件轉轉角誤誤差圖4-18傳動鏈誤差的頻譜分析a)ΔφΣφnA1A2Aib)Ω(頻率)A(幅值)ω1ω2ωi◆提高傳傳動精精度措措施4.2.5機機床幾幾何誤誤差對對加工工精度度的影影響及及其控控制圖4-19絲杠加工誤差補償裝置1—工件2—螺母3—母絲杠4—杠桿5—校正尺6—觸頭7—校正曲線32機械制制造技技術基基礎第4章機械加加工質質量MachiningQuality4.3

加工過程中原始誤差對加工精度的影響ProcessingtheoriginalerrorinfluencetomachiningPrecision33機械加加工中中，工工藝系系統在在切削削力、、夾緊緊力、、傳動動力、、慣性性力和和重力力等外外力的的作用用下，，將產產生相相應變變形,使使工件件產生生加工工誤差差。4.3.1工工藝藝系統統受力力變形形對加加工精精度的的影響響及其其控制制工藝系統剛度及其對加工精度的影響34在加工工誤差差敏感感方向向上工工藝系系統所所受外外力Fn與變形形量△△之比比4.3.1工工藝藝系統統受力力變形形對加加工精精度的的影響響及其其控制制工藝系統剛度及其對加工精度的影響工藝系系統剛剛度指工藝藝系統統在受受力作作用下下抵抗抗其變變形的的能力力。式中Ks——工工藝系系統剛剛度；；Fp——車車削加加工時時的背背向力力；Δx——工工藝系系統位位移（（切削削合力力作用用下的的位移移）。。車削外外圓時時，35工藝系系統受受力變變形等等于工工藝系系統各各組成成部分分受力力變形形之迭迭加。。由此此可導導出工工藝系系統剛剛度與與工藝藝系統統各組組成部部分剛剛度之之間的的關系系：工藝系統剛度計算★工藝系系統剛剛度的的倒數數等于于系統統各組組成環環節剛剛度的的倒數數之和和。工工藝系系統剛剛度主主要取取決于于薄弱弱環節節的剛剛度。。4.3.1工工藝藝系統統受力力變形形對加加工精精度的的影響響及其其控制制36圖4-20車削外圓時的工藝系統受力變形XHXTXBΔXFpAA′BB′CC′ZLFAFBXz工藝系統剛度計算(4-18)式中，，KH、KT、KB－機床床床頭、、尾座座及刀刀架部部件的的實測測平均均剛度度；E－工件件材料料彈性性模量量；J－工件件截面面慣性性矩。。機床部部件的的剛度度主要受受相關關零件件接合合面間間的間間隙、、接觸觸變形形和摩摩擦力力等因因素的的影響響。現現主要要依靠靠實驗驗測定定的方方法獲獲得。。4.3.1工工藝藝系統統受力力變形形對加加工精精度的的影響響及其其控制制★工藝系系統剛剛度隨隨刀具具位置置的變變化而而變化化，使使加工工出來來的工工件產產生圓圓柱度度誤差差。37圖4-21誤差復映現象ap1x1ap2x2毛坯外形工件外形由于工藝系統統受力變形，，使毛坯誤差差部分反映到到工件上，此此種現象稱為為“誤差復映”加工過程中切削力變化產生的加工誤差誤差復映4.3.1工工藝系統統受力變形對對加工精度的的影響及其控控制在工件加工過過程中，由于于工件毛坯加加工余量不勻勻或工件材料料硬度不均，，將會引起切切削力的變化化，使工藝系系統的變形發發生變化，從從而造成加工工誤差。38★機械加工中，，誤差復映系系數通常小于于1。可通過過多次走刀，，消除誤差復復映的影響。。（4-24））4.3.1工工藝系統統受力變形對對加工精度的的影響及其控控制誤差復映系數數誤差復映程度度可用誤差復復映系數來表表示，誤差復復映系數與系系統剛度成反反比。加工過程中切削力變化產生的加工誤差式中，△w－工件加工前前的誤差；△B－工件加工后后的誤差；CFp－徑向切削力力系數；f－進給量；yFp－進給量對切切削力的影響響指數。39◆提高工件在加加工時的剛度度a）b）圖4-22薄薄壁套夾緊緊變形【例1】薄壁套夾緊變變形解決：加開口套提高工藝系統剛度的措施4.3.1工工藝系統統受力變形對對加工精度的的影響及其控控制◆提高刀具在加加工時的剛度度◆提高機床和夾夾具的剛度◆盡量減少連接接面數目，盡盡可能提高零零件配合面的的形狀精度，，減小表面粗粗糙度，增大大連接時的實實際接觸面積積，以減少總總的接觸變形形。裝配時，，采取預緊措措施，可消除除接合面間的的間隙和提高高接觸剛度。。40龍門銑橫梁變變形【例】龍門銑橫梁龍門銑橫梁變變形轉移龍門銑橫梁變變形補償◆減小部件自重重引起的機床床結構變形對對加工精度的的影響解決1：重量轉移解決2：變形補償4.3.1工工藝系統統受力變形對對加工精度的的影響及其控控制414.3.2工工藝系統統受熱變形對對加工精度的的影響及其控控制工藝系統的熱源在精密加工和和大件加工中中，工藝系統統熱變形引起起的加工誤差差占總誤差的的約40～70%。工藝系統熱變形424.4.2機機床熱變變形對加工精精度影響體積大，熱容容量大，溫升升不高，達到到熱平衡時間間長結構復雜，變變形不均勻，，對加工精度度影響顯著運轉時間/h0123450150100200位移/μm20406080溫升/℃ΔYΔX前軸承溫升車床受熱變形形a）車床受受熱變形形態態b）溫升與與變形曲線使機床產生熱熱變形的熱源源主要是摩擦擦熱、傳動熱熱和外界熱源源傳入熱量。。工藝系統熱變形對加工精度的影響機床熱變形對對加工精度的的影響43立銑（圖a））立式銑床、外外圓磨床、導導軌磨床受熱熱變形a）銑床受熱熱變形形態b）外圓磨床床受熱變形形形態c）導軌磨床床受熱變形形形態外圓磨（圖b）導軌磨（圖c）其他機床熱變形

4.3.2工工藝系統統受熱變形對對加工精度的的影響及其控控制444.3.2工工藝系統統受熱變形對對加工精度的的影響及其控控制工件熱變形對對加工精度的的影響工藝系統熱變形對加工精度的影響機械加工過程程中，使工件件產生熱變形形的熱源主要要是切削熱或或磨削熱。對于精密零件件，環境溫度度變化和日光光、取暖設備備等外部熱源源對工藝系統統的局部輻射射等也不容忽忽視。車削或磨削軸軸類工件外圓圓時，可近似似看成是均勻勻受熱的情況況。工件均勻勻受熱影響工工件的尺寸精精度，其變形形量(mm)可按下式估估算：式中：α—工工件材料的熱熱膨脹系數1/℃)；L—工件在熱熱變形方向上上的尺寸（mm)；△t—工件平平均溫升（℃℃)。454.3.2工工藝系統統受熱變形對對加工精度的的影響及其控控制工藝系統熱變形對加工精度的影響圖4-23平平板磨削加加工時的翹曲曲變形及其計計算當工件受熱不不均時，如磨磨削零件單一一表面，由于于工件單面受受熱而產生向向上翹曲變形形y，加工冷冷卻后將形成成中凹的形狀狀誤差y’：：★工件長度L越越大，厚度H越小，則中中凹形狀誤差差y’就越大大。為減小工工件的熱變形形帶來的加工工誤差，應控控制工件上下下表面的溫差差△θ。在精密絲杠磨磨削加工中，，工件的熱伸伸長將引起螺螺距的累積誤誤差。yφ/4φLH464.3.2工工藝系統統受熱變形對對加工精度的的影響及其控控制刀具熱變形對對加工精度的的影響工藝系統熱變形對加工精度的影響體積小，熱容容量小，達到到熱平衡時間間較短溫升高，變形形不容忽視(達0.03～0.05mm)τ(min)圖4-24車刀熱變形曲線連續切削升溫曲線冷卻曲線間斷切削升溫曲線ξ（μm）ξmaxτb0τc0.63ξmax使刀具產生熱熱變形的熱源源主要是切削削熱。切削熱熱傳入刀具的的比例雖然不不大（車削時時約為5％左左右），但由由于刀具體積積小，熱容量量小，所以刀刀具切削部分分的溫升仍較較高。474.3.2工工藝系統統受熱變形對對加工精度的的影響及其控控制控制工藝系統熱變形的主要措施減少切削熱和和磨削熱，粗粗、精加工分分開。潤滑，減少運運動部件間的的摩擦。隔離熱源。減少熱量的產產生和傳入加強散熱能力力充分冷卻和強強制冷卻。均衡溫度場熱對稱結構熱補償結構熱變形方向為為非誤差敏感感方向控制環境溫度度恒溫人體隔離484.3.3工工藝系系統磨損對加加工精度影響響工藝系統磨損對加工精度的影響機床磨損對加加工精度的影影響影響機床上工工件和工具的的運動精度及及其相互間的的位置關系、、速比關系、、破壞機床成成形運動的原原有精度，造造成被加工零零件的形狀和和位置誤差。。刀具磨損對加加工精度的影影響夾具磨損對加加工精度的影影響量具磨損對加加工精度的影影響影響被加工表表面與定位基基準面間的尺尺寸精度和位位置精度。造成工件的尺尺寸和形狀誤誤差。影響零件的試試切精度，造造成加工誤差差。49減少工藝系統磨損的措施4.3.3工工藝系系統磨損對加加工精度影響響提高導軌耐磨磨性采用耐磨合金金鑄鐵、鑲鋼鋼導軌、貼塑塑導軌、滾動動導軌、導軌軌表面淬火、、合理潤滑等等。正確選用刀具具材料，減少少刀具磨損合理選擇刀具具參數、切削削用量，正確確地刃磨刀具具，合理地使使用冷卻潤滑滑液等。減少夾具磨損損提高夾具中易易磨損件的耐耐磨性，并及及時磨損更換換超限的夾具具元件。504.3.4工工件殘殘余應對加工工精度的影響響及其控制未施加任何外外力作用情況況下，材料內內部保持平衡衡而存在的應應力。殘余應力概念殘余應力種類◆殘余壓應力◆殘余拉應力◆熱塑變形效應應：表層張應力，，里層壓應力力◆里層金屬彈性性恢復：若里層金屬產產生壓縮變形形，則彈性恢恢復后表層得得到壓應力，，里層為張應應力◆表層金屬相變變：影響復雜，若若切削區溫度度超過相變溫溫度，則珠光光體受熱轉變變成奧氏體，，冷卻后又轉轉變成馬氏體體，體積膨脹脹，表層產生生壓應力◆實際應力狀態態是上述各因因素影響的綜綜合結果殘余應力產生生原因514.3.4工工件殘殘余應對加工工精度的影響響及其控制圖4-25鑄鑄件殘余應應力引起變形形圖4-26冷冷校直直引起的殘余余應力設計合理零件件結構必要的熱處理理粗、精加工分分開避免冷校直殘余應力對加工精度的影響毛坯制造和熱熱處理產生的的殘余應力（（圖4-25）減小殘余應力措施冷校直帶來的的殘余應力(圖4-26)切削加工帶來來的殘余應力力52機械制造技術術基礎第4章機械加工質量量MachiningQuality4.4

加工誤差的統計分析StatisticAnalysisofMachiningErrors534.4.1加加工誤誤差的性質系統誤差在順序加工一一批工件中，，其大小和方方向均不改變變，或按一定定規律變化的的加工誤差。?！舫Ｖ迪到y誤差差——其大小和和方向均不改改變。如機床床、夾具、刀刀具的制造誤誤差，工藝系系統在均勻切切削力作用下下的受力變形形，調整誤差差，機床、夾夾具、量具的的磨損等因素素引起的加工工誤差。◆變值系統誤差差——誤差大小小和方向按一一定規律變化化。如機床、、夾具、刀具具在熱平衡前前的熱變形，，刀具磨損等等因素引起的的加工誤差。。加工誤差系統誤差隨機誤差常值系統誤差變值系統誤差加工誤差統計特性544.4.1加加工誤誤差的性質◆在順序加工一一批工件中，，其大小和方方向隨機變化化的加工誤差差?！綦S機誤差是工工藝系統中大大量隨機因素素共同作用而而引起的?！綦S機誤差服從從統計學規律律?！羧缑饔嗔炕蚧蛴捕炔痪?，引起切削力力的隨機變化化而造成的加加工誤差；定定位誤差；夾夾緊誤差；殘殘余應力引起起的變形等。。隨機誤差554.4.2機機械加加工誤差的分分布規律圖4-27機械加工誤差的分布規律564.4.2機機械加加工誤差的分分布規律分布曲線◆正態分布式中，y－分布的概率密密度；x－隨機變量；μ－正態分布隨機機變量總體平平均值；σ－正態分布隨機機變量的標準差。概率密度函數數（4-27）yF（z）圖4-28正態分布曲線μ(z=0)x(z)0z-σ+σ574.4.2機機械加加工誤差的分分布規律正態分布曲線線的特性◆正態分布正態分布曲線線是關于x=μ的對稱曲線。。當x=μ時，曲線取得得最大值：在x=μ±σ處，曲線有拐拐點；當x→±∞，曲線接接近x軸，即x軸為分布曲線線的漸近線。。若改變μ值，分布曲線線將沿橫坐標標移動而不改改變其形狀，，說明μ表征分布曲線線位置的參數數。分布曲線的最最大值ymax與σ成反比。σ是表征分布曲曲線形狀的參參數，反映了了隨機變量x取值的分散程程度。584.4.2機機械加加工誤差的分分布規律◆正態分布圖4-29μ對正態分布曲線的影響圖4-30σ對正態分布曲線的影響594.4.2機機械加加工誤差的分分布規律平均值μ=0，標準差差σ=1的正態分分布稱為標準準正態分布，，記為：x(z)~N(μ,σ2)◆正態分布由分布函數的的定義，正態態分布函數是是正態分布概概率密度函數數的積分（4-29）令：將z代入上式，則則：稱z為標準化變量量604.4.2機機械加加工誤差的分分布規律◆正態分布當z=±3時，即x-μ=±3σ時，隨機變量量x落在±3σ范圍內的概率率為99.7%，落在此此范圍以外的的概率僅不0.27%。。故可以認為為正態分布的隨隨機變量的分分散范圍是±±3σ，即±3σ原則。6σ的大大小小代代表表了了某某種種加加工工方方法法在在一一定定條條件件下下所所能能達達到到的的加加工工精精度度。。一一般般情情況況下下，，應應使使所所選選擇擇加加工工方方法法的的標標準準差差σ與公公差差帶帶T間間具具有有下下列列關關系系：：6σ≤T61◆非正正態態分分布布xy0a）雙峰分布雙峰峰分分布布：：兩次次調調整整下下加加工工的的工工件件或或兩兩臺臺機機床床加加工工的的工工件件混混在在一一起起（（圖圖示示a））xy0b）平頂分布xy0c）偏向分布平頂頂分分布布：：工件件瞬瞬時時尺尺寸寸分分布布呈呈正正態態，，其其算算術術平平均均值值近近似似成成線線性性變變化化（（如如刀刀具具和和砂砂輪輪均均勻勻磨磨損損））（（圖圖示示b））偏向向分分布布：：如工工藝藝系系統統存存在在顯顯著著的的熱熱變變形形，，或或試試切切法法加加工工孔孔時時寧寧小小勿勿大大，，加加工工外外圓圓時時寧寧大大勿勿小小（（圖圖示示c））幾種種非非正正態態分分布布4.4.2機機械械加加工工誤誤差差的的分分布布規規律律624.4.3加加工工誤誤差差的的統統計計方方法法統計計分分析析法法是以以現現場場觀觀察察與與實實際際測測量量所所得得的的數數據據為為基基礎礎，，應應用用概概率率論論和和統統計計學學原原理理，，確確定定在在一一定定加加工工條條件件下下，，一一批批零零件件加加工工誤誤差差的的大大小小及及其其分分布布情情況況。。此法法既既可可以以識識別別系系統統的的大大小小與與方方向向，，也也可可識識別別各各種種隨隨機機誤誤差差因因素素對對加加工工精精度度的的綜綜合合影影響響。。適用用于于調調整整法法加加工工的的成成批批、、大大量量生生產產。。加工誤差的統計分析分布圖法通過過測測量量一一批批零零件件加加工工后后的的實實際際尺尺寸寸，，做做出出尺尺寸寸分分布布曲曲線線，，然然后后按按此此曲曲線線的的位位置置(相相對對于于理理想想尺尺寸寸)和和形形狀狀(分分散散范范圍圍)判判斷斷這這種種加加工工方方法法產產生生誤誤差差的的性性質質和和大大小小。。63(1)計計算算平平均均尺尺寸寸式中中，，xi－各各實實測測尺尺寸寸；；n－實實測測零零件件的的總總數數。。(2)計計算算常常值值系系統統誤誤差差式中中，，xM－工工件件的的理理想想尺尺寸寸，，即即公公差差帶帶中中心心值值；；－所所測測尺尺寸寸的的算算術術平平均均值值。。分布圖法4.4.3加加工工誤誤差差的的統統計計方方法法常值值系系統統誤誤差差一一般般可可以以通通過過對對工工藝藝系系統統進進行行適適當當的的調調整整來來消消除除或或減減小小。。圖4-31一批零件加工尺寸分布圖64(3)計計算算隨隨機機誤誤差差(4)確確定定工工序序能能力力系系數數一般般情情況況下下，，工工序序能能力力不不應應低低于于二二級級，，即即CP＞1。。只有有當當時時，，才才不不會會出出現現不不合合格格品品。。實際際工工藝藝能能力力系系數數CPK：分布圖法4.4.3加加工工誤誤差差的的統統計計方方法法65工序序能能力力等等級級工序能力系數工序等級說明CP＞1.67特級工序能力過高1.67≥CP＞1.33一級工序能力足夠1.33≥CP＞1.00二級工序能力勉強1.00≥CP＞0.67三級工序能力不足0.67≥CP四級工序能力很差表4-3工序能力等級分布圖法4.4.3加加工工誤誤差差的的統統計計方方法法工藝藝能能力力系系數數CP表示示工工藝藝過過程程本本身身的的能能力力，，而而實際際工工藝藝能能力力系系數數CPK則表表示示工工藝藝過過程程滿滿足足加加工工質質量量要要求求的的能能力力，，是是對對““工工藝藝過過程程能能力力””和和““質質量量控控制制能能力力””的的綜綜合合。。66(5)計算不不合格品率通常情況下，，計算不合格格品率需要同同時考慮常值值系統誤差和和隨機誤差。。尺寸過大不合合格品率：尺寸過小不合合格品率：(6)分析減減少不合格品品的措施消除常值系統統誤差提高工序能力力增大不合格品品的可修復性性4.4.3加加工誤誤差的統計方方法分布圖法圖4-32尺寸調整前后的不合格品率67點圖法4.4.3加加工誤誤差的統計方方法逐點點圖在一批零件加加工過程中，，依次測量每每個零件的加加工尺寸，并并記入以順次次加工的零件件號不橫坐標標、零件加工工尺寸為縱坐坐標的圖表中中，便構成了了逐點點圖。。采用點圖法分分析可明顯發發現變值系統統誤差。其隨隨機誤差的分分布寬度為6σ’，遠比6σ小。由于刀具磨損損產生變值系系統誤差為Δvs=ntanαα，則每個零件件的系統誤差差為Δs=C+ntanα。式中，n－零件加工順順序號；tanα－直徑變化斜斜率；C－常值系統誤誤差。圖4-33在車床上用調整法加工軸頸的點圖68在點圖上，，是小樣本本均值的均值值線，UCL、LCL是小樣本均值值的上、下下控制線。在在R圖上，是小小樣本極差R的均值線，，UR是小樣本極差差的上控制線線。圖是由小樣本(樣組)均值的點圖和小樣本極差R的點圖組成，橫坐標是按時間先后采集的小樣本組序號，縱坐標分別是小樣本均值和極差R。4.4.3加加工誤誤差的統計方方法點圖法圖圖4-34圖R圖UCL

0510樣組序號1520LCL0510樣組序號1520x圖LCLUCL

Ri69◆工藝過程穩定定性點子正常波動動→工藝過程程穩定；點子子異常波動→→工藝過程不不穩定◆穩定性判別——沒有點子子超出控制限限——大部分點點子在中心線線上下波動，，小部分點子子靠近控制限限——點子變化化沒有明顯規規律性（如上上升、下降傾傾向，或周期期性波動）同時滿足為穩穩定圖4.4.3加加工誤誤差的統計方方法點圖反映工藝藝過程質量指指標分布中心心(系統誤差差)的變化，，R圖反映工工藝過程質量量指標分散范范圍(隨機誤誤差)的變化化，兩圖必須須聯合使用。。70機械制造技術術基礎第4章機械加工質量量MachiningQuality4.5

機械加工表面質量的影響因素及改善措施Surfacemachiningqualityfactorsandimprovementmeasures714.5.1切切削加加工表面的形形成過程γohDΔhDΔhOBDC圖4-35已加工表面形成過程αoVBrn刀具鈍圓半徑rnrn值主要由刀具具材料的晶位位結構及刃磨磨質量決定。。一般情況下下，高速鋼rn約為10~18μμm，最小可達5μm;硬質合金rn約為18~32μμm，最小可達3~6μm。刀具前角γo和后角αo越大，刃磨質質量越好，rn值會增大。切削過程中，，后刀面與加加工表面間的的摩擦擠壓，，加劇了加工工表面的塑性性變形，甚至至引起表層的的非晶質化、、纖維化及加加工硬化等。。圖中O點為切削層金金屬的分流點點。72圖4-36表面粗糙度4.5.2機機械加加工表面粗糙糙度概述經過切(磨)削加工后的的表面總會有有微觀幾何形形狀的不平度度，其高度稱稱為粗糙度。。粗糙度理論(理想)粗糙度把刀具看成純純幾何線時，，切削刃相對對于工件運動動所形成表面面的微觀不平平度，其值取取決于殘留面面積的大小。。RmaxⅠⅡfvf實際粗糙度遠大于理論粗粗糙度734.5.2機機械加加工表面粗糙糙度切削加工表面粗糙度產生的原因及其控制切削加工表面面粗糙度的成成因切削加工表面面的實際粗糙糙度是由理論論粗糙度、積積屑瘤與鱗刺刺、切削機理理的變化、切切削刃與工件件的相對位置置變化(顫振振)、切削刃刃損壞及刀具具的邊界磨損損等原因造成成的。74圖4-37車車削時殘殘留面積的高高度直線刃車刀(圖4-37a)圓弧刃車刀(圖4-37b)影響因素：fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf理論粗糙度4.5.2機機械加加工表面粗糙糙度75切削速度影響響最大：v=10～～50m/min范圍，，易產生積屑屑瘤和鱗刺，，表面粗糙度度最差。其他影響因素素：刀具幾何何角度、刃磨磨質量，切削削液等切削45鋼時切削速度與粗糙度關系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收縮系數Ks1.52.02.53.0積屑瘤高度h（μm）0200400600hKsRz切削表面塑性變形和積屑瘤4.5.2機機械加加工表面粗糙糙度76積屑瘤的影響響及其抑制積屑瘤的形成成條件工件方面一一般切塑性材材料且呈帶狀狀切屑時才有有可能形成積積屑瘤。刀具方面刀刀具前角γo=0或較小或或γo<0，刀具刃刃磨質量不佳佳，刃口附近近的前后刀面面粗糙度值較較大、切削刃刃不平整，易易形成積屑瘤瘤。切削條件方面面切削速度度vc中等，進給量量f(或切削厚度度hD)較大，不用切切削液或切削削液不起潤滑滑減摩作用時時，易形成積積屑瘤。4.5.2機機械加加工表面粗糙糙度圖4-38積屑瘤與過切量ΔhD

77◆形成過切，造造成犁溝，影影響加工精度度,增大了表表面粗糙度。?！舴e屑瘤頂部周周期性地生成成與脫落，部部分碎片鑲嵌嵌在已加工表表面上，影響響了表面質量量。◆積屑瘤脫落時時，會造成刀刀具的粘結磨磨損，增大了了加工表面粗粗糙度。積屑瘤對表面面質量的影響響4.5.2機機械加加工表面粗糙糙度積屑瘤的影響響及其抑制鱗刺的影響在切削過程中中，由于切屑屑在前刀面上上的摩擦和冷冷焊作用，使使切屑在前刀刀面上產生周周期性停留，，從而擠拉剛剛加工過的表表面，嚴重時時使表面出現現撕裂現象，，在已加工表表面上形成鱗鱗片狀毛刺，，使表面粗糙糙不平。是塑性金屬材材料精加工的的一大障礙784.5.2機機械加加工表面粗糙糙度切削機理的變變化圖4-39非連續性切屑及加工表面圖4-40切削刃兩側工件材料的隆起現象794.5.2機機械加加工表面粗糙糙度切削刃工件相相對位置變化化(顫振)切削刃損壞及及刀具邊界磨磨損運動機構的跳跳動和切削過過程的波動，，均會使刀具具與工件間的的位置發生變變化，從而使使切削厚度、、寬度發生變變化。這些變變化的不穩定定因素會引起起工藝系統的的自激振動，，使相對位置置變化的振幅幅加大，引起起背刀量變化化,即表面粗粗糙度值加大大。圖4-43刀具邊界磨損及凸起804.5.2機機械加加工表面粗糙糙度切削加工表面面粗糙度的控控制刀具方面適當地減小κr，κr’，或增大rε，以減小殘留留面積高度Rmax，即減小表面面粗糙度。增大γo，使塑性變形形減小，也可可抑制積屑瘤瘤和鱗刺的生生成。采用稍大于f的修光刀(κr’=0°)能能減小Rmax。提高刀面和切切削刃的刃磨磨質量，減小小刀面和切削削刃的表面粗粗糙度，減小小與加工表面面間的摩擦及及表面粗糙度度的復映，有有利于抑制積積屑瘤和鱗刺刺的生成。采用能減小與與鋼摩擦的TiN、TiC涂層刀具，以以減小粘結以以及積屑瘤和和鱗刺的生成成。嚴格控制刀具具磨損值，后后刀面磨損和和邊界磨損，，要換刀。814.5.2機機械加加工表面粗糙糙度切削加工表面面粗糙度的控控制工件方面加工塑性較大大的低碳鋼時時，可預先將將工件進行調調質處理，提提高其硬度、、降低塑性，，可以抑制積積屑瘤和鱗刺刺的生成，減減小表面粗糙糙度。切削條件方面面切削中碳鋼時時可降低切削削速度(vc<5m/min)或提高高切削速度(vc>30m/min)，以以避開積屑瘤瘤生長區。減小進給量f，不僅減小小了殘留面積積高度Rmax，也減小了刀刀-屑接觸區區的法向力，，避免刀-屑屑間的粘結，，從而可抑制制積屑瘤和鱗鱗刺的生成。。采用加熱切削削或低溫切削削，以避免積積屑瘤和鱗刺刺的生成。使用性能好的的切削液，減減小摩擦抑制制積屑瘤和鱗鱗刺的生成，，以減小Ra。防止機床加工工系統的高頻頻振動，也可可減小表面粗粗糙度。824.5.2機機械加加工表面粗糙糙度磨削加工表面粗糙度及其控制磨削表面粗糙糙度有沿磨削削速度方向和和垂直于磨削削速度方向。。通常所說的的磨削表面粗粗糙度是指垂垂直于磨削速速度方向的。。磨削表面粗糙糙度式中，vc、vw－分別表示砂砂輪和工件的的速度；Rs、Rw－分別表示砂砂輪和工件的的半徑；m－砂輪圓周周單位長度的的磨粒數，與與粒度有關：：粒度號越大大，m值越大大；B/fn－砂輪寬度與與軸向進給量量之比。83砂輪速度v↑，Ra↓工件速度vw↑，Ra↑砂輪縱向進給給f↑，Ra↑磨削深度ap↑，Ra↑磨削用量對表面粗糙度的影響vw

=40(m/min)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v=50(m/s)f=2.36(m/min)ap

=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(μm)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04b）磨削用量影響圖4-46光磨次數-Ra關系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次數粗粒度砂輪(WA60KV)細粒度砂輪(WA/GCW14KB)光磨次數↑，，Ra↓4.5.2機機械械加加工工表表面面粗粗糙糙度度84砂輪輪粒粒度度↑↑，，Ra↓；；但但要要適適量量砂輪輪硬硬度度適適中中，，Ra↓；；常常取取中中軟軟砂輪輪組組織織適適中中，，Ra↓；常常取取中中等等組組織織采用用超超硬硬砂砂輪輪材材料料，，Ra↓砂輪輪精精細細修修整整，，Ra↓砂輪影響其他影響因素工件材料冷卻潤滑液等4.5.2機機械械加加工工表表面面粗粗糙糙度度85減小小磨磨削削表表面面粗粗糙糙度度可可采采取取的的措措施施4.5.2機機械械加加工工表表面面粗粗糙糙度度磨削加工表面粗糙度及其控制采用用粒粒度度號號大大的的砂砂輪輪，，磨磨粒粒細細，，m值增增大大，，Ra減小小，，但但磨磨粒粒不不宜宜太太細細，，否否則則會會造造成成砂砂輪輪，，使使Ra增大大。。提高高砂砂輪輪速速度度vc或降降低低工工件件速速度度vw，即即vc/vw比值值增增大大，，可可使使Ra減小小。。使用用直直徑徑較較大大砂砂輪輪可可使使Ra減小小。。加工工砂砂輪輪寬寬度度B，使使得得參參加加工工件件的的磨磨粒粒增增多多，，每每顆顆磨磨粒粒的的磨磨削削量量將將減減少少。。增大大徑徑向向進進給給量量fr(或或磨磨削削深深度度ap)，，會會使使表表面面粗粗糙糙度度值值增增大大。。提高高砂砂輪輪修修整整質質量量，，可可使使Ra減小小。。86已加加工工表表面面表表層層金金屬屬硬硬度度高高于于里里層層金金屬屬硬硬度度的的現現象象加工工表表面面嚴嚴重重變變形形層層內內金金屬屬晶晶格格拉拉長長、、擠擠緊緊、、扭扭曲曲、、碎碎裂裂，，使使表表層層組組織織硬硬化化◆硬化化程程度度（4-45）式中中H———硬硬化化層層顯顯微微硬硬度度（（HV））；；H0———基基體體層層顯顯微微硬硬度度（（HV））。?！粲不瘜訉由钌疃榷戎赣灿不瘜訉由钌钊肴牖w體的的距距離離ΔΔhd（μm））加工硬化概念加工硬化產生原因加工硬化度量4.5.3加加工工表表面面變變質質層層HV距表面深度H0hiH0圖4-47加工硬化與表面深度的關系87影響加工硬化的因素4.5.3加加工工表表面面變變質質層層刀具具方方面面刀具具幾幾何何參參數數γo、αo和rn(圖圖4-48、、圖圖4-49)γo↑ΔΔhd↓；；rn↑，，硬硬