机械加工质量及其控制培训教材课件.pptx

机械制造技术基础第5章机械加工质量及其控制FUNDAMENTALSOFMACHINERYMANUFACTURINGTECHNOLOGYMachiningQualityanditsControl15.1概述5.1.1机械加工质量的含义表面（微观）形貌 加工变质层 零件质量装配质量机械产品质量材料，金相组织(材质)加工精度，波纹度，表面粗糙度(几何)加工精度表面质量尺寸精度形状精度位置精度机械加工质量2加工精度及其发展车、铣磨CNC机床研磨，工具磨光学磨，金刚石车、磨金刚石超精车、磨，电解加工衍射光栅刻线机电子束，离子束，X射线分子束生长，离子注扫描隧道技术3 激光反射镜平面度提高到30nm，表面粗糙度 降低到10nm，反射率将提高到 99.8%以上。否则，寿命将大大缩短 磁头与磁盘间的飞行高度在50nm以下，若进一步降低将使存储容量呈指数倍增长 1kg精密陀螺转子的偏心 增 加 0.5nm，将 引 起100m的射程误差和50m的轨道误差 45 机械加工精度的各项指标既有区别，又有联系。一般情况下，形状精度要求高于尺寸精度，位置精度要求也高于尺寸精度。精密和超精密加工技术 机械加工的技术重点 大型工件的加工技术 特殊材料的加工技术尺寸公差位置公差形状公差表面粗糙度值65.1.2机械加工精度的获得方法1尺寸精度的获得方法手工逐步调刀获得所需尺寸加工前先调整好刀具位置再进行一批加工尺寸精度由刀具保证（钻头、拉刀）自动化的试切法试切法调整法定尺寸刀具法自动控制法2形状精度的获得方法成形运动法非成形运动法仿形法 靠模展成法 成形表面通过包络形成轨迹法 车、刨、磨形状精度超过机床成形运动精度时使用成形刀具法 成形运动和刃形73位置精度的获得方法直接装夹 效率高，精度低找正装夹 高精度，小批夹具装夹 效率高，精度可满足要求一次装夹法多次装夹法非成形运动法与机床几何精度有关位置精度要求极高时采用与检测精度密切相关85.1.3机械加工表面质量及其对机器使用性能的影响表面（微观）形貌表面层物理机械性能（加工变质层）机械加工表面质量表面粗糙度表面波纹度塑性变形引起的冷作硬化切（磨）削热引起的金相组织变化力（热）产生的残余应力1.机械加工表面质量的含义92.机械加工表面质量对机器使用性能的影响（1）影响耐磨性 粗糙度值大，实际接触面积小，接触 应力大，易磨损，耐磨性差。粗糙度值越小，实际接触面积越大，耐磨性较好。若粗糙度值过小，可能增加制造成本，且可能破坏润滑油膜，造成干摩擦。加工表面硬化到一定程度能使耐磨性有所提高，但硬化过度反会使结晶组织出现过度变形，甚至产生裂纹或剥落，使磨损加剧，使耐磨性降低。10（2）影响疲劳强度 交变载荷作用时，表面粗糙度、划痕及微裂纹等均会引起应力集中，从而降低疲劳强度。加工表面粗糙度的纹路方向与受力方向垂直时，疲劳强度明显降低。一般加工硬化可提高疲劳强度，但硬化过度则会适得其反。残余应力为压应力时，可部分抵消交变载荷施加的拉压力，阻碍和延缓裂纹的产生或扩大，从而提高疲劳强度；但为拉应力时，则会大大降低疲劳强度。有些加工方法，如滚压加工，可减小粗糙度值、强化表面层，使表层呈压应力状态，从而防止产生微裂纹，提高疲劳强度。11（3）影响耐蚀性 表面粗糙度值大的表面，腐蚀性物质（气体、液体）容易渗透到表面的凹凸不平处，从而产生化学或电化学作用而被腐蚀。表面微裂纹处容易受腐蚀性气体或液体的侵蚀，如零件表面有残余压应力，则可阻碍微裂纹的扩展，从而在一定程度上提高零件的耐蚀性。12（4）影响配合性质 影响配合性质最主要因素是表面粗糙度。对于间隙配合，经初期磨损后，间隙会有所增大，严重时会影响密封性能或导向精度；对于过盈配合，使计算所得过盈量与实际过盈量有所不同，成为过渡配合甚至间隙配合，从而可能影响过盈配合的连接强度。此外，加工表面质量对零件接触刚度、运动平稳性和噪音等也有影响。13加工误差与原始误差 加工误差加工后每个零件在尺寸、形状、位置方面与理想零件的差值。（几何参数的偏差）5.2机械加工精度的影响因素及控制措施 原始误差由于机床、刀具、量具、夹具和工件组成的工艺系统造成加工误差的因素。5.2.1机械加工工艺系统原始误差14 常值 系统性误差误差的性质 变值 随机性误差 误差敏感方向：加工表面法向原始误差引起的加工误差最大误差敏感方向误差非敏感方向15原始误差 机床 夹具 刀具 工件（毛坯）工艺系统静误差加工过程中产生的误差受力变形 热变形 刀具磨损 残余应力变形工件装夹误差调整误差（更换工件、刀具、夹具、量具时调整）测量误差（测量方法和量具误差）原理误差（阿线滚刀滚切渐开线齿轮、数控插补）原有误差16用模数铣刀铣齿轮时的齿形误差 175.2.2工艺系统原有误差对加工精度的影响与控制一、影响尺寸精度的主要因素与控制改善测量方法；提高测量精度式中，L为跃进距离；G为工作台重量；0，分别为静、动摩擦系数；K为机构传动刚度。改进工艺方法（精车、精磨、研磨）减小刀具或磨粒的刃口钝圆半径re试切测量精度：微量进给精度：微薄切削层的极限厚度：定位调整精度:减少定位误差；提高进给重复定位精度提高对尺寸分布中心判断的准确性18二、影响形状精度的主要因素与控制 非成形运动法 足够的检测精度 保 证 形状 精 度的条件成形运动法基本成形运动（回转、直线）相互位置关系（几何关系）速度关系（运动关系）均准确19机械制造新技术：数控（NumericalControlNC）技术加工中心（MC）工业机器人（IndustrialRobot）技术 自适应控制机床（AdaptiveControlMachineTools）计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturingCAM）计算机数控机床（ComputerizedNumericalControlCNC）20机械制造新技术：可变制造系统 柔性制造单元 数字化制造 无人化机械制造厂现阶段：互联网技术的迅猛发展（e-制造、网络控制、分子开关）工业生产追求更大的投入产出经济效益智能制造（IMT）、并行工程（CE）、精节生产（LP）敏捷制造（AM）、绿色制造、柔性制造（FMS）、虚拟制造、超精加工（KDP晶体）、纳米技术、分子自组装技术（化学、生物）生物加工的纯铜微齿轮21三、影响位置精度的主要因素与控制刀具切削成形面 刀具切削成形面相互重（接）合的表面之间有精度关系的表面之间工件加工面 工件加工面位置精度要求机床几何精度一次装夹：如在龙门铣床、加工中心上加工箱体零件采用成形运动法时，位置精度的获得与装夹方式有关22直接装夹：如用外圆定位在车床上加工齿轮内孔后，再在插 床上加工键槽工件基准面机床安装面工件加工面刀具切削成形面位置精度要求刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度机床几何精度23找正装夹：如在车床上加工与外圆同轴度要求很高的内孔工件基准面机床安装面 刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度可调支承找正精度刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度找正精度24夹具装夹：非成形运动法：检测精度工件基准面机床安装面 刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度夹具安装面对刀导引精度（找正精度）夹具定位面夹具安装精度夹具制造精度装夹精度刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度对刀导引精度（找正精度）25 机床的制造误差、安装误差以及在使用过程中精度保持性被破坏等原因，都将会产生机床几何误差，进而引起机械加工误差。四、机床几何误差的影响与控制机床几何精度回转运动精度直线运动精度成形运动之间的位置精度传动（速度关系）精度26（1）机床回转运动精度主要取决于机床主轴的回转精度主轴回转误差的形式 机床主轴回转精度的高低主要以在规定测量截面内主轴一转或数转内诸瞬时回转中心的平均位置的变化范围来衡量。瞬时回转中心1）主轴回转误差的主要形式 27 以滑动轴承为例 车床：主轴受力方向不变，故轴径形状精度影响最大;轴孔、前后轴径以及轴承孔的同轴度、配合精度、装配精度 等也有影响。镗床：主轴受力方向不断改变，故主要取决于主轴轴承孔的形 状精度。主轴径向跳动将会造成什么加工误差？2）影响主轴回转精度的主要因素 径向跳动28 轴向窜动滑动轴承主轴的轴向窜动量取决于止推（承载）轴承副中端面与主轴轴线垂直度较高者影响滚动轴承主轴轴向窜动的主要因素有：滚道与轴线的垂直度滚动体形状误差（轴向间隙变化）尺寸一致性（承载不均而降低刚度）主轴轴向窜动将会造成什么加工误差？29 角度摆动 主要取决于主轴前后支承跳动（跳动量、相位等）的综合影响 3）提高回转运动精度的措施 不仅影响圆度，而且影响圆柱度镗模；固定顶尖定位，修磨顶尖孔；采用无心磨加工用精密滚动轴承并加预载，消除间隙、提高刚度改进滑动轴承结构（短三瓦自位轴承）使用液、气静压轴承，刚度高、精度高、工艺性好隔离主轴回转误差的影响：提高主轴回转精度：30（2）机床直线运动精度主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不均匀磨损有关。以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化，且影响轴向形状：1）导轨误差形式及其影响yy导轨在铅垂面内的直线度y可忽略不计31（2）机床直线运动精度主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不均匀磨损有关。以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化，且影响轴向形状：1）导轨误差形式及其影响xx导轨在水平面内的直线度x误差敏感方向32（2）机床直线运动精度主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不均匀磨损有关。以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化，且影响轴向形状：1）导轨误差形式及其影响x双导轨间在铅垂方向的平行度n33（2）机床直线运动精度主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不均匀磨损有关。以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化，且影响轴向形状：1）导轨误差形式及其影响导轨在水平面内的直线度x导轨在铅垂面内的直线度y双导轨间在铅垂方向的平行度n误差敏感方向可忽略不计在平面磨床上加工时情况又如何？342）提高导轨直线运动精度的措施合理的导轨形状和组合形式改善制造精度、接触精度和精度保持性采用静压导轨90o双三角导轨适当加长工作台配磨、刮研耐磨损均化作用防磨损35（3）成形运动之间的相互关系精度 成形运动间位置关系的影响与控制圆柱面成为双曲面平面成为内凹或外凸圆柱面成为圆锥面车削时：刀具直线运动与工件回转轴线不垂直刀具与工件回转轴线在空间交错不平行刀具与工件回转轴线在zx面内不平行 d-d36镗削时：若工件直线进给运动与镗杆回转轴线不平行铣削时：若端铣刀回转轴线与工作台直线进给运动不垂直移位加工可使误差从减小至移位方向圆孔成为椭圆孔平面下凹37 提高成形运动间相互位置关系精度的措施 使用几何精度高的机床（决定因素）保证高精度的零部件制造、总装调试和维修 误差检测与补偿 38成形运动间速度关系的影响与控制车、磨螺纹以及滚齿、插齿、磨齿等加工，要求各成形运动之间具有准确的速度关系滚齿机速度关系误差对加工精度的影响 各传动件传动误差对工件精度影响的总和为：39影响速度关系精度的因素机床传动链中各传动元件的制造误差、装配误差以及磨损等，都会破坏正确的运动关系，造成工件和刀具运动相对速度的不准确，从而产生加工误差。在降速链中的低速传动件误差的影响最大。提高成形运动间速度关系精度的措施 尽量减少传动件数目，缩短传动链长度 采用降速传动 保证高精度的传动零部件制造、总装调试和维修 传动误差检测与补偿 40题1：套筒零件如图所示。本工序为最后工序，欲在 这批工件上铣键槽，定位方案见图示。定位元 件为水平放置的带台肩心轴，心轴直径试求：1所给定位方案的定位误差，并判断能否满足加 工要求；2若所给定位方案不 能满足要求，试通 过分析计算给出合 理方案。4114采用什么定位元件？42题2：车床上车削轴类零件的外圆A和台肩面B，如图。经测发现A面有圆柱度误差，B对A有垂直度误差。如果仅考虑机床几何误差的影响，试分析产生以上误差的主要原因。43题3：在平面磨床上用端面砂轮磨削平板工件，为改善切削条件，减少砂轮与工件的接触面积，常将砂轮倾斜一个角度如图。若，试分析磨削后的平面形状并计算平面度误差，提出改善加工形状精度的工艺方法。44题4：在铣床上用夹具装夹加工一批轴件上的键槽，如图示。已知铣床工作台面与导轨的平行度误差为0.05/300，夹具两定位V形块夹角，交点A的连线与夹具体底面的平行度误差为0.01/150，阶梯轴工件两端轴径尺寸为，试分析计算在只考虑上述因素影响时，加工后的键槽底面对 下母线之间的平行度误差，并估算最大值（不考虑两轴颈与 外圆的同轴度误差）。455.2.3机械加工过程因素的影响与控制1.工艺系统受力变形的影响与控制工艺系统受力 破坏成形运动精度引起加工误差加工时工件或夹具变形，加工后产生误差单爪拨动，使主轴受力方向改变，瞬时回转中心变动运动部件自重引起结构件变形且随运动而不断变化高速运动过程中由于质量不均引起有关环节变形接触变形造成测量误差夹紧力传动力重力惯性力测量力切削力力的变化使工艺系统产生复杂变形46控制或减少工艺系统受力变形的措施 有效减小切削力根据变形规律，预置系统的反变形；调刀量调整恒力测量装置；相对测量，对比抵消变形的影响减小切削用量补偿部件变形恒定测量力提高系统刚度 有效地提高工艺系统抵抗受力变形的能力47（1）工艺系统刚度及其对加工精度的影响 工艺系统刚度 工艺系统在受力时抵抗变形的能力工艺系统变形的特点在加工误差敏感方向对加工精度影响最大与受力的大小往往并不呈现线性关系工艺系统刚度Ks：加工误差敏感方向上工艺系统受力Fn与变形量（或位移量）n之比48 工艺系统刚度对加工精度的影响 a）各部刚度不等时在切削力作用下产生的加工误差车外圆可推导出式中KH、KT、KB分别为床头、尾座及刀架部件的实测平均刚度 E工件材料的弹性模量I 工件截面惯性矩49简 化 公 式当工件刚度很高时加工盘类工件时 工艺系统刚度随着受力点在工件轴线方向上的位置不同而变化，使车出的工件在各截面上直径尺寸不同，产生了形状和尺寸误差。50b）切削力变化时对加工精度的影响原因：切削余量不均，工件材质变化等结果：形状误差，尺寸分散误差复映现象工件加工前的误差B以类似的形式反映到加工后的工件上去，造成加工后的误差W。误差复映系数 式中CFp工件材料切削条件对背向力的影响系数 f进给量yFp 进给量对背向力的影响指数51减少误差复映影响的主要措施 多次走刀提高工艺系统刚度52（2）提高工艺系统刚度的主要措施 提高工件在加工时的刚度或减小其变形 合理选择工件的加工和装夹方式薄壁件均匀夹紧；细长件用跟刀架、中心架，反向进给切削 提高刀具在加工时的刚度 改善刀具材料、结构；热处理；钻套、镗套；对称刃口抵消切削分力 提高机床及夹具的刚度 合理设计结构，刚度平衡；尽量减少零件数，提高接合面形状精度，降低表面粗糙度值，减少接触变形；可靠预紧53题 5：假设工件刚度极大，且车床床头刚度大于 尾座刚度，试分析图示三种加工情况，各会产生何种形状误差。54题6：试分析在车床上加工一批工件的外圆柱面产生图示三种形状误差的主要原因。552.工艺系统热变形的影响与控制热源内部热源外部热源摩擦热（运动副）转化热（电动机，动力能耗）加工热（切削热、磨削热）环境温度（室温、地基温度）辐射热（阳光、取暖设备、人体）（1）工艺系统的热源56（2）工艺系统热变形对加工精度的影响（特别是精密件、大型件的加工）机床破坏原有的冷态几何精度，造成加工误差工件冷却后尺寸改变；局部受热不均而变形刀具加工过程中热伸长引起加工尺寸变化精密加工时也要考虑夹具、量具热变形带来的误差57（3）控制工艺系统热变形的主要措施减少热量产生和传入正确使用刀（磨）具、切（磨）削用量；及时刃磨或修整刃具；电机外置、油箱外置；防晒加强散热能力高效冷却（喷雾冷却、润滑油冷冻降温）均恒温度场采用热对称和热补偿结构；恒温间；机床预热改进设计有限元分析、结构优化、CAD精密加工机床的热变形补偿系统583.工艺系统磨损的影响与控制（1）工艺系统磨损对加工精度的影响机床零部件破坏原有成形运动精度造成工件的形状和位置误差夹具带来装夹误差、对刀导引误差刀具和磨具使批生产工件尺寸的分散性增大造成尺寸和形状误差（大零件、成形刀具加工）量具引起测量误差59（2）减少工艺系统磨损的主要措施合理设计机床结构静压结构，易损表面防护提高零部件耐磨性耐磨材料（合金铸铁、镶钢、贴塑）热处理，合理润滑，及时更换已磨损件正确使用刀具刀具材料（陶瓷、金刚石），刀具参数切削用量（尤其是V），刃口形式（宽刃）冷却润滑604.工件残余应力的影响与控制工件的残余应力：当外部载荷去除以后，仍残存在工件内部的应力（1）残余应力的产生机加力和热表层塑变（晶格扭曲、拉长、比容增大）毛坯制造冷校直局部塑变61（2）减少或消除残余应力的主要措施合理设计零件结构时效处理自然时效大件在室外搁置数天、月小件在车间搁置数小时（粗、精加工之间）结构对称，壁厚均匀，减小尺寸差人工时效铸、锻、焊件在机械加工前的退火、回火精度稳定性要求高的零件，淬火后进行冰冷处理振动时效（激振、敲打）减少加工塑变减少加工热；精度高的细长工件，不得冷校直加大余量、多次切削，热校直625.3加工误差的统计分析目的：区分成批生产中不同性质的加工误差，确定系统误差的数值和随机误差的范围，从而找出造成加工误差的主要因素以便采取相应的措施，提高零件的加工精度。系统误差在相同的工艺条件下加工一批工件，所产生的大小和方向不变（常值），或按加工顺序有规律的变化（变值）的加工误差随机误差在相同的工艺条件下加工一批工件，所产生的大小和方向不同，且无规律变化的加工误差5.3.1加工误差的统计性质635.3.2 机械加工误差的分布规律正态分布 调整法加工时没有某种优势因素的影响平顶分布 加工过程中有显著的变值系统误差，如刀具磨损双峰分布 两台机床或两次调整加工，精度不同，调整尺寸不一致偏态分布 加工过程受到人为干预，如试切法加工时的保全心理在显著热变形至达到热平衡期间进行加工645.3.3 加工误差的统计分析方法统计分析方法点图分析法分布曲线法1分布曲线法通过测量一批零件加工后的实际尺寸，做出尺寸分布曲线，然后按照此曲线来判断该加工方法所产生的加工误差。一般情况下，调整法加工后的零件尺寸服从正态分布。其概率密度函数为：653 原则正态分布的随机变量的分散范围是3 6 的大小代表了某种加工方法在一定条件下所能达到的精密度一般情况下，有正态分布函数为：令：则有表5.1不同 值的分布曲线 不同 值的正态分布曲线 66加工实测平均尺寸常值系统误差随机误差对一批零件实验分布曲线与正态分布曲线相符合设计要求基本尺寸任一零件的尺寸可表示为：xR=6 xsxMTxminxmaxixiy67分布曲线的用途分析系统误差的大小和方向 分析随机误差因素对加工精度 的影响 分析各尺寸范围内零件的百 分比 分析减少废品率的有效方法 预估产生废品的可能性 分析工序能力等级查表5.268 分析系统误差的大小和方向 分析随机误差因素对加工精度的影响 分析各尺寸范围内零件的百分比 分析减少废品率的有效方法 预估产生废品的可能性例：加工一批200.01mm小轴，加工后实测平均尺寸为20.005mm，属正态分布,=0.0025mm，试分析其加工误差情况。R=6 xMxyxsTx解:画出尺寸分布图 分析工序能力系数s/2=0.0025mm轴平均尺寸偏大，s=0.005mm R=6=0.015mm 由6T，则必有废品 虽本题6T，但由于s存在，仍有废品率。由x/=2，查表得A=0.4772。故本序加工的废品率：0.5-0.4772=2.28%从尺寸分布情况看，这些废品为可修复废品。工序能力足够（表5.2）消除系统误差，s=0，则无废品。进刀692.点图分析法（1）单值点图 在一批零件的加工过程中，依次测量每个零件的加工尺寸，并记入以顺次加工的零件号为横坐标、零件加工尺寸为纵坐标的图表中，便构成了单值点图。由图例可见，刀具磨损引起轴颈加工尺寸的变值系统误差；尺寸分布近似为平顶分布，实际上随机误差采用单值点图分析，可把变值系统误差和随机误差区分开，便于通过误差补偿的方法，消除各种系统误差，使加工精度得到提高。70（2）图 点图反映工艺过程质量指标分布中心（变值系统误差）变化 点图则反映工艺过程质量指标分散范围（随机误差）的变化 两个点图必须联合使用 例：71保证和提高机械加工精度的主要途径（1）减少或消除原始误差提高机床成形运动精度和刚度提高夹具的制造、安装精度，减少装夹误差和对定误差提高工件加工时的刚度，减少受力变形（反向切削）减少精密件加工时的热影响，平衡热变形72（2）补偿或抵消原始误差补偿人为制造反向误差抵消移位法加工（3）转移原始误差将误差转移到不敏感方向转移原始误差对加工的影响73（4）分化或均化原始误差分化分组加工，以利于调刀均化研磨74题7：加工一批小轴，其直径要求为，加工后尺寸接近正态分布，测量得一批工件直径尺寸的算术平均值，均方根差。试计算不合格品率，并分析不合格品产生的可能原因，指出减少不合格品的措施。可解得：不合格品率为 16.49%可能原因及相应措施：1.对刀不准需准确调刀2.消除系统误差；减少不可修复废品2.工序能力差需减小 改善工艺条件提示：755.4机械加工表面质量的影响因素及其控制由前已知：表面（微观）形貌表面层物理机械性能（加工变质层）机械加工表面质量表面粗糙度表面波纹度塑性变形引起的冷作硬化切（磨）削热引起的金相组织变化力（热）产生的残余应力轮廓算术平均偏差Ra微观不平度10点高度Rz直线波纹度平均波幅Wz圆周波纹度平均波幅Wz765.4.1切削加工表面的形成过程切削层金属经过第、变形区后形成了切屑，经过第变形区则形成了已加工表面。分流点O以下的金属经严重的挤压摩擦产生塑变，脱离后刀面后，因深处基体的的弹性变形产生弹性恢复h，并留在加工表面上。刀具刃口钝圆半径rn后刀面磨损宽度VB使第区变形复杂化在VB 和CD段与后刀面接触而使塑变加剧，甚至可引起表层的非晶质化、纤维化及加工硬化。775.4.2机械加工表面粗糙度及其降低的工艺措施一、切削加工刀具操作者 环境 冷却润滑工件 机床 夹具切削用量材料表面粗糙度几何角度安装情况材料组织刚性精度刚性精度功率运动平稳性刚性切削速度进给量背吃刀量种类用量供给方式质量振动温度技术水平精神状态78HH 理论粗糙度（1）切削加工表面粗糙度的成因79 积屑瘤的影响积屑瘤对表面质量的影响hD过切量造成深浅、宽窄不均的犁沟，增大了表面粗糙度积屑瘤周期性生成与脱落碎片镶嵌在已加工表面上，影响工件的表面质量高硬度积屑瘤脱落造成刀具的粘结磨损，增大了加工表面粗糙度80 鳞刺的影响切削加工表面在切削速度方向产生的鱼鳞片状毛刺其特点是晶粒与基体材料的晶粒相互交错，无分界线鳞刺的产生条件刀具材料 高速钢、硬质合金、陶瓷刀具工件材料低（中）碳钢、铬钢、不锈钢、铝合金、紫铜等塑性金属切削条件切削速度vc中等，甚至很低时鳞刺对表面质量的影响增大了表面粗糙度值，成为塑性金属材料精加工的一大障碍81 切削机理的变化单元切屑周期性断裂向切削表面以下深入，在加工表面上留下挤裂痕迹波浪形崩碎切屑形成过程中，从主切削刃处开始的裂纹在接近主应力方向斜着向下延伸，发生断裂，造成加工表面的凸凹不平切削刃两侧的工件材料被挤压后因没有侧面的约束力而产生隆起，也会使表面粗糙度值加大82 切削颤振机床主轴回转精度不高、导轨形状误差引起的运动机构跳动，材料不均匀及切屑不连续等造成切削力波动，均会使刀具与工件间的相对位置产生变化，从而使切削厚度、宽度发生变化。这些变化的不稳定因素会引起加工系统的自激振动，使相对位置变化的振幅加大，导致背吃刀量变化，造成表面粗糙度值加大。切削刃损坏及刀具边界磨损83（2）切削加工表面粗糙度的控制改善工件材料的切削性能调质后加工，降低塑性，提高硬度，可抑制积屑瘤和鳞刺选择合理的切削速度，避开积屑瘤生长区减少f，减小Rmax，避免刀屑粘结，抑制积屑瘤和鳞刺生长采用有效的冷却润滑液，减小摩擦，抑制积屑瘤和鳞刺生长避免工艺系统的振动工件方面切削条件刀具方面合理选择刀具角度，适当减小r、r或增大r，以减小Rmax增大，使塑性变形减小，以利于抑制积屑瘤和鳞刺采用宽刃刀具，或带直线修光刃的刀具提高刃磨质量，减小刀面粗糙度，磨损超值要及时换刀减小刀具和工件之间的摩擦系数，控制粘结、积屑瘤、鳞刺84二、磨削加工 适当加大砂轮粒度号，增大砂轮单位面积的砂粒数m 适当提高砂轮速度vc或降低工件速度vw，即增大vc/vw比值，减少塑变 合理使用直径较大的砂轮（加大Rt）加大砂轮宽度B，减小轴向进给量fa，使B/fa比值增大 减小径向进给量fr或磨削深度ap（甚至无进给光磨）提高砂轮修整质量，保持锋利度和微刃口等高性 金刚石砂轮电解在线修锐ELID(ELectrolyticIn-processDressing)选择合适的砂轮硬度、磨削液及其浇注方法减小磨削表面粗糙度值的措施85三、超精研、研磨、珩磨及抛光加工用参数为压强，不是磨削背吃刀量（磨削深度）自为基准加工，主要是降低表面粗糙度，很难提高加工精度；只有用精密定型研磨工具时，才能提高工件的形状精度；不需要机床有非常精确的成形运动；加工余量是前序公差的几分之一，原理上讲只要等于上序的Rz特点：超精研 影响加工表面粗糙度的因素主要是磨条压强和切削角，还有磨条的振频、振幅，工作速度，磨条粒度，磨条纵向进给量，冷却液等。加工表面粗糙度可达Rz0.0586研磨湿式研 加研磨剂（磨粒加煤油、机 油、油酸等），以滚动切削 为主，Rz0.1干式研 磨粒固定在研具上，滑 动切削，Rz0.05抛光研 湿式研后进行。磨粒硬度低，细小，加上研磨剂的化学作 用，可使表面粗糙度进一步 降低87 主要用于加工内孔表面，可达Rz0.43.2，甚至Rz0.1 珩磨也可用于外圆表面的加工88 用软研具打光已精加工过的表面，去除前序留下的痕迹；或为获得光亮美观的表面，提高疲劳强度。机械抛光 用帆布、毛毡或皮带，加入磨料（氧化铬、氧化铁等）也可用配制的抛光研磨膏，在打 磨过程中去除金属层液体抛光 用含磨料的磨削液高速喷磨，击平凸峰 抛光此外，还有电解抛光、化学抛光等非传统加工方法。895.4.3加工表面变质层1.冷作硬化（1）冷作硬化的产生及其影响冷作硬化是经过切削或磨削加工所造成的表面硬化现象。经过上述几次变形，使得金属晶格发生扭曲，晶粒被拉长、破碎，使位错运动困难，阻碍了金属的进一步塑变，而使金属强化，硬度显著提高。加工时切削层及其以下层的金属塑性变形受刀具刃口钝圆的挤压产生附加塑性变形基体材料的弹性恢复，使已加工表面与刀 具后刀面接触摩擦而再次产生变形 受 力 变形冷作硬化使表面的耐磨性提高，脆性增加，冲击韧性降低，也给后续加工带来困难，增加刀具磨损，减少刀具寿命。90切削温度的影响 当切削温度低于相变点时，表层将被弱化，硬度将降低；若温度高于时将产生相变。加工表面的硬度将是这些强化、弱化及相变综合作用的结果：当塑性变形为主时，表面要产生硬化；当切削温度起主导作用时，要由相变情况而定。加工硬化通常用硬化程度H 和硬化层深度hd 来衡量:硬化程度 H 为式中H0基体的显微硬度，HVH 硬化层显微硬度，HV硬化层深度 hd是指加工硬化层深入基体的距离，以m计 表5.4 91（2）影响加工硬化的因素及控制措施材料硬度越低，塑性增大，H 和hd越大使用性能好的切削液，可改善工件的切削加工性工件方面切削条件刀具方面选择较大的，减少切削变形，使H 和hd均减小选择较大的，减少后刀面的摩擦，使加工硬化减小减小刃口钝圆半径rn，减小挤压摩擦，使硬化层深度减小适当控制后刀面磨损VB提高刃磨质量，减小硬化合理选择切削用量，可减轻加工硬化选较高的切削速度vc和较小的f切削深度的影响不大922.残余应力3.（1）机械加工中残余应力的产生 局部高温塑性变形 使表层产生残余拉应力，严重时出现裂纹 局部冷态塑性变形 切削时，表层产生拉伸冷 态塑变形，将使表层产生 残余拉应力；反之，产生 残余压应力 局部金相组织变化 马氏体转变为其它组织，表 层体积欲减小，受到基体拉 伸，产生残余拉应力 93由正变为负时，可使表层残余拉应力逐渐减小；前角为较大负值且切削用量合适时，可得残余压应力 VB值增大，切削温度升高，使加工表面呈残余拉应力，同时使残余拉应力层深度加大 塑性越大，切削加工后产生的残余拉应力越大脆性材料的加工表面易产生残余压应力 vc增大，热应力为主，使残余应力增大，但深度减小 f 增加，残余拉应力增大，但压应力将向里层移动 p对残余应力的影响不显著（2）影响残余应力的因素及控制措施刀具前角0刀具后刀面磨损工件材料切削条件943.磨削烧伤与裂纹及其控制措施 磨削工件时，当工件表面层温度达到或超过金属材料的相变温度时，表层金属材料的金相组织将发生变化，表层显微硬度也相应变化，并伴随有残余应力产生，甚至出现微裂纹，同时出现彩色氧化膜，这种现象称磨削烧伤。（1）磨削烧伤95马氏体转变温度 相变温度时急冷，表层出现二次淬火，硬度提高；内层产生过回火组织，硬度降低未用磨削液，相变温度时慢冷，出现退火，硬度降低96 磨削的高温在工件表面层引起热应力和金相组织相变带来的体积应力，且多呈现为残余拉应力。如果这种拉应力超过了工件材料的抗拉强度极限时，工件磨削表面就会产生裂纹磨削裂纹。（2）磨削裂纹 磨削淬火钢、渗碳钢及硬质合金工件时，常常在垂直于磨削的方向上产生微小龟裂，严重时发展成龟壳状微裂纹。有的裂纹不在工件的外表面，而是在表面层下，用肉眼根本无法发现。97在零件的制造过程中，一方面要设法避免裂纹的产生，另一方面要采用适宜的检验方法来检查工件的表面质量。磨削裂纹的方向常与磨削方向垂直或呈网状，并且与烧伤同时出现。磨削裂纹降低零件疲劳强度，甚至早期出现低应力脆性断裂。98（3）减轻磨削烧伤、裂纹的途径 减少热量的产生 加速热量的传出 选择合理的磨削用量 减小磨削深度ap，直至进行无进给光磨 增大进给量f，减少砂轮和工件表面的接触时间,以免升温。为保证加工表面粗糙度，可用宽砂轮。增加工件速度vw，减少接触时间，使传到工件上的热量相对减少。为防止表面粗糙度增大，可同时增加砂轮速度vc高速磨削，且可有效地避免磨削烧伤。99 提高冷却效果 采用高压大流量法 提高冷却、冲洗效果安装带空气挡板的喷嘴 使磨削液顺利喷注到磨削区采用磨削液雾化法或内冷却法 进一步增强冷却效果 100 正确选用砂轮正确选用磨料、结合剂、粒度、硬度与组织等开槽砂轮 选用新结构和新工艺改进砂轮修整工艺1014.表面强化工艺 利用表面层的冷作硬化和残余压应力，提高零件的抗疲劳强度和使用寿命。涨孔滚柱滚压单滚珠滚压钢球挤压多滚珠滚压喷丸1025.5机械加工过程中的振动及控制机械加工中的振动类型 自由振动 5%强迫振动 30%自激振动 65%5.5.1概述切削力突变（切入时），外力冲击受周期干扰力（地基、电机、齿轮啮合、回转件不平衡、多刃多齿刀具）系统自身引起的交变切削力作用，加强和维持了自身振动103振动的危害 表面质量下降（振纹）降低机床、夹具、刀具寿命（联接松动，崩刃、磨损）限制生产率的提高（切削用量不能提高）环境污染（噪音）104超精密车床实现了镜面加工扫描隧道显微技术（ScanningTunnelMicroscope,STM）实现了原子搬迁需要精密的隔振环境10543217 6 5金刚石刀具研磨装置示意图Thelappingsetupfordiamondtool1：空气隔振垫2：电机3：空气静压轴承4：配重5：装夹系统6：单晶金刚石7：高磷铸铁研磨盘金刚石刀具研磨技术106 隔振前金刚石刀具前刀面AFM形貌TherakefaceAFMtopographyoflappeddiamondtoolwithoutairvibrationisolatorsa）水平方向b）垂直方向隔振前机床正常工作的振动情况Theamplitudeandfrequencyoflappingmachinewithoutairvibrationisolators残留在前刀面的研磨痕迹明显，都为纳米尺度的塑性沟槽，表面波纹度相对较大，其表面粗糙度值为Ra2.4nm水平方向振幅为43.4m垂直方向振幅为184.6m隔振前107a）水平方向隔振后机床正常工作的振动情况Theamplitudeandfrequencyoflappingmachinewithairvibrationisolatorsb）垂直方向隔振后金刚石刀具前刀面AFM形貌TherakefaceAFMtopographyoflappeddiamondtoolwithairvibrationisolators 研磨后残留在前刀面的塑性沟槽已模糊不清，表面相对比较平整，其表面粗糙度值为 Ra1.0nm水平方向振幅为25.7m垂直方向振幅为108.8m隔振后108强迫振源 机外振源 通过地基传给工艺系统 机内振源 电机振动（转子、磁力不平衡）回转零件不平衡（卡盘、砂轮、刀盘、工件等）传动件振动（齿轮啮合、皮带接头、轴承误差）往复件惯性力（牛头刨床滑枕的运动）切削冲击（断续切削、带槽工件、材料不均）5.5.2强迫振动及控制 109查找振源的方法 工件表面振纹 振动信号分析 车回转零件 刨平面零件 频谱分析 其中：f振动频率，Hzn主轴转数，rpmm振纹数，个v切削速度，m/minl振纹波长，mm110消除与控制强迫振动的措施 减小或消除振源激振力 减小冲击切削振动 改变机床转速增加刀具齿数 减小切削力（用量选择）刀具设计（不等齿距端铣）回转件动平衡采用隔振装置吸收振源能量，隔离或减少外界振动对加工的干扰 提高工艺系统刚度，增加系统阻尼，使系统固有频率避开共振区 采用减振器和阻尼器，消耗振动能量1115.5.3自激振动及其控制 因切削过程中交变切削力所产生的自激振动频率较高，通常又称颤振。它严重地影响机械加工表面质量和生产率。（1）再生自激振动机理 切削过程中的偶然干扰使加工系统产生了振动，并在加工表面上留下振纹。当第二次走刀时，刀具就将在有振纹的表面上切削，使得切削厚度发生变化，导致切削力作周期性地变化，这种效应称再生效应。由此产生的自激振动称再生自激振动。能量抵消 能量抵消消耗能量 获得能量振动112（2）振型耦合自激振动机理 实际生产中，机械加工系统一般是具有不同刚度和阻尼的弹簧系统，具有不同方向性的各弹簧系统复合在一起，满足一定的组合条件就会产生自激振动，这种复合在一起的自激振动机理称振型耦合自激振动机理。车床刀架振动系统刀尖沿椭圆轨迹abcd 作顺时针方向运动时，因x1为低刚度主轴，且位于切削力F 与法向X 的夹角 之内，切入半周期内（abc）的平均切削厚度比切出半周期（cda）的小，系统有能量获得，使振动得以维持。k1=k2无振动k1 k2无振动k1k2振动113 若在切削（磨削）过程中产生两次走刀间的重叠现象，则由于前次的波纹，将引起后次的切厚发生变化，使切削力改变而产生振动。消除或减少自激振动的方法）减小重叠系数 破坏自振条件，提高切削稳定性01无再生振动再生振动大（外圆车削）重叠系数为：（外圆磨削）f114例如：车三角螺纹=0切断车刀切断工件=190主偏角车刀车外圆=0115例如：车三角螺纹=0切断车刀切断工件=190主偏角车刀车外圆=0）合理选择切削用量 增大 f、vc，减小ap，避开振动易发区 116例如：车三角螺纹=0切断车刀切断工件=190主偏角车刀车外圆=0）合理选择切削用量 增大 f、vc，减小ap，避开振动易发区）合理选择刀具参数加大主偏角kr、前角0，减少切削力；适当减小后角0，增大摩擦阻尼117）合理选择切削用量 增大 f、vc，减小ap，避开振动易发区）合理选择刀具参数加大主偏角kr、前角0，减少切削力；适当减小后角0，增大摩擦阻尼例如：车三角螺纹=0切断车刀切断工件=190主偏角车刀车外圆=0采用消振棱，增加切削阻尼118）合理选择切削用量 增大 f、vc，减小ap，避开振动易发区）合理选择刀具参数加大主偏