机械加工质量分析及控制

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1、第一节第一节 概述概述第二节第二节 影响加工精度的主要因素及其控制影响加工精度的主要因素及其控制第三节第三节 加工误差的综合分析加工误差的综合分析第四节第四节 影响表面质量的因素及其控制影响表面质量的因素及其控制第五节第五节 机械加工中振动的基本知识机械加工中振动的基本知识一、加工精度和表面质量的概念机械加工精度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。表面质量指零件表面的几何特征和表面层的物理力学性能。1.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）。图3-1 加工表面的几何形状特征2.加工表面层物理力学性能变化（1

2、）表面层的冷作硬化（2）表面层残余应力的形成（3）表面层的金相组织变化图3-2 二、加工精度的获得方法 1.尺寸精度的获得方法（1）试切法（2）定尺寸刀具法（3）调整法（4）自动控制法 2.形状精度的获得方法（1）轨迹法（2）成形法（3）展成法 3.位置精度的获得方法（1）一次装夹获得法 当零件上有相互位置精度要求的各表面是在同一次装夹中加工出来时，表面相互位置精度是由机床有关部分的相互位置精度来保证的。（2）多次装夹获得法 当零件上有相互位置精度要求的各表面被安排在不同的安装中加工时，零件表面的相互位置精度主要取决于安装精度。三、表面粗糙度对零件使用性能的影响三、表面粗糙度对零件使用性能的影

3、响 1.对零件耐磨性的影响 2.对零件配合性能的影响3.对零件疲劳强度的影响4.对零件耐蚀性的影响5.对零件接触刚度的影响图3-3 表面粗糙度值与初期磨损量的关系图3-4原始误差加工原理误差工件装夹误差工艺系统静误差调整误差工艺系统动误差度量误差 机床误差夹具误差刀具制造误差 工艺系统受力变形工艺系统受热变形刀具磨损工件内应力引起的变形 加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的切削刃轮廓进行加工而产生的误差。一、加工原理误差如：在数控机床上采用“行切法”加工复杂形面。图3-5 空间曲面的数控加工加工中引起机床误差的原因主要有加工中引起机床误差的原因主要有机床的制造误差机床的制造误差、安装误

4、差安装误差及其及其磨损磨损等三个方面。等三个方面。（一）机床误差（一）机床误差1主轴回转误差主轴回转误差（1）主轴回转误差的基本形式主轴回转误差的基本形式为便于分析和研究，主轴回转运动误差可以分解为三为便于分析和研究，主轴回转运动误差可以分解为三种基本形式：种基本形式：轴向跳动轴向跳动、径向跳动径向跳动、角度摆动角度摆动。轴向跳动轴向跳动：瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运：瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动，如图动，如图图3-6所示。主轴的轴向跳动对工件的圆柱面加工所示。主轴的轴向跳动对工件的圆柱面加工没有影响，主要影响端面形状、轴向尺寸精度端面垂直度。没有影响，主要影响端面形状、

5、轴向尺寸精度端面垂直度。主轴存在轴向跳动误差时，车削加工螺纹会将使加工后的螺主轴存在轴向跳动误差时，车削加工螺纹会将使加工后的螺旋产生螺距误差。旋产生螺距误差。径向跳动径向跳动：瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向：瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动，如图的径向运动，如图图3-6所示。主轴的纯径向跳动会使工件所示。主轴的纯径向跳动会使工件产生圆柱度误差，对加工端面基本没有影响。但加工方法不产生圆柱度误差，对加工端面基本没有影响。但加工方法不同，所引起的加工误差形式和程度也不同。同，所引起的加工误差形式和程度也不同。纯角度摆动纯角度摆动：瞬时回转轴线与平均回转轴线方向成一倾：瞬时

6、回转轴线与平均回转轴线方向成一倾斜角度，但其交点位置固定不变的运动，如图斜角度，但其交点位置固定不变的运动，如图图3-6所示。所示。1）主轴的纯径向跳动对加工精度的影响）主轴的纯径向跳动对加工精度的影响主轴的径向圆跳动会使工件产生圆度误差，但径向圆跳动的方式和规律不同，加工方法不同（如车削和镗削），对加工精度的影响也不同。如图3-7所示，在镗床上镗孔时，刀具回转，工件不转。假设主轴回转中心在y方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，振幅为A，则镗刀刀尖的运动轨迹为一椭圆，而加工出的孔即呈现椭圆形状，其圆度误差为A。图3-8 主轴的径向圆跳动对车外圆精度的影响图3-7 主轴的径向圆跳动对镗孔

7、精度的影响2）轴向窜动对加工精度的影响轴向窜动对加工精度的影响 主轴的轴向窜动对内、主轴的轴向窜动对内、外圆的加工精度没有影响，外圆的加工精度没有影响，但加工端面时，会使加工但加工端面时，会使加工的端面与内外圆轴线产生的端面与内外圆轴线产生垂直度误差。垂直度误差。主轴每转一周，要沿主轴每转一周，要沿轴向窜动一次，使得切出轴向窜动一次，使得切出的端面产生平面度误差的端面产生平面度误差（图图3-9）。当加工螺纹时，）。当加工螺纹时，会产生螺距误差。会产生螺距误差。图3-9 主轴的纯轴向窜动对加工精度的影响图3-10 主轴的倾角摆动对加工精度的影响 主轴的倾角摆动对加工精度的影响与径向圆跳动对加工精

8、度的影响相似，其区别在于倾角摆动不仅影响工件加工表面的圆度误差，而且影响工件加工表面的圆柱度误差。（3）影响主轴回转精度的影响主轴回转精度的主要因素主要因素1）滑动轴承误差对主轴回转精度的影响）滑动轴承误差对主轴回转精度的影响 轴承误差主要来源于主轴轴颈和轴承孔等的圆度误差和波度。2）滚动轴承误差对主轴回转精度的影响）滚动轴承误差对主轴回转精度的影响 滚动轴承的内圈、外圈和滚动体本身的几何精度将影响主轴回转精度。3）轴承配合质量对主轴回转精度的影响）轴承配合质量对主轴回转精度的影响 与轴承相配合零件的制造精度和装配质量对主轴回转精度有重要影响。图3-11 图3-12（4）提高主轴回转精度的提高

9、主轴回转精度的措施措施(1)提高主轴部件的制造精度和装配精度。提高主轴部件的制造精度和装配精度。(2)当主轴采用滚动轴承时，应对其适当预紧，使消当主轴采用滚动轴承时，应对其适当预紧，使消除轴承间隙，增加轴承刚度，均化误差，可提高主轴的回除轴承间隙，增加轴承刚度，均化误差，可提高主轴的回转精度。转精度。(3)采用运动和定位分离的主轴结构，可减小主轴误采用运动和定位分离的主轴结构，可减小主轴误差对零件加工的影响，使主轴的回转精度不反映到工件上差对零件加工的影响，使主轴的回转精度不反映到工件上去。实际生产中，通常采用两个固定顶尖支承定位加工，去。实际生产中，通常采用两个固定顶尖支承定位加工，主轴只起

10、传动作用，如外圆磨床。主轴只起传动作用，如外圆磨床。图3-13 用固定顶尖支承磨外圆2导轨导向误差导轨导向误差机床导轨是机床中确定主要部件相对位置的机床导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准基准，也是，也是运动基准。运动基准。机床的导轨精度是指导轨副的运动件实际运动方向与理机床的导轨精度是指导轨副的运动件实际运动方向与理想方向的符合程度，这两者之间的偏差值称为想方向的符合程度，这两者之间的偏差值称为导向误差导向误差。直线导轨的直线导轨的导向精度导向精度包括：导轨在水平面内的直线度、包括：导轨在水平面内的直线度、导轨在垂直面内的直线度、前后导轨的平行度、导轨对主轴导轨在垂直面内的直线度、前后导轨

11、的平行度、导轨对主轴回转轴线的平行度等。回转轴线的平行度等。以在车床上车削圆柱面为例，以在车床上车削圆柱面为例，分析导轨导向误差对加工精度的影分析导轨导向误差对加工精度的影响。响。1)导轨在水平面内直线度误差导轨在水平面内直线度误差卧式车床在水平面内存在直线卧式车床在水平面内存在直线度误差度误差Y，见图，见图3-14，则车刀尖，则车刀尖的直线运动轨迹也要产生直线度误的直线运动轨迹也要产生直线度误差差Y，从而造成工件圆柱度误差，从而造成工件圆柱度误差，R=Y，如图，如图3-14所示。所示。这表明这表明水平方向是卧式车床加水平方向是卧式车床加工误差对导轨误差的敏感方向工误差对导轨误差的敏感方向。（

12、1）导轨导向精度对加工精度的影响）导轨导向精度对加工精度的影响图3-14 卧式车床导轨直线度误差2)导轨在垂直面内直线度误差的影响导轨在垂直面内直线度误差的影响 卧式车床在垂直面内存在直线度误差卧式车床在垂直面内存在直线度误差Z，则，则车刀尖的直线运动轨迹也要产生直线度误差车刀尖的直线运动轨迹也要产生直线度误差Z，从而造成工件圆柱度误差，从而造成工件圆柱度误差，R=Z2/(2R)=Z2/d,说明说明卧式车床对导轨在垂直面内直线度误差卧式车床对导轨在垂直面内直线度误差不敏感不敏感。3)导轨扭曲误差导轨扭曲误差如果机床前后导轨不如果机床前后导轨不平行（扭曲），则引起被平行（扭曲），则引起被加工零件

13、半径误差为：加工零件半径误差为：图3-15 导轨扭曲误差式中 H车床中心高；B导轨精度；导轨倾斜角；前后导轨的扭曲量。1）机床制造误差2）机床安装误差3）导轨磨损 如何提高机床导轨的导向精度？机床设计与制造时，应从结构、材料、加工工艺等方面采取措施，提高制造精度 机床安装时，应校正好水平和保证地基质量 使用时，要注意调整轨道配合间隙，同时保证良好的润滑和防护3传动链的传动误差传动链的传动误差（1）机床传动链的传动误）机床传动链的传动误差及其对加工精度的影响差及其对加工精度的影响机床传动链误差机床传动链误差是指机床是指机床内部传动机构传动过程中出现内部传动机构传动过程中出现传动链首末两端传动元件

14、间相传动链首末两端传动元件间相对运动的误差。对运动的误差。传动链误差一般不影响圆传动链误差一般不影响圆柱面和平面的加工精度，但对柱面和平面的加工精度，但对齿轮、蜗轮蜗杆、螺纹和丝杆齿轮、蜗轮蜗杆、螺纹和丝杆等加工有较大影响等加工有较大影响。图3-16 齿轮机床传动链（2）减少传动链传动误差的措施1）缩短传动链长度，减少传动链中传动件的数目。2）采用降速传动链。3）提高传动元件，特别是提高末端传动元件的制造精度和装配精度。4）采用误差补偿的方法。图3-17 精密丝杠螺距误差补偿设置1.刀具误差 刀具误差包括刀具的制造误差、安装误差和磨损。2.夹具误差 夹具误差影响工件加工表面的位置精度或尺寸精度

15、。1.工艺系统刚度工艺系统刚度工艺系统的刚度工艺系统的刚度定义定义为在加工误差敏感方向上工艺系统为在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比。所受外力与变形量之比。根据系统所受载荷的性质不同，工艺系统刚度可分为根据系统所受载荷的性质不同，工艺系统刚度可分为静静刚度刚度和和动刚度动刚度两种。两种。静刚度主要影响工件的静刚度主要影响工件的几何精度几何精度；动刚度则反映系统抵抗动态力的能力，主要影响工件动刚度则反映系统抵抗动态力的能力，主要影响工件表表面的波度面的波度和和表面粗糙度表面粗糙度。（一）工艺系统受力变形引起的误差图3-18 1）作用力与变形不是线性关系，反映出刀架的变形不纯粹是弹性

16、变形。2）加载与卸载曲线不重合，两曲线间包容的面积代表了加载卸载循环中所损失的能量，即外力在克服部件内零件间的摩擦力和接触面塑性变形所做的功。3）卸载后曲线不回到原点，说明产生了残余变形。在反复加载卸载后，残余变形逐渐趋近于零。4）部件的实际刚度远比按实体所估算的要小。由于机床部件的刚度曲线不是线性的，其刚度不是常数，一般取曲线两端点连线的斜率来表示其平均刚度。图3-19 影响机床部件刚度的因素很复杂，主要因素包括以下几方面：（1）联接表面间的接触变形（2）薄弱零件的变形（3）零件表面间摩擦力的影响（4）接合面的间隙图3-20（1）切削力作用点位置变化引起的工件形状误差（2）切削力大小变化引起

17、的加工误差（3）其他作用力对加工精度的影响图3-21 图3-22 图3-23 图3-24 图3-25（1）合理设计零部件结构（2）提高联接表面的接触刚度 此外提高接触刚度的主要措施还有：1）提高机床部件中零件间接合表面的质量。2）给机床部件预加载荷。（3）采用合理的装夹方式、加工方式提高工艺系统刚度4、减少工艺系统受力变形的措施图3-26 残余应力又称内应力，是指在没有外力作用下或去除外力后仍残存在工件内部的应力。零件中的残余应力往往处于一种很不稳定的相对平衡状态，在常温下特别是在外界某种因素的影响下很容易失去原有状态，使残余应力重新分布，零件产生相应的变形，从而破坏了原有的精度。因此，必须采

18、取措施消除残余应力对零件加工精度的影响。（1）毛坯制造和热处理过程中产生的残余应力 在铸、锻、焊及热处理等热加工过程中，由于工件各部分热胀冷缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，使毛坯内部产生了相当大的残余应力。图3-27弯曲的工件(原来无残余应力)要校直，常采用冷校直。（2）冷校直带来的残余应力图3-28图3-29 切削过程中产生的力和热，也会使被加工工件的表面层变形，产生残余应力。（3）切削加工中产生的残余应力 2.减少或消除残余应力的措施1合理设计零件结构2增加时效处理工序3.合理安排工艺过程例如：对铸、锻、焊接件进行退火或回火；零件淬火后进行回火；对精度要求高的零件，如床身、丝杆、箱体

19、、精密主轴等，在粗加工后进行时效处理。例如：粗、精加工分开在不同工序中进行，留有一定时间让残余应力重新分布；在加工大型工件时，粗、精加工往往在一个工序中来完成，这时应在粗加工后松开工件，让工件有自由变形的可能，然后再用较小的夹紧力夹紧工件后进行精加工。在机械加工过程中，工艺系统会受到各种热源的影响，使工艺系统各个组成部分产生复杂的变形，这种变形称为热变形。1.概述 据统计，在精密加工中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40一70。高效、高精度、自动化加工技术的发展，使工艺系统热变形问题变得更为突出，已成为机械加工技术进一步发展的一个重要的研究课题。（1）工艺系统的热源系统内部热源 (切

20、削热和摩擦热)系统外部热源 (环境温度和太阳辐射热)一方面，工艺系统受热源影响，温度逐渐升高；另一方面，热量通过各种传导方式向周围散发。（2）温度场与工艺系统热平衡 机床受热源的影响，各部分温升将发生变化由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件将发生不同程度的热变形，破坏了机床原有的几何精度，从而降低了机床的加工精度。图3-30 卧式车床和卧式铣床的热变形切削热 （是主要的）外部热源 （对于精密件不可忽视）使工件产生变形的热源 同时，不同的加工方法，不同的工件材料、结构和尺寸件的受热变形也不相同。图3-31 刀具热伸长量与切削时间的关系4.工具热变形对加工精度的影响 刀具的热变形主要

21、是切削热引起的，传给刀具的热量虽不多，但由于刀具体积小、热容量小且热量又集中在切削部分，因此切削部分仍产生很高的温升。依据物理公式计算工件长度或直径上的热变形量：式中，L工件原有长度或直径，单位为mm;工作材料的线膨胀系数；温升。1减少热源的发热和隔离热源2均衡温度场3采用合理的机床结构4控制环境温度，加速达到热平衡状态对于不能分离的热源，如主抽轴承、丝杠螺母副、高速运动的导轨副等，则可以从结构、润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热。采用有效的冷却措施为了减少机床的热变形，凡是可能分离出去的热源应移出，如电动机、变速箱、液压系统、冷却系统等，均应移出。热源可能分离出去减少发热例如，采用静压轴承。

22、静压导轨，改用低粘度润滑油、理基润滑脂等，也可用隔热材料将发热部件和机床大件(如床身、立柱等)隔离开来。如增加散热面积或使用强制式的风冷、水冷、循环润滑等。例如，目前，大型数控机床、加工中心普遍采用冷冻机，对润滑油、切削液进行强制冷却，以提高冷却效果。在精密丝杠磨床的母丝杠中通以冷却液，以减少热变形。平面磨床采用热空气加热温升较低的立柱后壁，以减小立柱前后壁的温度差，从而减少立柱的弯曲变形。采取这种指施后，工件的加工直线度误差可降低为原来的13 14。2）均衡温度场图3-32 在变速箱中，将轴、轴承、传动齿轮尽量对称布置，可使箱壁温升均匀，从而减少箱体变形。机床大件的结构和布局对机床的热态性能

23、有很大影响。4）控制环境温度，加速达到热平衡状态 精密机床一般安装在恒温车间，其恒温精度一般控制在 l。对于精密机床，特别是大型机床，达到热平衡的时间较长，为了缩短这个时间，可预先高速空运转机床或设置控制热源，人为地给机床加热，使之较快达到热平衡状态，然后进行加工。基于同样原因，精密加工机床应尽量避免中途停车。一)减少误差法 直接减少误差法在生产中应用较广，是在查明产生加工误差的主要因素直接进行消除或减少的方法。二)误差转移法 误差转移法是把影响加工精度的原始误差转移到误差的非敏感方向上。三)误差分组法采用分组调整的方法，把毛坯按误差大小分为n组，每组毛坯的误差就缩小为原来的1/n；然后按各组

24、分别调整刀具与工件的相对位置或选用合适的定位元件，就可大大缩小整批工件的尺寸分散范围。四)误差平均法 研磨时，研具的精度并不很高，分布在研具上的磨料粒度大小也可能不一样。但由于研磨时工件和研具间有复杂的相对运动轨迹，使工件上各点均有机会与研具的各点相互接触并受到均匀的微量切削。同时工件和研具相互修整，精度也逐步共同提高，进一步使误差均化，因此可获得精度高于研具原始精度的加工表面。图3-34 高压油泵偶件自动配磨装置示意图图3-33 龙门铣床横梁导轨预加变形前几节就影响加工精度的各种主要因素，从单因素的角度进行前几节就影响加工精度的各种主要因素，从单因素的角度进行了详细分析，并提出了一些保证加工

25、精度的措施。但在实际生产中了详细分析，并提出了一些保证加工精度的措施。但在实际生产中，一个工序加工完成后，工件的加工精度是一系列工艺因素综合作，一个工序加工完成后，工件的加工精度是一系列工艺因素综合作用的结果，各种因素产生的加工误差可能相互迭加，也可能相互补用的结果，各种因素产生的加工误差可能相互迭加，也可能相互补偿或抵消，而且各种误差的表现性质在很大程度上带有一定的随机偿或抵消，而且各种误差的表现性质在很大程度上带有一定的随机性。性。实际上，影响加工精度的因素是错综复杂的，需要要用概率理实际上，影响加工精度的因素是错综复杂的，需要要用概率理论和统计方法进行分析和处理，进而提出控制和解决加工精

26、度问题论和统计方法进行分析和处理，进而提出控制和解决加工精度问题的工艺措施。的工艺措施。1.系统误差系统误差在顺序加工同一批工件中，如果加工误差的大小和方向都保在顺序加工同一批工件中，如果加工误差的大小和方向都保持不变，或者按照一定的规律变化，则称为持不变，或者按照一定的规律变化，则称为系统误差系统误差。机床、夹具、刀具和量具本身的制造误差和很慢的磨损往往机床、夹具、刀具和量具本身的制造误差和很慢的磨损往往被看作常值系统误差。机床、夹具和刀具等在热平衡前的热变形被看作常值系统误差。机床、夹具和刀具等在热平衡前的热变形常被看作常被看作变值系统误差变值系统误差。2.随机误差随机误差在顺序加工同一批

27、工件中，如果加工误差的大小和方向呈不在顺序加工同一批工件中，如果加工误差的大小和方向呈不规则变化，则称为规则变化，则称为随机误差随机误差。分布曲线分析法是将测量加工后所得一批零件的实际尺分布曲线分析法是将测量加工后所得一批零件的实际尺寸或误差，根据测量结果作出该批工件尺寸或误差的分布寸或误差，根据测量结果作出该批工件尺寸或误差的分布图，然后按照此图来分析和判断加工误差的情况。图，然后按照此图来分析和判断加工误差的情况。1实际分布曲线实际分布曲线实验分布图的作法与步骤如下：实验分布图的作法与步骤如下：1)采集数据采集数据2)确定分组数、组距确定分组数、组距h、各组组界和组中值、各组组界和组中值3

28、)计算平均值和标准差计算平均值和标准差4)画出直方图画出直方图二、二、加工误差的统计分析方法加工误差的统计分析方法2.理论分布曲线1）正态分布曲线图3-35图3-36图3-372）非正态分布曲线图3-383分布曲线分析法的应用分布曲线分析法的应用1）判别加工误差性质）判别加工误差性质对于正态分布而言，常值系统误差影响平均值对于正态分布而言，常值系统误差影响平均值 ，会引，会引起正态分布曲线沿横轴平移，即样本平均值起正态分布曲线沿横轴平移，即样本平均值 与公差带中心与公差带中心不重合；而随机误差决定不重合；而随机误差决定值，仅影响分布曲线的形状。因值，仅影响分布曲线的形状。因此，如果实际分布与正

29、态分布基本相符，可判断整批工件的此，如果实际分布与正态分布基本相符，可判断整批工件的加工精度及加工误差性质。加工精度及加工误差性质。如果实际分布与正态分布有较大出入，可根据分布图初如果实际分布与正态分布有较大出入，可根据分布图初步判断变值系统误差的类型。步判断变值系统误差的类型。2）判定工序能力及其等级）判定工序能力及其等级工序能力是指工序处于稳定状态时，加工误差正常波动工序能力是指工序处于稳定状态时，加工误差正常波动的幅度。当加工尺寸服从正态分布时，其尺寸分布范围是的幅度。当加工尺寸服从正态分布时，其尺寸分布范围是6，所以工序能力就是，所以工序能力就是6。6 6 的大小代表了某一种加工方法在

30、规定的条件下，如毛的大小代表了某一种加工方法在规定的条件下，如毛坯余量、切削用量、正常的机床、夹具和刀具等，所能达到坯余量、切削用量、正常的机床、夹具和刀具等，所能达到的加工精度。的加工精度。xx工序能力等级描述了工序能力满足加工精度要求的程工序能力等级描述了工序能力满足加工精度要求的程度，是以工序能力系数来表示的。当工序处于稳定状态时度，是以工序能力系数来表示的。当工序处于稳定状态时，工序能力系数按下式计算：，工序能力系数按下式计算：Cp=T/(6)T为工件尺寸公差。为工件尺寸公差。根据工序能力系数根据工序能力系数Cp的大小，可将工序能力分为的大小，可将工序能力分为5级，级，如表如表3-4所

31、示。一般工序能力不应低于二级，即所示。一般工序能力不应低于二级，即Cp1。3）估算合格品率或不合格品率）估算合格品率或不合格品率1.单值点图单值点图按加工顺序逐个测量工件的尺寸，以工件加工的顺序号为横按加工顺序逐个测量工件的尺寸，以工件加工的顺序号为横坐标，工件尺寸坐标，工件尺寸(或误差或误差)为纵坐标，则整批工件的加工结果可画为纵坐标，则整批工件的加工结果可画成点图，每个工件画一点，如图所示，反映了每个工件尺寸成点图，每个工件画一点，如图所示，反映了每个工件尺寸(或或误差误差)与加工时间的关系，故称为与加工时间的关系，故称为单值点图单值点图。（二）点图分析法（二）点图分析法图3-392.图图

32、 图式平均值图式平均值 控制图联合使用时的统称。控制图联合使用时的统称。xRx Rx 图3-40图3-41(一一)切削加工的表面粗糙度切削加工的表面粗糙度1.影响切削残留面积影响切削残留面积用直线切削刃切削时，切削面积高度为：用直线切削刃切削时，切削面积高度为：用圆弧切削刃切削时，其残留用圆弧切削刃切削时，其残留面积高度为：面积高度为：图图3-42第四节 影响表面质量的因素及其控制rrfHctgctgeeerfrfrH84222宽刀精切和高速精切，合理选择切削液，适当增大刀具法前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小加工表面粗糙度值。（二）（二）磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度1.砂轮对

33、表面粗糙度的影响砂轮对表面粗糙度的影响（1）砂轮粒度砂轮粒度 （2）砂轮硬度砂轮硬度（3）砂轮组织砂轮组织（4）砂轮磨粒材料砂轮磨粒材料（5）砂轮修整砂轮修整此外，采用此外，采用超硬磨粒超硬磨粒（人造金刚石、立方氮化硼和陶瓷（人造金刚石、立方氮化硼和陶瓷）砂轮进行磨削，可以获得很小的表面粗糙度值，这是目）砂轮进行磨削，可以获得很小的表面粗糙度值，这是目前精密和超精密磨削的主要方法。前精密和超精密磨削的主要方法。2.磨削用量对表面粗糙度的影响磨削用量对表面粗糙度的影响砂轮的砂轮的速度速度越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数就越多，表面的粗糙度值就越小。就越多，

34、表面的粗糙度值就越小。砂轮的砂轮的纵向进给量纵向进给量减小，工件表面的每个部位被砂轮减小，工件表面的每个部位被砂轮重复磨削的次数增加，被磨表面的粗糙度值将减小。重复磨削的次数增加，被磨表面的粗糙度值将减小。工质材料的工质材料的性质性质、冷却润滑液冷却润滑液的选用等对磨削表面粗的选用等对磨削表面粗糙度也有明显的影响。糙度也有明显的影响。（一）表面层的冷作硬化（一）表面层的冷作硬化1.影响切削加工表面冷作硬化的因素影响切削加工表面冷作硬化的因素(1)切削用量的影响切削用量的影响 加大进给量时，切削力增大，表层加大进给量时，切削力增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬程度增大，表面金属的显微硬度金属的塑

35、性变形加剧，冷硬程度增大，表面金属的显微硬度将随之增大。但如果进给量跟小，如切削厚度小于将随之增大。但如果进给量跟小，如切削厚度小于0.050.06时，继续减小进给量，表层金属的冷硬程度不仅时，继续减小进给量，表层金属的冷硬程度不仅不会减小，反而会增大。不会减小，反而会增大。(2)刀具几何形状的影响刀具几何形状的影响 刀具刃钝圆半径增大时，加刀具刃钝圆半径增大时，加工后表面的冷硬层深度和硬度也随之增大。原因在于切削刃工后表面的冷硬层深度和硬度也随之增大。原因在于切削刃钝圆半径增大会加大径向切削力，从而加剧塑性变形，导致钝圆半径增大会加大径向切削力，从而加剧塑性变形，导致硬化现象严重。刀具后面的

36、磨损量增加时，使得刀具后面与硬化现象严重。刀具后面的磨损量增加时，使得刀具后面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，从而表层冷硬程度被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，从而表层冷硬程度增大。增大。(3)加工材料性能的影响加工材料性能的影响 工件材料的塑性越大，冷硬倾工件材料的塑性越大，冷硬倾向越大，冷硬程度也越严重。向越大，冷硬程度也越严重。（二）表层的残余应力（二）表层的残余应力1.影响切削表层残余应力的因素影响切削表层残余应力的因素（1）切削用量切削用量影响影响 切削速度增加，使表面沿速度切削速度增加，使表面沿速度方向的塑性变形减少，工件表层产生的残余拉应力，随方向的塑性变形减少，工件表层

37、产生的残余拉应力，随速度的提高而下降。加大进给量，会使表层金属塑性变速度的提高而下降。加大进给量，会使表层金属塑性变形增加，切削区发生的热量也增加，其结果会使残余应形增加，切削区发生的热量也增加，其结果会使残余应力的数值及扩展深度相应增大。力的数值及扩展深度相应增大。（2）刀具角度刀具角度的影响的影响 当前角由正值变为负值或继当前角由正值变为负值或继续增大负前角，拉伸残余应力的数值减小。续增大负前角，拉伸残余应力的数值减小。（3）工件材料工件材料的影响的影响 塑性大的材料，切削加工后塑性大的材料，切削加工后表面层一般产生残余拉应力；脆性材料如铸铁，切削时表面层一般产生残余拉应力；脆性材料如铸铁

38、，切削时由于后刀面的挤压与摩擦，表面层产生残余压应力。由于后刀面的挤压与摩擦，表面层产生残余压应力。（1）磨削用量的影响 磨削低碳钢时，当磨削深度很小（如ap=0.005mm）时，塑性变形起主要作用，因此磨削表面形成压缩残余应力。继续加大磨削深度，塑性变形加剧，磨削热随之增大，热因素的作用逐渐占主导地位，在表面层产生拉伸残余应力；且随着磨削深度的增大，拉伸残余应力的数值将逐渐增大。当ap0.025mm时，尽管磨削温度很高，但因工业铁的含碳量极低，不可能出现淬火现象，此时塑性变形因素逐渐起主导作用，表层金属的拉伸残余应力数值逐渐减小。当ap取值很大时，表层金属呈现压缩残余应力状况。提高砂轮速度，

39、磨削区温度增高，而每颗磨粒所切除的金属厚度减小，此时热因素的作用增大，塑性变形因素的影响减小，因此提高砂轮速度将使表面金属产生拉伸残余应力的倾向增大。加大工件的回转速度和进给速度，将使砂轮与工件的热作用时间缩短，热因素的影响逐渐减小，塑性变形因素的影响逐渐加大。这样，表面金属中产生拉伸残余应力的趋势逐渐减小，而产生压缩残余应力的趋势逐渐增大。（2）工件材料的影响 工件材料的强度越高、导热性越差、塑性越低，在磨削时表面金属产生拉伸残余应力的倾向就越大。发生磨削烧伤的根本原因是磨削温度过高，因发生磨削烧伤的根本原因是磨削温度过高，因此避免和减轻磨削烧伤的基本途径是减少热量的产生此避免和减轻磨削烧伤

40、的基本途径是减少热量的产生和加速热量的发散，具体措施如下：和加速热量的发散，具体措施如下：（1 1）正确选择砂轮正确选择砂轮 为避免产生烧伤，应选择较软为避免产生烧伤，应选择较软的砂轮。选择具有一定弹性的结合剂（如橡胶结合剂的砂轮。选择具有一定弹性的结合剂（如橡胶结合剂、树脂结合剂），也有助于避免烧伤现象的产生。、树脂结合剂），也有助于避免烧伤现象的产生。（2 2）合理选择磨削用量合理选择磨削用量 磨削深度磨削深度apap对磨削温度影对磨削温度影响最大，从减轻烧伤的角度考虑，响最大，从减轻烧伤的角度考虑，apap不宜过大。平磨不宜过大。平磨时，加大横向进给量时，加大横向进给量ftft有助于减轻

41、烧伤。加大工件回有助于减轻烧伤。加大工件回转速度转速度VwVw，磨削表面的温度升高，但其增长速度与磨，磨削表面的温度升高，但其增长速度与磨削深度削深度apap的影响相比要小得多；且的影响相比要小得多；且VwVw越大，热量越不越大，热量越不容易传入工件内层，具有减小烧伤层深度的作用。但容易传入工件内层，具有减小烧伤层深度的作用。但增大工件速度增大工件速度VwVw会使表面粗糙度值增大，为了弥补这会使表面粗糙度值增大，为了弥补这一缺陷，可以相应提高砂轮速度一缺陷，可以相应提高砂轮速度VsVs。（3 3）改善冷却条件改善冷却条件 内冷却是一种较为有效内冷却是一种较为有效的冷却方法。其工作原理是：经过严

42、格过滤的冷却方法。其工作原理是：经过严格过滤的冷却液通过中空主轴法兰套引入砂轮的中的冷却液通过中空主轴法兰套引入砂轮的中心腔内，由于离心力的作用，这些冷却液就心腔内，由于离心力的作用，这些冷却液就会通过砂轮内部的孔隙向砂轮四周的边缘洒会通过砂轮内部的孔隙向砂轮四周的边缘洒出，这样冷却液就有可能直接进入磨削区，出，这样冷却液就有可能直接进入磨削区，如图如图3-43a3-43a所示。所示。图图3-43机械加工过程中常产生振动，振动对于加工质机械加工过程中常产生振动，振动对于加工质量和生产效率都有很大影响。量和生产效率都有很大影响。新型的、难加工材料的加工过程中工艺系统更新型的、难加工材料的加工过程

43、中工艺系统更易产生振动。所以研究振动产生的诱因及机理，易产生振动。所以研究振动产生的诱因及机理，进而避免、抑制或消除振动是非常有意义的。进而避免、抑制或消除振动是非常有意义的。机械加工中的机械加工中的强迫振动强迫振动是在外界周期性干扰力的作用下，是在外界周期性干扰力的作用下，系统受迫产生的振动。系统受迫产生的振动。1.强迫振动产生的强迫振动产生的原因原因 强迫振动的振源有来自机床内部的称为强迫振动的振源有来自机床内部的称为机内振源机内振源，也，也有来自机床外部的称为机外振源。有来自机床外部的称为机外振源。机内振源主要有机内振源主要有机床旋转机床旋转件的不平衡件的不平衡，机床传动机构的缺陷机床传

44、动机构的缺陷，往复运动部件的惯性力往复运动部件的惯性力，以及以及切削过程中的冲击切削过程中的冲击等。等。机床中各种高速旋转的零件（例如电动机转子、带轮、齿机床中各种高速旋转的零件（例如电动机转子、带轮、齿轮、卡盘、砂轮等），由于不平衡产生周期性的轮、卡盘、砂轮等），由于不平衡产生周期性的激振力激振力，使，使加工过程产生强迫振动。加工过程产生强迫振动。齿轮齿轮制造不精确制造不精确或有或有安装误差安装误差也会产生周期性干扰力。也会产生周期性干扰力。2.强迫振动的强迫振动的特性特性1）强迫振动是一种不衰减的振动，只要有激振干扰力存）强迫振动是一种不衰减的振动，只要有激振干扰力存在，振动就不会衰减，但

45、振动本身不会引起干扰力的变在，振动就不会衰减，但振动本身不会引起干扰力的变.2）强迫振动的振动频率与干扰力的频率相同，或是干扰）强迫振动的振动频率与干扰力的频率相同，或是干扰力频率的整数倍。这种频率对应关系是诊断机械加工中所力频率的整数倍。这种频率对应关系是诊断机械加工中所产生的振动是否为强迫振动的主要依据，并可利用上述频产生的振动是否为强迫振动的主要依据，并可利用上述频率特征去分析、查找强迫振动的振源。率特征去分析、查找强迫振动的振源。3）强迫振动的幅值既与干扰力的幅值有关，又与工艺系）强迫振动的幅值既与干扰力的幅值有关，又与工艺系统的动态特性及干扰力频率有关。一般来说，干扰力的幅统的动态特

46、性及干扰力频率有关。一般来说，干扰力的幅值越大，强迫振动的幅值也越大。工艺系统的动态特征对值越大，强迫振动的幅值也越大。工艺系统的动态特征对强迫振动的幅值影响极大。强迫振动的幅值影响极大。4）强迫振动的位移变化总是比干扰力在相位上滞后一个）强迫振动的位移变化总是比干扰力在相位上滞后一个 角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。1.自激振动的自激振动的概念概念及及特点特点 机械加工过程中，在没有周期性外力干扰作用下，由机械加工过程中，在没有周期性外力干扰作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动，称为系统内部激发反馈产生的周期性振动，称为自激振动自激振

47、动，简，简称颤振。称颤振。机床加工系统是一个由机床加工系统是一个由振动系统振动系统和和调节系统调节系统组成的闭组成的闭环反馈控制系统，如图环反馈控制系统，如图3-443-44所示。所示。自激振动的自激振动的特点特点是：机械加工中的自激振动是在没有是：机械加工中的自激振动是在没有外力（相对于切削过程而言）干扰下所外力（相对于切削过程而言）干扰下所 产生的振动，这产生的振动，这与强迫振动有着本质的区别。与强迫振动有着本质的区别。图图3-442.自激振动的产生自激振动的产生机理机理（1）再生自激振动原理再生自激振动原理 切削和磨削加工过程中，时常出切削和磨削加工过程中，时常出现后一次进给与前一次进给

48、的切削区发生部分重叠。如果在现后一次进给与前一次进给的切削区发生部分重叠。如果在车削过程中受到一个偶然的瞬时扰动，刀具与工件便会发生车削过程中受到一个偶然的瞬时扰动，刀具与工件便会发生相对振动（自由振动），它的幅值将因阻尼存在而逐渐衰减。相对振动（自由振动），它的幅值将因阻尼存在而逐渐衰减。但这种振动会在工件表面上留下一段振纹。当工件转过一转但这种振动会在工件表面上留下一段振纹。当工件转过一转后，刀具将在留有振纹的表面上重复切削，此时切削厚度将后，刀具将在留有振纹的表面上重复切削，此时切削厚度将发生波动，因而产生动态交变力。一旦机床工艺系统满足产发生波动，因而产生动态交变力。一旦机床工艺系统满

49、足产生自激振动的条件，振动便会进一步发展到持续的自激振动生自激振动的条件，振动便会进一步发展到持续的自激振动状态。状态。这种由振纹和动态切削力的相互影响作用称为振纹的这种由振纹和动态切削力的相互影响作用称为振纹的再生效应，而把由振纹的再生效应导致的切削自激振动称为再生效应，而把由振纹的再生效应导致的切削自激振动称为再生型自激振动再生型自激振动。(2)振型耦合机理振型耦合机理 在一些切削加工（如螺纹车削）中，切在一些切削加工（如螺纹车削）中，切削表面完全没有重叠，不存在再生自激振动的条件。但当背削表面完全没有重叠，不存在再生自激振动的条件。但当背吃刀量增加到一定程度时，切削过程仍会发生切削自激振

50、动吃刀量增加到一定程度时，切削过程仍会发生切削自激振动。实验表明，此种情况下产生的自激振动，刀尖与工件相对。实验表明，此种情况下产生的自激振动，刀尖与工件相对运动的轨迹是一个形状和位置都十分不稳定的、封闭的近似运动的轨迹是一个形状和位置都十分不稳定的、封闭的近似椭圆。这时，刀具作振入运动时，切削厚度较薄，切削力较椭圆。这时，刀具作振入运动时，切削厚度较薄，切削力较小；而在刀具作振出运动时，切削厚度较大，切削力较大。小；而在刀具作振出运动时，切削厚度较大，切削力较大。于是振出时切削力所做的正功就大于振入时切削力所做的负于是振出时切削力所做的正功就大于振入时切削力所做的负功，系统就会有能量输入，振动得以维持。这种由于振动系功，系统就会有能量输入，振动得以维持。这种由于振动系统在各主振模态间相互耦合、相互关联而产生的自激振动，统在各主振模态间相互耦合、相互关联而产生的自激振动，称为称为振型耦合型自激振动振型耦合型自激振动。1.消除或减弱产生强迫振动的条件（1）减小机内干扰力的幅值（2）适当调整振源的频率（3）采取隔振措施2消除或减弱产生自激振动的条件（1）合理选择切削用量和刀具几何角度（2）改变刀具结构（3）调整振动系统小刚度主轴的位置3改善工艺系统的动态特性4采用各种减振装置图图3-45图图3-46