第 4 章机械加工精度与表面质量

第4章机械加工精度与表面质量

4.1概述 4.1.1 机械加工质量任何机械产品都由各种零件装配而成，零件的质量将直接影响机械产品的使用性能和寿命，因此在加工制造零件时必须保证其质量。零件的机械加工质量包含了机械加工精度和表面质量两方面，只有这两方面达到了设计要求，才能认为该零件合格。

4.1.2 机械加工精度的基本概念 1．加工精度加工精度是指零件在加工以后的实际几何参数（尺寸、几何形状、表面相互位置）与理想几何参数相符合的程度，符合程度越高，精度越高。从机器的使用性能来看，没有必要也不可能把零件做得绝对准确，只要与理想零件有一定程度的符合，便能保证零件在机器中得功用。这一定程度的符合就是设计时所规定的零件公差精度等级。

2．加工误差 加工误差指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数之间的偏离程度。 • 加工精度的低和高就是通过加工误差的大小来表示的。 • 研究加工精度的目的，就是研究如何将各种误差控制在允许的范围内，弄清楚各种因素对加工精度的影响规律，从而提出减少加工误差，提高加工精度的途径和针对性的措施。 • 加工误差分为：尺寸、几何形状、表面相互位置误差。

4.1.3 获得规定加工精度的方法 1．获得尺寸精度的方法（1）试切法效率低，单件小批生产。通过试切－测量－调整－再试切的反复过程，直至达到要求为止。如右图所示，通过反复试切保证尺寸L，此法加工精度取决于操作者的技术水平。

（2）定尺寸刀具法 用刀具的相应尺寸来保证被加工部位尺寸的方法，钻孔，拉孔，攻螺纹。此方法的加工精度主要取决于刀具的制造和安装精度。

（3）调整法 按工件规定的尺寸预先调整机床，夹具，刀具与工件的相对位置，再进行加工。此方法生产效率高，精度保持的好，适用于成批大量的生产。刀具的位置调整好后，必须保证每一个工件都安装在同一位置上。如图所示。挡块调整夹具

（4）自动控制法 用测量装置，进给装置和控制系统，构成一个自动加工系统，使加工过程中的测量，补偿调整和切削等一系列工作自动完成。在加工过程中测量装置自动测量工件的加工尺寸，并与要求的尺寸进行比较后发出信号，信号通过转换，放大后控制进给系统对刀具或机床的位置作相应的调整，直到达到规定的加工尺寸要求后，加工自动停止。

2．获得几何形状精度的方法 零件的几何形状精度，主要由机床精度和刀具精度来保证。 • 例如：车削工件的外圆，主要取决于主轴的回转精度，导轨精度及主轴回转线与导轨主轴之间的相互位置精度。

（1）轨迹法 • 刀尖的运动轨迹取决于刀具和工件的相对成形运动，因而获得的形状精度取决于成形运动的精度。 • 普通车床，铣削、刨削和磨削等均属于刀尖轨迹法。利用切削运动中刀尖的运动轨迹形成被加工表面形状的方法。

（a）车成形表面（b）刨平面 轨迹法

（2）成形法 • 成形车刀、铣刀、砂轮成形刀具替代一个成形运动，该法获得的形状精度取决于刀刃的形状精度和其他成形运动精度。 • 用成形刀或砂轮的车、铣、刨、磨、拉等均属于成形法， • 成形加工可以简化机床结构，提高生产率。成形刀具切削刃的几何形状来切削出工件形状的方法。

（3）展成法 • 如滚齿、插齿、磨齿、滚花键等均为展成法。 • 展成法所得被加工表面是刀刃和工件作展成运动过程中所形成得包络面。刀具和工件做展成运动，由切削刃在被加工表面上的包络表面形成成形表面的方法。

小结： 在获得形状精度的方法中： • 轨迹法的精度主要取决于轨迹运动的精度； • 成形法的精度主要取决于切削刃的制造精度及刀具的安装精度 • 展成法的精度主要取决于展成运动的精度和切削刃的形状精度。

3．获得工件相互位置精度的方法 位置精度包含了同轴、对称等的定位精度和平行、垂直等的定向精度。定位精度的获得需要确定刀具与工件的相对位置，定向精度则取决于工件与机床运动方向的相对位置是否正确。主要依靠机床精度，夹具精度和工件的安装精度来保证。比如铣槽、对称度。

4.2 机械加工精度的单因素分析 4.2.1 概述在机械加工过程中，零件的尺寸，几何形状和表面间相互位置的形成，取决于工件和刀具在切削运动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，因此，在加工过程中，机床、刀具、夹具、工件就构成了一个完成的工艺系统。

1．工艺系统的几何误差 包括机床、夹具、刀具的制造误差和磨损，尺寸链误差，机床传动链的静态和动态误差，工件、刀具、夹具的安装误差等。

2．工艺系统力效应产生的误差 工艺系统弹性及塑性变形产生的误差，工件夹紧误差惯性力和传动力所引起的误差以及工件残余应力引起的误差等。

3．工艺系统热变形产生的误差 包括机床、刀具、夹具以及工件热变形产生的误差。

4．加工方法原理误差 工艺系统中各方面的误差都有可能造成工件的加工误差，能直接引起工件加工误差的各种误差因素称为“原始误差” 。根据原始误差的性质、状态主要可将其归纳成为四种，即： • 原理误差 • 工艺系统几何误差 • 工艺系统受力变形引起的误差 • 工艺系统受热变形引起的误差

4.2.2 影响加工精度的因素 1．加工原理误差采用近似的加工运动或者近似的刀具轮廓形而产生的。例如数控加工复杂曲面，刀具为圆头铣刀，其曲率与加工表面的曲率半径可能不同，因此刀具与曲面之间存在着误差，虽然存在者原理误差，但却降低了加工成本、简化了机床结构、提高了生产率。因此，只要原理误差在允许范围内，这些近似的加工工具就可以采用。

2．工艺系统几何误差 （1）机床的几何误差在加工过程中，刀具相对工件的各种成形运动是由机床来完成，而刀具、工件和机床之间的位置关系也靠机床来保证。因此，机床的几何误差对加工精度的影响是很大的。 • 机床的几何误差，包括机床的制造、安装、调整误差及磨损引起的误差。在机床的各个部件中，主轴、导轨、传动链是影响加工精度的主要部件。

1）主轴的回转误差 由于各种误差因素的影响，实际主轴的回转轴线在每一瞬间的空间位置是变化的，因而就有了主轴旋转误差。为便于分析,将主轴旋转误差分成三种： • 径向圆跳动 • 纯角度摆动 • 轴向窜动

(a)径向圆跳动 (b)端面圆跳动 (c)倾角摆动

误差产生原因： • 轴颈的误差，轴颈之间的同轴度，主轴的挠度，支撑端对轴颈轴心线的垂直度，导致主轴实际轴心线与理回转轴线发生偏移。 • 轴承的制造、安装误差是造成主轴旋转误差的主要原因。

2）导轨误差 机床导轨的作用时支承并引导运动部件，使之沿直线或圆周轨迹准确地运动。导轨的误差将使该运动轨迹出现误差，进而造成工件的形状误差。一般导轨误差的主要表现形式有： • 导轨的直线度误差 • 导轨在垂直平面内的平行度误差 • 导轨与主轴之间的位置误差

导轨的直线度误差

两导轨不平行造成的加工误差

3）传动链误差 当需要用展成法来获得工件表面形状时，就必须用内传动链来保持两执行件之间的运动关系。若由于内传动链有误差而造成了该运动关系不准确。就会造成工件的加工误差。 • 如车螺纹，两执行件分别是主轴和刀具，其运动关系为主轴转一圈，刀具进给一个工件导程。若因传动链误差造成刀具进给快了或者进给慢了，就会造成工件的螺距误差，影响刀具运动的正确性。

减小传动链误差对加工精度的影响，可采取下列措施：减小传动链误差对加工精度的影响，可采取下列措施： • 减少传动链中的元件数，缩短传动链，以减少误差来源； • 提高传动元件，特别是末端传动元件的制造精度和装配精度； • 消除间隙，使传递瞬时速度稳定，特别是反向时候，会造成滞后； • 采用误差修正机构，来提高传动精度，人为地加工一个与机床传动误差大小相等，方向相反的误差，以传动链本身的误差。

（2）刀具和夹具的误差 1）刀具的误差刀具在加工中的磨损，引起被加工工件的尺寸和形状的改变。 • 例如：车削长轴，车刀磨损将产生锥度，在调整法加工中，刀具或砂轮的磨损会扩大零件的尺寸分散范围。刀具误差对加工精度的影响与获得加工精度的方法有关。

试切法加工 工件的尺寸精度取决于刀具相对于工件位置的调整，刀具的制造误差对工件加工精度没有直接影响。当工件背加工表面较大、较长时，刀具的磨损会引起工件的形状误差。如车较长轴的外圆，由于车刀磨损将使实际背吃刀量逐步减小，从而造成工件的锥度误差。

.定尺寸刀具 刀具的制造与安装，调整都会影响加工尺寸，形状精度。刀具的制造误差直接引起工件的尺寸误差，此外，刀具的安装误差和磨损也会造成工件的尺寸和形状误差。如铰刀安装时若与工件预制孔不同轴，容易造成工件孔扩大和喇叭口。

用成形法加工 成形刀具切削刃的形状误差、磨损或刀具安装不正确，将直接造成工件的形状误差。

2）夹具的误差 加工过程中工件与机床、刀具的位置关系往往通过夹具来确定。 • 夹具的定位元件、刀具导向与对刀元件、分度机构以及夹具体等主要元件的制造误差。 • 夹具装配后，各主要元件之间、夹具定位元件工作面与夹具在机床上的安装面之间的尺寸误差或位置误差 • 夹具在机床上安装时的安装找正误差 • 夹具在使用个中有关工作表面的磨损

(3) 测量、调整误差误差 工件在加工过程中引起测量误差的因素有量具的制造误差，测量时的接触力、温度、目测的正确程度等。在机械加工中经常要对机床、夹具、刀具进行调整，以确保其位置关系正确，调整误差的来源视不同的加工方式而异。

1）试切法加工中的调整误差 试切法加工的过程是：对工件试切-测量-调整-再试切，直至达到要求为止。引起调整误差的原因有： • 测量误差 • 因进给机构在低速微量进刀时的“爬行”，而造成刀具实际进给量不等于刻度盘上的数值 • 因刀具刃口钝圆的影响使微量切削时刀具打滑而造成试切与正式切削时背吃刀量不相等，从而造成工件尺寸误差。

2）调整法中的调整误差 生产中，常用形成挡块、凸轮、靠模等定程机构或事先编好的数控程序来控制刀具或工件的进给形成和工作位置等，用专用的样板样件来调整刀具与刀具，刀具与工件之间的相对位置。这些定程机构、样板样件的制造精度和刚度、加工程序编制的正确，合理性以及数控机床的数控、伺服系统的控制精度、刀具初始位置的调整精度等，都会最终影响工件的加工精度。

3.工艺系统受力变形产生的误差 （1）工艺系统刚度静刚度：工艺系统中，已加工表面的法向分力与在此方向上刀具与工件之间刀具与工件之间相对位移的比值。用K 表示。式中 k——工艺系统刚度； kjc ——机床刚度； kjj——夹具刚度； kd——刀具刚度； kg ——工件刚度

1）刀具、工件的刚度 在切削过程中，在Y向上的分力式背向力Fp，其变形量Y与工件、刀具的安装方式有关。如图中用两顶尖安装的工件，可看承式简支梁，则该工件刚度为：

2）机床、夹具等部件的刚度 机床、夹具等部件都是由数个零件装配而成的。由于组成部件的各零件刚度不同、零件之间有配合间隙，部件再变形过程中各零件之间有摩擦以及各零件接触之间有接触变形原因，使得部件刚度与单一零件的刚度大小不同。与外形轮廓尺寸相同的零件相比，部件的刚度要比零件的刚度小得多，部件的变形不纯粹是弹性变形。因此，部件的刚度不能用简单的公式计算，只能用实验测试的方法来测定。

3）接触刚度 相互接触的两表面抵抗外力使之产生接触变形的能力，称为接触刚度。由于表面粗糙度的影响，使得工件的实际接触面积远远小于理论接触面积，受力后产生的接触变形较大。两接触面在经过了第一次接触变形后，其实际接触面就会增大，当再次受力时，产生的接触变形量就会减小，接触刚度就会提高。因此，生产中常利用此特点对部件进行预紧，即先施加一个使两接触面产生第一次接触变形的力，以提高接触刚度，进而提高机床部件的整体刚度。

（2）工艺系统刚度及其对加工精度的影响 在切削力作用下，工件和工具相互退让（让刀），造成实际背吃刀量小于理论值。若在整个加工长度上各处让刀量相等，则将造成工件的尺寸误差，若各处让刀量不等，则造成工件形状误差。

减少工艺系统受力变形的途径： • 提高工艺系统中零件的配合质量，提高接触刚度是关键。 • 设计辅助支撑，提高部件刚度 • 当工件成为加工误差的薄弱环节时，缩短切削力作用点和支撑点的距离也可以提高工件刚度。

3）工件残余应力引起的变形 残余应力是指当外部载荷去掉后，仍残存在内部的应力，存在残余应力的工件处于一不稳定的状态中。避免和消除残余应力的方法： • 设计合理零件结构 • 粗、精加工分开 • 避免冷校直 • 时效处理

4.工艺系统受热产生的误差 （1）概述在精密加工过程中，它是影响加工精度的主要因素。工艺系统热变形的根本原因是系统内温度场分布的变化，温度场的变化取决于热量的产生，导入，与传出过程。机械加工过程中，工艺系统在各种热源的影响下，产生复杂的变形，破坏了工件与刀具相对位置和相对运动的准确性，引起加工误差。

工艺系统中的热源包括： • 机械传动力源：如：电动机、电气箱、液压泵、活塞副。这些热量通过金属，液压流动传出 • 传动部分：如轴承副，齿轮副，离合器，导轨副产生的摩擦热，通过金属和润滑油 • 切削热：切削热的一部分传入工件和刀具，使其产生热变形，切削热大部分被切屑和切削热带走并落在床身上使床身产生热变形 • 环境传来的热量：阳光照射，取暖设备，使工艺系统各部分受热不均匀而引起变形

（2）机床热变形对加工精度的影响 1）主轴部件、床身导轨以及两者相对位置的热变形机床工作时，由于内外部热源的影响，温度会逐渐升高。由于机床结构的复杂，热源不同，机床温度场一般都不均匀，使原有的机床精度遭到破坏，引起相应的加工误差。当热平衡后机床各部分热变形都停止在某种程度上，相互之间的位置和运动相对稳定。对于车，铣，钻，镗产生热变形的主要热源是主轴箱内传动件的摩擦热，通过润滑油，金属等传到主轴箱体及与其相连的床身。

2）刀具和工件热变形对加工精度的影响 刀具热变形的热源使切削热。传给刀具的切削热虽然少，但刀具质量小，热容量小，所以仍会有很高的温升。引起刀具的热伸长而产生加工误差，某些工件加工时刀具连续工作时间较长，随着切削时间的增加，刀具逐渐受热伸长。车刀的热伸长使加工后的工件产生圆柱度误差或端面平面度误差。

（3）热变形的控制 • 减少发热和隔热； • 强制冷却均衡温度场； • 从结构上采取措施减少热变形。 • 采用热对称结构，防止由于热变形发生弯曲变形 • 使零件的热变形尽量不发生于影响加工精度的方向上

第 4 章 机械加工精度与表面质量