机械加工质量

（4）调整误差 机械加工过程中的每一道工序都要进行各种各样 的调整工作，由于调整不可能绝对准确，因此必 然会产生误差，这些误差称为调整误差。
2、工艺系统的受力变形 （1）工艺系统的刚度 机械加工过程中，工艺系统在切削力、传动力、惯
性力、夹紧力、重力等外力的作用下，各环节将 产生相应的变形，使刀具和工件间已调整好的正 确位置关系遭到破坏而造成加工误差。例如，在 车床上车削细长轴时，工件在切削力的作用下会 发生变形，使加工出的工件出现两头细中间粗的 腰鼓形
第七章 机械加工质量
尺寸精度
机械加工精度
形状精度
加 工 质 量
表面质量
位置精度 表面粗糙度
表面层的物理、力学性能
第一节 概述 一、机械加工精度 1、机械加工精度的概念
所谓机械加工精度，是指零件在加工后的几何 参数（尺寸大小、几何形状、表面间的相互位 置）的实际值与理论值相符合的程度。符合程 度高，加工精度也高；反之则加工精度低。机 械加工精度包括尺寸精度、形状精度、位置精 度三项内容，三者有联系，也有区别。
3）定尺寸刀具法 用具有一定形状和尺寸精度的刀 具进行加工，使加工表面达到要求的形状和尺寸的 加工方法。如用钻头、铰刀、键槽铣刀等刀具的加 工即为定尺寸刀具法。定尺寸刀具法生产率较高， 加工精度较稳定，广泛的应用于各种生产类型。 4）自动控制法 把测量装置、进给装置和控制机构 组成一个自动加工系统，使加工过程中的尺寸测量、 刀具的补偿和切削加工一系列工作自动完成，从而 自动获得所要求的尺寸精度的加工方法。该方法生 产率高，加工精度稳定，劳动强度低，适应于批量 生产。
原始误差主要来自两方面：一方面是在加工前就存 在的工艺系统本身的误差（几何误差），包括加 工原理误差，机床、夹具、刀具的制造误差，工 件的安装误差，工艺系统的调整误差等；另一方 面是加工过程中工艺系统的受力变形、受热变形、 工件残余应力引起的变形和刀具的磨损等引起的 误差，以及加工后因内应力引起的变形和测量引 起的误差等。
（2)获得形状精度的方法 1）轨迹法 依靠刀尖运动轨迹来获得形状精度的
方法。刀尖的运动轨迹取决于刀具和工件的相对成 形运动，因而所获得的形状精度取决成形运动的精 度。普通车削、铣削、刨削和磨削等均为刀尖轨迹 法。 2）成形法 利用成形刀具对工件进行加工的方法。 成形法所获得的形状精度取决于成形刀具的形状精 度和其他成形运动精度。用成形刀具或砂轮进行车、 铣、刨 、磨、拉等加工的均为成形法。
2、表面质量对零件使用性能的影响 （1）对零件耐磨性的影响
① 表面粗糙度对耐磨性的影响 一般情况下，表面粗糙度越小，零件表面越光滑，
耐磨性越好。但当零件表面的粗糙度小于最佳值 后，摩擦面之间的润滑油会被挤出而形成干摩擦， 反而使磨损加快。
② 冷作硬化对耐磨性的影响 一定的冷作硬化可以提高表面硬度，增加耐磨性。
6）合理设计系统结构 在设计机床夹具时，应尽量 减少组成零件数，以减少总的接触变形量；选择 合理的结构和截面形状；并注意刚度的匹配，防 止出现局部环节刚度低。
7）提高夹具、刀具刚度；改善材料性能。 8）控制负载及其变化 适当减少进给量和背吃刀量，
常只考虑此方向上的切削分力Fy和变形位移量y
K Fy (N / mm ) y
式中： Fy：切削力在Y方向的分力；
y：系统在切削力Fx、Fy、Fz共同作用下在Y方向上的变形；
y系 y机床 y夹具 y刀架 y工件
而工K系艺系yF系y统, K刚机床度算yF机式y床 , K夹具
Fy y夹具
K刀架
Fy y刀架
, K工件
Fy y刀架
所以工艺系统刚度为: K系
K机床 K夹具 K刀架 K工件
（2）工艺系统受力变形引起的误差及改善措施 工艺系统受力变形会引起工件的尺寸误差和形
状误差。减少工艺系统受力变形是保证加工精度的 有效途径之一。生产实际中常采取如下措施： 1）提高接触刚度 所谓接触刚度就是互相接触的两表 面抵抗变形的能力。提高接触刚度是提高工艺系统 刚度的关键。常用的方法是改善工艺系统主要零件 接触面的配合质量，使配合面的表面粗糙度和形状 精度得到改善和提高，实际接触面积增加，微观表 面和局部区域的弹性、塑性变形减少，从而有效地 提高接触刚度。
导轨误差可分为直线度误差、扭曲度误差、相互 位置误差三种形式。
3）机床传动链误差 传动链始末两端的联系是通过一系列的传动元件来实
现的，当这些传动元件存在加工误差、装配误差和
磨损时，就会破坏正确的运动关系，使工件产生加
工误差，这些误差即传动链误差。 1）尽量减少传动元件数量，缩短传动链，以缩小误
差的来源。
主轴的回转误差的三种
基本形式
径向跳动--瞬时回转轴 线沿平均回转轴线的径 向跳动运动。
轴向窜动--瞬时回转轴 线沿平均回转轴线方向 的轴向运动。
角度摆动--瞬时回转轴 线与平均回转轴线成一 倾斜角，但其交点位置 是固定不变的运动。
2）导轨误差
床身导轨既是装配机床各部件的基准件，又是保 证刀具与工件之间导向精度的导向件，因此 导轨误差对加工精度有直接的影响。
2）采用误差校正装置来提高传动精度。 3）提高传动链中各元件，尤其是末端元件的加工和
装配精度，以保证传动精度。
4）设法消除传动链中齿轮间的间隙，以提高传动精 度。
（3）刀、夹具制造误差 1）刀具的误差 刀具的制造误差对加工精度的影响，根据刀具种类
不同而异。当采用定尺寸刀具如钻头、铰刀、拉 刀、键槽铣刀等加工时，刀具的尺寸精度将直接 影响到工件的尺寸精度；当采用成形刀具如成形 车刀、成形铣刀等加工时，刀具的形状精度将直 接影响工件的形状精度；当采用一般刀具如车刀 、镗刀、铣刀等的制造误差对零件的加工精度并 无直接影响，但其磨损对加工精度、表面粗糙度 有直接的影响。
4）合理装夹工件，减少夹紧变形 当工件本身薄弱、 刚性差时，夹紧时应特别注意选择适当的夹紧方 法，尤其是在加工薄壁零件时，为了减少加工误 差，应使夹紧力均匀分布。缩短切削力作用点和 支承点的距离，提高工件刚度。
5）对相关部件预加载荷 例如，机床主轴部件在装 配时通过预紧主轴后端面的螺母给主轴滚动轴承 以预加载荷，这样不仅能消除轴承的配合间隙， 而且在加工开始阶段就使主轴与轴承有较大的实 际接触面积，从而提高了配合面间的接触刚度。
3)展成法 又称为范成法，它是依据零件曲面的成 形原理、通过刀具和工件的展成切削运动进行加工 的方法。展成法所得的被加工表面是刀刃和工件在 展成运动过程中所形成的包络面，刀刃必须是被加 工表面的共轭曲线。所获得的精度取决于刀刃的形 状和展成运动的精度。滚齿、插齿等均为展成法。 （3）获得位置精度的方法
1、工艺系统的几何误差
包括加工方法的原理误差、机床的几何误差、刀夹 具制造误差和调整误差等。
（1）原理误差
加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的 刀刃轮廓进行加工而产生的误差。
如：1、滚齿，由于滚刀的刀刃数有限，加工出来的齿轮齿
形是有限个刀刃切成的折线；另，由于滚刀制造困难， 采用阿基米德基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆，由此产生 的加工误差，则属于原理误差。
但过度时，脆性会增大，表面易剥落。 ③ 残余应力对耐磨性的影响 表面为压应力时，耐磨性高。
（2）对零件疲劳强度的影响
表面缺陷会引起应力集中，降低疲劳强度。若
表面存在一定的冷作硬化或残余压应力，疲劳强度 将会提高。
（3）对零件配合精度的影响 表面比较粗糙时，轮廓峰在工作中被逐渐磨掉， 零件尺寸发生变化，进而影响到配合性质。 一般来说，表面粗糙度应与加工精度相适应。
工件的位置精度取决于工件的安装（定位和夹 紧）方式及其精度。
1) 找正安装法 找正是用工具和仪表根据工件上有 关基准，找出工件有关几何要素相对于机床的正确 位置的过程。 2）夹具安装法 夹具是用以安装工件和引导刀具的 装置。在机床上安装好夹具，工件放在夹具中定位， 能使工件迅速获得正确位置，并使其固定在夹具和 机床上。因此，工件定位方便，定位精度高且稳定， 装夹效率也高。 3）机床控制法 利用机床本身所设置的保证相对位 置精度的机构保证工件位置精度的安装方法。如坐 标镗床、数控机床等。
成形法铣齿，由于铣刀分
八个刀号，每一个刀号 在相应组内齿数最少的 可获得精确地齿形，其 它齿数只能获得近似的 齿形。因此，铣齿产生 的加工误差也属于原理 误差。
（2）机床误差
机床几何误差包括机床本身各部件的制造误差、安装误差和 使用过程中的磨损引起的误差。这里着重分析对加工影响 较大的主轴回转误差、机床导轨误差以及传动链误差。
二、获得加工精度的方法 (1)获得尺寸精度的方法 1）试切法 通过试切─测量─调整─再试切，反复
进行到被加工尺寸达到要求的精度为止的加工方法。 试切法不需要复杂的装备，加工精度取决于工人的 技术水平和量具的精度，常用于单件小批生产。 2）调整法 按零件规定的尺寸预先调整机床、夹具、 刀具和工件的相互位置，并在加工一批零件的过程 中保持这个位置不变，以保证零件加工尺寸精度的 加工方法。调整法生产效率高，对调整工的要求高， 对操作工的要求不高，常用于成批及大量生产。
2）提高工件定位基面的精度和表面质量 工件的定位 基面如存在较大的尺寸、形位误差和表面质量差， 在承受切削力和夹紧力时可能产生较大的接触变形， 因此精密零件加工用的基准面需要随着工艺过程的 进行逐步提高精度。
3）设置辅助支承，提高工件刚度，减小受力变形 切 削力引起的加工误差往往是因为工件本身刚度不足 或工件各个部位刚度不均匀而产生的。当工件材料 和直径一定时，工件长度和切削分力是影响变形的 决定性因素。为了减少工件的受力变形，常采用中 心架或跟刀架，以提高工件的刚度，减小受力变形。
工艺系统受力变形是加工中一项很重要的原始误差 ，它严重的影响工件的加工精度。工艺系统的受 力变形通常是弹性变形，一般来说，工艺系统抵 抗弹性变形的能力越强，加工精度越高。工艺系 统抵抗外力使其变形的能力称为工艺系统的刚度 。工艺系统的刚度用切削力和在该力方向上所引 起的刀具和工件间相对变形位移的比值表示的。 由于切削力有三个分力，在切削加工中对加工精 度影响最大的是刀刃沿加工表面的法线方向（Y 方向上）的分力，因此计算工艺系统刚度时，通
⑴ 机床主轴误差
机床工作时，由于主轴部件在制造、装配过程中，存在各种 误差，使得主轴回转轴线的空间位置在每一瞬间都处于变 动状态，而产生回转误差。机床主轴是用来安装工件或刀 具并将运动和动力传递给工件或刀具的重要零件，它是工 件或刀具的位置基准和运动基准，它的回转精度是机床精 度的主要指标之一，其误差直接影响着工件精度的高低。
二、表面质量 包括：表面层的几何特征与表层物理力学性能 （1）表面层的几何特征 1）表面粗糙度 指加工表面的微观几何形状误差。 2）表面波纹度 介于宏观的形状误差与微观的表面粗糙度之间的周 期性形状误差。一般由工艺系统振动引起。
（2）表面层材料的物理、力学性能 1）冷作硬化 表面层因塑性变形引起的加工硬化。 2）残余应力 表面层因力或热的作用产生的塑性变形和金相组织 变化引起的内应力。 3）金相组织变化 表面层切削热的作用引起的金相组织变化
2）夹具的误差 夹具的制造误差与磨损包括三个方面： 1）定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等的
制造误差； 2）夹具装配后，定位元件、刀具导向元件、分度机构
等元件工作表面间的相对尺寸误差； 3）夹具在使用过程中定位元件、刀具导向元件工作表
面的磨损。
这些误差将直接影响到工件加工表面的位置精度或尺寸 精度。一般来说，夹具误差对加工表面的位置误差 影响最大，在设计夹具时，凡影响工件精度的尺寸 应严格控制其制造误差，一般可取工件上相应尺寸 或位置公差的1∕2~1∕5作为夹具元件的公差。
第二节 机械加工精度
一、影响机械加工精度的因素
在机械加工过程中，机床、夹具、刀具和工件组成 了一个完整的系统，称为工艺系统。工件的加工 精度问题也就涉及到整个工艺系统的精度问题。 工艺系统中各个环节所存在的误差,在不同的条件 下,以不同的程度和方式反映为工件的加工误差, 它是产生加工误差的根源，因此工艺系统的误差 被称为原始误差。