第7章-機(jī)械加工質(zhì)量及其控制

7.1

機(jī)械加工精度及其影響因素

7.2

加工誤差綜合分析

7.3

機(jī)械加工表面質(zhì)量及其影響因素

7.4

機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)

加工精度是指零件加工后的實(shí)際幾何參數(shù)（尺寸、形狀和相對(duì)位置）與理想幾何參數(shù)的符合程度。加工過(guò)程中有很多因素影響加工精度，實(shí)際加工中不可能做得與理想零件完全一致。零件加工后的實(shí)際幾何參數(shù)（尺寸、形狀和相互位置）對(duì)理想幾何參數(shù)的偏離量稱為加工誤差。7．1機(jī)械加工精度及其影響因素7.1.1機(jī)械加工精度1．加工精度與加工誤差2．加工經(jīng)濟(jì)精度圖7-2加工誤差與加工成本之間的關(guān)系對(duì)于同一種加工方法，加工誤差δ和加工成本S有圖7-2所示的關(guān)系。加工精度越高，成本越高。加工經(jīng)濟(jì)精度是指在正常生產(chǎn)條件下（采取符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備、工藝裝備和標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的工人，不延長(zhǎng)加工時(shí)間）所能保證的加工精度。

機(jī)械加工系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱工藝系統(tǒng)）由機(jī)床、夾具、刀具和工件組成。影響加工精度的原始誤差主要包括以下幾個(gè)方面：①工藝系統(tǒng)的幾何誤差，包括機(jī)床、夾具和刀具等的制造誤差及其磨損。②工件安裝誤差。③工藝系統(tǒng)受力變形引起的加工誤差。④工藝系統(tǒng)受熱變形引起的加工誤差。⑤工件內(nèi)應(yīng)力重新分布引起的變形。⑥其他誤差，包括原理誤差、測(cè)量誤差、調(diào)整誤差等。7.1.2影響機(jī)械加工精度的因素1．工藝系統(tǒng)的幾何誤差（1）機(jī)床的幾何誤差①主軸回轉(zhuǎn)誤差（a)徑向圓跳動(dòng)

（b)軸向圓跳動(dòng)（c)角度擺動(dòng)圖7-3主軸回轉(zhuǎn)誤差的三種基本樣式機(jī)床主軸是用來(lái)裝夾工件（或刀具），并將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳給工件（或刀具）的重要零件，主軸回轉(zhuǎn)誤差將直接影響被加工工件的形狀精度和位置精度。主軸回轉(zhuǎn)誤差是指主軸實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線相對(duì)其平均回轉(zhuǎn)軸線在誤差敏感方向上的最大變動(dòng)量。為便于分析，可將主軸回轉(zhuǎn)誤差分解為徑向圓跳動(dòng)、軸向圓跳動(dòng)和角度擺動(dòng)三種不同形式的誤差。②導(dǎo)軌誤差圖7-4導(dǎo)軌水平面內(nèi)的直線度誤差對(duì)加工精度的影響導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差對(duì)加工精度的影響圖7-5導(dǎo)軌垂直平面內(nèi)的直線度誤差對(duì)加工精度的影響

II導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度誤差對(duì)加工精度的影響:導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)有直線度誤差時(shí)，也會(huì)使車刀在水平面內(nèi)發(fā)生位移（圖7-5），使工件徑產(chǎn)生誤差。。設(shè)=0.1mm，R=20mm,則=0.00025mm。與值相比，屬微小量，由此可知，導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度誤差對(duì)加工精度影響很小，一般可忽略不計(jì)，故稱Z方向?yàn)檎`差不敏感方向（一般為加工表面的切向）。III導(dǎo)軌間的平行度誤差對(duì)加工精度的影響：當(dāng)前后導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)有平行度誤差(扭曲誤差)時(shí)，刀架將產(chǎn)生擺動(dòng)，刀架沿床身導(dǎo)軌作縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條空間曲線，使加工表面產(chǎn)生圓柱度誤差。導(dǎo)軌間在垂直方向有平行度誤差時(shí)（圖7-6），將使刀具在誤差敏感方向產(chǎn)生的偏移量，使工件半徑產(chǎn)生=的誤差，對(duì)加工精度影響較大。除了導(dǎo)軌本身的制造誤差之外，導(dǎo)軌磨損是造成機(jī)床精度下降的主要原因。選用合理的導(dǎo)軌形狀和導(dǎo)軌組合形式，采用耐磨合金鑄鐵導(dǎo)軌、鑲鋼導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌以及對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行表面淬火處理等措施均可提高導(dǎo)軌的耐磨性。

圖7-6導(dǎo)軌間的平行線誤差對(duì)加工精度的影響③傳動(dòng)誤差傳動(dòng)誤差是指?jìng)鲃?dòng)鏈?zhǔn)寄﹥啥藗鲃?dòng)元件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的誤差。一般用傳動(dòng)鏈末端元件的轉(zhuǎn)角誤差來(lái)衡量。有些加工方法(如車螺紋、滾齒、插齒等)，要求刀具與工件之間必須具有嚴(yán)格的傳動(dòng)比關(guān)系，機(jī)床傳動(dòng)誤差是影響這類表面加工精度的主要原因之一。提高傳動(dòng)元件特別末端傳動(dòng)元件是的制造精度和裝配精度，減少傳動(dòng)件數(shù)，均可減小傳動(dòng)誤差。（2）刀具的制造誤差與磨損刀具誤差對(duì)加工精度的影響隨刀具種類的不同而不同。采用定尺寸刀具（例如鉆頭、鉸刀、鍵槽銑刀、圓拉刀等）加工時(shí)，刀具的尺寸誤差和磨損將直接影響工件的尺寸精度。采用成形刀具（例如成形車刀、成形銑刀、成形砂輪等）加工時(shí)，刀具的形狀誤差和磨損將直接影響工件的形狀精度。對(duì)于一般刀具（例如車刀、鏜刀、銑刀等）而言，其制造誤差對(duì)工件加工精度無(wú)直接影響。（3）夾具的制造誤差與磨損圖7-7夾具幾何誤差分析示例夾具的誤差主要是指定位元件、對(duì)刀導(dǎo)向元件等的制造誤差、裝配后各元件工作面間的相對(duì)尺寸誤差及夾具使用過(guò)程中工作表面的磨損。在圖7-7所示鉆床夾具中，影響工件孔軸心線a與底面B間尺寸L和平行度的因素有：鉆套軸心線f與夾具定位元件支承平面c間的距離和平行度誤差；夾具定位元件支承平面c與夾具體底面d的垂直度誤差；鉆套孔的直徑誤差等。2.工藝系統(tǒng)受力變形引起的加工誤差（1）工藝系統(tǒng)剛度①工藝系統(tǒng)剛度含義工件加工表面在切削力法向分力

作用下，刀具相對(duì)于工件在該方向會(huì)產(chǎn)生位移y，這將會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生直接影響。工件切削表面的法向分力對(duì)工藝系統(tǒng)在該方向上的變形y的比值，稱為工藝系統(tǒng)剛度(N/mm),即(7-1)工藝系統(tǒng)在某一位置受力作用產(chǎn)生的變形量應(yīng)為工藝系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)在此位置受該力作用產(chǎn)生的變形量的代數(shù)和，即根據(jù)剛度定義可得(7-2)

(7-3)由式(7-3)知，工藝系統(tǒng)剛度的倒數(shù)等于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)剛度的倒數(shù)之和。若已知各組成環(huán)節(jié)的剛度，即可由式(7-3)求得工藝系統(tǒng)剛度。分析式(7-3)知，工藝系統(tǒng)剛度主要取決于薄弱環(huán)節(jié)的剛度。②機(jī)床剛度圖7-8車床部件靜剛度的測(cè)定1-心軸2、3、7-千分表4-測(cè)力環(huán)5-加力器6-刀架測(cè)得機(jī)床部件剛度k主軸、k尾座、k刀架之后，就可以通過(guò)計(jì)算求得機(jī)床剛度。當(dāng)?shù)都芴幱趫D7-8所示位置時(shí)，工藝系統(tǒng)的變形量由剛度定義，上式可寫(xiě)為由式(7-3)知k系≈k機(jī)床，代入上式即可求得刀架處于圖7-8所示中間位置時(shí)機(jī)床剛度與各組成部件的剛度的關(guān)系式為③機(jī)床部件剛度圖7-9車床刀架部件的剛度曲線圖7-9是一臺(tái)車床刀架部件的實(shí)測(cè)度曲線圖，曲線列出了三次加載、卸載過(guò)程中刀架部件的變形情況。分析圖7-9所示刀架剛度試驗(yàn)曲線可知，機(jī)床部件剛度具有以下特點(diǎn)：I變形與載荷不成線性關(guān)系，曲線上各點(diǎn)的實(shí)際剛度（各點(diǎn)斜率）是不相同的，這說(shuō)明機(jī)床部件的變形不純粹是彈性變形。II加載曲線和卸載曲線不重合，且卸載曲線滯后于加載曲線；兩曲線所包容的面積代表加載和卸載循環(huán)中消耗的能量，它消耗于克服部件內(nèi)零件間摩擦力和接觸塑性變形所做的功。

IV部件實(shí)測(cè)剛度遠(yuǎn)比按實(shí)體結(jié)構(gòu)估算值小。圖7-9中第一次加載時(shí)刀架的平均剛度值約為4.6×103N/mm，這只相當(dāng)于一個(gè)截面積為30mm×30mm、懸伸長(zhǎng)度為200mm的鑄鐵懸梁臂的剛度，而刀架的實(shí)體結(jié)構(gòu)尺寸要比此尺寸大得多。III第一次卸載后，刀架恢復(fù)不到第一次加載的起點(diǎn)，這說(shuō)明有殘余變形存在；經(jīng)多次加載和卸載后，加載曲線起點(diǎn)才和卸載曲線終點(diǎn)重合。④影響機(jī)床部件剛度的主要因素圖7-10摩擦力對(duì)機(jī)床部件剛度的影響圖7-11機(jī)床部件剛度的薄弱環(huán)節(jié)圖7-12間隙對(duì)機(jī)床部件剛度的影響I連接表面間的接觸變形II摩擦力的影響III薄弱零件本身的變形IV間隙的影響（2）工藝系統(tǒng)受力變形對(duì)加工精度的影響①加工過(guò)程中由于工藝系統(tǒng)剛度發(fā)生變化引起的加工誤差設(shè)作用在主軸箱和尾座上的徑向力分別為F主軸、F尾座，不難求得代入上式得圖7-13車削外圓時(shí)工藝系統(tǒng)受力變形(7-4)在圖7-13所示車削條件下，在車刀自右向左進(jìn)給進(jìn)行車削過(guò)程中，由于工藝系統(tǒng)剛度隨刀架位置變化產(chǎn)生的加工誤差為工藝系統(tǒng)最小變形y系min和最大變形y系max分別為(7-5)

【例7-1】已知臥式車床的k主軸=300000N/mm，k尾座=56600N/mm，k刀架=30000N/mm，徑向切削分力Fy=4000N。假設(shè)工件剛度、刀具剛度、夾具剛度相對(duì)較大，試計(jì)算加工一長(zhǎng)為l的光軸由于工藝系統(tǒng)剛度隨刀架位置發(fā)生變化而引起的圓柱度誤差。解由式(7-5)可求得由于工藝系統(tǒng)剛度變化引起的工件圓柱度誤差根據(jù)工藝系統(tǒng)剛度定義，式(7-4)可改寫(xiě)為(7-6)

需要注意的是，式(7-6)是在假設(shè)工件剛度、刀具剛度和夾具剛度都很大的情況下得到的。如果工件的剛度并不大或較小時(shí)，工件本身的變形在工藝系統(tǒng)的總變形中就不能忽略不計(jì)，此時(shí)，式(7-6）應(yīng)改寫(xiě)為式中

E—工件材料的彈性模量（N/mm2）；I—工件截面的慣性矩（mm4）。②由切削力變動(dòng)引起的加工誤差由于毛坯加工余量和工件材質(zhì)不均等因素的綜合作用，會(huì)引起切削力變化，工藝系統(tǒng)的變形將隨之發(fā)生變化，從而產(chǎn)生加工誤差。待加工表面上有什么樣的誤差，加工表面上必然也出現(xiàn)同樣性質(zhì)的誤差，這就是切削加工中的誤差復(fù)映現(xiàn)象。加工前后誤差之比值稱為誤差復(fù)映系數(shù)，它代表誤差復(fù)映的程度。圖7-14所示加工前后的形狀誤差比為

(7-8)圖7-14毛坯形狀誤差的復(fù)映

經(jīng)分析可知，與成反比，這表明工藝系統(tǒng)剛度越大，誤差復(fù)映系數(shù)越小，加工后復(fù)映到工件上的誤差值也就越小。尺寸誤差和形位誤差都存在復(fù)映現(xiàn)象。如果我們知道某加工工序的復(fù)映系數(shù)，就可以通過(guò)測(cè)量待加工表面的誤差統(tǒng)計(jì)值來(lái)估算加工后工件的誤差統(tǒng)計(jì)值。工件表面加工精度要求較高時(shí)，應(yīng)安排多次切削才能達(dá)到規(guī)定要求。第一次切削的復(fù)映系數(shù)=△加工表面1/△待加工表面，第二次切削的復(fù)映系數(shù)=△加工表面2/△待加工表面1，，第三次切削的復(fù)映系數(shù)=△加工表面3/△待加工表面2，……，則該加工表面總的復(fù)映系數(shù)由于每次切削的復(fù)映系數(shù)＜1，故總復(fù)映系數(shù)將是一個(gè)很小的數(shù)值。(7-9)（3）減小工藝系統(tǒng)受力變形的途徑

由工藝系統(tǒng)剛度表達(dá)式(7-1)可知，提高工藝系統(tǒng)剛度和減小切削力及其變化，是減少工藝系統(tǒng)變形的有效途徑。①提高工藝系統(tǒng)剛度

為有效提高工藝系統(tǒng)剛度，應(yīng)從提高其各組成部分薄弱環(huán)節(jié)的剛度入手。提高工藝系統(tǒng)剛度有以下幾種主要途徑I設(shè)計(jì)機(jī)械制造裝備時(shí)應(yīng)切實(shí)保證關(guān)鍵零部件的剛度II提高接觸剛度III消除配合間隙V采用合理的裝夾方式和加工方法（a)（b)圖7-15零件的兩種安裝方法②減小切削力及其變化

改善毛坯制造工藝，減小加工余量，適當(dāng)增大刀具的前角和后角，改善工件材料的切削性能等均可減小切削力。為控制和減小切削力的變化幅度，應(yīng)盡量使一批工件的材料性能和加工余量保持均勻。4．工藝系統(tǒng)受熱變形引起的加工誤差工藝系統(tǒng)在熱作用下產(chǎn)生的局部變形，會(huì)破壞刀具與工件的正確位置關(guān)系，使工件產(chǎn)生加工誤差。熱變形對(duì)加工精度影響較大，特別是在精密加工和大件加工中，熱變形所引起的加工誤差通常會(huì)占到工件加工總誤差的40％~70％。（1）工藝系統(tǒng)的熱源①切削熱②摩擦熱和動(dòng)力裝置能量損耗發(fā)出的熱③外部熱源（2）工藝系統(tǒng)熱變形對(duì)加工精度的影響①工件熱變形對(duì)加工精度的影響車削或磨削軸類工件外圓時(shí)，可近似看成是均勻受熱的情況。工件均勻受熱影響工件的尺寸精度，其變形量△L(mm)可按下式估算式中—工件變形方向的長(zhǎng)度(或直徑)(mm)；—工件材料的熱膨脹系數(shù)(1/℃)，鋼的熱膨脹系數(shù)為1.17×10-5/℃，鑄鐵為1×10-5/℃，黃銅為1.7×10-5/℃；—工件的平均溫升(℃)；(7-10)

對(duì)于精密加工，熱變形是一個(gè)不容忽視的重要問(wèn)題。例如在磨削400mm長(zhǎng)絲杠螺紋時(shí)，如被磨絲杠的溫度比機(jī)床母絲高1℃，則被磨絲杠將伸長(zhǎng)=1.17×10-5×400×1=0.0047mm；5級(jí)絲杠的螺距累積誤差在400mm長(zhǎng)度上，不允許超過(guò)5μm。由此可見(jiàn)，熱變形對(duì)精密加工件的影響是很大的。②刀具熱變形對(duì)加工精度的影響圖7-16為車刀的熱變化曲線，刀具熱變形量在切削初期增加很快；隨著車刀溫度升高，散熱量逐漸加大，車刀熱伸長(zhǎng)逐漸變慢；當(dāng)車刀溫度達(dá)到熱平衡時(shí)車刀便不再伸長(zhǎng)。圖7-16車刀的熱變形曲線③機(jī)床熱變形對(duì)加工精度的影響使機(jī)床產(chǎn)生熱變形的熱源主要是摩擦熱、傳動(dòng)熱和外界熱源傳入熱量。由于機(jī)床內(nèi)部熱源分布的不均勻和機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，機(jī)床各部件的溫升是各不相同的，機(jī)床零部件間會(huì)產(chǎn)生不均勻的變形，這就破壞了機(jī)床各部件原有的相互位置關(guān)系。不同類型的機(jī)床，其主要熱源各不相同，熱變形對(duì)加工精度的影響也不相同。車床、銑床和鉆、鏜類機(jī)床的主要熱源來(lái)自主軸箱。車床主軸箱的溫升將使主軸升高，由于主軸前軸承的發(fā)熱量大于后軸承的發(fā)熱量，故主軸前端比后端高；主軸箱的熱量傳給床身，還會(huì)使床身和導(dǎo)軌向上凸起，如圖7-17所示。磨床通常都有液壓傳動(dòng)裝置和高速回轉(zhuǎn)的磨頭，并使用大量切削液，它們都是磨床的主要熱源。圖7-18中，外圓磨床砂輪架5升溫，將使砂輪主軸升高，砂輪架還將以螺母6為支點(diǎn)向頭架方向趨近；床身1內(nèi)腔所儲(chǔ)液壓油發(fā)熱，將使頭架3軸線升高，并以導(dǎo)軌2為支點(diǎn)向遠(yuǎn)離砂輪4的方向移動(dòng)。圖7-17車床的熱變形示意圖圖7-18外圓磨床的熱變形示意圖1-床身2-導(dǎo)軌3-頭架4-砂輪5-砂輪架6-螺母（3）減小工藝系統(tǒng)熱變形的途徑①減少發(fā)熱量②改善散熱條件③均衡溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)機(jī)床有關(guān)部件時(shí)，應(yīng)注意考慮均衡溫度場(chǎng)的問(wèn)題。圖7-19為某平面磨床所采用的均衡溫度場(chǎng)措施的示意圖。該機(jī)床床身較長(zhǎng)，加工時(shí)工作臺(tái)縱向進(jìn)給速度較高，床身導(dǎo)軌的溫度高于底部，為了均衡溫度場(chǎng)，在床身底部配置熱補(bǔ)償油溝2，使帶有余熱的回油經(jīng)床身底部的熱補(bǔ)償油溝送回油箱1。采取此措施后，床身上下溫差降至1~2℃，床身導(dǎo)軌的中凸量由原來(lái)的0.027mm降至0.005mm。圖中泵A為靜壓導(dǎo)軌液壓泵；泵B為回油強(qiáng)迫循環(huán)液壓泵。④采用合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)⑤加速達(dá)到熱平衡狀態(tài)⑥控制環(huán)境溫度圖7-19平面磨床床身底部用回油加溫1-油箱2-油溝5．工件內(nèi)應(yīng)力重新分布引起的誤差（1）內(nèi)應(yīng)力及其對(duì)加工精度的影響內(nèi)應(yīng)力亦稱殘余應(yīng)力，是指在沒(méi)有外力作用下或去除外力作用后殘留在工件內(nèi)部的應(yīng)力。以下以熱加工及冷校直為例，分析內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因及其對(duì)加工精度的影響。①熱加工中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力及其影響在鑄造、鍛壓、焊接和熱處理等加工中，由于工件壁厚不均、冷卻不均勻或金相組織轉(zhuǎn)變等原因，都會(huì)使工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。下面以鑄造如圖7-20a所示的內(nèi)外壁厚差異較大的鑄件說(shuō)明。（b)圖7-20鑄件內(nèi)應(yīng)力的形成及變形（a)②冷校直產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力及其影響一些剛度較差容易變形的軸類零件，常采用冷校直方法使之變直。在室溫狀態(tài)下，將有彎曲變形的軸放在兩個(gè)V形塊上，使凸起部位朝上（如圖7-21a所示）；然后對(duì)凸起部位施加外力F，外力F必須使工件產(chǎn)生反向彎曲并使軸件外層材料產(chǎn)生一定的塑性變形才能取得校直效果，如圖7-21b所示。圖7-21d是圖7-21b受外力作用時(shí)的應(yīng)力分布圖，圖中工件外層材料（CD、AB區(qū)）的應(yīng)力分別超過(guò)了各自的拉、壓屈服強(qiáng)度并有塑性變形產(chǎn)生，塑性變形后，塑性變形層的應(yīng)力自然就消失了；內(nèi)層材料（OC、OB區(qū)）的拉壓應(yīng)力均在彈性極限范圍內(nèi)，此時(shí)工件橫截面內(nèi)的應(yīng)力分布如圖7-21e所示。卸載后，OC、OB區(qū)域內(nèi)的彈性應(yīng)力力求使工件恢復(fù)原狀，但CD、AB區(qū)塑性變形層阻止其恢復(fù)原狀，于是就在工件中產(chǎn)生了如圖7-21f所示的內(nèi)應(yīng)力分布。綜上分析可知，一個(gè)外形彎曲但沒(méi)有內(nèi)應(yīng)力的工件，經(jīng)冷校直后外形是校直了（圖7-21c），但在工件內(nèi)部卻產(chǎn)生了附加內(nèi)應(yīng)力，如圖7-21f所示。（a)（b)（c)

（d)（e)（f)圖7-21冷校直引起的內(nèi)應(yīng)力（2）減小或消除內(nèi)應(yīng)力變形誤差的途徑①合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量做到壁厚均勻，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，以減小內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。②合理安排工藝過(guò)程工件中如有內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，必然會(huì)有變形發(fā)生，但遲變不如早變，應(yīng)盡量使內(nèi)應(yīng)力重新分布引起的變形發(fā)生在機(jī)械加工之前或粗加工階段，而不讓內(nèi)應(yīng)力變形發(fā)生在精加工階段或精加工之后。為此，鑄件、鍛件、焊接件在進(jìn)入機(jī)械加工之前，應(yīng)安排退火、回火等熱處理工序；箱體、床身等重要零件在粗加工之后，需要適當(dāng)安排時(shí)效工序；工件上一些重要表面的粗、精加工工序宜分階段安排，使工件在粗加工之后能有更多的時(shí)間通過(guò)變形使內(nèi)應(yīng)力重新分布，待工件充分變形之后再進(jìn)行精加工，以減小內(nèi)應(yīng)力變形對(duì)加工精度的影響。6．其他誤差（1）原理誤差原理誤差是指由于采用了近似的成形運(yùn)動(dòng)、近似的切削刃形狀等原因而產(chǎn)生的加工誤差。（2）調(diào)整誤差由于調(diào)整不準(zhǔn)確產(chǎn)生的誤差，稱為調(diào)整誤差。工藝系統(tǒng)的調(diào)整有試切法調(diào)整和調(diào)整法調(diào)整兩類基本方式，產(chǎn)生調(diào)整誤差的原因各不相同，分析如下：①試切法中的調(diào)整誤差②調(diào)整法中的調(diào)整誤差（3）測(cè)量誤差測(cè)量誤差是工件測(cè)量尺寸與實(shí)際尺寸的差值。產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因主要有：量具量?jī)x本身的制造誤差及磨損，測(cè)量過(guò)程中環(huán)境溫度的影響，測(cè)量者的讀數(shù)誤差，測(cè)量者施力不當(dāng)引起量具量?jī)x的變形等。7．提高加工精度的途徑（1）減小和消除原始誤差（2）轉(zhuǎn)移原始誤差采取措:將原始誤差的方向由誤差敏感方向轉(zhuǎn)移到非敏感方向，從而減小或消除其對(duì)加工精度的影響。例如，選用轉(zhuǎn)塔車床車削工件外圓時(shí)（圖7-22a）如果將轉(zhuǎn)塔刀架的水平安裝形式改為圖7-22b所示垂直安裝形式（3）均分原始誤差（4）采用誤差補(bǔ)償技術(shù):誤差補(bǔ)償技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用十分廣泛。圖7-23是車精密絲杠時(shí)所用的一套螺距誤差補(bǔ)償裝置。圖7-22立軸轉(zhuǎn)塔車床刀架轉(zhuǎn)位誤差的轉(zhuǎn)移圖7-23精密絲杠螺距誤差補(bǔ)償裝置7．2加工誤差綜合分析7.2.1概述在實(shí)際生產(chǎn)中，影響加工精度的因素很多，工件的加工誤差是多因素綜合作用的結(jié)果，且其中不少因素的作用往往帶有隨機(jī)性。對(duì)于一個(gè)受多個(gè)隨機(jī)因素綜合作用的工藝系統(tǒng)，只有用概率統(tǒng)計(jì)的方法分析加工誤差，才能得到符合實(shí)際的結(jié)果。加工誤差的統(tǒng)計(jì)分析方法，不僅可以客觀評(píng)定工藝過(guò)程的加工精度，評(píng)定工序能力系數(shù)，而且還可以用來(lái)預(yù)測(cè)和控制加工精度。1.系統(tǒng)性誤差和隨機(jī)誤差（1）系統(tǒng)性誤差系統(tǒng)性誤差可分為常值性系統(tǒng)誤差和變值性系統(tǒng)誤差兩種。（2）隨機(jī)性誤差在順序加工一批工件時(shí)，加工誤差的大小和方向都是隨機(jī)變化的，這類誤差稱為隨機(jī)性誤差。2．機(jī)械制造中常見(jiàn)的誤差分布規(guī)律（1）正態(tài)分布（圖7-24a)機(jī)械加工中，若同時(shí)滿足以下三個(gè)條件，工件的加工誤差就將服從正態(tài)分布。①無(wú)變值性系統(tǒng)誤差（或有但不顯著）。②各隨機(jī)誤差之間是相互獨(dú)立的。③在隨機(jī)誤差中沒(méi)有一個(gè)是起主導(dǎo)作用的誤差因素。（2）平頂分布（圖7-24b）在影響機(jī)械加工的諸多誤差因素中，如果刀具尺寸磨損的影響顯著，變值性系統(tǒng)誤差占主導(dǎo)地位時(shí)，工件的尺寸誤差就將呈現(xiàn)平頂分布。（3）雙峰分布（圖7-24c)若將兩臺(tái)機(jī)床所加工的同一種工件混在一起，由于兩臺(tái)機(jī)床的調(diào)整尺寸不盡相同，兩臺(tái)機(jī)床的精度狀態(tài)也有差異，工件的尺寸誤差便呈雙峰分布。（4）偏態(tài)分布（圖7-24d)采用試切法車切削工件外圓或鏜內(nèi)孔時(shí)，為避免產(chǎn)生不可修復(fù)的廢品，操作者主觀上有使軸徑加工得寧大勿小、使孔徑加工得寧小勿大的意向，按照這種加工方式加工得到的一批零件的加工誤差呈偏態(tài)分布。

（a)正態(tài)分布（b)平頂分布

（c)雙峰分布（d)偏態(tài)分布圖7-24機(jī)械制造中常見(jiàn)的誤差分析分布規(guī)律3．正態(tài)分布（1）正態(tài)分布規(guī)律機(jī)械加工中，工件的尺寸誤差是由很多相互獨(dú)立的隨機(jī)性誤差綜合作用的結(jié)果，如果其中沒(méi)有一個(gè)隨機(jī)性誤差是起決定作用，則加工后工件的尺寸將呈正態(tài)分布，如圖7-25所示，其概率密度式中——算術(shù)平均值；——均方根偏差（標(biāo)準(zhǔn)差）式中——工件尺寸；n——工件總數(shù)。(7-11)(7-12)(7-13)圖7-25正態(tài)分布曲線

圖7-26是根據(jù)式(7-11)畫(huà)出的工件加工尺寸概率密度分布曲線，值取決于機(jī)床調(diào)整尺寸和常值性系統(tǒng)誤差，只影響曲線的位置，不影響曲線的形狀；σ值取決于隨機(jī)性誤差和變值性系統(tǒng)誤差，σ只影響曲線的形狀，不影響曲線的位置；σ越小，尺寸分布范圍就越小，加工精度就越高。圖7-26形象的描述了正態(tài)分布的兩個(gè)特征參數(shù)與σ對(duì)正態(tài)分布曲線的不同影響。（2）標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布=0、σ=1的正態(tài)分布稱為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，其概率密度

為了利用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)值表來(lái)分析加工過(guò)程，生產(chǎn)中常將非標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化變量代換，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。令z=(x-)/σ，式(7-11)可改寫(xiě)為式(7-15)就是非標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度函數(shù)的的轉(zhuǎn)換關(guān)系式。圖7-27給出了非標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度函數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度函數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(7-14)（3）工件尺寸落在某一尺寸區(qū)間內(nèi)的概率工件加工尺寸落在區(qū)間(x1≤≤x2)內(nèi)的概率為圖7-28所示陰影部分的面積F(x)，即令z=(x-)/σ，則dx=σdz，代入上式得(7-16)圖7-27正態(tài)分布曲線的標(biāo)準(zhǔn)化圖7-28工件尺寸概率分布上述分析表明，非標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度函數(shù)的積分經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化變換后，可用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度函數(shù)積分表示。表7-1列出了標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布概率密度函數(shù)積分值。由表7-1知：當(dāng)z=(x-)/σ=±1時(shí)，2φ(1)=2×0.3413=68.26%；當(dāng)z=(x-)/σ=±2時(shí)，2φ(2)=2×0.4772=95.44%；當(dāng)z=(x-)/σ=±3時(shí)，2φ(3)=2×0.49865=99.73%；計(jì)算結(jié)果表明，工件尺寸落在(±3σ)范圍內(nèi)的概率為99.73%，而落在該范圍以外的概率只占0.27%，概率極小，可以認(rèn)為正態(tài)分布的分散范圍為(=±3σ)，這就是工程上經(jīng)常用到的“±3σ原則”或稱為“6σ原則”。表7-1略

【例7-2】在臥式鏜床上鏜削一批箱體零件的內(nèi)孔，孔徑尺寸要求為?700+0.2mm，已知孔徑正態(tài)分布，=70.08mm，σ=0.04mm，試計(jì)算這批加工件的合格品率和不合格品率。解作圖7-29，作標(biāo)準(zhǔn)化變換，令z右=(xmax-)/σ=(70.2-70.08)/0.04=3z左=(-xmin)/σ=(70.08-70.00)/0.04=2查表7-1得，φ(3)=0.49865，φ(2)=0.4772。右側(cè)合格品率H右=φ(3)=49.865%；右側(cè)不合格品率P右=0.5-0.49865=0.00135=0.135%，這些不合格品不可修復(fù)。左側(cè)合格品率H左=φ(2)=47.72%；左側(cè)不合格品率P左=0.5-0.4722=0.0228=2.28%，這些不合格品可修復(fù)。總合格品率H=49.865%+47.72%=97.585%。總不合格品率B=0.135%+2.28%=2.415%。圖7-29廢品率計(jì)算圖

從圖7-29中可以看出，工件要求的公差帶中心應(yīng)為?70.10mm，但實(shí)際平均值為=70.08mm，故加工中存在常值系統(tǒng)誤差=70.08-70.10=-0.02mm。加工前鏜刀尺寸調(diào)整偏小0.01mm會(huì)導(dǎo)致該系統(tǒng)誤差，若精確調(diào)整可降低系統(tǒng)誤差。7.2.2加工誤差的統(tǒng)計(jì)分析——工藝過(guò)程的分布圖分析方法1．工藝過(guò)程的穩(wěn)定性工藝過(guò)程的穩(wěn)定性是指工藝過(guò)程在時(shí)間歷程上保持工件均值和標(biāo)準(zhǔn)差σ值穩(wěn)定的性能。如果工藝過(guò)程中工件加工尺寸的瞬時(shí)分布中心（或工件尺寸均值）和標(biāo)準(zhǔn)差σ基本保持不變或變化不大，就認(rèn)為工藝過(guò)程是穩(wěn)定的：如果加工過(guò)程中工件加工尺寸的瞬時(shí)分布中心（或工件尺寸均值）和標(biāo)準(zhǔn)差σ有顯著變化，就認(rèn)為工藝過(guò)程是不穩(wěn)定的。2．工藝過(guò)程分布圖分析方法通過(guò)工藝過(guò)程分布圖分析，可以確定工藝系統(tǒng)的加工能力系數(shù)、機(jī)床調(diào)整精度系數(shù)和加工工件的合格率，并能分析產(chǎn)生廢品的原因。下面以銷軸加工為例，介紹工藝過(guò)程分布圖分析的步驟及內(nèi)容。（1）畫(huà)工件尺寸實(shí)際分布圖①采集樣本②剔除異常數(shù)據(jù)如果出現(xiàn)的情況，就被認(rèn)為是異常數(shù)據(jù)。式中是均值，σ為總體的標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)樣本數(shù)n較小時(shí)，可用它的無(wú)偏估計(jì)量s替代③確定尺寸分組數(shù)和組距為了能較好地反映工件尺寸分布特征，尺寸分組數(shù)k應(yīng)根據(jù)樣本容量n的多少適當(dāng)選擇，參見(jiàn)表7-3。（略）由n=48，查表7-3，得k=7，取組距④畫(huà)出工件尺寸實(shí)際分布圖（2）工藝過(guò)程分析①判斷加工誤差性質(zhì)在圖7-30所示工件尺寸頻數(shù)分布圖中，比公差帶中心尺寸小0.0001mm，這表明機(jī)床加工過(guò)程存在常值性系統(tǒng)誤差，可能是由于刀具位置稍稍調(diào)得靠近機(jī)床主軸中心了。圖7-30頻數(shù)分布圖②確定工序能力系數(shù)和工序能力工序能力系數(shù)按下式計(jì)算③確定機(jī)床調(diào)整精度系數(shù)機(jī)床調(diào)整精度系數(shù)E按下式計(jì)算式中——分布曲線中心與公差帶中心的偏移量。本例中=0.0001mm/0.18mm=0.00056。欲使工藝過(guò)程不出或少出不合格品，尺寸分布中心相對(duì)于公差帶中心的偏移量ε應(yīng)盡量小，其允許值本例中尺寸分布中心允許的最大偏移量

(7-18)(7-19)(7-20)④確定合格品率及不合格品率由圖7-30所列數(shù)據(jù)求標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布變量得：z右=(xmax-)/σ=(8.08-7.9999)/0.0309=2.592；z左=(-xmin)/σ=(7.9999-7.92)/0.0309=2.585。查表7-1知：φ(2.592)=0.49518，φ(2.585)=0.49508，由此求得本例加工的合格品率H=0.49518+0.49508=99.02%；不合格品率B=1-H=1-99.02%=0.98%。本工序常值系統(tǒng)性誤差ε=0.0001mm，其值很小，產(chǎn)生廢品的主要原因是工藝系統(tǒng)內(nèi)的隨機(jī)性誤差超量，如機(jī)床精度低、毛坯尺寸、材質(zhì)、硬度均勻性誤差等，使加工尺寸分散范圍超過(guò)了規(guī)定的公差帶范圍。計(jì)算結(jié)果表明，床調(diào)整精度符合要求。7.2.3加工誤差的統(tǒng)計(jì)分析——工藝過(guò)程的點(diǎn)圖分析方法1．點(diǎn)圖的基本形式點(diǎn)圖分析法所采用的樣本是順序小樣本，即每隔一定時(shí)間抽取樣本容量n=5~10的小樣本，并計(jì)算小樣本的算術(shù)平均值和極差R式中xmax、xmin——樣本中個(gè)體的最大值與最小值(7-21)2．-R圖上、下控制線的確定確定-R圖上、下控制線，首先需要知道樣本均值和樣本差R的分布規(guī)律。樣本均值的分散范圍為（）。數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)已經(jīng)證明，樣本極差R也近似服從正態(tài)分布，即有樣本極差R的分散范圍為（）式中為σ估計(jì)值，d為系數(shù)，其值參見(jiàn)表7-6。數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)已經(jīng)政明，σ的估計(jì)值式中an為系數(shù)其值參見(jiàn)表7-6；q為抽取的樣本組數(shù)。式中系數(shù)A2的取值參見(jiàn)表7-6。R點(diǎn)圖上、下控制線可按下式求取ndanA240.8800.4860.7350.8640.4300.5860.8480.3950.48表7-6系數(shù)d、an、A2值(7-23)(7-22)(7-24)(7-25)【例7-3】磨削發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)挺桿軸頸外圓，直徑尺寸要求為mm，試為該工件加工制訂-R點(diǎn)圖。解在磨削發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)挺桿軸頸外圓加工中，按加工順序每隔一定時(shí)間抽取一個(gè)樣本，樣本容量為5，共抽取q=20個(gè)樣本，每個(gè)樣本的、R值列于表7-7中。計(jì)算樣本均值計(jì)算樣本極差的均值

表7-7樣本的和R值數(shù)據(jù)表單位：mm）序號(hào)R序號(hào)R序號(hào)R序號(hào)R124.97650.006624.97950.0081124.98250.0091624.97950.008224.97750.008724.98250.0081224.98050.0091724.98100.009324.97950.008824.98050.0051324.98450.0061824.98500.005424.97850.007924.97850.0071424.98200.0051924.98450.005524.97900.0051024.98150.0071524.98350.0082024.98250.007

圖上的上、下控制限分別為R圖上的上、下控制限分別為

由于極差R值不可能出現(xiàn)負(fù)值，此處取下控制限LCL=0。按上述計(jì)算結(jié)果做-R點(diǎn)圖，如圖7-31所示。圖7-31-R點(diǎn)圖3．工藝過(guò)程的點(diǎn)圖分析順序加工一批工件，獲得尺寸總是參差不齊的，點(diǎn)圖上的點(diǎn)子總是有波動(dòng)的。若只有隨機(jī)波動(dòng)，表明工藝過(guò)程是穩(wěn)定的，屬于正常波動(dòng)；若出現(xiàn)異常波動(dòng)，表明工藝過(guò)程不穩(wěn)定的，就要及時(shí)尋找原因，采取措施。表7-8是根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)原理確定的正常波動(dòng)與異常波動(dòng)的標(biāo)志。將表7-7所列-R數(shù)值按順序逐點(diǎn)標(biāo)在圖7-31中。按表7-8所給出的正常波動(dòng)與異常波動(dòng)的標(biāo)志，分析圖7-31所示磨削氣門(mén)挺桿外圓過(guò)程-R點(diǎn)圖可知，磨削過(guò)程尚處于穩(wěn)定狀態(tài)，但點(diǎn)圖上有連續(xù)六點(diǎn)出現(xiàn)在中線的上方一側(cè)，且隨后又有一點(diǎn)接近的上控制線，需密切注意工藝過(guò)程發(fā)展方向。表7-8正常波動(dòng)與異常波動(dòng)的標(biāo)志正常波動(dòng)異常波動(dòng)1）沒(méi)有點(diǎn)子超出控制線1）有點(diǎn)子超出控制線2）大部分點(diǎn)子在中線上下波動(dòng)，小部分在控制線附近2）點(diǎn)子密集在控制線附近3）點(diǎn)子沒(méi)有明顯的規(guī)律性3）點(diǎn)子密集在中線上下附近4）連續(xù)7點(diǎn)以上出現(xiàn)在中線一側(cè)

5）連續(xù)11點(diǎn)中有10點(diǎn)出現(xiàn)在中線一側(cè)

6）連續(xù)14點(diǎn)中有12點(diǎn)以上出現(xiàn)在中線一側(cè)

7）連續(xù)17點(diǎn)中有14點(diǎn)以上出現(xiàn)在中線一側(cè)

8）連續(xù)20點(diǎn)中有16點(diǎn)以上出現(xiàn)在中線一側(cè)

9）點(diǎn)子有上升或下降傾向

10）點(diǎn)子有周期性波動(dòng)7．3機(jī)械加工表面質(zhì)量及其影響因素7.3.1加工表面質(zhì)量的概念加工表面的幾何形貌是由加工過(guò)程中的切削殘留面積、切削塑性變形和振動(dòng)等因素的綜合作用在工件表面上形成的表面結(jié)構(gòu)，圖7-32所示為加工表面三維形貌圖。加工表面的幾何形貌（表面結(jié)構(gòu)）包括表面粗糙度、表面波紋度，表面紋理方向和表面缺陷等四個(gè)方面內(nèi)容，分述如下：（1）表面粗糙度表面粗糙度是加工表面上波長(zhǎng)L和波高H的比值L/H<50的微觀幾何輪廓（參見(jiàn)圖7-33）。（2）表面波紋度加工表面上波長(zhǎng)L與波高H的比值L/H=50~1000的幾何輪廓稱為表面波紋度，它是由機(jī)械加工中的振動(dòng)引起的。加工表面上波長(zhǎng)L與波高H的比值L/H>1000的幾何輪廓稱為宏觀幾何輪廓，它屬于加工精度范疇，不在本節(jié)討論之列。（3）表面紋理方向表面紋理方向是指加工表面刀痕紋理的方向，它取決于表面形成過(guò)程中所采用的加工方法。（4）表面缺陷加工表面上出現(xiàn)的砂眼、氣孔、裂痕等缺陷。1．加工表面的幾何形貌圖7-32加工表面三維形貌圖圖7-33表面粗糙度、波紋度與宏觀幾何形狀誤差2．表面層材料的物理力學(xué)性能表面層材料的物理力學(xué)性能，包括表面層的冷作硬化、殘余應(yīng)力和金相組織的變化。（1）表面層的冷作硬化機(jī)械加工過(guò)程中表面層金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長(zhǎng)，這些都會(huì)使表面層金屬的硬度增加，塑性減小，統(tǒng)稱為冷作硬化。（2）表面層殘余應(yīng)力機(jī)械加工過(guò)程中由于切削變形和切削熱等因素的作用在工件表面層材料中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，稱為表面層殘余應(yīng)力。（3）表面層金相組織變化機(jī)械加工過(guò)程中，在工件的加工區(qū)域，溫度會(huì)急劇升高，當(dāng)溫度升高到超過(guò)工件材料金相組織變化的臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生金相組織變化。7.3.2機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)機(jī)器使用性能的影響1．表面質(zhì)量對(duì)耐磨性的影響（1）表面粗糙度對(duì)耐磨性的影響（2）表面冷作硬化對(duì)耐磨性的影響（3）表面紋理對(duì)耐磨性的影響圖7-34表面粗糙度與初期磨損量的關(guān)系2．表面質(zhì)量對(duì)工件疲勞強(qiáng)度的影響表面粗糙度對(duì)零件的疲勞強(qiáng)度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)疲勞裂紋，加速疲勞破壞。零件上容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的溝槽、圓角等處的表面粗糙度，對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響更大。減小零件的表面粗糙度，可以提高零件的疲勞強(qiáng)度。零件表面存在一定的冷作硬化，可以阻礙表面疲勞裂紋的產(chǎn)生，緩和已有裂紋的擴(kuò)展，有利于提高疲勞強(qiáng)度；但冷作硬化強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生較大的脆性裂紋反而降低疲勞強(qiáng)度。加工表面層如有一層殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生，可以提高疲勞強(qiáng)度。3．表面質(zhì)量對(duì)抗腐蝕性能的影響大氣中所含的氣體和液體與零件接觸時(shí)會(huì)凝聚在零件表面上使表面腐蝕。零件表面粗糙度越大，加工表面與氣體、液體的接觸面積越大，腐蝕作用就越強(qiáng)烈。加工表面的冷作硬化和殘余應(yīng)力，是表層材料處于高能位狀態(tài)，有促進(jìn)腐蝕的作用。減小表面粗糙度，控制表面的加工硬化和殘余應(yīng)力，可以提高零件的抗腐蝕性能。4．表面質(zhì)量對(duì)零件配合性質(zhì)的影響對(duì)于間隙配合，零件表面越粗糙，磨損越大，使配合間隙增大，將降低配合精度；對(duì)于過(guò)盈配合，兩零件粗糙表面相配時(shí)凸峰被擠平，使有效過(guò)盈量減小，將降低過(guò)盈配合的連接強(qiáng)度。7.3.3加工表面的表面粗糙度

切削加工的表面粗糙度值主要取決于切削殘留面積的高度。對(duì)于刀尖圓弧半徑=0的刀具，工件表面殘留面積的高度（參見(jiàn)圖7-35a）

(7-26)式中—進(jìn)給量(mm/r)；—主偏角(≠90°)；—副偏角(≠90°)。對(duì)于刀尖圓弧半徑≠0的刀具，工件表面殘留面積的高度（參見(jiàn)圖7-35b）而將它代入上式，略去二次微小量，經(jīng)整理得

(7-27)分析式(7-26)、式(7-27)可知，減小、、及增大，均可減小殘留面積的高度值。

（a)（b)圖7-35車削時(shí)工件表面的殘留面積

切削加工表面粗糙度的實(shí)際輪廓形狀，一般都與純幾何因素形成的理論輪廓有較大的差別，這是由于切削加工中有塑性變形發(fā)生的緣故，切削過(guò)程中的塑性變形對(duì)加工表面粗度有很大影響。加工塑性材料時(shí)，切削速度對(duì)加工表面粗糙度的影響如圖7-36所示，在圖示某一切削速度范圍內(nèi)，容易生成積屑瘤，使表面粗糙度增大。加工脆性材料時(shí)，切削速度對(duì)表面粗糙度的影響不大。加工相同材料的工件，晶粒越粗大，切削加工后的表面粗糙度值越大。為減小切削加工后的表面粗糙度值，常在加工前或精加工前對(duì)工件進(jìn)行正火、調(diào)質(zhì)等熱處理，目的在于得到均勻細(xì)密的晶粒組織，并適當(dāng)提高材料的硬度。

圖7-36切削速度對(duì)表面粗糙度的影響適當(dāng)增大刀具的前角，可以降低被切削材料的塑性變形；降低刀具前刀面和后刀面的表面粗糙度可以抑制積屑瘤的生成；增大刀具后角，可以減少刀具和工件的摩擦；合理選擇切削液，可以減少材料的變形和摩擦，降低切削區(qū)的溫度；采取上述各項(xiàng)措施均有利于減小加工表面的表面粗糙度值。磨削加工表面粗糙度的形成也與幾何因素和表層材料的塑性變形有關(guān)。表面粗糙度的高度和形狀是由起主要作用的某一類因素或某一個(gè)別因素決定的。例如，當(dāng)所選取的磨削用量不至于在加工表面上產(chǎn)生顯著的熱現(xiàn)象和塑性變形時(shí)，幾何因素就可能占優(yōu)勢(shì)，對(duì)表面粗糙度高度起決定性影響的可能是砂輪的粒度和砂輪的修正用量；與此相反，磨削區(qū)的塑性變形非常顯著時(shí)，砂輪粒度等幾何因素就不起主要作用，磨削用量可能是影響磨削表面粗糙度的主要因素。7.3.4加工表面層的物理力學(xué)性能1．表面層材料的冷作硬化（1）冷作硬化及評(píng)定參數(shù)冷作硬化用表層金屬的顯微硬度HV、硬化層深度h和硬化程度N等三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定，N=[(HV-HV0)/HV0]×100%，式中HV0為工件內(nèi)部金屬的顯微硬度。（2）影響冷作硬化的因素①刀具的影響②切削用量的影響③加工材料的影響2．表面層材料金相組織變化加工表面溫度超過(guò)相變溫度時(shí)，表層金屬的金相組織將會(huì)發(fā)生相變。切削加工時(shí)，切削熱大部分被切屑帶走，因此影響較小，多數(shù)情況下，表層金屬的金相組織沒(méi)有質(zhì)的變化。磨削加工時(shí)，切除單位體積材料所需消耗的能量遠(yuǎn)大于切削加工，磨削加工所消耗的能量絕大部分要轉(zhuǎn)化為熱，磨削熱傳給工件，一旦加工表面溫度超過(guò)了相變溫度，表層金屬的金相組織就將發(fā)生變化。圖7-37是一個(gè)內(nèi)冷卻裝置，經(jīng)過(guò)過(guò)濾的切削液通過(guò)中空主軸法蘭套引入砂輪的中心腔3內(nèi)，由于離心力的作用，切削液通過(guò)砂輪內(nèi)部的孔隙甩出，直接進(jìn)入磨削區(qū)進(jìn)行冷卻，解決了外部澆注切削液進(jìn)不到切削區(qū)的難題。圖7-37內(nèi)冷卻裝置1-錐形蓋2-通道孔3-砂輪中心腔4-帶孔的薄膜壁套3．表面層殘余應(yīng)力（1）加工表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因①表面材料比體積增大切削過(guò)程中加工表面受到刀具的擠壓與摩擦，產(chǎn)生塑性變形，由于晶粒碎化等原因，表面材料比體積增大。由于塑性形變只在表面層產(chǎn)生，表面層金屬比體積增大，體積膨脹，不可避免地要受到與它相連的里層基體的阻礙，故表層材料產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，里層材料則產(chǎn)生與之相平衡的殘余拉應(yīng)力。②切削熱的影響切削加工中，切削區(qū)會(huì)有大量的切削熱產(chǎn)生，工件表面的溫度往往很高。例如，在磨削外圓時(shí)，表層金屬的平均溫度高達(dá)300~400℃，瞬時(shí)磨削溫度可達(dá)800~1200℃。圖7-38a為工件表面層溫度分布示意圖，tp點(diǎn)相當(dāng)于金屬具有高塑性的溫度，溫度高于tp時(shí)表層金屬不會(huì)有殘余應(yīng)力產(chǎn)生；tn為室溫，tm為熔化溫度。切削時(shí)，表面金屬1的溫度超過(guò)tp，處于完全塑性狀態(tài)；金屬層2溫度在tn與tp之間，這層金屬受熱作用要膨脹，金屬層1因處于完全塑性狀態(tài)，所以它對(duì)金屬層2受熱膨脹不起阻止作用，但金屬層2的膨脹要受到處于室溫狀態(tài)的里層金屬3的阻止，因此，金屬層2產(chǎn)生瞬時(shí)壓縮應(yīng)力，而金屬層3則產(chǎn)生瞬時(shí)拉伸應(yīng)力，如圖7-38b所示。切削過(guò)程結(jié)束之后，在金屬層1冷卻到低于tp時(shí)，金屬層1冷卻要收縮，但下面的金屬層2阻礙它收縮，因此就在金屬層1內(nèi)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，而在金屬層2內(nèi)的壓縮應(yīng)力還要進(jìn)一步加大，金屬層3拉伸應(yīng)力有所減小。表層金屬繼續(xù)冷卻，金屬層1繼續(xù)收縮，它受到里層金屬的阻礙，金屬層1的拉伸應(yīng)力繼續(xù)增大，而金屬層2的壓縮應(yīng)力擴(kuò)展到金屬層2和金屬層3內(nèi)，如圖7-38c所示。(a)(b)圖7-38表面層金屬產(chǎn)生拉伸應(yīng)力分析圖

③金相組織的變化切削時(shí)的高溫會(huì)使表面層的金屬金相組織發(fā)生變化。不同的金相組織有不同的密度(ρ馬氏體=7.75g/cm3，ρ奧氏體=7.96g/cm3，ρ鐵素體=7.88g/cm3，ρ珠光體=7.78g/cm3)，即具有不同的比體積。表面層金屬金相組織變化引起的體積變化，必然受到與之相連的基體金屬的阻礙，因此就有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。當(dāng)表面層金屬體積膨脹時(shí)，表層金屬產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，里層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力；當(dāng)表面層金屬體積縮小時(shí)，表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層金屬產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。例如，磨削淬火鋼時(shí)，表面層產(chǎn)生回火燒傷，其金相組織由馬氏體轉(zhuǎn)化為索氏體或托式體，表面金屬密度由7.75g/cm3增至7.78g/cm3，比體積減小，表面層將產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層將產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。（2）零件主要工作表面最終加工工序加工方法的選擇工件加工最終工序加工方法的選擇至關(guān)重要，因?yàn)樽罱K工序在被加工工件表面上留下的殘余應(yīng)力將直接影響機(jī)器零件的使用性能。工件加工最終工序的加工方法的選擇與機(jī)器零件的失效形式密切相關(guān)。機(jī)器零件失效主要有疲勞破壞、滑動(dòng)磨、損滾動(dòng)磨損三種不同形式，對(duì)此應(yīng)采取不同的最終工序加工方法：①疲勞破壞②滑動(dòng)磨損③滾動(dòng)磨損滾動(dòng)摩擦工作應(yīng)力分布如圖7-39b所示（a）滑動(dòng)摩擦（b）滾動(dòng)摩擦圖7-39應(yīng)力分布圖7．4機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)，是一種十分有害的現(xiàn)象，這是因?yàn)椋孩俚毒呦鄬?duì)于工件振動(dòng)會(huì)使加工表面產(chǎn)生波紋，這將嚴(yán)重影響零件的使用性能。②刀具相對(duì)于工件振動(dòng)，切削截面、切削角度等將隨之發(fā)生周期性變化，工藝系統(tǒng)將承受動(dòng)態(tài)載荷的作用，刀具易于磨損（有時(shí)甚至崩刃），機(jī)床的連接特性會(huì)受到破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至使切削加工無(wú)法進(jìn)行。③為了避免發(fā)生振動(dòng)或減小振動(dòng)，有時(shí)不得不降低切削用量，致使機(jī)床、刀具的工作性能得不到充分發(fā)揮，限制了生產(chǎn)效率的提高。綜上分析可知，機(jī)械加工中的振動(dòng)對(duì)于加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率都有很大的影響，須采取措施控制振動(dòng)。7.4.1機(jī)械加工過(guò)程中的強(qiáng)迫振動(dòng)機(jī)械加工過(guò)程中的強(qiáng)迫振動(dòng)是指在外界周期性干擾力的持續(xù)作用下，振動(dòng)系統(tǒng)受迫產(chǎn)生的振動(dòng)。機(jī)械加工過(guò)程中的強(qiáng)迫振動(dòng)與一般機(jī)械振動(dòng)中的強(qiáng)迫振動(dòng)沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。機(jī)械加工過(guò)程中強(qiáng)迫振動(dòng)的振動(dòng)頻率與干擾力的頻率相同或是它的整數(shù)倍；當(dāng)干擾力的頻率接近或等于工藝系統(tǒng)某一薄弱環(huán)節(jié)固有頻率時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生共振。強(qiáng)迫振動(dòng)的振源有來(lái)自機(jī)床內(nèi)部的機(jī)內(nèi)振源和來(lái)自機(jī)床外部的機(jī)外振源。機(jī)外振源甚多，但它們都是通過(guò)地基傳給機(jī)床的，可以通過(guò)加設(shè)隔振地基來(lái)隔離外部振源，消除其影響。機(jī)內(nèi)振源主要有：機(jī)床上的帶輪、卡盤(pán)或砂輪等高速回轉(zhuǎn)零件因旋轉(zhuǎn)不平衡引起的振動(dòng)；機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)其缺陷引起的振動(dòng)；液壓傳動(dòng)系統(tǒng)脈動(dòng)引起的振動(dòng)；由于斷續(xù)切削引起的振動(dòng)等。如果確認(rèn)機(jī)械加工中發(fā)生的是強(qiáng)迫振動(dòng)，就要設(shè)法查找振源，以便消除振源或減小振源對(duì)加工過(guò)程的影響。7.4.2機(jī)械加工過(guò)程中的自激振動(dòng)（顫振）1．機(jī)械加工過(guò)程中的自激振動(dòng)與強(qiáng)迫振動(dòng)相比，自激振動(dòng)具有以下特征：①機(jī)械加工中的自激振動(dòng)是指在沒(méi)有周期性外力（相對(duì)于切削過(guò)程而言）干擾下產(chǎn)生的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。機(jī)床加工系統(tǒng)是一個(gè)由振動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng)，如圖7-40所示。激勵(lì)機(jī)床系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的交變力由切削過(guò)程產(chǎn)生，而切削過(guò)程同時(shí)又受到工藝系統(tǒng)的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的控制，機(jī)床振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)一旦停止，交變切削力便隨之消失。圖7-40自激振動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)②自激振動(dòng)的振動(dòng)頻率接近于系統(tǒng)某一薄弱振型的固有頻率。2．自激振動(dòng)的激振原理對(duì)于自激振動(dòng)的激振原理，許多學(xué)者曾提出多種學(xué)說(shuō)，比較公認(rèn)的有再生原理和振型耦合原理。①再生原理圖7-41較為形象的地展示了再生型顫振的產(chǎn)生過(guò)程。在刀具進(jìn)行切削的過(guò)程中，若受到一個(gè)瞬時(shí)的偶然擾動(dòng)力Fd的作用（圖7-41a），刀具與工件便會(huì)產(chǎn)生相對(duì)振動(dòng)（此振動(dòng)屬自由振動(dòng)），振動(dòng)的幅值將因系統(tǒng)存在阻尼而逐漸衰減。該振動(dòng)會(huì)在加工表面上留下一段振紋，如圖7-41b所示。工件轉(zhuǎn)過(guò)一周后，刀具便會(huì)在留有振紋的表面上進(jìn)行切削（參見(jiàn)圖7-41c），切削厚度時(shí)大時(shí)小，這就有動(dòng)態(tài)切削力產(chǎn)生。如果機(jī)床加工系統(tǒng)滿足產(chǎn)生自激振動(dòng)的條件，振動(dòng)便會(huì)進(jìn)一步發(fā)展到圖7-41d所示的持續(xù)的振動(dòng)狀態(tài)。我們將這種由于切削厚度變化效應(yīng)（簡(jiǎn)稱再生效應(yīng)）而引起的自激振動(dòng)稱為再生型切削顫振。切削過(guò)程一般都是部分地或完全地在有振紋（波紋）的表面上進(jìn)行的，車削、銑削、刨削、鉆削、磨削等均不例外，由振紋再生效應(yīng)引發(fā)的再生型切削顫振是機(jī)床切削振動(dòng)的主要形態(tài)。

（a)（b)

（c)（d)圖7-41再生型顫動(dòng)的產(chǎn)生過(guò)程產(chǎn)生再生顫振的條件，可由圖7-42所示再生效應(yīng)推導(dǎo)求得，本轉(zhuǎn)（次）切削的振紋與前轉(zhuǎn)（次）切削的振紋一般都不會(huì)完全同步，它們?cè)谙辔簧嫌幸粋€(gè)差值φ。設(shè)本轉(zhuǎn)（次）切削的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)為則上轉(zhuǎn)（次）切削的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)為式中T——工件轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的時(shí)間；ω——振動(dòng)角頻率；An——本轉(zhuǎn)（次）切削的振動(dòng)幅值；An-1——上轉(zhuǎn)（次）切削的振動(dòng)幅值。瞬時(shí)切削速度(t)及切削力F(t)可分別寫(xiě)為

(7-28)

(7-29)式中b——切削層公稱寬度(mm)；kc——單位切削寬度上的切削剛度(N/mm2)；a0——切削層公稱厚度(mm)。在振動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)，切削力對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)給所作的功