第9章---工件装夹与制造质量分析.pdf

第九章工件装夹与制造质量分析制造工艺I本章提纲9.1 夹具概述9.2 夹具的定位与夹紧9.3 定位误差分析9.4 机械加工质量及其控制9.5 机械加工表面质量1、工件的定位方法（1 1）直接）直接找找正正把工件直接放在机床工作台上或放在四爪单动卡盘、机用虎钳把工件直接放在机床工作台上或放在四爪单动卡盘、机用虎钳等机床附件中，根据等机床附件中，根据工件的一个或几个表面工件的一个或几个表面用用划针或百分表找划针或百分表找正工件准确位置后再进行夹紧正工件准确位置后再进行夹紧。在磨床上磨削与外圆表面有同在磨床上磨削与外圆表面有同轴度要求的内孔，加工前将工件轴度要求的内孔，加工前将工件装在四爪单动卡盘上用百分表装在四爪单动卡盘上，用百分表直接找正外圆表面直接找正外圆表面。在牛头刨床上加工同工件底在牛头刨床上加工同工件底面及侧面有平行度要求的槽，用面及侧面有平行度要求的槽，用百分表找正工件的右侧面百分表找正工件的右侧面。9.1 机床夹具概述（2 2）用夹具装夹工件）用夹具装夹工件工件工件装在夹具上，不再进行找正，便能直接得到装在夹具上，不再进行找正，便能直接得到准确加工位置的装夹方式。准确加工位置的装夹方式。在机床主轴装夹非轴类零件，利用花盘弯板使加工孔轴心与主轴轴心自动重合1、工件的定位方法9.1 机床夹具概述2、夹具的定义9.1 机床夹具概述 机床夹具通过使工件在机床上相对刀具占有正确位置的过程 克服切削过程中工件受外力的作用保持工件准确位置的过程。定位和夹紧两个过程的综合称为装夹,完成工件装夹的工艺装备称为机床夹具。定位定位和夹和夹紧紧-保证保证加工精度加工精度用夹具装夹工件时，工件相对刀具、机床的位置由用夹具装夹工件时，工件相对刀具、机床的位置由夹具保证，因而精度高，稳定可靠。夹具保证，因而精度高，稳定可靠。减少辅助减少辅助时间时间-提高提高生产率生产率采用夹具后，能使工件迅速地定位和夹紧采用夹具后，能使工件迅速地定位和夹紧设计专用设计专用夹具夹具-扩大扩大机床使用范围机床使用范围在车床的溜板上或在摇臂钻床工作台上装上镗模就在车床的溜板上或在摇臂钻床工作台上装上镗模就可以进行箱体的镗孔加工。可以进行箱体的镗孔加工。减轻减轻劳动强度劳动强度-保证保证生产安全生产安全采用气动、液压等夹紧装置时，减轻了工人的劳动采用气动、液压等夹紧装置时，减轻了工人的劳动强度，保证了安全生产。强度，保证了安全生产。9.1 机床夹具概述2、夹具的定义3、夹具的基本组成1-定位键2-支承板3-齿纹顶支承钉 4-平头支承钉5-对刀块6-夹具底座7-夹具底板8-螺旋压板9-夹紧螺母10-对刀塞尺9.1 机床夹具概述铣槽夹具在立式铣床上的工作原理图1铣床床身2铣床升降台3立铣刀4铣槽夹具5夹具的定位键6铣床工作台7铣床溜板支撑板支撑板2 2的支撑工作面与夹具底板的支撑工作面与夹具底板7 7保持平行；保持平行；底板底板7 7与工作台接触；与工作台接触；A A面与支撑板面与支撑板2 2的工作面接触；的工作面接触；保证了铣出的槽与保证了铣出的槽与A A面平行；面平行；支撑钉支撑钉3 3的支撑工作面与两定位键的支撑工作面与两定位键1 1侧面平行；侧面平行；两个定位键两个定位键1 1与铣床的与铣床的T T型槽相配合型槽相配合，即定位键，即定位键1 1与与铣床的纵向进给方铣床的纵向进给方向平行；向平行；B B面与支撑定面与支撑定3 3的工作面接触；的工作面接触；保证了铣出的槽侧面与保证了铣出的槽侧面与B B面平行；面平行；保证了位置精度保证了位置精度-平行度的要求平行度的要求9.1 机床夹具概述3、夹具的基本组成定位元件：定位元件：用于确定工件在夹具中的位置用于确定工件在夹具中的位置夹紧装置：夹紧装置：用于夹紧工件用于夹紧工件对刀、导引元件：对刀、导引元件：确定刀具相对夹具定位元件的位置确定刀具相对夹具定位元件的位置其它装置：其它装置：如分度元件等如分度元件等连接元件和连接表面：连接元件和连接表面：用于确定夹具本身在机床主轴用于确定夹具本身在机床主轴或工作台上的位置或工作台上的位置夹具体：夹具体：用于将夹具上的各种元件和装置连接成一个有机用于将夹具上的各种元件和装置连接成一个有机整体整体9.1 机床夹具概述3、夹具的基本组成分度板定位心轴夹紧螺母开口垫圈钻套棘轮棘爪夹具体连接表面定位元件夹紧装置导引元件分度装置9.1 机床夹具概述3、夹具的基本组成4、夹具的分类9.1 机床夹具概述通用夹具通用夹具通用性强，被广泛应用于单件小批量生产专用夹具专用夹具专为某一工序设计，结构紧凑、操作方便、生产效率高、加工精度容易保证，适用于定型产品的成批和大量生产。组合夹具组合夹具由一套预先制造好的标准元件和合件组装而成的专用夹具。通用可调通用可调夹具夹具不对应特定的加工对象，适用范围宽，通过适当的调整或更换夹具上的个别元件，即可用于加工形状、尺寸和加工工艺相似的多种工件。成组夹具成组夹具专为某一组零件的成组加工而设计，加工对象明确,针对性强。通过调整可适应多种工艺及加工形状、尺寸。4、夹具的分类9.1 机床夹具概述1、工件的六点定位原则六点定位原理XZY要确定其空间位置，就需要确定其空间位置，就需要限制其要限制其 6 6 个自由度个自由度将将 6 6 个支承抽象为个支承抽象为6 6个个“点”，“点”，6 6个点限制了个点限制了工件的工件的6 6 个自由度，这个自由度，这就是就是六点定位原理六点定位原理。任何一个物体在空间直任何一个物体在空间直角坐标系中都有角坐标系中都有 6 6 个个自自由度由度（3 3移动、移动、3 3旋转）旋转）9.2 夹具的定位与夹紧2、典型定位方式分析9.2 夹具的定位与夹紧工件的定位表面有各种形式，如平面、外圆、内孔等工件的定位表面有各种形式，如平面、外圆、内孔等。定位定位元件的设计应满足下列要求：元件的设计应满足下列要求：1 1）要有与工件相适应的精度。）要有与工件相适应的精度。2 2）要有足够的刚度，不允许受力后发生变形。）要有足够的刚度，不允许受力后发生变形。3 3）要有耐磨性，以便在使用中保持精度。一般多采用低碳）要有耐磨性，以便在使用中保持精度。一般多采用低碳钢渗碳淬火或中碳钢淬火，硬度为钢渗碳淬火或中碳钢淬火，硬度为5862HRC5862HRC。平头支承钉V型块定位销2、典型定位方式分析夹具的定位元件夹具的定位元件平平面面支支撑撑钉钉定位情况定位情况1 1个支撑钉个支撑钉2 2个支撑钉个支撑钉3 3个支撑钉个支撑钉图示图示限制的自由度限制的自由度平平面面支支撑撑板板定位情况定位情况1 1块条形支撑板块条形支撑板1 1块矩形支撑板块矩形支撑板2 2块条形支撑板块条形支撑板图示图示限制的自由度限制的自由度9.2 夹具的定位与夹紧完全定位完全定位:工件的六个自由度完全被限制的定位称为完全定位。工件的六个自由度完全被限制的定位称为完全定位。不完全定位不完全定位:按加工要求按加工要求,允许有一个或几个自由度不被限制的定位允许有一个或几个自由度不被限制的定位,称为不完全定位。称为不完全定位。在实际生产中在实际生产中,工件被限制的自由度数一般不少于三个。工件被限制的自由度数一般不少于三个。3、定位类型9.2 夹具的定位与夹紧过定位过定位:某自由度被两个或两个以上的约束重复限制，称为过定位。某自由度被两个或两个以上的约束重复限制，称为过定位。欠定位欠定位:需要限制的自由度没有完全被限制需要限制的自由度没有完全被限制,称为欠定位称为欠定位。在实际生产中在实际生产中,欠定位是绝对不能允许的欠定位是绝对不能允许的。过定位在特殊场合是允许的过定位在特殊场合是允许的，一般是为了提高刚度。，一般是为了提高刚度。3、定位类型9.2 夹具的定位与夹紧3、定位类型9.2 夹具的定位与夹紧采用一个平面和两个短圆柱销定位，则平面限制三个自由度，短圆柱销1限制两个自由度，短圆柱销2限制两个自由度。为解决这一过定位问题，可将两定位销之一在定位干涉方向上削边，做成菱形销，以避免干涉。4、夹紧装置的组成与基本要求9.2 夹具的定位与夹紧工件的夹紧是指工件定位以后（或同时），还需采用一定的装置把工件压紧、夹牢在定位原件上，是工件在加工过程中，不会由于切削力、重力或惯性力等的作用而发生位置变化，以保证加工质量和生产安全。基本组成：（1）动力装置（产生夹紧力）夹紧力的来源：一是人力，二是某种动力装置。常用的动力装置有：液压装置、气压装置、电磁装置、电动装置、气-液联动装置和真空装置等。（2）夹紧机构（传递夹紧力）要使动力装置所产生的力或人力正确地作用到工件上，需有适当的传递机构。在工件夹紧过程中起力的传递作用的机构，称为夹紧机构。4、夹紧装置的组成与基本要求9.2 夹具的定位与夹紧（1）夹紧过程中，夹紧装置不改变工件定位后占据的正确位置。（2）夹紧力的大小适当，一批工件的夹紧力要稳定不变。既要保证工件在整个加工过程中的位置稳定不变，振动小，又要使工件不产生过大的夹紧变形。夹紧力稳定可减小夹紧误差。（3）夹紧可靠，手动夹紧要保证自锁。（4）夹紧装置的复杂程度应与工件的生产纲领相适应。工件生产批量越大，允许设计越复杂、效率越高的夹紧装置。（5）工艺性好，使用性好。其结构应力求简单，便于制造和维修。夹紧装置的操作应当方便、安全、省力。基本要求夹紧力包括方向、作用点和大小三个因素夹紧力方向的确定夹紧力方向的确定原则原则1 1：夹紧力的方向应有利于夹紧力的方向应有利于工件的准确定位，而不工件的准确定位，而不能破坏定位，一般要求能破坏定位，一般要求主夹紧力应垂直于主要主夹紧力应垂直于主要定位基准面定位基准面5、夹紧力确定原则9.2 夹具的定位与夹紧夹紧力方向的确定夹紧力方向的确定原则原则2 2：夹紧力的方向应方便装夹和有利于减小夹紧力，最好与切削力夹紧力的方向应方便装夹和有利于减小夹紧力，最好与切削力、重力方向一致。、重力方向一致。5、夹紧力确定原则9.2 夹具的定位与夹紧夹紧力作用点的选择夹紧力作用点的选择原则原则1 1：夹紧力的作用点应能保持工件定位稳定，不引起夹紧力的作用点应能保持工件定位稳定，不引起工件发生位移或偏转。工件发生位移或偏转。5、夹紧力确定原则9.2 夹具的定位与夹紧原则原则2 2：夹紧力的作用点应有利于减小夹紧变形。夹紧力的作用点应有利于减小夹紧变形。夹紧力作用点的选择夹紧力作用点的选择5、夹紧力确定原则9.2 夹具的定位与夹紧原则原则3 3：夹紧力的作用点应尽夹紧力的作用点应尽量靠近工件加工表面，以提高量靠近工件加工表面，以提高定位稳定性和夹紧可靠性，减定位稳定性和夹紧可靠性，减少加工中的振动。少加工中的振动。夹紧力作用点的选择夹紧力作用点的选择5、夹紧力确定原则9.2 夹具的定位与夹紧原则：原则：夹紧力的大小必须适当。过小，工件在加工过程中发生夹紧力的大小必须适当。过小，工件在加工过程中发生移动，破坏定位；过大，使工件和夹具变形，影响加工质量。移动，破坏定位；过大，使工件和夹具变形，影响加工质量。夹紧力的大小夹紧力的大小5、夹紧力确定原则9.2 夹具的定位与夹紧估算夹紧力时，应找出对夹紧最不利的瞬时状态，略去次要因素，考虑主要因素在力系中的影响。通常将夹具和工件看成一个刚性系统，建立切削力、夹紧力W0、（大型工件）重力、（高速运动工件）惯性力、（高速旋转工件）离心力、支撑力以及摩擦力静力平衡条件，计算出理论夹紧力W0。则实际夹紧力W为W=KW0，式中：K为安全系数，与加工性质（粗、精加工）、切削特点（连续、断续切削）、夹紧力来源（手动、机动夹紧）、刀具情况有关。1、基准的概念基准是是用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的的那些点、线、面。根据基准的应用场合和作用，可分为设计基准和工艺基准。（1）设计基准设计基准是在零件图上，确定点、线、面位置的基准，设计基准是由该零件在产品结构中的功用所决定的。9.3 定位误差分析（2）工艺基准定位基准：在加工中使工件在机床夹具上占有正确位置所采用的基准。测量基准：在检验时所使用的基准。装配基准：装配时用来确定零件或部件在机器中位置所采用的基准。调刀基准：加工中用来调整加工刀具位置所采用的基准。9.3 定位误差分析1、基准的概念9.3 定位误差分析1、基准的概念设计基准和定位基准都是体现在工件上的，而调刀基准却是由夹具定位元件的定位工作面来体现的。确定基准时需注意以下几点：作为基准的点、线、面在工件上不一定存在如孔的中心线、外圆的轴线以及对称面等，而是常常由某些具体的表面来体现，这些面称为基准面例如：在车床上用三爪卡盘定位工件时，基准是工件的轴线，而实际使用的是外圆柱面选择定位基准就是选择恰当的基准面作为基准，可以是没有面积的点或线，但是基准面总是有一定面积的，如代表轴心线的是中心孔面基准的定义不仅涉及尺寸之间的联系，还涉及到位置精度（平行度、垂直度等）9.3 定位误差分析1、基准的概念六点定位原则解决了工件位置“定与不定”的矛盾；定位精度解决工件位置定得“准与不准”的矛盾。9.3 定位误差分析2、定位误差的分析与计算工件的定位误差等于工件的定位误差等于基准位置误差基准位置误差与与基准不重合基准不重合误差误差之和之和DW=JW+JB 定位误差仅是加工误差的一部分，在设计和制造夹具时一般限定定位误差不超过工件相应尺寸公差的1/5-1/3。9.3 定位误差分析2、定位误差的分析与计算（1）基准位置误差的分析计算JW=2HtanmindDmaxJWTT)TT(21dDJW2sin2TdJW外圆定位内孔定位平面定位9.3 定位误差分析2、定位误差的分析与计算（2）定位误差分析计算键槽长度尺寸的定位误差为：1l1JB1DWT对键槽底面的加工来说：1DJBhT21基准不重合误差：定位误差：1DmindDJBhJWhDWhT21TT尺寸精度形状精度位置精度表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面物理状态表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力机器质量零件质量加工精度表面质量材料1、制造质量的指标9.4 机械加工质量及其控制1、制造质量的指标加工精度：加工精度：指零件加工后的实际几何参数指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置尺寸、形状和位置)与理想几何参数的与理想几何参数的符合程度符合程度。加工误差：加工误差：指零件加工后的实际几何参数指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置尺寸、形状和位置)与理想几何参数的与理想几何参数的偏离程度偏离程度。关系：关系：同一问题两种不同的说法：加工精度在数值上通过加工同一问题两种不同的说法：加工精度在数值上通过加工误差的大小来表示，误差的大小来表示，加工精度加工精度越越高高，误差越小，反之加工精，误差越小，反之加工精度越低，误差就越大。度越低，误差就越大。加工经济精度：加工经济精度：在正常加工条件下所能保证的加工精度在正常加工条件下所能保证的加工精度9.4 机械加工质量及其控制1、2、试切法自动控制法获得尺寸精度定尺寸刀具法调整法轨迹法获得形状精度成形法展成法找正法划线法获得位置精度机床夹具3、2、获得加工精度的方法9.4 机械加工质量及其控制工艺系统：机床、夹具、刀具和工件工艺系统误差：“因”加工误差：“果3、影响加工精度的因素9.4 机械加工质量及其控制工艺系统的原始误差：1）加工前的误差：工艺系统的几何误差，有原理误差、机床误差、刀具制造误差、夹具误差、调整误差、定位误差等；2）加工过程中的误差：有工艺系统受力变形、受热变形引起的加工误差及刀具磨损等；3）加工后的误差：有工件内应力重新分布引起的变形以及测量误差等。原始原始误差：误差：工艺系统中直接引起加工误差的因素工艺系统中直接引起加工误差的因素。原理误差装夹误差调整误差加工前机床误差夹具误差刀具制造误差刀具磨损加工中 工艺系统受力变形工艺系统受热变形内应力引起的变形加工后测量误差工艺系统静误差工艺系统动误差与初始状态有关与工艺过程有关原始误差原始误差3、影响加工精度的因素9.4 机械加工质量及其控制3、影响加工精度的因素9.4 机械加工质量及其控制（1 1）加工原理）加工原理误差误差加工原理误差是由于采用了近似的加工运动或者近似的刀具轮廓而产生的。（2 2）工艺系统几何误差）工艺系统几何误差机床误差、刀具误差、装夹误差（3 3）工艺系统的受力）工艺系统的受力变形变形切削力、夹紧力、惯性力、机床部件和工件重量（4 4）工艺系统的热）工艺系统的热变形变形电气热、传动部分将发生摩擦热、切削热、环境传来的热（5 5）工件残余应力引起的误差工件残余应力引起的误差 机床机床误差误差机床误差机床误差是由机床的制造误差、安装误差和使用中是由机床的制造误差、安装误差和使用中的磨损引起的的磨损引起的.对加工精度影响较大的有对加工精度影响较大的有:导轨导轨误差误差 主轴主轴回转误差回转误差 传动链传动链误差误差3、影响加工精度的因素9.4 机械加工质量及其控制(2)(2)工艺工艺系统的几何误差系统的几何误差 导轨误差导轨误差机床导轨副是机床中确定各主要部件位置关系的机床导轨副是机床中确定各主要部件位置关系的基准，基准，是实现直线运动的主要部件是实现直线运动的主要部件。机床导轨的精度要求主要有以下三个方面：机床导轨的精度要求主要有以下三个方面：导轨导轨在水平面内的直线度误差在水平面内的直线度误差导轨导轨在垂直面内的直线度误差在垂直面内的直线度误差前后前后导轨导轨的平行度误差（的平行度误差（扭曲扭曲度）度）3、影响加工精度的因素9.4 机械加工质量及其控制(2)(2)工艺工艺系统的几何误差系统的几何误差导轨在水平面内的直线度误差 导轨误差导轨误差3、影响加工精度的因素9.4 机械加工质量及其控制(2)(2)工艺工艺系统的几何误差系统的几何误差导轨在垂直面内的直线度误差 导轨误差导轨误差3、影响加工精度的因素9.4 机械加工质量及其控制(2)(2)工艺工艺系统的几何误差系统的几何误差 导轨误差导轨误差3、影响加工精度的因素9.4 机械加工质量及其控制前后导轨的平行度误差(2)(2)工艺工艺系统的几何误差系统的几何误差 主轴回转误差主轴回转误差 机床机床主轴是决定工件主轴是决定工件(或刀具或刀具)位置的重要部件；位置的重要部件；主轴主轴回转误差回转误差直接影响被加工零件的形状、位置精度和直接影响被加工零件的形状、位置精度和表面粗糙度表面粗糙度。主轴主轴回转误差：回转误差：主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线（各瞬各瞬时回转轴线的平均位置时回转轴线的平均位置）的变动量。的变动量。即要求主轴回转时能保即要求主轴回转时能保持轴线的位置稳定持轴线的位置稳定不变。不变。主轴主轴回转误差主要包括：回转误差主要包括：轴向窜动、径向圆跳动、角度摆动轴向窜动、径向圆跳动、角度摆动3、影响加工精度的因素9.4 机械加工质量及其控制(2)(2)工艺工艺系统的几何误差系统的几何误差轴向窜轴向窜动动：影响车端面时工件端面的垂直度、平面度和工件的影响车端面时工件端面的垂直度、平面度和工件的轴向尺寸；影响车螺纹时的螺距。轴向尺寸；影响车螺纹时的螺距。径向圆跳动径向圆跳动：影响工件圆柱面的圆度和圆柱度。影响工件圆柱面的圆度和圆柱度。角度摆动角度摆动：影响工件圆柱面的圆柱度和端面的形状。影响工件圆柱面的圆柱度和端面的形状。主轴回转误差实际上是上述三种误差形式的合成。主轴回转误差实际上是上述三种误差形式的合成。主轴回转误差主轴回转误差3、影响加工精度的因素9.4 机械加工质量及其控制(2)(2)工艺工艺系统的几何误差系统的几何误差 机床传动链误差机床传动链误差传运链的传动误差传运链的传动误差:指内联系的传动链中首、末两端传动元指内联系的传动链中首、末两端传动元件之间相对运动的件之间相对运动的误差误差。传动链传动误差传动链传动误差,一般不影响圆柱面和平面的加工精度，一般不影响圆柱面和平面的加工精度，但在加工工件运动和刀具运动有严格内联系的表面但在加工工件运动和刀具运动有严格内联系的表面,如车削、如车削、磨削螺纹和滚齿、插齿、磨齿时磨削螺纹和滚齿、插齿、磨齿时,则是影响加工精度的重要则是影响加工精度的重要因因素素。3、影响加工精度的因素9.4 机械加工质量及其控制(2)(2)工艺工艺系统的几何误差系统的几何误差（5 5）内应力引起的变形内应力引起的变形残余应力：残余应力：外部载荷去除以后，仍残存在工件内部的应力。它是因为工件在冷、热加工中，金属内部相邻的宏观或微观组织发生了不均匀的体积变化而产生的。内应力的变化会使零件产生相应的变形，原有的加工精度受到破坏。用这些零件装配成机器，在机器使用中也会逐渐产生变形，从而影响整台机器的质量。因此，必须采取措施消除内应力对零件加工精度的影响。3、影响加工精度的因素9.4 机械加工质量及其控制3、影响加工精度的因素9.4 机械加工质量及其控制（5 5）内应力引起的变形内应力引起的变形毛还制造和热处理中产生的残余应力：具有残余应力的毛坯由于残余应力暂时处于相对平衡的状态，加工时切去一层金属后，就打破了这种平衡，残余应力将重新分布，工件就会产生明显的变形；冷校直产生的残余应力：一个外形弯曲但没有残余应力的工件，经冷校直后外形是校直了，但在工件内部却产生了附加的残余应力处于不稳定状态，工件如再次被加工，就将产生新的变形。切削加工中产生的残余应力：切削加工产生残余应力使工件加工后由于内应力重新分布而变形，从而破坏加工精度。4、提高加工精度的途径9.4 机械加工质量及其控制（1 1）消除与减小原始误差消除与减小原始误差加工误差是由诸多误差因素按一定的规律合成的，如果把原始误差消除或减小，使其原始误差在加工误差中不起作用，则会提高加工精度。（2 2）补偿或抵消原始误差补偿或抵消原始误差加工误差的大小不仅和原始误差的大小有关，而且与原始误差的方向有关。两个大小相等且方向相反的原始误差可以相互抵消而不产生加工误差。（3 3）转移原始误差转移原始误差转移原始误差实质是在一定条件下，把原始误差转移到不影响加工精度的方向或是转移到误差非敏感方向，这是减少加工误差的又一途径。（4 4）误差均化误差均化误差均化是利用相互作用的误差间相互的抵偿作用进行修正或加工，最终使综合误差减小的方法。（5 5）加工过程中的主动控制加工过程中的主动控制在加工过程中经常测量刀具工件的相对位置变化或工件加工误差，并以此实时控制调整工艺系统状态，以提高加工精度的工艺措施是主动控制。表面完整性定义表面完整性定义表面完整性是指为保持和提高材料固有的力学、物理、化学表面完整性是指为保持和提高材料固有的力学、物理、化学、生物等使用性能而需使材料表面所具有的不同于基体的特、生物等使用性能而需使材料表面所具有的不同于基体的特定状态和性能定状态和性能。表面表面完整性的完整性的组成组成（1 1）表面几何）表面几何形状：表面形状：表面几何形状包括了表面形貌、加工纹理几何形状包括了表面形貌、加工纹理度、波度、表面粗糙度度、波度、表面粗糙度等。等。（2 2）表面）表面力学性能：指力学性能：指表面与近表层的屈服强度、拉伸强度、表面与近表层的屈服强度、拉伸强度、显微硬度（梯度分布）、残余应力等特征参数显微硬度（梯度分布）、残余应力等特征参数。采用。采用硬度和残硬度和残余应力来表征表面完整性中的力学余应力来表征表面完整性中的力学特性。特性。（3 3）表面组织）表面组织结构：组织结构：组织结构包括组织、相结构及相含量等参结构包括组织、相结构及相含量等参数。数。1、表面完整性9.5 机械加工表面质量2、表面粗糙度的形成与影响因素9.5 机械加工表面质量（1 1）切削加工）切削加工表面粗糙度表面粗糙度形成的形成的原因原因几何几何因素：刀具因素：刀具切削刃的几何形状、几何参数、进给运动及切削刃的几何形状、几何参数、进给运动及切削刃本身的粗糙度等原因切削刃本身的粗糙度等原因，在，在已加工表面上遗留下残留面已加工表面上遗留下残留面积、残留面积的高度构成了表面粗糙度积、残留面积的高度构成了表面粗糙度。物理物理因素：积屑瘤、鳞因素：积屑瘤、鳞刺、脆性材料的刺、脆性材料的碎裂碎裂切削加工时的切削加工时的振动：工艺振动：工艺系统的低频振动，一般在加工表面系统的低频振动，一般在加工表面上产生波度，工艺系统的高频振动是产生纵向粗糙度原因之上产生波度，工艺系统的高频振动是产生纵向粗糙度原因之一。一。2、表面粗糙度的形成与影响因素9.5 机械加工表面质量（1 1）切削加工）切削加工影响表面粗糙度的工艺影响表面粗糙度的工艺因素因素几何几何因素因素：要：要降低表面粗糙度，可通过减小切削层残留面积降低表面粗糙度，可通过减小切削层残留面积来解决。减小进给量、刀具的主、副偏角，增大刀尖圆角半来解决。减小进给量、刀具的主、副偏角，增大刀尖圆角半径，均能有效的降低表面粗糙度。径，均能有效的降低表面粗糙度。物理因素：要降低表面粗糙度主要应采取措施减少加工时的物理因素：要降低表面粗糙度主要应采取措施减少加工时的塑性变形，避免产生积屑瘤和鳞刺。对此起主要作用的影响塑性变形，避免产生积屑瘤和鳞刺。对此起主要作用的影响因素有切削速度、被加工材料的性质及刀具的几何形状、材因素有切削速度、被加工材料的性质及刀具的几何形状、材料和刃磨质量料和刃磨质量。2、表面粗糙度的形成与影响因素9.5 机械加工表面质量（2 2）磨削加工）磨削加工影响表面粗糙度的工艺影响表面粗糙度的工艺因素因素砂轮砂轮的粒度的粒度砂轮的粒度愈细砂轮的粒度愈细，粗糙度，粗糙度愈小愈小。砂轮砂轮的修整的修整工件工件表面粗糙度也就愈小表面粗糙度也就愈小。砂轮砂轮速度速度提高砂轮速度提高砂轮速度可以降低粗糙度。可以降低粗糙度。磨削磨削背吃刀量与工件速度背吃刀量与工件速度增大磨削背吃刀量和工件速度将增大磨削背吃刀量和工件速度将增加塑性变形的程度，从而增大粗糙度增加塑性变形的程度，从而增大粗糙度。3、加工表面力学性能的变化9.5 机械加工表面质量（1 1）表面层的）表面层的加工硬化加工硬化机械加工过程中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒机械加工过程中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增间产生滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，统称为加工硬化（或称为强化）加，统称为加工硬化（或称为强化）。表层金属加工硬化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金表层金属加工硬化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质（如密度，导电性、导热性等）属的塑性，金属的物理性质（如密度，导电性、导热性等）也有所变化也有所变化。评定加工硬化的指标有下列三项：评定加工硬化的指标有下列三项：1 1）表层金属的）表层金属的显微硬度显微硬度2 2）硬化层）硬化层深度深度3 3）硬化）硬化程度程度3、加工表面力学性能的变化9.5 机械加工表面质量（1 1）表面层的）表面层的加工硬化加工硬化影响切削加工表面加工硬化的因素影响切削加工表面加工硬化的因素1）切削用量的影响。切削用量中以进给量和切削速度的影响为最大。2）刀具几何形状的影响。切削刃钝圆半径的大小对切屑形成过程的进行有决定性影响。3）加工材料性能的影响。工件材料的塑性越大，冷硬倾向越大，冷硬程度也越严重。3、加工表面力学性能的变化9.5 机械加工表面质量（1 1）表面层的）表面层的加工硬化加工硬化影响磨削加工表面加工硬化的因素影响磨削加工表面加工硬化的因素1)工件材料性能的影响分析工件材料对磨削表面加工硬化的影响，可以从材料的塑性和导热性两个方面着手进行。2）磨削用量的影响加大磨削深度，磨削力随之增大，磨削过程的塑性变形加剧，表面的冷硬倾向增大；提高工件转速，会缩短砂轮对工件热作用的时间，使软化倾向减弱，因而表面层的冷硬增大。3）砂轮粒度的影响砂轮的粒度号数越大，每颗磨粒的载荷越小，冷硬程度也越小。3、加工表面力学性能的变化9.5 机械加工表面质量（2 2）表面层金相组织的表面层金相组织的变化变化在磨削加工中在磨削加工中，由于磨粒在高速下进行切削由于磨粒在高速下进行切削、刻划和滑擦刻划和滑擦，而且多数磨粒为负前角切削而且多数磨粒为负前角切削，磨削温度很高磨削温度很高，产生的热量远产生的热量远远高于切削时的远高于切削时的热量；热量；工件工件表面升常达表面升常达900900以上以上，引起表层金属发生金相组织的变引起表层金属发生金相组织的变化化，使得表面层金属的硬度和强度下降使得表面层金属的硬度和强度下降，产生残余应力甚至产生残余应力甚至引起显微裂纹引起显微裂纹，这种现象称为磨削烧伤这种现象称为磨削烧伤。磨削磨削烧伤将严重地影响零件的烧伤将严重地影响零件的使用性能使用性能，磨削磨削是一种典型的是一种典型的容易产生加工表面金相组织变化的加工方法容易产生加工表面金相组织变化的加工方法。3、加工表面力学性能的变化9.5 机械加工表面质量（2 2）表面层金相组织的表面层金相组织的变化变化1）磨削用量磨削深度增加时工件的塑性变形会随之增加，工件表面及里层的温度都将升高，烧伤会增加；2）砂轮硬度太高的砂轮，自砺性不好，钝化后的磨粒不易脱落，使切削力增加，温度升高，容易产生烧伤；3）工件材料工件材料对磨削温度的影响主要取决于它的硬度、强度、韧性和导热系数；4）冷却条件为降低磨削区的温度，在磨削时广泛采用切削液冷却。3、加工表面力学性能的变化9.5 机械加工表面质量（3 3）表面层表面层残余应力残余应力产生表面残余应力的原因主要有：（1）冷态塑性变形切削加工时，加工表面在切削力的作用下产生强烈的冷塑性变形，但受到与它相连的里层金属的限制，因而工件表面产生了残余压应力，在里层产生了残余拉应力。（2）热态塑性变形切削加工时，大量的切削热使工件表面局部温度比里层的温度高得多，会使加工表面产生热膨胀。当加工结束后，表层温度下降要进行冷却收缩，但受到基体金属阻止，从而在表层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。（3）金相组织变化不同的金相组织有不同的比密度，故相变会引起体积的变化，从而在表层、里层产生互相平衡的残余应力。4、控制加工表面质量的工艺途径9.5 机械加工表面质量（1 1）冷压表面强化）冷压表面强化工艺工艺通通过冷压加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以降低过冷压加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生压缩残余应表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生压缩残余应力的表面强化工艺力的表面强化工艺。1 1）喷丸强化）喷丸强化喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，可显工工件表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，可显著提高零件的疲劳强度和使用寿命著提高零件的疲劳强度和使用寿命。2 2）滚压加工）滚压加工滚压加工时利用经过淬硬和精细研磨过的滚轮滚压加工时利用经过淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，将表层的凸起或滚珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，将表层的凸起部分向下压，凹下部分往上部分向下压，凹下部分往上挤，修正挤，修正工件表面的微观几何工件表面的微观几何形形状，还状，还能使工件表面金属组织细化，形成压缩残余应力。能使工件表面金属组织细化，形成压缩残余应力。4、控制加工表面质量的工艺途径9.5 机械加工表面质量（2 2）精密和光整加工）精密和光整加工工艺工艺1）超精加工用细粒度的磨条以一定压力压在旋转的工件表面上，并在轴向作往复振荡进行微量切除的光整加工方法。2）珩磨珩磨头带有若干块细粒度的磨条靠机械或液压的作用涨紧和施加一定压力在工作表面上，并相对工件作旋转与往复运动，结果在工件表面上形成又螺旋线交叉而成的网状纹路。3）研磨将研磨剂涂敷（干式）或浇注（湿式）在研具与工件间，工件与夹具在一定压力下作不断变更方向的相对运动，在磨粒的作用下逐步刮擦并微量切除工件表面的很薄的金属层。4）抛光利用布轮、布盘等软的研具涂上抛光膏抛光工件的表面，靠抛光膏的机械刮擦和化学作用去掉表面粗糙度的峰顶，使表面获得光泽镜面。END