机械加工质量技术分析

机械加工质量技术分析
【摘要】机器由机械零件装配而成，机器的失效是个别零件的失效造成的，其根本原因是零件丧失了其应具备的使用性能。

因此，正确地理解零件表面质量内涵，分析机加工过程中影响加工表面质量的各种工艺因素，改善表面质量、提高产品使用性能，具有重要的意义。

【关键词】机械加工;精度;几何形状;工艺系统;误差
1.机械加工质量的内涵
机械加工质量通常包括两个方面：几何方面的质量和材料性能方面的质量。

1.1几何方面的质量
几何方面的质量指机械加工后最外层表面与周围环境间界面的几何形状误差。

它分为宏观几何形状误差和微观几何形状误差。

1.1.1宏观几何形状误差（如圆度误差，平面度误差等）。

宏观几何形状误差的波长（测量长度或取样长度）与波高（误差值）的比值一般大于1000。

1.1.2微观几何形状误差（微观几何形状的不平度，或称表面粗糙度）。

其波长与波高比值一般小于50。

1.1.3介于宏观几何形状误差与微观表面粗糙度之间的周期性几何形状误差，常用波度来表示，其波长λ与波高Hλ比值等于50～1000。

波度主要是由加工系统的振动所引起的。

1.2材料性能方面的质量
材料性能方面的质量指机械加工后，零件一定深度表面层的物理力学性能等方面的质量与基体相比发生了变化，故称加工变质层。

主要表现在以下几方面：
1.2.1表面层加工硬化
机械加工过程中产生的塑性变形，使晶格扭曲、崎变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长等，这些都会使表面层金属硬度增加，通称为加工硬化（或冷作硬化）。

加工硬化的评定指标通常有3项：（1）表面层金属硬度HV；（2）硬化层深度h；（3）硬化程度N。

1.2.2表面层金相组织变化
机械加工过程中由于切削热的作用，有可能表面层金属的金相组织发生变
化。

例如，磨削淬火钢时，磨削热的作用会引起淬火钢中马式体的分解，或出现回火组织等。

1.2.3表面层残余应力
由于切削力和切削热的综合作用，表面层金属晶格的变形或金相组织变化，会造成表面层残余应力。

2.影响加工表面层物理机械性能的因素
2.1表面层冷作硬化
切削刃钝圆半径增大，对表层金属的挤压作用增强，塑性变形加剧，导致冷硬增强。

刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，导致冷硬增强。

切削速度增大，刀具与工件的作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减小，冷硬层深度减小。

切削速度增大后，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了，将使冷硬程度增加。

进给量增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬作用加强。

工件材料的塑性愈大，冷硬现象就愈严重。

2.2表面层材料金相组织变化
当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后，表层金属的金相组织将会发生变化。

2.2.1磨削烧伤
当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力产生甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。

2.2.2改善磨削烧伤的途径
磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤有两个途径：一是尽可能地减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。

正确选择砂轮，合理选择切削用量，改善冷却条件。

2.3表面层残余应力。

2.3.1产生残余应力的原因
切削时，在加工表面金属层内有塑性变形发生，使表面金属的比容加大；切削加工中，切削区会有大量的切削热产生；不同金相组织具有不同的密度，亦具有不同的比容的变化，必然要受到与相连的基体金属的阻碍，因而就有残余应力产生。

2.3.2工件主要工作表面最终工序加工方法的选择
选择零件主要工作表面最终工序加工方法，须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的损坏形式。

在交变载荷作用下，机器零件表面上的局部微观裂纹，会因拉应力的作用使原生裂纹扩大，最后导致零件断裂。

3.工艺系统的几何误差
3.1加工原理误差
加工原理误差是由于采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行加工所产生的误差。

通常，为了获得规定的加工表面，刀具和工件之间必须实现准确的成形运动，机械加工中称为加工原理。

理论上应采用理想的加工原理和完全准确的成形运动以获得精确的零件表面。

但在实践中，完全精确的加工原理常常很难实现，有时加工效率很低；有时会使机床或刀具的结构极为复杂，制造困难；有时由于结构环节多，造成机床传动中的误差增加，或使机床刚度和制造精度很难保证。

因此，采用近似的加工原理以获得较高的加工精度是保证加工质量和提高生产率以及经济性的有效工艺措施。

例如，齿轮滚齿加工用的滚刀有两种原理误差，一是近似造型原理误差，即由于制造上的困难，采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆；二是由于滚刀刀刃数有限，所切出的齿形实际上是一条折线而不是光滑的渐开线，但由此造成的齿形误差远比由滚刀制造和刃磨误差引起的齿形误差小得多，故忽略不计。

又如模数铣刀成形铣削齿轮，模数相同而齿数不同的齿轮，齿形参数是不同的。

理论上，同一模数，不同齿数的齿轮就要用相应的一把齿形刀具加工。

实际上，为精简刀具数量，常用一把模数铣刀加工某一齿数范围的齿轮，也采用了近似刀刃轮廓。

3.2机床的几何误差
3.2.1主轴回转运动误差的概念
机床主轴的回转精度，对工件的加工精度有直接影响。

所谓主轴的回转精度是指主轴的实际回转轴线相对其平均回转轴线的漂移。

理论上，主轴回转时，其回转轴线的空间位置是固定不变的，即瞬时速度为零。

实际上，由于主轴部件在加工、装配过程中的各种误差和回转时的受力、受热等因素，使主轴在每一瞬时回转轴心线的空间位置处于变动状态，造成轴线漂移，也就是存在着回转误差。

3.2.2主轴回转运动误差的影响因素
影响主轴回转精度的主要因素是主轴轴颈的误差、轴承的误差、轴承的间隙、
与轴承配合零件的误差及主轴系统的径向不等刚度和热变形等。

主轴采用滑动轴承时，主轴轴颈和轴承孔的圆度误差和波度对主轴回转精度有直接影响，但对不同类型的机床其影响的因素也各不相同。

■
【参考文献】
［１］郑修本主编.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2004.
［２］冯敬之主编.机械制造工程原理[M].北京：清华大学出版社，1998.
［３］宾鸿赞，曾庆福主编.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1990.
［４］王先逵主编.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1995.。