第三节 机械加工表面质量-“1+X证书”制度下的数控加工理论与实践

（五）误差均化法 误差不断减少的过程就是误差均化法。 它的实质就是利用有密切联系的表面相互比较、 相互检查，从对比中找出差异，然后进行相互修正或互为基准加工，使工件被加工表面的误差 不断缩小和均化。 在生产中，许多精密基准件（如平板、直尺、角度规、端齿分度盘等）都是利 用误差均化法加工出来的。 （六）就地加工法 在加工和装配中有些精度问题牵涉零件或部件间的相互关系，如果一味地提高零部件本 身精度，不仅困难，有时甚至不可能。 此时宜采用就地加工法（也称自身加工修配法），可方便 解决看起来非常困难的精度问题。 第三节　 机械加工表面质量 一、机械加工表面质量的含义 机械加工表面质量是指零件在机械加工后表面层的微观几何形状误差和物理、化学及力 学性能。 主要零件的表面质量直接影响机械产品的工作性能、可靠性和寿命。 任何机械加工方法所获得的加工表面都不可能是绝对理想的表面，总存在着表面粗糙 度、表面波纹度等微观几何形状误差。 表面层的材料在加工时还会发生物理、力学性能变化， 甚至在某些情况下发生化学性质的变化。 机械加工的表面质量有以下两方面的含义。 （一）表面的几何特性 加工表面的几何形状，总是以“峰” “谷”交替的形式出现的，其偏差又有宏观、微观的 差别。 ①表面粗糙度。 它是指加工表面的微观几何形状误差，主要取决于切削残留面积的高 度，并与表面塑性变形、振动和积屑瘤的产生有关。 车削和刨削时残留面积的高度如图 ２⁃１ 所 示。 表面粗糙度一般用 Ｒａ 表示，Ｒａ 值越大，粗糙度越差。 图 ２⁃１　 车削和刨削时残留面积的高度 ②表面波纹度。 它是介于微观几何形状误差与宏观几何形状误差之间的周期性几何形 状误差，由工艺系统的低频振动引起。 １２ 第二章　 数控加工工艺基础 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 ③表面纹理方向。 它是指表面刀纹的方向，取决于该表面所采用的机械加工方法及其主 运动和进给运动的关系。 一般对运动副或密封件有纹理方向的要求。 ④伤痕。 它是指在加工表面的一些个别位置上出现的缺陷。 它们大多是随机分布的，如 砂眼、气孔、裂痕和划痕等。 （二）表面层物理、力学性能 由于机械加工中切削力和切削热的综合作用，加工表面层金属的物理、力学和化学性能 会发生一定的变化，主要表现在以下方面。 ①加工表面的冷作硬化。 它是指工件经过机械加工后表面层的强度、硬度有提高的现 象，也称为表面层的强化。 ②表面层金相组织变化。 机械加工（特别是磨削）中的高温使工件表层金属的金相组织 发生了变化，大大降低了零件的使用性能。 ③表面层产生残余应力或造成原有残余应力的变化。 二、影响表面粗糙度的因素及改进措施 （一）提高表面粗糙度的工艺措施 机械加工中，导致表面粗糙的主要原因有两个方面：一是刀具相对工件做进给运动时刀 尖在工件表面留下的残余面积；二是切削过程中的塑性变形、摩擦、积屑瘤、鳞刺和振动等。 降低表面粗糙度值的措施如下。 （１）合理选择切削用量 在切削用量三要素中，切削速度和进给量对表面粗糙度影响较大，背吃刀量对粗糙度没 有显著影响。 切削速度是影响表面粗糙度的重要因素。 在一定切削条件下，采用中等切削速度加工 ４５ 号钢，由于积屑瘤的影响，表面粗糙度较大。 如果采用低速或高速来加工，可以避免积屑瘤 和鳞刺的产生，从而获得较为光洁的表面。 通常精加工总是采用高速或低速的切削速度，但 应注意切削速度太高可能引起振动。 降低进给量可以降低残余面积的高度，减小加工表面的表面粗糙度。 但进给量不宜太 小，以免切削厚度太小时，刀具无法切下很薄的铁屑而使刀具与加工表面间产生严重挤压，以 致加剧刀具磨损和加工表面的冷作硬化程度。 一般切削深度对表面粗糙度的影响不明显。 但当其小到一定数值时，由于刀刃不可刃磨 得绝对尖锐而具有一定的刃口半径，正常的切削就不能维持，常出现挤压、打滑和周期性地切 入加工表面，从而使表面粗糙度增大。 为降低加工表面粗糙度，应根据刀具刃口刃磨的锋利 情况选取相应的切削深度。 （２）选择适当的刀具材料和几何参数 根据所加工的材料性质选择合适的刀具材料。 从刀具的几何角度考虑，应增大前角和后 角，使切削刃锋利，减少切屑的变形和前、后面间的摩擦，抑制积屑瘤和鳞刺的产生。 但后角 也不宜过大，过大的后角可能导致振动。 减小主偏角和副偏角，增大刀尖圆弧半径，可使残余 面积高度降低从而减小表面粗糙度，但当工艺系统刚性不足时，容易引起振动，反而会恶化加 工表面质量。 ２２ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 　 　 （３）改善材料的切削加工性能 采用热处理正火或退火工艺，细化晶粒，可获得表面粗糙度值很小的表面。 （４）加注切削液 在低速精加工中，合理地选择与使用切削液可显著减小表面粗糙度。 首先，切削液有冷 却润滑作用；其次，加工中使用切削液可降低切削温度，减少摩擦，抑制或消除积屑瘤的产生； 最后，切削液还能起冲洗与排屑的作用，保证已加工表面不被切屑挤压划伤。 （二）提高表面物理力学性能的措施 加工过程中工件由于受到切削力、切削热的作用，工件表面层金属的物理力学性能将发 生很大的变化。 （１）影响表面层金属冷作硬化的因素及改善措施 切削加工过程中，在表面层产生的塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，致使 晶粒拉长、破碎和纤维化，从而引起材料的强化，导致表面层的硬度提高，这就是冷作硬化。 表面层冷作硬化的程度取决于产生塑性变形的力、速度，以及变形时的温度。 因此，加工时影 响冷作硬化的因素主要有刀具的几何参数、切削用量和材料性能等，改善措施如下。 ①选择合适的刀具几何参数。 刀具几何参数的影响主要是刃口圆弧半径和前、后角。 当 刃口圆弧半径偏大、前角为负值、后角偏小时，工件表面层的挤压增大，且后面的磨损量增大， 冷硬层的深度和硬度也随之增大。 欲使冷作硬化减小，刀具刃口圆弧半径和前、后角必须 改善。 ②选择合理的切削用量。 首先，选用较大的切削速度。 当切削速度增大时，硬化层的深 度和硬度都将减小，一方面切削速度增大会使切削温度升高，有助于冷作硬化的恢复；另一方 面由于切削速度增大，刀具与工件的接触时间变短，塑性变形程度减小。 其次，选用合理的进 给量。 当进给量增大时，切削力增大，塑性变形程度相应增大，故硬化程度增大；但进给量太 小时，由于刀具的刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多，冷作硬化也会增加。 ③改善被加工材料的性质。 被加工材料的硬度越低、塑性越大，切削加工后冷作硬化 越大。 （２）产生残余应力的因素及改善措施 在没有外力作用下零件上存留的应力称为残余应力。 残余应力在加工时导致表面层金 属产生冷塑性变形或热塑性变形，因此残余应力分为残余压应力和残余拉应力两种。 残余拉 应力将对零件的使用性能产生不利影响，而适当的残余压应力可以提高零件的疲劳强度，因 此常常在加工时有意使工件产生一定的残余压应力。 产生残余应力的因素主要是表面层局 部冷态塑性变形、局部热态塑性变形、局部金相组织的变化等几方面综合影响的结果。 改善表面残余应力状态的措施有以下几方面。 ①采用精密加工工艺。 精密加工工艺包括精密切削加工（金刚镗、高速精车、宽刃精刨 等）和低粗糙度值高精度磨削。 精密切削加工是依靠精度高、刚性好的机床和精细刃磨刀具， 用很高或极低的切削速度、很小的背吃刀量在工件表面切去极薄一层金属的过程。 由于切削 过程残留面积小，又最大限度地排除了切削力、切削热和振动等不利影响，因此能有效去除上 道工序留下的表面变质层，加工后表面基本上不带有残余拉应力。 低粗糙度值高精度磨削同 样要求有很高的精度和刚性，其磨削过程是用经精细修整的砂轮，使每个磨粒上产生多个等 高的微刃，以很小的背吃刀量，在适当的磨削压力下，从工件表面切下很微细的铁屑。 加上微 ３２ 第二章　 数控加工工艺基础 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 刃呈微钝状态时的滑移、挤压、抚平作用和多次无进给光磨阶段的摩擦抛光作用，从而获得很 高的加工精度和物理力学性能良好的低粗糙度值表面。 ②采用光整加工工艺。 光整加工工艺是用粒度很细的磨料对工件表面进行微量切削和 挤压擦光的过程。 随着加工的进行，工件加工表面各点都能得到基本相同的切削，使误差逐 步均化而减小，从而获得极小的表面粗糙度值。 由于光整加工时磨具与工件间能相对浮动， 与工件定位基准间没有确定的位置，因此一般不能修正加工表面的位置误差。 常用的光整加 工方法有研磨、珩磨、超精加工及轮式超精磨等。 ③采用表面强化工艺。 表面强化工艺是通过对工件表面的冷挤压使之发生冷态塑性变 形，从而提高其表面硬度强度，并形成表面残余压应力的加工工艺。 表面强化工艺并不切除 余量，仅使表面产生塑性变形，因此修正工件尺寸误差和形状误差的能力很小，更不能修正位 置误差。 常用的表面强化工艺有喷丸和滚压。 除上述三种工艺外，采用高频淬火、氮化、渗碳、渗氮等表面热处理工艺也可使表面形成 残余压应力，也可采用振动时效等人工时效方法来消除表面层的残余应力。 （３）影响表面层金相组织变化的因素及改善措施 金属材料只有当其温度达到相变温度以上时才会发生金相组织的变化，一般的切削加工 切削热大部分被切屑带走，加工温度不高，故不会引起金相组织变化。 而磨削时砂轮对金属 切削、摩擦要消耗大量能量，每切除相同体积金属的能耗比车削平均高 ３０ 倍。 磨削的能量几乎全部转化为热能。 由于磨削层很薄，带走的热能少，绝大部分的热量传 入工件，造成工件温度升高，很容易超过金属材料的相变温度，并伴随产生残余应力甚至裂 纹。 这种现象也叫磨削烧伤。 影响表面层金相组织变化的因素取决于热源强度和作用时间。 减轻磨削热对加工的影响可从两个方面着手：一方面是减少磨削热的产生，另一方面是 尽量使已产生的热少传入工件表面层。 因此必须合理选择砂轮，正确选用磨削用量，改善润 滑冷却条件。 第四节　 数控加工工艺分析 一、数控加工内容的选择 对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成，而往往只是其中 的一部分工艺内容适合数控加工。 这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析，选择最适合﹑ 最需要进行数控加工的内容和工序。 在考虑选择内容时，应结合本企业设备的实际，立足于 解决难题、攻克关键问题和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。 （１）适于数控加工的内容 在选择时，一般可按下列顺序考虑： ①通用机床无法加工的内容应作为优先选择内容。 ②通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容。 ③通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富裕加 工能力时选择。 ４２ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍