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2012 机械制造基础总复习题1
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2012 机械制造基础总复习题1
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机械加工质量分析
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&&机​械​加​工​质​量​分​析
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表面粗糙度
表面粗糙度(surface roughness)是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的[1]
。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度一般是由所采用的加工方法和其他因素所形成的，例如加工过程中刀具与零件表面间的摩擦、切屑分离时表面层金属的塑性变形以及工艺系统中的高频振动等。由于加工方法和工件材料的不同，被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别。表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。一般标注采用Ra。相关的规范有“GB/T 《表面结构 轮廓法 表面粗糙度参数及其数值》”和“GB/T 131-2006 (ISO )《表面结构的表示法》”。[2]
表面粗糙度发展
为研究表面粗糙度对零件性能的影响和度量表面微观不平度的需要，从20年代末到30年代，德国、美国和英国等国的一些专家设计制作了轮廓记录仪、，同时也产生出了光切式显微镜和等用光学方法来测量表面微观不平度的仪器，给从数值上定量评定表面粗糙度创造了条件。
从30年代起，已对表面粗糙度定量评定参数进行了研究，如美国的就提出了用距表面轮廓峰顶的深度和支承长度率曲线来表征表面粗糙度。1936年出版了Schmaltz论述表面粗糙度的专著，对表面粗糙度的评定参数和数值的标准化提出了建议。但粗糙度评定参数及其数值的使用，真正成为一个被广泛接受的标准还是从40年代各国相应的国家标准发布以后开始的。
表面粗糙度影响
表面粗糙度对零件的影响主要表现在以下几个方面：[1]
影响。表面越粗糙，配合表面间的有效接触面积越小，压强越大，摩擦阻力越大，磨损就越快。
影响的稳定性。对来说，表面越粗糙，就越易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大；对来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有效过盈，降低了强度。
影响。粗糙零件的表面存在较大的波谷，它们像尖角缺口和裂纹一样，对很敏感，从而影响零件的疲劳强度。
影响。粗糙的零件表面，易使腐蚀性气体或液体通过表面的微观凹谷渗入到金属内层，造成表面腐蚀。
影响性。粗糙的表面之间无法严密地贴合，气体或液体通过接触面间的缝隙渗漏。
影响接触。接触刚度是零件结合面在外力作用下，抵抗接触变形的能力。机器的刚度在很大程度上取决于各零件之间的接触刚度。
影响测量精度。零件被测表面和测量工具测量面的表面粗糙度都会直接影响测量的精度，尤其是在精密测量时。
此外，表面粗糙度对零件的镀涂层、导热性和接触电阻、反射能力和辐射性能、液体和气体流动的阻力、导体表面电流的流通等都会有不同程度的影响。
表面粗糙度评定依据
表面粗糙度取样长度
取样长度lr 是评定表面粗糙度所规定一段基准线长度[3]
取样长度应根据零件实际表面的形成情况及纹理特征，选取能反映表面粗糙度特征的那一段长度，量取取样长度时应根据实际表面轮廓的总的走向进行。规定和选择取样长度是为了限制和减弱和形状误差对表面粗糙度的测量结果的影响。
表面粗糙度评定长度
评定长度 ln 是评定轮廓所必须的一段长度，它可包括一个或几个取样长度。由于零件表面各部分的表面粗糙度不一定很均匀，在一个取样长度上往往不能合理地反映某一表面粗糙度特征，故需在表面上取几个取样长度来评定表面粗糙度。评定长度ln一般包含5个取样长度lr。[3]
表面粗糙度基准线
基准线是用以评定表面粗糙度参数的轮廓中线[1]
。基准线有下列两种：
轮廓的最小二乘中线：在取样长度内，轮廓线上各点的轮廓的平方和为最小，具有几何轮廓形状。
轮廓的算术平均中线：在取样长度内，中线上下两边轮廓的面积相等。
理论上最小二乘中线是理想的基准线，但在实际应用中很难获得，因此一般用轮廓的算术平均中线代替，且测量时可用一根位置近似的直线代替。
表面粗糙度评定参数
表面粗糙度高度特征参数
轮廓算术平均偏差 Ra：在取样长度（lr）内轮廓偏距绝对值的。[2]
在实际测量中，测量点的数目越多，Ra越准确。[3]
轮廓最大高度 Rz：轮廓峰顶线和谷底线之间的距离。
在幅度参数常用范围内优先选用Ra[1]
。在2006年以前国家标准中还有一个评定参数为“微观不平度十点高度”用Rz表示，轮廓最大高度用Ry表示，在2006年以后国家标准中取消了微观不平度十点高度，采用Rz表示轮廓最大高度。
表面粗糙度间距特征参数
用轮廓单元的平均宽度 Rsm[3]
表示。在取样长度内，轮廓微观不平度间距的平均值。微观不平度间距是指轮廓峰和相邻的轮廓谷在中线上的一段长度。[1]
表面粗糙度形状特征参数
用轮廓支承长度率Rmr(c)[3]
表示，是轮廓支撑长度与取样长度的比值。轮廓支承长度是取样长度内，平行于中线且与轮廓峰顶线相距为c的直线与轮廓相截所得到的各段截线长度之和。
表面粗糙度符号标注
表面粗糙度符号
表面粗糙度的符号及意义
国标规定表面粗糙度代号是由规定的符号和有关参数组成[4]
1）表面粗糙度符号
表面粗糙度代号的基本标注方法
按国标标准在图样上表示表面粗糙度的符号有五种，见右图。
2）表面粗糙度代号
表面粗糙度代号要求标注如：粗糙度参数值、测量时的取样长度值、加工纹理、加工方法等[1]
表面粗糙度在图样上的标注
不同位置表面上表面粗糙度代号的标注
代号和参数的注写方向如图所示。当零件大部分表面具有相同的表面粗糙度时，对其中使用最多的一种符号、代号可统一标注在图样的右上角，并加注“其余”两字，统一标注的代号及文字高度，应是图形上其它表面所注代号和文字的1.4倍。
不同位置表面代号的注法，符号的尖端必须从材料外指向表面，代号中数字的方向与尺寸数字方向一致，如图所示。
表面粗糙度应用原则
表面粗糙度
表面粗糙度对零件使用情况有很大影响。一般说来，表面粗糙度数值小，会提高配合质量，减少磨损，延长零件使用寿命，但零件的加工费用会增加。因此，要正确、合理地选用表面粗糙度数值。 在设计零件时，表面粗糙度数值的选择，是根据零件在机器中的作用决定的。
总的原则是在保证满足技术要求的前提下，选用较大的表面粗糙度数值。具体选择时，可以参考下述原则：
（1）工作表面比非工作表面的粗糙度数值小。
（2）摩擦表面比不摩擦表面的粗糙度数值小。摩擦表面的摩擦速度越高，所受的单位压力越大，则应越高；滚动磨擦表面比滑动磨擦表面要求粗糙度数值小。
（3）对间隙配合，配合间隙越小，粗糙度数值应越小；对过盈配合，为保证连接强度的牢固可靠，越大，要求粗糙度数值越小。一般情况比粗糙度数值要小。
（4）配合表面的粗糙度应与其尺寸精度要求相当。配合性质相同时，零件尺寸越小，则应粗糙度数值越小；同一精度等级，小尺寸比大尺寸要粗糙度数值小，轴比孔要粗糙度数值小（特别是IT8～IT5的精度）。
（5）受周期性载荷的表面及可能会发生的内圆角、凹稽处粗糙度数值应较小。[1]
不同加工方法所能达到的表面粗糙度
表面粗糙度(Ra)数值
加工方法举例
明显可见刀痕
Ra100、Ra50、Ra25、
粗车、粗刨、粗铣、钻孔
Ra12.5、Ra6.3、Ra3.2、
精车、精刨、精铣、粗铰、粗磨
看不见加工痕迹，微辩加工方向
Ra1.6、Ra0.8、Ra0.4、
精车、精磨、精铰、研磨
Ra0.2、Ra0.1、Ra0.05、
研磨、珩磨、超精磨、抛光
如何降低表面粗糙度
在上，用普通刀具将工件尺寸加工到基本到位后，再用金属表面加工设备的豪克能刀具代替原普通刀具再加工一遍，即可使被加工工件表面粗糙度Ra值轻松达到0.2以下；且工件的表面显微硬度提高20%以上；并大大提高了工件的表面耐磨性和耐腐蚀性。
表面粗糙度测量方法
表面粗糙度比较法
比较法测量简便，使用于车间现场测量，常用于中等或较粗糙表面的测量。方法是将被测量表面与标有一定数值的粗糙度样板比较来确定被测表面粗糙度数值的方法。 比较时可以采用的方法: Ra & 1.6μm 时用目测，Ra1.6~Ra0.4μm 时用放大镜，Ra & 0.4μm 时用比较显微镜。
比较时要求样板的加工方法，加工纹理，加工方向，材料与被测零件表面相同。
表面粗糙度触针法
表面粗糙度
利用针尖曲率半径为2微米左右的金刚石触针沿被测表面缓慢滑行，金刚石触针的上下位移量由电学式长度传感器转换为电信号，经放大、滤波、计算后由显示仪表指示出表面粗糙度数值，也可用记录器记录被测截面轮廓曲线。一般将仅能显示表面粗糙度数值的测量工具称为，同时能记录表面轮廓曲线的称为表面粗糙度。这两种测量工具都有电子计算电路或电子计算机，它能自动计算出轮廓算术平均偏差Ra，微观不平度十点高度Rz，轮廓最大高度Ry和其他多种评定参数，测量效率高，适用于测量Ra为0.025～6.3微米的表面粗糙度。
表面粗糙度光切法
双管显微镜测量表面粗糙度，可用作Ry与Rz参数评定，测量范围0.5~50。
表面粗糙度干涉法
利用光波干涉原理 (见平晶、激光测长技术)将被测表面的形状误差以干涉条纹图形显示出来，并利用放大倍数高 （可达500倍）的显微镜将这些干涉条纹的微观部分放大后进行测量，以得出被测表面粗糙度。应用此法的表面粗糙度测量工具称为。这种方法适用于测量Rz和Ry为 0.025～0.8微米的表面粗糙度。
表面粗糙度表面光洁度
是表面粗糙度的另一称法。表面光洁度是按人的视觉观点提出来的，而表面粗糙度是按表面微观几何形状的实际提出来的。因为与国际标准(ISO)接轨，中国80年代后采用表面粗糙度而废止了表面光洁度。在表面粗糙度国家标准GB3505-83、GB1031-83颁布后，表面光洁度的已不再采用。
表面光洁度与表面粗糙度有相应的对照表。粗糙度有测量的计算公式，而光洁度只能用样板规对照。所以说粗糙度比光洁度更科学严谨。
表面光洁度与表面粗糙度对照表
　1)表面状况、2)加工方法和3)应用举例▽1
1)明显可见的刀痕 2)粗车、镗、刨、钻 3)粗加工后的表面，2焊接前的焊缝、粗钻孔壁等。
1)可见刀痕 2)粗车、刨、铣、钻 3)一般非结合表面，如轴的端面、倒角、齿轮及皮带轮的侧面、键槽的非工作表面，减重孔眼表面
1)可见加工痕迹 2)车、镗、刨、钻、铣、锉、磨、粗铰、铣齿 3)不重要零件的配合表面，如支柱、支架、外壳、衬套、轴、盖等的端面。紧固件的自由表面，紧固件通孔的表面，内、外花键的非定心表面，不作为计量基准的齿轮顶圈圆表面等
1)微见加工痕迹 2)车、镗、刨、铣、刮1～2点/cm^2、拉、磨、 锉、滚压、铣齿 3)和其他零件连接不形成配合的表面，如箱体、外壳、端盖等零件的端面。要求有定心及配合特性的固定支承面如定心的轴间，键和键槽的工作表面。不重要的紧固螺纹的表面。需要滚花或氧化处理的表面
1)看不清加工痕迹 2)车、镗、刨、铣、铰、拉、磨、滚压、刮1～2点/cm^2铣齿 3)安装直径超过80mm的G级轴承的外壳孔，普通精度齿轮的齿面，定位销孔，V型带轮的表面，外径定心的内花键外径，轴承盖的定中心凸肩表面
1)可辨加工痕迹的方向 2)车、镗、拉、磨、立铣、刮3～10点/cm^2、滚压 3)要求保证定心及配合特性的表面，如锥销与圆柱销的表面，与G级精度滚动轴承相配合的轴径和外壳孔，中速转动的轴径，直径超过80mm的E、D级滚动轴承配合的轴径及外壳孔，内、外花键的定心内径，外花键键侧及定心外径，过盈配合IT7级的孔（H7），间隙配合IT8～IT9级的孔（H8，H9），磨削的齿轮表面等
1)微辨加工痕迹的方向 2)铰、磨、镗、拉、刮3～10点/cm^2、滚压 3)要求长期保持配合性质稳定的配合表面，IT7级的轴、孔配合表面，精度较高的齿轮表面，受变应力作用的重要零件，与直径小于80mm的E、D级轴承配合的轴径表面、与橡胶密封件接触的轴的表面，尺寸大于120mm的IT13～IT16级孔和轴用量规的测量表面
1)不可辨加工痕迹的方向 2)布轮磨、磨、研磨、超级加工 3)工作时受变应力作用的重要零件的表面。保证零件的疲劳强度、防腐性和耐久性，并在工作时不破坏配合性质的表面，如轴径表面、要求气密的表面和支承表面，圆锥定心表面等。IT5、IT6级配合表面、高精度齿轮的表面，与G级滚动轴承配合的轴径表面，尺寸大于315mm的IT7～IT9级级孔和轴用量规级尺寸大于120～315mm的IT10～IT12级孔和轴用量规的测量表面等
1)暗光泽面 2)超级加工 3)工作时承受较大变应力作用的重要零件的表面。保证精确定心的锥体表面。液压传动用的孔表面。汽缸套的内表面，活塞销的外表面，仪器导轨面，阀的工作面。尺寸小于120mm的IT10～IT12级孔和轴用量规测量面等
0.004~0.08
0.002~0.004
0.001~0.002
胡瑢华．公差配合与测量：清华大学出版社，2005：69-77
中华人民共和国国家标准.产品几何技术规范（GPS）
中华人民共和国国家标准.GB/T 131-2006/ISO挤压珩磨_百度百科
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利用携带磨料的粘弹性基体介质（研磨介质）在一定压力下反复摩擦加工表面而达到抛光或去除毛刺作用的特种加工，又称磨料流动加工。
挤压珩磨优点
这种加工方法最初主要用于去掉零件中隐蔽部位或交叉孔内的毛刺，后来又应用到抛光模具或零件的表面，还用于抛光电火花加工的表面或去除表面变质层，对机械零件的棱边倒圆等。挤压珩磨具有加工效率高、能自动操作、抛光效果好等优点。
挤压珩磨加工原理
工件固定安装在夹具中，夹具被上、下两只盛有研磨介质的挤压筒压紧。加工时，上、下挤压筒中的活塞由液压系统驱动上、下同步移动，从而推动和挤压研磨介质，使之反复通过工件的被加工表面，由磨料颗粒产生磨削作用。加工所用的挤压力为1～3兆帕，也有高达10兆帕的。　是由磨料和基体介质（一种半固体状的高分子聚合物）均匀混合而成。在实际使用中还根据不同的加工对象加入一定量的添加剂，如润滑剂、增塑剂和等，以改变基体介质的粘度和流动性等物理性能。磨料一般采用碳化硅或氧化铝，有时也采用碳化硼或金刚石粉。磨料粒度范围是20#～600#。粗磨料用于去毛刺，细磨料用于抛光。磨料含量是10～60%，依具体加工情况而定。　夹具使研磨介质按规定路径通过被加工表面，同时还起着安装固定工件的作用，因此夹具结构应根据工件形状、尺寸和加工要求设计制造。对小型工件可采用多工位夹具，一次可安装许多工件同时进行加工。夹具材料一般采用耐磨工具钢和尼龙等，也可采用碳钢或铝等材料，磨损后加以更换。夹具须具有足够的强度和密封性。
一般为立式结构，分为全自动式和半自动式两种类型。机床的主要组成部分是蜗杆螺旋顶重器、主液压系统、副液压系统、控制回路和辅助设备等。机床的操作控制参数是挤压力、研磨介质流量、加工循环次数和循环时间等。
挤压珩磨应用
在喷油嘴及一些微细小孔的加工中，国内的大部分生产厂还都在使用钻孔工艺加工喷孔。这种工艺加工的喷孔，粗糙度差，在压力室中有翻边毛刺，喷油嘴流量系数只有0.5～0.6。为了满足越来越严格的排放法规要求，柴油机要求喷油嘴流量系数在0.8以上，需要进一步提高其流量系数。目前，国际上普遍采用液体挤压研磨的工艺。由于喷油嘴中孔直径D与喷孔直径d的比值D/d较大（约20），其截面面积之比是D/d的平方（约400），因此磨料在喷油嘴中孔和喷孔中的流速相差约100倍。而磨料的切削作用只有在一定速度下才能起到作用，即磨料在高压的作用下，由夹具压头进入喷油嘴中孔，经过喷油嘴压力室，高速通过喷孔；在压力室喷孔产生切削磨粒流，对压力室喷孔边角毛刺和喷孔进行微量磨削；在喷孔入口处研磨出圆角并使孔壁粗糙度提高，而不会破坏精加工后喷油嘴中孔、座面的的精度。
在加工过程中，影响喷孔挤压研磨效果的主要因素有：研磨料的工作压力P；加工时间S；研磨料的切削性能；喷孔的成形工艺。由此可见，根据钻孔时钻头的公差及钻通时的毛刺，钻头的锋利与否都影响喷孔的孔径大小和毛刺的大小。为达到最终相同的喷孔流量，在使用相同研磨料的情况下，就需要调整研磨料的工作压力P或加工的时间S。所以，对不同批次加工的喷油嘴首先应在流量试验台上检测流量，进行分组；根据不同的流量值来确定研磨料的工作压力P或加工的时间S。
试验证明，经过挤压研磨后，可以消除压力室与喷孔处的毛刺，扩大其相贯线处的圆角，减少高压油的压力损失；降低喷孔表面的粗糙度，增加油的流速，获得良好的雾化效果；可提高喷油嘴的流量系数，使动态喷雾角度和流量趋于一至，降低了柴油机的油耗和排放指标。工件表面形貌分析_百度文库
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工件表面形貌分析
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