机械制造与工艺全书－6 机械加工质量生产率和经济性

第一节   机械加工质量

机械零件的加工质量包括两个方面：加工精度和表面质量。

一、加工精度

（一）加工精度的概念

加工精度是指加工后的零件在形状、尺寸、表面相互位置等方面与理想零件的符合程度。它由尺寸精度、形状精度和位置精度组成。

尺寸精度：指加工后零件表面本身或表面之间的实际尺寸与理想尺寸之间的符合程度。

形状精度：指加工后零件表面本身的实际形状与理想零件表面形状之间的符合程度。

位置精度：指加工后零件各表面之间的实际位置与理想零件各表面之间的位置的符合程度。

    （二）机械加工精度获得的方法

1．尺寸精度的获得方法

1）试切法   这是一种通过试切工件—测量—比较—调整刀具—再试切—……再调整，直至获得要求的尺寸的方法。

  2）调整法   是按试切好的工件尺寸、标准件或对刀块等调整确定刀具相对工件定位基准的准确位置，并在保持此准确位置不变的条件下，对一批工件进行加工的方法。

3）定尺寸刀具法   在加工过程中采用具有一定尺寸的刀具或组合刀具，以保证被加工零件尺寸精度的一种方法。

4）自动控制法   通过由测量装置、进给装置和切削机构以及控制系统组成的控制加工系统，把加工过程中的尺寸测量、刀具调整和切削加工等工作自动完成，从而获得所要求的尺寸精度的一种加工方法。

2．                      2．形状精度的获得方法

机械加工中获得一定形状表面的方法可以归纳为以下三种。

1）轨迹法   此法利用刀具的运动轨迹形成要求的表面几何形状。刀尖的运动轨迹取决于刀具与工件的相对运动，即成形运动。

用这种方法获得的形状精度取决于机床的成形运动精度。

2）成形法   此法利用成形刀具代替普通刀具来获得要求的几何形状的表面。机床的某些成形运动被成形刀具的刀刃所取代，从而简化了机床结构，提高了生产效率。

用这种方法获得的表面形状精度既取决于刀刃的形状精度，又有赖于机床成形运动的精度。

3）范成法  零件表面的几何形状是在刀具与工件的啮合运动中，由刀刃的包络面形成的。因而刀刃必须是被加工表面的共扼曲面，成形运动间必须保持确定的速比关系，加工齿轮常用此种方法。

3．                      3．位置精度的获得方法

在机械加工中，获得位置精度的方法主要有下述两种。

1）一次装夹法  工件上几个加工表面是在一次装夹中加工出来的。

2）多次装夹法  即零件有关表面间的位置精度是由刀具相对工件的成形运动与工件定位基准面（亦是工件在前几次装夹时的加工面）之间的位置关系保证的。在多次装夹法中，又可划分为：

① 直接装夹法  即通过在机床上直接装夹工件的方法。

② 找正装夹法  即通过找正工件相对刀具切削成形运动之间的准确位置的方法。

③ 夹具装夹法  即通过夹具确定工件与刀具切削刃成形运动之间的准确位置的方法。

二、表面质量

（一）表面质量的概念

零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且也包括加工表面质量。表面质量是指机械加工后零件表面层的几何结构，以及受加工的影响表面层金属与基体金属性质产生变化的情况。表面层一般只有0.05～0.15mm。

     在金属切削过程中，形成加工表面时发生金属的弹性变形和撕裂，同时伴随着切削力和切削热的作用，使整个工艺系统可能产生振动。因此已加工表面不可能是理想的光滑的表面，而是存在着粗糙度、波纹等几何形状误差以及划痕、裂纹等表面缺陷。零件表面层材料的化学和物理性质也发生一系列变化。

表面质量的主要内容包括以下方面：

1．表面的几何形状

2．表面层物理机械性能的变化

由于表面层沿深度的变化，所以表面层物理机械性能的变化主要有：

   1）表面层的冷作硬化

   2）表面层中残余应力的大小、方向及分布情况

   3）表面层金相组织的改变

   4）表面层的其它物理机械性能的变化

（二）表面质量对零件使用性能的影响

 机械产品之所以要维修，更换某些零件或整个报废，一般不是因为它的零件发生了整体破坏，而是零件之间有相互运动的表面产生过大的磨损，从而改变了机械的性能，使之不能使用。有时即使零件发生了整体断裂，究其原因也往往是首先在零件表面上形成了疲劳裂纹，裂纹不断扩展，从而造成了零件的整体破坏。因此，了解零件的表面质量对其使用性能的影响，正确的提出对零件表面质量的要求是非常重要的。

1．表面粗糙度对耐磨性的影响

零件的耐磨性除与材料的性能、热处理状态和润滑条件有关外，零件自身的表面粗糙度起着十分重要的作用。

2．冷作硬化对耐磨性的影响

冷作硬化可以显著地提高零件表面的耐磨性。

3．表面层应力集中及残余应力对疲劳强度的影响

零件表面微观不平度会在它的“波谷”底部造成应力集中。

4．表面质量对零件耐蚀性能的影响

降低表面粗糙度值可以提高零件的抗腐蚀性能。

5．表面质量对配合性质的影响

对于间隙配合，如果零件表面粗糙度值过大，初期磨损就较严重，导致磨损量加大，从而使配合间隙增大，破坏了原设计要求的配合精度。对于过盈配合，表面粗糙度值过大，装配中，在压入配合的表面上的部分微小波峰被挤平，使实际得到的过盈量比设计要求的小，降低了过盈表面的结合强度，从而影响零件联接的可靠性。

三、提高加工质量的措施

影响零件加工精度的因素很多，为了提高加工质量，保证机械加工精度，生产中采取的工艺措施很多，这里仅举一些实例，作简要说明。

（一）增强工件刚性的工艺措施

生产中常遇到一些零件刚性差，按传统的加工方法则很难达到加工精度，为此需采取工艺措施提高工件的刚性。

（二）采用减振、消振装置

第二节 生产率和经济性

一、生产率

（一）生产率的概念

机械加工的劳动生产率，是指工人在单位时间内加工出合格零件的数目。工艺过程的基本组成单元是工序，因此评价机械加工劳动生产率，主要看各个工序加工的单件工时，即该工序加工完成一个零件所需要的时间，以t单表示。组成：基本时间、辅助时间、服务时间、休息和自然需要时间、准备结束时间。

（二）提高生产率的途径

缩短基本时间、缩短辅助时间、缩短服务时间、缩短准备结束时间。

二、工艺过程的经济性

（一）生产成本和工艺成本

制造一个产品或零件所必须的一切费用的总和，称为产品或零件的生产成本。生产成本由两大部分费用组成：即工艺成本和其它费用。

工艺成本是与工艺过程直接有关的费用，约占生产成本的70%～75%，它又包含可变费用(V)和不变费用(C)。

可变费用(V)的组成：材料费；操作工人工资；机床维持费；通用机床折旧费；刀具维持费折旧费；夹具维持费折旧费。它们与年产量直接有关。

不变费用(C)的组成：调整工人工资；专用机床折旧费；专用刀具折旧费；专用夹具折旧费。它们与年产量无直接关系。因为专用机床、专用工装是专门为某种零件加工所用的，不能用于其它零件，所以它们的折旧费、维持费等是确定的，与年产量无直接关系。

从而，一个零件的全年工艺成本E（单位为元/年）为：   E = NV + C

（二）工艺成本与年产量的关系

     （三）不同工艺方案经济性比较

对不同的工艺方案进行经济性比较时，有下列两种情况：

1．若两种工艺方案的基本投资相近或都采用现有设备时，则工艺成本既作为衡量各方案经济性的重要依据。

2．若两种工艺方案的基本投资相差较大时，必须考虑不同方案的基本投资差额的回收期限。