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《机械加工工艺与装备》练习题参考答案
其是在精加工时，机床主轴的回转误差是影响工件圆度的主要因素。
6答案 机床导轨是机床各主要部件相对位置和运动的基准，它的精度直接影响机床成形运动之间的相互位置关系，因此它是产生工件形状误差和位置误差的主要因素之一。导轨误差可分为直线度误差、扭曲误差、相互位置误差3种形式。
（1）机床导轨在水平面内的直线度误差。如图5-2所示，导轨在y方向产生了直线度误差，使车刀在被加工表面的法线方向产生了位移Δy，从而造成工件半径上的误差ΔR =Δy。当车削长外圆时，则产生圆柱度误差。
图5-2 导轨在水平面内的直线度误差引起的加工误差
（2）机床导轨在垂直面内的直线度误差。如图5-3所示，导轨在垂直方向存在误差Δ，使车刀在被加工表面的切线方向产生位移，造成半径上的误差ΔR，该误差影响不大。但对平面磨床、龙门刨床、铣床等将引起工件相对砂轮或刀具的法向位移，其误差将直接反映到被加工表面，造成形状误差。
（3）导轨面间的平行度误差。如图5-4所示，车床两导轨的平行度误差（扭曲）使床鞍产生横向倾斜，刀具产生位移，因而引起工件形状误差。由图示几何关系可求出ΔR≈Δy= (H／B)Δ。一般车床的H/B≈2/3，外圆磨床H≈B，故Δ对加工精度的影响不容忽视。由于沿导轨全长上Δ的不同，将使工件产生圆柱度误差。
图5-3 导轨在垂直面内的直线度误差引起的加工误差 图5-4 导轨的扭曲对加工精度的影响
（4）机床导轨对主轴轴心线平行度误差的影响。在车床或磨床上加工，如导轨与主轴轴心线不平行，会引起工件的几何形状误差。以数控车床为例，当床身导轨在水平面内出现弯曲（前凸）时，工件可能形成腰鼓形的圆柱度。
7答案 工艺系统变形通常是弹性变形。工艺系统反抗变形的能力越大，工件的加工精度越高。工艺系统抵抗变形的能力用刚度来描述。所谓工艺系统刚度是指作用于工件加工表面法线方
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向上的切削分力Fn，与刀具在切削力作用下相对于工件在该方向上的位移之比，即k = Fn/y。
（1）切削力作用点位置的变化引起的加工误差。切削过程中工艺系统的刚度会随切削力作用点位置的变化而变化，这将直接影响工件的几何形状误差。例如，在车床上用两顶尖夹持刚性好的工件，此时主要考虑工件和夹具的变形，加工出来的工件呈两端粗、中间细的菱形，而用两顶尖夹持细长轴时，工件刚度最小、变形最大，加工后的工件呈鼓形。
（2）切削力变化引起的加工误差。在切削加工中，由于工件毛坯加工余量或材料的硬度不均匀引起切削力变化，从而引起切削和工艺系统受力变形的变化，造成工件尺寸误差和形状误差。当毛坯误差较大，一次进给不能满足加工精度要求时，需要多次进给来消除误差，使误差减小到公差允许的范围内。
（3）其他作用力引起工艺系统受力变形的变化所产生的加工误差。机械加工中除了切削力作用于工艺系统之外，还有其他力的作用，如夹紧力、工件的质量、机床移动部件的质量、传动力以及惯性力等，这些力也能使工艺系统中某些环节的受力变形发生变化，也会产生加工误差。
8答案 （1）引起热变形的根源是工艺系统在加工过程中出现的各种“热源”。这些热源大体上可分为如下4类。
① 切削和磨削加工时产生的切削热。
② 机床运动副。例如轴与轴承、齿轮副、摩擦离合器、工作台与导轨、丝杠与螺母等所产生的摩擦热和动力源（如电动机、油马达、液压系统、冷却系统）工作时所发出的热。
③ 周围环境通过空气对流而传来的热。例如气温变化、局部室温差、热风、冷风、空气流动、地基温度变化等。
④ 日光、灯光、加热器等产生的辐射热。例如靠近窗口受日光照射的机床，上、下午照射的情况不同变形不同。
（2）热源对机床、刀具、工件热变形的影响
⑤ 机床的热变形。机床受各种热源的影响，各部件将产生不同程度的热变形，不仅破坏了机床的几何关系，而且还影响各成形运动的位置关系和速度关系，从而降低了机床的加工精度。
⑥ 工件的热变形。工件在加工过程中产生热变形主要来自于切削热的作用，因其热膨胀影响了尺寸精度和形状精度。由于加工方式的不同，传给工件热量就不等，加上工件受热的体积不同，所以工件加工前后温度有变化；工件的受热均匀与否，对热变形的影响也很大。如轴类零件，在切削加工过程中均匀受热，当精加工时热变形影响很大，主要影响尺寸精度；当细长工件在顶尖间加工时，切削热引起的工件热伸长会导致轴向力不断增加，致使工件弯曲变形，加工后的工件呈鼓形，形成圆柱度和直径尺寸的误差。
⑦ 刀具的热变形。切削时产生的切削热大部分被切屑带走，传给刀具的热量不多，但因为刀具工作部分质量小、热容量小，所以变形也较大，从而影响工件的加工精度。
9答案 内应力是指当外部载荷去除后，仍残存在工件内部的应力，也称残余应力。 （1）产生内应力的原因
① 毛坯制造中产生的内应力。在铸、锻、焊及热处理等加工工艺过程中，由于工件各部分冷热收缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，毛坯内部产生了很大的内应力。毛坯的结构越复杂，各部分壁厚越不均匀，散热的条件差别越大，毛坯内部产生的内应力也愈大。
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② 冷校直带来的内应力。细长轴类零件车削后，常因棒料在轧制中产生的内应力要重新分布，而使其产生弯曲变形。为了纠正这种弯曲变形，有时采用冷校直。其方法是在与变形相反的方向加力，使工件反向产生塑性变形，以达到校直的目的。
③ 切削加工产生的内应力。在切削加工过程中，由于刀具刃口半径不能为零，因而切屑的形成存在着剧烈的撕裂和摩擦，加上后刀面的挤压，使工件表面组织产生塑性变形。晶格被扭曲、拉长、体积膨胀，比重减小，比容增大。膨胀受到里层组织的阻力，使表面残留压应力，里层产生与其平衡的拉应力。因此，对于精度要求高的零件，在粗加工、半精加工之后都要安排低温时效工序以消除表面内应力。
（2）减少或消除内应力的措施
① 合理设计零件结构，在零件结构设计中，应尽可能简化结构，使壁厚均匀、减小壁厚差、增大零件刚度。
② 进行时效处理。自然时效处理，是把毛坯或经粗加工后的工件放于露天下，利用温度的自然变化，经过多次热胀冷缩，使工件内部组织发生微观变化，从而逐渐消除内应力。这种方法一般需要半年至五年时间，会造成再制品和资金的积压，但效果较好。
③ 人工时效处理是将工件进行热处理，分高温时效和低温时效。前者是将工件放在炉内加热到500～680℃，保温4～6 h，再随炉冷却至100～200℃出炉，在空气中自然冷却。低温时效是加热到100～160℃，保温几十小时出炉，低温时效效果好，但时间长。
④ 震动时效是工件受到激振器的敲击，或工件在大滚筒中回转互相撞击，一般震动30～50 min即可消除内应力。这种方法节省能源、简便、效率高，近几年来发展很快。此方法适用于中小零件及有色金属件等。
⑤ 合理安排工艺。机械加工时，应注意粗、精加工分开；注意减小切削力，如减小余量、减小切削深度并进行多次走刀，以避免工件变形。
⑥ 尽量不采用冷校直工序，对于精密零件，严禁进行冷校直。
10答案 （1）机械加工表面质量包括加工表面的几何特征和表面层物理力学性能两个方面的内容。
① 加工表面的几何特征。机械加工的表面不可能是理想的光滑的表面，而是存在着表面粗糙度、波度等表面几何形状以及划痕、裂纹等缺陷。
② 加工表面层的物理力学性能。表面层的物理力学性能包括表面层的加工硬化、残余应力和表面层的金相组织变化。机械零件在加工中由于受切削力和热的综合作用，表面层金属的物理力学性能相对于基本金属的物理力学性能发生了变化。该层总称为加工变质层。
（2）表面质量对零件使用性能影响 ①对零件耐磨性的影响，零件的耐磨性主要与摩擦副的材料、热处理状态及润滑条件有关，一般来说，零件表面粗糙度值越小，零件表面就越光滑，耐磨性越好。但并不是粗糙度越小越耐磨，过于光滑的表面会挤出接触面间的润滑油，形成干摩擦，导致分子之间的亲和力加强，从而产生表面咬焊、胶合，反而使磨损加剧。就零件的耐磨性而言，最佳表面粗糙度Ra的值在0.8～0.2 ?m之间。
②对零件疲劳强度的影响，在交变载荷的作用下，零件表面粗糙度、划痕和裂纹等缺陷容易引起应力集中，当应力超过材料的疲劳强度时，就会产生和扩展疲劳裂纹，造成疲劳损坏。试验证明，对于承受交变载荷的零件，减少Ra值，可以使疲劳强度提高30%～40%。
表面层一定程度的加工硬化能阻碍疲劳裂纹的产生和已有裂纹的扩展，能提高疲劳强度。但若冷硬过度，就会产生大量显微裂纹而降低疲劳强度。
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表面层的残余压应力能够部分抵消工作载荷而引起的拉应力，延缓疲劳裂纹的产生和扩展，提高零件的疲劳强度。而残余拉应力使表面裂纹扩大，降低零件的疲劳强度。
③对零件配合精度的影响，对间隙配合表面，如表面粗糙，磨损后会使配合间隙增大，改变原配合性质。在过盈配合中，轴压入孔中时表面的凸峰将被挤平，而使实际过盈量比预定的小，降低了配合的可靠性。
④对零件抗腐蚀性的影响，当零件在潮湿的空气中或在有腐蚀性的介质中工作时，会发生化学腐蚀或电化学腐蚀。特别是当腐蚀作用和摩擦作用同时存在时，已被腐蚀的凸出处将因摩擦作用而很快被磨掉，从而加速其腐蚀过程。
⑤表面质量对零件的其他性能也有影响，例如降低零件的表面粗糙度可以提高密封性能、提高零件的接触刚度、降低相对运动零件的摩擦系数，提高运动的灵活性，从而减少发热和功率消耗、减少设备的噪声等。
11答案 表面层的冷作硬化程度决定于产生塑性变形的力、变形速度以及变形时的温度。切削力越大，塑性变形越大，因而硬化程度也就越大；变形速度越大，塑性变形越不充分，硬化程度也就减少。变形时的温度在（0.25～0.3）t熔 范围内，会产生变形后的金相组织的恢复现象，也就是会部分削除冷作硬化。
12答案 机械加工时，表面粗糙度形成的原因主要有几何因素，物理因素、机床、刀具和工艺系统的震动几方面。
①几何因素
在理想的切削条件下，刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面上遗留下来的切削层残留面积形成理论的粗糙度
②物理因素 在切削时，刀具的刃口圆角及刀具后刀面引起的挤压变形与摩擦使金属材料发生塑性变形，增大了表面粗糙度。另外在切削过程中出现的刀瘤与鳞刺，会使表面粗糙度严重地恶化，在加工塑性材料（如低碳钢、铬钢、不锈钢、铝合金等）时，常是影响粗糙度的主要因素。
③机械加工过程中震动
使刀具与工件之间产生相对位移，严重破坏了工件和刀具之间正常的运动轨迹，震动不仅恶化加工表面质量、缩短了刀具和机床的使用寿命，而且震动严重时加工无法进行。常常为了避免震动，不得不降低切削用量，从而降低了生产率。同时由于震动发出刺耳的噪声，不仅使劳动者容易疲劳、身心受到损害、工作效率降低，而且污染了环境。
13答案 由于切削力的作用，使被加工表面产生塑性变形，加工表面层晶格间剪切滑移，晶粒拉长、破碎，阻碍金属进一步变形，造成加工表面层材料强化和硬度增加，称为加工硬化。切削力越大，塑性变形越大，硬化程度就越大。表面强化层的深度有时可达0.5 mm，硬化层的硬度比基体金属硬度高1～2倍。
表面层的硬化程度除了与产生塑性变形的力有关外，还与变形速度以及变形时的温度有关。变形速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度降低。表层金属在塑性变形时，还产生一定数量的热，使金属表面层温度升高，当温度达到一定范围时，就会产生冷硬回复，回复作用
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