第四章 机械加工质量分析及控制ppt课件

1、,第四章 机械加工质量分析与控制,本章要点,机械加工中的振动,影响加工误差的因素,影响机械加工表面质量的因素,工艺系统几何误差,工艺系统受力变形,工艺系统热变形,加工误差的统计分析,第四章 机械加工质量分析与控制 Analysis and Control of Machining Quality,第一节 概述 Introduction to Machining Quality,机械加工质量, 加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度。 零件宏观几何形状误差、波度、表面粗糙度,宏观几何形状误差（平面度、圆度等）波长/波高1000 波度 波长/波高=501000；且具有周期特性 表面

2、粗糙度 波长/波高50,机械加工质量,（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）,表面粗糙度 波度 纹理方向 伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）,尺寸精度的获得方法,试切法 定尺寸刀具法 调整法 自动控制法,形状精度的获得方法,轨迹法 成形法 相切法 展成法,位置精度的获得方法 一次装夹获得法 二次装夹获得法,表面粗糙度对零件使用性能的影响,对耐磨性影响,表面粗糙度值 耐疲劳性 适当硬化可提高耐疲劳性,表面粗糙度值耐蚀性 表面压应力：有利于提高耐蚀性,表面粗糙度值 配合质量,表面粗糙度值耐磨性，但有一定限度（图3-3）,纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好 适当硬化可提高耐磨性,引起加工

3、误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。,第二节 影响加工精度的主要因素,原始误差构成,加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。,一、加工原理误差,例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件(图3-5),二、机床误差,主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移。 为便于研究，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式（图3-6）。,机床误差包括机床的制造、安装、磨损等,机床误差, 传统测量方法存在问题：, 主轴回转误差的测量, 准确测量方法,包含心轴、锥孔误差在内 非运动状态。,机床误差, 主轴回转

4、误差对加工精度的影响, 主轴径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）,考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为：,式中 R 刀尖回转半径； 主轴转角。,显然，上式为一椭圆。,图 径向跳动对车外圆精度影响,机床误差,仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖运动轨迹接近于正圆（图）。,结论：主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差, 主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）,机床误差, 主轴端面圆跳动对加工精度的影响,被加工端面不平，与圆柱面不垂直； 加工螺纹时，产生螺距周期性误差。,

5、主轴倾角摆动对加工精度的影响,与主轴径向跳动影响类似，不仅影响圆度误差，而且影响圆柱度误差。,机床误差, 影响主轴回转精度的主要因素,内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差, 滑动轴承,镗床（图2） 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动, 滚动轴承,车床（图1） 轴径不圆引起车床主轴向跳动（注意其频率特性）,静压轴承 对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用,滚动轴承结构复杂，影响主轴精度因素也较复杂,除轴承本身精度外，与配合件精度有很大关系如主轴轴颈、支承座孔等精度,机床误差, 影响主轴回转精度的主要因素, 推力轴承,滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差（图3-12）, 其他因素,轴承孔、轴径圆度误

6、差；轴承孔同轴度误差；轴肩、隔套端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差；装配质量等, 提高主轴回转精度的措施,提高主轴的回转精度是获得高精度加工表面的重要手段,1、提高主轴部件的设计与制造精度,2、对滚动轴承进行预紧,3、采用误差转移方法，避免主轴回转精度反 映到工件加工中,导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差 包括：导轨在水平面内的直线度，导轨在垂直面内的直线度，前后导轨平行度（扭曲），导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等。, 导轨导向误差对加工精度的影响,导轨水平面内的直线度误差,误差敏感方向,影响显著 导轨垂直面内的直线度误差,误差非敏感方向,影响小 导轨扭曲对加工精度的影响

7、,影响显著（图3-15）,机床误差, 在水平面内的直线度（以卧式车床为例）,1将直接反映在工件加工表面法线方向（误差敏感方向）上，误差R =1 ，对加工精度影响最大。 刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。, 在垂直面内的直线度 对工件的尺寸和形状误差影响比1小得多,对卧式车床R 22/D 若设2= 0.1mm,D=40mm，则 R =0.00025mm，影响可忽略不计。 而对平面磨床、龙 门刨床误差将直接反映在工件上。,导轨在垂直面内的直线度的特殊情况为斜坡状， 加工的工件轴向形状为鞍形。, 前后导轨的平行度（扭曲） 卧式车床或外圆磨床若前后导轨存在平行度误差时， 刀具和工件之间相对

8、位置发生变化，刀尖运动轨迹是一 条空间曲线，使工件产生形状误差。 若扭曲误差为3,工件误差R(H/B)3 ，一般车床 H/B2/3，外圆磨床H/B1，误差对加工精度影响很大,除导轨制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也 是造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降 的主要原因之一。可采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴 塑导轨、滚动导轨导轨表面淬火等措施。, 影响导轨导向精度的主要因素,机床误差,机床制造误差 机床安装误差 导轨磨损, 机床传动误差对加工精度的影响,机床误差,指机床内传动链始末两端的传动元件间相对运动的误差。,一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。产生的原因 是传动链中各传动

9、元件的制造误 差、装配误差及磨损等。,图3-16是某齿轮传动链,若传动齿轮 i 在某一时刻产生转角误差为i，则它所 造成传动链末端元件的转角误差：wi =Ki i Ki 为该轴到末端元件的总传动比，称为误差传递系数， 若Ki大于1则误差被扩大；反之，若Ki小于1误差被缩小。 各传动件对工件精度影响的总和为： = wi= Ki i,缩短传动链长度 采用降速传动 提高末端元件的制造精度与安装精度 对传动误差进行补偿,末端元件转角误差, 提高传动精度措施,机床误差,三、刀具与夹具误差,定尺寸刀具（钻头、铰刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差 成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差 刀具磨损影响加工尺寸

10、误差或形状误差,刀具与夹具误差,夹具误差影响加工位置精度。 与夹具有关的影响位置误差因素包括：,通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1/3。,1）定位误差； 2）刀具导向（对刀）误差； 3）夹紧误差； 4）夹具制造误差； 5）夹具安装误差； ,四、调整误差,测量误差。 试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差。 机床进给机构的位移误差。,定程机构误差。 样件或样板误差。 测量有限试件造成的误差。 和试切法有关的误差。,图4-20 试切法与调整法,在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比,五、工艺系统受力变形对加工精度的影响,式中 k工艺系统刚度； Fp吃刀抗力； X 工艺

11、系统位移（切削合力作用下的位移）。,工艺系统受力变形对加工精度的影响,式中 k 工艺系统刚度； kjc 机床刚度； kjj 夹具刚度； kd 刀具刚度； kg 工件刚度。,工艺系统受力变形等于工艺系统各组成部分受力变形之迭加。由此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：,工艺系统受力变形对加工精度的影响 工艺系统的变形 总变形 y系 = y机+ y夹+ y刀+ y工 k系= Fy / y系，k机= Fy / y机 ， k夹= Fy / y夹 ， k刀= Fy / y刀 ， k工= Fy / y工 所以， k系= 1/(1/ k机+ 1/ k夹+ 1/ k刀+ 1/ k工) 工艺系

12、统刚度比刚度最小环节的刚度还要差,工艺系统受力变形对加工精度的影响,六、机床部件刚度及其影响因素,非线形关系，不完全是弹性变形 加载和卸载曲线不重合，所围面积表示克服摩擦和接触塑性变形所作功 存在残余变形，反复加载卸载后残余变形0 机床部件刚度比按实体估算值小许多，表明其变形受多种因素影响,2）影响机床部件刚度的因素 结合面接触变形,接触表面间的名义压强的增量与接触变形的增量之比称为 接触刚度。零件表面越粗糙，形状误差越大，材料硬度低， 接触刚度越小。, 低刚度零件本身的变形, 连接表面间的间隙, 接触表面间的摩擦 变形滞后现象,以椭圆截面车削为例说明,由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映

13、到工件上，此种现象称为“误差复映”,七、工艺系统刚度对加工精度的影响,误差复映,误差复映系数,机械加工中，误差复映系数通常小于1。可通过多次走刀，消除误差复映的影响。,工艺系统刚度对加工精度的影响,误差复映程度可用误差复映系数来表示，误差复映系数与系统刚度成反比。,加工前后误差之比值，称为误差复映系数，它代表误差复映的程度。 尺寸误差和形位误差都存在复映现象。,夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差, 夹紧力影响,a） b） 图3-23 薄壁套夹紧变形,薄壁工件磨削,【例1】薄壁套夹紧变形 解决：加开口套,【例2】薄壁工件磨削 解决：加橡皮垫,工艺系统刚度对加工精度的影响,图4-27 龙门

14、铣横梁变形,【例】龙门铣横梁,图4-28 龙门铣横梁变形转移,图4-29 龙门铣横梁变形补偿, 重力影响,工艺系统刚度对加工精度的影响,解决1：重量转移,解决2：变形补偿,减小受力变形对加工精度影响措施,合理设计零部件结构和截面形状 提高连接表面接触刚度（表面粗糙度，改进接触质量，予加载荷） 采用辅助支承（中心架，跟刀架，镗杆支承等）,支座零件不同安装方法,图3-26 转塔车床导向杆,采用合理装夹和加工方式,工件残余应力引起的变形,图3-27 铸件残余应力引起变形,图3-29 冷校直引起的残余应力,设计合理零件结构 粗、精加工分开 避免冷校直 时效处理,毛坯制造和热处理产生的残余应力（图3-2

15、7）,冷校直带来的残余应力（图3-29）,切削加工带来的残余应力,八、工艺系统热变形及其对加工精度的影响,在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约4070%。,温度场工艺系统各部分温度分布 热平衡单位时间内，系统传入的热量与传出的热量相等，系统各部分温度保持在一相对稳定的数值上 温 度场与热平衡研究目前以实验研究为主,机床热变形对加工精度影响,体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长 结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著,车床受热变形,a） 车床受热变形形态,b） 温升与变形曲线,机床热变形对加工精度影响,立铣（图a）,立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变

16、形,a）铣床受热变形形态,b）外圆磨床受热变形形态,c）导轨磨床受热变形形态,外圆磨（图b）,导轨磨（图c）,刀具和工件热变形对加工精度影响,体积小，热容量小，达到热平衡时间较短 温升高，变形不容忽视（达0.03 0.05mm）, 特点, 变形曲线,式中 热伸长量； max 达到热平衡热伸长量； 切削时间； c 时间常数（热伸长量为热平衡热伸长量约63%的时间，常取34分钟）。, 圆柱类工件热变形,5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性,式中 L， D 长度和直径热变形量； L，D 工件原有长度和直径； 工件材料线膨胀系数； t 温升。,长度：,直径：,例：长400mm丝杠，加工过程温升

17、1，热伸长量为：,刀具和工件热变形对加工精度影响,式中 X 变形挠度； L，S 工件原有长度和厚度； 工件材料线膨胀系数； t 温升。, 板类工件单面加工时的热变形,此值已大于精密导轨平直度要求,结果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。 例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：,刀具和工件热变形对加工精度影响,减小热变形对加工精度影响的措施,例1：磨床油箱置于床身内，其发热使导轨中凹 解决：导轨下加回油槽,例2：立式平面磨床立柱前壁温度高，产生后倾。 解决：采用热空气加热立柱后壁,均衡立柱前后壁温度场,减少切削热和磨削热，粗、精

18、加工分开。 充分冷却和强制冷却。 隔离热源。,热对称结构 热补偿结构 主轴热补偿）,双端面磨床主轴热补偿 1主轴 2壳体 3过渡套筒,合理选择装配基准,高速空运转 人为加热,恒温 隔离,减小热变形对加工精度影响的措施,九、提高加工精度的途径,合理采用先进工艺和设备, 误差预防指减小原始误差本身或减小原始误差的影响,减小原始误差,转移原始误差,误差分组,就地加工,均化原始误差，如研磨加工,在线测量与在线补偿,误差补偿指人为引入附加误差因素，以抵消或减小原始误差的影响,高压油泵偶件自动配磨装置示意图,以弹性变形补偿热变形,其他补偿方法,龙门铣横梁变形补偿,以热变形补偿热变形,以几何误差补偿受力变形

19、,误差补偿,机械制造工艺学,第四章 机械加工质量分析与控制 Analysis and Control of Machining Quality,加工误差的性质,在顺序加工一批工件中，其大小和方向均不改变，或按一定规律变化的加工误差。, 常值系统误差其大小和方向均不改变。如机床、夹具、刀具的制造误差，工艺系统在均匀切削力作用下的受力变形，调整误差，机床、夹具、量具的磨损等因素引起的加工误差。 变值系统误差误差大小和方向按一定规律变化。如机床、夹具、刀具在热平衡前的热变形，刀具磨损等因素引起的加工误差。,加工误差的性质, 在顺序加工一批工件中，其大小和方向随机变化的加工误差。 随机误差是工艺系统中

20、大量随机因素共同作用而引起的。 随机误差服从统计学规律。 如毛坯余量或硬度不均，引起切削力的随机变化而造成的加工误差；定位误差；夹紧误差；残余应力引起的变形等。, 运用数理统计原理和方法，根据被测质量指标的统计性质，对工艺过程进行分析和控制。,7.3.2 分布曲线法,直方图,实际分布图直方图 加工一批工件，由于随机性误差的存在，加工尺寸的实际数值是各不相同的，这种现象称为尺寸分散。 在一批零件的加工过程中，测量各零件的加工尺寸，把测得的数据记录下来，按尺寸大小将整批工件进行分组，每一组中的零件尺寸处在一定的间隔范围内。同一尺寸间隔内的零件数量称为频数，频数与该批零件总数之比称为频率。 以工件尺

21、寸为横坐标，以频数或频率为纵坐标，即可作出该工序工件加工尺寸的实际分布图直方图。 连接直方图中每一直方宽度的中点（组中值）得到一条折线，即实际分布曲线 。,分布图分析法,1）采集数据 样本容量通常取 n = 50200 2）确定分组数、组距、组界、组中值 初选分组数 k； 确定组距 d：,取整，dd 确定分组数 k：, 确定各组组界、组中值 统计各组频数,分布图分析法,3）计算样本平均值和标准差:,4）画直方图,（4-20）,（4-21）, 正态分布,式中和分别为 正态分布随机变量总体平均值和标准差。 平均值=0，标准差=1的正态分布称为标准正态分布，记为： x N ( 0, 1 ),概率密度

22、函数,（4-22）,4.5.2 分布图分析法,分布函数,（5-23）,令：,将 z 代入上式，有：,则利用上式，可将非标准正态分布转换成标准正态分布进行计算（图4-45）。,称 z 为标准化变量,分布图分析法, 非正态分布,双峰分布：两次调整下加工的工件或两台机床加工的工件混在一起,平顶分布：工件瞬时尺寸分布呈正态，其算术平均值近似成线性变化（如刀具和砂轮均匀磨损,偏向分布：如工艺系统存在显著的热变形，或试切法加工孔时宁小勿大，加工外圆时宁大勿小,几种非正态分布,分布图分析法, 判断加工性质,判断是否存在明显变值系统误差； 判断是否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小。, 确定工序能力,4.

23、5.2 分布图分析法,工序能力,工序能力系数,式中 TU, TL公差带上、下限 ； 公差带中心与误差分布中心偏移距离； 误差分布的标准差。,分布图分析法,y,工艺能力系数符号含义,x,0,3,3,公差带,T,TU,TL,工序能力等级,分布图分析法,CP 表示工艺过程本身的能力，而工艺能力系数 CPK 则表示过程满足技术要求的能力，实际上是“过程能力”与“管理能力”的综合,【例】 检查一批在卧式镗床上精镗后的活塞销孔直径。图纸规定尺寸与公差为28-0.015 ，抽查件数n100，分组数k6。测量尺寸、分组间隔、频数和频率见表7.4。求实际分布曲线图、工艺能力及合格率，分析出现废品的原因并提出改进

24、意见。 表74 活塞销孔直径测且结果,分布曲线法的实例,公差范围中心 常值系统误差,解： 以组中值Xj代替组内零件实际值，绘制图7.29为实际分布曲线。 分散范围=最大孔径一最小孔径 28.0427.9920.012mm； 样本平均值（又称尺寸分散范围中心即平均孔径）：,样本标准差 工艺能力系数， ，二级工艺能力； 废品率：由 ，查表7.3可得A0.3253； 所以 实测结果分析：部分工件的尺寸超出了公差范围，有17.47的废品（实际分布曲线图中阴影部分；这批工件的分散范围0.012mm比公差带0015mm小，也就是说实际加工能力比图纸要求的要高：Cp1.11，即6。 只是由于有系统0.005

25、4的存在而产生废品。如果能设法将分散中心调整到公差范围中心，工件就完全合格。具体的调整方法是将镗刀的伸出量调短些，以减少镗刀受力变形产生的加工误差。,分布曲线法的实例,分布曲线法的应用, 判断加工性质 判断是否存在明显变值系统误差，如加工过程中没有明显的变值系统误差，其加工尺寸分布接近正态分布(形位误差除外)； 判断是否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小，如果分散中心偏离公差带中心，则工艺系统有常值系统误差 。 确定工序能力 估算合格品率或不合格品率 分布图分析法的缺点 分布图分析法不能反映误差的变化趋势； 没有考虑加工先后顺序，难区分随机性误差和变值系统性误差； 加工完成统计，不能在过程

26、中起到及时控制质量的作用。,分布曲线法的应用,7.3.3 点图法,1）个值点图：依次测量每工件尺寸记入横坐标为零件号纵坐标为尺寸的图表中，它能较清楚地揭示出加工过程中误差的性质及其变化趋势。如图。 2）均值-极差点图：采用顺序小样本（46） ，由小样本均值点图和极差点图组成，横坐标为小样本组序号。反映了系统性误差、随机误差及其变化趋。如图。 工艺的稳定，从数理统计的原理来说，一个工艺过程的质量参数的总体分布，其平均值 和标准偏差在整个工艺过程中若能保持不变，则工艺是稳定的。,点图法,点图分析法,单值点图,点图分析法,图是控制图和R控制图联合使用的统称,R 图：,表示样组平均值，R表示样组极差,

27、图控制限,图：,4.5.3 点图分析法, 工艺过程稳定性 点子正常波动工艺过程稳定；点子异常波动工艺过程不稳定, 稳定性判别 没有点子超出控制限 大部分点子在中心线上下波动，小部分点子靠近控制限 点子变化没有明显规律性（如上升、下降倾向，或周期性波动） 同时满足为稳定,机械制造技术基础,第四章 机械加工质量分析与控制 Analysis and Control of Machining Quality,切削加工表面粗糙度影响因素,车削时残留面积的高度,直线刃车刀,圆弧刃车刀,影响因素：,切削速度影响最大：v = 1050m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差 。,其他影响因素：刀具几

28、何角度、刃磨质量，切削液等,切削加工表面粗糙度影响因素,砂轮速度v，Ra 工件速度vw，Ra 砂轮纵向进给f，Ra 磨削深度ap，Ra ,磨削加工表面粗糙度影响因素,光磨次数，Ra,砂轮粒度 ，Ra；但要适量 砂轮硬度适中， Ra ；常取中软 砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织 采用超硬砂轮材料，Ra 砂轮精细修整， Ra ,磨削加工表面粗糙度影响因素,工件材料 冷却润滑液等,机械制造工艺学,第三章 机械加工质量分析与控制 Analysis and Control of Machining Quality,影响表面冷作硬化的因素,切削加工,f，冷硬程度, 切削用量影响, 刀具影响,r，冷硬程度

29、 其他几何参数影响不明显 后刀面磨损影响显著, 工件材料,材料塑性，冷硬倾向,切削速度影响复杂（力与热综合作用结果） 切削深度影响不大,磨削速度冷硬程度（弱化作用加强） 工件转速冷硬程度 纵向进给量影响复杂,磨削深度冷硬程度, 磨削用量, 砂轮,砂轮粒度冷硬程度 砂轮硬度、组织影响不显著,工件材料,材料塑性 冷硬倾向 材料导热性 冷硬倾向,影响表面冷作硬化的因素,影响层金属残余应力的因素,v残余应力（热应力起主导作用，）, 切削用量, 刀具,前角+，残余拉应力 刀具磨损残余应力, 工件材料,材料塑性残余应力 铸铁等脆性材料易产生残余压应力,仅讨论切削加工,f残余应力,切削深度影响不显著,磨削烧

30、伤与磨削裂纹,合理选择砂轮 合理选择磨削用量 改善冷却条件,工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜,磨削烧伤,磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现,带空气挡板冷却喷嘴,表面强化工艺,利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工件表面的微观几何形状,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度,利用大量快速运动珠丸打击工件表面, 使工件表面产生冷硬层和压应力,疲劳强度,喷丸强化,滚压加工原理图,用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等,机械制造技术基础,第四章 机械加工质量分析与控制 Analysis and Control of Machining