第五章 机械加工质量分析与控制

1、123 尺寸精度形状精度位置精度（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）加工精度加工精度 加工误差：零件加工后实际几何参数与理想几何参数的偏离程度，偏离程度越小精度越高。 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。4 表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力表面几何形状精度表面几何形状精度物理力学性能物理力学性能 5 机械加工表面质量： 零件几何形状误差、波度、表面粗糙度 a）波度 b）表面粗糙度 图5-1 零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ6Ra（m）初始磨损量重载荷轻载荷图5-2 表面粗糙度与初始磨损量表面粗

2、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5-2）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7 引起加工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。原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与工艺过程有关的原始误差(动误差)原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形刀具磨损测量误差工件残余应力引起的变形工件相对于刀具静止状态下的误差工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差8RY

3、RRR =X202YYRR（4-1）XRX （4-2）显然：XYRR 图5-3 误差敏感方向YR0Xa）YR0Xb）9 加工精度获得的方法： （1）获的尺寸精度的方法 1）试切法加工、测量、再加工、再测量 2）调整法 将刀具的位置调整好，加工过程中保持位置不变。 3）尺寸刀具法 零件的尺寸由刀具的尺寸决定。 4）自动控制法（2）获的形状精度的方法 1）成形运动法 a.轨迹法；b.成形刀具法；c.展成法 2）非成形运动法 （2）获的位置精度的方法 1）一次装夹法 2）多次装夹法 3）非成形运动法 1011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。 S 步进量 R

4、球头刀半径； h 允许的残留高度。例例2：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮例例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件(图5-4)SRh图5-4 空间曲面数控加工12a）b）图5-5 试切法与调整法13L0.056F710F7k620H 7g 6YZ图5-6 钻径向孔的夹具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；14图图5-7 成型刀具加工齿轮成型刀具加工齿轮15 16b）端面圆跳动a）径向圆跳动c）倾角摆动图5-8 主轴回转误差基本形式17主轴回转误差对加工精度的影响 主轴径向圆跳动

5、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：e图5-9 径向跳动对镗孔精度影响式中 R 刀尖回转半径； 主轴转角。() cossinXReYR（4-4） 显然，式（4-4）为一椭圆。18结论：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）影响主轴回转精度的主要因素图图5-10 影响主轴回转精度的主要因素影响主轴回转精度的主要因素19AB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图5-11 轴径不圆引起车床主轴径向跳动滑动轴承图5-12 轴承孔不圆引起

6、镗床主轴径向跳动滚动轴承20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5-13）其他因素轴承孔、轴径圆度误差；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a） b）0图5-13 止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响主轴端面圆跳动对加工精度的影响主轴倾角摆动对加工精度的影响21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X图5-14 导轨扭曲引起的加工误差HRDBXYHRHB（5-5） 22影响导轨导向精

7、度的主要因素23图5-15 成形运动间位置误差对外圆和端面车削的影响fZzzc）HyR0fXZLfdDdxa）b）24dcdc cos图图5-1625图图5-17端铣刀对称铣削时的平面度误差端铣刀对称铣削时的平面度误差bf26机床传动误差对加工精度的影响图5-18 齿轮机床传动链z7 = z8 = 16z1 = 64zn = 96z5 = z6 = 23z3 = z4 = 23bz2 = 16zn-1 = 1icefacd111sinnnjjjnjjjjkktk （5-1） 以齿轮机床传动链为例：式中 n 传动链末端元件转角误差； kj 第j 个传动元件的误差传递系数，表明第j个传动元件对末端

8、元件转角误差影响程度，其数值等于该元件至末端元件的传动比； n 传动链末端元件角速度； j 第j 个传动元件转角误差的初相角。27图5-19 传动链误差的频谱分析a)nA1A2Aib)（频率）A（幅值）12i提高传动精度措施 28提高传动精度措施 2930工艺系统所受外力与变形量之比式中 k工艺系统刚度； F工艺系统受的力； X 工艺系统在力的方向上的位移。XFk图图5-21 车削加工车削加工3111111jcjjdgkkkkk（5-2）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

9、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：32机床变形引起的加工误差式中 Xjc 机床总变形； Fp 吃刀抗力； ktj 机床前顶尖处刚度； kwz 机床后顶尖处刚度； kdj 机床刀架刚度； L 工件全长； Z 刀尖至工件左端距离。22111jcptjwzdjLZZXFkLkLk（5-3）图5-22 变形随受力点变化规律XtjXwzXdjXFpAABBCCZLFAFBXz33图5-23 机床受力变形引起的加工误差（5-4）223pgFLZZXE JL工件变形引起的加工误差式中 Xg 工件变形； E 工件材料弹性模量； J 工件截面惯性矩； Fp，L，Z 含义同前。图5-24 工件

10、受力变形引起的加工误差3422221113ptjwzdjLZZLZZXFkLkLkE J（5-5）机床变形和工件变形共同引起的加工误差工艺系统刚度222211113ptjwzdjFkXLZZLZZkLkLkE J（5-6）35式中 g 工件圆度误差； m 毛坯圆度误差； k 工艺系统刚度； 误差复映系数。 1212121gppppmCFFaakk （5-7）图5-25 误差复映现象ap11ap22毛坯外形工件外形由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映到工件上，此种现象称为“误差复映”36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。123n （5-9）误差复映程度可

11、用误差复映系数来表示，误差复映系数与系统刚度成反比。由式（4-13）可得：kCmg（5-8）37夹紧力影响a） b）图5-26 薄壁套夹紧变形图5-27 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38图5-28 龙门铣横梁变形【例】龙门铣横梁图5-29 龙门铣横梁变形转移图5-30 龙门铣横梁变形补偿重力影响 解决1：重量转移 解决2：变形补偿39传动力与惯性力影响图5-31 传动力对加工精度的影响zlRXYFpFcFcdFcdxra）OOr0XYFpAFcdrcd=Fcd / kcOFcFc / kcFp / kcb）O40图5-32 车床刀架变形

12、曲线X（m）10203040500123F（KN）v 非线形关系，不完全是弹性变形v 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v 存在残余变形，反复加载卸载后残余变形0v 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41式中 c, m与接触面材料、表面 状况有关的系数和指数； p 表面压强。mXc p （5-10）图5-32 接触变形曲线xOpppxx42v合理设计零部件结构和截面形状v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） v采用辅助支承（中心架，跟刀架，镗杆支承等）图5-34 支座零件不同安装方法图5-33 转塔车床导向杆v采用合理装

13、夹和加工方式43v 温度场工艺系统各部分温度分布v 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v温 度场与热平衡研究目前以实验研究为主工艺系统热源内部热源外部热源切削热摩擦热环境热源辐射热44v 体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长v 结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著运转时间 / h0 1 2 3 450150100200位移 /m20406080温升 / YX前轴承温升图5-35 车床受热变形a） 车床受热变形形态b） 温升与变形曲线（图5-35）45v 立铣（图a）图5-36 立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形a）铣床

14、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v 外圆磨（图b）v 导轨磨（图c）（图5-36）46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531.1 1040014.410()4.4()LLtmmm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。LLt（5-11）DDt（5-12）47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。28LtXS（5-13）板类工件单面加工时的热变形（图5-37）图5-37 平面加工热变形X/ 4LS221.120003886000.02

15、2 ()LtXSmm此值已大于精密导轨平直度要求结果结果：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。例例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：48特点变形曲线（图5-38）max1ce（5-14）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）。(min)图5-38 车刀热变形曲线连续切削升温曲线冷却曲线间断切削升温曲线（m）maxb0c0.63max49例例1：磨床油箱置于床身内，其发热使导轨中凹解决解决：导轨下加回油槽图5-39 平面磨床补偿油沟例例2：

16、立式平面磨床立柱前壁温度高，产生后倾。解决解决：采用热空气加热立柱后壁（图5-40）。图5-40 均衡立柱前后壁温度场v 减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。v 充分冷却和强制冷却。v 隔离热源。5051图图5-41 铸造产生内应力铸造产生内应力图图5-42 冷校直产生内应力冷校直产生内应力5253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

17、热变形，刀具磨损等因素引起的加工误差。加工误差系统误差随机误差常值系统误差变值系统误差54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。55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 )（5-15）2121,02xyex yF（z）图5

18、-43 正态分布曲线( z = 0 )x(z)0z-+562121( )2xxF xedx（5-16）221( )02zzF zed zxz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5-44）。称 z 为标准化变量yF（z）图5-44 正态分布曲线( z = 0 )x(z)0z-+57非正态分布 xy0a）双峰分布双峰分布：两次调整下加工的工件或两台机床加工的工件混在一起（图5-45a） xy0b）平顶分布xy0c）偏向分布平顶分布：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）（图5-45b）偏向分布：如工艺系统存在显著

19、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（图5-45c）图5-45 几种非正态分布 581）采集数据 样本容量通常取 n = 502002）确定分组数、组距、组界、组中值 按教材134页表5-2初选分组数 k； 确定组距 d： 取整，dd 确定分组数 k：maxmin11xxRdkk 确定各组组界、组中值 统计各组频数1Rkd(5-17)(5-18)59图5-46 直方图-14.5-8.55-3.5x y （频数）（偏差值）（平均偏差）-15-10-5（公差带中心）（公差带下限）（公差带上限）3）计算样本平均值和标准差:4）画直方图（图5-46）11niixxn（5-19）211

20、1niisxxn（5-20）60判断加工性质确定工序能力 3626PPKCPTUTLCTUTLC （5-21）（5-22）（5-23）工序能力 工序能力系数 61y图5-47 工艺能力系数符号含义x033公差带TTUTL3626PPKCPTUTLCTUTLC 62 工序能力系数 工序等级 说 明 CP1.67 特级 工序能力过高1.67 CP 1.33 一级 工序能力足够1.33 CP 1.00 二级 工序能力勉强1.00 CP 0.67 三级 工序能力不足 0.67 CP 四级 工序能力很差表5-2 工序能力等级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

21、力，实际上是“过程能力”与“管理能力”的综合6301234567样组序号b）工件尺寸公差带T控制限图5-48 单值点图工件序号c）AABOOB工件尺寸工件尺寸工件序号a差带T控制限64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图5-49 图xRR 图UR=19.67R=8.900510样组序号1520LR=00510样组序号1520 x 图LCL=11.57UCL=21.89CL=16.73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）v 同时满足为稳定xR

22、xxRxx6566 由于钝圆半径的存在，刀具不能把切削层全部切下来，而留下一薄层。图图5-50 以加工表面形成过程以加工表面形成过程67maxcotcotrrkkfR图5-51 车削时残留面积的高度,rrrkkf刀尖圆弧半径主偏角副偏角进给量frRmaxvfrb）Rmaxfa）vfrrrfR82max68图5-52 切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m） 0200400600hKsRz69v 砂轮速度v，Rav 工件速度vw，Ra v 砂轮纵向进给f

23、，Ra v 磨削深度ap，Ra 图5-53 磨削用量对表面粗糙度的影响vw = 40(m/min)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v = 50(m/s)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v(m/s), vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b） 图5-53 光磨次数-Ra关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)v光磨次数，Ra70v 砂轮粒度，Ra；但要适量v

24、砂轮硬度适中， Ra ；常取中软v 砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织v 采用超硬砂轮材料，Ra v 砂轮精细修整， Ra v 工件材料v 冷却润滑液等71刀具的影响 0，冷硬程度下降 后刀面磨损影响显著（图4-65）刃口钝圆半径越小，硬化层越 小00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z)图5-54 后刀面磨损对冷硬影响工件材料的影响图4-64 f 和 v 对冷硬的影响硬度(HV)0f (mm /r)0.20.40.60.8v =170(m/min)135(m/min)100(m

25、/min )50(m/min)100200300400工件材料：45切削用量的影响72刀具工件材料图5-56 f 对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 残余应力(Gpa)0.2000.2001 00200300400距离表面深度(m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r图5-55 vc 对残余应力的影响0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm, f=0.05mm/r, 不加切削液050100150200距离表面深度(m)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc =213m

26、/minvc =86m/minvc =7.7m/min切削用量73磨削用量砂轮工件材料图5-57 磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削74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 图5-58 带空气挡板冷却喷嘴75图5-60 滚压加工原理图图5-59 珠丸挤压引起残余应力 压缩拉伸塑性变形区域7677v 影响加工表面粗糙度，振动频率

27、较低时会产生波度v 影响生产效率 v 加速刀具磨损，易引起崩刃v 影响机床、夹具的使用寿命v 产生噪声污染，危害操作者健康v 工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。v 由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。自由振动强迫振动自激振动78v 由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起v 强迫振动振源：机外机内。机外振源均通过地基把振动传给机床。机内： 1）回转零部件质量的不平衡 2）机床传动件的制造误差和缺陷 3）切削过程中的冲击v 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数v 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近