第6章机械加工质量

1、第六章 机械加工质量61 机械加工质量的基本概念62 机械加工精度63 机械加工表面质量 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）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面粗糙度、波度表面层物理机械性能表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力图6-1 加工质量包含的内容 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、表面粗糙度三者区别 a）波度 b）表面粗糙度 图6-2 零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZv尺寸精度的获得方法v1）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

2、，直至获得要求的尺寸的方法。单件小批生产v 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。成批大批量生产v3）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。钻头、铰刀、拉刀等v4）自动控制法 v形状精度的获得方法v1）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。v2）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。v3）范成法 零件表面的几何形状是在刀具与工件的啮合

3、运动中，由刀刃的包络面形成的。v4）相切法Ra（m）初始磨损量重载荷轻载荷图6-3 表面粗糙度与初始磨损量表面粗糙度值 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6-3）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理论方法：运用物理学和力学原理，分析研究某一个或某几个因素对加工精度或表面质量的影响。试验方法：通过试验或测试，确定影响各因素与加工质量指标之间的关系。统计分析方法：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。 引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着

4、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图4-5 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。 式中 R 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4-6)SRh图4-

5、6 空间曲面数控加工8SR h （4-3）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6-15 导轨扭曲引起的加工误差HRDBXYHRHB（4-5） RYRRR =X202YYRR（4-1）XRX （4-2）显然：XYRR 图6-4 误差敏感方向YR0Xa）YR0Xb）影响导轨导向精度的主要因素b）端面圆跳动a）径向圆跳动c）倾角摆动图4-7 主轴回转误差基本形式主轴回转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

6、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6-8 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。图6-9 径向跳动对车外圆精度影响12345678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6-9）。 思考：主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率为主轴转速两倍，被车外圆形状如何？结论：结论：主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差e 主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）主轴端面圆跳

7、动对加工精度的影响主轴倾角摆动对加工精度的影响AB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6-10 轴径不圆引起车床主轴径向跳动滑动轴承图6-11 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动滚动轴承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6-12）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6-12 止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响传统测量方法存在问题：主轴回转误差的测量图6-13 传统测量方法a)b)图6-14 主轴回转误差测量法1 摆动盘 2，4 传感器

8、3 精密测球 5 放大器 6 示波器 准确测量方法机床传动误差对加工精度的影响图6-17 齿轮机床传动链z7 = z8 = 16z1 = 64zn = 96z5 = z6 = 23z3 = z4 = 23bz2 = 16zn-1 = 1icefacd111sinnnjjjnjjjjkktk （4-6） 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。图4-18 传动链误差的频谱分析a)nA1A2Ai

9、b)（频率）A（幅值）12i提高传动精度措施3调整误差（1）试切法加工的调整误差度量误差、加工余量影响和微进给误差v加工余量影响打滑v微进给误差传动链间隙，爬行，先退后进或轻轻敲击（2）调整法加工的调整误差对刀装置、凸轮、靠模、行程挡块的误差a）b）在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比pFkX（4-7）式中 k工艺系统刚度； Fp吃刀抗力； X 艺系统位移（切削合力作用下的位移）。11111jcjjdgkkkkk（4-8）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

10、出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：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（4-9）图6-21 变形随受力点变化规律XtjXwzXdjXFpAABBCCZLFAFBXz图6-22 机床受力变形引起的加工误差（5-10）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6-23 工件受力变形引

11、起的加工误差22221113ptjwzdjLZZLZZXFkLkLkE J（4-11）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（4-12）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 （4-13）图6-24 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”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 （4-15）误差复映程度可用误差复映系数

12、来表示，误差复映系数与系统刚度成反比。由式（4-13）可得：kCmg（4-14）夹紧力影响a） b）图6-25 薄壁套夹紧变形图6-26 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：加橡皮垫图6-34 铸件残余应力引起变形图6-35 冷校直引起的残余应力压拉加载压压拉拉卸载v 设计合理零件结构v 粗、精加工分开v 避免冷校直v 时效处理v 毛坯制造和热处理产生的残余应力（图6-34）v 冷校直带来的残余应力（图6-35）v切削加工带来的残余应力5其他原始误差的影响工艺系统热变形v机床热变形v刀具热变形v工件热变形三、提高加工质量的措施三、提高加工质量的措施v1

13、直接减小或消除原始误差v车削细长轴v（1）反向进给（6-17b）v（2）大进给量和大主偏角，增大Ff。v（3）改用具有伸缩性的弹性后顶尖v（4）在卡盘一端的工件上车出一个缩颈v2补偿或抵消原始误差v采取一定措施补偿原始误差，车丝杆，设计误差校正机构及装置。v3误差转移法 把影响加工精度的原始误差转移到对误差不敏感的方向或不影响加工精度的方向。六角车床的垂直装刀法，镗箱体孔时采用浮动镗杆。v4均分与均化原始误差 毛胚误差大，将配件按其误差大小分成n组。v5就地加工 六角车床中心孔、龙门刨床工作台的加工v6主动测量与闭环控制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

14、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。加工误差系统误差随机误差常值系统误差变值系统误差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，

15、对工艺过程进行分析和控制。加工误差的分布曲线分析法v例：精镗28-0.015mm（27.985-28）销孔,抽查100件，每组尺寸间隔为0.002mm，分成6组，列表 组 别尺 寸 范 围/mm中点尺寸/mm组内工件数（m件）频率m/n127.992-27.99427.99344/100227.994-27.99627.9951616/100327.996-27.99827.9973232/100427.998-28.00027.9993030/100528.000-28.00228.0011616/100628.002-28.00428.00322/100以中点尺寸值为横坐标，以每组件数m或

16、频率m/n作纵坐标绘图 27.985 27.995 28.000 28.005v 分散范围=28.004-27.992=0.012mmv 分散范围中心（即平均孔径）=mx/n=27.9979mmv 公差带中心=28-0.015/2=27.9925mmv废品率=18%，尺寸为28.000-28.004零件的频率，图中阴影部分v原因：尺寸偏大（大部分27.9925），有系统误差v系统误差st=|分散范围中心-公差带中心|=27.9979-27.9925=0.0054v 解决办法：镗刀伸出量调小一点，0.0054mm。正态分布 （4-22）2121,02xyex yF（x）图6-45 正态分布曲线x

17、(z)0 x-+3 xvx工件尺寸v 工件平均尺寸（分散范围中心）v均方根偏差，vn工件总数xniinxx1niinxx12/)(特点：v中间高，两边低v对称性v越大，平坦，分散，加工精度低v正态分布曲线下面所包含的面积代表了全部工件，即100%，按积分计算v在尺寸x到 间的工件的频率为图中的阴影面积，可按积分计算，也可查表6-4，由（x-x)/的值直接查出F值。xv由表6-4查出x- =3时，F=49.865%,2F=99.73%.即工件在3以外的频率只有0.27%，可以忽略不计。分散范围：3，工件尺寸在3内的占99.73%。xv工艺能力系数Cp T工件公差带，一般情况下应使T6 Cp=T/

18、6Cp1.67为特级，说明工艺能力过高，不一定经济1.67Cp1.33为一级，说明工艺能力足够1.33Cp1.00为二级，工艺能力勉强，必须密切注意加工过程1.00Cp0.67为三级，工艺能力不够，可能出少量不合格品0.67Cp工艺能力不足，必须加以改正例：在无心磨床上加工销轴，要求外径d=12 ，抽样后测得 =11.974mm,=0.005mm，其符合正态分布，试分析该工序加工质量。解（1）公差带:Amin=12-0.043=11.957 Amax=12-0.016=11.984 Am=(Amax+Amin)/2=11.9705 T=0.027 (2)常值系统误差：常= - Am=0.003

19、5 随机误差： 随=6=60.005=0.030 (3)工艺能力系数：Cp=T/6=0.027/0.03=0.9Amin 无不合 格品 dmax= + 3=11.985 Amax 有不合格品（可修复） （5）计算不合格品率 查表 F1=0.4772 P1=0.5-0.4772=0.0228 F2=0.5 合格品率：F=F1+F2=0.4772+0.5=0.9772=97.72% 不合格品率：P=P1=2.28%2005. 0974.11984.11maxxAxxxxx(6)若要减少不合格品率，可调整机床，使分散中心 与Am重合xAmxF1F2P1-3+3T6xRR 图：xR x图： x图4-5

20、1 图xRR 图UCL=19.67CL=8.900510样组序号1520LCL=00510样组序号1520 x 图LCL=11.57UCL=21.89CL=16.73xR（4-26）1221kiiSXxxkxxA RxxA R中线上控制限下控制限R 图：1121kiiSXRRkRD RRD R中线上控制限下控制限（4-27）xRxR图： x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6-35 图xRR 图UCL=19.67CL=8.900510样组序号1520LCL=00510样组序号1520 x 图LCL=11.57UCL=21.89CL=16.73稳定性判别没有点

21、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xR63 机械加工表面质量机械加工表面质量一、机械加工表面粗糙度及影响因素1切削加工后的表面粗糙度（1）形成原因几何因素残留面积，最大高度：刀尖圆弧半径为零：Rmax=f/(cotKr+cotKr)刀尖圆弧半径为r：Rmaxf2/8r物理因素脆性材料，塑性材料，刀瘤与鳞刺图4-60 车削时残留面积的高度（4-31）rrfHctgctg28fHr（4-32）,rrrkkf刀尖圆弧半径主偏角副偏角进给量frRmaxvfrb）Rmaxfa）vfrr（2）影响因素l工件材料:最大因素为塑性l刀具几何形状、材料、刃磨质量：前角越大，粗糙度越小，增大后角，可降低粗糙度。l切削用量：切削速度影响最大，v大，粗糙度减少2磨削加工后的表面粗糙度（1）磨削砂轮的影响：粒度愈细，粗糙度小；（2）砂轮的修整：砂轮愈光滑，粗糙度愈小（3）砂轮速度：速度越大，粗糙度愈小（4）磨削深度与工件速度：增大磨削深度与工件速度，增大粗糙度。二、机械加工表面物理机械性能变化1加工表面的冷作硬化 塑性变形愈大，硬化程度愈大。n刀具的影响：减少前角、增大刃口圆弧半径和后刀面的磨损量，冷硬层深度和硬度随之增大n切削用量