第5章机械制造质量分析与控制2

1、机械制造技术基础机械工程与自动化学院黄 微本章主要介绍以下内容：本章主要介绍以下内容：次序次序 教学内容教学内容 课时分配课时分配1 1、 第一节第一节 机械加工精度机械加工精度 2 2学时学时2 2、 机械加工精度机械加工精度 2 2学时学时3 3、 机械加工精度机械加工精度 2 2学时学时4 4、 第二节工艺过程统计分析第二节工艺过程统计分析 2 2学时学时5 5、 工艺过程统计分析工艺过程统计分析 2 2学时学时重点：重点：影响加工精度的因素、几何误差及来源、误影响加工精度的因素、几何误差及来源、误差的敏感方向、工艺系统的几何误差及差的敏感方向、工艺系统的几何误差及受力变受力变形引起的误

2、差、工件内应力重新分布引起的变形引起的误差、工件内应力重新分布引起的变形、形、误差复映、工艺过程的统计分析误差复映、工艺过程的统计分析难点：难点：影响加工精度的因素、几何误差及来源、影响加工精度的因素、几何误差及来源、受受力变形引起的误差力变形引起的误差1）系统误差系统误差系系：连续加工一批工件时，误差连续加工一批工件时，误差大小大小和和方向方向保持不变保持不变(常系常系)或按一定规律变化的或按一定规律变化的(变系变系)加工误差。加工误差。 常值系统误差常值系统误差常系常系：原理误差，机床、刀、夹、量具的制造误差，原理误差，机床、刀、夹、量具的制造误差，一次调整误差，工艺系统静力变形；一次调整

3、误差，工艺系统静力变形； 变值系统误差变值系统误差变系变系：机床动态（周期性）几何变形，刀具热变形、机床动态（周期性）几何变形，刀具热变形、刀具磨损，线性变化；刀具磨损，线性变化；2）随机误差随机误差随随:连续加工一批工件时，其大小和方向随机变化的加连续加工一批工件时，其大小和方向随机变化的加工误差。工误差。 误差复映，测量误差，定位夹紧和多次调整误差、内应力变形。误差复映，测量误差，定位夹紧和多次调整误差、内应力变形。 注意：注意： 对于系统误差根据其规律可通过调整或补偿加以消除；对于系统误差根据其规律可通过调整或补偿加以消除； 对随机误差只能减小其变动范围，不能无法完全消除。对随机误差只能

4、减小其变动范围，不能无法完全消除。加工误差系统误差随机误差常值系统误差变值系统误差大批生产时：大批生产时：一、加工误差的性质一、加工误差的性质 1、正态分布的数学模型、特征参数和特殊点、正态分布的数学模型、特征参数和特殊点 正态分布曲线方程正态分布曲线方程 (概率密度函数概率密度函数)图图 5-63平均值、均方根误差平均值、均方根误差2、两个特征参数：、两个特征参数： 算术平均值算术平均值 标准偏差（标准偏差（均方根误差、均方差）均方根误差、均方差）11niixxn21)(1niixxn实际生产中多为非标准正态分布，故需转换。变换公式为：实际生产中多为非标准正态分布，故需转换。变换公式为：3、

5、标准正态分布、非标准正态分布、标准正态分布、非标准正态分布4、工艺过程分布图分析、工艺过程分布图分析 (P189) 制作分布图了解质量分布情况、加工能力、有无废品及多少制作分布图了解质量分布情况、加工能力、有无废品及多少 1）样本容量的确定）样本容量的确定 通常取通常取 n =50200 2）样本数据整理与计算）样本数据整理与计算 剔除异常数据，确定尺寸分散范围、尺寸间隔数剔除异常数据，确定尺寸分散范围、尺寸间隔数 j、 区间宽度区间宽度x(Xmax-Xmin)/j 确定分组数、组距、组界、组中值确定分组数、组距、组界、组中值 3）绘制实际分布图（直方图或折线图）绘制实际分布图（直方图或折线图

6、） 纵坐标为频数（工件数目），横坐标为尺寸间隔。纵坐标为频数（工件数目），横坐标为尺寸间隔。见图见图 5-61分组数据分组数据直方图直方图（直方图的绘制）曲线与横坐标轴曲线与横坐标轴线围成的面积之线围成的面积之和等于和等于1!6 6、分布图分析法特点、分布图分析法特点 1）采用大样本，较接近实际地反映工艺过程总体；）采用大样本，较接近实际地反映工艺过程总体； 2）能将常值系统误差从误差中区分开）能将常值系统误差从误差中区分开(由平均值由平均值x决定决定) 3）只有全部样本加工后才能绘出曲线，不能反映先后顺序，不）只有全部样本加工后才能绘出曲线，不能反映先后顺序，不能将变值系统误差从误差中区分开

7、；能将变值系统误差从误差中区分开； 4）不能及时提供工艺过程中精度的信息，只能事后分析；）不能及时提供工艺过程中精度的信息，只能事后分析； 5）计算复杂，只适合工艺过程稳定的场合。）计算复杂，只适合工艺过程稳定的场合。*点图分析法点图分析法 计算简单，能及时提供主动控制信息，计算简单，能及时提供主动控制信息，可用于稳定过程、也可用于不稳定过程。可用于稳定过程、也可用于不稳定过程。7 工艺过程分布图分析工艺过程分布图分析 判断加工误差性质判断加工误差性质 系统误差、随机误差系统误差、随机误差 确定工序能力及等级确定工序能力及等级 工序能力系数工序能力系数Cp指满足加工精度的程度指满足加工精度的程

8、度 Cp=T /6 确定不合格率确定不合格率 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 工序能力很差工序能力等级即图中阴影面积可利用即图中阴影面积可利用概率密度积分表计算概率密度积分表计算8、工件尺寸在某区间内的概率、工件尺寸在某区间内的概率工件尺寸落在工件尺寸落在 3范围范围内的概率为内的概率为 99.73%.若尺寸分布中心与公差中心若尺寸分布中心与公差中心重合，不产生废品的条件是：重合，不产生废品的条件是：T 6

9、Q废废= 0.5 (Z)若两中心不重合，存在常值系统误差若两中心不重合，存在常值系统误差系系。T 6系系x将非标准正态分布概率密度将非标准正态分布概率密度函数转换成标准正态分布概函数转换成标准正态分布概率密度函数后可利用概率密率密度函数后可利用概率密度积分表（见度积分表（见p192表表5-3）进行计算。进行计算。变换变换Z对应的阴影面积对应的阴影面积（Z）图图 5工件的数量工件的数量%(概率密概率密度度)用阴影面积表示用阴影面积表示x工件最小工件最小=x1X工件最大工件最大=（ZA）（ZB）BA 计算合格率、不合格率计算合格率、不合格率 6= 0. 156= 0. 15 T = 0.1T =

10、0.1有废品，有废品， Cp=T/6= 0.1/0.15 = 0.67Cp=T/6= 0.1/0.15 = 0.67根据根据p193p193的叙述，知系统加工工艺能力很差的叙述，知系统加工工艺能力很差 工件的最大极限尺寸工件的最大极限尺寸 x xmax= 20 max= 20 mm ( (理论值理论值) ) 工件的最大极限尺寸工件的最大极限尺寸 x xmin= 19.9min= 19.9mm解：解： 公差带中心公差带中心X X公中公中= =（20-19.920-19.9）/2+19.9/2+19.919.95mm19.95mm 尺寸分布中心尺寸分布中心 = =X X公中公中+=19.95+0.

11、03=19.98+=19.95+0.03=19.98 常值系统误差常值系统误差系系= = X X公中公中=0.03=0.03mmmm 随机误差随机误差6=66=60.025=0.150.025=0.15或或3=3=0.0750.075mmmm根据逻辑关系判断根据逻辑关系判断实际值实际值实际值实际值 三三. 工艺过程的点图分析工艺过程的点图分析（2）均值）均值-极差点图或极差点图或X-R图图 采用顺序小样本（采用顺序小样本（46） ，由小样本均值点图和极差点，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。具体作法如下：图组成，横坐标为小样本组序号。具体作法如下： 定期测小样本尺寸；定期

12、测小样本尺寸； 计算均值计算均值 和极差和极差R： R =xmax- xmin 确定中心线确定中心线 和和 R 小样本组小样本组20 30 确定上下控制线确定上下控制线 工件公差带上下控制限工件公差带上下控制限ES 、EI ，样本均，样本均值值x的上下控制限的上下控制限UCL、LCL，定期描点定期描点xx均值点图上下控制线的确定：均值点图上下控制线的确定：极差点图上下控制线的确定：极差点图上下控制线的确定：均值点图反映了质量指标分布中心均值点图反映了质量指标分布中心(系统误差系统误差)的变化的变化 极差点图反映了质量指标分布范围极差点图反映了质量指标分布范围(随机误差随机误差)的变化的变化（3

13、）均值）均值-极差点图分析极差点图分析 生产过程稳定的标志：生产过程稳定的标志： 没有点子超出控制线；没有点子超出控制线； 大部分点在中线附近波动，小部分点在控制线附近；大部分点在中线附近波动，小部分点在控制线附近； 点子无明显规律性点子无明显规律性 生产过程不稳定的标志：生产过程不稳定的标志： 点子超出控制线或密集在控制线附近；点子超出控制线或密集在控制线附近； 连续点以上出现在中线一侧；连续点以上出现在中线一侧； 明显规律性，如上升或下降倾向；明显规律性，如上升或下降倾向； 点子有周期性波动点子有周期性波动根据点子分布情况及时查找原因采取措施根据点子分布情况及时查找原因采取措施1.若极差若

14、极差R未超控制线，说明加工中瞬时尺寸分未超控制线，说明加工中瞬时尺寸分 布较稳定。布较稳定。2.若均值有点超出控制线，甚至超出公差界限，若均值有点超出控制线，甚至超出公差界限， 说明存在某种占优势的系统误差，过程不稳定。说明存在某种占优势的系统误差，过程不稳定。 若点图缓慢上升，可能是系统热变形；若点图若点图缓慢上升，可能是系统热变形；若点图 缓慢下降，可能是刀具磨损。缓慢下降，可能是刀具磨损。3.采取措施消除系统误差后，随机误差成主要因采取措施消除系统误差后，随机误差成主要因 素，分析其原因，控制尺寸分散范围。素，分析其原因，控制尺寸分散范围。 尺寸精度尺寸精度形状精度形状精度位置精度位置精

15、度（通常形状误差限制在位置公（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，位置公差限制在尺寸公差内）差内）表面粗糙度表面粗糙度波度波度纹理方向纹理方向伤痕：划痕、裂纹、砂眼伤痕：划痕、裂纹、砂眼加工精度表面质量表面几何形状精度表面几何形状精度表面缺陷层表面缺陷层表层加工硬化表层加工硬化表层金相组织变化表层金相组织变化表层残余应力表层残余应力 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 a）波度 b）表面粗糙度 图4-2 零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZRa（m）初始磨损量重载荷轻载荷表面粗糙度与初始磨损量表面粗糙度值耐疲劳性

16、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；适当硬化可提高耐磨性图5-71 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图5-75 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） 0200400600hKsRz切削用量影响切削用量影响 刀具影响刀具影响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4-65 后刀面磨损对冷硬影响工件材料图4-64 f 和 v 对冷硬的影响硬度(HV)0f (mm /r)0.20.40.60.8v =170(m