机械加工质量分析与控制3

1、 机械加工精度机械加工质量分析与控制 产品质量是企业的生命线 按现代质量观它包括设计质量、制造质量和服务质量 零件制造质量是保证产品质量的基础一、加工精度的基本概念 加工质量指标分加工精度和加工表面质量 加工精度指零件加工后实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数相符的程度。符合程度愈高，加工精度愈高。实际值与理想值之差称为加工误差。零件的加加工精度度包括尺寸精度度、形状状精度、位置精精度通常尺寸寸精度要要求高,形位精度要要求也越越高常用加工工误差的的大小来来评价加加工精度度的高低低加工误差差越小，加工精精度越高高获得加工工精度的的方法（1）获得尺尺寸精度度的方法法1）试切法法用用于单单

2、件小批批生产2）调整法法用用于成成批大量量生产3）定尺寸寸刀具法法生生产率率高，刀刀具制造造复杂4）自动控控制法切切削削测量补补偿调整整（2）获得形形状精度度的方法法1）轨迹法法利利用刀刀尖运动动轨迹形形成工件件表面形形状2）成形刀刀具法由由刀刀刃的形形状形成成工件表表面形状状3）展成法法由由切削削刃包络络面形成成工件表表面形状状（3）获得相相互位置置精度的的方法主要由机机床精度度、夹具具精度和和工件的的装夹精精度来保保证二、影响响加工精精度的因因素1.原始误差差零件加工工的误差差是由于于工件与与刀具在在切削过过程中相互位位置发生生变动而而造成。工件和和刀具安安装在夹具和机机床上，工件、刀具、

3、夹具、机床构构成了一个完整整的工艺艺系统。工艺系系统的种种种误差差，是造成零件件加工误误差的根根源，故故称之为为原始误差差。原始误差差加工前误误差加工中误误差加工后误误差调整误差差机床误差差刀具制造造误差夹具误差差加工原理理误差工件装夹夹误差工艺系统统受力变变形刀具磨损损残余应力力引起变变形测量误差差工艺系统统热变形形.工艺系统统的几何何误差（1）加工原原理误差差近似的成成形运动动或刃形形所产生生的误差差，多为为形状误误差（2）机床的误误差1）主轴回回转误差差 主轴轴回转误误差概念念主轴回转转时实际际回转轴轴线与理理想回转转轴线的的偏移量量三种基本本形式：a.纯径向跳跳动b.轴向窜动动c.纯角

4、度摆摆动 影响响主轴回回转精度度的主要要因素轴承本身身误差、轴承间间隙、轴轴承间同同轴度误误差，各各段轴颈、轴孔孔的同轴轴度误差差主轴系系统的刚刚度和热热变形等等。但它们对对主轴回回转精度度的影响响大小随随加工方方式而不不同主轴采用用滑动轴轴承的车车床类，主轴受受力方向向一定，主轴颈圆度误差差影响较较大，轴轴承内径径圆度误误差没影影响镗床主轴轴受力随随镗刀旋旋转方向向不断变变化轴承孔误差影响响大滚动轴承承结构复复杂，影影响主轴轴精度因因素也较较复杂除轴承本本身精度度外，与与配合件件精度有有很大关关系如主主轴轴颈、支承承座孔等等精度产生轴向窜动动主要原原因是主轴轴轴肩端面面和轴承承承载端端面对主

5、轴回回转轴线线有垂直直度误差差。主轴不同形式式的回转误差差引起的的加工误误差不同同车床上加加工外圆圆内孔时时，主轴径向向跳动引起工件件圆度和和圆柱度误误差，对对工件端端面无影影响；轴向窜动动对圆柱表表面影响响不大，对端面面垂直度度平面度度影响大，车车削螺纹纹时会造造成导程程的周期期性误差差；纯角度摆摆动会造成车车削外圆圆或内孔孔的锥度度误差；在镗孔时，会镗镗出的孔孔为椭圆圆形。纯角度摆摆动会造成车车削外圆圆或内孔孔的锥度度误差；在镗孔孔时，若工工件进给给会使镗镗出的孔孔为椭圆圆形。提高主轴轴及支承承座孔的的加工精精度，选选用高精精度轴承承，提高高主轴部件件装配精精度、预预紧和平平衡等，提高主主

6、轴回转转精度。2）机床导导轨误差差导轨精度度要求主主要有以以下三方方面： 在水水平面内内的直线线度（以卧式式车床为为例）1将直接反反映在工工件加工工表面法法线方向向（误差差敏感方方向）上，误差差R=1，对加工工精度影影响最大大。刀尖在水水平面内内的运动动轨迹造造成工件件轴向形形状误差差。在垂直面面内的直直线度对工件的的尺寸和和形状误误差影响响比1小得多对卧式车车床R22/D若设2=0.1mm,D=40mm，则R=0.00025mm，影响可可忽略不不计。而而对对平面磨磨床、龙龙门刨床误误差将直直接反映映在工件件上。导轨在垂垂直面内内的直线线度的特特殊情况况为斜坡坡状，加工的工工件轴向向形状为为鞍

7、形。前后导轨轨的平行行度（扭扭曲）卧式车床床或外圆圆磨床若若前后导导轨存在在平行度度误差时时，刀具和工工件之间间相对位位置发生生变化，刀尖运运动轨迹迹是一条空间曲曲线，使使工件产产生形状状误差。若扭曲误误差为3,工件误差差R(H/B)3，一般车车床H/B2/3，外圆磨磨床H/B1，误差对对加工精精度影响响很大除导轨制制造误差差外，导导轨的不不均匀磨磨损和安安装质量量，也是造成导导轨误差差的重要要因素。导轨磨磨损是机机床精度度下降的主要原原因之一一。可采采用耐磨磨合金铸铸铁、镶镶钢导轨轨、贴塑导轨、滚动导导轨导轨轨表面淬淬火等措措施。）机床床传动链链误差指机床内内传动链链始末两两端的传传动元件件

8、间相对对运动的的误差，一般用传传动链末末端元件件的转角角误差来来衡量。产生的的原因是传动链链中各传传动元件件的制造造误差、装配误误差及磨磨损等。若传动齿齿轮i在某一时时刻产生生转角误误差为i，则它所所造成传动动链末端端元件的的转角误误差：wi=KiiKi为该轴到到末端元元件的总总传动比比，称为为误差传传递系数数，若Ki大于1则误差被被扩大；反之，若Ki小于1误差被缩缩小。各传动件件对工件件精度影影响的总总和为：=wi=Kii减少传动动链误差差的措施施：尽可能缩缩短传动动链，减减少传动动元件数数目； 尽量量采用降速速传动，误差被被缩小；提高传动动元件、特别是是末端元元件的制制造和装配精度度；消除

9、传动动间隙；采用误差差补偿机机构或自自动补偿偿装置。（3）刀具的的几何误误差包括刀具具切削部部、装夹夹部的制制造误差差及刀具具安装误误差定尺寸刀刀具刀具尺寸寸精度直直接影响响工件尺尺寸精度度成成形刀具具刀具形状状精度直直接影响响工件形形状精度度展展成刀具具刀刃形状状精度会会影响工工件加工工精度一一般刀具具制造精度度对工件件加工精精度无直直接影响响（4）夹具的的几何误误差包括夹具具制造误误差、安安装误差差及磨损损对工件尺尺寸精度度和位置置精度影影响很大大（5）定位误误差包括基准准不重合合误差、定位副副制造不不准确误误差直接影响响工件的的尺寸精精度和位位置精度度（6）调整误误差在工序的调整工工作中

10、所所存在的的误差即即调整误误差一次调整整后存在在的误差差对这一一批零件件的影响响是不变变的。但大批量加加工中存存在多次次调整，不可可能每次次完全相相同。对全部零零件来说说，每次次调整误差为偶偶然性误误差。机机床调整误差可可理解为为零件尺尺寸分布曲线中中心的最最大偏移移量。加工中不不产生废废品的条件：fb+tT3.工艺系统统的受力力变形（1）基本概概念（2）零件刚刚度若零件刚刚度相对对于机床床、刀具具、夹具具来说比比较低，其变形形对加工精精度影响响比较大大，最大大变形量量按材料料力学公公式估算算。长轴两顶顶尖装夹夹按简支支梁计算算，三爪爪卡盘装装夹按悬悬臂梁计计算（1）工艺系系统刚度度工艺系统统

11、抵抗变变形的能能力可用用工艺系系统刚度度k系来描述。垂直作用用于工件件加工表表面的径径向切削削分力Fy与工艺系系统在该方向上上的变形形y之间的比比值，称称为工艺艺系统刚刚度k系k系= Fy/ y柔度w=1/k（3）刀具刚刚度外圆刀具具在加工工表面法法线方向向上的刚刚度很大大变形可可忽略；镗小孔刀刀杆刚度度很差，变形对对加工精精度影响响很大，刀杆变变形按材料料力学公公式估算算。（4）机床部部件刚度度机床部件件刚度机床结构构形状复复杂，刚刚度计算算主要通通过实验验方法来来测定。变形与载载荷不成成线性关关系；加加载与与卸载曲曲线不重重合；有残余变变形存在在；实际际刚度比比估算的的小（5）工艺系系统受

12、力力变形及及其对加加工精度度的影响响1）工艺系系统的变变形总变形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)工艺系统统刚度比比刚度最最小环节节的刚度度还要差差2）工艺系系统受力力变形对对加工精精度的影影响切削力力位置的的变化对对加工精精度的影影响设刀具工工件刚度度很大总变形y系= y刀架+ yx设刀具工工件刚度度很大总变形y系= y刀架+ yxy主=FA/k主=Fy(l-x)/(l k主)，y尾=FB/k尾=Fyx/(l k尾)y系= y刀

13、架+ yx=Fy当x= 0时，y系=？;当x=l时，y系=？当x=k尾l/(k主+k尾)时，y系min=Fyly尾- y主xyx- y主=yx =y尾x ll-x l+y主1 k刀架+1 k主1 k尾x l2l-x l2+若工件刚刚性较差差应考虑虑其变形形，按简简支梁计计算y工=y系= y刀架+yx+y工Fy 3EI(l-x)2x2l1 k刀架+1 k主+ k尾讨论：1.在x处工件半半径Rx=R+y刀架+yx+y工半径误差差R=Rx-R=y刀架+yx+y工=y系2.一次走刀刀中若y系为常量，不会造造成工件件形状误差和尺尺寸不一一3.若工件刚刚性大l/D5，可不考考虑y工，y系是x的二次函函数圆

14、柱度误误差=ymax-ymin4.若工件为为细长轴轴刚性很很差，系系统变形形主要是是工件变形，当x=l/2时，y工max=Fyl3/(48EI) 切削削力大小小变化对对加工精精度的影影响毛=ap1ap2工=y1y2误差复映映系数=工/毛Fy=CyfyapxHBSn=CapxCapFy1= C(ap1y1)Cap1Fy2= C(ap2y2)Cap2工=y1y2=(Fy1-Fy2)/k系= (Cap1Cap2)/k系=工/毛=C(ap1ap2)/(k系(ap1ap2)=C/k系=工/毛=C/k系总是小于于1，有修正正误差的的能力多次进给给=1232.k系越大，就越小，复映到到工件上上的误差差越小3

15、.C减小，就越小，应采取取减小Fy的措施讨论： 夹紧紧变形对对加工精精度的影影响工件刚性性差（薄薄件、圆圆环）装装夹不当当会产生生受力变变形机床部部件、工工件重量量对加工工精度的的影响其它作作用力对加工精精度的影影响传动力（拨杆）、离心心力改变变方向会会使工艺艺系统产生相相应变形形3）减少工工艺系统统受力变变形的途途径 减小小切削力力及其变变化；提提高系统统中零件件的配合合质量；缩短切削削力作用用点和支支撑点的的距离，设置辅辅助支承提提高部件件刚度4.工艺系统统的热变变形工艺系统统在各种种热源的的影响下下会产生生很复杂杂的变形形，导致工件件产生加加工误差差（1）工艺系系统的热热源1）内部热热源

16、包括切削热、摩擦热热和派生生热源2）外部热热源包括环境温度度、辐射射热（2）工件热热变形对对加工精精度的影影响1）工件均均匀受热热车镗轴套套类零件件圆柱面面，长度度及径向向受热变变形。若在受热热时测量量达到规规定尺寸寸，冷却却后尺寸寸变小，可能出现现尺寸超超差。2）工件不不均匀受受热铣、刨、磨平面面等，工工件单面面受热产产生弯曲曲变形磨削细长长轴时工工件温生生逐渐增增加（3）刀具热热变形对对加工精精度的影影响主要是主主轴部件件、床身身导轨及及两者相相对位置置的热变变形（4）机床热热变形对对加工精精度的影影响（5）热变形形的控制制（1）减少发发热和采采取隔热热；（2）强制冷冷却，均均衡温度度场；

17、（3）从结构构上采取取措施减减少热变变形；（4）控制环环境温度度。5.工件内应应力引起起的变形形内应力产产生的原原因及消消除措施施1、铸锻焊焊、热处处理等因因工件壁壁厚不均均热胀冷冷缩不均均及金相组织织变化等等导致体体积变化化，毛坯坯产生内内应力，处于暂时时平衡状状态，切切削时平平衡状态态被打破破。2、冷校直直产生的的内应力力可在热处处理后进进行时效效处理来消消除残余余应力。常用人工工时效、振动时时效和天然然时效等等方法。工件若产产生内应应力处于于不稳定定状态会会逐渐变变形三、加工工误差的的统计分分析1.（1）加工误误差的分分类1）系统误误差常值系统统误差：原理机床床刀夹量量具制造造调整误误差

18、变值系统统误差：机床刀具具热变形形、刀具具磨损2）随机误误差:误差复映映定位夹夹紧操作作误差内内应力变变形对系统误误差可循循其规律律加以调调整或补补偿来消消除对随机误误差只能能缩小其其变动范范围无法法完全消消除（2）正态分分布1）正态分分布的数数学模型型、特征征参数和和特殊点点正态分布布曲线方方程两个特征征参数：算算术平平均值x和标准偏偏差正态分布布的特殊殊点处处概概率密度度函数有最最大值x=x处为拐点2） 标准准正态分分布=0，=1实际生产产中为非非标准正态分布布需转换换令z=(x-)/xxx即图中阴阴影面积积可利用概概率密度度积分表计计算3） 工件件尺寸在在某区间间内的概概率工件尺寸寸落在

19、3范围内的的概率为99.73%若尺寸分分布中心心与公差中心心重合，不产生废品品的条件件是：T6Q废= 0.5(x)若中心不不重合存存在常值值系统误误差系，T6系x例：轴20-0.1，= 0.025，xT = -(0.03) 求常值系统误差、随机误差，合格率、不合格率x0解： 公差带中心 xT = 19.95 尺寸分布中心 = xT += 19.95 +0.03 = 19.98 常值系统误差系 = - xT = 0.03 随机误差 6= 6 0.025 = 0. 15 或3=0.075xx 计算合格率、不合格率 6= 0. 15 T = 0.1， Cp=T /6= 0.1/0. 15 =0.67

20、工件极限尺寸 xmin= xA= 19.9 ， xmax= xB= 20 zA =( - xA)/= (19.98 -19.9)/0.025=3.2 (zA)= 0.49931 zB =( xB - )/= (20 -19.98)/0.025 =0.8 (zB)= 0.2881合格率=(zA)+(zB)= 0.49931+0.2881=0.78741=78.741%废品率 0.5-0.49931=0.069% 0.5-0.2881=21.19% 可修复xx2.工艺过程程的分布布图分析析（1）工艺过过程的稳稳定性指均值和和标准差差稳定不不变的性性能，取取决于变变值系统统误差（2）工艺过过程分布布

21、图分析析制作分布布图了解解质量指指标分布布、加工工能力、是否有有废品1）样本容容量的确确定通常取n=502002）样本数数据整理理与计算算剔除异常常数据，确定尺尺寸分散散范围R、尺寸间间隔数j、区间宽度度x3）绘制实实际分布布图纵坐标为为频数：同间隔隔尺寸工工件数目目 4）绘制理论分布图 纵坐标将概率密度转换成频数，分散范围3 理论最大频数 fmax=ymaxn x 对应 x = 处 拐点处频数 f= yn x 对应 x = 处xx5）工艺过过程分布布图分析析 判断断加工误误差性质质系统误差差、随机机误差 确定定工序能能力及等等级工序能力力系数Cp指满足加加工精度度的程度度Cp=T/6确定不合

22、合格率（2）分布图图分析法法特点1）采用大大样本，较接近近实际地地反映工工艺过程程总体；2）能将常常值系统统误差从从误差中中区分开开；3）在全部部样本加加工后绘绘出曲线线，不能能反映先先后顺序，不能能将变值值系统误误差从误误差中区区分开；4）不能及及时提供供工艺过过程精度度的信息息，事后后分析；5）计算复复杂，只只适合工工艺过程程稳定的的场合。点图分析析法计算简单单，能及及时提供供主动控控制信息息，可用于稳稳定过程程、也可可用于不不稳定过过程。3.工艺过程程的点图图分析（1）逐点点点图依次测量量每件尺尺寸记入入横坐标标为零件件号纵为为尺寸的的图表中中（2）均值-极差点图图采用顺序序小样本本（4

23、6） ，由由小样本本均值点点图和极极差点图组成，横坐标标为小样样本组序序号。具具体作法法如下： 定期期测小样样本尺寸寸； 计算算均值和和极极差R：R=xmax-xmin确定中心心线和和R小样本组组2030确定上下下控制线线ES、EI、UCL、LCL，定期描点点xx均值点图图上下控控制线的的确定：极差点图图上下控控制线的的确定：均值点图图反映了了质量指指标分布布中心(系统误差差)的变化极差点图图反映了了质量指指标分布布范围(随机误差差)的变化（3）均值-极差点图图分析生产过程程稳定的的标志： 没有有点子超超出控制制线； 大部部分点在在中线附附近波动动，小部部分点在在控制线线附近；点子无无明显规规律性生产过程程不稳定定的标志志： 点子子超出控控制线或或密集在在控制线线附近； 连续续点以以上出现现在中线线一侧； 明显显规律性性，如上上升或下下降倾向向； 点子子有周期期性波动动根据点子子分布情情况及时时查找原原因采取取措施1.若极差R未超控制制线