机械制造质量分析与控制

1、第五章 机械制造质量分析与控制第一节 机械加工精度第二节 工艺过程的统计分析第三节 机械加工表面质量第四节 机械加工过程中的振动1.加工工精度与与加工误误差所谓加工工精度是是指零件件加工后后的实际际几何参参数(尺寸、形状和和位置) 与理理想几何何参数的的符合程度。实实际值愈愈接近理理想值，加工精精度就愈愈高。实际加工工不可能能把零件件做得与与理想零零件完全全一致，总会有有大小不不同的偏偏差，零零件加工工后的实实际几何何参数对对理想几几何参数数的偏离离程度，称为加加工误差差。第一节机机械加加工精度度一、概述述2.加工工经济精精度图5-2加加工成本本与加工工误差之之间的关关系3.原始始误差由机床、

2、夹具、刀具和和工件组组成的机机械加工工工艺系系统(简称工工艺系统统)会会有各种种各样的的误差产产生，这这些误差差在各种种不同的的具体工工作条件件下都会会以各种种不同的的方式(或扩扩大、或或缩小) 反映映为工件件的加工工误差。工艺系系统的误误差是“因”，是根源源；工件件的加工工误差是是 “果果”，是是表现；因此，我们把把工艺系系统的误误差称为为原始误误差。4.误差差敏感方方向的概概念图5-3 由z引起的加加工误差差原始误差差所引起起的切削削刃与工工件间的的相对位位移，如如果产生生在加工工表面的的法线方方向，则则对加工工误差有有直接的的影响；如果产产生在加加工表面面的切线线方向上上，就可可以忽略略

3、不计。我们把把加工表表面的法法向称之之为误差差的敏感感方向。分析计算算法是在掌握握各原始始误差对对加工精精度影响响规律的的基础上上，分析析工件加加工中所所出现的的误差可可能是哪哪一个或或哪几个个主要原原始误差差所引起起的，并并找出原原始误差差与加工工误差之之间的影影响关系系，进而而通过估估算来确确定工件件的加工工误差的的大小，再通过过试验测测试来加加以验证证。统计分析析法是对具体体加工条条件下加加工得到到的几何何参数进进行实际际测量，然后运运用数理理统计学学方法对对这些测测试数据据进行分分析处理理，找出出工件加加工误差差的规律律和性质质，进而而控制加加工质量量。分析析计算法法主要是是在对单单项

4、原始始误差进进行分析析计算的的基础上上进行的的，统计计分析法法则是对对有关的的原始误误差进行行综合分分析的基基础上进进行的。5.研究究机械加加工精度度的方法法二、工艺艺系统几几何误差差1.机床床的几何何误差加工中刀刀具相对对于工件件的成形形运动一一般都是是通过机机床完成成的，因因此，工工件的加加工精度度在很大大程度上上取决于于机床的的精度。机床制制造误差差对工件件加工精精度影响响较大的的有：主轴回转转误差、导轨误差差和传动链误误差。机床的的磨损将将使机床床工作精精度下降降。(1)定定尺寸刀刀具(如钻头头、铰刀刀、镗刀刀块、孔孔拉刀、丝锥、板牙、键槽铣铣刀等)的尺寸寸和形状状误差(2)成成形刀具

5、具 (如如成形车车刀、成成形铣刀刀、模数数铣刀等等)的形形状误差差(3)展展成刀具具 (如如齿轮滚滚动、插插齿刀、花键滚滚刀等)切削刃刃的形状状及有关关尺寸，以及其其安装、调整不不正确(4)一一般刀具具 (如如普通车车刀、单单刃镗刀刀、面铣铣刀、刨刨刀等)的制造造误差2.刀具具的几何何误差夹具的作作用是使使工件相相对于刀刀具和机机床具有有正确的的位置，因此夹夹具的制制造误差差对工件件的加工工精度(特别别是位置置精度) 有很很大影响响。3.夹具具的几何误误差图5-10工工件在在夹具中中装夹示示意试切法调调整广泛泛用在单单件、小小批生产产中。这这种调整整方式产产生调整整误差的的来源有有3个方方面：

6、(1)度度量误差差(2)加加工余量量的影响响(3)微微进给误误差三、调整整误差1.试切切法调整整在大批大大量生产产中广泛泛应用行行程挡块块、靠模模、凸轮轮等机构构保证加加工精度度。这时时候，这这些机构构的制造造精度和和调整，以及与与它们配配合使用用的离合合器、电电气开关关、控制制阀等的的灵敏度度就成了了影响误误差的主主要因素素。2.按定定程机构构调整在大批大大量生产产中用多多刀加工工时，常常用专门门样件来来调整切切削刃间间的相对对位置。如活塞塞环槽半半精车和和精车时时就是如如此。当工件形形状复杂杂，尺寸寸和重量量都比较较大的时时候，利利用样件件进行调调整就太太笨重，且不经经济，这这时可以以采用

7、样样板对刀刀。3.按样样件或样样板调整整机械加工工工艺系系统在切切削力、夹紧力力、惯性性力、重重力、传传动力等等的作用用下，会会产生相相应的变变形，从从而破坏坏了刀具具和工件件之间的的正确的的相对位位置，使使工件的的加工精精度下降降。四、工艺艺系统受受力变形形引起的的误差1.基本本概念图5-12受受力变变形对工工件精度度的影响响a)车长长轴b)磨磨内孔工艺系统统中如果果工件刚刚度相对对于机床床、刀具具、夹具具来说比比较低，在切削削力的作作用下，工件由由于刚性性不足而而引起的的变形对对加工精精度的影影响就比比较大，其最大大变形量量可按材材料力学学有关公公式估算算。2.工件件刚度外圆车刀刀在加工工

8、表面法法线（y）方向上上的刚度度很大，其变形形可以忽忽略不计计。镗直直径较小小的内孔孔，刀杆杆刚度很很差，刀刀杆受力力变形对对孔加工工精度就就有很大大影响。3.刀具具刚度(1)机机床部件件刚度图5-14车车床部部件静刚刚度的测测定1心轴轴2、3、6千千分表4测力力环5螺旋旋加力器器4.机床床部件刚刚度图5-15车车床刀刀架部件件的刚度度曲线1加载载曲线2卸载曲曲线(2)影影响机床床部件刚刚度的因因素由于零件件表面存存在宏观观几何形形状误差差和微观观几何形形状误差差，结合合面的实实际接触触面积只只是名义义接触面面积的一一小部分分 (图图所示)，在外外力作用用下，实实际接触触区的接接触应力力很大，

9、产生了了较大的的接触变变形。1)结合合面接触触变形的的影响图5-16两两零件件结合面面间的接接触情况况4.机床床部件刚刚度2)摩擦擦力的影影响图5-17摩摩擦力力对机床床部件刚刚度的影影响4.机床床部件刚刚度3)低刚刚度零件件的影响响在机床部部件中，个别薄薄弱零件件对刚度度的影响响很大。4)间隙隙的影响响机床部件件在受力力作用时时，首先先消除零零件间在在受力作作用方向向上的间间隙，这这会使机机床部件件产生相相应的位位移。4.机床床部件刚刚度(1)由由于工艺艺系统刚刚度变化化引起的的误差5.工艺艺系统刚刚度及其其对加工工精度的的影响图5-18车车削外外圆时工工艺系统统受力变变形对加加工精度度的影

10、响响(2)由由于切削削力变化化引起的的误差在加工过过程中，由于工工件的加加工余量量发生变变化、工工件材质质不均等等因素引引起的切切削力变变化，使使工艺系系统变形形发生变变化，从从而产生生加工误误差。图5-19毛毛坯形形状误差差的复映映5.工艺艺系统刚刚度及其其对加工工精度的的影响(3)由由于夹紧紧变形引引起的误误差(4)其其他作用用力的影影响除上述因因素外，重力、惯性力力、传动动力等也也会使工工艺系统统的变形形发生变变化，引引起加工工误差。图5-21夹夹紧力力引起的的加工误误差a)夹紧紧后b)镗镗孔后c)放松后后d)加过过渡环后后夹紧5.工艺艺系统刚刚度及其其对加工工精度的的影响(1)提提高工

11、艺艺系统刚刚度1)提高高工件和和刀具的的刚度2)提高高机床刚刚度3)采用用合理的的装夹方方式和加加工方式式(2)减减小切削削力及其其变化合理地选选择刀具具材料、增大前前角和主主偏角、对工件件材料进进行合理理的热处处理以改改善材料料的加工工性能等等，都可可使切削削力减小小。6.减小小工艺系系统受力力变形的的途径1)切削削热切削热对对工件加加工精度度的影响响最为直直接。2)摩擦擦热和能能量损耗耗工艺系统统因运动动副(如齿轮轮副、轴轴承副、导轨副副、螺母母丝杠副副、离合合器等) 相对对运动所所生摩擦擦热和因因动力源源 (如如电动机机、液压压系统等等)工工作时的的能量损损耗而发发热。3)派生生热源工艺

12、系统统内部的的部分热热量通过过切屑、切削液液、润滑滑液等带带到机床床其它部部位，使使系统产产生热变变形。五、工艺艺系统受受热变形形引起的的误差1.工艺艺系统的的热源(1)内内部热源源内部热源源来自工工艺系统统内部，其热量量主要是是以热传传导的形形式传递递的。(2)外外部热源源外部热源源来自工工艺系统统外部。1)环境境温度以对流传传热为主主要传递递形式的的环境温温度的变变化(如气温温的变化化，人造造冷、热热风，地地基温度度的变化化等)影影响工艺艺系统的的受热均均匀性，从而影影响工件件的加工工精度。2)辐射射热以辐射传传热为传传递形式式的辐射射热(如阳光光、灯光光照明、取暖设设备、人人体温度度等)

13、因因其对工工艺系统统辐射的的单面性性或局部部性而使使工艺系系统的热热变形发发生变化化，从而而影响工工件的加加工精度度。2.工件件热变形形对加工工精度的的影响工件在机机械加工工中所产产生的热热变形，主要是是由切削削热引起起的。(1)工工件均匀匀受热在加工像像轴类等等一些形形状简单单的工件件时，如如果工件件处在相相对比较较稳定的的温度场场中，此此时就认认为工件件是均匀匀受热。(2)工工件不均均匀受热热在铣、刨刨、磨平平面时，工件单单面受切切削热作作用，上上下表面面之间形形成温差差，导致工工件向上上凸起，凸起部部分被工工具切去去，加工工完毕冷冷却后，加工表表面就产产生了中中凹，造造成了几几何形状状误

14、差。3.刀具具热变形形对加工工精度的的影响刀具热变变形的热热源主要要是切削热。图5-25车车刀的的热变形形曲线4.机床床热变形形对加工工精度的的影响由于机床床热源分分布的不不均匀、机床结结构的复复杂性以以及机床床工作条条件的变变化很大大等原因因，机床床各个部部件的温温升是不不相同的的，甚至至同一个个零件的的各个部部分的温温升也有有差异，这就破破坏了机机床原有有的相互互位置关关系。图5-26车车床的的热变形形5.减小小工艺系系统热变变形的途途径(1)减减少发热热和隔热热(2)改改善散热热条件(3)均均衡温度度场(4)改改进机床床结构(5)加加快温度度场的平平衡(6)控控制环境境温度没有外力力作用

15、而而存在于于零件内内部的应应力，称为内内应力。工件上一一旦产生生内应力力之后，就会使使工件金金属处于于一种高高能位的的不稳定定状态，它本能能地要向向低能位的的稳定状状态转化化，并伴伴随有变变形发生生，从而而使工件件丧失原原有的加加工精度度。六、内应应力重新新分布引引起的误误差1.基本本概念2.内应应力的产产生在铸、锻锻、焊、热处理理等工序序中由于于工件壁壁厚不均均、冷却却不均、金相组组织的转转变等原原因，使使工件产产生内应应力。(1)热热加工中中内应力力的产生生图5-32铸铸件因因内应力力而引起起的变形形(2)冷冷校直产产生的内内应力图5-33校校直引引起的内内应力2.内应应力的产产生3.减小

16、小内应力力变形误误差的途途径(1)改改进零件件结构在设计零零件时，尽量做做到壁厚厚均匀，结构对对称，以以减少内内应力的的产生。(2)增增设消除除内应力力的热处处理工序序铸件、锻锻件、焊焊接件在在进入机机械加工工之前，应进行行退火、回火等等热处理理，加速速内应力力变形的的进程；对箱体体、床身身、主轴轴等重要要零件，在机械械加工工工艺中尚尚需适当当按排时时效处理理工序。(3)合合理安排排工艺过过程粗加工和和精加工工宜分阶阶段进行行，使工工件在粗粗加工后后有一定定的时间间来松弛弛内应力力。1.减小小原始误误差2.转移移原始误误差3.均分分原始误误差4.均化化原始误误差5.误差差补偿七、提高高加工精精

17、度的途途径在顺序加加工一批批工件中中，其大大小和方方向皆不不变的误误差，称称为常值系统统性误差差。在顺序加加工一批批工件中中，其大大小和方方向遵循循某一规规律变化化的误差差，称为为变值系统统性误差差。第二节工工艺艺过程的的统计分分析一、误差差统计性性质的分分类1.正态态分布的的基本概概念二、工艺艺过程的的分布图图分析(1)正正态分布布的数学学模型、特征参参数和特特殊点图5-36正正态分布布曲线的的特殊点点其概率密密度方程程为：该方程有有两个特特征参数数，一为为算术平平均值x，另一一为均方方根偏差差 (标标准差)：式中xi工件件尺寸；n工件件总数。(2)标标准正正态分布布x=0、=1的的正态分分

18、布称为为标准正正态分布布，其概概率密度度可写为为：(3)工工件尺寸寸在某区区间内的的概率图5-38工工件尺尺寸概率率分布生产上感感兴趣的的问题往往往不是是工件为为某一尺尺寸的概概率是多多大，而而是加工工工件尺尺寸落在在某一个个区间(x1xx2) 内的的概率是是多大。2.机械械制造中中常见的的误差分分布规律律图5-40机机械加加工误差差分布规规律a)正正态分布布b)平顶顶分布c)双峰分分布d)偏偏态分布布(1)实实际分布布曲线符符合正态态分布，6T且分分散中心心与公差差带中心心重合(2)实实际分布布曲线符符合正态态分布，6T，但但分散中中心与公公差带中中心不重重合(3)实实际分布布曲线符符合正态

19、态分布，6T，且且分散中中心与公公差带中中心不重重合(4)实实际分布布曲线不不符合正正态分布布，而呈呈平顶分分布(5)实实际分布布曲线不不符合正正态分布布，而呈呈偏态分分布(6)双双峰或多多峰分布布2.机械械制造中中常见的的误差分分布规律律(1)样样本容量量的确定定(2)样样本数据据的测量量(3)异异常数据据的剔除除(4)实实际分布布图的绘绘制(5)理理论分布布图的绘绘制(6)工工艺过程程的分析析3.工艺艺过程的的分布图图分析三、工艺艺过程的的点图分分析1.工艺艺过程的的稳定性性工艺过程程的稳定定性是指指工艺过过程在时时间历程程上保持持工件均均值x和标准差差值稳稳定不变变的性能能。图5-42工

20、工艺过过程稳定定性分析析图2.点图图的基本本形式点图的基基本形式式是由小小样本均均值x的点图和和小样本本极差R的点图联联合组成成的x、R点图，如如图所示示。图5-43x、R点图a)x点图b)R点图xN(,2/n)也就是说说，样本本均值x的分散范范围为（3n）。数理统计计学已经经证明，样本极极差R近似服从从正态分分布，即即有：(RN(R，2)这就是说说，样本本极差R的分散散范围为为(R3R)。到此此，x-R点图上的的上、下下控制限限的位置置就可以以确定了了。3.x、R点图上、下控制制限的确确定R4.点图图的正常常波动与与异常波波动正常波动动与异常常波动的的标志正 常波波动动异 常波波动动1.没有

21、有点子超超出控制制线2.大部部分点子子在中线线上下波波动，小小部分在在控制线线附近3.点子子没有明明显的规规律性1.有点点子超出出控制线线2.点子子密集在在中线下下下附近近3.点子子密集在在控制线线附近4.连续续7点以以上出现现在中线线一侧5.连续续11点点中有10点出出现在中中线一侧侧6.连续续14点点中有12点以以上出现现在中线线一侧7.连续续17点点中有14点以以上出现现在中线线一侧8.连续续20点点中有16点以以上出现现在中线线一侧9.点子子有上升升或下降降倾向10.点点子有周周期性波波动第三节机机械械加工表表面质量量一、机械械加工表表面质量量对机器器使用性性能的影影响1.表面面质量对

22、对耐磨性性的影响响(1)表表面粗糙糙度对耐耐磨性的的影响图5-44摩摩擦副副的磨损损过程图5-45表表面粗粗糙度与与初期磨磨损量的的关系(2)表表面冷作作硬化对对耐磨性性的影响响加工表面面的冷作作硬化，使摩擦擦副表面面层金属属的显微微硬度提提高，故故一般可可使耐磨磨性提高高。但也也不是冷冷作硬化化程度愈愈高耐磨磨性就愈愈高，这这是因为为过分的的冷作硬硬化将引引起金属属组织过过度疏松松，甚至至出现裂裂纹和表表层金属属的剥落落，使耐耐磨性下下降。如果表面面层的金金相组织织发生变变化，其其表层硬硬度相应应地也随随之发生生变化，影响耐耐磨性。金属受交交变载荷荷作用后后产生的的疲劳破破坏往往往发生在在零

23、件表表面或表表面冷硬硬层下面面，因此此零件的的表面质质量对疲疲劳强度度影响较较大。(1)表表面粗糙糙度对疲疲劳强度度的影响响(2)残残余应力力、冷作作硬化对对疲劳强强度的影影响2.表面面质量对对疲劳强强度的影影响3.表表面质量量对耐蚀蚀性的影影响零件的耐耐蚀性在在很大程程度上取取决于表表面粗糙糙度。表表面粗糙糙度值愈愈大，则则凹谷中中聚积腐腐蚀性物物质就愈多多，抗蚀蚀性就愈愈差。表面层的的残余拉拉应力会会产生应应力腐蚀蚀开裂，降低零零件的耐耐蚀性，而残余余压应力力则能防防止应力力腐蚀开裂裂。4.表面面质量对对配合质质量的影影响表面粗糙糙度值的的大小将将影响配配合表面面的配合合质量。对于间间隙配

24、合合，表面面粗糙度度值大会会使磨损损加大，间间隙增大大，破坏坏了要求求的配合合性质。对于过过盈配合合，装配配过程中中一部分分表面凸凸峰被挤挤平，实际过盈盈量减小小，降低低了配合合件间的的联接强强度。二、影响响表面粗粗糙度的的因素1.切削削加工影影响表面面粗糙度度的因素素(1)刀刀具几何何形状的的复映刀具相对对于工件件作进给给运动时时，在加加工表面面留下了了切削层层残留面面积，其其形状是是刀具几几何形状状的复映映。图5-46车车削时时工件表表面的残残留面积积切削加工工后表面面粗糙度度的实际际轮廓之之所以与与纯几何何因素所所形成的的理论轮轮廓有较较大的差差异，主主要是由由于切削削过程塑塑性变形形的

25、影响响。(2)工工件材料料的性质质(3)切切削用量量切削速度度对表面面粗糙度度的影响响很大。加工塑塑性材料料时，若若切削速速度处在在产生积积屑瘤和和鳞刺的的范围内内，加工工表面将将很粗糙糙。图5-47加加工塑塑性材料料时切削削速度对对表面粗粗糙度的的影响2.磨削削加工影影响表面面粗糙度度的因素素(1)砂砂轮的粒粒度(2)砂砂轮的硬硬度(3)砂砂轮的修修整(4)磨磨削速度度(5)磨磨削径向向进给量量与光磨磨次数(6)工工件圆周周进给速速度与轴轴向进给给量(7)冷冷却润滑滑液(1)冷冷作硬化化及其评评定参数数机械加工工过程中中因切削削力作用用产生的的塑性变变形，使使晶格扭扭曲、畸畸变，晶晶粒间产产

26、生剪切切滑移，晶粒被被拉长和和纤维化化，甚至至破碎，这些都都会使表表面层金金属的硬硬度和强强度提高高，这种种现象称称为冷作作硬化(或称为为强化)。(2)影影响冷作作硬化的的主要因因素1)刀具具的影响响2)切削削用量的的影响3)加工工材料的的影响三、影响响加工表表面层物物理力学学性能的的因素1.表面面层冷作作硬化2.表表面层材材料金相相组织变变化(1)磨磨削烧伤伤当被磨工工件表面面层温度度达到相相变温度度以上时时，表层层金属发发生金相相组织的的变化，使表层层金属强强度、硬硬度降低低，并伴伴随有残残余应力力产生，甚至出出现微观观裂纹，这种现现象称为为磨削烧烧伤。1)回火火烧伤2)淬火火烧伤3)退火

27、火烧伤(2)改改善磨削削烧伤的的途径磨削热是是造成磨磨削烧伤伤的根源源，故改改善磨削削烧伤有有两个途途径：一一是尽可可能地减减少磨削削热的产产生；二二是改善善冷却条条件，尽尽量使产产生的热热量少传传入工件件。1)正确确选择砂砂轮2)合理理选择磨磨削用量量3)改善善冷却条条件2.表表面层材材料金相相组织变变化3.表面面层残余余应力1)切削削时在加加工表面面金属层层内有塑塑性变形形发生，使表层层金属的的比体积积加大，由于塑塑性变形形只在表表层金属属中产生生，而表表层金属属比体积积增大，体积膨膨胀，不不可避免免地要受受到与它它相连的的里层金金属的阻阻止，因因此就在在表面金金属层产产生了残残余压应应力

28、，而而在里层层金属中中产生残残余拉应应力。(1)产产生残余余应力的的原因2)切削削加工中中，切削削区会有有大量的的切削热热产生图5-49由由于切切削热在在表层金金属产生生残余拉拉应力的的分析图图(1)产产生残余余应力的的原因3)不同同的金相相组织具具有不同同的密度度(马氏体=7.75t/m3，奥氏体=7.96t/m3，铁素体=7.88t/m3，珠光体=7.78t/m3)，亦即即具有不不同的比比体积。(1)产产生残余余应力的的原因(2)零零件主要要工作表表面最终终工序加加工方法法的选择择选择零件件主要工工作表面面最终工工序加工工方法，须考虑虑该零件件主要工工作表面面的具体体工作条条件和可可能的破

29、破坏形式式。在交变载载荷作用用下，机机器零件件表面上上的局部部微观裂裂纹，会会因拉应应力的作作用使原原生裂纹纹扩大，最后导导致零件件断裂。从提高高零件抵抵抗疲劳劳破坏的的角度考考虑，该该表面最最终工序序应选择择能在该该表面产产生残余余压应力力的加工工方法。1.机械械加工过过程中的的强迫振振动机械加工工中的强强迫振动动与一般般机械中中的强迫迫振动没没有什么么区别，强迫振振动的频频率与干干扰力的的频率相同同或是它它的倍数数。强迫迫振动的的振源有有来自机机床内部部的机内内振源和和来自机机床外部部的机外外振源两两大类。第四节机机械加加工过程程中的振振动一、机械械加工过过程中的的强迫振振动2.机械械加工

30、过过程中强强迫振源源的查找找方法图5-50振振动信信号的时时间历程程图和频频谱图第一步可可对在加加工现场场拾取的的振动信信号(见图a)进进行频谱谱分析，以确定定强迫振振动的频频率成分分(如图图b中的的f1、f2)；第二二步对机机床加工工中所有有可能出出现的强强迫振源源频率进进行估算算，列出出振源频频率数据据表备查查；第三三步将经经过频谱谱分析得得到的强强迫振动动的频率率与振源源频率数数据表进进行比较较，找出出产生强强迫振动动的振源源；第四四步通过过试验来来验证上上面所找找的振源源是否正正确。1)机械械加工中中的自激激振动是是在没有有周期性性外力(相对对于切削削过程而而言)干干扰下下所产生生的振动动运动，这一点点与强迫迫振动有有原则区区别。2)自激激振动的的频率接接近于系系统的某某一固有有频率，或者说说，颤振振频率取取决于振振动系统统的固有有特性。这一点点与强迫迫振动根根本不同同，强迫迫振动的的频率取取决于外外界干扰扰力的频频率。3)自由由振动受受阻尼作作用将迅迅速衰减减，而自自激振动动却不因因有阻尼尼存在而而衰减为为零。二、机械械加工过过程中的的自激振振动(颤振)1.机械械加工过过程中的的自激振振动2.机械械加工过过