第5章 机械加工质量分析与控制

第5章机械加工质量分析与控制5.1机械加工精度

影响加工精度的因素工艺系统几何误差影响机械加工表面质量的因素5.2机械加工表面质量第5章机械加工质量分析与控制

尺寸精度形状精度位置精度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几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量内容包括5.1机械加工精度

1.加工精度指零件加工后实际几何参数与理想几何参数的符合程度。符合程度越高，加工精度就越高。2.加工误差指零件加工后实际几何参数与理想几何参数的偏离程度。加工误差的大小反映加工精度的高低。几何参数：尺寸、形状及几何元素间的相互位置。5.1.1加工精度与加工误差理想几何参数直线—绝对直、圆等；表面—绝对平面、圆柱面等；位置—绝对平行、垂直；尺寸—位于公差带中心。3、尺寸、形状和位置精度间的关系

独立原则是处理形位公差和尺寸公差关系的基本原则。即尺寸精度和形位精度按照使用要求分别满足。一般情况下，尺寸精度高，形位精度也高；零件的形状误差约占相应尺寸公差的30％～50％；位置误差约为尺寸公差的65％～85％。4、获得加工精度的方法1)获得尺寸精度的方法试切法定尺寸刀具法调整法自动控制法5.获得加工精度的方法

2)获得形状精度的方法刀尖轨迹法

3)获得位置精度的方法成形刀具法展成法直接找正划线找正夹具定位5.1.2表面质量对零件使用性能的影响

对耐磨性影响Ra（μm）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↑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（如图）对耐疲劳性影响对耐蚀性影响对配合质量影响纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好适当硬化可提高耐磨性5.1.3误差敏感方向

ΔRΔYRRΔR=ΔX（4-1）（4-2）显然：

工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。误差敏感方向ＯYR0Xa）ＯYR0Xb）误差敏感方向5.1.4影响加工精度的因素

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原始误差——即工艺系统误差。原始误差分类原始误差构成5.1.5研究加工质量的方法

◆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。物理方法数学方法5.1.6机床误差

指主轴实际回转轴线对其理想回转轴线的偏移量。为便于研究，将主轴回转误差分解为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式（如图）。b）端面圆跳动a）径向圆跳动c）倾角摆动主轴回转误差基本形式主轴回转误差5.1.6机床误差

◆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径向跳动对镗孔精度影响式中R——刀尖回转半径；

φ——主轴转角。（4-4）

显然，式（4-4）为一椭圆。5.1.6机床误差

★主轴端面圆跳动对加工精度的影响被加工端面不平，与圆柱面不垂直；加工螺纹时，产生螺距周期性误差。★主轴倾角摆动对加工精度的影响与主轴径向跳动影响类似，不仅影响圆度误差，而且影响圆柱度误差。5.1.6机床误差

★传统测量方法存在问题：◆主轴回转误差的测量传统测量方法a)b)主轴回转误差测量法1—摆动盘2，4—传感器3—精密测球5—放大器6—示波器

★准确测量方法包含心轴、锥孔误差在内非运动状态。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5.1.6机床误差

导轨导向误差◆导轨导向误差对加工精度的影响导轨水平面内的直线度误差在误差敏感方向，影响显著；导轨垂直面内的直线度误差在误差非敏感方向，影响小；导轨扭曲对加工精度的影响显著（如图）ΔX导轨扭曲引起的加工误差HδΔRDαBXY5.1.6机床误差

导轨导向误差5.1.7

刀具与夹具误差

L±0.05φ6F7φ10F7k6φ20H7g6YZ钻径向孔的夹具夹具误差影响加工位置精度。与夹具有关的影响位置误差因素包括：

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。夹具误差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；……在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比5.1.8工艺系统刚度式中k——工艺系统刚度；

Fp——吃刀抗力；

ΔX——工艺系统位移。5.1.8工艺系统刚度式中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。由此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：5.1.9

工艺系统刚度对加工精度的影响

机床受力变形引起的加工误差◆工件变形使工件加工后成鼓形工件受力变形引起的加工误差◆机床变形使工件加工后成鞍形式中Δg

——工件圆度误差；

Δm

——毛坯圆度误差；

k——工艺系统刚度；

ε——误差复映系数。以椭圆截面车削为例误差复映现象ap1Δ1ap2Δ2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。5.1.9

工艺系统刚度对加工精度的影响

切削力大小变化引起的加工误差误差复映误差复映系数：反映误差复映程度。与系统刚度成反比机械加工中，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。5.1.9

工艺系统刚度对加工精度的影响

5.1.10加工误差的性质

系统误差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加工误差统计特性5.1.10加工误差的性质

◆

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。随机误差加工误差的统计分析◆

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。5.1.11分布图分析法

1）采集数据样本容量通常取n=50～2002）确定分组数、组距、组界、组中值①按教材134页表5-2初选分组数k′；②确定组距d：取整，d′→d③确定分组数k：④确定各组组界、组中值⑤统计各组频数直方图5.1.11分布图分析法

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◆正态分布

式中μ和σ分别为正态分布随机变量总体平均值和标准差。平均值μ=0，标准差σ=1的正态分布称为标准正态分布，记为：

x~N(0,1)概率密度函数yF（z）正态分布曲线μ(z=0)x(z)0z-σ+σ5.1.11分布图分析法

分布曲线分布函数（5-23）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。称z

为标准化变量5.1.11分布图分析法

yF（z）正态分布曲线μ(z=0)x(z)0z-σ+σ◆判断加工性质判断是否存在明显变值系统误差；判断是否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小。◆确定工序能力5.1.11分布图分析法

分布图应用工序能力工序能力系数式中TU,TL——公差带上、下限；

Δ——公差带中心与误差分布中心偏移距离；

σ——误差分布的标准差。5.1.11分布图分析法

y工艺能力系数符号含义μx03σ3σ公差带TΔTUTL工序能力等级工序能力系数工序等级说明

CP＞1.67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4-2工序能力等级5.1.11分布图分析法

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力，实际上是“过程能力”与“管理能力”的综合

01234567样组序号b）工件尺寸公差带T控制限5.1.12点图分析法

单值点图工件序号c）AA′B′O′OB工件尺寸工件尺寸工件序号a差带T控制限单值点图5.1.12点图分析法

图是控制图和R控制图联合使用的统称（4-26）R图：（4-27）A2、D1、D2

数值见教材表。图表示样组平均值，R表示样组极差图控制限图：5.1.12点图分析法

◆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R

图UCL=19.67CL=8.900510样组序号1520LCL=00510样组序号1520x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）同时满足为稳定图分析5.2

切削加工表面粗糙度影响因素

车削时残留面积的高度直线刃车刀圆弧刃车刀影响因素：fκrRmaxvfⅠⅡrεb