机械加工质量分析与控制

机械加工质量分析与控制第1页，课件共55页，创作于2023年2月

零件的加工精度包括

尺寸精度、形状精度、位置精度

通常尺寸精度要求高,形位精度要求也越高常用加工误差的大小来评价加工精度的高低加工误差越小，加工精度越高获得加工精度的方法

（1）获得尺寸精度的方法

1）试切法用于单件小批生产

2）调整法用于成批大量生产

3）定尺寸刀具法生产率高，刀具制造复杂

4）自动控制法切削测量补偿调整第2页，课件共55页，创作于2023年2月（2）获得形状精度的方法

1）轨迹法利用刀尖运动轨迹形成工件表面形状

2）成形刀具法由刀刃的形状形成工件表面形状

3）展成法由切削刃包络面形成工件表面形状（3）获得相互位置精度的方法主要由机床精度、夹具精度和工件的装夹精度来保证第3页，课件共55页，创作于2023年2月二、影响加工精度的因素1.原始误差

零件加工的误差是由于工件与刀具在切削过程中相互位置发生变动而造成。工件和刀具安装在夹具和机床上，工件、刀具、夹具、机床构成了一个完整的工艺系统。工艺系统的种种误差，是造成零件加工误差的根源，故称之为原始误差。第4页，课件共55页，创作于2023年2月

原始误差

加工前误差加工中误差加工后误差调整误差机床误差刀具制造误差夹具误差加工原理误差工件装夹误差工艺系统受力变形刀具磨损残余应力引起变形测量误差工艺系统热变形第5页，课件共55页，创作于2023年2月２.工艺系统的几何误差

（1）加工原理误差

近似的成形运动或刃形所产生的误差，多为形状误差（2）机床的误差

1）主轴回转误差①主轴回转误差概念主轴回转时实际回转轴线与理想回转轴线的偏移量

三种基本形式：

a.纯径向跳动b.轴向窜动c.纯角度摆动第6页，课件共55页，创作于2023年2月②影响主轴回转精度的主要因素

轴承本身误差、轴承间隙、轴承间同轴度误差，各段轴颈、轴孔的同轴度误差主轴系统的刚度和热变形等。

但它们对主轴回转精度的影响大小随加工方式而不同第7页，课件共55页，创作于2023年2月主轴采用滑动轴承的车床类，主轴受力方向一定，主轴颈圆度误差影响较大，轴承内径圆度误差没影响镗床主轴受力随镗刀旋转方向不断变化轴承孔误差影响大第8页，课件共55页，创作于2023年2月滚动轴承结构复杂，影响主轴精度因素也较复杂除轴承本身精度外，与配合件精度有很大关系如主轴轴颈、支承座孔等精度第9页，课件共55页，创作于2023年2月产生轴向窜动主要原因是主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。主轴不同形式的回转误差引起的加工误差不同车床上加工外圆内孔时，主轴径向跳动引起工件圆度和圆柱度误差，对工件端面无影响；

轴向窜动对圆柱表面影响不大，对端面垂直度平面度影响大，车削螺纹时会造成导程的周期性误差；

纯角度摆动会造成车削外圆或内孔的锥度误差；在镗孔时，会镗出的孔为椭圆形。第10页，课件共55页，创作于2023年2月纯角度摆动会造成车削外圆或内孔的锥度误差；在镗孔时，若工件进给会使镗出的孔为椭圆形。提高主轴及支承座孔的加工精度，选用高精度轴承，提高主轴部件装配精度、预紧和平衡等，提高主轴回转精度。第11页，课件共55页，创作于2023年2月2）机床导轨误差

导轨精度要求主要有以下三方面：

①在水平面内的直线度（以卧式车床为例）Δ1将直接反映在工件加工表面法线方向（误差敏感方向）上，误差ΔR=Δ1

，对加工精度影响最大。刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。第12页，课件共55页，创作于2023年2月②在垂直面内的直线度

Δ２对工件的尺寸和形状误差影响比Δ1小得多对卧式车床ΔR≈Δ22/D若设Δ2=

0.1mm,D=40mm，则ΔR

=0.00025mm，影响可忽略不计。而对平面磨床、龙门刨床误差将直接反映在工件上。第13页，课件共55页，创作于2023年2月导轨在垂直面内的直线度的特殊情况为斜坡状，加工的工件轴向形状为鞍形。第14页，课件共55页，创作于2023年2月③前后导轨的平行度（扭曲）卧式车床或外圆磨床若前后导轨存在平行度误差时，刀具和工件之间相对位置发生变化，刀尖运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生形状误差。

若扭曲误差为Δ3,工件误差ΔR≈(H/B)Δ3

，一般车床H/B≈2/3，外圆磨床H/B≈1，误差对加工精度影响很大除导轨制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也是造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。可采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨导轨表面淬火等措施。第15页，课件共55页，创作于2023年2月３）机床传动链误差

指机床内传动链始末两端的传动元件间相对运动的误差，一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。产生的原因是传动链中各传动元件的制造误差、装配误差及磨损等。若传动齿轮i在某一时刻产生转角误差为Δφi，则它所造成传动链末端元件的转角误差：Δφwi=KiΔφiKi

为该轴到末端元件的总传动比，称为误差传递系数，若Ki大于1则误差被扩大；反之，若Ki小于1误差被缩小。各传动件对工件精度影响的总和为：

Δφ∑=∑Δφwi=

∑KiΔφi第16页，课件共55页，创作于2023年2月减少传动链误差的措施：①尽可能缩短传动链，减少传动元件数目；②尽量采用降速传动，误差被缩小；③提高传动元件、特别是末端元件的制造和装配精度；④消除传动间隙；⑤采用误差补偿机构或自动补偿装置。第17页，课件共55页，创作于2023年2月（3）刀具的几何误差

包括刀具切削部、装夹部的制造误差及刀具安装误差①

定尺寸刀具刀具尺寸精度直接影响工件尺寸精度②成形刀具刀具形状精度直接影响工件形状精度③展成刀具刀刃形状精度会影响工件加工精度④一般刀具制造精度对工件加工精度无直接影响第18页，课件共55页，创作于2023年2月（4）夹具的几何误差

包括夹具制造误差、安装误差及磨损

对工件尺寸精度和位置精度影响很大（5）定位误差

包括基准不重合误差、定位副制造不准确误差

直接影响工件的尺寸精度和位置精度第19页，课件共55页，创作于2023年2月（6）调整误差

在工序的调整工作中所存在的误差即调整误差一次调整后存在的误差对这一批零件的影响是不变的。但大批量加工中存在多次调整，不可能每次完全相同。对全部零件来说，每次调整误差为偶然性误差。机床调整误差可理解为零件尺寸分布曲线中心的最大偏移量。加工中不产生废品的条件：Δfb+Δt≤T第20页，课件共55页，创作于2023年2月3.工艺系统的受力变形（1）基本概念第21页，课件共55页，创作于2023年2月（2）零件刚度若零件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，其变形对加工精度影响比较大，最大变形量按材料力学公式估算。长轴两顶尖装夹按简支梁计算，三爪卡盘装夹按悬臂梁计算（1）工艺系统刚度工艺系统抵抗变形的能力可用工艺系统刚度k系来描述。垂直作用于工件加工表面的径向切削分力Fy与工艺系统在该方向上的变形y之间的比值，称为工艺系统刚度k系

k系=Fy/y

柔度w=1/k第22页，课件共55页，创作于2023年2月（3）刀具刚度外圆刀具在加工表面法线方向上的刚度很大变形可忽略；镗小孔刀杆刚度很差，变形对加工精度影响很大，刀杆变形按材料力学公式估算。（4）机床部件刚度机床部件刚度机床结构形状复杂，刚度计算主要通过实验方法来测定。变形与载荷不成线性关系；加载与卸载曲线不重合；有残余变形存在；实际刚度比估算的小第23页，课件共55页，创作于2023年2月（5）工艺系统受力变形及其对加工精度的影响

1）工艺系统的变形总变形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)

工艺系统刚度比刚度最小环节的刚度还要差第24页，课件共55页，创作于2023年2月

2）工艺系统受力变形对加工精度的影响①切削力位置的变化对加工精度的影响

设刀具工件刚度很大

总变形y系=y刀架+yx第25页，课件共55页，创作于2023年2月设刀具工件刚度很大

总变形y系=y刀架+yx

y主=FA/k主=Fy(l-x)

/(lk主)，y尾=FB/k尾=Fyx

/(lk尾)

y系=y刀架+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=Fy

ly尾-y主xyx-y主=yx=y尾xll-xl+y主1

k刀架+1

k主1

k尾xl2l-x

l2+若工件刚性较差应考虑其变形，按简支梁计算

y工=y系=y刀架+yx+y工Fy

3EI(l-x)2x2l1

k刀架+1

k主+k尾第26页，课件共55页，创作于2023年2月讨论：1.在x处工件半径Rx=R+y刀架+yx+y工

半径误差ΔR=Rx-R=y刀架+yx+y工=y系2.一次走刀中若y系为常量，不会造成工件形状误差和尺寸不一3.若工件刚性大l/D≤5，可不考虑y工，y系是x

的二次函数圆柱度误差Δ=

ymax-ymin4.若工件为细长轴刚性很差，系统变形主要是工件变形，当x=l/2时，y工max=Fyl3/(48EI)

第27页，课件共55页，创作于2023年2月②切削力大小变化对加工精度的影响Δ毛=ap1–ap2Δ工=y1–y2误差复映系数ε=Δ工/Δ毛

Fy=CyfyapxHBSn=C

apx≈C

apFy1=C

(ap1–

y1)≈C

ap1Fy2=C

(ap2–

y2)≈C

ap2

Δ工=y1–y2=(Fy1-Fy2)/k系=(C

ap1–

C

ap2)/k系ε=Δ工/Δ毛=C(ap1–ap2)/(k系(ap1–ap2))=C/k系第28页，课件共55页，创作于2023年2月ε=Δ工/Δ毛=C/k系

ε总是小于1，有修正误差的能力多次进给ε=ε1ε2ε3…2.k系越大，ε就越小，复映到工件上的误差越小3.C减小，ε就越小，应采取减小Fy的措施讨论：第29页，课件共55页，创作于2023年2月③夹紧变形对加工精度的影响工件刚性差（薄件、圆环）装夹不当会产生受力变形第30页，课件共55页，创作于2023年2月④机床部件、工件重量对加工精度的影响⑤其它作用力对加工精度的影响

传动力（拨杆）、离心力改变方向会使工艺系统产生相应变形3）减少工艺系统受力变形的途径①减小切削力及其变化；②提高系统中零件的配合质量；缩短切削力作用点和支撑点的距离，设置辅助支承提高部件刚度第31页，课件共55页，创作于2023年2月4.工艺系统的热变形工艺系统在各种热源的影响下会产生很复杂的变形，导致工件产生加工误差（1）工艺系统的热源

1）内部热源包括切削热、摩擦热和派生热源2）外部热源包括环境温度、辐射热第32页，课件共55页，创作于2023年2月（2）工件热变形对加工精度的影响

1）工件均匀受热

车镗轴套类零件圆柱面，长度及径向受热变形。若在受热时测量达到规定尺寸，冷却后尺寸变小，可能出现尺寸超差。

2）工件不均匀受热

铣、刨、磨平面等，工件单面受热产生弯曲变形磨削细长轴时工件温生逐渐增加第33页，课件共55页，创作于2023年2月（3）刀具热变形对加工精度的影响第34页，课件共55页，创作于2023年2月主要是主轴部件、床身导轨及两者相对位置的热变形（4）机床热变形对加工精度的影响第35页，课件共55页，创作于2023年2月第36页，课件共55页，创作于2023年2月（5）热变形的控制（1）减少发热和采取隔热；（2）强制冷却，均衡温度场；（3）从结构上采取措施减少热变形；（4）控制环境温度。第37页，课件共55页，创作于2023年2月5.工件内应力引起的变形内应力产生的原因及消除措施1、铸锻焊、热处理等因工件壁厚不均热胀冷缩不均及金相组织变化等导致体积变化，毛坯产生内应力，处于暂时平衡状态，切削时平衡状态被打破。2、冷校直产生的内应力可在热处理后进行时效处理来消除残余应力。常用人工时效、振动时效和天然时效等方法。工件若产生内应力处于不稳定状态会逐渐变形第38页，课件共55页，创作于2023年2月三、加工误差的统计分析1.（1）加工误差的分类1）系统误差

常值系统误差：原理机床刀夹量具制造调整误差变值系统误差：机床刀具热变形、刀具磨损2）随机误差:误差复映定位夹紧操作误差内应力变形对系统误差可循其规律加以调整或补偿来消除对随机误差只能缩小其变动范围无法完全消除第39页，课件共55页，创作于2023年2月（2）正态分布

1）正态分布的数学模型、特征参数和特殊点

正态分布曲线方程两个特征参数：算术平均值x和标准偏差σ第40页，课件共55页，创作于2023年2月正态分布的特殊点①处概率密度函数有最大值②x=x±σ处为拐点2）标准正态分布

=0，σ=1

实际生产中为非标准正态分布需转换令z=(x-)/σxxx第41页，课件共55页，创作于2023年2月即图中阴影面积可利用概率密度积分表计算3）工件尺寸在某区间内的概率工件尺寸落在

±3σ范围内的概率为99.73%若尺寸分布中心与公差中心重合，不产生废品的条件是：T≥6σQ废=0.5–φ(x)若中心不重合存在常值系统误差Δ系，T≥6σ＋Δ系x第42页，课件共55页，创作于2023年2月例：轴Φ20-0.1，σ=0.025，xT=-ε(0.03)

求常值系统误差、随机误差，合格率、不合格率x0解：①公差带中心xT=19.95②尺寸分布中心=xT+ε=19.95+0.03=19.98③常值系统误差Δ系=-xT=ε=0.03④随机误差6σ=

6×

0.025=0.15或±3σ=±0.075xx⑤计算合格率、不合格率

6σ=0.15＞T=0.1，

Cp=T/6σ=0.1/0.15=0.67工件极限尺寸xmin=xA=19.9，xmax=xB=20zA=(-xA)/σ=(19.98-19.9)/0.025=3.2ψ(zA)=0.49931zB=(xB-)/σ=(20-19.98)/0.025=0.8ψ(zB)=0.2881合格率=ψ(zA)+ψ(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xx第43页，课件共55页，创作于2023年2月

2.工艺过程的分布图分析（1）工艺过程的稳定性指均值和标准差稳定不变的性能，取决于变值系统误差（2）工艺过程分布图分析制作分布图了解质量指标分布、加工能力、是否有废品

1）样本容量的确定通常取n=50～2002）样本数据整理与计算

剔除异常数据，确定尺寸分散范围R、尺寸间隔数j、区间宽度Δx3）绘制实际分布图

纵坐标为频数：同间隔尺寸工件数目第44页，课件共55页，创作于2023年2月

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±3σ

理论最大频数f′max=ymaxn

Δx对应x=处拐点处频数f′σ=yσn

Δx对应x=±σ处xx5）工艺过程分布图分析

①判断加工误差性质系统误差、随机误差②确定工序能力及等级

工序能力系数Cp指满足加工精度的程度Cp=T/6σ③确定不合格率第45页，课件共55页，创作于2023年2月（2）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；

2）能将常值系统误差从误差中区分开；

3）在全部样本加工后绘出曲线，不能反映先后顺序，不能将变值系统误差从误差中区分开；

4）不能及时提供工艺过程精度的信息，事后分析；

5）计算复杂，只适合工艺过程稳定的场合。点图分析法计算简单，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。第46页，课件共55页，创作于2023年2月

3.工艺过程的点图分析（1）逐点点图依次测量每件尺寸记入横坐标为零件号纵为尺寸的图表中（2）均值-极差点图

采用顺序小样本（4～6），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：①定期测小样本尺寸；②计算均值和极差R：

R=xmax-xmin

③确定中心线和R小样本组20～30④确定上下控制线ES、EI

、UCL、LCL，定期描点xx第47页，课件共55页，创作于2023年2月均值点图上下控制线的确定：极差点图上下控制线的确定：第48页，课件共55页，创作于2023年2月均值点图反映了质量指标分布中心(系统误差)的变化极差点图反映了质量指标分布范围(随机误差)的变化第49页，课件共55页，创作于2023