机械制造技术基础 课件 第10章 机械加工质量及控制

机械制造技术基础目录第10章机械加工质量及控制10.1 加工质量与加工精度10.2 原始误差对加工精度的影响10.3 加工误差的统计与分析10.4 机械加工表面质量10.5 机械加工中的振动第10章机械加工质量及控制阅读导入：2008年4月，我国第1台具有自主知识产权的复合式盾构机“中国中铁1号”在中铁工业旗下中铁装备盾构车间下线，该盾构机直径6.3米，具有较强的地质适用性，实现了从盾构机关键技术到整机制造的跨越，填补了我国在复合式盾构机制造领域的空白，技术达到了国际领先水平。2020年，中铁装备自主研制的第1000台盾构机成功下线，成为国内第一家下线隧道掘进机突破千台的领军企业。2021年9月，中铁装备获得中国质量领域最高奖——中国质量奖，成为我国隧道掘进机行业首家获此奖项的企业。可见，产品质量是企业的生命，是企业乃至行业得以发展的根基。第10章机械加工质量及控制本章学习目标：第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.1产品质量与机械产品质量产品质量是指用户对产品的满意程度。对于生产企业而言，产品质量就是企业的生命，而生产技术是企业的灵魂。产品质量一般包括三方面：产品的设计质量产品的制造质量产品的服务质量其中产品的制造质量，是产品实物与设计的符合程度，在以往的企业质量管理中，常常被等同于产品质量。第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.1产品质量与机械产品质量机械产品质量也同样包括这三方面产品的设计质量产品的制造质量产品的服务质量以机械制造过程的角度说，机械产品的制造质量一般包括两个方面：零件的机械加工质量和机器的装配质量。零件的加工质量是保证制造质量的基础，机器的装配质量是制造质量的体现。第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.2机械加工质量零件的加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状及相互位置等）与理想几何参数的接近程度。实际值越接近理想值，加工精度就越高。零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状及相互位置等）对理想几何参数的偏离程度称为加工误差。由于加工误差几乎是不可避免的，零件实际几何参数可以存在加工误差，但必须控制在一定范围内。零件尺寸、形状和表面间相互位置允许的变动范围，称为公差。在设计时，必须规定公差，在加工时，必须设法保证实际几何参数在公差范围内，即零件达到了加工精度要求。加工精度越高，加工误差也就越小。第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.2机械加工质量从产品质量方面看，在加工时，只要达到设计精度要求，即可停止加工，也就是保证加工质量，不必追求过高的加工精度。生产实际证明，确实无需把每个零件都加工得绝对精确，只要在公差范围内变动，就能满足设计要求。零件加工精度的具体内容包括尺寸精度和几何精度：（1）尺寸精度。指机械加工后零件的直径、长度和表面间距离等尺寸的实际值与理想值的接近程度。尺寸精度通过尺寸公差给出，国家标准规定了20个标准公差等级。（2）几何精度。指机械加工后零件的实际几何形状及关系与理想状态的接近程度。几何精度通过几何公差给出，国家标准规定了形状、方向、位置及跳动4大类几何公差。第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.2机械加工质量2．加工表面质量零件的加工表面质量主要指零件加工表面层的几何形貌和物理力学性能变化。零件加工表面层的几何形貌，主要指表面粗糙度轮廓。加工表面的物理力学性能变化，主要包括表面层的冷作硬化、金相组织变化和残余应力。第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.2机械加工质量3．零件加工精度与表面质量的关系零件的尺寸公差、几何公差、表面粗糙度及表面物理力学性能在设计时应具有一定的对应关系。一般情况下，重要配合表面的尺寸公差等级较高（公差值较小）时，几何公差等级也较高，表面粗糙度及表面物理力学性能的要求也较高。但生产中也有几何精度和表面质量要求很高而尺寸精度要求不高的零件表面，如机床床身导轨表面。在数值上，零件的几何公差值一般应为相应尺寸公差值的1/2~1/3左右。第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.3获得加工精度的方法1．获得尺寸精度的方法机械加工中，获得尺寸精度的方法有试切法、调整法、定尺寸刀具法和自动控制法。（1）试切法试切法是通过对工件进行试切，然后对所切表面进行测量，并与设计尺寸比较，若超差，再进刀试切，再测量，如此反复，直至达到公差要求。试切法需要多次试切、测量及调试刀具（或工件）位置，所以生产效率低、劳动强度较大；工件尺寸误差的大小取决于操作者的技术水平。试切法主要用于单件、小批生产。第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.3获得加工精度的方法1．获得尺寸精度的方法（2）调整法调整法是利用样件或对刀块，预先调整好刀具与工件在机床上的相对位置，并在加工一批工件时保持这个位置不变。用调整法加工，工件的尺寸精度在很大程度上取决于调整的精度。调整法可使加工精度稳定可靠，生产效率高，劳动强度低，对操作者技术水平要求不高，但对工艺人员的调整技术水平要求高，广泛应用于成批、大量及自动化生产中。第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.3获得加工精度的方法1．获得尺寸精度的方法（3）定尺寸刀具法定尺寸刀具法是利用刀具的相应尺寸来保证工件被加工部位尺寸精度的方法。如用麻花钻、扩孔钻、铰刀等定尺寸刀具，直接保证工件被加工孔的尺寸精度。用定尺寸刀具法加工，工件的尺寸精度主要取决于刀具的制造质量、磨损情况。定尺寸刀具法生产效率较高，但刀具成本高，常用于孔、螺纹和成型表面加工。第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.3获得加工精度的方法1．获得尺寸精度的方法（4）自动控制法在自动机床、半自动机床和数控机床上，利用测量装置、进给机构和控制系统自动获得规定加工尺寸精度的方法称为自动控制法。自动控制法生产率高，加工精度高，但装备较复杂，适于在成批、大量生产中应用。第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.3获得加工精度的方法2．获得几何精度的方法如前面章节所述，零件的表面形成方法就是获得形状精度的方法，有轨迹法、成形法、相切法和展成法。

方向、位置及跳动精度，主要由机床精度、夹具精度和工件的装夹精度来保证。例如，在平面上钻孔，孔中心线对平面的垂直度，主要取决于钻头进给方向与工作台或夹具定位面的垂直度。第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.3获得加工精度的方法3.获得表面质量的方法如前述，零件的加工表面质量包括零件加工表面的表面粗糙度轮廓和物理力学性能。获得零件的加工表面质量的方法可以分为同步法和强化法。（1）同步法。随着加工的进行，零件从毛坯到成品的过程中，尺寸精度和几何精度不断提高，与此同时，表面粗糙度轮廓精度也同步提高，直至达到精度要求。（2）强化法。对于有特殊使用要求的零件，在保证尺寸精度和几何精度的同时，还需要对零件加工表面的表面粗糙度轮廓和物理力学性能作进一步的强化，例如通过滚压或挤压提高表面粗糙度轮廓精度，通过表面淬火提高工件表面硬度等。第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.4原始误差与误差敏感方向1.原始误差机械加工中，工件的尺寸、几何形状和表面间相互位置的形成，取决于工件和刀具在切削运动过程中相互位置的关系。在机械加工工艺系统中，能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。这些因素包括工艺系统自身结构和状态、操作过程、加工过程中物理力学现象等。原始误差可分为以下两大类。一类是零件加工前，工艺系统本身所具有的，与原始状态有关的误差，可称为静态误差或几何误差，主要包括：机床、刀具及夹具的几何误差；工件的装夹误差；原理误差；调整误差等。另一类是零件加工过程中，因工艺系统受力、受热、磨损等影响，以及原有精度被破坏而产生的附加误差，称为动态误差，主要包括：工艺系统受力变形、受热变形；工件内应力重新分布而产生变形；刀具磨损；测量误差等。第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.4原始误差与误差敏感方向2.误差敏感方向工艺系统中，在不同方向上的原始误差，对加工误差的影响程度也不完全相同。如图示，车外圆时，若刀具相对正确位置出现A至A′的偏移量δ（原始误差），将引起工件半径尺寸的变化，即产生加工误差ΔR。设AA′与OA之间的夹角为φ，则加工误差为

（10-1）第10章机械加工质量及控制10.1加工质量与加工精度10.1.4原始误差与误差敏感方向将原始误差对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。原始误差方向在加工表面的法线方向上时，引起的加工误差最大；原始误差方向在加工表面的切线方向上时，引起的加工误差最小，甚至可以忽略。第10章机械加工质量及控制10.2原始误差对加工精度的影响10.2.1工艺系统几何误差对加工精度的影响1．机床的几何误差机械加工中，工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：主轴回转误差、导轨误差、传动链误差第10章机械加工质量及控制1．机床的几何误差（1）主轴回转误差主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。主轴回转误差将直接影响被加工工件的形状精度、位置精度。为便于研究，可以将主轴回转误差分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动三种基本形式第10章机械加工质量及控制1．机床的几何误差（2）导轨误差机床导轨是确定机床主要部件相对位置和运动的基准。机床导轨的制造和装配精度将直接影响直线运动精度，进而影响零件的加工精度。机床导轨误差将导致刀尖相对于加工表面的位置变化，从而对加工精度，主要是对形状精度产生影响。以卧式车床导轨为例，分析机床导轨误差对加工精度的影响。第10章机械加工质量及控制1．机床的几何误差（3）传动链误差传动链误差是指传动链始末两端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。车螺纹、滚齿、插齿等加工方法，要求刀具与工件之间必须具有严格的传动比关系，传动链误差是影响这类表面加工精度的主要原因之一。第10章机械加工质量及控制10.2.1工艺系统几何误差对加工精度的影响2．刀具的几何误差刀具的尺寸、形状及相互位置误差都会产生加工误差，刀具的几何误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。采用定尺寸刀具（如钻头、铰刀、键槽铣刀、拉刀等）加工时，刀具的尺寸误差和磨损将直接影响工件尺寸精度。采用成形刀具（如成形车刀、成形铣刀、齿轮模数铣刀、成形砂轮等）加工时，刀具的形状误差和磨损将直接影响工件的形状精度。采用展成法加工时，展成刀具（如齿轮滚刀、花键滚刀、插齿刀等）的刀刃形状必须是加工表面的共轭曲线。因此，刀刃的形状误差和尺寸误差会影响加工表面的形状精度。第10章机械加工质量及控制10.2.1工艺系统几何误差对加工精度的影响3．夹具的几何误差与工件的装夹误差夹具的作用是使工件相对于刀具和机床占有正确的位置，夹具的几何误差对工件的加工精度特别是位置精度，影响很大。第10章机械加工质量及控制10.2.1工艺系统几何误差对加工精度的影响4．调整误差在机械加工过程中，为了保证加工精度，需要对机床、夹具和刀具进行调整，例如，调整夹具在机床上的位置，调整刀具相对于工件的位置等。由于调整不准确产生的误差，称为调整误差。工艺系统的调整有试切法调整和调整法调整两类基本方式，产生调整误差的原因各不相同，第10章机械加工质量及控制10.2.1工艺系统几何误差对加工精度的影响5．测量误差测量误差是工件的测量尺寸与实际尺寸的差值。加工一般精度的零件时，测量误差可占工序尺寸公差的1/5~1/10加工精密零件时，测量误差可占工序尺寸公差的1/3左右产生测量误差的原因主要有：量具量仪本身的制造误差及磨损，测量过程中环境温度的影响，测量者的读数误差，测量者施力不当引起量具量仪的变形等。第10章机械加工质量及控制10.2.1工艺系统几何误差对加工精度的影响6．原理误差原理误差是指由于采用了近似的加工方法、近似的成形运动或近似的切削刃轮廓等原因而产生的加工误差。例如，用模数铣刀铣齿，理论上要求加工不同模数、齿数的齿轮，应该用相应模数、齿数的铣刀。但在生产中，为了减少模数铣刀的数量，每种模数只设计制造有限几把（例如8把、15把、26把）模数铣刀，用以加工同一模数不同齿数的齿轮。当被加工齿轮的齿数与所选模数铣刀切削刃所对应的齿数不同时，就会产生齿形误差，即原理误差。第10章机械加工质量及控制10.2.2工艺系统受力变形对加工精度的影响如图所示，车削带有椭圆形状误差的毛坯件外圆柱面A，让刀具预先调整到虚线位置，椭圆长轴方向和短轴方向的背吃刀量分别为ap1和ap2。由于工艺系统刚度不足而使待加工表面原有误差被遗留到已加工表面的现象，称为误差复映。第10章机械加工质量及控制10.2.2工艺系统受力变形对加工精度的影响减小工艺系统受力变形的途径（1）提高工艺系统刚度1）合理设计零部件结构2）提高接触刚度3）采用辅助支撑4）采用合理的装夹方式和加工方法。第10章机械加工质量及控制10.2.2工艺系统受力变形对加工精度的影响减小工艺系统受力变形的途径（1）提高工艺系统刚度1）合理设计零部件结构2）提高接触刚度3）采用辅助支撑4）采用合理的装夹方式和加工方法。第10章机械加工质量及控制10.2.3工艺系统受热变形对加工精度的影响1．工艺系统的热源（1）切削热（2）摩擦热（3）外部热源2．工艺系统热变形（1）工件热变形对加工精度的影响式中L为工件变形方向的长度（或直径）mm；α为工件的热膨胀系数，1/˚C；钢为1.17×10-5/˚C，铸铁为1×10-5/˚C，黄铜为1.7×10-5/˚C；

为工件的平均温升˚C第10章机械加工质量及控制10.2.3工艺系统受热变形对加工精度的影响2．工艺系统热变形（2）刀具热变形对加工精度的影响第10章机械加工质量及控制10.2.3工艺系统受热变形对加工精度的影响2．工艺系统热变形（3）机床热变形对加工精度的影响第10章