《机械制造技术基础》 课件 第6章 机械加工质量

第6章机械加工质量6.1概述6.2加工误差的单因素分析6.3提高加工精度的途径6.4加工误差综合分析6.5机械加工表面质量6.6加工质量的测量15-9月-24机械制造基础1第6章机械加工质量本章要点机械加工质量基本概念影响机械加工表面质量的因素工艺系统几何误差工艺系统受力变形工艺系统热变形15-9月-24机械制造基础2

尺寸精度形状精度位置精度表面粗糙度波度伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面微观几何形状精度表面变质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6.1概述15-9月-24机械制造基础3◆

加工精度：零件加工后实际几何参数(尺寸、形状和位置）与理想几何参数符合程度。

理想零件：尺寸——零件尺寸公差带中点形状——绝对的圆柱度、圆柱面、圆锥面位置——绝对平行、垂直、同轴◆加工误差：零件加工后实际几何参数(尺寸、形状和位置）与理想几何参数的偏离。加工误差越大，加工精度就越低，反之亦然。6.1概述15-9月-24机械制造基础4获得加工精度的方法:尺寸精度的获得方法（1）试切法通过试切→测量→调整→再试切……直至被加工部分达到尺寸要求为止。特点：①费时费力；②对操作者技术水平要求高；③适用于单件小批量生产6.1概述15-9月-24机械制造基础5获得加工精度的方法:尺寸精度的获得方法（2）调整法预先调整好刀具和工件在机床上的相对位置，并在一批零件加工过程中始终保持位置不变。特点：①尺寸稳定②生产效率高③加工精度主要取决于调整精度④容易引起定位误差6.1概述15-9月-24机械制造基础6获得加工精度的方法:尺寸精度的获得方法（3）定尺寸刀具法零件加工尺寸主要取决于刀具尺寸。特点：①尺寸精度主要取决于刀具制造精度；

②生产率高，在孔加工中广泛使用。（4）自动控制法把测量装置、进给装置和控制系统组成自动控制的系统。特点：①自动化程度高；②适用于批量或大量生产。6.1概述15-9月-24机械制造基础7获得加工精度的方法:形状精度的获得方法（1）轨迹法：利用刀具与工件间的相对运动轨迹来获得形状。（2）成形法：利用成形刀具加工获得表面形状。（3）相切法：利用刀具边旋转边作轨迹运动。（4）展成法：利用刀具与工件相对运动使工件被刀具切削成一定形状的包络线。6.1概述15-9月-24机械制造基础8一次装夹工件的几个加工表面在一次装夹中加工出来多次装夹零件有关表面间的位置精度是由刀具相对工件的成形运动与工件的定位基准面（工件前几次装夹时的加工面）之间的位置关系保证的。零件的相互位置精度主要由机床和夹具精度以及工件的安装精度来保证。获得加工精度的方法:位置精度的获得方法6.1概述15-9月-24机械制造基础9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分类6.1概述15-9月-24机械制造基础10影响加工精度的因素

6.1概述15-9月-24机械制造基础11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6.1概述15-9月-24机械制造基础12

图：ΔRΔYRRΔR=ΔX显然：

工艺系统原始误差方向不同，对加工误差的影响程度也不同。对加工误差影响最大的方向，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。ＯYR0Xa）ＯYR0Xb）误差敏感方向6.1概述15-9月-24机械制造基础13加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。式中R——球头刀半径；

h——允许的残留高度。例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件SRh空间曲面数控加工加工原理误差例2：用阿基米德涡杆滚刀滚切渐开线齿轮6.2.1加工原理误差15-9月-24机械制造基础146.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差

主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移。为便于研究，可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。b）端面圆跳动（轴向窜动）a）径向圆跳动（径向跳动）c）倾角摆动（纯角度摆动）主轴回转误差基本形式主轴回转误差15-9月-24机械制造基础15◆

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。显然，上式为一椭圆。6.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差15-9月-24机械制造基础16

径向跳动对车外圆精度影响12345678仍考虑最简单的情况，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。则刀尖运动轨迹接近于正圆。★

主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）在工件的1处（主轴中心偏移最大之处）切出的半径比在工件的3、7处切出的半径小一个幅值e；在工件的5处切出的半径比在工件的3、7处切出的半径大一个幅值e。6.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差15-9月-24机械制造基础17★

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；

主轴的轴向窜动对内、外圆的加工精度没有影响，但加工端面时，会使加工的端面与内外圆轴线产生垂直度误差。

主轴每转一周，要沿轴向窜动一次，使得切出的端面产生平面度误差。

端面圆跳动对加工精度的影响加工螺纹时，产生螺距周期性误差。6.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差15-9月-24机械制造基础18★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。

车外圆：得到圆形工件，但产生圆柱度误差（锥体）车端面：产生平面度误差

镗孔时，主轴回转轴线与工作台导轨不平行，使镗出的孔呈椭圆形。

6.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差15-9月-24机械制造基础19AB◆影响主轴回转精度的主要因素

轴径不圆引起车床主轴径向跳动★滑动轴承镗床——轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动主轴总是以轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触

轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动车床——轴径不圆引起车床主轴径向跳动（注意其频率特性）

主轴颈以不同的部位和轴承内径的某一固定部位相接触静压轴承——对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用6.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差15-9月-24机械制造基础20◆影响主轴回转精度的主要因素内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差★滚动轴承

车床：滚动轴承内圈滚道的圆度误差对主轴径向圆跳动影响较大；

镗床：轴承外圈滚道的圆度误差对主轴径向圆跳动影响较大。6.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差15-9月-24机械制造基础21◆影响主轴回转精度的主要因素★推力轴承滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差★其他因素轴承孔同轴度误差；轴肩、隔套端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差；装配质量等a）b）Δ≈0Δ止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响6.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差15-9月-24机械制造基础22★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6.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差15-9月-24机械制造基础23◎导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差包括：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。

导轨水平面内的直线度误差导轨导向误差Δ1将直接反映在工件加工表面法线方向上，误差ΔR=Δ1

。刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。6.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差15-9月-24机械制造基础24

导轨垂直面内的直线度误差导轨导向误差对卧式车床影响可忽略不计。但对平面磨床、龙门刨床误差将直接反映在工件上。导轨在垂直平面内有直线度误差△Z对工件的尺寸和形状误差影响比在水平面内的直线度误差Δ1小得多，可忽略不计。6.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差15-9月-24机械制造基础25导轨扭曲对加工精度的影响，影响显著ΔX导轨扭曲引起的加工误差HδΔRDαBXY导轨导向误差

当前后导轨在垂直平面内有扭曲时，刀架将产生摆动，刀架沿床身导轨作纵向进给运动时,刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生圆柱度误差。导轨间在垂直方向有平行度误差δ时，将使工件与刀具的正确位置在误差敏感方向产生的偏移量，使工件半径产生△R＝△X的误差，对加工精度影响较大。

6.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差15-9月-24机械制造基础26◆影响导轨导向精度的主要因素机床制造误差机床安装误差导轨磨损6.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差15-9月-24机械制造基础27◆机床传动误差对加工精度的影响齿轮机床传动链z7=z8=16z1=64zn=96z5=z6=23z3=z4=23bz2=16zn-1=1icefacd以齿轮机床传动链为例：式中Δφ∑

——传动链末端元件转角误差；

kj——第j个传动元件的误差传递系数，表明第j个传动元件对末端元件转角误差影响程度，其数值等于该元件至末端元件的传动比；

ωn

——传动链末端元件角速度；

αj——第j个传动元件转角误差的初相角。机床传动误差6.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差15-9月-24机械制造基础28

缩短传动链长度，减少传动元件数目采用降速传动，缩小误差提高末端元件的制造精度与安装精度消除传动间隙采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节采用误差补偿机构或自动补偿装置末端元件转角误差

传动链误差的频谱分析a)ΔφΣφnA1A2Aib)ω（频率）A（幅值）ω1ω2ωi◆提高传动精度措施6.2.2工艺系统几何误差—机床几何误差15-9月-24机械制造基础29刀具误差包括刀具切削部、装夹部的制造误差及刀具安装误差定尺寸刀具刀具的尺寸和形状误差将直接影响工件的尺寸和形状精度。如钻头、铰刀、镗刀块、孔拉刀、丝锥、板牙、键槽铣刀等）成形刀具形状误差将直接决定工件的形状精度。成形刀具的安装误差所引起的工件形状误差是不可忽视的。如成形车刀安装高于或低于加工中心时，就会产生较大的工件形状误差。6.2.3工艺系统几何误差—刀具与夹具误差15-9月-24机械制造基础30刀具误差展成刀具刀刃的形状、尺寸精度，及其安装、调整不正确影响加工表面的形状精度。如齿轮滚动、插齿刀、花键滚刀等。在加工批量不大时的磨损也很小，可以忽略不计。刀具的尺寸磨损刀具磨损直接影响刀具的尺寸、形状等。6.2.3工艺系统几何误差—刀具与夹具误差一般刀具制造误差对工件的加工精度没有直接的影响，这是因为，加工表面的形状主要是由机床运动精度来保证的，加工表面的尺寸主要是由调整决定的。15-9月-24机械制造基础31L±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；……6.2.3工艺系统几何误差—刀具与夹具误差15-9月-24机械制造基础32测量误差试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差机床进给机构的位移误差定程机构误差样件或样板误差测量有限试件造成的误差和试切法有关的误差a）b）

试切法与调整法试切法调整法6.2.4工艺系统几何误差—调整误差15-9月-24机械制造基础336.2.3工艺系统的受力变形—基本概念

在切削加工过程中，工艺系统受到切削力、重力、夹紧力、传动力和惯性力等的作用，会产生相应的变形。这种变形将破坏刀具与工件之间已经调整好的位置关系，造成加工误差。工艺系统受力变形塑性变形，永久变形，增加一个几何误差弹性变形，可恢复，影响加工精度6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础34在加工误差敏感方向上工艺系统所受背向力与该方向变形量之比：工艺系统刚度式中k—工艺系统刚度；

Fp—背向力；

y—工艺系统位移（合力作用下的位移）根据胡克定律，作用力F与在作用力方向上产生的变形量y的比值，称为物体的静刚度k，简称刚度。

F—作用力，N；y—变形量，mm6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础35式中k——工艺系统刚度。

工艺系统受力变形等于工艺系统各组成部分受力变形的叠加。工艺系统刚度计算工艺系统总刚度总是小于系统中刚性最差的部件刚度。提高系统刚度，必须从刚度最差的部分着手。6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础36◆用两顶尖装夹车短粗轴—工艺系统变形引起加工误差切削力作用点位置变化引起工件形状误差不计工件的变形，只计算头架、尾座顶尖处和刀具的变形刀具的变形不随切削点位置的变化而变化，因此也不影响工件的形状精度头架（机床）受力为尾座顶尖受力为刀具（包含刀架）所受力为6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础37刀具（包括刀架）产生的变形为：头架产生的变形为：尾座产生的变形为：在刀具切削点处工件径向方向的位移为6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础38在刀具切削点处工件径向的位移为工艺系统的总变形量为机床变形yx和刀具变形y刀具的简单叠加：6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础39，yx取得最小值6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础40一般头架处的刚度比尾座处的刚度大一些，车出工件的形状为与变形曲线对应的马鞍形。工艺系统的总变形量为机床变形yx和刀具变形y刀具的简单叠加：6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础41工件受力变形引起的加工误差◆用两顶尖装夹车细长轴—工件变形引起加工误差机床、夹具和刀具的变形忽略不计工艺系统的变形主要取决于工件的变形式中E——工件材料弹性模量；

I——工件截面惯性矩；Fp，L，x——含义同前。6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础42

由于工件变形，使工件加工后成鼓形车细长轴—鼓形6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础43工件受力变形引起的加工误差

工艺系统变形引起的加工误差

工艺系统刚度6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础44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说明

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，误差形状相似，误差值减小，此种现象称为“误差复映”。切削力大小变化引起的加工误差

误差复映6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础45

误差复映系数工艺系统的刚度k越大，复映系数ε越小，毛坯误差复映到工件上去的部分就越少。一般ε<<1，经加工之后工件的误差比加工前的误差减小，经多道工序或多次走刀加工之后，工件的误差就会减小到工件公差所许可的范围内。误差复映程度可用误差复映系数来表示，误差复映系数与系统刚度成反比，由此可得：6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础46

误差复映系数在粗加工时，每次走刀的进给量f一般不变，假设误差复映系数均为ε，则n次走刀就有

εz=εn

增加走刀次数，可减小误差复映，提高加工精度，但生产率降低了。

提高工艺系统刚度，对减小误差复映系数具有重要意义。

毛坯的各种形状误差（圆度、圆柱度、同轴度、平面度等）都会以一定的复映系数，复映成工件的加工误差。6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础47切削过程中受力方向变化引起的加工误差在切削过程中，如果有方向周期性变化的力（旋转力）作用于刀具和工件之间，工艺系统随之产生一定量的变形。当误差敏感方向的分力变化时，实际背吃刀量也发生变化，造成工件形状误差（一般为心形圆度误差）在车床上，车削连杆大头孔，惯性力方向不断变化，造成加工后孔的圆度误差。提高系统刚度、降低转速、增加平衡块等措施都可以减少圆度误差，提高加工精度6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础48夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差◆夹紧力影响

薄壁套夹紧变形薄壁工件磨削【例1】薄壁套夹紧变形

解决：加开口套【例2】薄壁工件磨削

解决：加橡皮垫6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础49龙门铣横梁变形【例】龙门铣横梁龙门铣横梁变形转移龙门铣横梁变形补偿◆重力影响

解决1：重量转移

解决2：变形补偿6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础50车床刀架变形曲线ΔX（μm）10203040500123F（KN）

非线形关系，不完全是弹性变形加载和卸载曲线不重合，所围面积表示克服摩擦和接触塑性变形所作功存在残余变形，反复加载卸载后残余变形→0

机床部件刚度比按实体估算值小许多，表明其变形受多种因素影响机床部件变形曲线6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础51式中c,m——与接触面材料、表面状况有关的系数和指数；

p——表面压强。组成件的实体刚度——受力产生拉伸、压缩、弯曲变形；特别是薄弱件（楔条、轴套等）影响较大连接表面接触变形——其大小与接触面压强有关影响机床部件刚度因素接触变形曲线xOppΔpxΔx6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础52结合面间隙零件表面摩擦力的影响影响机床部件刚度因素机床部件刚度的薄弱环节a)溜板中的楔铁b)轴承套6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础53选用合理的零部件结构和断面形状提高连接表面接触刚度（降低表面粗糙度，改进接触质量，预加载荷）提高刀具和夹具的刚度，减少受力变形支座零件不同安装方法转塔车床导向杆提高工艺系统刚度控制受力大小和方向合理装夹工件采用辅助支承（中心架，跟刀架，镗杆支承等）6.2.5工艺系统的受力变形15-9月-24机械制造基础54在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约40～70%。

温度场——工艺系统各部分温度分布热平衡——单位时间内，系统传入的热量与传出的热量相等，系统各部分温度保持在一相对稳定的数值上（热机）温度场与热平衡研究——目前以实验研究为主工艺系统热源内部热源外部热源切削热摩擦热环境热源辐射热工艺系统热变形工艺系统热源温度场与工艺系统热平衡6.2.6工艺系统的热变形15-9月-24机械制造基础55

体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著运转时间/h0123450150100200位移/μm20406080温升/℃ΔYΔX前轴承温升

车床受热变形a）车床受热变形形态b）温升与变形曲线机床热变形特点车床热变形6.2.6工艺系统的热变形15-9月-24机械制造基础56

立铣（图a）立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形a）铣床受热变形形态b）外圆磨床受热变形形态c）导轨磨床受热变形形态

外圆磨（图b）

导轨磨（图c）其他机床热变形6.2.6工艺系统的热变形15-9月-24机械制造基础57

体积小，热容量小，达到热平衡时间较短温升高，变形不容忽视（达0.03～0.05mm）◆特点τ(min)

车刀热变形曲线连续切削升温曲线冷却曲线间断切削升温曲线ξ（μm）τb0刀具热变形6.2.6工艺系统的热变形15-9月-24机械制造基础58◆圆柱类工件热变形

5级丝杠累积误差全长≤5μm，可见热变形的严重性式中ΔL，ΔD——长度和直径热变形量；

L，D——工件原有长度和直径；

α——工件材料线膨胀系数；

Δt——温升。

长度：

直径：

例：长400mm丝杠，加工过程温升1℃，热伸长量为：工件热变形6.2.6工艺系统的热变形15-9月-24机械制造基础59式中ΔX——变形挠度；

L，S——工件原有长度和厚度；

α——工件材料线膨胀系数；

Δt——温升。◆板类工件单面加工时的热变形平面加工热变形ΔXφ/4φLS此值已大于精密导轨平直度要求结果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3℃，则变形量为：6.2.6工艺系统的热变形15-9月-24机械制造基础60例1：磨床油箱置于床身内，其发热使导轨中凹解决：导轨下加回油槽平面磨床补偿油沟例2：立式平面磨床立柱前壁温度高，产生后倾。解决：采用热空气加热立柱后壁。均衡立柱前后壁温度场

减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。

充分冷却和强制冷却。

隔离热源。减少热源发热和隔离热源均衡温度场6.2.6工艺系统的热变形15-9月-24机械制造基础61支承距影响热变形L1L2

热对称结构热补偿结构（主轴热补偿）

双端面磨床主轴热补偿1—主轴2—壳体3—过渡套筒热伸长方向

合理选择装配基准高速空运转人为加热

恒温人体隔离采用合理结构加速达到热平衡控制环境温度6.2.6工艺系统的热变形15-9月-24机械制造基础62铸件残余应力引起变形冷校直引起的残余应力压拉加载压压拉拉卸载

设计合理零件结构粗、精加工分开避免冷校直时效处理残余应力来源

毛坯制造和热处理产生的残余应力减小残余应力措施

冷校直带来的残余应力切削加工带来的残余应力6.2.6工件残余应力引起的变形15-9月-24机械制造基础63

合理采用先进工艺和设备◆误差预防指减小原始误差本身或减小原始误差的影响。

转移原始误差a）b）

转塔车床刀架转位误差的转移

误差补偿

就地加工

均化原始误差，如研磨加工误差控制法6.3.1误差预防15-9月-24机械制造基础64

在线测量与在线补偿◆指人为引入附加误差因素，以抵消或减小原始误差的影响

高压油泵偶件自动配磨装置示意图柱塞销柱塞6.3.2误差补偿15-9月-24机械制造基础65

以弹性变形补偿热变形

以弹性变形补偿热变形

其他补偿方法以热变形补偿热变形龙门铣横梁变形补偿附加夹紧力

以热变形补偿热变形

以几何误差补偿受力变形6.3.2误差补偿15-9月-24机械制造基础66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6.4.1加工误差的性质15-9月-24机械制造基础67◆

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。◆

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。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。6.4.1加工误差的性质15-9月-24机械制造基础681）采集数据样本容量通常取n=100～2002）确定分组数、组距、组界、组中值①初选分组数k；②确定组距d：

取整，d′→d

③

确定各组组界、组中值

④统计各组频数直方图6.4.2分布图分析法15-9月-24机械制造基础69-14.5-8.55-3.5x

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6.4.2分布图分析法15-9月-24机械制造基础70◆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y

正态分布曲线μx0-σ+σ分布曲线6.4.2分布图分析法15-9月-24机械制造基础71

分布函数令：将z代入称z

为标准化变量yF（z）正态分布曲线μ(z=0)x(z)0z-σ+σ6.4.2分布图分析法15-9月-24机械制造基础726.4.2分布图分析法15-9月-24机械制造基础73◆判断加工性质

判断是否存在明显的常值系统误差曲线的中心和公差带中心不重合时，存在常值系统分布图应用判断常值系统误差的大小分布曲线的中心与公差带中点的距离△，即为常值系统误差的大小6.4.2分布图分析法15-9月-24机械制造基础74◆确定工序能力工序能力系数Cp：工件的公差T和工序能力6σ之比，表示工序能力满足加工精度要求的程度。工序能力系数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。分布图应用6.4.2分布图分析法15-9月-24机械制造基础75

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

四级工序能力很差工序能力等级6.4.2分布图分析法15-9月-24机械制造基础76◆非正态分布

xy0a）双峰分布

双峰分布：两次调整下加工的工件或两台机床加工的工件混在一起xy0b）平顶分布xy0c）偏向分布

平顶分布：工件瞬时尺寸分布呈正态，其算术平均值近似成线性变化（如刀具和砂轮均匀磨损

偏向分布：如工艺系统存在显著的热变形，或试切法加工孔时宁小勿大，加工外圆时宁大勿小6.4.2分布图分析法15-9月-24机械制造基础7701234567样组序号b）工件尺寸公差带T控制限工件序号c）AA′B′O′OB工件尺寸工件尺寸工件序号a差带T控制限单值点图加工过程中观察误差的变化，便于及时调整机床，控制加工误差，弥补分析曲线的不足。6.4.3点图分析法15-9月-24机械制造基础78

图是平均值控制图和极差控制图联合使用的统称图

表示样组平均值，R表示样组极差6.4.3点图分析法15-9月-24机械制造基础79R图：

图控制限图：6.4.3点图分析法15-9月-24机械制造基础80◆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）平均值和极差同时满足为稳定

图分析6.4.3点图分析法15-9月-24机械制造基础81宏观几何形状误差（平面度、圆度等）—波长/波高＞1000表面波度

—波长/波高=50～1000；且具有周期特性表面粗糙度

——波长/波高＜50a）波度b）表面粗糙度

零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ机械加工后的工件表面，总存在峰谷交替的波纹。表明的不平整性，可根据波长和波高的特征划分为三种情况：6.5.1加工表面质量基本概念15-9月-24机械制造基础82加工过程中工件表层金属产生塑性变形,金属晶体产生剪切滑移，晶格扭曲使表层金属强度、硬度提高，塑性下降。表面层加工硬化的衡量指标:表层显微硬度HV、硬化层深度h和硬化程度N

金相组织变化主要发生在磨削加工过程中，当磨削温度超过材料相变温度，金相组织将发生变化，表层显微硬度变化、产生表面残余应力、显微裂纹，表面出现彩色氧化膜，又称为磨削烧伤。表面层加工硬化表面金相组织变化和磨削烧伤6.5.1加工表面质量基本概念15-9月-24机械制造基础83表层残余应力冷态塑性变形引起残余应力:挤压摩擦晶格拉长后部分弹性恢复受阻时产生，一般为表层残余压应力。热态塑性变形引起残余应力：切削表层热膨胀产生塑性变形，冷却时受阻表层残余拉应力。金相组织变化引起残余应力：金相组织不同，密度不同而造成表层体积变化产生残余应力。6.5.1加工表面质量基本概念15-9月-24机械制造基础84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↑，但有一定限度对耐疲劳性影响对耐蚀性影响对配合质量影响适当硬化可提高耐磨性6.5.1加工表面质量基本概念15-9月-24机械制造基础85

车削时残留面积的高度直线刃车刀（图a）圆弧刃车刀（图b）影响因素：fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf切削残留面积高度6.5.2切削加工表面粗糙度影响因素及其控制15-9月-24机械制造基础86

切削速度影响最大：v=10～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。

其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度

h（μm）0200400600hKsRz切削表面塑性变形和积屑瘤6.5.2切削加工表面粗糙度影响因素及其控制15-9月-24机械制造基础87

砂轮速度v↑，Ra↓

工件速度vw↑，Ra↑

砂轮纵向进给f↑，Ra

↑

磨削深度ap↑，Ra

↑

磨削用量对表面粗糙度的影响vw

f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v

f=2.36(m/min)ap

=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(μm)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04b）磨削用量影响

光磨次数-Ra关系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)光磨次数↑，Ra↓6.5.3磨削加工表面粗糙度影响因素及其控制15-9月-24机械制造基础88

砂轮粒度号↑（粒径越小），Ra↓；砂轮硬度适中，Ra↓；常取中软砂轮组织适中，Ra↓

；常取中等组织采用超硬砂轮材料，Ra

↓

砂轮精细修整，Ra↓砂轮影响其他影响因素

工件材料冷却润滑液等6.5.4磨削加工表面粗糙度影响因素15-9月-24机械制造基础89切削加工

f↑，冷硬程度↑◆切削用量影响◆刀具影响

后角↑，冷硬程度↓其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)

后刀面磨损对冷硬影响◆工件材料

材料塑性↑，冷硬倾向↑

切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）切削深度影响不大

f和v对冷硬的影响硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：456.5.5影响表面物理、力学性能的因素及其控制15-9月-24机械制造基础90磨削速度↑→冷硬程度↓（弱化作用加强）工件转速↑→冷硬程度↑纵向进给量影响复杂磨削深度↑→冷硬程度↑◆磨削用量◆砂轮

砂轮粒度↑→冷硬程度↓砂轮硬度、组织影响不显著◆工件材料

材料塑性↑→冷硬倾向↑材料导热性↑→冷硬倾向↓

磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削磨削加工6.5.5影响表面物理、力学性能的因素及其控制15-9月-24机械制造基础91

v↑→残余应力↑（热应力起主导作用）◆