第三章汽车零件的机械加工质量.ppt

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1、,第三章汽车零件的机械加工质量,3-1 机械加工质量3-2 影响机械加工精度的主要因素3-3 加工误差的综合分析3-4 表面质量的形成及其影响因素3-5 表面质量对零件使用性能的影响 本章小结,（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）,表面粗糙度 波度 纹理方向 伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）,机械加工质量内容：加工精度、表面质量,3-1 机械加工质量,2,一、加工精度零件加工以后的实际几何参数与理想几何参数的接近程度（宏观几何特征）,尺寸精度：加工后，工件表面的实际尺寸与理想尺寸的接近程度（直径,长度,距离等）,形状精度：加工后，工件表面的实际形状与理想形状的接近程度（直线度,

2、平面度,圆柱度）,理想零件尺寸：零件尺寸的公差带中心表面形状：绝对准确的圆柱面、圆锥面、平面等表面位置：绝对的平行、垂直、同轴等,位置精度：加工后工件表面之间的实际位置与理想位置的接近程度（平行度,垂直度,同轴度等）,3,2.加工误差 所谓加工误差是指实际零件与理想零件在几何参数上的偏离加工精度和加工误差这两个概念是从两个观点来评定零件几何参数这个同一事物的，加工精度的高低就是通过加工误差的大小来表示的，即：加工误差大，则加工精度低；加工误差小，则加工精度高；因此，保证和提高加工精度的问题，实际上就是限制和降低加工误差的问题,4,目前，还没有加工手段可以将零件的几何参数制作成百分百的准确，从实

3、际出发、从多快好省的观点出发，也没有必要把个个零件都做得绝对准确，因此，只要能保证零件在机器中的功能，把零件的加工精度保持在一定的范围之内是完全允许的。所以国家标准规定了各级精度和相应的公差（允许的加工误差）标准 只要零件加工误差不超过零件图上按零件的设计要求和公差标准规定的偏差，就算保证了零件加工精度的要求,5,二、表面质量 所谓表面质量是指零件加工以后的表面层状态，它可以从以下两个方面来评定：,1.表面微观几何特征,（1）表面粗糙度 表面粗糙度是指已加工表面微观几何形状误差它是由加工中的残留面积、塑性变形、积屑瘤、鳞刺以及工艺系统的高频振动等原因引起的,H1,L1,L2,H2,L3,H3,

4、L1 范围内的凸凹不平（平面度）H1,L3 范围内的凸凹不平（粗糙度）H3,L2 范围内的凸凹不平（波度）H2,波长与波高之比,6,（2）波度 是介于宏观与微观（波长与波高之比：501000）几何形状误差之间的周期性几何形状误差 波度主要是由加工中工艺系统的低频振动造成的,（3）纹理方向 指切削刀痕的方向，纹理方向取决于表面形成过程中所采用的加工方法,纹理平行,纹理垂直,纹理交叉,7,纹理呈近似同心圆,纹理呈多方向,纹理呈近似放射状,C,M,R,（4）表面缺陷 指加工表面上出现的缺陷 缺陷是在表面个别位置随机出现的，包括：砂眼、夹砂、气孔、裂痕等,8,2.表面的物理力学性能和化学性能,（1）表

5、面层材料的塑性变形与冷作硬化 由于表面层材料的塑性变形引起金属材料的强度和硬度都提高的现象，被称之为冷作硬化 用硬化程度和硬化深度来衡量,（2）金相组织的变化 在加工过程中，由于切削热而引起金属的金相组织变化（3）表面层材料残余应力 由于塑性变形和金相组织变化，使表面层金属产生残余应力,9,3-2影响机械加工精度的主要因素,10,机床的制造误差与磨损 夹具的制造误差与磨损 刀具的制造误差与磨损 工艺系统受力变形 工艺系统热变形 工件残余应力引起的变形 加工原理误差 工件定位误差 调整误差 测量误差,镗刀,镗杆,滑台,在机械加工中，零件的尺寸、形状和表面间的相对位置的形成，归结到一点，就是取决于

6、工件和刀具在切削过程中的相互位置关系，而工件和刀具又安装在夹具和机床上，并受到机床和夹具的约束,在机械加工中，由机床、刀具、工件、夹具构成的系统，被称之为工艺系统,11,因此，加工精度问题也就牵涉到整个工艺系统的精度问题，工艺系统中的种种误差，在不同的具体条件下，以不同的程度反映为加工误差；工艺系统的误差是“因”，是根源；加工误差是“果”，是表现，因此，把工艺系统的误差称之为原始误差,原理误差,工艺系统静误差,工艺系统动误差,原始误差,工件安装误差,机床误差,夹具误差,刀具误差,调整误差,度量误差,刀具磨损,工艺系统受力变形,工艺系统热变形,工件内应力引起的变形,12,一、机床误差,机床误差来

7、之三个方面：机床本身的制造、安装和磨损 机床在出厂之前要通过精度检验，例如：导轨的直线度、主轴的回转精度等，这些都是在没有切削载荷的情况下进行的反映静误差 合格的机床在使用了一段时间后，将会产生磨损，机床原有的精度也将会降低，并可能产生各种加工精度问题 因此，评价一台机床精度的高低，除了看它在静态下的情况，还需看它在切削载荷下的动态情况,13,车床结构图,14,1.导轨误差 导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准，也是运动部件的基准，它的各项误差直接影响被加工工件的精度，例如车床的导轨：,（1）导轨在水平面内有直线度误差,显然，在某一截面内由于导轨的直线度误差将导致刀具在水平内沿工件径向产生相

8、应的位移，即：,R=1,15,因此，在工件全长上，将产生形状（圆柱度）误差,注意：工件的形状与导轨在水平面内的直线度误差的特征直接相关,注意：误差敏感方向加工表面切削点处的法线方向若原始误差发生在误差敏感方向，则对工件的加工精度影响较大,16,（2）导轨在垂直面内有直线度误差,忽略高阶无穷小,17,例如：,2=0.1mm、d=40mm，则：R=0.00025mm，影响可忽略不计,非误差敏感方向,2.车床主轴旋转轴线与导轨的平行度误差,讨论：不平行发生在：水平面内垂直面内,对工件的加工影响如何？,导轨,主轴理想回转轴线,18,若在水平面内不平行，则工件被加工成锥体形若在垂直面内不平行，则为双曲面

9、回转体形,3.前后导轨的平行度误差（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,H,B,若扭曲误差为3，工件误差R(H/B)3，一般车床H/B2/3，外圆磨床H/B1，误差对加工精度影响很大（H：机床主轴中心高，B：前后导轨的跨度）。,19,二、刀具误差,刀具误差包括制造和磨损两个方面,1.当切削刀具决定工件的最终尺寸和形状，刀具制造误差直接影响工件的加工精度,例如：定尺寸刀具钻头、绞刀、圆孔拉刀等刀具的尺寸误差直接影响工件的尺寸精度；成形刀具成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等刀具的形状误差直接影响工件的形状

10、精度；展成法刀具齿轮滚刀、插齿刀等切削刃的几何形状及刀具有关尺寸精度会直接影响工件的形状精度.,2.一般刀具（普通车刀、单刃镗刀、面铣刀等）刀具的制造误差对加工精度无直接影响,20,3.刀具的磨损,（1）刀具的磨损（特别是误差敏感方向上）将引起工件的尺寸和形状误差,（2）刀具的不断磨损将会引起切削力沿加工表面的法线方向的分力逐渐增大，导致工艺系统受力变形，工件的尺寸和形状误差增大，工件的尺寸和形状因而产生额外的变化,若工艺系统的刚度不足，则受力变形引起的加工误差更严重,21,三、工艺系统的受力变形,1.工艺系统的刚度,工艺系统抵抗变形的能力,工艺系统的受力变形一般是弹性变形,工艺系统的刚度可由

11、下式表示：,法向切削力,位移,y：Fy、Fx、Fz共同作用的综合结果。而切削分力Fy对加工精度的影响最大（误差敏感方向）,Fy,Fy,Fz,Fz,22,2.工艺系统的刚度对加工精度的影响,（）切削力作用点位置的变化对加工精度的影响,a.假定工件短而粗，其受力变形可忽略不计，车刀悬伸也很短，受力后的弯曲变形在法向的分量也可忽略不计，即工艺系统的变形完全取决于机床的变形,由系统刚度的定义：,B,A,f,n,Fy,C,23,工艺系统的变形yx是一个二次抛物线方程，变形大小随刀具在方向位置的变化而变化，使车出的工件沿轴向呈鞍形，产生圆柱度误差 受力变形大的位置处工件被切除的金属层薄，受力变形小的位置处

12、工件被切除的金属层厚,24,b.工件变形引起的加工误差,若考虑工件本身的刚度（假设此时不考虑机床和刀具的变形），即可由材料力学公式计算工件在切削点的变形量：,E：工件的弹性模量；I：工件截面的惯性矩,显然，加工后的工件呈鼓形,如果工件是一根光轴，最大挠度发生在工件的中间位置，在挠度大的位置处，切削最薄，而两端切削最厚，因此最后加工的零件形状成腰鼓形，产生圆柱度误差,25,c.刀具的刚度不足引起的加工误差一般的刀具，如外圆车刀、面铣刀等，在误差敏感方向上的刚度很大，可以认为刀具在工件全长上，其变形量近似不变，即由于其变形引起的加工误差为尺寸误差（直径变大）钻头的径向刚度较低，容易导致加工孔的尺寸

13、、形状、位置误差 镗孔过程中，不同的镗孔方式会造成不同的误差，因此，钻孔时使用钻套；镗孔时使用导向支撑来提供刀具的刚度，减少加工误差,26,d.工艺系统刚度所引起的加工误差,27,28,注意：,工件的装夹方式与工件的刚度,刀具的刚度,加工误差？,29,按悬臂梁近似计算,加工误差？,30,按悬臂梁近似计算，悬伸可改变,按自由支撑在两点的梁近似计算，悬伸可改变,（2）复映误差,毛坯加工余量和材料硬度的不均匀，会引起切削力大小的变化，工艺系统由于受力大小的不同，变形的大小也相应发生变化，从而导致工件尺寸和几何形状的误差，加工出的工件形状与毛坯形状相类似，这种规律称为误差复映规律，所产生的误差为复映误

14、差,31,毛坯半径误差：,车削后工件半径加工误差：,1.毛坯形状,2.加工后工件形状,误差复映系数：,32,当一次走刀不能满足要求时，可进行二次或多次走刀，相应的误差复映系数为：,则总的复映系数：,复映现象产生的加工误差，可通过增加走刀次数加以纠正,定量地反映了毛坯误差经加工后减少的程度，也表明：工艺系统的刚度越高，毛坯复映到工件上的误差越小,（2）复映误差,33,复映误差的实验,根据切削前后阶梯轴直径的变化，分析系统的变形、刚度及复映误差,34,（3）机床零部件制造与装配质量对加工精度的影响,接触刚度,机床薄弱零件的刚度,联结件的刚度,零件的间隙,实际接触面积小于理论接触面积,机床上个别薄弱

15、零件常会大大降低整个部件的刚度,螺栓联结的预紧、轴承的预紧，当外力超过其预紧力产生的摩擦力时，刚度明显降低,35,由于机床部件或工件本身重量以及它们在移动中位置变化而引起的加工误差,机床部件自重引起地横梁变形,36,四、工艺系统热变形引起的加工误差,工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形,在热作用下，工件、刀具及机床的许多部分因温度的升高而产生复杂的变形，从而改变它们之间的相互位置关系，破坏工件和刀具之间相对运动的正确性，改变已调整好的加工尺寸，引起切削深度和切削力的改变，造成加工误差,据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%70%。工艺系统的热变形不仅严重地影响加工精度，

16、而且还影响加工效率的提高 工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的一个重大研究课题,37,1.工艺系统的热源,热源,内部热源,外部热源,切削热,摩擦热和传动热,环境温度,热辐射,被加工材料切削层的弹性、塑性变形，前、后刀面与切屑、已加工表面的摩擦产生的热量。,日光、照明、暖气、体温等。,气温、室温变化、热、冷风等。,运动件的摩擦（齿轮、轴承、导轨等）产生的热量；液压传动及电机的温升等产生的热量。,38,2.工艺系统的热平衡,工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐升高。同时，它们也通过各种传热方式向周围散发热量。,热平衡：当单位时间内传入和散发的热量相等时，工艺系统达到了热平衡状态，工艺系统

17、的热变形也就达到某种程度的稳定,3.机床热变形对加工精度的影响,机床热变形会影响加工精度，其中主轴部件、床身、导轨、立柱、工作台等部件的热变形，对加工精度影响最大 各类机床其结构、工作条件及热源形式均不相同，因此机床各部件的热变形情况是不一样的,39,1)磨床受热变形,外圆磨床：由于热变形会造成砂轮轴线与工件轴线的距离发生变化，且可能产生平行度误差,平面磨床：立柱弯曲变形，造成砂轮主轴与工作台间的垂直度误差,40,2)车床热变形,由于热变形会造成主轴箱在垂直面内和水平面内发生偏转和倾斜，且床身导轨向上凸起 一般在垂直面内的热变形对加工精度的影响较小；而在水平面内的热变形对加工精度的影响较大,4

18、1,4.工件热变形,1）均匀受热,f,2）非均匀受热,f,42,3）单边受热（非均匀受热）,毛坯形状,加工上表面,加工完成、冷却后,5.刀具热变形,刀具热变形主要是由切削热引起的。切削加工时虽然大部分切削热被切屑带走，传入刀具的热量并不多，但由于刀具体积小，热容量小，导致刀具切削部分的温升急剧升高，刀具热变形对加工精度的影响比较显著,43,车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线,车外圆时，车刀热变形会使工件产生圆柱度误差（倒喇叭口）,车刀连续工作时的热伸长曲线；,切削停止后，车刀温度下降曲线；,传动作间断切削的热变形切削。,44,五、工件残余应力引起的加工误差,什么是残余应力?,产生原因：,残

19、余应力是由金属内部的相邻宏观或微观组织发生了不均匀的体积变化而产生的，促使这种变化的因素主要来自热加工或冷加工,45,1.毛坯制造中产生的残余应力,（1）在铸造、锻造、焊接及热处理过程中，由于工件各部分冷却收缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，在毛坯内部就会产生残余应力（图a）,（2）毛坯的结构越复杂，各部分壁厚越不均匀以及散热条件相差越大，毛坯内部产生的残余应力就越大,（3）具有残余应力的毛坯，其内部应力暂时处于相对平衡状态，虽在短期内看不出有什么变化，但当加工时切去某些表面部分后，这种平衡就被打破，内应力重新分布，并建立一种新的平衡状态，工件明显地出现变形,46,原因：在外力F的作用下，

20、工件内部的应力重新分布,影响：当外力F去除后，弹性变形本可完全恢复，但因塑性变形部分的阻止而恢复不了，使残余应力重新分布而达到平衡,现象：冷校直工艺方法是在一些长棒料或细长零件弯曲的反方向施加外力F以达到校直目的,2.冷校直引起的残余应力,措施：对精度要求较高的细长轴，不允许采用冷校直来减小弯曲变形，而采用加大毛坯余量，经过多次切削和时效处理来消除内应力，或采用热校直,47,残余应力对零件的影响,存在残余应力的零件，始终处于一种不稳定状态，其内部组织有要恢复到一种新的稳定的没有内应力状态的倾向在内应力变化的过程中，零件产生相应的变形，原有的加工精度受到破坏用这些零件装配成机器，在机器使用中也会

21、逐渐产生变形，从而影响整台机器的质量,3.切削加工引起的残余应力,48,采用了近似的加工方法或近似形状的刀具而产生的加工误差，如用展成法加工渐开线齿轮，滚刀的刀齿的轴剖面形状为直线，滚切成近似的渐开线齿面，即渐开线齿形为无数直线包络而成,六、原理误差,这种渐开线齿面的形成方法本身就使工件产生加工误差，这种误差就是原理性误差，它是由工件与刀具作切削运动时产生的几何轨迹误差,49,七、调整误差,在切削加工时，为获得规定的尺寸，就必须对机床、刀具和夹具进行必要的调整，由于调整不可能绝对的准确，也就带来了一项原始误差调整误差 1.试切法调整（单件、小批量）（1）度量误差（2）加工余量的影响（3）微量进

22、给误差 2.静调整法（大批量）（1）定程机构误差（2）样件或样板的误差（3）测量有限试件造成的误差,50,测量误差是指工件实际尺寸与测量仪器表示出的尺寸之间的差值,八、度（测）量误差,原因：1.测量仪器本身的误差2.测量环境的影响3.人为误差的影响,51,33 加工误差的综合分析,一、基本概念二、误差的统计分析方法1）分布图分析法2）点图法,52,一、基本概念,在实际生产中，影响加工精度的工艺因素往往是多方面的，因此，对加工误差的影响，有时就不能仅用单因素的估算方法，而要用概率统计方法进行较全面的考察（加工一批零件，为了找出这批零件出现废品的原因，就要用统计的方法来研究这批零件的加工误差，从而

23、找出减少废品的技术措施）按一批工件加工误差出现的规律来看，加工误差可分为两大类：系统性误差和随机性误差,53,1.系统性误差 连续加工一批零件时，如果加工误差的大小和方向保持不变或是按一定的规律变化，这类误差称为系统性误差；如果加工误差的大小和方向保持不变，则称为常值系统性误差；如果加工误差的大小和方向按一定的规律变化，则称为变值系统性误差 原理误差，机床、刀具、夹具的制造误差，调整误差等，它们和加工的顺序（或加工时间）没有关系，故都是常值系统性误差 机床、刀具的热变形，刀具的磨损等，都是随着加工的顺序（或加工时间）而有规律的变化，因此属于变值系统性误差,54,2.随机性误差 连续加工一批零件

24、时，如果加工误差的大小和方向都是无规律地变化，这类误差称为随机性误差 毛坯误差（余量大小不一、硬度不匀等）的复映，定位误差（基准面尺寸不一、间隙等），夹紧误差（夹紧力大小不一），多次调整的误差，内应力引起的变形误差等，都是随机性误差 这类误差产生的原因是随机的，从表面上来看没有规律，无从分析，但是应用数理统计的方法可以找出一批工件加工误差的总体规律，然后在工艺上采取措施加以控制,55,二、误差的统计分析方法,1.分布图分析法（分布曲线法）一批零件如果是在正常的加工状态下，即：没有变值系统性误差（或有而不显著），随机性误差是相互独立的，且在各随机性误差中没有一个是起主导作用，则这批零件的尺寸分布

25、曲线将接近正态分布曲线 正态分布曲线的数学方程为：,式中,x：零件的尺寸；,56,曲线与x轴之间所包含的面积为1，即包含了全部工件数,：表示这批零件加工尺寸的分布范围,范围内的面积约为99.73%,的大小代表了某种加工方法在一定生产条,因此，零件加工的公差应取：,y：零件尺寸为x的概率密度；,其中，,下能达到的加工精度,57,例：在无心磨床上加工一批外径为 的圆柱销，加工完毕后，检查100个圆柱销销的直径，把测量的数据按大小分组，每组的尺寸间隔为0.003mm，并计算、记录于表，试分析其工艺过程,分布曲线法的应用,58,59,解：根据表，计算平均值,计算均方根差,绘制分布图 根据表中数据，把频

26、数值点在尺寸区间（间隔）中值上，并把每点顺次用直线连起来，绘成折线图,60,实际分布曲线与理论分布线曲,（其尺寸误差服从正态分布）,61,分布图分析,在用正态性评定方法确认样本是服从正态分布的前提下，就可以认为工艺过程中变值系统性误差很小（或不显著,此误差为常值系统性误差，是由于机床调整不准确引起,），被加工工件尺寸分散的原因主要是随机性误差引起，工艺过程处在控制状态之中,62,工序能力分析,属于三级工序能力，工艺能力不足,工艺能力等级：,63,从图中可以看出，本批工件的最小尺寸：,比工序要求的最小尺寸9.610要大，故分布曲线的左半部分没有废品；在右半部分，工序要求的最大尺寸为9.650，而

27、实际最大尺寸为9.653，故有废品产生。,确定合格品率和不合格品率,64,65,查表（正态分布计算表）F(2.5)=0.4939 F(2.6)=0.4953用插值法计算：F(2.57)=0.4948所以：合格品率=0.5+0.4948=0.9949=99.48%废品率=1-0.9948=0.0052=0.52%,确定合格品率和不合格品率,由于这些不合格品都是尺寸过大的不合格品，所以是可修复的废品,66,分布图分析法的应用（1）判断加工误差的性质 如果实际分布曲线与正态分布曲线基本相符，说明加工中没有变值系统性误差，再根据算术平均值是否与公差带重合，就可以判断是否有常值系统性误差，如果实际分布曲

28、线不符合正态分布，可根据实际分布图形判断是什么类型的变值系统性误差,（2）判断工序能力能否满足加工精度要求,所谓工序能力，就是工序处于稳定状态时，加工误差正常波动的幅度,（3）估计工件的合格率与废品率 分布曲线与横坐标所包含的面积，代表一批工件的总数，如果尺寸分散范围大于工件的公差范围，将有废品产生，其中在公差带内的面积，代表合格品率；以外的面积，代表废品率，它包括可修复的废品率和不可修复的废品率,67,讨论：,实际分布曲线为：,2.当，不管公差带中心与分布中心重合不重合，理论上都将会出现废品,3.当，且公差带中心与分布中心不重合，是否会出现废品，则需依据具体情况来定,1.当公差带中心与分布中

29、心重合，且，则理论上不会出现废品,68,非正态分布曲线,当刀具磨损的影响显著时，变值系统性误差占突出地位，使分布曲线出现平顶，如图(a)所示）,在实际生产中，工件尺寸的分布有时并不接近于正态分布，例：将两次调整下加工的工件混在一起，由于每次调整的调整误差（一次调整的调整误差属于常值系统性误差）不同，就会得到双峰曲线，如图(a)所示；,69,非正态分布曲线,当工艺系统热变形显著时，分布曲线就会不对称例如，刀具热变形严重时，若加工轴，则分布曲线偏向左，如图(c)所示）；加工孔时偏向右，如图(d)所示,此外，还可能出现等概率分布、辛普森（Simpson）分布等非正态分布形式,70,分布图分析法不能反

30、映误差的变化趋势 加工中，由于随机性误差和系统性误差同时存在，在没有考虑到工件加工先后顺序的情况下，很难把随机性误差和变值系统性误差区分开来由于在一批工件加工结束后，才能得出尺寸分布情况，因而不能在加工过程中起到及时控制质量的作用如果工艺过程不稳定，分布图分析法失去意义,71,28,2.点图法,工件尺寸,序号,工件,26,24,22,20,18,16,14,12,10,8,6,4,2,工件误差逐件按件号点出,如果按工件的加工顺序逐个测量一批工件的尺寸，并以横坐标代表工件加工序号，纵坐标代表工件尺寸，所作的点图称为个值点图,72,为了缩短点图的长度，可将顺序加工的m个工件编为一组，此时以组序号为

31、横坐标，纵坐标代表工件尺寸，同一组工件的尺寸分散在同一组号的垂直线上，这样作的点图如图所示,73,图绘制,如果仍以顺序加工的m个工件为一组的组序号为横坐标，以每组内m个工件的平均值 为纵坐标，或以每组内m个工件的最大值与最小值的差R（称极差）为纵坐标，就可以得到目前应用较多的平均值极差点图（点图），在实际应用中两者联合使用,74,式中，m：每组的工件数；,75,单独的 点图或者R点图，都不能全面地反映加工误差的情况，故 点图和R点图都是结合起来应用,R点图上的点代表了瞬时分散范围，所以R点图能反映出随机性误差的变化趋势,点图上的点代表了瞬时分散中心，主要反映系统性误差的变化趋势,分析,76,由

32、于种种误差因素的影响，点图上的点子总是要波动的，也就是说一批工件的质量参数总是参差不齐的；根据点波动情况，可以把它分成两种：其一是随机性波动，波动幅值不太大，无明显规律，这主要是由一些随机性误差因素（其中无明显优势者）引起的，这种波动称为正常波动；其二是引起波动的误差因素中有明显占优的误差因素，以致点图的波动有规律性，如明显上升或下降趋势，或出现幅值很大或很小的波动等，这种波动称为异常波动，点图正常波动的工艺是稳定的，而异常波动的工艺是不稳定的,77,组序号,15,20,25,30,30,20,10,10,5,(a)点图,10,5,20,10,组序号,30,25,20,15,(b)点图,有上升

33、趋势,正常波动,异常波动,有点子超出控制线,78,正 常 波 动,异 常 波 动,1没有点子超出控制线2大部分点子在中心线上下波动，小部分在控制线附近3点子没有明显的规律性,1有点子超出控制线2点子密集在中心线附近3点子密集在控制线附近4连续7个以上的点子5连续11个点子中有10个以上出现在控制线的上方或下方6连续14个点子中有12个以上出现在控制线的上方或下方7连续17个点子中有14个以上出现在控制线的上方或下方8连续20个点子中有16个以上出现在控制线的上方或下方9点子有上升或下降的倾向10点子有周期性波动,79,点图的应用,点图可以观察出加工过程是否存在变值系统性误差和随机性误差的变化情

34、况，可以用来判断工艺过程的稳定情况，并能在加工过程中提供控制加工精度的资料,（1）工艺验证 工艺验证的目的是判断现行工艺或准备实施的新工艺能否稳定地满足产品的加工质量要求。其主要内容是通过抽样检查作出分布曲线图（或直方图），确定工序能力及工序能力系数，判断工艺过程的稳定情况,工艺过程是否稳定，可由 图的波动情况来判断，如果 图的波动正常，工艺是稳定的，若是异常波动，则工艺过程是不稳定的。要判断 图的正、异常波动，得在 图上标加中线和控制线。中线和控制线的确定如下：,点图,中线,上控线,下控线,组序号,80,R点图,中线,上控线,下控线,表 常数A2、D1、D2值,81,工艺过程出现异常波动，表

35、明总体分布的数字特征发生了变化，这种变化不一定就是坏事 例如发现点子密集在中心线上下附近，说明分散范围变小了，这是好事，但应查明原因，使之巩固，以进一步提高工序能力（即减小6值）再如刀具磨损会使工件平均尺寸的误差逐渐增加，使工艺过程不稳定，虽然刀具磨损是机械加工中的正常现象，如果不适时加以调整，就有可能出现废品 值得注意的是，工艺过程是否稳定与工件是否会出废品不是一回事。工艺过程是否稳定是由其本身误差情况来决定的，而工件是否合格则是由工件规定的公差决定的。如果根据工艺验证，某一工序的工艺过程是稳定的，工序能力系数Cp足够大，且分布中心与公差带中心重合，可以讲它是不会产生不合格品的。但工序能力不

36、足，即使是工艺过程稳定，它也会出废品。加工过程中不出现异常波动，说明该工序的工艺过程处于控制之中，可以继续进行加工，否则就应停机检查，找出原因，采取措施消除使加工误差增大的因素，使质量管理从事后检验变为事前预防。,82,34 表面质量的形成及其影响因素,一、切削加工的表面粗糙度二、磨削加工的表面粗糙度三、机械加工后工件表面层物理机械 性能的变化,83,一、切削加工的表面粗糙度,在切削加工中刀具的几何形状、切削用量、切削液、振动等工艺因素，都会影响表面粗糙度；以车削外圆为例来说明切削加工表面粗糙度的形成,由国家标准规定的表面粗糙度定义，轮廓的算术平均偏差：,84,H,f,1几何因素 外圆车削时，

37、其切削轨迹为一螺旋线，切削后在工件表面留下的残留面积（其形状是刀具几何形状的复映），形成了表面理论粗糙度,尖刃车刀,85,r,H,f,圆弧刃刃车刀,86,（1）在切削过程中，刀具的刃口圆角及后刀面的挤压与摩擦使金属材料发生塑性变形而使理论残留面积挤歪或沟纹加深，因而增大了表面粗糙度,实际轮廓,理论轮廓,2物理因素 切削加工后表面粗糙度的实际轮廓之所以与纯几何因素所形成的理论轮廓有很大的差异，主要是由于切削过程中塑性变形的影响,87,（2）在切削过程中出现刀瘤（积屑瘤）,定不变的，而是不断地形成、长大，然后粘附在切屑上被带走或留在工件上。由于积屑瘤有时会伸出切削刃之外，其轮廓也很不规则，因而使加

38、工表面上出现深浅和宽窄都不断变化的刀痕，大大恶化了表面粗糙度,积屑瘤是切削过程中切屑底层与前刀面冷焊的结果。积屑瘤形成后并不是稳,加工塑性材料时，切削速度为中、低速，易产生积屑瘤。,88,（3）在切削过程出现鳞刺 鳞刺是已加工表面上出现的鳞片状毛刺般的缺陷。切削过程中出现鳞刺是由于切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用造成周期性地停留，代替刀具推挤切削层，造成切削层和工件之间出现撕裂现象。,I.抹拭,II.沉积,III.导裂,IV.刮成,鳞刺的形成过程,89,鳞刺的形成经过4个阶段：I.抹拭（切屑与前刀面刮擦干净）II.沉积（切屑与前刀面冷焊）III.导裂（切屑与已加工表面间撕裂）IV.刮成（切屑沿前

39、刀面流出）,如此往复，就在已加工表面上出现一系列的鳞刺，构成已加工表面的粗糙度。,90,（4）工艺系统振动的影响 工艺系统振动：是指刀具相对于工件产生周期性的位移。由于振动，在加工表面上形成波纹状的振痕。,振动频率高表面粗糙度值增大；振动频率低产生波度。,强迫振动 由外界具有一定频率的周期性变化的激振力所引起的振动，称为强迫振动。,系统外部的周期性干扰力旋转零件的质量偏心传动机构的缺陷切削过程的间隙特性,91,强迫振动的特征 I.强迫振动是由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动本身也不能使激振力变化。II.强迫振动的振动频率与外界激振力的频率相同，而与系统的固有频率无关。III.强迫振动

40、的幅值既与激振力的幅值有关，又与工艺系统的特性有关。,当外界激振力的频率接近或等于工艺系统的固有频率时，就会引起共振现象，这时振幅极大，对工艺系统的危害极其严重。,92,二.磨削加工的表面粗糙度,磨削加工与切削加工比较，有许多特点，主要表现在：,砂轮表面的形貌很复杂，磨粒在砂轮表面上的分布是随机的，高低不一，也很不规则。磨削速度高，且磨粒大多数为负前角，单位切削力很大，所以切削温度很高（150016000C），超过了相变温度，因此产生了比切削加工大得多的塑性变形。被加工表面是由无数个高低不等的磨粒滑擦、刻划和切削而成的，因而衡量表面粗糙度的依据是单位时间内通过单位磨削面积的磨粒数多少（即刻痕数

41、多少）、刻痕的深浅以及刻痕的均匀性。,93,影响磨削表面粗糙度的因素是：,1砂轮方面,（1）砂轮的磨粒,磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好，则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。但磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若导热情况不好，还会烧伤工件表面。,（2）砂轮粒度与硬度,砂轮的硬度是指磨削时磨粒受力后从砂轮上自行脱落的难易程度（即砂轮的自砺性）。,94,（3）砂轮的组织,砂轮太软，磨粒太容易脱落，不易保证砂轮修整后的形状精度，使粗糙度增加；如果太硬，磨钝了的磨粒就不容易脱落，切削作用减小而挤压、摩擦及塑性变形增加，

42、表面粗糙度增大，同时还容易烧伤。,组织细密的砂轮，磨粒在砂轮组织（磨粒、粘结剂、空隙）中占的比例大，单位时间内通过单位磨削面积的磨粒数多，而获得较低的表面粗糙度。但砂轮的组织若过于紧密，空隙太小，则容易堵塞砂轮，使加工表面产生烧伤。,95,不同的磨粒，其锋利程度、硬度不同。砂轮磨粒材料种类很多，可分为三大系，即：氧化物系（刚玉类）碳化物系（碳化硅、碳化硼等）高硬磨粒系,（4）砂轮的修整,砂轮磨钝后，必须进行仔细地修整，修整质量对磨削表面的粗糙度有很大的影响。用金刚石笔修整砂轮相当于在砂轮工作表面上车出一道螺纹，其导程和切深越小，修整出的砂轮就越光滑，磨削刃的等高性越好，因而磨出的工件表面粗糙度

43、就越小。,（5）磨粒的材料,96,一般磨削钢类件用刚玉类，磨削铸铁、硬质合金用碳化物类磨料，可获得较好的效果。金刚石、立方氮化硼类的高硬磨粒砂轮，可获粗糙度很低的表面。其中立方氮化硼，虽然其硬度较金刚石低（金刚石硬度为HV10000，立方氮化硼为HV80009000）,但其耐热性（1400oC）比金刚石（800oC）高，且对铁元素的化学惰性高，磨削钢类件可获得很低的表面粗糙度。,97,三、机械加工后工件表面层物理机械性能的变化,1.表面层的冷作硬化,(1)加工硬化（或冷作硬化）定义 机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化

44、甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化,(2)衡量表面层加工硬化的指标表面层的显微硬度HR；硬化层深度h；硬化程度N,HR0：工件原表面层的显微硬度,98,（1）表面残余应力的产生机理 当切削及磨削过程中加工表面相对于基体材料发生形状、体积变化或金相组织变化时，在加工后表面层中将残留有应力，应力大小随深度而变化，其最外层的应力和表面层与基体材料交界处（以下简称里层）的应力符号相反，并相互平衡。表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。,2.表面层残余应力,99,（2）冷塑性变形的影响 在切

45、削加工过程中，工件表面层受切削力的作用，金属晶体发生塑性变形、位错、空位等缺陷大为增加，使晶格中的一部分原子偏离其平衡位置造成了晶格的畸变，破坏了原来晶格中原子最紧密的排列，导致金属密度下降，体积增大。由于表层受切削力的作用，表层产生拉应力。但里层处于弹性变形状态下。,100,（2）冷塑性变形的影响 当切削加工完成后，切削力已去除，里层金属趋向复原（弹性恢复），但受到已产生塑性变形的表面层限制，回复不到原状，因而在表面层产生残余压应力，里层则为拉应力与之相平衡,101,（3）热塑性变形的影响 表面层在切削热的作用下产生热膨胀，此时基体温度较低，因此表面热膨胀受到基体的限制而产生热压缩应力。当表

46、面层的温度超过材料的弹性变形的温度范围时，就会产生热塑性变形（在压力作用下材料相对缩短）。当切削过程结束，温度下降至与基体温度一致时，因为表面层已产生热塑性变形，但受到基体的限制产生拉应力，里层则为残余压应力。,距表层深度,102,（4）金相组织变化的影响 切削时产生的高温会引起表面层的相变。由于不同的金相组织有不同的比重，表面层金相组织变化的结果造成了体积的变化。表面层体积膨胀时，因为受到基体的限制，产生压应力；反之表面层体积缩小，则产生拉应力。各种金相组织中，马氏体比重最小，奥氏体比重最大。,103,磨削淬火钢时若表面产生回火现象，马氏体转变成索氏体或屈氏体（这两者组织均为扩散程度很高的珠

47、光体），因体积缩小，表面层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。若表面层产生二次淬火现象，则表面层产生二次淬火马氏体，其体积比里层的回火组织大，因而表层产生压应力，里层产生拉应力,104,切削加工中由于切削热的作用，加工表面层会产生金相组织的变化。特别是磨削加工，由于磨削速度高，大部分磨粒带有很大的负前角，磨粒除了切削作用外，很大程度是在刮擦挤压工件表面，因而产生的磨削热比切削加工大得多。磨削时约有70%以上的热量瞬时进入工件，只有小部分通过切屑、砂轮、冷却液、大气带走，致使磨削时工件表面层温度很高，表面层的金相组织产生更为复杂的变化，表面层的硬度也相应产生变化，直接影响零件的使用性能。,3.加

48、工表面的金相组织的变化,105,（1）磨削烧伤 当被磨削工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度、硬度降低，并伴随有残余力产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。在磨削热的作用下，磨削表面生成氧化膜，这种氧化膜由于厚度不同，其反射光线的干涉状态不同，因而形成不同的颜色（表面层呈现黄、褐、紫、青等色），它反映了表面层金相组织变化的程度。,106,（2）磨削烧伤三种形式,淬火烧伤,磨削时工件表面温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火

49、索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。,磨削淬火钢时，若表面层产生二次淬火现象，则表面层产生二次淬火马氏体，其体积比里层的回火组织大，因而表层产生压应力，里层产生拉应力。,0,-,距表层深度,+,107,回火烧伤,磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。,磨削淬火钢时若表面产生回火现象，马氏体转变成索氏体或屈氏体（这两者组织均为扩散程度很高的珠光体），因体积缩小，表面层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。,108,退火烧伤,磨削时，当

50、工件表面层温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。,磨削热是造成磨削烧伤的根源，故减轻磨削热损伤的途径是：一是尽量减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。具体措施有：,（3）减轻磨削热损伤的途径,109,合理地选择砂轮,一般选择的砂轮应使在磨削过程中具有自锐能力，同时磨削时砂轮应不致产生粘屑现象。,不同磨料的砂轮在磨削不同材料的工件时，有它一定的适用范围。例如：氧化铝砂轮磨削低合金钢、镍钢时不产生化学反应，磨损也小，而用碳化硅砂轮磨削这些材料时，则产生较大的