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1、第四章 机械制造质量分析与控制,4.1 机械加工精度,4.3机械加工表面质量,4.2 加工误差的统计分析,教学的目的和要求：了解影响加工质量的因素，培养学生具有分析和解决实际生产中加工质量问题的能力。重点掌握加工原理误差、机床几何误差、工艺系统受力变形对加工精度的影响，会对加工误差进行统计分析。,重点：1加工精度及加工表面质量的概念；2机床几何误差、工艺系统受力变形对加工精度的影响；3误差统计分析法。,表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）,图4-1 加工质量包含的内容,4.1 机械加工精度,1、加工精度与加工误差,加工精度：是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和相互位置）与理想
2、几何参数的接近程度；,零件加工精度,.尺寸精度.形状精度.位置精度,加工误差：零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和相互位置）对理想几何参数的偏离量称为加工误差。,一、概述,2、加工经济精度,加工经济精度：是指在正常生产条件下（采用符合质量标准的设备。工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间）所能保证的加工精度。,4.1 机械加工精度,3、原始误差,4.1 机械加工精度,4、研究加工精度的方法,（1）分析计算法,分析计算法主要是在对单项原始误差进行分析计算的基础上进行的。,（2）统计分析法,统计分析法则是对有关的原始误差进行综合分析的基础上进行的。,4.1 机械加工精度,二、工艺系统的几何
3、误差,2、机床的几何误差,主轴回转误差、机床导轨误差和机床传动链误差。,1、加工原理误差,3、刀具几何误差,4、夹具几何误差,5、调整误差,4.1 机械加工精度,1、加工原理误差,加工原理误差是指采用了近似的加工方法、近似的成形运动或近似的刀具轮廓进行加工而产生的误差。,例1：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮,例2：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件,4.1 机械加工精度,(1)主轴回转误差 主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移。,a）轴向窜动 b）径向跳动 c）角度摆动主轴回转误差的基本型式,端面形状和轴向尺寸精度,圆度和圆柱度误差,圆柱度误差和端面的形状误差。,2、机床几何误差,4.1
4、 机械加工精度,径向跳动对车外圆精度影响,4.1 机械加工精度,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,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,影响主轴回转精度的主要因素：主轴轴颈的同轴度误差、轴承的误差、轴承的间隙、与轴承配合零件的误差及主轴系统的径向不等刚度和热变形等。,4.1 机械加工精度,(2)机床导轨误差,在水平面内，车床导轨的直线度误差或导轨对主轴轴心线的平行度误差，会使被加工的工件产生鼓形或鞍形。,Y,Y,o,D,R,水平面,导轨水平面内直线度,4.1 机械加工精度,在垂直平面内车床导轨的直线度误差，也同样能使工件产生直径方向的
5、误差，但是这个误差不大（处在误差非敏感方向）。,垂直平面,导轨垂直面直线度,Z,d,R,Z,R,d/2,4.1 机械加工精度,车床导轨的扭曲度，也会使刀尖相对工件产生偏移（在水平方向和垂直方向的位移）。,4.1 机械加工精度,(3)机床传动链误差,机床传动链误差是指内联传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。,4.1 机械加工精度,1)提高传动元件，特别是末端件的制造精度和装配精度。2)减少传动件数目，缩短传动链，使误差来源减少。3)消除传动链中齿轮的间隙。4)采用误差校正机构5）尽可能采用降速传动。,减小传动误差，可采取以下措施：,4.1 机械加工精度,3、刀具几何误差,定尺寸刀具（钻头、绞
6、刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差,4.1 机械加工精度,4、夹具几何误差,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：,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；,4.1 机械加工精度,5、调整误差,测量误差。机床进给机构的位移误差。,定程机构误差。样件或样板误差。,试切法与调整法,4.1 机械加工精度,三、工艺系统受力变形引起的误差,b)切入法磨孔时磨杆的变形,a)车削细长轴时的变形,4.1 机械加工精度,工艺系统刚度,在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力
7、与变形量之比,4.1 机械加工精度,其中：,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：,工艺系统刚度计算,4.1 机械加工精度,（1）机床变形引起的加工误差(工件短粗）,1、切削力作用点位置变化引起工件形状误差,机床受力变形引起的加工误差,4.1 机械加工精度,由于机床变形，使工件加工后成鞍形,（2）工件变形引起的加工误差（工件细长）,由于工件变形，使工件加工后成鼓形,工件受力变形引起的加工误差,4.1 机械加工精度,由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映到工件上，此种现象称为“误差复映”,2、切削力大小变化引起的加工误差
8、,误差复映,4.1 机械加工精度,误差复映系数,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。,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。,4.1 机械加工精度,3、夹紧力、重力引起的加工误差,（1）夹紧力影响,a）b）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,4.1 机械加工精度,龙门铣横梁变形,【例】龙门铣横梁,龙门铣横梁变形补偿,（2）重力影响,解决1：重量转移,解决2：变形补偿,4.1 机械加工精度,减少工艺系统受力变形的途径 提高接触刚度 提高工件的刚度，减少受力变形
9、提高机床部件刚度，减少受力变形 合理装夹工件，减少夹紧变形 减少摩擦，防止微量进给时的“爬行”,4.1 机械加工精度,四、工艺系统受热变形引起的误差,温度场工艺系统各部分温度分布（稳态温度场、不稳态温度场）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,4.1 机械加工精度,1机床热变形引起的误差,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,车床受热变形,a）车床受热变形形态,b）温升与变形曲线,4.1 机械加工精度,立铣（图a）,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
10、态,外圆磨（图b）,导轨磨（图c）,4.1 机械加工精度,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,变形曲线,2、刀具热变形引起的加工误差,4.1 机械加工精度,工件均匀受热,5级丝杠累积误差全长应5m，可见热变形的严重性,式中 L 长度热变形量；L 工件原有长度和直径；工件材料线膨胀系数；t 温升。,长度：,例：长400mm丝杠，加工过程温升1，热伸长量为：,3、工件热变形引起的加工误差,4.1 机械加工精度,工件不均匀受热,此值已大于精密导轨平面度要求,例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：,4.1 机械加
11、工精度,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。,加工误差,系统性误差,随机性误差,常值系统性误差,变值系统性误差,4.2 加工误差的统计分析,一、加工误差的分类,毛坯误差的复映，定位误差、夹紧误差、内应力引起的误差、多次调整误差,加工原理误差，机床、刀具、夹具量具的制造误差，一次性调整误差，工艺系统受力变形引起的误差,工艺系统受热变形、刀具的磨损,二、加工误差的统计分析,以生产现场对工件进行实际测量所得到的数据为基础，应用数理统计的方法，分析一批工件的情况，从而找到产生误差的原因和性质，以便提出解决问题的方法。,经常采用的统计分析方法有分布图分析法和点图分
12、析法,4.2 加工误差的统计分析,4.2 加工误差的统计分析,1实际分布图（直方图）,以工件尺寸为横坐标，以频数或频率为纵坐标，即可作出该工序工件加工尺寸的实际分布图直方图。,样本平均值：,标准偏差：,4.2 加工误差的统计分析,样本的数字特征：,样本与组数k的选择：,尺寸的分散中心,尺寸的分散程度,4.2 加工误差的统计分析,直方图的绘制实例：磨削一批轴径 mm的工件。,1）收集数据 样本容量n取100，,轴径尺寸偏差实测值,）,找出最大值Xmax60.054m和最小值Xmin=60.016m。,2）分组 k=9。3）计算组距h 取h=5m。4）计算各组的上、下界值 如第2组的下界值为：第2
13、组的上界值为：5）计算各组的中心值 如第2组的中心值为：,（j=1,2,3,k）,4.2 加工误差的统计分析,6）记录各组数据，整理成下列频数分布表。,7）计算 和,4.2 加工误差的统计分析,4.2 加工误差的统计分析,8）按上表所列数据以频率密度为纵坐标，组距（尺寸间隔）为横坐标，画出直方图；再由直方图的各矩形顶端的中心点连成折线。,（1）正态分布曲线,式中和分别为 正态分布随机变量总体平均值和标准差。,概率密度函数,2、理论分布曲线,4.2 加工误差的统计分析,正态分布图特征：,曲线对称于直线,曲线与x轴围成的面积代表了一批工件的全部，即100%，其相对面积为1。,实际生产中常常认为加工
14、一批工件尺寸全部在3 范围内，即：,4.2 加工误差的统计分析,在3范围内，曲线围成的面积为0.9973。,（2）非正态分布曲线,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,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,4.2 加工误差的统计分析,（2）确定各种加工方法所能达到的精度,3、分布图应用,（1）判断加工性质,1）6T，（标准）分布中心与公差带中心重合，无废品；2）6T 不重合，出现废品（可修复，不可修复）-调整3）6T无论何种情况，都产生废品。
15、,在多次统计基础上，为每一种加工方法求得它的标准偏差值；再按分布范围6T的规律，即可确定各种加工方法所能达到的精度,4.2 加工误差的统计分析,一般情况下，工序能力不应低于二级。,（3）确定工序能力及其等级。,4.2 加工误差的统计分析,（4）估算不合格品率,A、空白部分的面积就是加工工件的合格率,B、阴影部分的面积为废品率,左：当加工外圆表面时，这部分废品无法修复，为不可修复废品。当加工内孔表面时，这部分废品可以修复，因而称为可修复废品。,4.2 加工误差的统计分析,例4-4 在磨床上加工销轴，要求外径，抽样后测得，其尺寸分布符合正态分布，试分析该工序的加工质量。解：,该工序工序能力不足，不可避免出现不合格品。工件最小尺寸：,不会产生不可修复废品,工件最大尺寸：,产生可修复废品,4.2 加工误差的统计分析,4、分布图分析法的缺点,不能反映误差的变化趋势。,不能在加工过程中及时提供控制精度的资料。,4.2 加工误差的统计分析,4.3 机械加工表面质量,表面层的几何形状误差,机械加工表面质量,表面层金属的物理机械性能,表面粗糙度：波长比波高小于50,波度,形状误差：波长比波高大于1000,冷作硬化,残余应力,金相组织变化,
