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1、机械加工精度及表面质量,教师：孙敏,开封大学机电工程学院,4 工艺系统热变形引起的加工误差5 工件残余应力引起的加工误差6 提高加工精度的工艺措施7 加工误差的综合分析,第四节、工艺系统热变形引起的加工误差,（一）概 述,工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形，从而破坏工件与刀具间正确的相对位置，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，而且还影响加工效率的提高。实现数控加工后，加工误差不能再由人工进行补偿，全靠机床自动控制，因此热变形的影响就显得特别重要。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
2、课题。,1.工艺系统的热源,电机、轴承、齿轮、油泵等,工件、刀具、切屑、切削液,气温、室温变化、热、冷风等,热源,日光、照明、暖气、体温等,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。,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。而工艺系统的热变形也就达到某种程度的稳定。,物体中各点的温度分布称为温度场,T=f(x,y,z,t),当物体未达热平衡时，各点温度不仅是坐标位置的函数，也是时间的函数。这种温度场称为不稳态温度场,物体达到热平衡后，各点温度将不再随时间而变化，只是其坐标位置的函数。这种温度场称为稳态温度
3、场,机床在开始工作的一段时间内，其温度场处于不稳定状态，其精度也是很不稳定的，工作一定时间后，温度才逐渐趋于稳定，其精度也比较稳定。因此，精密加工应在热平衡状态下进行。,在生产中，必须注意:,（二）机床热变形对加工精度的影响,机床热变形会使机床的静态几何精度发生变化而影响加工精度，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，因此机床各部件的温升和热变形情况是不一样的。,1.车、铣、钻、镗类机床,主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热、润滑油发热。,（图）,图 车床的热变形,结果：如图所示为车床空运转时，主轴的温升和位移的测量结果
4、。,主轴在水平方向的位移仅10m,垂直方向的位移却高达180 200 m。,3.大型机床,如导轨磨床、外圆磨床、龙门铣床等的长床身部件,表面温度比床身底面温度高,形成温差,床身产生弯曲变形。,4.几种机床的热变形趋势,平面磨床,车床,铣床,双端面磨床,2.龙门刨床、牛头刨床、立式车床类机床,导轨副的摩擦热,3.各 种 磨 床,砂轮主轴轴承的发热和液压系统的发热,（图例）,（图例）,牛头刨床滑枕热变形及结构改进示意图 a)原滑枕截面图 b)原滑枕热变形示意图 c)滑枕热对称结构,外园磨床的热变形示意图1床身 2导轨 3工件 4砂轮 5砂轮架 6螺母,（三）工件热变形对加工精度的影响,1.工件均匀
5、受热,对于一些形状简单、对称的零件，如轴、套筒等，加工时（如车削、磨削）切削热能较均匀地传入工件，工件热变形量可按下式估算：,L=Lt式中 工件材料的热膨胀系数，单位为1/；L工件在热变形方向的尺寸，单位为mm；t工件温升，单位为。,实 例,在精密丝杆加工中，工件的热伸长会产生螺距的累积误差。在较长的轴类零件加工中，将出现锥度误差。,例如：在磨削400mm长的丝杠螺纹时，每磨一次温度升高1，则被磨丝杠将伸长L=1.1710-54001mm=0.0047mm 而5级丝杠的螺距累积误差在400mm长度上不允许超过5m左右。因此，热变形对工件加工精度影响很大。,2.工件不均匀受热,在刨削、铣削、磨削
6、加工平面时，工件单面受热，上下平面间产生温差，导致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生了中凹，造成了几何形状误差。,工件凸起量f可按图例所示图形进行估算。由于中心角很小，其中性层的长度可近似认为等于原长L，则 f=L/2 tan(/4）L/8 且（R+H）-R=tL=tL/H 所以 f tL2/8H,图例 薄板磨削时的弯曲变形,（四）刀具热变形对加工精度的影响,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。,图示为车削时车刀的
7、热变形与切削时间的关系曲线。曲线A 车刀连续工作时的热伸长曲线；曲线B 切削停止后，车刀温度下降曲线；曲线C 传动作间断切削的热变形切削。,车外圆时，车刀热变形会使工件产生圆柱度误差（喇叭口）。加工内孔又如何？,图 车刀热变形曲线 1 刀具加热至热平衡时间 2 刀具加热至热平衡时间 0 刀具间断切削至热平衡时间,（五）减少工艺系统热变形的主要途径,1减少发热和隔离热源,1)采用热对称结构2)合理选择机床零部件的安装基准(图7-35),寻求各部件热变形的规律建立热变形位移数字模型并存入计算机中进行实时补偿,加工前使机床高速空转，达到热平衡时再切削加工,1）减小温差；2）均衡关键件的温升，避免弯曲
8、变形（如图所示）,恒温车间、使用门帘、取暖装置均匀布置；恒温精度一般控制在1以内，精密级较高的机床为0.5。恒温室平均温度一般为20，在夏季取23，在冬季可取17,2均衡温度场,3改进机床布局和结构设计,4保持工艺系统的热平衡,5控制环境温度,6.热位移补偿,采用强制冷却适合于机床，刀具和工件,图731 采用隔热罩减少热变形,图733 用热空气均衡立柱前后壁的温度场,图735 车床上主轴箱两种结构的热位移,第五节、工件残余应力引起的加工误差,（一）内应力的产生及其对加工精度的影响,什么是残 余 应 力,残余应力是指在没有外部载荷的情况下，存在于工件内部的应力，又称内应力。,产生原 因,残余应力
9、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。,残余应力对零件的影响影响,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，在机器使用中也会逐渐产生变形，从而影响整台机器的质量。,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430）,1、毛坯制造中产生的残余应力,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，
10、毛坯内部产生的残余应力就越大。,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。,图430 铸件残余应力引起的变形,图7-36所示为一个内外壁厚相差较大的铸件，在浇铸后的冷却过程中产生残余应力的情况。,工件变形方向判断：受压者不再受压伸长；受拉者不再受拉缩短 长者仍长；短者仍短,2、冷校直引起的残余应力,现 象,原 因,在外力F的作用下，工件内部的应力重新分布，如图4-31b所示，在轴心线以上的部分产生压应力（用负号表示），在轴心线以下的部分产生拉应力（用
11、正号表示）。在轴心线和两条虚线之间，是弹性变形区域，在虚线以外是塑性变形区域。,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，如图4-31a所示。,影 响,措 施,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，如图4-31c所示。,对精度要求较高的细长轴（如精密丝杠），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。,图431 冷校直引起的内应力,2、切削加工中引起的残余应力,工件在切削加工时，其表面层在切削力和切削热的作用下，会产生不同程度的塑性变形，引
12、起体积改变，从而产生残余应力。这种残余应力的分布情况由加工时的工艺因素决定。,内部有残余应力的工件在切去表面的一层金属后，残余应力要重新分布，从而引起工件的变形。在拟定工艺规程时，要将加工划分为粗、精等不同阶段进行，以使粗加工后内应力重新分布所产生的变形在精加工阶段去除。对质量和体积均很大的笨重零件，即使在同一台重型机床进行粗精加工也应该在粗加工后将被夹紧的工作松开，使之有充足时间重新分布内应力，在使其充分变形后，然后重新夹紧进行精加工。,毛坯制造热处理,1合理设计零件结构应尽量简化结构，减小零件各部分尺寸差异，以减少铸锻件毛坯在制造中产生的残余应力。,2增加消除残余应力的专门工序对铸、锻、焊
13、接件进行退火或回火；工件淬火后进行回火；对精度要求高的零件在粗加工或半精加工后进行时效处理（自然、人工、振动时效处理）,第六节、提高加工精度的工艺措施,查明产生加工误差的主要因素后，设法对其直接进行消除或减弱，如细长轴加工用跟刀架会导致工件弯曲变形，现采用反拉法切削工件受拉不受压不会因偏心压缩而产生弯曲变形,一、减少误差法,二、误差补偿法,误差补偿法是人为地造出一种新的原始误差，去抵消原来工艺系统中存在的原始误差，尽量使两者大小相等、方向相反而达到使误差抵消得尽可能彻底的目的。如图7-39、图7-40,三、误差分组法,误差分组法是把毛坯或上工序加工的工件尺寸经测量按大小分为n组，每组尺寸误差就
14、缩减为原来的1/n。然后按各组的误差范围分别调整刀具位置，使整批工件的尺寸分散范围大大缩小。,图738 反拉法切削细长轴 a)正向进给 b)反向进给,图739 通过导轨凸起补偿横梁变形,图740 螺纹加工校正机构1工件2丝杠螺母 3车床丝杠 4杠杆 5校正尺 6滚柱 7工作尺面,四、误差转移法,误差转移法就是把原始误差从误差敏感方向转移到误差的非敏感方向。例如图7-41，转塔车床的转位刀架采用“立刀”安装法;图7-42所示为利用镗模进行镗孔，主轴与镗杆浮动联接。,五、就地加工法,全部零件按经济精度制造，然后装配成部件或产品，且各零部件之间具有工作时要求的相对位置，最后以一个表面为基准加工另一个
15、有位置精度要求的表面，实现最终精加工，这就是“就地加工”法，也称自身加工修配法。,六、误差均分法,误差均分法就是利用有密切联系的表面之间的相互比较和相互修正或者利用互为基准进行加工，以达到很高的加工精度。,图741 立轴转塔车床刀架转位误差的转移,一、加工误差的性质及分类,第七节 加工误差的综合分析,发现孔直径比规定大0.02毫米,发现轴加工后有圆柱度误差中间粗腰鼓型,怎么判断的？是什么误差？,发现磨孔直径逐渐增大,磨削一批工件测量没有超差在规定的公差带范围波动,常值系统性误差,常值系统性误差,变值系统性误差,用批平均值评定,波动范围代表随机性误差是否有常值系统性误差看尺寸平均值与公差带中心重
16、合，不重合就有。,不同性质误差的 解决途径,对随机性误差，从表面上看似乎没有规律，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，查出产生误差的根源，在工艺上采取措施来加以控制。,对于变值系统性误差，在查明其大小和方向随时间变化的规律后，可采用自动连续补偿或自动周期补偿的方法消除。,对于常值系统性误差，在查明其大小和方向后，采取相应的调整或检修工艺装备，以及用一种常值系统性误差去补偿原来的常值系统性误差，即可消除或控制误差在公差范围之内。,在生产中，误差性质的判别应根据工件的实际加工情况决定。在不同的生产场合，误差的表现性质会有所不同，原属于常值系统性的误差有时会变成随机性误差。例如
17、：对一次调整中加工出来的工件来说，调整误差是常值误差，但在大量生产中一批工件需要经多次调整，则每次调整时的误差就是随机误差了。,二、加工误差的统计分析方法,加工误差的统计分析法就是以生产现场对工件进行实际测量所得的数据为基础，应用数理统计的方法，分析一批工件的情况，从而找出产生误差的原因以及误差性质，以便提出解决问题的方法。在机械加工中，经常采用的统计分析法主要有分布图分析法和点图分析法。,加工一批工件，由于随机性误差的存在，加工尺寸的实际数值是各不相同的，这种现象称为尺寸分散。在一批零件的加工过程中，测量各零件的加工尺寸，把测得的数据记录下来，按尺寸大小将整批工件进行分组，每一组中的零件尺寸
18、处在一定的间隔范围内。同一尺寸间隔内的零件数量称为频数，频数与该批零件总数之比称为频率。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。,1.实际分布图直方图,（1）直方图的作法与步骤,1）收集数据,在一定的加工条件下，按一定的抽样方式抽取一个样本（即抽取一批零件），样本容量（抽取零件的个数）一般取100件左右，测量各零件的尺寸，并找出其中的最大值xmin和最小值xmin。,2）分组,将抽取的样本数据分成若干组，组数过多，分布图会被频数的随即波动所歪曲；组数太少，分布特征将被掩盖。,4）统计频数分布,将各组的尺寸频数、频率和频率密度填入表中。,5）绘制直
19、方图,按表列数据以频率密度为纵坐标，组距为横坐标画出直方图，如图7-43所示。,3）确定组距组界及分组,h=(xmax-xmin)/(k-1)第一组上界值：s1=xmin+h/2第一组下界值：x1=xmin-h/2,图443 活塞销孔直径尺寸分布图,抽取工件100个，经测量：max=28.004mm，min=27.992mm，取0.02mm作为尺寸间隔进行分组，统计每组的工件数，将所得的结果列表7-1。,精镗活塞销孔，图纸要求：,下面通过实例来说明直方图的作法：,表 工件频数分布表,（2）直方图的观察与分析,直方图作出后，通过观察图形可以判断生产过程是否稳定，估计生产过程的加工质量及产生废品的
20、可能性。,1）尺寸分散范围小于允许公差T，且分布中心与公差带中心重合，则两边都有余地，不会出废品。2）若工件尺寸分散范围虽然也小于其尺寸公差带T，但两中心不重合（分布中心与公差带中心），此时有超差的可能性，应设法调整分布中心，使直方图两侧均有余地，防止废品产生。3）若工件尺寸分散范围恰好等于其公差带T，这种情况下稍有不慎就会产生废品，故应采取适当措施减小分散范围。4）若工件尺寸分散范围大于其公差带T，则必有废品产生，此时应设法减小加工误差或选择其它加工方法。,大量实践经验表明，在用调整法加工时，当所取工件数量足够多，且无任何优势误差因素的影响，则所得一批工件尺寸的实际分布曲线便非常接近正态分布
21、曲线。在分析工件的加工误差时，通常用正态分布曲线代替实际分布曲线，可使问题的研究大大简化。,当采用该曲线代表加工尺寸的实际分布曲线时，上式各参数的意义为：y 分布曲线的纵坐标，表示工件的分布密度（频率密度）；x分布曲线的横坐标，表示工件的尺寸或误差；,n一批工件的数目（样本数）。,工件的平均尺寸（分散中心），,一批零件的均方根差，,（1）正态分布曲线方程,工序标准偏差决定了分布曲线的形状和分散范围。当算术平均值保持不变时，值越小则曲线形状越 陡，尺寸分散范围越小，加工精度越高；值越大则曲线形状越平坦，尺寸分散范围越大，加工精度越低，如图4-33b所示。的大小实际反映了随机性误差的影响程度，随机
22、性误差越大则越大。,算术平均值,（2）正态分布曲线的特征参数,正态分布曲线的特征参数有两个，即,和,是确定曲线位置的参数。它决定一批工,件尺寸分散中心的坐标位置。若,改变时，整个曲线,沿轴平移，但曲线形状不变，如图4-33a所示。,使,产生变化的主要原因是常值系统误差的影响。,图433 正态分布曲线及其特征,（3）正态分布曲线的特点,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。,在3范围内，曲线围成的面积为0.9973。实际生产中常常认为加工一批工件尺寸全部在3 范围内，即：正态分布曲线的分散范围为3，工艺上称该原则为6准则。,3（或6）的概念在研究加
23、工误差时应用很广。6的大小代表了某种加工方法在一定的条件（如毛坯余量、机床、夹具、刀具等）下所能达到的加工精度。所以在一般情况下，应使所选择的加工方法的标准偏差与公差带宽度T之间具有下列关系：6T 但考虑到系统误差及其它因素的影响，应当使6小于公差带宽度T，才能可靠地保证加工精度。,工件的实际分布，有时并不近似于正态分布，常见的非正态分布有以下几种形式：,1）锯齿形 直方图的矩形高低相间，形如锯齿，见图例a。出现该图形的主要原因可能是测量方法不当或读数不准，也可能是数据分组不当所致。2）对称性 中间直方最高，其左右直方逐渐降低且基本呈对称分布，见图例b。该图形属正常图形。3）偏向形 直方顶端偏
24、向一侧，图形不对称，见图例c。出现该图形的主要原因可能是工艺系统产生显著的热变形，如刀具受热伸长会使加工的孔偏大，图形右偏；使加工的轴偏小，图形左偏，或因为操作者加工习惯所致。有时端跳、径跳等形位误差也服从这种分布。,4）孤岛形 在远离分布中心的地方又出现小直方，见图例d。出现该图形的主要原因是加工条件有变动，也可能因毛刺影响测量结果的准确性。5）双峰形 分布图具有两个顶峰，见图例e。产生这种图形的主要原因可能是经过两次不同的调整加工的工件混在一起。6）平顶形 靠近中间的几个直方高度相近，呈平顶状，见图例f。产生这种图形的主要原因是生产过程中某种缓慢变动倾向的影响，如加工中刀具的显著磨损。,图
25、744 常见的几种非正态分布图形 a)锯齿形 b)对称形 c)偏向形 d)孤岛形 e)双峰形 f)平顶形,1）确定给定加工方法的精度,对于给定的加工方法，服从正态分布，其分散范围为3（6）；则:6即为该加工方法的加工精度。,2）判断加工误差的性质,如果实际分布曲线基本符合正态分布，则说明加工过程中无变值系统误差（或影响很小）；若公差带中心与尺寸分布中心重合，则加工过程中常值系统误差为零；否则存在常值系统误差，其大小为LM-x。若实际分布曲线不服从正态分布，可根据直方图分析判断变值系统误差的类型，分析产生误差的原因并采取有效措施加以抑制和消除。,3）判断工序能力及其等级,工序能力是指某工序能否稳
26、定地加工出合格产品的能力。把工件尺寸公差T与分散范围6的比值称为该工序的工序能力系数 CP，用以判断生产能力。CP按下式计算：CP=T/6根据工序能力系数CP的大小，共分为五个等级，如表7-2所示。工序能力系数CP1时,公差带T大于尺寸分散范围6,具备了工序不产生废品的必要条件,但不是充分条件。要不出废品，还必须保证调整的正确性，即 x 与LM要重合。只有当CP大于1，同时T-2x-LM大于6时，才能确保不出废品。当CP1时，尺寸分散范围6超出公差带T，此时不论如何调整，必将产生部分废品。当CP=1，公差带T与尺寸分散范围6相等，在各种常值系统误差的影响下，该工序也将产生部分废品。,由分布函数
27、的定义可知，正态分布函数是正态分布概率密度函数的积分：,（x）正态分布曲线上下积分限间包含的面积，它表征了 随机变量x落在区间（，x）上的概率。,令,则有：,(z)为右图中阴影线部分的面积。对于不同 z值的(z)，可由表查出,分布曲线与x轴所包围的面积代表了一批零件的总数。如果尺寸分散范围超出零件的公差带，则肯定有废品产生，如图4-35所示的阴影部分。若尺寸落在Lmin、Lmax范围内，工件的概率即空白部分的面积就是加工工件的合格率。,图435 废品率计算,分布图分析法不能反映误差的变化趋势。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
28、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。,（1）点图的形式,1）个值点图,按加工顺序逐个地测量一批工件的尺寸，以工件序号为横坐标，以工件的加工尺寸为纵坐标，就可作出个值点图（图7-47）。,个值点图反映了工件逐个的尺寸变化与加工时间的关系。若点图上的上、下极限点包络成二根平滑的曲线，并作这两根曲线的平均值曲线，就能较清楚地揭示出加工过程中误差的性质及其变化趋势，如图7-48所示。平均值曲线OO表示每一瞬时的分散中心，反映了变值系统性误差随时间变化的规律.其起始点O位置的高低表明常值系统性误差的大小。整个几何图形将随常值系
29、统性误差的大小不同，而在垂直方向处于不同位置。上下限AA 和BB间的宽度表示在随机性误差作用下加工过程的尺寸分散范围，反映了随机性误差的变化规律。,图747 个值点图,图748 个值点图上反映误差变化趋势,R点图,为了能直接反映出加工中系统性误差和随机性误差随加工时间的变化趋势，实际生产中常用样组点图来代替个值点图。,前者控制工艺过程质量指标的分布中心，反映了系统性误差及其变化趋势；后者控制工艺过程质量指标的分散程度，反映了随机性误差及其变化趋势。,1）,X,样组点图的种类很多，最常用的是,X,R点图（平均,值极差点图）。,它由,X,点图和R点图结合而成。,单独的,点图或R点图不能全面反映加工
30、误差的情况，,必须结合起来应用。,X,设现抽取顺次加工的m个工件为第i组，则第i样组的平均值Xi和极差Ri值为,式中 ximax和ximim分别为第i样组中工件的最大尺寸和最小尺寸。以样组序号为横坐标，分别以Xi和Ri为纵坐标，就可以分别作出X点图和R点图，如图7-49所示。,X-R点图的绘制：是以小样本顺序随机抽样为基础。在加工过程中，每隔一定的时间，随机抽取几件为一组作为一个小样本。每组工件数（即小样本容量）m=210件，一般取m=45件，共抽取k=2025组，共80100个工件的数据。在取得这些数据的基础上，再计算每组的平均值Xi和极差Ri。,图749 XR点图,（2）点图分析法的应用,
31、点图分析法是全面质量管理中用以控制产品加工质量的主要方法之一，它是用于分析和判断工序是否处于稳定状态所使用的带有控制界限的图，又称管理图。X-R点图主要用于工艺验证、分析加工误差以及对加工过程的质量控制。工艺验证就是判定现行工艺或准备投产的新工艺能否稳定地保证产品的加工质量要求。工艺验证的主要内容是通过抽样检查，确定其工序能力和工序能力系数，并判别工艺过程是否稳定。,工艺过程出现异常波动，表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。,工艺过程是否稳定，取决于该工序所采用的工艺过程中本身的误差情况，与产品是否出现废品不是一回事。若某工序的工艺过程是稳定的，其工序能力系数Cp值也足够大，且样本平均值与公差带中心基本重合，那么只要在加工过程中不出现异常波动，就可以判定它不会产生废品。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。,
