机械制造技术基础-4机械加工质量--05-14

1第第4章章 机械加工机械加工质量量本章要点机械加工中的振动机械加工中的振动影响加工误差的因素影响加工误差的因素影响机械加工外表质量的因素影响机械加工外表质量的因素工艺系统几何误差工艺系统几何误差工艺系统受力变形工艺系统受力变形工艺系统热变形工艺系统热变形加工误差的统计分析加工误差的统计分析2机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4章章 机械加工质量机械加工质量Analysis and Control of Machining Quality4.1 机械加工质量概述机械加工质量概述Introduction to Machining Quality4.1 机械加工质量概述机械加工质量概述3 尺寸精度形状精度位置精度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外表粗糙度波度纹理方向伤痕划痕、裂纹、砂眼等加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷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加工质量图4-1 加工质量包含的内容4.1 机械加工质量概述机械加工质量概述 4 加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度。程度。零件宏观几何形状误差、波度、外表粗糙度零件宏观几何形状误差、波度、外表粗糙度宏观几何形状误差平面度、圆度等宏观几何形状误差平面度、圆度等波长波长/波高波高10001000波度波度 波长波长/波高波高=50=5010001000；且具有周期特性；且具有周期特性外表粗糙度外表粗糙度 波长波长/波高波高5050 a）波度 b）表面粗糙度 图4-1 零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ4.1.1 机械加工误差与机械加工精度机械加工误差与机械加工精度加工精度及加工误差加工精度及加工误差零零件件加加工工后后实实际际几几何何参参数数尺尺寸寸、形形状状和和各各外外表表间间相相互互位位置置与与理理想想几几何何参参数数形形状状、位位置置无无误误差差，尺尺寸寸位位于于零零件件图图纸规定的公差带中心的纸规定的公差带中心的 符合符合 程度程度 加工精度加工精度 不符合不符合 程度程度 加工误差加工误差符合程度高，加工精度高；符合程度高，加工精度高；加工精度高，加工误差小。加工精度高，加工误差小。形状误差应限制在形状公差之内；形状误差应限制在形状公差之内；位置误差应限制在位置公差范围之内。位置误差应限制在位置公差范围之内。54.1.2 机械加工外表质量对零件使用性能的影响机械加工外表质量对零件使用性能的影响 机械加工质量的内涵机械加工质量的内涵机机械械加加工工后后，零零件件一一定定深深度度外外表表层层的的物物理理力力学学性性质质等等方面的质量与基体相比发生的变化，称加工变质层方面的质量与基体相比发生的变化，称加工变质层64.1.2 机械加工外表质量对零件使用性能的影响机械加工外表质量对零件使用性能的影响 加工变质层的构成情况加工变质层的构成情况变质层构成厚度成因吸附层污染层、化合物层、物理化学吸附层、异物嵌入层（积屑瘤碎片、磨粒嵌入）8m外界因素结晶组织变化层（压缩层）非晶体层、微细结晶层、位错密度升高层、孪晶层、便面合金化层、纤维化层、相变层、再结晶层几十至几百微米切削力引起塑性变形应力变质层残余应力层74.1.2 机械加工外表质量对零件使用性能的影响机械加工外表质量对零件使用性能的影响 8对耐磨性影响对耐磨性影响Ra（m）初始磨损量重载荷轻载荷图4-3 表面粗糙度与初始磨损量外表粗糙度值 耐疲劳性适当硬化可提高耐疲劳性外表粗糙度值耐蚀性外表压应力：有利于提高耐蚀性外表粗糙度值 配合质量外表粗糙度值耐磨性，但有一定限度图4-3对耐疲劳性影响对耐疲劳性影响对耐蚀性影响对耐蚀性影响对配合质量影响对配合质量影响适当硬化可提高耐磨性4.1.3 机械加工工艺系统的原始误差机械加工工艺系统的原始误差9 引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。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原始误差原始误差分类原始误差分类4.1.4 误差敏感方向误差敏感方向 10 图图4-54-5：RYRRR=X（4-1）（4-2）显然：工工艺艺系系统统原原始始误误差差方方向向不不同同，对对加加工工精精度度的的影影响响程程度度也也不不同同。对对加加工工精精度度影影响响最最大大的的方方向向，称为误差敏感方向。称为误差敏感方向。误误差差敏敏感感方方向向一一般般为为已已加加工工外表过切削点的法线方向。外表过切削点的法线方向。图4-5 误差敏感方向YR0Xa）YR0Xb）误差敏感方向误差敏感方向4.1.5 研究加工精度的获得方法研究加工精度的获得方法 尺寸精度的获得方法尺寸精度的获得方法1 1试切法试切法 试切试切+测量测量+调整调整 效率低，对操作者水平要求高效率低，对操作者水平要求高 单件、小批生产或高精度零件加工单件、小批生产或高精度零件加工2 2调整法调整法 试试切切好好工工件件/标标准准样样件件+对对刀刀装装置置成成批批、大大量量生生产产3 3尺寸刀具法尺寸刀具法 零零件件加加工工外外表表尺尺寸寸由由刀刀具具确确定定，孔孔钻钻、扩扩、铰铰；键槽键槽铣刀；成形刀具成型外表键槽键槽铣刀；成形刀具成型外表4 4自动控制法自动控制法 数数控控加加工工尺尺寸寸测测量量装装置置+进进给给机机构构+控控制制装装置置加加工工过程中的尺寸测量过程中的尺寸测量+刀具补偿调整刀具补偿调整(试切法的自动化试切法的自动化)114.1.5 研究加工精度的获得方法研究加工精度的获得方法 形状精度的获得方法形状精度的获得方法1 1成成形形运运动动法法：刀刀具具相相对对于于工工件件有有规规律律的的切切削削成成形形运运动动 例：轨迹法、展成法、相切法和成形刀具法例：轨迹法、展成法、相切法和成形刀具法2 2非成形运动法：通过外表形状检验，人工修整加工非成形运动法：通过外表形状检验，人工修整加工 124.1.5 研究加工精度的获得方法研究加工精度的获得方法 位置精度的获得方法位置精度的获得方法1 1一次装夹获得法一次装夹获得法 零零件件外外表表的的位位置置精精度度在在一一次次装装夹夹中中由由刀刀具具相相对对于于工件的成形运动位置关系保证；工件的成形运动位置关系保证；2 2屡次装夹获得法屡次装夹获得法 通通过过刀刀具具相相对对工工件件的的成成形形运运动动与与工工件件定定位位基基准准面面之间的位置关系来保证零件外表的位置精度之间的位置关系来保证零件外表的位置精度3 3非成形运动法非成形运动法 人工修整，反复检测、加工人工修整，反复检测、加工 1314机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4章章 机械加工质量机械加工质量Analysis and Control of Machining Quality4.2 工艺系统原始误差对工艺系统原始误差对加工精度的影响及其控制加工精度的影响及其控制Geometric Precisions of Technological System and its influence to machining Precision4.2.1 原理误差原理误差 15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。例例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件(图4-6)SRh图4-6 空间曲面数控加工（4-3）原理误差原理误差164.2.2 量具误差与测量误差量具误差与测量误差 计量器具误差：示值误差示值稳定性回程误差灵敏度测量误差测量者的视力判断能力测量经验4.2.3 装夹误差与夹具误差装夹误差与夹具误差 17L0.056F710F7k620H 7g 6YZ图4-7 钻径向孔的夹具 夹具误差影响加工位置精度。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与夹具有关的影响位置误差因素包括：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；184.2.4 刀具误差与调整误差刀具误差与调整误差 定程机构误差。定程机构误差。样件或样板误差。样件或样板误差。测量有限试件造成的误差。测量有限试件造成的误差。和试切法有关的误差。和试切法有关的误差。b）图4-8 刀具的调整刀刀具具的的调调整整与与微微量量进进给给精精度度（图4-8）4.2.5 机床几何误差机床几何误差 19 主轴回转误差是指主轴实主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线际回转线对其理想回转轴线的漂移。的漂移。为便于研究，可将主轴回为便于研究，可将主轴回转误差分解为径向跳动、轴转误差分解为径向跳动、轴向串动和角度摆动三种根本向串动和角度摆动三种根本型式图型式图4-104-10。b）轴向串动a）径向跳动c）角度摆动图4-10 主轴回转误差基本形式回转运动精度回转运动精度20 主轴回转误差对加工精度的影响 主轴径向跳动对加工精度的影响镗孔主轴径向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。那么刀尖的坐标值为：e图4-8 径向跳动对镗孔精度影响式中 R 刀尖回转半径；主轴转角。（4-4）显然，式4-4为一椭圆。4.2.5 机床几何误差机床几何误差 21图4-9 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。那么刀尖运动轨迹接近于正圆图4-9。结结结结论论论论：主主主主轴轴轴轴径径径径向向向向跳跳跳跳动动动动影影影影响加工外表的圆度误差响加工外表的圆度误差响加工外表的圆度误差响加工外表的圆度误差e 主轴径向跳动对加工精度的影响车外圆主轴径向跳动对加工精度的影响车外圆4.2.5 机床几何误差机床几何误差 22 主轴轴向串动对加工精度的影响被加工端面不平，与圆柱面不垂直；被加工端面不平，与圆柱面不垂直；加工螺纹时，产生螺距周期性误差。加工螺纹时，产生螺距周期性误差。主轴角度摆动对加工精度的影响与与主主轴轴径径向向跳跳动动影影响响类类似似，不不仅仅影影响响圆圆度度误误差差，而且影响圆柱度误差。而且影响圆柱度误差。4.2.5 机床几何误差机床几何误差 23AB 影响主轴回转精度的主要因素图4-10 轴径不圆引起车床主轴径向跳动镗床图镗床图4-114-11 轴承孔轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动不圆引起镗床主轴径向跳动图4-11 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动车床图车床图4-104-10 轴径不轴径不圆引起车床主轴向跳动注意圆引起车床主轴向跳动注意其频率特性其频率特性4.2.5 机床几何误差机床几何误差 24 影响主轴回转精度的主要因素 推力轴承轴向串动推力轴承轴向串动滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差图4-12 其他因素轴承孔、轴径圆度误差；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）0图4-12 止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响4.2.5 机床几何误差机床几何误差 25导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差包包括括：导导轨轨在在水水平平面面内内的的直直线线度度，导导轨轨在在垂垂直直面面内内的的直直线线度度，前前后后导导轨轨平平行行度度扭扭曲曲，导导轨轨与与主主轴轴回回转转轴轴线的平行度或垂直度等。线的平行度或垂直度等。导轨导向误差对加工精度的影响 导轨水平面内的直线度误导轨水平面内的直线度误差差,误差敏感方向误差敏感方向,影响显著影响显著 导轨垂直面内的直线度误导轨垂直面内的直线度误差差,误差非敏感方向误差非敏感方向,影响小影响小 导轨扭曲对加工精度的影导轨扭曲对加工精度的影响响,影响显著图影响显著图4-134-13X图4-13 导轨扭曲引起的加工误差HRDBXY（4-5）直线运动精度直线运动精度4.2.5 机床几何误差机床几何误差 26 导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响图4-14 成形运动间位置误差对外圆和端面车削的影响fZzzc）HyR0fXZLfdDdxa）b）4.2.5 机床几何误差机床几何误差 27 影响导轨导向精度的主要因素机床制造误差机床制造误差机床安装误差机床安装误差导轨磨损导轨磨损4.2.5 机床几何误差机床几何误差 28 机床传动误差对加工精度的影响图4-17 齿轮机床传动链z7=z8=16z1=64zn=96z5=z6=23z3=z4=23bz2=16zn-1=1icefacd（4-6）以齿轮机床传动链为例：式中 n 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，说明第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；n 传动链末端元件角速度；j 第j 个传动元件转角误差的初相角。机床传动误差机床传动误差4.2.5 机床几何误差机床几何误差 29 缩短传动链长度缩短传动链长度 提高末端元件的制造精度与安装精度提高末端元件的制造精度与安装精度 采用降速传动采用降速传动 采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节 对传动误差进行补偿对传动误差进行补偿图4-18 传动链误差的频谱分析a)nA1A2Aib)（频率）A（幅值）12i 提高传动精度措施4.2.5 机床几何误差机床几何误差 30机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4章章 机械加工质量机械加工质量Analysis and Control of Machining Quality4.3 工艺过程中原始误差对工艺过程中原始误差对加工精度的影响加工精度的影响Static Stiffness of Technological System and its influence to machining Precision4.3.1 工艺系统受力变形工艺系统受力变形31在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比工艺系统刚度工艺系统刚度（4-7）式中 k工艺系统刚度；Fp吃刀抗力；X 工艺系统位移（切削合力作用下的位移）32（4-8）式中 k 工艺系统刚度；kjc 机床刚度；kjj 夹具刚度；kd 刀具刚度；kg 工件刚度。工艺系统受力变形等于工艺系统各组成局部受力变形之迭加。由此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成局部刚度之间的关系：工艺系统刚度计算工艺系统刚度计算4.3.1 工艺系统受力变形工艺系统受力变形4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 33 机床变形引起的加工误差切削力作用点位置变化引起工件形状误差切削力作用点位置变化引起工件形状误差图4-22 机床受力变形引起的加工误差 工件加工后成鞍形图工件加工后成鞍形图4-224-22 工件变形引起的加工误差 由于工件变形，使工件加由于工件变形，使工件加工后成鼓形图工后成鼓形图4-234-23图4-23 工件受力变形引起的加工误差4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 34式中 g 工件圆度误差；m 毛坯圆度误差；k 工艺系统刚度；误差复映系数。（4-13）以椭圆截面车削为例说明图以椭圆截面车削为例说明图4-244-24图4-24 误差复映现象ap11ap22毛坯外形工件外形由于工艺系统受力变形，使毛坯误差局部反映到工件上，此种现象称为“误差复映切削力大小变化引起的加工误差切削力大小变化引起的加工误差 误差复映误差复映4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 35 误差复映系数误差复映系数机械加工中，误差复映系数通常小于1。可通过屡次走刀，消除误差复映的影响。（4-15）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。由式4-13可得：（4-14）4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 36夹紧力、重力引起的加工误差夹紧力、重力引起的加工误差 夹紧力影响a b图4-25 薄壁套夹紧变形图4-26 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4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 37图4-27 龙门铣横梁变形【例】龙门铣横梁图4-28 龙门铣横梁变形转移图4-29 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4.3.3 减小受力变形对加工精度影响措施减小受力变形对加工精度影响措施38v合理设计零部件结构和截面形状v提高连接外表接触刚度外表粗糙度，改进接触质量，予加载荷 v采用辅助支承中心架，跟刀架，镗杆支承等图4-33 支座零件不同安装方法图4-32 转塔车床导向杆提高工艺系统刚度提高工艺系统刚度减小载荷及其变化减小载荷及其变化v采用合理装夹和加工方式变形转移、补偿和校正变形转移、补偿和校正4.3.4 工件剩余应力引起的变形工件剩余应力引起的变形39图4-34 铸件剩余应力引起变形图4-35 冷校直引起的剩余应力压拉加载压压拉拉卸载v 设计合理零件结构v 粗、精加工分开v 防止冷校直v 时效处理残余应力来源残余应力来源v 毛坯制造和热处理产生的剩余应力图4-34减小残余应力措施减小残余应力措施v 冷校直带来的剩余应力图4-35v切削加工带来的剩余应力40机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Machining Quality4.4 工艺系统热变形及其对加工艺系统热变形及其对加工精度的影响工精度的影响Heat Deformation of Technological System and its Effect to machining Precision4.4.1 概述概述 41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4070%。v 温度场工艺系统各局部温度分布v 热平衡单位时间内，系统传入的热量与传出的热量相等，系统各局部温度保持在一相对稳定的数值上v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变形工艺系统热源工艺系统热源温度场与工艺系统热平衡温度场与工艺系统热平衡4.4.2 机床热变形对加工精度影响机床热变形对加工精度影响 42v 体积大，热容量大，温升不高，到达热平衡时间长v 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/h0 1 2 3 450150100200位移/m20406080温升/YX前轴承温升图4-36 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机床热变形特点车床热变形车床热变形（图4-36）4.4.2 机床热变形对加工精度影响机床热变形对加工精度影响 43v 立铣图a图4-37 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v 外圆磨图bv 导轨磨图c其他机床热变形其他机床热变形（图4-37）4.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响刀具和工件热变形对加工精度影响 44 体体积积小小，热热容容量量小小，到达热平衡时间较短到达热平衡时间较短 温温升升高高，变变形形不不容容无无视达视达0.03 0.03 0.05mm0.05mm 特点 变形曲线图变形曲线图4-384-38（4-16）式中 热伸长量；max 到达热平衡热伸长量；切削时间；c 时间常数热伸长量为热平衡热伸长量约63%的时间，常取34分钟。(min)图4-38 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（m）maxb0c0.63max刀具热变形刀具热变形4.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响刀具和工件热变形对加工精度影响 45 圆柱类工件热变形 5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性式中 L，D 长度和直径热变形量；L，D 工件原有长度和直径；工件材料线膨胀系数；t 温升。长度：长度：（4-17）（4-18）直径：直径：例：长例：长400mm400mm丝杠，加工过程温升丝杠，加工过程温升11，热伸长量为：，热伸长量为：工件热变形工件热变形4.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响刀具和工件热变形对加工精度影响 46式中 X 变形挠度；L，S 工件原有长度和厚度；工件材料线膨胀系数；t 温升。（5-19）板类工件单面加工时的热变形图板类工件单面加工时的热变形图4-394-39图4-39 平面加工热变形X/4LS此值已大于精密导轨平直度要求结结果果：加加工工时时上上外外表表升升温温，工工件件向向上上拱拱起起，磨磨削削时时将将中中凸凸局局部部磨磨平平，冷却后工件下凹。冷却后工件下凹。例例：高高600mm，长长2000mm的的床床身身，假假设设上上外外表表温温升升为为3，那那么么变变形形量为：量为：4.4.4 减小热变形对加工精度影响的措施减小热变形对加工精度影响的措施 47例例1：磨床油箱置于床身内，其发热使导轨中凹解决解决：导轨下加回油槽图4-40 平面磨床补偿油沟例例2：立立式式平平面面磨磨床床立立柱柱前前壁壁温度高，产生后倾。温度高，产生后倾。解解决决：采采用用热热空空气气加加热热立立柱柱后后壁图壁图4-41。图4-41 均衡立柱前后壁温度场v 减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。v 充分冷却和强制冷却。v 隔离热源。减少热源发热和隔离热源减少热源发热和隔离热源均衡温度场均衡温度场4.4.4 减小热变形对加工精度影响的措施减小热变形对加工精度影响的措施 48图4-43 支承距影响热变形L1L2v 热对称结构v 热补偿结构图4-42，主轴热补偿图4-42 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热伸长方向v 合理选择装配基准图4-43v高速空运转v人为加热v 恒温v 人体隔离采用合理结构采用合理结构加速达到热平衡加速达到热平衡控制环境温度控制环境温度49机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Machining Quality4.5 加工误差统计分析加工误差统计分析Statistic Analysis of Machining Errors4.5.1 加工误差的性质加工误差的性质 50系统误差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加工误差统计特性4.5.1 加工误差的性质加工误差的性质 51 在在顺顺序序加加工工一一批批工工件件中中，其其大大小小和和方方向向随随机机变变化化的的加工误差。加工误差。随随机机误误差差是是工工艺艺系系统统中中大大量量随随机机因因素素共共同同作作用用而而引引起的。起的。随机误差服从统计学规律。随机误差服从统计学规律。如如毛毛坯坯余余量量或或硬硬度度不不均均，引引起起切切削削力力的的随随机机变变化化而而造造成成的的加加工工误误差差；定定位位误误差差；夹夹紧紧误误差差；剩剩余余应应力力引引起起的变形等。的变形等。随机误差随机误差加工误差的统计分析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。4.5.2 分布图分析法分布图分析法 521采集数据 样本容量通常取 n=502002确定分组数、组距、组界、组中值 按教材134页表5-2初选分组数 k；确定组距 d：取整，dd 确定分组数 k：确定各组组界、组中值 统计各组频数直方图直方图4.5.2 分布图分析法分布图分析法 53图4-44 直方图-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画直方图图4-44（4-20）（4-21）4.5.2 分布图分析法分布图分析法 54 正态分布 式中和分别为 正态分布随机变量总体平均值和标准差。平均值=0，标准差=1的正态分布称为标准正态分布，记为：x N(0,1)概率密度函数概率密度函数（4-22）yF（z）图4-45 正态分布曲线(z=0)x(z)0z-+分布曲线分布曲线4.5.2 分布图分析法分布图分析法 55 分布函数分布函数（5-23）令：将 z 代入上式，有：那么利用上式，可将非标准正态分布转换成标准正态分布进行计算图4-45。称 z 为标准化变量yF（z）图4-45 正态分布曲线(z=0)x(z)0z-+4.5.2 分布图分析法分布图分析法 56 非正态分布 xy0a）双峰分布 双双峰峰分分布布：两两次次调调整整下下加加工工的的工工件件或或两两台台机机床床加加工工的的工工件件混在一起图混在一起图4-46a4-46a xy0b）平顶分布xy0c）偏向分布 平平顶顶分分布布：工工件件瞬瞬时时尺尺寸寸分分布布呈呈正正态态，其其算算术术平平均均值值近近似似成成线线性性变变化化如如刀刀具具和和砂砂轮轮均均匀磨损图匀磨损图4-46b4-46b 偏偏向向分分布布：如如工工艺艺系系统统存存在在显显著著的的热热变变形形，或或试试切切法法加加工工孔孔时时宁宁小小勿勿大大，加加工工外外圆圆时时宁宁大勿小图大勿小图4-46c4-46c图4-46 几种非正态分布 4.5.2 分布图分析法分布图分析法 57 形位误差的分布 差差数数模模分分布布：正正态态分分布布大大于于零零的的局局部部与与小小于于零零的的局局部部对对零零轴轴线线映映射射后后的的迭迭加加图图4-474-47，如如对对称称度度、直直线线与与平平面面的的平平行行度度、相相邻周节误差等邻周节误差等 瑞瑞利利分分布布：二二维维正正态态分分布布，在在只只考考虑虑平平面面向向量量模模情情况况下下转转换换成成为为一一维维分分布布图图4-484-48,如如同同轴轴度度、直直线线与与直直线线平平行行度度、端端面面圆圆跳跳动动误差等不考虑系统误差误差等不考虑系统误差xy0图4-47 差数模分布 瑞利综合分布：上述误差在考虑系统误差的情况下，其误差分布接近瑞利综合分布图4-48 瑞利分布xzy04.5.2 分布图分析法分布图分析法 58 判断加工性质 判断是否存在明显变值系统误差；判断是否存在明显变值系统误差；判断是否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小。判断是否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小。确定工序能力 分布图应用分布图应用（5-24）（5-25）（5-26）工序能力 工序能力系数 式中式中 TUTU,TLTL公差带上、下限公差带上、下限 ；公差带中心与误差分布中心偏移距离；公差带中心与误差分布中心偏移距离；误差分布的标准差。误差分布的标准差。4.5.2 分布图分析法分布图分析法 59y图4-49 工艺能力系数符号含义x033公差带TTUTL4.5.2 分布图分析法分布图分析法 60 工序能力等级工序能力等级 工序能力系数 工序等级 说 明 CP1.67 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 工序能力很差表4-2 工序能力等级 CP CP 表示工艺过程本身的能力，而工艺能力系数表示工艺过程本身的能力，而工艺能力系数表示工艺过程本身的能力，而工艺能力系数表示工艺过程本身的能力，而工艺能力系数 CPK CPK 那么表示过程满足技术要求的能力，实际上是那么表示过程满足技术要求的能力，实际上是那么表示过程满足技术要求的能力，实际上是那么表示过程满足技术要求的能力，实际上是“过程能过程能过程能过程能力与力与力与力与“管理能力的综合管理能力的综合管理能力的综合管理能力的综合 4.5.3 点图分析法点图分析法 6101234567样组序号b）工件尺寸公差带T控制限图4-50 单值点图工件序号c）AABOOB工件尺寸工件尺寸工件序号a）14024681012公差带T控制限单值点图单值点图（图4-49）4.5.3 点图分析法点图分析法 62 图是控制图和图是控制图和R R控制图联合使用的统称控制图联合使用的统称（4-26）R 图：（4-27）A2、D1、D2 数值见教材164页表4-6。图图 表示样组平均值，表示样组平均值，R R表示样组极差表示样组极差 图控制限图控制限图：4.5.3 点图分析法点图分析法 63 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4-51 图R 图UCL=19.67CL=8.900510样组序号1520LCL=00510样组序号1520 x 图LCL=11.57UCL=21.89CL=16.73 稳定性判别稳定性判别没有点子超出控制限没有点子超出控制限大大局局部部点点子子在在中中心心线线上上下下波波动动，小小局局部部点点子子靠靠近控制限近控制限点点子子变变化化没没有有明明显显规规律律性性如如上上升升、下下降降倾倾向向，或周期性波动或周期性波动 同时满足为稳定同时满足为稳定 图分析图分析4.5.4 调整尺寸调整尺寸 64式中 Lt 调整尺寸；LM平均尺寸；Tt 调整公差。（4-28）由图4-52所示关系可得：图4-52 调整尺寸关系yTtxT3LmaxLminLM（Lt）样本均值分布总体分布总体分布平均值极端位置（4-29）样本平均值分布：调整尺寸调整尺寸调整公差调整公差4.5.4 调整尺寸调整尺寸 65v 上式要求过于苛刻，产生不合格品得概率只有0.00036%。用2代替3，得到：此时产生不合格品得 概 率 为 0.104%，完全可以接受。（4-30）图4-52 调整尺寸关系yTtxT3LmaxLminLM（Lt）样本均值分布总体分布总体分布平均值极端位置66机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Machining Quality4.6 提高加工精度的途径提高加工精度的途径Methods of ImprovingMachining Precision4.6.1 误差预防误差预防 67 合合理理采采用用先先进工艺和设备进工艺和设备 误差预防指减小原始误差本身或减小原始误差的影响 减小原始误差减小原始误差 转转 移移 原原 始始 误误差图差图4-534-53a）b）图4-53 转塔车床刀架转位误差的转移 误差分组误差分组 就地加工就地加工 均均 化化 原原 始始 误误差差，如如研研磨磨加加工工、易易位位加加工工图图4-544-54图4-54 易位法加工时误差均化过程360工件转角累积误差1l1l224.6.2 误差补偿误差补偿 68 在线测量与在线补偿图在线测量与在线补偿图4-554-55 指人为引入附加误差因素，以抵消或减小原始误差的影响图4-55 高压油泵偶件自动配磨装置示意图柱塞销柱塞4.6.2 误差补偿误差补偿 69图4-56 丝扛加工误差补偿装置1 工件 2 螺母 3 母丝杠 4 杠杆 5 校正尺 6 触头 7 校正曲线 附加位移螺母附加转动 采用校正装置图采用校正装置图4-564-564.6.2 误差补偿误差补偿 70图4-57 以弹性变形补偿热变形v 以弹性变形补偿热变形图4-57 其他补偿方法其他补偿方法图4-59 以热变形补偿热变形图4-58 龙门铣横梁变形补偿附加夹紧力v 以热变形补偿热变形图4-59v 以几何误差补偿受力变形图4-5871机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Machining Quality4.7 影响加工表面粗糙度影响加工表面粗糙度的工艺因素的工艺因素Technological Factors Influencing Roughness4.7.1 切削加工外表粗糙度影响因素切削加工外表粗糙度影响因素 72图4-60 车削时残留面积的高度直线刃车刀图直线刃车刀图4-60a4-60a（4-31）圆弧刃车刀图圆弧刃车刀图4-60b4-60b（4-32）影响因素：影响因素：frRmaxvfrb）Rmaxfa）vf切削残留面积切削残留面积4.7.1 切削加工外表粗糙度影响因素切削加工外表粗糙度影响因素 73 切切削削速速度度影影响响最最大大：v v=101050m/min50m/min范范围围，易易产产生生积积屑瘤和鳞刺，外表粗糙度最差图屑瘤和鳞刺，外表粗糙度最差图5-535-53 。其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等图4-61 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（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m）0200400600hKsRz切削表面塑性变形和积屑瘤切削表面塑性变形和积屑瘤4.7.2 磨削加工外表粗糙度影响因素磨削加工外表粗糙度影响因素 74v 砂轮速度v，Rav 工件速度vw，Ra v 砂轮纵向进给f，Ra v 磨削深度ap，Ra 图4-62 磨削用量对表面粗糙度的影响vw=40(m/min)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v=50(m/s)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b）磨削用量影响磨削用量影响 图4-63 光磨次数-Ra关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)v光磨次数，Ra4.7.2 磨削加工外表粗糙度影响因素磨削加工外表粗糙度影响因素 75v 砂轮粒度，Ra；但要适量v 砂轮硬度适中，Ra；常取中软v 砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织v 采用超硬砂轮材料，Ra v 砂轮精细修整，Ra 砂轮影响砂轮影响其他影响因素其他影响因素v 工件材料v 冷却润滑液等76机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Machining Quality4.8 影响表层金属力学物理影响表层金属力学物理性能的工艺因素性能的工艺因素Technological Factors Influencing Physics Properties of Surface Layer4.8.1 影响外表冷作硬化的因素影响外表冷作硬化的因素 77切削加工切削加工 f f，冷硬程度，冷硬程度(图图4-64)4-64)切削用量影响 刀具影响 r r，冷硬程度，冷硬程度 其他几何参数影响不明显其他几何参数影响不明显 后后刀刀面面磨磨损损影影响响显显著著图图4-654-6500.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v=40(m/min)f =0.120.2(mm/z)图4-65 后刀面磨损对冷硬影响 工件材料 材料塑性材料塑性，冷硬倾向，冷硬倾向 切切削削速速度度影影响响复复杂杂力力与与热综合作用结果热综合作用结果 切削深度影响不大切削深度影响不大图4-64 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：454.8.1 影响外表冷作硬化的因素影响外表冷作硬化的因素 78磨削速度磨削速度冷硬程度冷硬程度 弱化作用加强弱化作用加强工件转速工件转速冷硬程度冷硬程度 纵向进给量影响复杂纵向进给量影响复杂磨削深度磨削深度冷硬程度冷硬程度 图图4-664-66 磨削用量 砂轮 砂轮粒度砂轮粒度冷硬程度冷硬程度 砂轮硬度、组织影响不显著砂轮硬度、组织影响不显著工件材料 材料塑性材料塑性 冷硬倾向冷硬倾向 材料导热性材料导热性 冷硬倾向冷硬倾向 图4-66 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磨削加工4.8.2 影响层金属剩余应力的因素影响层金属剩余应力的因素 79 v v剩余应力剩余应力 热应力热应力起主导作用，图起主导作用，图4-674-67 切削用量 刀具前角前角+，剩余拉应力，剩余拉应力 刀具磨损刀具磨损剩余应力剩余应力 工件材料材料塑性材料塑性剩余应力剩余应力 铸铸铁铁等等脆脆性性材材料料易易产产生生剩剩余压应力余压应力图4-68 f 对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 残余应力(Gpa)0.2000.200100200300400距离表面深度(m)f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r仅讨论切削加工 ff剩剩余余应应力力 图图4-684-68切削深度影响不显著切削深度影响不显著图4-67 vc 对残余应力的影响0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距离表面深度(m)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc=213m/minvc=86m/minvc=7.7m/min4.8.3 磨削烧伤与磨削裂纹磨削烧伤与磨削裂纹 80 合理选择砂轮合理选择砂轮 合理选择磨削用量合理选择磨削用量 改善冷却条件改善冷却条件工件表层温度到达或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随剩余应力产生，同时出现彩色氧化膜磨削烧伤磨削烧伤磨削外表剩余拉应力到达材料强度极限，在表层或外表层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现 图4-69 带空气挡板冷却喷嘴磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削裂纹磨削裂纹4.8.4 外表强化工艺外表强化工艺 81 利利用用淬淬硬硬和和精精细细研研磨磨过过的的滚滚轮轮或或滚滚珠珠，在在常常温温状状态态挤挤压压金金属属外外表表，将将凸凸起起局局部部下下压压下下，凹凹下下局局部部上上凸凸，修修正正工工件件外外表表的的微微观观几几何何形形状状,形形成成压压缩缩剩剩余余应应力力，提提高高耐疲劳强度图耐疲劳强度图4-714-71 利利用用大大量量快快速速运运动动珠珠丸丸打打击击工工件件外外表表,使使工工件件外外表表产产生生冷冷硬硬层层和压应力和压应力,疲劳强度图疲劳强度图4-704-70喷丸强化喷丸强化图4-71 滚压加工原理图 用用于于强强化化形形状状复复杂杂或或不不宜宜用用其其它它方方法法强强化化的的工工件件，例例如如板板弹弹簧簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等螺旋弹簧、齿轮、焊缝等滚压加工滚压加工图4-70 珠丸挤压引起残余应力 压缩拉伸塑性变形区域82机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Machining Quality4.9 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动Vibrations in machining Process4.9.1 概述概述 83机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害v 影响加工外表粗糙度，振动频率较低时会产生波度v 影响生产效率 v 加速刀具磨损，易引起崩刃v 影响机床、夹具的使用寿命v 产生噪声污染，危害操作者健康v 工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。v 由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。机械加工过程中振动的类型机械加工过程中振动的类型自由振动自由振动自由振动强迫振动自激振动4.9.2 机械加工过程中强迫振动机械加工过程中强迫振动84强迫振动产生原因强迫振动产生原因v 由外界周期性的干扰力激振力作用引起v 强迫振动振源：机外机内。机外振源均通过地基把振动传给机床。机内：v 1回转零部件质量的不平衡v 2机床传动件的制造误差和缺陷v 3切削过程中的冲击v 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数v 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振v 相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。强迫振动的特征强迫振动的特征4.9.3 机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动85自激振动的概念自激振动的概念 在在没没有有周周期期性性外外力力作作用用下下，由由系系统统内内部部激激发发反反响响产生的周期性振动产生的周期性振动 自自激激振振动动过过程程可可用用传传递递函数概念说明图函数概念说明图4-724-72 自激振动是一种不衰减振动自激振动是一种不衰减振动 自自激激振振动动的的频频率率等等于于或或接接近近于系统的固有频率于系统的固有频率 自自激激振振动动能能否否产产生生及及振振幅幅的的大大小小取取决决于于振振动动系系统统在在每每一一个个周周期期内内获获得得和和消消耗耗的的能能量量比比照照情况图情况图4-734-73。图4-73 自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图4-72 自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）自激振动的特征自激振动的特征4.9.3 机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动86 再再生生机机理理：切切削削过过程程，由由于于偶偶然然干干扰扰，使使加加工工系系统统产产生生振振动动并并在在加加工工外外表表上上留留下下振振纹纹。第第二二次次走走刀刀时时，刀刀具具将将在在有有振振纹纹的的外外表表上上切切削削，使使切切削削厚厚度度发发生生变变化化，导导致致切切削削力力周周期期性性地地变变化，产生自激振动化，产生自激振动 自激振动机理自激振动机理图4-74 再生自激振动原理图f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切入 切出fy0y 产生条件图产生条件图4-744-74 ：a ab bc c系统无能量获得；系统无能量获得；d dy y 滞滞后后于于y0y0，即即 0 0-，此此时时切切出出比比切切入入半半周周期期中中的的平平均均切切削削厚厚度度大大，切切出出时时切切削削力力所所作作正正功功获获得得能能量量大大于于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动4.9.3 机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动87 振振型型耦耦合合机机理理：将将车车床床刀刀架架简简化化为为两两自自由由度度振振动动系系统统，等等效效质质量量mm用用相相互互垂垂直直的的等等效效刚刚度度分分别别为为k1k1、k2k2两两组组弹弹簧簧支支撑撑设设x1x1为低刚度主轴，图为低刚度主轴，图4-754-75图4-75 车床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2k2k112X 自激振动的产生：自激振动的产生：k1=k2，x1与x2无相位差,轨迹为直线，无能量输入 k1k2，x1超前x2，轨迹dcba为一椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入 k1k2，x1滞后于x2，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：abcd。此时，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的小，有能量获得，振动能够维持。4.9.4 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治88 减小机内干扰力的幅值减小机内干扰力的幅值 调整振源的频率，一般要求：调整振源的频率，一般要求：调调整整振振动动系系统统小小刚刚度度主主轴轴的的位位置置图图4-764-76消除或减弱产生强迫振动的条件消除或减弱产生强迫振动的条件式中 f 和 fn 分别为振源频率和系统固有频率 隔振隔振x2x2x1x1x1x1x2x2图4-76 两种尾座结构消除或减弱产生自激振动的条件消除或减弱产生自激振动的条件（4-33）4.9.4 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治89 减小切削或磨削时的重叠系数图减小切削或磨削时的重叠系数图4-774-77式中 bd 等效切削宽度，即本次切削实际切到上次切削残留振纹 在垂直于振动方向投影宽度；b 本次切削在垂直于振动方向上的切削宽度；B,fa 砂轮宽度与轴向进给量。图4-77 重叠系数apfaB振动方向XDfbbda）切削b）磨削rr，（4-34）4.9.4 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治90v 减小重叠系数方法图4-78 车刀消振棱0.10.3-5-202 3 增加切削阻尼例采用倒棱车刀，图增加切削阻尼例采用倒棱车刀，图4-784-78 增加主偏角增加主偏角 增大进给量增大进给量4.9.4 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治91 提高工艺系统刚度 增大工艺系统阻尼 改善工艺系统动态特性改善工艺系统动态特性阻尼材料铸铁环铸铁套筒图4-79 零件上加阻尼材料4.9.4 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治92图4-80 摩擦式减振器1飞轮 2摩擦盘 3摩擦垫 4螺母 5弹簧v动力减振器 v摩擦式减振器图4-80v冲击式减振器图4-81采用减振装置采用减振装置图4-81 冲击式减振镗刀与减振镗杆1冲击块 2紧定螺钉a）减振镗刀 b）减振镗杆