机械制造技术基础课件机械加工精度与表面质量

第5章机械加工精度与外表质量教学提示：机械加工质量是机械制造技术根底课程研究的重要问教学提示：机械加工质量是机械制造技术根底课程研究的重要问题之一。机械加工质量主要包括加工精度和加工外表质量两个方题之一。机械加工质量主要包括加工精度和加工外表质量两个方面。在本章中，机械加工精度主要分析工艺系统各环节中存在的面。在本章中，机械加工精度主要分析工艺系统各环节中存在的原始误差对加工精度的影响、加工误差的统计分析方法及保证机原始误差对加工精度的影响、加工误差的统计分析方法及保证机械加工精度的措施；机械加工外表质量的内容涉及外表质量的含械加工精度的措施；机械加工外表质量的内容涉及外表质量的含义、影响外表粗糙度及物理力学性能的主要因素及保证外表质量义、影响外表粗糙度及物理力学性能的主要因素及保证外表质量的措施，最后对机械加工中的振动作了简要分析。的措施，最后对机械加工中的振动作了简要分析。教学要求：了解机械加工精度的概念及获得加工精度的方法，了教学要求：了解机械加工精度的概念及获得加工精度的方法，了解影响加工精度的原始误差因素并掌握单因素分析的方法，学会解影响加工精度的原始误差因素并掌握单因素分析的方法，学会用工艺系统刚度理论分析工艺系统受力变形对加工精度的影响，用工艺系统刚度理论分析工艺系统受力变形对加工精度的影响，了解工艺系统受热变形对加工精度的影响规律，掌握加工误差的了解工艺系统受热变形对加工精度的影响规律，掌握加工误差的统计分析方法及在生产实际中的应用，熟悉机械加工外表质量的统计分析方法及在生产实际中的应用，熟悉机械加工外表质量的含义及影响因素，了解机械振动的根本知识。含义及影响因素，了解机械振动的根本知识。5.1机械加工精度5.1.1概述1机械加工精度的根本概念1机械加工精度与加工误差：2加工精度包含三个方面的内容，即尺寸精度、形状精度和位置精度2获得加工精度的方法1获得尺寸精度的方法1试切法2调整法3定尺寸刀具法4自动控制法5.1机械加工精度5.1.1概述2获得加工精度的方法2获得形状精度的方法1轨迹法利用切削运动中刀尖的运动轨迹形成被加工外表形状精度的方法称为轨迹法。刀尖的运动轨迹取决于刀具和工件的相对成形运动，因而所获得的形状精度取决于成形运动的精度。普通的车削、铣削、刨削、磨削均属于轨迹法。2仿形法刀具按照仿形装置进给对工件进行加工的方法称为仿形法。仿形法所获得的形状精度取决于仿形装置的精度和其它成形运动精度。仿形车、仿形铣等均属于仿形法加工。3成形法利用成形刀具对工件进行加工的方法称为成形法。成形刀具代替一个成形运动。所获得的形状精度取决于刀具的形状精度和其它成形运动精度。如用成形刀具或砂轮的车、铣、刨、磨、拉等均属于成形法。4展成法滚切法或范成法5.1机械加工精度5.1.1概述2获得加工精度的方法3获得位置精度的方法1直接找正装夹图5.1所示为用四爪卡盘装夹套筒2划线找正装夹如图5.2所示的车床床身毛坯3用夹具装夹图5.1直接找正装夹图5.2划线找正装夹5.1机械加工精度5.1.1概述3影响加工精度的误差因素1影响加工精度的原始误差因素工艺系统原始误差工艺系统的几何误差与工艺过程有关的误差加工原理误差工件装夹误差调整误差机床误差夹具误差刀具制造误差工艺系统静误差刀具磨损工艺系统受热变形工艺系统受力变形工件内应力引起的变形测量误差工艺系统动误差5.1机械加工精度5.1.1概述4研究加工精度的方法研究加工精度的方法有两种：1单因素分析法2统计分析法5.1机械加工精度5.1.2工艺系统几何误差对加工精度的影响1加工原理误差加工原理误差是指由于采用了近似的成形运动或近似的切削刃轮廓进行加工所产生的加工误差，也称为理论误差。例如用齿轮滚刀加工齿轮，一般都会存在两种加工原理误差：一是刀具齿廓近似造形误差，这是由于制造上的困难，用阿基米德或法向直廓根本蜗杆代替渐开线根本蜗杆造成的；二是包络造形原理误差，这是由于滚刀齿数有限，加工齿形是有许多微小折线段组成，与理论上的光滑渐开线有差异而造成的。所以，滚齿加工加工精度不高710级精度的齿轮，但生产率高。5.1机械加工精度5.1.2工艺系统几何误差对加工精度的影响2机床误差机床误差包括机床制造误差、磨损和安装误差。其中对加工精度影响较大的误差有：机床主轴系统回转误差、导轨误差和传动链误差。1机床主轴回转误差：主轴回转误差可以分解为端面圆跳动、径向圆跳动和角度摆动三种根本形式。5.1机械加工精度5.1.2工艺系统几何误差对加工精度的影响1机床主轴回转误差：1径向圆跳动：主轴瞬时回转轴线沿平行于平均回转轴线方向的径向运动，如图5.4a所示。它主要影响圆柱面的精度。2端面圆跳动轴向窜动：主轴瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动，如图5.4b所示。车端面时它使工件端面产生垂直度、平面度误差。它主要影响端面形状和轴向尺寸精度。3角度摆动：瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度，但其交点位置固定不变的运动，如图5.4c所示。在不同横截面内，轴心运动轨迹相似，它主要影响圆柱面和端面的加工精度。5.1机械加工精度5.1.2工艺系统几何误差对加工精度的影响1机床主轴回转误差：滑动轴承主轴，影响主轴回转误差的直接因素是主轴轴颈的圆度误差、轴瓦内孔圆度误差轴承孔的圆度误差及配合间隙。而不同类型的机床，其影响因素也各不相同。对工件回转类机床如车床、外圆磨床等，因切削力的方向不变，主轴回转时作用在支承上的作用力方向也不变化。此时主轴的支承轴颈的圆度误差影响较大，而轴承孔的圆度误差影响较小，如图5.5a所示。对刀具回转类机床如钻床、镗床、铣床等，因切削力的方向随主轴旋转而改变，此时，主轴支承轴颈的圆度误差影响很小，而轴承孔的圆度误差影响较大，如图5.5b所示。a工件回转类机床b刀具回转类机床图5.5两类主轴回转误差的影响5.1机械加工精度5.1.2工艺系统几何误差对加工精度的影响1机床主轴回转误差：滚动轴承主轴，轴承内、外圈滚道的圆度误差对主轴回转误差影响较大。对工件回转类机床，轴承内圈外滚道的圆度误差影响较大；而对刀具回转类机床，那么是轴承外环内滚道的圆度误差影响较大。5.1机械加工精度5.1.2工艺系统几何误差对加工精度的影响2机床导轨误差导轨的误差对不同的加工方法和加工对象，将会产生不同的加工误差，分析导轨误差对加工精度的影响时，主要应考虑导轨误差引起刀具与工件在误差敏感方向上的相对位移。图5.6导轨水平面内的直线度误差对加工精度的影响图5.7导轨垂直面内的直线度误差对加工精度的影响R=yRz2/2R5.1机械加工精度5.1.2工艺系统几何误差对加工精度的影响2机床导轨误差导轨的误差对不同的加工方法和加工对象，将会产生不同的加工误差，分析导轨误差对加工精度的影响时，主要应考虑导轨误差引起刀具与工件在误差敏感方向上的相对位移。图5.8导轨扭曲对加工精度的影响R=y=H/B5.1机械加工精度5.1.2工艺系统几何误差对加工精度的影响3导轨与主轴回转轴线的位置误差假设车床导轨与主轴回转轴线在水平面内有平行度误差，车出的内外圆柱面会产生锥度误差，由于该方向为误差敏感方向，对加工精度的影响比较大；假设车床导轨与主轴回转轴线在垂直面内有平行度误差，车出的内外圆柱面会产生双曲线形误差，但该方向为误差不敏感方向，对加工精度影响较小，可忽略不计。5.1机械加工精度5.1.2工艺系统几何误差对加工精度的影响4传动链误差传动链误差是指内联系传动链始末两端传动元件之间相对运动的误差。它是在螺纹加工或用展成法加工齿轮、蜗轮等工件时，影响加工精度的主要因素。例如，在滚齿机上用单头滚刀加工直齿轮时，要求滚刀与工件之间具有严格的运动关系：即滚刀转一转，工件转过一个齿。又如在车床上加工螺纹，要求工件每转一转，刀具必须移动一个导程，这些运动之间的速比关系将直接影响加工精度。5.1机械加工精度5.1.2工艺系统几何误差对加工精度的影响3工艺系统的其它几何误差1刀具误差刀具误差对加工精度的影响，主要表现为刀具的制造误差和刀具的磨损，其影响程度随刀具的种类不同而异。2夹具误差夹具误差主要包括：定位元件、刀具导向件、分度机构、夹具体等的制造误差；夹具装配后，以上各种元件工作面之间的相对位置误差；夹具使用过程中工作外表的磨损。夹具误差将直接影响工件加工外表的位置精度或尺寸精度。3装夹误差工件的装夹误差是指定位误差和夹紧误差，将直接工件加工外表的位置精度或尺寸精度。5.1机械加工精度5.1.2工艺系统几何误差对加工精度的影响3工艺系统的其它几何误差4测量误差工件在加工过程中，要用各种量具、量仪进行检验测量，再根据测量结果对工件进行试车或调整机床。量具本身的制造误差、测量时的接触力、温度及目测正确度等，都直接影响加工误差。因此，要正确地选择和使用量具，保证测量精度。5调整误差在机械加工的各个工序中，需要对机床、夹具及刀具进行调整。调整误差的来源，视不同加工方法而异。1试切法调整2调整法调整5.1机械加工精度5.1.3工艺系统受力变形对加工精度的影响1工艺系统的刚度1根本概念刚度的一般概念是指物体或系统抵抗变形的能力。用加到物体的作用力F与沿此作用力方向上产生的位移或变形y的比值表示，工艺系统刚度Kxt定义为：工件和刀具的法向切削分力Fp与刀具在总切削力作用下在该方向上的相对位移yxt的比值图5.9受力变形对加工精度的影响5.1机械加工精度5.1.3工艺系统受力变形对加工精度的影响1工艺系统的刚度1根本概念当Fp与yxt方向相反时，出现负刚度。图5.10工艺系统的负刚度现象5.1机械加工精度5.1.3工艺系统受力变形对加工精度的影响1工艺系统的刚度2工艺系统刚度的计算工艺系统在某处的法向总变形量yxt应是各个组成环节在同一位置处的法向变形的叠加，即yxt=yjc+yjj+yd+yg工艺系统各组成环节的刚度为可得工艺系统刚度计算的一般式 5.1机械加工精度5.1.3工艺系统受力变形对加工精度的影响2工艺系统受力变形对加工精度的影响1切削力作用点位置变化引起的工件形状误差以车床两顶尖间加工光轴为例，假定切削过程中切削力为常值，车刀悬伸很短，受力变形可忽略，把顶尖、刀架都看成是机床的一局部。因此工艺系统的总变形为yxt=yjc+yg1机床的变形如图5.11所示，假定工件短而粗，即其刚度很好，其受力变形相对机床的变形要小得多，可忽略不计。那么工艺系统的总变形主要取决于机床，即机床头架、尾座包括顶尖、刀架的变形。5.1机械加工精度5.1.3工艺系统受力变形对加工精度的影响2工艺系统受力变形对加工精度的影响1切削力作用点位置变化引起的工件形状误差刀架在x位置处时工件轴线的位移为 ，5.1机械加工精度5.1.3工艺系统受力变形对加工精度的影响2工艺系统受力变形对加工精度的影响1切削力作用点位置变化引起的工件形状误差假设刀架的刚度为Kdj，切削力Fp作用于x处引起的刀架的变形为ydj，那么工艺系统的总变形即机床变形为工艺系统的刚度即机床刚度为 ，5.1机械加工精度5.1.3工艺系统受力变形对加工精度的影响2工艺系统受力变形对加工精度的影响1切削力作用点位置变化引起的工件形状误差2工件的变形工件的变形一般可按材料力学知识计算3工艺系统的变形当同时考虑机床和工件的变形时，工艺系统的总变形为二者的叠加。，5.1机械加工精度5.1.3工艺系统受力变形对加工精度的影响2工艺系统受力变形对加工精度的影响2切削力大小变化引起的工件形状误差当车削具有圆度误差m=ap1ap2的工件毛坯时，由于工艺系统受力变形的变化而使工件产生与毛坯形状相似的圆度误差g=y1y2，这种现象称为“误差复映，因误差复映现象而使工件产生的加工误差称为复映误差。误差复映系数设工艺系统的刚度为Kxt,那么工件的圆度误差g=y1y2=切削力的经验公式可知Fp=CFpapf0.75 图5.12毛坯形状误差的复映5.1机械加工精度5.1.3工艺系统受力变形对加工精度的影响2工艺系统受力变形对加工精度的影响2切削力大小变化引起的工件形状误差误差复映系数是一个小于1的正数增加走刀次数可大大减小工件的复映误差。总误差复映系数=12n，那么g=m图5.12毛坯形状误差的复映，5.1机械加工精度5.1.3工艺系统受力变形对加工精度的影响2工艺系统受力变形对加工精度的影响3切削过程中受力方向变化引起的工件形状误差，图5.13惯性力所引起的加工误差5.1机械加工精度5.1.3工艺系统受力变形对加工精度的影响2工艺系统受力变形对加工精度的影响4其它力引起的加工误差1夹紧力引起的加工误差被加工件在装夹过程中，由于刚度较低或着力点不当，都会引起工件变形，造成加工误差。特别是薄壁套、薄板件，易产生加工误差。2重力引起的加工误差在工艺系统中，由于零部件的自重也会引起变形。例如龙门刨床、龙门铣床刀架导轨横梁的变形，铣镗床镗杆伸长而下垂变形等，都会造成工件的加工误差。，5.1机械加工精度5.1.3工艺系统受力变形对加工精度的影响3减少工艺系统受力变形的途径1提高接触刚度2提高工件的刚度3提高机床部件刚度，图5.14增加支承以提高工件的刚度a采用固定导向支承套b采用转动导向支承套图5.15提高机床部件刚度的装置5.1机械加工精度5.1.3工艺系统受力变形对加工精度的影响3减少工艺系统受力变形的途径1提高接触刚度2提高工件的刚度3提高机床部件刚度4合理装夹工件，减少夹紧变形，图5.16夹紧变形所引起的加工误差5.1机械加工精度5.1.4工艺系统受热变形对加工精度的影响1工艺系统的热源引起工艺系统受热变形的“热源大体分为内部热源和外部热源两大类。2工艺系统热变形对加工精度的影响1机床的热变形对加工精度的影响，图5.17几种机床的热变形趋势a车床b铣床c平面磨床d双端面磨床5.1机械加工精度5.1.4工艺系统受热变形对加工精度的影响2工艺系统热变形对加工精度的影响1机床的热变形对加工精度的影响2工件的热变形对加工精度的影响1工件均匀受热直径上的热变形量扩大量：5-16长度上的热变形量伸长量：5-172工件不均匀受热平面在刨削、铣削、磨削加工时，工件单面受热因热变形引起工件凸起量f可按如下近似计算，5.1机械加工精度5.1.4工艺系统受热变形对加工精度的影响2工艺系统热变形对加工精度的影响1机床的热变形对加工精度的影响2工件的热变形对加工精度的影响3刀具的热变形对加工精度的影响，图5.19刀具的热伸长5.1机械加工精度5.1.4工艺系统受热变形对加工精度的影响2工艺系统热变形对加工精度的影响1机床的热变形对加工精度的影响2工件的热变形对加工精度的影响3刀具的热变形对加工精度的影响4减少工艺系统热变形的措施1减少发热量2用热补偿方法减少热变形均衡温度场3采用合理的机床部件结构减少热变形的影响4保持工艺系统的热平衡5控制环境温度，5.1机械加工精度5.1.5工件内应力对加工精度的影响内应力是外部载荷去除后仍残存在工件内部的应力，又称剩余应力。1工件内应力产生的原因1毛坯制造和热处理过程中产生的内应力2冷校直产生的内应力3切削加工产生的内应力切削过程中产生的力和热，也会使被加工工件的外表层变形，产生内应力。，图5.21冷校直引起的内应力5.1机械加工精度5.1.5工件内应力对加工精度的影响内应力是外部载荷去除后仍残存在工件内部的应力，又称剩余应力。1工件内应力产生的原因2减少内应力的措施1合理设计零件结构2采取时效处理3合理安排工艺，5.1机械加工精度5.1.6提高加工精度的途径1.直接减少或消除原始误差法2.误差补偿法3.误差分组法4.误差转移法，图图5.22 螺纹加工校正装置螺纹加工校正装置 图图5.23 转塔车床刀架转位误差的转移转塔车床刀架转位误差的转移5.2加工误差的统计分析5.2.1加工误差的统计性质1.系统性误差在顺序加工一批工件时，假设误差的大小和方向保持不变，或者按一定规律变化即为系统性误差。前者称为常值系统性误差，后者称为变值系统性误差。2.随机性误差在顺序加工一批工件时，假设误差的大小和方向是无规律的变化(时大时小，时正时负)这类误差称为随机性误差。，5.2加工误差的统计分析5.2.2 加工误差的统计分析法加工误差的统计分析法 1.分布曲线法：通过测量一批零件加工后的实际分布曲线法：通过测量一批零件加工后的实际尺寸做出尺寸分布曲线，然后按此曲线判断这种加尺寸做出尺寸分布曲线，然后按此曲线判断这种加工方法所产生的误差大小。工方法所产生的误差大小。1)实际分布曲线实际分布曲线 测量每个工件的加工尺寸把测测量每个工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得的数据记录下来，按尺寸大小将整批工件进行分组，那么每一组中的零件尺寸处在一定的间隔范围组，那么每一组中的零件尺寸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。以零件尺寸为横坐标，该批零件总数之比称为频率。以零件尺寸为横坐标，以频数以频数(或频率或频率)为纵坐标，便可得到实际分布曲线。为纵坐标，便可得到实际分布曲线。，5.2加工误差的统计分析5.2.2加工误差的统计分析法1.分布曲线法：1)实际分布曲线例如，检查一批精镗后的活塞销孔直径，图纸规定的尺寸及公差为mm，检查件数为100个，将测量所得的数据按尺寸大小分组，每组的尺寸间隔为0.002mm，然后填在表格内，如表5-1所示。表中n是测量的工件数，mj是每组的件数。以工件尺寸x为横坐标，以频率mj/n为纵坐标，便可绘出实际分布曲线图如图5.24所示。，组别尺寸范尺寸范围（mm）中点尺寸中点尺寸(mm)频数（数（mj）频率（率（m j/n）127.99227.99427.99344/100227.99427.99627.9951616/100327.99627.99827.9973232/100427.99828.00027.9993030/100528.00028.00228.0011616/100628.00228.00428.00322/1005.2加工误差的统计分析5.2.2加工误差的统计分析法1.分布曲线法：分布曲线法：1)实际分布曲线实际分布曲线公差带中心(280.015/2)mm27.9925mm分散范围=最大孔径最小孔径(28.00427.992)mm0.012mm分散范围中心29.9979mm，分析分布曲线图，可看出：分析分布曲线图，可看出：(1)分散范围小于公差带，即分散范围小于公差带，即0.0120.015，说明本工序能满，说明本工序能满足加工精度要求；足加工精度要求；(2)废品率占废品率占18(28.00-28.004)，分析其原因为尺寸分散范围中，分析其原因为尺寸分散范围中心与公差带中心不重合，说明存心与公差带中心不重合，说明存在常值系统性误差为在常值系统性误差为(27.997927.9925)mm0.0054mm，将镗，将镗刀伸出量缩短刀伸出量缩短0.0054mm/2，使，使尺寸分散范围中心与公差带中心尺寸分散范围中心与公差带中心重合，便解决了废品问题。重合，便解决了废品问题。5.2加工误差的统计分析5.2.2加工误差的统计分析法1.分布曲线法：1)实际分布曲线2)正态分布曲线正态分布曲线的表达式工件平均尺寸尺寸分布中心，影响曲线位置样本均方根偏差标准偏差，影响曲线形状，如图5.26所示。，5.2加工误差的统计分析5.2.2加工误差的统计分析法1.分布曲线法：1)实际分布曲线2)正态分布曲线正态分布曲线的特点：1曲线以x=直线为左右对称，呈钟形，中间高，两边低。表示尺寸靠近分散中心的工件占大多数，而远离尺寸分散中心的工件是少数。2对的正偏差和负偏差，其概率相等。3分布曲线与x轴所围成的面积包括了全部零件数即100%，故其面积等于1。4在尺寸x1到x2间的零件的频率即占的百分比可由积分获得5.2加工误差的统计分析5.2.2加工误差的统计分析法1.分布曲线法：1)实际分布曲线2)正态分布曲线为简化计算，可计算曲线下方某一数值x到尺寸中心范围的面积。令那么对于不同z值的可由表5-2查出。5.2加工误差的统计分析5.2.2加工误差的统计分析法1.分布曲线法：1)实际分布曲线2)正态分布曲线正态分布曲线的特点：5可以看出，在即范围内的零件数所占的面积为99.73%，即99.73%的工件尺寸落在范围内，仅有0.27%的工件在范围之外，可忽略不计。因此，一般取正态分布曲线的分布范围是。5.2加工误差的统计分析5.2.2加工误差的统计分析法1.分布曲线法：1)实际分布曲线2)正态分布曲线3非正态分布曲线在机械加工中，工件实际尺寸的分布情况，有时并不符合正态分布。5.2加工误差的统计分析5.2.2加工误差的统计分析法1.分布曲线法：4分布曲线的应用1确定各种加工方法所能到达的精度等级。2判别加工误差的性质3确定工序能力及其等级工序能力等级以工序能力系数表示。工序能力系数工序能力系数能力等能力等级说明明Cp 1.67Cp 1.67特特级工工艺能力能力过高，可以允高，可以允许有异常波有异常波动，不一定，不一定经济1.67Cp 1.331.67Cp 1.33一一级工工艺能力足能力足够，可以允，可以允许有一定的异常波有一定的异常波动1.33Cp 11.33Cp 1二二级工工艺能力勉能力勉强强，必，必须密切注意密切注意1Cp 0.671Cp 0.67三三级工工艺能力不足，可能出能力不足，可能出现少量不合格品少量不合格品0.67Cp0.67Cp四四级工工艺能力差，必能力差，必须加以改加以改进5.2加工误差的统计分析5.2.2加工误差的统计分析法1.分布曲线法：4分布曲线的应用4确定工件尺寸的合格品率和废品率。正态分布曲线所包含的面积代表一批零件的总数，如果尺寸分散带大于零件的公差带T，那么将有废品产生。如图5.30a所示。对于某一规定的x范围的曲线面积如图5.30b所示，可由前面给出的积分公式计算或查表获得。图5.30利用正态分布曲线估算废品率5.2加工误差的统计分析5.2.2加工误差的统计分析法1.分布曲线法：4分布曲线的应用【例5-1】在磨床上加工销轴，要求外径mm，抽样后测得=11.974mm，=0.005mm，其尺寸分布符合正态分布，试分析该工序的加工质量，并求废品率。解：工序能力系数工艺能力系数小于1，说明该工序工艺能力缺乏，因此不可防止要出现废品。工件最小尺寸dmin=-3=11.959mm要求的最小尺寸11.957mm故不会产生不可修复的废品。工件最大尺寸dmax=+3=11.989mm要求的最大尺寸11.984mm故要产生可修复的废品。求废品率：查表得：=0.4772故废品率为：0.5-0.4772=2.28%5.2加工误差的统计分析5.2.2加工误差的统计分析法2.点图法点图法是在一批工件的加工过程中，依次测量工件的加工尺寸，并以时间间隔为序，逐个或逐组计入相应图表中，以对其进行分析的方法。1R点图将一批工件的尺寸按加工顺序分为k组，每组有m个工件，表示某一组的平均值，R表示该组最大尺寸与最小尺寸之差,称为极差。那么以组序号为横坐标，以各组的与R为纵坐标，就可作出其相应的R图，如下图。5.2加工误差的统计分析5.2.2加工误差的统计分析法2.点图法2R点图的应用判断工艺过程的稳定性要根据R图，同时需要在图上分别找出中心线及上下控制线位置，如图5-32所示。图的中心线图的上控制线：UCL=+A下控制线：UCL=-AR图的中心线：R图的上控制线：UCL=D5.2加工误差的统计分析5.2.2加工误差的统计分析法2.点图法2R点图的应用判断工艺过程的稳定性表5-4正常波动和异常波动的标志正常波动正常波动1.没有点子超出控制线2.大部分点子在平均线上下波动，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.点子密集分布在平均线上下附近3.点子密集分布在控制线附近4.连续7点以上出现在平均线一侧5.连续11点中有10点出现在平均线一侧6.连续14点中有12点以上出现在平均线一侧7.连续17点中有14点以上出现在平均线一侧8.连续20点中有16点以上出现在平均线一侧9.点子有上升或下降趋势10.点子有周期性波动5.3机械加工外表质量5.3.1 机械加工外表质量的含义机械加工外表质量是指机械加工后零件外表层的几何结构以及受加工的影响外表层金属与基体金属性质产生变化的情况。包括加工外表的几何特征和外表层物理力学性能的变化两方面内容 1外表的几何特征即零件加工外表的微观几何形状包括外表粗糙度和外表波度。L/H10005.3机械加工外表质量5.3.1 机械加工外表质量的含义2外表层物理力学性能加工外表层的物理力学性能的变化，主要有以下三方面内容：1加工外表层因塑性变形产生的加工硬化；2加工外表层因切削或磨削热引起的金相组织变化；3加工外表层因力或热的作用产生的剩余应力。机械加工过程中产生的塑性变形，使晶格扭曲、崎变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长等，这些都会使外表层金属硬度增加，通称为加工硬化或冷作硬化。机械加工过程中由于切削热的作用，有可能外表层金属的金相组织发生变化。例如，磨削淬火钢时，磨削热的作用会引起淬火钢中马氏体的分解，或出现回火组织等。由于切削力和切削热的综合作用，外表层金属晶格的变形或金相组织变化，会造成外表层剩余应力。5.3机械加工外表质量5.3.2 外表质量对零件使用性能的影响1 1外表质量对零件耐磨性的影响外表质量对零件耐磨性的影响外表层冷作硬化使外表层金属的显微硬度提外表层冷作硬化使外表层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了接触处的弹性和塑性高，塑性降低，减少了接触处的弹性和塑性变形，以及金属咬焊的可能，因而减少了磨变形，以及金属咬焊的可能，因而减少了磨损。但过度的冷硬会使金属组织疏松，加剧损。但过度的冷硬会使金属组织疏松，加剧磨损甚至出现裂纹、剥落，从而使耐磨性磨损甚至出现裂纹、剥落，从而使耐磨性下降。下降。图图5.34 初期磨损量与外表粗糙度的关系初期磨损量与外表粗糙度的关系零件磨损三个阶段：零件磨损三个阶段：初期磨损阶段初期磨损阶段正常磨损阶段正常磨损阶段剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段5.3机械加工外表质量5.3.2 外表质量对零件使用性能的影响2外表质量对零件疲劳强度的影响在交变载荷作用下，外表粗糙度的凹谷、划痕和裂纹等部位容易引起应力集中、产生疲劳裂纹，导致零件的疲劳损坏。外表一定程度的冷作硬化能阻碍表层疲劳裂纹的出现，使零件疲劳强度提高。但冷硬程度过大，反而易于产生裂纹，降低零件抵抗疲劳的能力。外表层的剩余压应力能局部地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，提高零件的疲劳强度。反之，零件外表层呈现剩余拉应力时，那么使疲劳裂纹加剧，降低疲劳强度。5.3机械加工外表质量5.3.2 外表质量对零件使用性能的影响 3外表质量对零件耐腐蚀性能的影响零件在潮湿的空气或有腐蚀性的介质中工作时，常会发生化学腐蚀或电化学腐蚀。化学腐蚀是由于在粗糙外表的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学反响。电化学腐蚀是由于不同金属材料的零件外表相接触时，在外表的波峰处产生电化学作用而被腐蚀掉。因此，减小外表粗糙度值，可以提高零件的耐腐蚀性。零件在应力状态下工作时，会产生应力腐蚀。外表冷作硬化或产生金相组织变化时，往往都会引起外表剩余应力，因而会降低零件的耐腐蚀性。5.3机械加工外表质量5.3.2 外表质量对零件使用性能的影响 4外表质量对零件配合性质的影响对于间隙配合，如果零件外表粗糙度太大，初期磨损量就大，工作时配合间隙就会迅速增大，以致改变了原来配合性质，影响了间隙配合的稳定性。对于过盈配合外表，轴在压入孔内时，配合外表局部凸峰会挤平，从而使实际过盈量比预定的小，影响了过盈配合的可靠性。所以对有配合要求的外表都要求较低的组糙度值。外表剩余应力应力的存在会引起零件变形，使零件形状和尺寸发生变化，因此对配合性质也有一定的影响。5.3机械加工外表质量5.3.3 影响外表粗糙度的工艺因素及改善措施1切削加工后的外表粗糙度1几何因素主要是指刀具的形状和几何角度，持别是刀尖圆弧半径r和主偏角r、副偏角r等的影响，其次是进给量和刀刃本身的粗糙度等。刀尖圆弧半径为零时 圆弧刀刃切削时 5.3机械加工外表质量5.3.3 影响外表粗糙度的工艺因素及改善措施1切削加工后的外表粗糙度1几何因素2物理因素切削过程中刀具的刃口圆角及后面的挤压与摩擦使金属材料发生塑性变形而使外表粗糙度数值进一步增大。在加工塑性材料时，切削过程中出现积屑瘤和鳞刺，使外表粗糙度严重恶化。切削加工时的振动使工件外表粗糙度增大。5.3机械加工外表质量5.3.3 影响外表粗糙度的工艺因素及改善措施1切削加工后的外表粗糙度1几何因素2物理因素3影响外表粗糙度的工艺因素及改善措施1刀具的几何形状、材料及刃磨质量的影响减少刀具的主、负偏角，增大刀尖圆弧半径，外表粗糙度降低。刀具的前角值适当增大，有利于减少外表粗糙度值。但前角太大，刀刃有嵌入工件的烦向，反使外表变粗糙。前角一定时，后角越大、切削刃钝圆半径越小。刀刃越锋利，同时还能减小后刀面与加工外表间的摩擦和挤压，有利于减小外表粗糙度值。但后角过大，对刀刃强度不利，容易产生切削振动，而使外表粗糙度值增大。刀具的材料与刃磨质量对产生积屑瘤、鳞刺等现象影响甚大，如用金刚石车刀精车铝合金时，由于摩擦系数较小，刀面上就不会产生切屑的粘附、冷焊现象因此能降低粗糙度值。5.3机械加工外表质量5.3.3 影响外表粗糙度的工艺因素及改善措施1切削加工后的外表粗糙度1几何因素2物理因素3影响外表粗糙度的工艺因素及改善措施1刀具的几何形状、材料及刃磨质量的影响2工件材料性能的影响一般地讲，韧性较大的塑性材料，易于产生塑性变形，与刀具的粘结作用也较大，加工后粗糙度值大。相反，脆性材料那么易于得到较小的外表粗糙度值。对于同样的材料，晶粒组织愈是粗大，加工后的外表粗糙度值也愈大，利用调质或正火等热处理方法可以提高材料的力学性能，细化晶粒，改善切削性能，减小外表粗糙度值。5.3机械加工外表质量5.3.3 影响外表粗糙度的工艺因素及改善措施1切削加工后的外表粗糙度1几何因素2物理因素3影响外表粗糙度的工艺因素及改善措施1刀具的几何形状、材料及刃磨质量的影响2工件材料性能的影响3加工条件的影响加工条件包括切削用量、冷却条件以及工艺系统的抗振性等。切削速度对外表粗糙度影响很大，切削塑性材料时切削速度处在产生积屑瘤和鳞刺范围内，加工外表粗糙。f 的影响公式背吃刀量影响不大。5.3机械加工外表质量5.3.3 影响外表粗糙度的工艺因素及改善措施1切削加工后的外表粗糙度2磨削加工后的外表粗糙度1砂轮外表工作状态的影响 1砂轮的粒度 磨粒越细外表粗糙度值越小2砂轮的硬度 硬度适当外表粗糙度值小3砂轮的修整 微刃性等高性好粗糙度值小5.3机械加工外表质量5.3.3 影响外表粗糙度的工艺因素及改善措施1切削加工后的外表粗糙度2磨削加工后的外表粗糙度2磨削用量的影响砂轮速度磨削速度粗糙度值减小。工件速度圆周进给速度 粗糙度增大。磨削深度，会增大粗糙度数值。光磨次数增多，粗糙度值减小轴向进给量，粗糙度值增大3工件材料的影响 工件材料太硬，外表粗糙度数值变大材料太软，易堵塞砂轮，也难以获得较小的外表粗糙度数值。韧性大、导热性差的耐热合金，导致磨削外表粗糙度值增大。5.3机械加工外表质量5.3.4 影响零件外表层物理力学性能的因素及改善措施1 外表层的加工硬化概念：机械加工时，工件表层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶粒严重扭曲，并产生晶粒的拉长、破碎和纤维化，从而使其强度和硬度得到提高，塑性降低这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化。评价指标：冷硬层的深度h、外表层的显微硬度HV及硬化程度N表示。%影响因素 5.3机械加工外表质量5.3.4 影响零件外表层物理力学性能的因素及改善措施1 外表层的加工硬化影响外表层加工硬化的因素 1工件材料的影响 研究说明，工件材料硬度越低、塑性增大，加工硬化程度N和硬化层深度越大。就结构钢而言，含碳C量少，塑性变形大，硬化严重。如：切削软钢N=140%200%。5.3机械加工外表质量5.3.4 影响零件外表层物理力学性能的因素及改善措施1 外表层的加工硬化影响外表层加工硬化的因素 2刀具的影响。前角减小、刃口圆角半径增大及后面的磨损量增加时，冷硬层深度和硬度随之增大。如图显示了刀具后刀面磨损对冷硬的影响。由图可见，刀具后刀面磨损宽度VB从0增大到0.2mm，表层金属的显微硬度由220HV增大到340HV，这是由于磨损宽度加大后，刀具后刀面与被加工工件的摩擦加剧，塑性变形增大，导致外表冷硬增大。但磨损宽度继续加大，摩擦热急剧增大，弱化趋势变得明显，表层金属的显微硬度逐渐下降，直至稳定在某一水平上。5.3机械加工外表质量5.3.4 影响零件外表层物理力学性能的因素及改善措施1 外表层的加工硬化影响外表层加工硬化的因素 3切削用量的影响。切削速度增大，硬化层深度和硬度都有所减小。进给量 f 增大时，切削力增大，塑性变形程度也增大，因此冷硬现象增大。但在进给量 f 较小时，由于刀具的刃口圆角在加工外表单位长度上的挤压次数增多，因此硬化现象也会增加。背吃刀量ap对表层金属冷作硬化的影响不大。5.3机械加工外表质量5.3.4 影响零件外表层物理力学性能的因素及改善措施2.外表层金相组织的变化与磨削烧伤 切削加工时切削热大局部被切屑带走对金相组织影响小，磨削时工件温升高引起金相组织显著变化 1外表层金相组织变化与磨削烧伤的原因(1)当磨削区温度超过相变温度Ac3时，马氏体转变为奥氏体，如果这时无冷却液，那么工件表层被退火，外表硬度急剧下降，产生称为退火烧伤。干磨时容易这种情况。(2)当磨削区温度超过相变温度Ac3时，马氏体转变成奥氏体，而此时如果有冷却液起充分冷却作用，那么使外表出现二次淬火马氏体组织，硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，只有几微米厚，在它的下层，因冷却较慢，出现硬度比原来回火马氏体低的回火索氏体或屈氏体，称为淬火烧伤。(3)当磨削区温度未超过相变温度，但超过马氏体的转变温度(一般中碳钢250300)，工件外表马氏体组织将转化成回火屈氏体或索氏体组织，使外表层硬度低于磨削前的硬度，这称为回火烧伤。5.3机械加工外表质量5.3.4 影响零件外表层物理力学性能的因素及改善措施2.外表层金相组织的变化与磨削烧伤 2影响磨削烧伤的因素与减轻烧伤的途径根源:磨削热是造成烧伤的(1)合理选择砂轮。(2)正确选用磨削用量。(3)提高冷却效果。5.3机械加工外表质量5.3.4 影响零件外表层物理力学性能的因素及改善措施3.外表层的剩余应力切削及磨削过程中加工外表层相对基体材料发生形状、体积变化或金相组织变化时，工件外表层及其与基体材料的交界处产生相互平衡的应力，称为外表层剩余应力。外表层剩余应力产生的原因1冷塑性变形的影响2热塑性变形的影响5.3机械加工外表质量5.3.4 影响零件外表层物理力学性能的因素及改善措施影响零件外表层物理力学性能的因素及改善措施3.外表层的剩余应力外表层的剩余应力外表层剩余应力产生的原因外表层剩余应力产生的原因3金金相相组组织织变变化化的的影影响响：切切削削时时产产生生的的高高温温会会引引起起外外表表层层的的金金相相组组织织变变化化。由由于于不不同同的的金金相相组组织织有有不不同同的的密密度度，马马=7.75g/cm3，奥奥=7.96 g/cm3,珠珠=7.78 g/cm3，铁铁=7.88 g/cm3。外外表表层层金金相相组组织织变变化化的的结结果果造造成成了了体体积积的的变变化化。外外表表层层体体积积膨膨胀胀时时，因因为为受受到到基基体体的的限限制制，产产生生剩剩余余压压应应力力。反反之之外外表表层层体体积积缩缩小小，那那么么产产生生拉拉应应力力。例例如如磨磨削削淬淬火火钢钢时时，假假设设出出现现回回火火烧烧伤伤那那么么加加工工外外表表的的金金相相组组织织从从马马氏氏体体转转化化成成索索氏氏体体或或屈屈氏氏体体密密度度增增大大而而体体积积减减小小，产产生生剩剩余余拉拉应应力力。假假设设外外表表温温度度超超过过Ac3冷冷却却又又充充分分，那那么么表表层层又又成成为为马马氏氏体体，产生剩余压应力。产生剩余压应力。5.3机械加工外表质量5.3.5 提高机械加工外表质量的方法减小加工外表粗糙度：采用研磨、珩磨、超精加工及抛光等光整加工方法 改善外表层的物理力学性能：外表强化工艺：通过冷压加工方法使外表金属发生冷态塑性变形，以降低外表粗糙度值，提高外表硬度，并在外表层产生剩余压应力的外表强化工艺。1喷丸强化这种方法是利用大量的珠丸以高速打击已加工完毕的工件外表，使外表产生冷硬层和剩余压应力，可以显著提高零件的疲劳强度。2滚压加工利用淬硬的滚轮或滚珠对工件外表施加压力，使其产生塑性变形。3液体磨料强化5.4机械加工中的振动简介：机械振动大致可分为三类：自由振动、强迫振动和自激振动。由于工件自由振动所占比例较小，且对机械加工影响不大，故本节仅对强迫振动和自激振动加以简单介绍。5.4.1 强迫振动1强迫振动的产生强迫振动是由工艺系统内部或外界周期干扰力持续作用下引起的振动。1系统外部的周期性干扰力2高速旋转零件的质量偏心 3运动传递过程中引起的振动 4往复运动部件的惯性力 5切削过程中的冲击5.4机械加工中的振动5.4.1 强迫振动 2强迫振动的控制1减少或消除振源的激振力：如精确平衡各回转零、部件，电动机的转子和砂轮不但要做静平衡，更要进行动平衡；提高轴承的制造精度和装配质量。2隔振：在振动的传递路线中，安放具有弹性性能的隔振装置，以吸收振源能量。如将机床安置在防振地基上，在振源与刀具和工件之间设置弹簧或橡皮垫片等。3提高工艺系统的动刚度及阻尼，使强迫振动的频率远离系统的固有频率，避开共振区。刮研接触面，提高部件的接触刚度，调整镶条加强连接刚度等。4减小冲击切削振动：如按需要改变刀具转速或机床结构，保证刀具冲击频率远离机床共振频率及其倍数；增加刀齿齿数；减小切削用量，以便减小切削力；设计不等齿距的铣刀等。5采用减振器和阻尼器。5.4机械加工中的振动5.4.2 自激振动1自激振动系统的组成激振作用反馈作用交变切削力F（t）非振荡性能源+振动系统调节系统振动位移y（t）图5.41自激振动系统的组成5.4机械加工中的振动5.4.2 自激振动2产生自激振动的机理1负摩擦自振原理：5.4机械加工中的振动5.4.2 自激振动2产生自激振动的机理2再生效应自振原理：切削或磨削加工时，后一次走刀和前一次走刀总会有局部重叠。重叠系数m 5.4机械加工中的振动5.4.2自激振动2产生自激振动的机理3振型藕合自振原理：5.4机械加工中的振动5.4.2 自激振动3自激振动的控制1)减小重叠系数m2合理选择刀具几何参数适当地增大前角、主偏角，能减小Fp从而减小振动。通常在刀具的主后面下磨出一段后角为负的窄棱面，3采用高速切削或低速切削可以防止自激振动。4提高工艺系统的刚度 5采用减振装置 5.4机械加工中的振动5.4.2 自激振动减振装置 1阻尼式减振器通过阻尼套和阻尼间隙中的粘性油的阻尼作用来减振。2动力式减振器 用弹性元件把一个附加质量块连接到振动系统中,利用附加质量的动力作用,使弹性元件加在系统上的力与系统的激振力相抵消。3冲击式减振器 它由一个与振动系统刚性相联的壳体2和一个在壳体内自由冲击的质量块1所组成的。当系统振动时，自由质量块反复冲击振动系统，消耗振动的能量，以到达减振效果。