机械加工精度及加工表面质量分析课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 机械加工精度及表面质量分析,第一节 机械加工精度概述,第二节 影响加工误差的因素,第三节 加工误差的统计分析,第四节 提高加工精度的途径,第五节 机械加工后的表面质量,第六节 机械加工后的表面粗糙度和表面层物理机械性能的影响因素,第七节 控制加工表面质量的工艺途径,第一节,机械加工精度概述,一、加工精度1、加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数的符合程度。符合程度越高，加工精度越高。一般机械加工精度是在零件工作图上给定的，其包括：1） 尺寸精度：加工后零件的实际尺寸与零件理想尺寸相符的程度。2） 形状精度：加工后零件的实际形状与零件理想形状相符的程度。3） 位置精度：加工后零件的实际位置与零件理想位置相符的程度。,2、获得加工精度的方法：1） 试切法：即试切-测量-再试切-直至测量结果达到图纸给定要求的方法。如图a2） 定尺寸刀具法：用刀具的相应尺寸来保证加工表面的尺寸。如:孔加工、成形刀具3） 调整法：按零件规定的尺寸预先调整好刀具与工件的相对位置来保证加工表面尺寸的方法。如图b,3、加工误差：实际加工不可能做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。加工误差的大小表示了加工精度的高低。,生产实际中用控制加工误差的方法来保证加工精度。,4、 误差的敏感方向： 加工误差对加工精度影响最大的方向，为误差的敏感方向。,例如：车削外圆柱面，加工误差敏感方向为外圆的直径方向。,二、加工经济精度 由于在加工过程中有很多因素影响加工精度，所以同一种加工方法在不同的工作条件下所能达到的精度是不同的。任何一种加工方法，只要精心操作，细心调整，并选用合适的切削参数进行加工，都能使加工精度得到较大的提高，但这样会降低生产率，增加加工成本。加工误差与加工成本C成反比关系。某种加工方法的加工经济精度不应理解为某一个确定值，而应理解为一个范围，在这个范围内都可以说是经济的。,三、研究机械加工精度的方法因素分析法和统计分析法。因素分析法：通过分析、计算或实验、测试等方法，研究某一确定因素对加工精度的影响。一般不考虑其它因素的同时作用，主要是分析各项误差单独的变化规律；,统计分析法：运用数理统计方法对生产中一批工件的实测结果进行数据处理，用以控制工艺过程的正常进行。主要是研究各项误差综合的变化规律，只适合于大批、大量的生产条件。,四、原始误差 由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统（简称工艺系统）会有各种各样的误差产生，这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式（或扩大、或缩小）反映为工件的加工误差。工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。工艺系统的原始误差主要有：1、加工前的误差（原理误差、调整误差、工艺系统的几何误差、定位误差）2、加工过程中的误差（工艺系统的受力变形引起的加工误差、工艺系统的受热变形引起的加工误差）3、加工后的误差（工件内应力重新分布引起的变形以及测量误差）等。,第二节 影响加工误差的因素,一、加工前的误差（原理误差、机床调整误差、定位误差、工艺系统的几何误差）,（一）、 加工原理误差：,定义：由于采用近似的加工运动或近似的刀具轮廓所产生的加工误差，为加工原理误差。（1） 采用近似的刀具轮廓形状： 例如：模数铣刀铣齿轮。（2） 采用近似的加工运动： 例如：车削蜗杆时，由于蜗杆螺距Pg=m，而=3.1415926，是无理数，所以螺距值只能用近似值代替。因而，刀具与工件之间的螺旋轨迹是近似的加工运动。,在曲线或曲面的数控加工中，刀具相对于工件的成形运动是近似的；又如滚齿用的齿轮滚刀有两种误差：一是为了制造方便，采用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓形误差；二是由于滚刀刀齿有限，实际上加工出的齿形是条由微小折线段组成的曲线，和理论上的光滑渐开线有差异，从而产生加工原理误差。,采用近似的成形运动或近似的刀刃轮廓，虽然会带来加工原理误差，但往往可简化机床结构或刀具形状，提高生产效率，且能得到满足要求的加工精度。因此，只要这种方法产生的误差不超过规定的精度要求，在生产中仍能得到广泛的应用。,（二） 机床调整误差：,机床调整：是指使刀具的切削刃与定位基准保持正确位置的过程。（1） 进给机构的调整误差：主要指进刀位置误差；（2） 定位元件的位置误差：使工件与机床之间的位置不正确，而产生误差；（3） 模板（或样板）的制造误差：使对刀不准确。,（三） 装夹误差：,定义：工件在装夹过程中产生的误差，为装夹误差。 装夹误差包括,定位误差,和,夹紧误差,。定位误差是指一批工件采用调整法加工时因定位不正确而引起的尺寸或位置的最大变动量。定位误差由,基准不重合误差和定位副制造不准确误差,造成。,1、基准不重合误差 在零件图上用来确定某一表面尺寸、位置所依据的基准称为设计基准。,在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依据的基准称为工序基准。,一般情况下，工序基准应与设计基准重合。在机床上对工件进行加工时，须选择工件上若干几何要素作为加工（或测量）时的定位基准（或测量基准），如果所选用的定位基准（或测量基准）与设计基准不重合，就会产生基准不重合误差。,基准不重合误差等于定位基准相对于设计基准在工序尺寸方向上的最大变动量（公差）。,图示零件，设e面已加工好，今在铣床上用调整法加工f面和g面。在加工f面时若选e面为定位基准，则f面的设计基准和定位基准都是e面，基准重合，没有基准不重合误差，尺寸A的制造公差为TA。,加工g面时，定位基准有两种不同的选择方案，一种方案（方案）加工时选用f面作为定位基准，定位基准与设计基准重合，没有基准不重合误差，尺寸B的制造公差为TB；但这种定位方式的夹具结构复杂，夹紧力的作用方向与铣削力方向相反，不够合理，操作也不方便。,另一种方案（方案）是选用e面作为定位基准来加工g面，此时，工序尺寸C是直接得到的，尺寸B是间接得到的，由于定位基准e与设计基准f不重合而给g面加工带来的基准不重合误差等于设计基准f面相对于定位基准e面在尺寸B方向上的最大变动量TA。,定位基准与设计基准不重合时所产生的基准不重合误差，只有在采用调整法加工时才会产生，在试切法加工中不会产生。,2、定位副制造不准确误差 工件在夹具中的正确位置是由夹具上的定位元件来确定的。夹具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得绝对准确，它们的实际尺寸（或位置）都允许在分别规定的公差范围内变动。同时，工件上的定位基准面也会有制造误差。工件定位面与夹具定位元件共同构成定位副，,由于定位副制造得不准确和定位副间的配合间隙引起的工件最大位置变动量，称为定位副制造不准确误差。,如图所示工件的孔装夹在水平放置的心轴上铣削平面，要求保证尺寸h，由于定位基准与设计基准重合，故无基准不重合误差；但由于工件的定位基面（内孔D）和夹具定位元件（心轴d,1,）皆有制造误差，如果心轴制造得刚好为d,1,min，而工件得内孔刚好为Dmax（如图示），当工件在水平放置得心轴上定位时，工件内孔与心轴在P点接触，工件实际内孔中心的最大下移量ab（Dmaxd,1,min）/2，ab就是定位副制造不准确而引起的误差。,基准不重合误差的方向和定位副制造不准确误差的方向可能不相同，定位误差取为基准不重合误差和定位副制造不准确误差的矢量和。,（四）工艺系统几何误差,1、机床的几何误差,加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。,机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：,主轴回转误差、导轨误差和传动链误差,。机床的磨损将使机床工作精度下降。,（1）主轴回转误差,机床主轴是装夹工件或刀具的基准，并将运动和动力传给工件或刀具，主轴回转误差将直接影响被加工工件的精度。 主轴回转误差是指主轴各瞬间的实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。它可分解为,径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动,三种基本形式。 产生,主轴径向回转误差,的主要原因有：主轴几段轴颈的同轴度误差、轴承本身的各种误差、轴承之间的同轴度误差、主轴绕度等。但它们对主轴径向回转精度的影响大小随加工方式的不同而不同。,采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动 譬如，在采用滑动轴承结构为主轴的车床上车削外圆时，切削力F的作用方向可认为大体上时不变的，见图a，在切削力F的作用下，主轴颈以不同的部位和轴承内径的某一固定部位相接触，此时主轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而轴承内径的圆度误差对主轴径向回转精度的影响则不大；,在镗床上镗孔时，由于切削力F的作用方向随着主轴的回转而回转，在切削力F的作用下，主轴总是以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，因此，轴承内表面的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而主轴颈圆度误差的影响则不大。图中的d表示径向跳动量。,产生,轴向窜动,的主要原因是主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。不同的加工方法，主轴回转误差所引起的的加工误差也不同。主轴回转误差产生的加工误差:,1） 径向跳动：影响工件圆度；,2） 轴向窜动：影响轴向尺寸，加工螺纹时影响螺距值；,3） 角度摆动：影响圆柱度,；,提高主轴回转精度的措施：,主要是要消除轴承的间隙; 适当提高主轴及箱体的制造精度，选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对高速主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。,（2）导轨误差,导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准，也是机床运动的基准。车床导轨的精度要求主要有以下三个方面：,在水平面内的直线度；在垂直面内的直线度；前后导轨的平行度（扭曲）。,a）,导轨在水平面内的直线度误差,：卧式车床导轨在水平面内的直线度误差1将直接反映在被加工工件表面的法线方向（加工误差的敏感方向）上，对加工精度的影响最大。,b）,导轨在垂直平面内的直线度误差,：卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差2可引起被加工工件的形状误差和尺寸误差。但2对加工精度的影响要比1小得多。由上图2可知若因2而使刀尖由a下降至b，不难推得工件半径R的变化量。,c),前后导轨存在平行度误差（扭曲）,时，刀架运动时会产生摆动，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生形状误差。由图可见，当前后导轨有了扭曲误差3之后，由几何关系可求得y（H/B）3。一般车床的H/B2/3，外圆磨床的H/B1，车床和外圆磨床前后导轨的平行度误差对加工精度的影响很大。,d）,导轨与主轴回转轴线的平行度误差,：若车床与主轴回转轴线在水平面内有平行度误差，车出的内外圆柱面就产生锥度；若车床与主轴回转轴线在垂直面内有平行度误差，则圆柱面成双曲回转体。因是非误差敏感方向，故可略。,除了导轨本身的制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也使造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。,（3）传动链误差,传动链误差是指机床内联系传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。,内联系传动链：,两端件之间的相对运动量有严格要求的传动链，为内联系传动链。 例如：车削螺纹的加工，主轴与刀架的相对运动关系不能严格保证时，将直接影响螺距的精度。,减少传动链传动误差的措施：,1） 减少传动件的数目，缩短传动链：传动元件越少，传动累积误差就越小，传动精度就 越高。,2） 传动比越小，传动元件的误差对传动精度的影响就越小：特别是传动链尾端的传动元件的传动比越小，传动链的传动精度就越高。,2、刀具的几何误差,刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。,采用定尺寸刀具、成形刀具、展成刀具加工时，刀具的制造误差会直接影响工件的加工精度；而对一般刀具（如车刀等），其制造误差对工件加工精度无直接影响。,任何刀具在切削过程中，都不可避免地要产生磨损，并由此引起工件尺寸和形状地改变。正确地选用刀具材料和选用新型耐磨地刀具材料，合理地选用刀具几何参数和切削用量，正确地刃磨刀具，正确地采用冷却液等，均可有效地减少刀具的尺寸磨损。,必要时还可采用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿。,、 夹具的几何误差,夹具的作用时使工件相当于刀具和机床具有正确的位置，因此夹具的制造误差对工件的加工精度（特别是位置精度）有很大影响。 夹具误差包括：,（1） 夹具各元件之间的位置误差；,（2） 夹具中各定位元件的磨损。,如图钻床夹具中，钻套轴心线f至夹具定位平面c间的距离误差，,影响工件孔a至底面B尺寸L的精度；,钻套轴心线f至夹具定位平面c间的平行度误差，,影响工件孔轴心线a至底面B的平行度；,夹具定位平面c与夹具体底面d的垂直度误差，,影响工件孔轴心线a与底面B间的尺寸精度和平行度；,钻套孔的直径误差亦将影响工件孔a至底面B的尺寸精度和平行度。,二、 加工过程中存在的误差：,（一）工艺系统受力变形引起的误差,1、工艺系统刚度k,系,机械加工工艺系统在,切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力,等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降。,如图a示，车细长轴时，工件在切削力的作用下会发生变形，使加工出的轴出现中间粗两头细的情况；又如在内圆磨床上进行切入式磨孔时，如图b，由于内圆磨头轴比较细，磨削时因磨头轴受力变形，而使工件孔呈锥形。,工艺系统刚度k,系:,垂直作用于工件加工表面（加工误差敏感方向）的径向切削分力Fy与工艺系统在该方向上的变形y之间的比值，称为工艺系统刚度k,系,k,系,=Fy/y式中的变形y不只是由径向切削分力Fy所引起，垂直切削分力Fz与走刀方向切削分力Fx也会使工艺系统在y方向产生变形，故 y=y,Fx,+y,Fy,+y,Fz,2、工件刚度,工艺系统中如果工件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，工件由于刚度不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大，其最大变形量可按材料力学（简支梁或悬臂梁）有关公式估算。,3、刀具刚度,外圆车刀在加工表面法线（y）方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。,镗直径较小的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。刀杆变形也可以按材料力学有关公式估算。,4、机床部件刚度,1）机床部件刚度 机床部件由许多零件组成，机床部件刚度迄今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用实验方法来测定机床部件刚度。分析实验曲线可知，机床部件刚度具有以下特点： （1）变形与载荷不成线性关系；（2）加载曲线和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线。两曲线线间所包容的面积就是加载和卸载循环中所损耗的能量，它消耗于摩擦力所作的功和接触变形功；,（3）第一次卸载后，变形恢复不到第一次加载的起点，这说明有残余变形存在，经多次加载卸载后，加载曲线起点才和卸载曲线终点重合，残余变形才逐渐减小到零；（4）机床部件的实际刚度远比我们按实验估算的要小。,2）影响机床部件刚度的因素 （1）结合面接触变形的影响（2）摩擦力的影响（3）低刚度零件的影响（4）间隙的影响,5、工艺系统刚度及其对加工精度的影响,在机械加工过程中，机床、夹具、刀具和工件在切削力作用下，都将分别产生变形y,机,、y,夹,、y,刀,、y,工,，致使刀具和被加工表面的相对位置发生变化，使工件产生加工误差。工艺系统刚度的倒数等于其各组成部分刚度的倒数和。,工艺系统刚度对加工精度的影响主要有以下几种情况：,1)由于工艺系统刚度变化引起的误差工艺系统的刚度随受力点位置的变化而变化。 例如：用三爪卡盘夹紧工件车削外圆的加工， 随悬臂长度的增加，刚度将越来越小。因而， 车出的外圆将呈锥形。,2)由于切削力变化引起的误差,加工过程中，由于工件的加工余量发生变化、工件材质不均等因素引起的切削力变化，使工艺系统变形发生变化，从而产生加工误差。,若毛坯A有椭圆形状误差（如图）。让刀具调整到图上双点划线位置，由图可知，在毛坯椭圆长轴方向上的背吃刀量为ap,1,，短轴方向上的背吃刀量为ap,2,。由于背吃刀量不同，切削力不同，工艺系统产生的让刀变形也不同，对应于ap1产生的让刀变形为y1，对应于ap2产生的让刀变形为y2,故加工出来的工件B仍然存在椭圆形状误差。由于毛坯存在圆度误差毛ap1-ap2，因而引起了工件的圆度误差工y1-y2，且毛愈大，工愈大，这种现象称为加工过程中的,毛坯误差复映现象,。工与毛之比值称为误差复映系数，它是误差复映程度的度量。尺寸误差（包括尺寸分散）和形状误差都存在复映现象。如果我们知道了某加工工序的复映系数，就可以通过测量毛坯的误差值来估算加工后工件的误差值。,3)由于夹紧变形引起的误差 工件在装夹过程中，如果工件刚度较低或夹紧力的方向和施力点选择不当，将引起工件变形，造成相应的加工误差。,特别是薄壁套、薄板件，,夹紧力常常会引起很显著的加工误差。,在夹紧前，薄壁套筒的内外圆是正圆形，用三爪自定心卡盘夹紧后则薄壁套筒呈三棱形，如图a所示；镗孔后，薄壁套筒的内孔呈圆形，如图b所示；松开卡爪后，工件由于弹性恢复，使已镗圆的孔产生了三棱圆形的圆度误差，如图c所示。为了减少工件夹紧变形，提高加工精度，可以采取如下措施：增大接触面积，使各点受力均匀，如图d所示为采用开口过渡环，图e所示为采用专用卡爪；还可采用轴向夹紧或采用弹性套筒夹紧。,4)其它作用力的影响 如；机床自重（如：龙门铣和龙门刨床）,6、减小工艺系统受力变形的途径,由前面对工艺系统刚度的论述可知，若要减少工艺系统变形，就应提高工艺系统刚度，减少切削力并压缩它们的变动幅值。具体如下：1）提高工艺系统刚度（1）提高工件和刀具的刚度:减小刀具、工件的悬伸长度：以提高工艺系统的刚度；（2）减小机床间隙，提高机床刚度：采用预加载荷，使有关配合产生预紧力，而消除间隙。（3）采用合理的装夹方式和加工方式2）减小切削力及其变化合理地选择刀具材料，增大前角和主偏角，提高毛坯制造精度、对工件材料进行合理的热处理以改善材料地加工性能等，都可使切削力减小。,图所示为磨削薄板工件，当磁力将工件吸向工作台表面时，工件将产生弹性变形（如图a、b所示）；磨完后，由于弹性恢复，已磨完的表面又产生翘曲（如图c所示）。改进的办法是在工件和磁力吸盘之间垫橡皮垫(厚)（如图d、e所示），工件受作力作用，橡皮垫被压缩，减少了工件夹紧的变形；再以磨好的一面作为定位基准磨另一面。这样经过多次正反面交替磨削即可得平面度较高的平面（如图f所示）。,（,二）工艺系统受热变形引起的误差,工艺系统热变形对加工精度的影响比较大，特别是在精密加工和大件加工中，由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%70%。,机床、刀具和工件受到各种热源的作用，温度会逐渐升高，同时它们也通过各种传热方式向周围的物质和空间散发热量。,当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。,1、工艺系统的热源内部热源和外部热源,内部热源：如系统内部的摩擦热（由轴承副、齿轮副等产生）、切削热等；外部热源：如外部环境温度、阳光辐射等。,2、工艺系统受热变形引起的误差：,（1） 工件受热变形： 工件受热温度升高后，热伸长量L为： L=Lt式中：为工件材料的热膨胀系数； L为工件长度； t为工件的温升。例如：死顶尖装夹工件时，热变形将造成工件弯曲。在磨床上为消除热变形的影响，而采用弹簧顶尖。,1）工件均匀受热,车镗轴套类零件圆柱面，长度及径向受热变形。若在受热时测量达到规定尺寸，冷却后尺寸变小，可能出现尺寸超差。,2）工件不均匀受热,铣、刨、磨平面等，工件单面受热产生弯曲变形,磨削细长轴时工件温升逐渐增加,（2） 机床受热变形： 当机床受热不均时，造成机床部件产生变形。 例如：机床主轴前、后端受热不均，将造成主轴抬高，并倾斜。,（3） 刀具受热变形： 刀具受热以后，引起刀具热伸长，刀尖位置发生变化，因而影响加工精度。,3、减小工艺系统热变形的途径,（1）减少发热和隔热,（2）改善散热条件,（3）均衡温度场,（4）改进机床结构,（5）加快温度场的平衡,（6）控制环境温度,（三） 刀具的磨损引起的误差：刀具在切削过程中，由于摩擦，刀具将产生磨损，使刀具尺寸发生变化，而造成加工误差。,三、 加工后存在的误差：,（一）工件残余应力引起的误差,1、 基本概念 没有外力作用而存在于零件内部的应力，称为残余应力（又称内应力）。,工件上一旦产生内应力之后，就会使工件金属处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位的稳定状态转化，并伴随有变形发生，从而使工件丧失原有的加工精度。,2、 内应力的产生,热加工中产生的内应力:,在热加工或热处理工序中由于工件壁厚不均匀、冷却不均、金相组织 的转变等原因，使工件产生内应力。,图示一个内外壁厚相差较大的铸件。浇铸后，铸件将逐渐冷却至室温。由于壁1和壁2比较薄，散热较易，所以冷却比较快。壁3比较厚，所以冷却比较慢 。当壁1和壁2从塑性状态冷到弹性状态时，壁3的温度还比较高，尚处于塑性状态。所以壁1和壁2收缩时壁3不起阻挡变形的作用，铸件内部不产生内应力。但当壁3也冷却到弹性状态时，壁1和壁2的温度已经降低很多，收缩速度变得很慢。但这时壁3收缩较快，就受到了壁1和壁2的阻碍。因此，壁3受拉应力的作用，壁1和2受压应力作用，形成了相互平衡的状态。,如果在这个铸件的壁1上开一个口，则壁1的压应力消失，铸件在壁3和2的内应力作用下，壁3收缩，壁2伸长，铸件就发生弯曲变形，直至内应力重新分布达到新的平衡为止。,推广到一般情况，各种铸件都难免产生冷却不均匀而形成的内应力，铸件的外表面总比中心部分冷却得快。特别是有些铸件（如机床床身），为了提高导轨面的耐磨性，采用局部激冷的工艺使它冷却更快一些，以获得较高的硬度，这样在铸件内部形成的内应力也就更大些。若导轨表面经过粗加工去除一些金属，这就象在图中的铸件壁1上开口一样，必将引起内应力的重新分布并朝着建立新的应力平衡的方向产生弯曲变形。为了克服这种内应力重新分布而引起的变形，特别是对大型和精度要求高的零件，一般在铸件粗加工后安排进行时效处理，然后再作精加工。,冷校直产生的内应力： 丝杠一类的细长轴经过车削以后，棒料在轧制中产生的内应力要重新分布，产生弯曲，如上图示。冷校直就是在原有变形的相反方向加力F，使工件向反方向弯曲，产生塑性变形，以达到校直的目的。在F力作用下，工件内部的应力分布如图b所示。当外力F去除以后，弹性变形部分本来可以完成恢复而消失，但因塑性变形部分恢复不了，内外层金属就起了互相牵制的作用，产生了新的内应力平衡状态，如图c所示，所以说，冷校直后的工件虽然减少了弯曲，但是依然处于不稳定状态，还会产生新的弯曲变形。,3、减小内应力变形误差的途径 （1）改进零件结构设计零件时，尽量做到壁厚均匀，结构对称，以减少内应力的产生。（2）增设消除内应力的热处理工序1） 高温时效：缓慢均匀的冷却，适用于铸、锻、焊件；2） 低温时效：缓慢均匀的冷却，适用于半精加工后的工件，主要是消除工件的表面应力；3） 自然时效：自然释放；（3）合理安排工艺过程粗加工和精加工宜分阶段进行，使工件在粗加工后有一定的时间来松弛内应力。,（二） 测量误差：,1、量具本身的制造误差,2、测量条件引起的误差：1） 冷却后测量与加工后马上测量尺寸有变化；2） 测量力的变化也引起测量尺寸的变化。,第三节 加工误差的统计分析,前面对影响加工精度的各种主要因素进行了讨论，从分析方法上来讲，这是属于局部的、单因素的。而实际生产中影响加工精度是多因素的、是错综复杂的。用单因素估算法去分析因果关系是难以说明的。为此，生产中常采用统计分析法，通过对一批工件进行检查测量，将所测得的数据进行处理与分析，找出误差分布与变化的规律，从而找出解决问题的途径。,一、 加工误差的分类,加工误差按其性质的不同，可分为系统误差和随机误差（也称偶然误差）。1、 系统误差： 包括常值系统误差和变值系统误差 。（1） 常值系统误差：定义：在连续加工一批工件中，其加工误差的,大小和方向都保持不变或基本不变,的系统误差，称为常值系统误差。,例如：原理误差，机床、刀具、夹具、量具的制造误差，工艺系统静力变形等原始误差，都属于常值系统误差。如铰刀的直径偏大0.02mm，加工后一批孔的尺寸也都偏大0.02mm。特点：与加工（顺序）时间无关；预先可以估计；较易完全消除；不会引起工件尺寸波动（常值系统误差对于同批工件的影响是一致的，不会引起各工件之间的差异）；不影响尺寸分布曲线形状。,（2） 变值系统误差：定义：在连续加工一批工件中，其加工误差的大小和方向按,一定规律变化,的系统误差，称为变值系统误差。例如：刀具的正常磨损引起的加工误差，其大小随加工时间而有规律地变化，属于变值系统误差。特点：与加工（顺序）时间有关；预先可以估计；较难完全消除；会造成工件尺寸的增大或减小（变值系统误差虽然会引起同批工件之间的差异，但是按照一定的规律而依次变化的，不会造成忽大忽小的波动）；影响尺寸分布曲线形状。注意：工艺系统的热变形，在温升过程中，一般将引起变值系统误差，在达到热平衡后，则又引起常值系统误差。,2、 随机误差：定义：在连续加工一批工件中，其加工误差的,大小和方向是无规则地变化,着的，这样的误差称为随机误差。例如：毛坯误差（加工余量不均匀，材料硬度不均匀等)的复映、定位误差、夹紧误差（夹紧力时大时小）、工件内应力等因素都是变化不定的，都是引起随机误差的原因。特点：预先不能估计到；较难完全消除，只能减小到最小限度；工件尺寸忽大忽小，造成一批工件的尺寸分散（在一定的加工条件下随机误差的数值总在一定范围内波动）。,注意1：随机误差和系统误差的划分也不是绝对,的，它们之间既有区别又有联系。例如：加工一批零件时，如果是在机床一次调整中完成的，则机床的调整误差引起常值系统误差；如果是经过若干次调整完成的，则调整误差就引起随机误差了。,注意2：误差性质不同，解决的途径也不同。,对于常值系统误差，若能掌握其大小和方向。就可以通过调整消除；,对于变值系统误差，若能掌握其大小和方向随时间变化的规律，则可通过自动补偿消除；,唯对随机误差，只能缩小它们的变动范围，而不可能完全消除。,二、 加工误差的统计分析,常用的统计分析法有两种：,分布曲线法和点图法。 （一） 分布曲线法,1、 实际分布曲线（直方图）：,1）样本和样本容量： 样本：采用调整法成批加工某种零件，随机抽取其中一定数量（50100）进行测量，抽取的这批零件称为样本。样本容量：样本的件数称为样本容量。用n表示。,2）尺寸分散与尺寸分散范围：由于随机误差和变值系统误差的存在，这些零件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。样本尺寸的最大值Xmax与最小值Xmin之差，称为尺寸分散范围。3）分组及组距d： 将样本尺寸按大小顺序排列，分成k组，则组距d为：d=（Xmax-Xmin）/k， 分组数k的选定表如下：,样本容量,50以下,50100,100250,250以上,分组数K,67,610,712,1220,4）频数m：同一尺寸间隔的零件数量，称为频数，用m表示。5）频率f：频数m与样本容量n之比，称为频率。用f表示。 即：f=m/n,6）实际分布曲线（直方图）： 以工件尺寸（或误差）为横坐标，以频数或频率作纵坐标，即可作出该批零件加工尺寸的等宽直方图。再连接直方图中每一直方宽度的中点(组中值)得到一条折线，即,实际分布曲线,，见上图（a）。,例:在无心磨床上磨削一批直径尺寸为 的销轴，绘制工件直径尺寸的直方图。解（1）确定样本容量，采集数据 实际生产中，通常取样本容量,n,=50100。本例取,n,=100件。对随机抽取的100个样件，用千分比较仪逐个进行测量（比较仪按20mm尺寸用块规调整零点），实测数据列于表中。,（2）确定分组数,k,、组距,d,、各组组界和组中值 1）按表4-2初选分组数：,k,=10。,2）,确定组距 找出最大值,xmax,=-4m，最小值,xmin,=-14m，计算组距：,千分比较仪的最小读数值为1，组距应是最小读数的整数倍，故取组距：,d,=1m3）确定分组数：,4）确定各组组界,各组组界为：,本例中各组的组界分别为 -14.5，-13.5, ，-3.5。,5）统计各组频数 本例中各组频数分别为1，2，4，8，17，21，19，12，6，8，2。,（3）计算平均值和标准差由公式（4-26）和（4-27）可得到：,（4）画出直方图（如图）,2、 正态分布曲线：,实践和理论分析表明，当用调整法加工一批总数极多的而且这些误差因素中又都没有任何优势的倾向时，其分布服从正态分布曲线(又称高斯曲线),见上图（b）。,（1）正态分布的曲线方程：,式中 Y正态分布的概率密度；正态分布曲线的均值；正态分布曲线的标准偏差(均方根偏差),理论上的正态分布曲线是向两边无限延伸的，而在实际生产中产品的尺寸值却是有限的。因此用有限的样本平均值X和样本标准偏差S作为理论均值和标准偏差的估计值。其计算公式如下：,式中 X工件的尺寸；X样本平均值,即工件的平均尺寸；Xi第i个工件的尺寸；S样本标准偏差，其值表示工件尺寸的分散程度；n-样本容量,。,（2）正态分布曲线的特点： 1）均值：决定正态分布曲线的中心位置，且在其左右对称： 当X=时，是曲线Y的最大值，即：,2）标准偏差是决定曲线形状的参数： 值增大，则Ymax减小，曲线将趋于平坦，尺寸分散性越大；相反，值越小，则曲线瘦高，尺寸分散性越小。故值表明了一批工件加工精度的高低(值小，Ymax值大，加工精度高)。的大小完全由随机误差所决定,。,3）正态分布曲线与横坐标轴没有交点，即Y0： 说明工件尺寸分散有一定范围。4）分布曲线下所包含的全部面积代表一批加工零件，即100%零件的实际尺寸都在这一分布范围内。对于正态分布曲线来说，由到X曲线下的面积由下式决定：,当X-=3时，则：2A=0.9973=99.73%，即工件尺寸在3以外的频率只占0.27，可以忽略不计。因此，一般都取正态分布曲线的分散范围为土3。,正态分布曲线下的面积函数,利用正态分布曲线计算产品合格率,3、 分布曲线的应用,1） 判别加工误差的性质： 假如加工过程中没有,变,，那么其尺寸分布应服从正态分布，这是判别加工误差性质的基本方法。 ）实际分布曲线与正态分布曲线基本相符，说明加工过程中没有,变,；）根据平均值X是否与公差带中心重合，来判断是否存在,常,：,平均值X与公差带中心重合，说明不存在,常,；平均值X与公差带中心不重合，说明存在,常,。,）,常,仅影响平均值X，即只影响分布曲线的位置。,图例分析:,符合正态分布；6；且尺寸分布中心与公差带中心重合。说明：加工条件正常、,系,几乎不存在，,随,小，加工过程中无废品出现，工序精度满足要求。,如图:符合正态分布；6；但尺寸分布中心与公差带中心不重合，存在,常,。说明：,变,几乎不存在，,随,小，有突出的,常,存在。它主要是由于刀具安装调整不准而造成的。在这种情况下，即使出现了废品也是可以通过调整加以避免的(调整刀具起始加工位置，消除,常,)。,如图:符合正态分布，6，且尺寸分布中心与公差带中心不重合。说明：,变,几乎不存在，存在突出的,常,，,随,较大。即使通过刀具调整消除了,常,，也不能完全避免废品的产生。工序精度不能满足工件加工精度的要求。应换用一种比现用工序更精确的加工方法来完成加工(即减小工序值)。例如将车削加工换成磨削加工，将扩孔加工换成铰孔等。,） 实际分布曲线不符合正态分布时，如出现的分布曲线呈平顶分布、双峰分布或偏态分布时，说明加工过程中有突出的,变,存在。,机加工误差分布规律:平顶分布 :在影响机械加工中的诸多误差因素中，如果刀具线性磨损的影响显著，则工件的尺寸误差将呈现平顶分布。平顶误差分布曲线可以看成是随时间而平移的众多正态误差分布曲线组合的结果。双峰分布: 同一工序的加工内容中，由两台机床来同时完成，由于这两台机床的调整尺寸不尽相同，两台机床的精度状态也有差异，若将这两台机床所加工的工件混在一起，则工件的尺寸误差就呈双峰分布。偏态分布: 在用试切法车削轴径或孔径时，由于操作者为了尽量避免产生不可修复的废品，主观地(而不是随机地)使轴颈加工得宁大勿小，则它们得尺寸误差就呈偏态分布。,2） 确定工序能力及其等级,）工序能力：是指工序处于稳定状态时，加工误差正常波动的幅度。 例如：加工尺寸服从正态分布时，其尺寸分散范围应是6，所以工艺能力就是6。,）工序能力等级：以工序能力系数Cp来表示，Cp代表了工艺能力满足加工精度的程度。其值按下式计算：Cp =/6式中：-为工件尺寸公差。 根据工序能力系数的大小，将工序能力分成5级。注：一般情况下，工序能力不应低于二级。,工序能力系数,等级,说明,1.67,特级,工序能力过高,允许有异常波动,不经济,1.671.33,一级,工序能力足够,允许有异常波动,1.331.00,二级,工序能力勉强,密切注意,1.000.67,三级,工序能力不足,会出现少量不合格品,0.67,四级,工序能力很差,加以改进,3） 估算合格率或不合格率：Q废=0.5-A,例：,轴,20,-0.1,，= 0.025，,x,T,= -(0.03),求常值系统误差、随机误差，合格率、不合格率,x,0,解：, 公差带中心,x,T,= 19.95, 尺寸分布中心 =,x,T,+= 19.95 +0.03 = 19.98, 常值系统误差,系,= -,x,T,= 0.03, 随机误差 6= 6 0.025 = 0. 15 或3=0.075,x,x, 计算合格率、不合格率,6= 0. 15,T,= 0.1，,C,p,=,T,/6= 0.1/0. 15 =0.67,工件极限尺寸,x,min,=,x,A,= 19.9 ，,x,max,=,x,B,= 20,z,A,=( -,x,A,)/= (19.98 -19.9)/0.025=3.2,(,z,A,)= 0.49931,z,B,=(,x,B,- )/= (20 -19.98)/0.025 =0.8,(,z,B,)= 0.2881,合格率=,(,z,A,)+,(,z,B,)= 0.49931+0.2881=0.78741=78.741%,废品率 0.5-0.49931=0.069% 0.5-0.2881=21.19% 可修复,x,x,4、分布图分析法的缺点,1)不能反映误差的变化趋势。分析加工误差时,没有考虑到工件加工的先后顺序,难把变值系统性误差与随机性误差的影响区分开来。,2),要等到一批工件加工完成后才能进行的,它不能在加工过程中及时提供控制精度的信息。,（二）工艺过程的点图分析,应用分布图分析工艺过程精度的前提是工艺过程必须是稳定的。,由于点图分析法能够反映质量指标随时间变化的情况，因此，它是进行统计质量控制的有效方法。这种方法既可以用于稳定的工艺过程，也可以用于不稳定的工艺过程。,对于一个不稳定的工艺过程来说，要解决的问题是如何在工艺过程的进行中，不断地进行,质量指标的主动控制,，工艺过程一旦出现被加工工件的质量指标有超出所规定的不合格品率的趋向时，能够及时 调整工艺系统或采取其它工艺措施，使工艺过程得以继续进行。,对于一个稳定的工艺过程，也应该进行质量指标得主动控制，使稳定得工艺过程一旦,出现不稳定趋势,时，能够及时发现并采取相应的措施，使工艺过程继续稳定地进行下去。,1、均值-极差点图的建立,采用顺序小样本（46） ，由小样本均值点图和极差点图组成，横坐标为小样本组序号。具体作法如下：, 定期测小样本尺寸:, 计算均值和极差,R,：,R,=,x,max,-,x,min,确定中心线和,R,小样本组20 30,确定上下控制线,ES 、EI,、,UCL,、,LCL,，定期描点,均值点图上下控制线的确定：,极差点图上下控制线的确定：,均值点图反映了质量指标分布中心(系统误差)的变化,极差点图反映了质量指标分布范围(随机误差)的变化,2、均值-极差点图分析,生产过程稳定的标志：, 没有点子超出控制线；, 大部分点在中线附近波动，小部分点在控制线附近；,点子无明显规律性,生产过程不稳定的标志：, 点子超出控制线或密集在控制线附近；, 连续点以上出现在中线一侧；, 明显规律性，如上升或下降倾向；, 点子有周期性波动,3、根据点子分布情况及时查找原因采取措施,（1）.若极差,R,未超控制线，说明加工中瞬时尺寸分布较稳定。,（2）.若均值有点超出控制线，甚至超出公差界限，,说明存在某种占优势的系统误差，过程不稳定。,若点图缓慢上升，可能是系统热变形；若点图缓慢下降，可能是刀具磨损。,（3）.采取措施消除系统误差后，随机误差成主要因素，分析其原因，控制尺寸分散范围。,第四节 提高加工精度的途径,减小加工误差的方法主要有两种：,误差预防,( 减小原始误差、转移原始误差、均分原始误差、均化原始误差),误差补偿,一、 误差预防技术：,1、 直接减小原始误差法：,主要是在查明影响加工精度的主要原始误差因素之后，设法对其直接进行消除或减小的方法。,例如：加工细长轴时，主要原始误差因素是工件刚性差，因而，采用反向进给切削法，并加跟刀架，使工件受拉伸，从而达到减小变形的目的。,2、 转移原始误差法：,是把影响加工精度的原始误差转移到不影响或少影响加工精度的方向上。 例如：车床的误差敏感方向是工件的直径方向，所以，转塔车床在生产中都采用“立刀”安装法，把刀刃的切削基面放在垂直平面内，这样可把刀架的转位误差转移到误差不敏感的切线方向。,3、 均分原始误差法：,采用分组调整，把误差均分：即把工件按误差大小分组，若分成n组，则每组零件的误差就缩小1/ n。,4、 均化原始误差,例如研磨时，研具的精度并不很高，分布在研具上的磨料粒度大小也可能不一样。但由于研磨时工件和研具间有复杂的相对运动轨迹，使工件上各点均有机会与研具的各点相互接触并受到均匀的微量切削。同时工件和研具相互修整，精度也逐步共同提高，进一步使误差均化，因此可获得精度高于研具原始精度的加工表面。,5、 “就地加工”法：,例如：车床尾架顶尖孔的轴线要求与主轴轴线重合，采用就地加工，把尾架装配到机床上后进行最终精加工。又如六角车床转塔上六个安装刀架的大孔及端面的加工。,6、控制加工过程中温升,大型精密丝杠加工中，需要严格控制机床和工件在加工过程中的温度变化，可采取如下措施：1）母丝杠采用空心结构，通入恒温油使母丝杠保持恒温。2）采用淋浴的方法使工件保持恒温。,二、 误差补偿技术：,1、 在线检测：,在加工中随时测量工件的实际尺寸（形状、位置精度），根据测量结果按一定的模型或算法，实时给刀具以附加的补偿量，从而控制刀具和工件间的相对位置，使工件尺寸的变动范围始终在自动控制之中。,2、 偶件自动配磨：,这种方法是将互配件中的一个零件作为基准，去控制另一个零件的加工精度。在加工过程中自动测量工件的实际尺寸，并和基准件的尺寸比较，直至达到规定的差值时机床就自动停止加工。柴油机高压油泵柱塞的自动配磨采用的就是这种形式。,图为自动配磨装置的原理框图。当测孔仪和测轴仪进行测量时，测头的机械位移就改变了电容发送器的电容量。孔与轴的尺寸之差转化成电容量变化之差，使电桥2的输入桥臂的电参数发生变化，在电桥的输出端形成一个输出电压。该电压经过放大和交直流转换以后，控制磨床的动作和指示灯的明灭，最终保证被磨柱塞与被测柱塞套有合适的间隙 。,3、采用机械方法的校正误差,例如：X2012型龙门铣床，由于横梁立铣头自重的影响，产生向下的弯曲变形。生产实际中通过刮研横梁导轨，按照变形曲线使导轨面预先产生一个向上凸的变形，从而抵消由于铣头自重产生向下的弯曲变形，保证机床的加工精度。,第五节 机械加工后的表面质量,机械零件的破坏，一般总是从表面层开始的。产品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取决于零件表面层的质量。研究机械加工表面质量的目的就是为了掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，以便运用这些规律来控制加工过程，最终达到改善表面质量、提高产品使用性能的目的。,一、 基本概念（一） 加工表面的几何形状误差,1、 表面粗糙度：是加工表面的微观几何形状误差，其波长与波高的比值一般小于50。2、 表面波度：加工表面不平度中，波长与波高的比值等于50-1000的几何形状误差称为波度。3、 伤痕：是加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。例如：砂眼、气孔、裂痕等。,（二） 表面层的物理及机械性能,1、 表面层的加工硬化：机械加工过程中，使表面层金属的硬度有所提高的现象。一般情况下表面硬化层的深度可达0.05-0.30mm。评定冷作硬化的指标有如下三项： （1） 表层金属的显微硬度H； （2） 硬化层深度h； （3） 硬化程度H，其按下式计算： H=（H-H,0,）/H,0,% 式中：H,0,为工件内部金属原来的硬度。,2、 表面层金属的金相组织的变化：机械加工过程中，由于切削热的作用引起表面层金属的金相组织发生变化。,3、 表面层金属的残余应力：已前已经介绍，在此不重复。,二、机械加工表面质量对机器使用性能的影响,（一）表面质量对耐磨性的影响,1.表面粗糙度对耐磨性的影响 一个刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间，最初阶段只在表面粗糙的的峰部接触，实际接触面积远小于理论接触面积，在相互接触的峰部有非常大的单位应力，使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏，引起严重磨损。,表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说表面粗糙度值愈小，其磨损性愈好。但表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。因此，接触面的粗糙度有一个最佳值，,其值与零件的工作情况有关,，工作载荷加大时，初期磨损量增大，表面粗糙度最佳值也加大。,2.表面冷作硬化对耐磨性的影响,加工表面的冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。,（二）表面质量对疲劳强度的影响,金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面和表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响很大。1.表面粗糙度对疲劳强度的影响在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏的能力就愈差。2.残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响残余应力对零件疲劳强度的影响很大。表面层残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残压余应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生。,表面冷硬一般伴有残余压应力的产生，可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利。,（三)表面质量对耐蚀性的影响,零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多。抗蚀性就愈差。表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。,（四）表面质量对配合质量的影响,表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量。对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质。对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度。,第六节 机械加工后的表面粗糙度和表面层物理机械性能的影响因素,在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。,由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大。,一、切削加工影响表面粗糙度的因素,切削加工时影响表面粗糙度的因素有三个方面：几何因素、物理因素和工艺系统振动。,1.刀具几何形状的复映刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状是刀具几何形状的复映。,减小进给量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度。,此外，适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度，合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小表面粗糙度值的有效措施。,车削加工残留面积的高度。图a为使用直线刀刃切削的情况，其切削残留面积高度为：,图b为使用圆弧刀刃切削的情况，其切削残余面积的高度为：,2.工件材料的性质,一般说，材料韧性越大或塑性变形趋势越大，被加工表面粗糙度就越大。切削脆性材料比切削塑性材料容易达到表面粗糙度的要求。对于同样的材料，金相组织越是粗大，切削加工后的表面粗糙度值也越大。为减小切削加工后的表面粗糙度值，常在精加工前进行调质等处理，目的在于得到均匀细密的晶粒组织和较高的硬度。,3.切削用量,（切削速度、进给速度、切削深度）,切削表面塑性变形和积屑瘤,切削速度影响最大：v = 1050m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差,切削45钢时切削速度与粗糙度关系,100,120,v,（m/min）,0,20,40,60,80,140,表面粗糙度,R,z,（,m）,4,8,12,16,20,24,28,收缩系数,K,s,1.5,2.0,2.5,3.0,积屑瘤高度,h,（,m）,0,200,400,600,K,s,R,z,h,二、磨削加工影响表面粗糙度的因素,磨削加工表面粗糙度的形成也是由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。,影响磨削表面粗糙度的主要因素有：1.砂轮的粒度砂轮粒度：主要是表