机械加工质量分析与控制课件管理

*,机械加工质量分析与控制,本章要点,机械加工中的振动,影响加工误差的因素,影响机械加工表面质量的因素,工艺系统几何误差,工艺系统受力变形,工艺系统热变形,加工误差的统计分析,1,机械制造技术基础,第,4,章,机械加工质量分析与控制,Analysis and Control of Machining Quality,4.1,概述,Introduction to Machining Quality,2,4.1.1 机械加工质量,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）,表面粗糙度,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,图4-1 加工质量包含的内容,3,4.1.1 机械加工质量,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。,零件宏观几何形状误差、波度、表面粗糙度,宏观几何形状误差（平面度、圆度等）波长/波高1000,波度 波长/波高=501000；且具有周期特性,表面粗糙度 波长/波高50,a）,波度,b）,表面粗糙度,图4-2 零件加工表面的粗糙度与波度,R,Z,H,R,Z,4,4.1.2 表面质量对零件使用性能的影响,对耐磨性影响,R,a,（,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,表面粗糙度值 耐疲劳性,适当硬化可提高耐疲劳性,表面粗糙度值耐蚀性,表面压应力：有利于提高耐蚀性,表面粗糙度值 配合质量,表面粗糙度值耐磨性，但有一定限度（图4-3）,对耐疲劳性影响,对耐蚀性影响,对配合质量影响,纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好,适当硬化可提高耐磨性,5,4.1.3 误差敏感方向,图,4-4,：,R,Y,R,R,R,=,X,（4-1）,（4-2）,显然：,工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。,误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。,图4-4 误差敏感方向,Y,R,0,X,a）,Y,R,0,X,b）,误差敏感方向,6,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。,4.1.4 影响加工精度的因素,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,原始误差分类,图4-5 原始误差构成,7,4.1.5 研究加工质量的方法,理论方法：,运用物理学和力学原理，分析研究某一个或某几个因素对加工精度或表面质量的影响。,试验方法：,通过试验或测试，确定影响各因素与加工质量指标之间的关系。,统计分析方法：,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。,物理方法,数学方法,8,机械制造技术基础,第,4,章,机械加工质量分析与控制,Analysis and Control of Machining Quality,4.2,工艺系统几何精度对,加工精度的影响,Geometric Precisions of Technological System and its influence to machining Precision,9,加工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。,4.2.1 加工原理误差,式中,R,球头刀半径；,h,允许的残留高度。,例2：,用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮,例1：,在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件(图4-6),S,R,h,图4-6 空间曲面数控加工,（4-3）,加工原理误差,10,4.2.2 机床误差,主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移。,为便于研究，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式（图,4-7,）。,b）端面圆跳动,a）径向圆跳动,c）倾角摆动,图4-7 主轴回转误差基本形式,主轴回转误差,11,4.2.2 机床误差,主轴回转误差对加工精度的影响,主轴径向圆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。则刀尖的坐标值为：,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。,12,图4-9 径向跳动对车外圆精度影响,1,2,3,4,5,6,7,8,4.2.2 机床误差,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。则刀尖运动轨迹接近于正圆（图4-9）。,思考：,主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率为主轴转速两倍，被,车外圆形状如何？,结论：,主轴,径向跳动影响加工表面的圆度误差,e,主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）,13,4.2.2 机床误差,主轴端面圆跳动对加工精度的影响,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。,主轴倾角摆动对加工精度的影响,与主轴,径向跳动影响类似，不仅影响圆度误差，而且影响圆柱度误差。,14,A,B,4.2.2 机床误差,影响主轴回转精度的主要因素,内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差,图4-10 轴径不圆引起车床主轴径向跳动,滑动轴承,镗床,（图,4-11,）,轴承孔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,滚动轴承,车床,（图,4-10,）,轴径不圆引起车床主轴向跳动（注意其频率特性）,静压轴承,对,轴承孔或轴径圆度误差起,均化,作用,15,4.2.2 机床误差,影响主轴回转精度的主要因素,推力轴承,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,16,4.2.2 机床误差,传统测量方法存在问题：,主轴回转误差的测量,图4-13 传统测量方法,a),b),图4-14 主轴回转误差测量法,1 摆动盘 2，4 传感器 3 精密测球 5 放大器 6 示波器,准确测量方法,包含心轴、锥孔误差在内,非运动状态。,17,导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差,包括：导轨在水平面内的直线度，导轨在垂直面内的直线度，前后导轨平行度（扭曲），导轨与主轴回转轴线的平行度（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差,误差敏感方向,影响显著,导轨垂直面内的直线度误差,误差非敏感方向,影响小,导轨扭曲对加工精度的影响,影响显著（图,4-15,）,X,图4-15 导轨扭曲引起的加工误差,H,R,D,B,X,Y,（,4-5,）,4.2.2 机床误差,导轨导向误差,18,导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响,4.2.2 机床误差,图4-16 成形运动间位置误差对外圆和端面车削的影响,f,Z,z,z,c）,H,y,R,0,f,X,Z,L,f,d,D,d,x,a）,b）,19,影响导轨导向精度的主要因素,4.2.2 机床误差,机床制造误差,机床安装误差,导轨磨损,20,机床传动误差对加工精度的影响,图4-17 齿轮机床传动链,z,7,=,z,8,=,16,z,1,=,64,z,n,=,96,z,5,=,z,6,=,23,z,3,=,z,4,=,23,b,z,2,=,16,z,n-1,=,1,i,c,e,f,a,c,d,（,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；,k,j, 第j 个传动元件的误差传递系数，表明第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。,4.2.2 机床误差,机床传动误差,21,缩短传动链长度,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,末端元件转角误差,图4-18 传动链误差的频谱分析,a),n,A,1,A,2,A,i,b),（频率）,A,（幅值）,1,2,i,提高传动精度措施,4.2.2 机床误差,22,4.2.3 刀具与夹具误差,定尺寸刀具（钻头、绞刀等）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,刀具误差,23,4.2.3 刀具与夹具误差,L,0.05,6,F,7,10,F,7,k,6,20,H,7,g,6,Y,Z,图4-19 钻,径向孔的夹具,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：,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,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；,24,4.2.4 调整误差,测量误差。,试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差。,机床进给机构的位移误差。,定程机构误差。,样件或样板误差。,测量有限试件造成的误差。,和试切法有关的误差。,a）,b）,图4-20 试切法与调整法,试切法,（,图,4-20 a）,调整法,（,图,4-20 b）,25,机械制造技术基础,第,4,章,机械加工质量分析与控制,Analysis and Control of Machining Quality,4.3,工艺系统受力变形对,加工精度的影响,Static Stiffness of Technological System and its influence to machining Precision,26,在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比,4.3.1 基本概念,工艺系统刚度,（4-7）,式中,k,工艺系统刚度；,F,p,吃刀抗力；,X,艺系统位移（切削合力作用下的位移）。,27,4.3.1 基本概念,（4-8）,式中,k, 工艺系统刚度；,k,jc, 机床刚度；,k,jj, 夹具刚度；,k,d, 刀具刚度；,k,g, 工件刚度。,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,28,机床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,式中,X,jc, 机床总变形；,F,p, 吃刀抗力；,k,tj, 机床前顶尖处刚度；,k,wz, 机床后顶尖处刚度；,k,dj, 机床刀架刚度；,L, 工件全长；,Z, 刀尖至工件左端距离。,（4-9）,图4-21 变形随受力点变化规律,X,tj,X,wz,X,dj,X,F,p,A,A,B,B,C,C,Z,L,F,A,F,B,X,z,切削力作用点位置变化引起工件形状误差,29,4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响,工件加工后成鞍形（图,4-22,）,图4-22 机床受力变形引起的加工误差,（5-10）,工件变形引起的加工误差,式中,X,g, 工件变形；,E, 工件材料弹性模量；,J, 工件截面惯性矩；,F,p,，,L,，Z 含义同前。,由于工件变形，使工件加工后成鼓形（图,4-23,）,图4-23 工件受力变形引起的加工误差,30,（4-11）,机床变形和工件变形共同引起的加工误差,工艺系统刚度,（4-12）,4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响,31,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,4-24,）,图4-24 误差复映现象,a,p,1,1,a,p,2,2,毛坯外形,工件外形,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”,4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响,切削力大小变化引起的加工误差,误差复映,32,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。,（4-15）,4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响,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。由式（4-13）可得：,（4-14）,33,夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差,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,34,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,4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响,解决1：,重量转移,解决2：,变形补偿,35,传动力与惯性力影响,理论上不会产生圆度误差（但会产生圆柱度误差）,易会引起强迫振动,4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响,图4-30 传动力对加工精度的影响,z,l,R,X,Y,F,p,F,c,F,cd,F,cdx,r,a）,O,O,r,0,X,Y,F,p,A,F,cd,r,cd,=F,cd,/ k,c,O,F,c,F,c,/ k,c,F,p,/ k,c,b）,O,36,图4-31 车床刀架变形曲线,X,（,m）,10,20,30,40,50,0,1,2,3,F,（KN）,4.3.3 机床部件刚度及其影响,因素,非线形关系，不完全是弹性变形,加载和卸载曲线不重合，所围面积表示克服摩擦和接触塑性变形所作功,存在残余变形，反复加载卸载后残余变形,0,机床部件刚度比按实体估算值小许多，表明其变形受多种因素影响,机床部件变形曲线,37,4.3.3 机床部件刚度及其影响,因素,式中,c,m,与接触面材料、表面,状况有关的系数和指数；,p, 表面压强。,组成件的实体刚度,受力产生拉伸、压缩、弯曲变形；特别是薄弱件（楔条、轴套等）影响较大,连接表面接触变形,其大小与接触面压强有关,（4-15）,结合面间隙,零件表面摩擦力的影响,影响机床部件刚度因素,图4-31 接触变形曲线,x,O,p,p,p,x,x,38,4.3.4 减小受力变形对加工精度影响措施,合理设计零部件结构和截面形状,提高连接表面接触刚度（表面粗糙度，改进接触质量，予加载荷）,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,减小载荷及其变化,采用合理装夹和加工方式,图4-28，4-29，4-56， 4-58,变形转移、补偿和校正,39,4.3.5 工件残余应力引起的变形,图4-34 铸件残余应力引起变形,图4-35 冷校直引起的残余应力,压,拉,加载,压,压,拉,拉,卸载,设计合理零件结构,粗、精加工分开,避免冷校直,时效处理,残余应力来源,毛坯制造和热处理产生的残余应力（图,4-34,）,减小残余应力措施,冷校直带来的残余应力（图,4-35,）,切削加工带来的残余应力,40,机械制造技术基础,第,4,章,机械加工质量分析与控制,Analysis and Control of Machining Quality,4.4,工艺系统热变形及其对加工精度的影响,Heat Deformation of Technological System and its Effect to machining Precision,41,4.4.1 概述,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%。,温度场,工艺系统各部分温度分布,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,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,工艺系统热源,温度场与工艺系统热平衡,42,4.4.2 机床热变形对加工精度影响,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,运转时间,/,h,0,1,2,3,4,50,150,100,200,位移,/,m,20,40,60,80,温升,/,Y,X,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,车床热变形,（,图,4-36,）,43,4.4.2 机床热变形对加工精度影响,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,外圆磨（图,b,）,导轨磨（图,c,）,其他机床热变形,（,图,4-37,）,44,4.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响,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（图4-38）,（4-16）,式中, 热伸长量；,max, 达到热平衡热伸长量；, 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）,max,b,0,c,0.63,max,刀具热变形,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：,（4-17）,（4-18）,直径：,例：长,400mm,丝杠，加工过程温升,1,，热伸长量为：,4.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响,工件热变形,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4-39）,图4-39 平面加工热变形,X,/,4,L,S,此值已大于精密导轨平直度要求,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。,例,：,高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：,4.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响,47,4.4.4 减小热变形对加工精度影响的措施,例1,：,磨床油箱置于床身内，其发热使导轨中凹,解决,：,导轨下加回油槽,图4-40 平面磨床补偿油沟,例2,：,立式平面磨床立柱前壁温度高，产生后倾。,解决,：,采用热空气加热立柱后壁（图4-41）。,图4-41 均衡立柱前后壁温度场,减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。,充分冷却和强制冷却。,隔离热源。,减少热源发热和隔离热源,均衡温度场,48,图4-43 支承距影响热变形,L,1,L,2,热对称结构,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,合理选择装配基准（图,4-43,）,高速空运转,人为加热,恒温,人体隔离,采用合理结构,4.4.4 减小热变形对加工精度影响的措施,加速达到热平衡,控制环境温度,49,机械制造技术基础,第,4,章,机械加工质量分析与控制,Analysis and Control of Machining Quality,4.5,加工误差统计分析,Statistic Analysis of,Machining Errors,50,4.5.1 加工误差的性质,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,51,4.5.1 加工误差的性质,在顺序加工一批工件中，其大小和方向随机变化的加工误差。,随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用而引起的。,随机误差服从统计学规律。,如毛坯余量或硬度不均，引起切削力的随机变化而造成的加工误差；定位误差；夹紧误差；残余应力引起的变形等。,随机误差,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。,52,4.5.2 分布图分析法,1）采集数据,样本容量通常取 n = 50200,2）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，,d,d, 确定分组数,k,：, 确定各组组界、组中值, 统计各组频数,直方图,53,4.5.2 分布图分析法,图4-44 直方图,-14.5,-8.55,-3.5,x,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）,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,（4-22）,y,F,（,z,）,图4-45 正态分布曲线,(,z,= 0 ),x,(,z,),0,z,-,+,4.5.2 分布图分析法,分布曲线,55,分布函数,（5-23）,令：,将,z,代入上式，有：,则利用上式，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,4.5.2 分布图分析法,y,F,（,z,）,图4-45 正态分布曲线,(,z,= 0 ),x,(,z,),0,z,-,+,56,非正态分布,x,y,0,a）双峰分布,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（图,4-46a,）,x,y,0,b）平顶分布,x,y,0,c）偏向分布,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）（图,4-46b,）,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（图,4-46c,）,图4-46 几种非正态分布,4.5.2 分布图分析法,57,形位误差的分布,差数模分布：,正态分布大于零的部分与小于零的部分对零轴线映射后的迭加（图,4-47,），如对称度、直线与平面的平行度、相邻周节误差等,瑞利分布：,二维正态分布，在只考虑平面向量模情况下转换成为一维分布（图,4-48,）,如同轴度、直线与直线平行度、端面圆跳动误差等（不考虑系统误差）,x,y,0,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,x,z,y,0,4.5.2 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；,判断是否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小。,确定工序能力,4.5.2 分布图分析法,分布图应用,（5-24）,（5-25）,（5-26）,工序能力,工序能力系数,式中,TU,TL,公差带上、下限 ；,公差带中心与误差分布中心偏移距离；,误差分布的标准差。,59,4.5.2 分布图分析法,y,图4-49 工艺能力系数符号含义,x,0,3,3,公差带,T,TU,TL,60,工序能力等级,工序能力系数 工序等级 说 明,C,P,1.67 特级 工序能力过高,1.67 C,P,1.33 一级 工序能力足够,1.33 C,P,1.00 二级 工序能力勉强,1.00 C,P,0.67 三级 工序能力不足,0.67 C,P,四级 工序能力很差,表4-2 工序能力等级,4.5.2 分布图分析法,C,P,表示工艺过程本身的能力，而工艺能力系数,C,PK,则表示过程满足技术要求的能力，实际上是,“,过程能力,”,与“管理能力”的综合,61,0,1,2,3,4,5,6,7,样组序号,b）,工件尺寸,公差带,T,控制限,4.5.3 点图分析法,图4-50 单值点图,工件序号,c）,A,A,B,O,O,B,工件尺寸,工件尺寸,工件序号,a）,14,0,2,4,6,8,10,12,公差带,T,控制限,单值点图,（图4-49）,62,4.5.3 点图分析法,图是控制图和,R,控制图联合使用的统称,（4-26）,R,图：,（4-27）,A,2,、,D,1,、,D,2,数值见教材164页表4-6。,图,表示样组平均值，,R,表示样组极差,图控制限,图：,63,4.5.3 点图分析法,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,=19.67,CL,=8.90,0,5,10,样组序号,15,20,LCL,=0,0,5,10,样组序号,15,20,x,图,LCL,=11.57,UCL,=21.89,CL,=16.73,稳定性判别,没有点子超出控制限,大部分点子在中心线上下波动，小部分点子靠近控制限,点子变化没有明显规律性（如上升、下降倾向，或周期性波动）,同时满足为稳定,图分析,64,4.5.4 调整尺寸,式中,L,t,调整尺寸；,L,M,平均尺寸；,T,t, 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,y,T,t,x,T,3,L,max,L,min,L,M,（,L,t,）,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,调整公差,65,4.5.4 调整尺寸,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,y,T,t,x,T,3,L,max,L,min,L,M,（,L,t,）,样本均值分布,总体分布,总体分布平均值极端位置,66,机械制造技术基础,第,4,章,机械加工质量分析与控制,Analysis and Control of Machining Quality,4.6,提高加工精度的途径,Methods of Improving,Machining Precision,67,4.6.1 误差预防,合理采用先进工艺和设备,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,转移原始误差（图,4-53,）,a）,b）,图4-53 转塔车床刀架转位误差的转移,误差分组,就地加工,均化原始误差，如研磨加工、易位加工（图,4-54,）,图4-54 易位法加工时误差均化过程,360,工件转角,累积误差,1,l,1,l,2,2,68,4.6.2 误差补偿,在线测量与在线补偿（,图,4-55,）,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,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,4.6.2 误差补偿,采用校正装置（,图,4-56,）,70,图4-57 以弹性变形补偿热变形,以弹性变形补偿热变形（图,4-57,）,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,以热变形补偿热变形（图,4-59,）,以几何误差补偿受力变形（图,4-58,）,4.6.2 误差补偿,71,机械制造技术基础,第,4,章,机械加工质量分析与控制,Analysis and Control of Machining Quality,4.7,影响加工表面粗糙度的工艺因素,Technological Factors Influencing Roughness,72,4.7.1 切削加工表面粗糙度影响因素,图4-60 车削时残留面积的高度,直线刃车刀（图,4-60a,）,（4-31）,圆弧刃车刀（图,4-60b,）,（4-32）,影响因素：,f,r,R,max,v,f,r,b）,R,max,f,a）,v,f,切削残留面积,73,切削速度影响最大：,v = 10,50m/min,范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图,5-53,） 。,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,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,h,K,s,R,z,4.7.1 切削加工表面粗糙度影响因素,切削表面塑性变形和积屑瘤,74,砂轮速度,v,，,R,a,工件速度,v,w,，,R,a,砂轮纵向进给,f,，,R,a,磨削深度,a,p,，,R,a,图4-62 磨削用量对表面粗糙度的影响,v,w,= 40(m/min),f,= 2.36(m /min),a,p,= 0.01(mm),v,= 50(m/s),f,= 2.36(m /min),a,p,= 0.01(mm),v,(m/s),v,w,(m/min),R,a,(,m),0,30,40,50,60,0.5,1.0,a）,a,p,(mm),0,0.01,0.4,0.8,R,a,(,m),0,0.2,0.6,0.02,0.03,0.04,b）,4.7.2 磨削加工表面粗糙度影响因素,磨削用量影响,图4-63 光磨次数-,Ra,关系,Ra,(,m),0,10,20,30,0.02,0.04,0.06,光磨次数,粗粒度砂轮(WA60KV),细粒度砂轮(WA/GCW14KB),光磨次数,，,R,a,75,砂轮粒度,，,R,a,；,但要适量,砂轮硬度适中，,R,a,；,常取中软,砂轮组织适中,，,R,a,；,常取中等组织,采用超硬砂轮材料,，,R,a,砂轮精细修整，,R,a,4.7.2 磨削加工表面粗糙度影响因素,砂轮影响,其他影响因素,工件材料,冷却润滑液等,76,机械制造技术基础,第,4,章,机械加工质量分析与控制,Analysis and Control of Machining Quality,4.8,影响表层金属力学物理,性能的工艺因素,Technological Factors Influencing Physics Properties of Surface Layer,77,4.8.1 影响表面冷作硬化的因素,切削加工,f,，,冷硬程度,(,图,4-64),切削用量影响,刀具影响,r,，,冷硬程度,其他几何参数影响不明显,后刀面磨损影响显著（图,4-65,）,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,磨损宽度,VB,(mm),100,180,260,340,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，冷硬倾向,切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）,切削深度影响不大,图4-64,f,和,v,对冷硬的影响,硬度(HV),0,f,(mm /r),0.2,0.4,0.6,0.8,v,=170(m/min),135(m/min),100(m/min ),50(m/min),100,200,300,400,工件材料：45,78,磨削速度,冷硬程度,（弱化作用加强）,工件转速,冷硬程度,纵向进给量影响复杂,磨削深度,冷硬程度,（,图,4-66,）,磨削用量,砂轮,砂轮粒度,冷硬程度,砂轮硬度,、,组织影响不显著,工件材料,材料塑性,冷硬倾向,材料导热性,冷硬倾向,图4-66 磨削深度对冷硬的影响,a,p,(mm),硬度(HV),0,0.25,300,350,450,500,400,0.50,0.75,普通磨削,高速磨削,4.8.1 影响表面冷作硬化的因素,磨削加工,79,4.8.2 影响层金属残余应力的因素,v,残余应力（热应力起主导作用，图,4-67,）,切削用量,刀具,前角,+,，,残余拉应力,刀具磨损,残余应力,工件材料,材料塑性,残余应力,铸铁等脆性材料易产生残余压应力,图4-68,f,对残余应力的影响,工件：45，切削条件：,v,c,=86m/min，,a,p,=2mm，不加切削液,残余应力(Gp,a,),0.20,0,0.20,0,100,200,300,400,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,f,残余应力（图,4-68,）,切削深度影响不显著,图4-67,v,c,对残余应力的影响,0,=5,0,=5,r,=75,r,=0.8mm,工件：45切削条件：,a,p,=0.3mm,f,=0.05mm/r, 不加切削液,0,50,100,150,200,距离表面深度(,m),残余应力(Gp,a,),-0.20,0,0.20,v,c,=213m/min,v,c,=86m/min,v,c,=7.7m/min,80,4.8.3 磨削烧伤与磨削裂纹,合理选择砂轮,合理选择磨削用量,改善冷却条件,工件表层温度达到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，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜,磨削烧伤,磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。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,磨削裂纹,81,4.8.4 表面强化工艺,利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工件表面的微观几何形状,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度（图,4-71,）,利用大量快速运动珠丸打击工件表面,使工件表面产生冷硬层和压应力,疲劳强度（图,4-70,）,喷丸强化,图4-71 滚压加工原理图,用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等,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,机械制造技术基础,第,4,章,机械加工质量分析与控制,Analysis and Control of Machining Quality,4.9,机械加工过程中的振动,Vibrations in machining Process,83,4.9.1 概述,机械加工过程中振动的危害,影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度,影响生产效率,加速刀具磨损，易引起崩刃,影响机床、夹具的使用寿命,产生噪声污染，危害操作者健康,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。,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,自由振动,自由振动,强迫振动,自激振动,84,4.9.2 机械加工过程中强迫振动,强迫振动产生原因,由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起,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：,1,）回转零部件质量的不平衡,2,）机床传动件的制造误差和缺陷,3,）切削过程中的冲击,频率特征：,与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数,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,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,85,4.9.3 机械加工过程中自激振动,自激振动的概念,在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动,自激振动过程可用传递函数概念说明（图,4-72,）,自激振动是一种不衰减振动,自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率,自激振动能否产生及振幅的大小取决于振动系统在每一个周期内获得和消耗的能量对比情况（图,4-73,）。,图4-73 自激振动系统能量关系,A,B,C,能量E,Q,E,E,0,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,86,再生机理：,切削过程，由于偶然干扰，使加工系统产生振动并在加工表面上留下振纹。第二次走刀时，刀具将在有振纹的表面上切削，使切削厚度发生变化，导致切削力周期性地变化，产生自激振动,自激振动机理,图4-74 再生自激振动原理图,f,切入,切出,y,0,y,a）,b）,y,0,y,切入,切出,f,c）,f,y,0,y,切入,切出,d）,切入,切出,f,y,0,y,产生条件（图4-74） ：,a）b）c）系统无能量获得；,d）,y,滞后于,y,0,，即 0,-,，此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，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,87,振型耦合机理：,将车床刀架简化为两自由度振动系统，等效质量,m,用相互垂直的等效刚度分别为,k,1,、,k,2,两组弹簧支撑（设,x,1,为低刚度主轴，图4-75）,图4-75 车床刀架振型耦合模型,F,m,a,b,c,d,x,1,x,1,x,2,x,2,k,2,k,1,1,2,X,自激振动的产生：,k,1,=,k,2,，,x,1,与,x,2,无相位差, 轨迹为直线，无能量输入,4.9.3 机械加工过程中自激振动,k,1,k,2,，,x,1,超前,x,2,，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,k,1,k,2,，,x,1,滞后于,x,2,，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 。,88,4.9.4 机械加工中振动的防治,减小机内干扰力的幅值,调整振源的频率，一般要求：,调整振动系统小刚度主轴的位置（图4-76）,消除或减弱产生强迫振动的条件,式中,f,和,f,n,分别为振源频率和系统固有频率,隔振,x,2,x,2,x,1,x,1,x,1,x,1,x,2,x,2,图4-76 两种尾座结构,消除或减弱产生自激振动的条件,（4-33）,89,4.9.4 机械加工中振动的防治,减小切削或磨削时的重叠系数（图4-77）,式中,b,d, 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,f,a, 砂轮宽度与轴向进给量。,图4-77 重叠系数,a,p,f,a,B,振动方向,X,D,f,b,b,d,a）切削,b）磨削,r,r,，,（4-34）,90,减小重叠系数方法,图4-78 车刀消振棱,0.10.3,-5 -20,2 3,增加切削阻尼（例采用倒棱车刀，图4-78）,增加主偏角,增大进给量,4.9.4 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,4.9.4 机械加工中振动的防治,阻尼材料,铸铁环,铸铁套筒,图4-79 零件上加阻尼材料,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,动力减振器,摩擦式减振器（图,4-80,）,冲击式减振器（图,4-81,）,4.9.4 机械加工中振动的防治,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,93,