第5章 機械加工質(zhì)量分析與控制

第5章機械加工質(zhì)量分析與控制5.1機械加工精度

影響加工精度的因素工藝系統(tǒng)幾何誤差影響機械加工表面質(zhì)量的因素5.2機械加工表面質(zhì)量第5章機械加工質(zhì)量分析與控制

尺寸精度形狀精度位置精度表面粗糙度波度紋理方向傷痕（劃痕、裂紋、砂眼等）加工精度表面質(zhì)量表面幾何形狀精度表面缺陷層表層加工硬化表層金相組織變化表層殘余應(yīng)力加工質(zhì)量內(nèi)容包括5.1機械加工精度

1.加工精度指零件加工后實際幾何參數(shù)與理想幾何參數(shù)的符合程度。符合程度越高，加工精度就越高。2.加工誤差指零件加工后實際幾何參數(shù)與理想幾何參數(shù)的偏離程度。加工誤差的大小反映加工精度的高低。幾何參數(shù)：尺寸、形狀及幾何元素間的相互位置。5.1.1加工精度與加工誤差理想幾何參數(shù)直線—絕對直、圓等；表面—絕對平面、圓柱面等；位置—絕對平行、垂直；尺寸—位于公差帶中心。3、尺寸、形狀和位置精度間的關(guān)系

獨立原則是處理形位公差和尺寸公差關(guān)系的基本原則。即尺寸精度和形位精度按照使用要求分別滿足。一般情況下，尺寸精度高，形位精度也高；零件的形狀誤差約占相應(yīng)尺寸公差的30％～50％；位置誤差約為尺寸公差的65％～85％。4、獲得加工精度的方法1)獲得尺寸精度的方法試切法定尺寸刀具法調(diào)整法自動控制法5.獲得加工精度的方法

2)獲得形狀精度的方法刀尖軌跡法

3)獲得位置精度的方法成形刀具法展成法直接找正劃線找正夾具定位5.1.2表面質(zhì)量對零件使用性能的影響

對耐磨性影響Ra（μm）初始磨損量重載荷輕載荷表面粗糙度與初始磨損量表面粗糙度值↓→耐疲勞性↑適當(dāng)硬化可提高耐疲勞性表面粗糙度值↓→耐蝕性↑表面壓應(yīng)力：有利于提高耐蝕性表面粗糙度值↑→配合質(zhì)量↓表面粗糙度值↓→耐磨性↑，但有一定限度（如圖）對耐疲勞性影響對耐蝕性影響對配合質(zhì)量影響紋理形式與方向：圓弧狀、凹坑狀較好適當(dāng)硬化可提高耐磨性5.1.3誤差敏感方向

ΔRΔYRRΔR=ΔX（4-1）（4-2）顯然：

工藝系統(tǒng)原始誤差方向不同，對加工精度的影響程度也不同。對加工精度影響最大的方向，稱為誤差敏感方向。誤差敏感方向一般為已加工表面過切削點的法線方向。誤差敏感方向ＯYR0Xa）ＯYR0Xb）誤差敏感方向5.1.4影響加工精度的因素

原始誤差與工藝系統(tǒng)原始狀態(tài)有關(guān)的原始誤差(幾何誤差)與工藝過程有關(guān)的原始誤差(動誤差)原理誤差定位誤差調(diào)整誤差刀具誤差夾具誤差機床誤差工藝系統(tǒng)受力變形（包括夾緊變形）工藝系統(tǒng)受熱變形刀具磨損測量誤差工件殘余應(yīng)力引起的變形工件相對于刀具靜止?fàn)顟B(tài)下的誤差工件相對于刀具運動狀態(tài)下的誤差主軸回轉(zhuǎn)誤差導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差傳動誤差原始誤差——即工藝系統(tǒng)誤差。原始誤差分類原始誤差構(gòu)成5.1.5研究加工質(zhì)量的方法

◆理論方法：運用物理學(xué)和力學(xué)原理，分析研究某一個或某幾個因素對加工精度或表面質(zhì)量的影響?！粼囼灧椒ǎ和ㄟ^試驗或測試，確定影響各因素與加工質(zhì)量指標(biāo)之間的關(guān)系。◆統(tǒng)計分析方法：運用數(shù)理統(tǒng)計原理和方法，根據(jù)被測質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計性質(zhì)，對工藝過程進(jìn)行分析和控制。物理方法數(shù)學(xué)方法5.1.6機床誤差

指主軸實際回轉(zhuǎn)軸線對其理想回轉(zhuǎn)軸線的偏移量。為便于研究，將主軸回轉(zhuǎn)誤差分解為徑向圓跳動、端面圓跳動和傾角擺動三種基本型式（如圖）。b）端面圓跳動a）徑向圓跳動c）傾角擺動主軸回轉(zhuǎn)誤差基本形式主軸回轉(zhuǎn)誤差5.1.6機床誤差

◆主軸回轉(zhuǎn)誤差對加工精度的影響★主軸徑向圓跳動對加工精度的影響（鏜孔）考慮最簡單的情況，主軸回轉(zhuǎn)中心在X方向上作簡諧直線運動，其頻率與主軸轉(zhuǎn)速相同，幅值為2e。則刀尖的坐標(biāo)值為：e徑向跳動對鏜孔精度影響式中R——刀尖回轉(zhuǎn)半徑；

φ——主軸轉(zhuǎn)角。（4-4）

顯然，式（4-4）為一橢圓。5.1.6機床誤差

★主軸端面圓跳動對加工精度的影響被加工端面不平，與圓柱面不垂直；加工螺紋時，產(chǎn)生螺距周期性誤差。★主軸傾角擺動對加工精度的影響與主軸徑向跳動影響類似，不僅影響圓度誤差，而且影響圓柱度誤差。5.1.6機床誤差

★傳統(tǒng)測量方法存在問題：◆主軸回轉(zhuǎn)誤差的測量傳統(tǒng)測量方法a)b)主軸回轉(zhuǎn)誤差測量法1—擺動盤2，4—傳感器3—精密測球5—放大器6—示波器

★準(zhǔn)確測量方法包含心軸、錐孔誤差在內(nèi)非運動狀態(tài)。包括：導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度；導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度；前后導(dǎo)軌平行度（扭曲）；導(dǎo)軌與主軸回轉(zhuǎn)軸線的平行度（或垂直度）等5.1.6機床誤差

導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差◆導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差對加工精度的影響導(dǎo)軌水平面內(nèi)的直線度誤差在誤差敏感方向，影響顯著；導(dǎo)軌垂直面內(nèi)的直線度誤差在誤差非敏感方向，影響?。粚?dǎo)軌扭曲對加工精度的影響顯著（如圖）ΔX導(dǎo)軌扭曲引起的加工誤差HδΔRDαBXY5.1.6機床誤差

導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差5.1.7

刀具與夾具誤差

L±0.05φ6F7φ10F7k6φ20H7g6YZ鉆徑向孔的夾具夾具誤差影響加工位置精度。與夾具有關(guān)的影響位置誤差因素包括：

通常要求定位誤差和夾具制造誤差不大于工件相應(yīng)公差的1/3。夾具誤差1）定位誤差；2）刀具導(dǎo)向（對刀）誤差；3）夾緊誤差；4）夾具制造誤差；5）夾具安裝誤差；……在加工誤差敏感方向上工藝系統(tǒng)所受外力與變形量之比5.1.8工藝系統(tǒng)剛度式中k——工藝系統(tǒng)剛度；

Fp——吃刀抗力；

ΔX——工藝系統(tǒng)位移。5.1.8工藝系統(tǒng)剛度式中k——工藝系統(tǒng)剛度；

kjc

——機床剛度；

kjj——夾具剛度；

kd——刀具剛度；

kg——工件剛度。工藝系統(tǒng)受力變形等于工藝系統(tǒng)各組成部分受力變形之迭加。由此可導(dǎo)出工藝系統(tǒng)剛度與工藝系統(tǒng)各組成部分剛度之間的關(guān)系：5.1.9

工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響

機床受力變形引起的加工誤差◆工件變形使工件加工后成鼓形工件受力變形引起的加工誤差◆機床變形使工件加工后成鞍形式中Δg

——工件圓度誤差；

Δm

——毛坯圓度誤差；

k——工藝系統(tǒng)剛度；

ε——誤差復(fù)映系數(shù)。以橢圓截面車削為例誤差復(fù)映現(xiàn)象ap1Δ1ap2Δ2毛坯外形工件外形由于工藝系統(tǒng)受力變形，使毛坯誤差部分反映到工件上。5.1.9

工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響

切削力大小變化引起的加工誤差誤差復(fù)映誤差復(fù)映系數(shù)：反映誤差復(fù)映程度。與系統(tǒng)剛度成反比機械加工中，誤差復(fù)映系數(shù)通常小于1。可通過多次走刀，消除誤差復(fù)映的影響。5.1.9

工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響

5.1.10加工誤差的性質(zhì)

系統(tǒng)誤差在順序加工一批工件中，其大小和方向均不改變，或按一定規(guī)律變化的加工誤差。◆

常值系統(tǒng)誤差——其大小和方向均不改變。如機床、夾具、刀具的制造誤差，工藝系統(tǒng)在均勻切削力作用下的受力變形，調(diào)整誤差，機床、夾具、量具的磨損等因素引起的加工誤差。◆

變值系統(tǒng)誤差——誤差大小和方向按一定規(guī)律變化。如機床、夾具、刀具在熱平衡前的熱變形，刀具磨損等因素引起的加工誤差。加工誤差系統(tǒng)誤差隨機誤差常值系統(tǒng)誤差變值系統(tǒng)誤差加工誤差統(tǒng)計特性5.1.10加工誤差的性質(zhì)

◆

在順序加工一批工件中，其大小和方向隨機變化的加工誤差?！?/p>

隨機誤差是工藝系統(tǒng)中大量隨機因素共同作用而引起的?！?/p>

隨機誤差服從統(tǒng)計學(xué)規(guī)律?！?/p>

如毛坯余量或硬度不均，引起切削力的隨機變化而造成的加工誤差；定位誤差；夾緊誤差；殘余應(yīng)力引起的變形等。隨機誤差加工誤差的統(tǒng)計分析◆

運用數(shù)理統(tǒng)計原理和方法，根據(jù)被測質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計性質(zhì)，對工藝過程進(jìn)行分析和控制。5.1.11分布圖分析法

1）采集數(shù)據(jù)樣本容量通常取n=50～2002）確定分組數(shù)、組距、組界、組中值①按教材134頁表5-2初選分組數(shù)k′；②確定組距d：取整，d′→d③確定分組數(shù)k：④確定各組組界、組中值⑤統(tǒng)計各組頻數(shù)直方圖5.1.11分布圖分析法

直方圖-14.5-8.55-3.5x

y（頻數(shù)）（偏差值）（平均偏差）-15-10-5（公差帶中心）（公差帶下限）（公差帶上限）3）計算樣本平均值和標(biāo)準(zhǔn)差:4）畫直方圖◆正態(tài)分布

式中μ和σ分別為正態(tài)分布隨機變量總體平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。平均值μ=0，標(biāo)準(zhǔn)差σ=1的正態(tài)分布稱為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，記為：

x~N(0,1)概率密度函數(shù)yF（z）正態(tài)分布曲線μ(z=0)x(z)0z-σ+σ5.1.11分布圖分析法

分布曲線分布函數(shù)（5-23）令：將z代入上式，有：則利用上式，可將非標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布進(jìn)行計算。稱z

為標(biāo)準(zhǔn)化變量5.1.11分布圖分析法

yF（z）正態(tài)分布曲線μ(z=0)x(z)0z-σ+σ◆判斷加工性質(zhì)判斷是否存在明顯變值系統(tǒng)誤差；判斷是否存在常值系統(tǒng)誤差，及常值系統(tǒng)誤差的大小?！舸_定工序能力5.1.11分布圖分析法

分布圖應(yīng)用工序能力工序能力系數(shù)式中TU,TL——公差帶上、下限；

Δ——公差帶中心與誤差分布中心偏移距離；

σ——誤差分布的標(biāo)準(zhǔn)差。5.1.11分布圖分析法

y工藝能力系數(shù)符號含義μx03σ3σ公差帶TΔTUTL工序能力等級工序能力系數(shù)工序等級說明

CP＞1.67特級工序能力過高1.67≥CP

＞1.33一級工序能力足夠1.33≥CP

＞1.00二級工序能力勉強1.00≥CP

＞0.67三級工序能力不足

0.67≥CP

四級工序能力很差表4-2工序能力等級5.1.11分布圖分析法

CP表示工藝過程本身的能力，而工藝能力系數(shù)CPK則表示過程滿足技術(shù)要求的能力，實際上是“過程能力”與“管理能力”的綜合

01234567樣組序號b）工件尺寸公差帶T控制限5.1.12點圖分析法

單值點圖工件序號c）AA′B′O′OB工件尺寸工件尺寸工件序號a差帶T控制限單值點圖5.1.12點圖分析法

圖是控制圖和R控制圖聯(lián)合使用的統(tǒng)稱（4-26）R圖：（4-27）A2、D1、D2

數(shù)值見教材表。圖表示樣組平均值，R表示樣組極差圖控制限圖：5.1.12點圖分析法

◆工藝過程穩(wěn)定性點子正常波動→工藝過程穩(wěn)定；點子異常波動→工藝過程不穩(wěn)定

圖R

圖UCL=19.67CL=8.900510樣組序號1520LCL=00510樣組序號1520x圖LCL=11.57UCL=21.89CL=16.73◆穩(wěn)定性判別——沒有點子超出控制限——大部分點子在中心線上下波動，小部分點子靠近控制限——點子變化沒有明顯規(guī)律性（如上升、下降傾向，或周期性波動）同時滿足為穩(wěn)定圖分析5.2

切削加工表面粗糙度影響因素

車削時殘留面積的高度直線刃車刀圓弧刃車刀影響因素：fκrRmaxvfⅠⅡrεb