汽車制造工藝學4.ppt

1、,第四章汽車零件的機械加工質量,4-1 機械加工質量 4-2 影響機械加工精度的主要因素 4-3 加工誤差的綜合分析 4-4 表面質量的形成及其影響因素 4-5 表面質量對零件使用性能的影響,一、 加工精度 1. 加工精度：零件加工以后的實際幾何參數與理想幾何參數的接近程度。（宏觀幾何特征）,4-1 機械加工質量,加工質量,加工精度,表面質量,尺寸精度：加工后，工件表面的實際尺寸與理想尺 寸的接近程度。(直徑,長度,距離等),形狀精度：加工后，工件表面的實際形狀與理想形 狀的接近程度。(直線度,平面度,圓柱度) 位置精度：加工后工件表面之間的實際位置與理想位 置的接近程度。(平行度,垂直度,同

2、軸度等),理想零件 尺寸：零件尺寸的公差帶中心。 表面形狀：絕對準確的圓柱面、 圓錐面、平面等。 表面位置：絕對的平行、垂直、 同軸等。,2. 加工誤差 所謂加工誤差是指實際零件與理想零件在幾何參數上的偏離。 加工精度和加工誤差這兩個概念是從兩個觀點來評定零件幾何參數這個同一事物的。加工精度的高低就是通過加工誤差的大小來表示的，即：加工誤差大，則加工精度低；加工誤差小，則加工精度高。因此，保證和提高加工精度的問題，實際上就是限制和降低加工誤差的問題。,一、 加工精度, 目前，還沒有加工手段可以將零件的幾何參數制作成百分百的準確，從實際出發(fā)、從多快好省的觀點出發(fā)，也沒有必要把個個零件都做得絕對準

3、確，因此，只要能保證零件在機器中的功能，把零件的加工精度保持在一定的范圍之內是完全允許的。所以國家標準規(guī)定了各級精度和相應的公差（允許的加工誤差）標準。 只要零件加工誤差不超過零件圖上按零件的設計要求和公差標準規(guī)定的偏差，就算保證了零件加工精度的要求。,一、 加工精度,二、 表面質量 所謂表面質量是指零件加工以后的表面層狀態(tài)。它可以從以下兩個方面來評定：,1. 表面微觀幾何特征,（1）表面粗糙度 表面粗糙度是指已加工表面微觀幾何形狀誤差。它是由加工中的殘留面積、塑性變形、積屑瘤、鱗刺以及工藝系統的高頻振動等原因引起的。,H1,L1,L2,H2,L3,H3,L1 范圍內的凸凹不平（平面度）H1,

4、L3 范圍內的凸凹不平（粗糙度）H3,L2 范圍內的凸凹不平（波度）H2,波長與波高之比,（2）波度 是介于宏觀與微觀（波長與波高之比：501000）幾何形狀誤差之間的周期性幾何形狀誤差。 波度主要是由加工中工藝系統的低頻振動造成的。,（3）紋理方向 指切削刀痕的方向。紋理方向取決于表面形成過程中所采用的加工方法。,紋理平行,紋理垂直,紋理交叉,二、 表面質量,紋理呈近似同心圓,紋理呈多方向,紋理呈近似放射狀,C,M,R,（4）表面缺陷 指加工表面上出現的缺陷。 缺陷是在表面?zhèn)€別位置隨機出現的，包括：砂眼、夾砂、氣孔、裂痕等。,二、 表面質量,二、 表面質量,2. 表面的物理力學性能和化學性能

5、,（1）表面層材料的塑性變形與冷作硬化 由于表面層材料的塑性變形引起金屬材料的強度和硬度都提高的現象，被稱之為冷作硬化。 用硬化程度和硬化深度來衡量。,（2）金相組織的變化 在加工過程中，由于切削熱而引起金屬的金相組織變化。 （3）表面層材料殘余應力 由于塑性變形和金相組織變化，使表面層金屬產生殘余應力。,4-2 影響機械加工精度的主要因素,鏜刀,鏜桿,滑臺,在機械加工中，零件的尺寸、形狀和表面間的相對位置的形成，歸結到一點，就是取決于工件和刀具在切削過程中的相互位置關系，而工件和刀具又安裝在夾具和機床上，并受到機床和夾具的約束。,在機械加工中，由機床、刀具、工件、夾具構成的系統，被稱之為工藝

6、系統。,因此，加工精度問題也就牽涉到整個工藝系統的精度問題。工藝系統中的種種誤差，在不同的具體條件下，以不同的程度反映為加工誤差。工藝系統的誤差是“因”，是根源；加工誤差是“果”，是表現。因此，把工藝系統的誤差稱之為原始誤差。,4-2 影響機械加工精度的主要因素,原 理 誤 差,工藝系統靜誤差,工藝系統動誤差,原始誤差,工件安裝 誤 差,機床誤 差,夾具誤 差,刀具誤 差,調整誤 差,度量誤 差,刀具磨損,工藝系統受力變形,工藝系統熱變形,工件內應力引起的變形,一、機床誤差,機床誤差來之三個方面：機床本身的制造、安裝和磨損。 機床在出廠之前要通過精度檢驗。例如：導軌的直線度、主軸的回轉精度等。

7、這些都是在沒有切削載荷的情況下進行的反映靜誤差。 合格的機床在使用了一段時間后，將會產生磨損，機床原有的精度也將會降低，并可能產生這樣或那樣的加工精度問題。 評價一臺機床精度的高低，除了看它在靜態(tài)下的情況，還需看它在切削載荷下的動態(tài)情況。,車床結構圖,1. 導軌誤差 導軌是機床中確定主要部件相對位置的基準，也是運動部件的基準，它的各項誤差直接影響被加工工件的精度。例如車床的導軌：,（1）導軌在水平面內有直線度誤差,顯然，在某一截面內由于導軌的直線度誤差將導致刀具在水平內沿工件徑向產生相應的位移，即：,R =1,因此，在工件全長上，將產生形狀（圓柱度）誤差。,1. 導軌誤差,注意：工件的形狀與導

8、軌在水平面內的直線度誤差的特征直接相關。,注意：誤差敏感方向加工表面切削點處的法線方向。 若原始誤差發(fā)生在誤差敏感方向，則對工件的加工精度影響較大。,（2）導軌在垂直面內有直線度誤差,忽略高階無窮小,例如：,2= 0.1mm、d=40mm，則： R =0.00025mm，影響可忽略不計。,2. 車床主軸旋轉軸線與導軌的平行度誤差,討論：不平行發(fā)生在：水平面內 垂直面內,對工件的加工影響如何？,非誤差敏感方向,導軌,主軸理想 回轉軸線,3. 前后導軌的平行度誤差（扭曲）,臥式車床或外圓磨床若前后導軌存在平行度誤差時，刀具和工件之間相對位置發(fā)生變化，刀尖運動軌跡是一條空間曲線，使工件產生形狀誤差。

9、,H,B,若扭曲誤差為3，工件誤差R(H/B)3 ，一般車床H/B2/3，外圓磨床H/B1，誤差對加工精度影響很大（H：機床主軸中心高，B：前后導軌的跨度）。,二、刀具誤差,刀具誤差包括制造和磨損兩個方面。,1. 當切削刀具決定工件的最終尺寸和形狀，刀具制造誤差直接影響工件的加工精度。,例如：定尺寸刀具鉆頭、絞刀、圓孔拉刀等。 刀具的尺寸誤差直接影響工件的尺寸精度； 成形刀具成形車刀、成形銑刀、成形砂輪等。 刀具的形狀誤差直接影響工件的形狀精度； 展成法刀具齒輪滾刀、插齒刀等。 切削刃的幾何形狀及刀具有關尺寸精度會直接影響工件的形狀精度。,2.一般刀具（普通車刀、單刃鏜刀、面銑刀等） 刀具的制

10、造誤差對加工精度無直接影響。,3. 刀具的磨損,（1）刀具的磨損（特別是誤差敏感方向上）將引起工件的尺寸和形狀誤差。,（2）刀具的不斷磨損將會引起切削力沿加工表面的法線方向的分力逐漸增大，導致工藝系統受力變形，工件的尺寸和形狀誤差增大，工件的尺寸和形狀因而產生額外的變化。,若工藝系統的剛度不足，則受力變形引起的加工誤差更嚴重。,三、工藝系統的受力變形,1.工藝系統的剛度,工藝系統抵抗變形的能力。,工藝系統的受力變形一般是彈性變形,工藝系統的剛度可由下式表示：,法向切削力,位移,y：Fy、Fx、Fz共同作用的綜合結果。而切削分力Fy對加工精度的影響最大（誤差敏感方向）,Fy,Fy,Fz,Fz,2

11、.工藝系統的剛度對加工精度的影響,（）切削力作用點位置的變化對加工精度的影響,a. 假定工件短而粗，其受力變形可忽略不計，車刀懸伸也很短，受力后的彎曲變形在法向的分量也可忽略不計，即工藝系統的變形完全取決于機床的變形。,由系統剛度的定義：,三、工藝系統的受力變形,B,A,f,n,Fy,C,工藝系統的變形yx是一個二次拋物線方程，變形大小隨刀具在方向位置的變化而變化，使車出的工件沿軸向呈鞍形，產生圓柱度誤差。 受力變形大的位置處工件被切除的金屬層薄，受力變形小的位置處工件被切除的金屬層厚。,三、工藝系統的受力變形,b. 工件變形引起的加工誤差,若考慮工件本身的剛度（假設此時不考慮機床和刀具的變形

12、），即可由材料力學公式計算工件在切削點的變形量：,E：工件的彈性模量； I ：工件截面的慣性矩。,顯然，加工后的工件呈鼓形。,如果工件是一根光軸，最大撓度發(fā)生在工件的中間位置。在撓度大的位置處，切削最薄，而兩端切削最厚，因此最后加工的零件形狀成腰鼓形，產生圓柱度誤差。,c.刀具的剛度不足引起的加工誤差 一般的刀具，如外圓車刀、面銑刀等，在誤差敏感方向上的剛度很大，可以認為刀具在工件全長上，其變形量近似不變，即由于其變形引起的加工誤差為尺寸誤差（直徑變大）。 鉆頭的徑向剛度較低，容易導致加工孔的尺寸、形狀、位置誤差。 鏜孔過程中，不同的鏜孔方式會造成不同的誤差。 因此，鉆孔時使用鉆套；鏜孔時使用

13、導向支撐來提供刀具的剛度，減少加工誤差。,d.工藝系統剛度所引起的加工誤差,注意：, 工件的裝夾方式與工件的剛度, 刀具的剛度,加工誤差？,加工誤差？,（2）復映誤差,毛坯加工余量和材料硬度的不均勻，會引起切削力大小的變化。工藝系統由于受力大小的不同，變形的大小也相應發(fā)生變化，從而導致工件尺寸和幾何形狀的誤差，加工出的工件形狀與毛坯形狀相類似，這種規(guī)律稱為誤差復映規(guī)律，所產生的誤差為復映誤差。,毛坯半徑誤差：,車削后工件半徑加工誤差：,1. 毛坯形狀,2. 加工后工件形狀,誤差復映系數 ：,當一次走刀不能滿足要求時，可進行二次或多次走刀，相應的誤差復映系數為：,則總的復映系數 ：,復映現象產生

14、的加工誤差，可通過增加走刀次數加以糾正。,定量地反映了毛坯誤差經加工后減少的程度，也表明：工藝系統的剛度越高，毛坯復映到工件上的誤差越小。,（2）復映誤差,復映誤差的實驗,根據切削前后階梯軸直徑的變化，分析系統的變形、剛度及復映誤差。,（3）機床零部件制造與裝配質量對加工精度的影響, 接觸剛度, 機床薄弱零件的剛度, 聯結件的剛度,零件的間隙,實際接觸面積小于理論接觸面積。,機床上個別薄弱零件常會大大降低整個部件的剛度,螺栓聯結的預緊、軸承的預緊，當外力超過其預緊力產生的摩擦力時，剛度明顯降低。,由于機床部件或工件本身重量以及它們在移動中位置變化而引起的加工誤差,機床部件自重引起地橫梁變形,四

15、、工藝系統熱變形引起的加工誤差,工藝系統在各種熱源作用下，會產生相應的熱變形。,在熱作用下，工件、刀具及機床的許多部分因溫度的升高而產生復雜的變形，從而改變它們之間的相互位置關系，破壞工件和刀具之間相對運動的正確性，改變已調整好的加工尺寸，引起切削深度和切削力的改變，造成加工誤差。,據統計，由于熱變形引起的加工誤差約占總加工誤差的40%70%。工藝系統的熱變形不僅嚴重地影響加工精度，而且還影響加工效率的提高。 工藝系統熱變形的問題已成為機械加工技術發(fā)展的一個重大研究課題。,1. 工藝系統的熱源,熱源,內部熱源,外部熱源,切削熱,摩擦熱和傳動熱,環(huán)境溫度,熱輻射,被加工材料切削層的彈性、塑性變形

16、，前、后刀面與切屑、已加工表面的摩擦產生的熱量。,日光、照明、暖氣、體溫等。,氣溫、室溫變化、熱、冷風等。,運動件的摩擦（齒輪、軸承、導軌等）產生的熱量；液壓傳動及電機的溫升等產生的熱量。,2. 工藝系統的熱平衡,工藝系統受各種熱源的影響，其溫度會逐漸升高。同時，它們也通過各種傳熱方式向周圍散發(fā)熱量。,熱平衡：當單位時間內傳入和散發(fā)的熱量相等時，工藝系統達到了熱平衡狀態(tài)。工藝系統的熱變形也就達到某種程度的穩(wěn)定。,3. 機床熱變形對加工精度的影響,機床熱變形會影響加工精度，其中主軸部件、床身、導軌、立柱、工作臺等部件的熱變形，對加工精度影響最大。 各類機床其結構、工作條件及熱源形式均不相同，因此

17、機床各部件的熱變形情況是不一樣的。,1) 磨床受熱變形,外圓磨床：由于熱變形會造成砂輪軸線與工件軸線的距離發(fā)生變化，且可能產生平行度誤差。,平面磨床：立柱彎曲變形，造成砂輪主軸與工作臺間的垂直度誤差。,2) 車床熱變形,由于熱變形會造成主軸箱在垂直面內和水平面內發(fā)生偏轉和傾斜，且床身導軌向上凸起。 一般在垂直面內的熱變形對加工精度的影響較?。欢谒矫鎯鹊臒嶙冃螌庸ぞ鹊挠绊戄^大。,4. 工件熱變形,1） 均勻受熱,f,2 ） 非均勻受熱,f,3）單邊受熱（非均勻受熱）,毛坯形狀,加工上表面,加工完成、冷卻后,5. 刀具熱變形,刀具熱變形主要是由切削熱引起的。切削加工時雖然大部分切削熱被切屑

18、帶走，傳入刀具的熱量并不多，但由于刀具體積小，熱容量小，導致刀具切削部分的溫升急劇升高，刀具熱變形對加工精度的影響比較顯著。,車削時車刀的熱變形與切削時間的關系曲線,車外圓時，車刀熱變形會使工件產生圓柱度誤差（倒喇叭口）。,車刀連續(xù)工作時的熱伸長曲線；,切削停止后，車刀溫度下降曲線；,傳動作間斷切削的熱變形切削。,五、 工件殘余應力引起的加工誤差,什么是殘余應力?,產生原因：,殘余應力是由金屬內部的相鄰宏觀或微觀組織發(fā)生了不均勻的體積變化而產生的，促使這種變化的因素主要來自熱加工或冷加工。,1. 毛坯制造中產生的殘余應力,（1）在鑄造、鍛造、焊接及熱處理過程中，由于工件各部分冷卻收縮不均勻以及

19、金相組織轉變時的體積變化，在毛坯內部就會產生殘余應力（圖a）。,（2）毛坯的結構越復雜，各部分壁厚越不均勻以及散熱條件相差越大，毛坯內部產生的殘余應力就越大。,（3）具有殘余應力的毛坯，其內部應力暫時處于相對平衡狀態(tài)，雖在短期內看不出有什么變化，但當加工時切去某些表面部分后，這種平衡就被打破，內應力重新分布，并建立一種新的平衡狀態(tài)，工件明顯地出現變形。,原因：在外力F的作用下，工件內部的應力重新分布。,影響：當外力F去除后，彈性變形本可完全恢復，但因塑性變形部分的阻止而恢復不了，使殘余應力重新分布而達到平衡。,現象：冷校直工藝方法是在一些長棒料或細長零件彎曲的反方向施加外力F以達到校直目的。,

20、2. 冷校直引起的殘余應力,措施：對精度要求較高的細長軸，不允許采用冷校直來減小彎曲變形，而采用加大毛坯余量，經過多次切削和時效處理來消除內應力，或采用熱校直。, 殘余應力對零件的影響,存在殘余應力的零件，始終處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，其內部組織有要恢復到一種新的穩(wěn)定的沒有內應力狀態(tài)的傾向。 在內應力變化的過程中，零件產生相應的變形，原有的加工精度受到破壞。 用這些零件裝配成機器，在機器使用中也會逐漸產生變形，從而影響整臺機器的質量。,3. 切削加工引起的殘余應力（后續(xù)章節(jié)學習）,4-2 影響機械加工精度的主要因素,原 理 誤 差,工藝系統靜誤差,工藝系統動誤差,原始誤差,工件安裝 誤 差,機床誤

21、差,夾具誤 差,刀具誤 差,調整誤 差,度量誤 差,刀具磨損,工藝系統受力變形,工藝系統熱變形,工件內應力引起的變形,采用了近似的加工方法或近似形狀的刀具而產生的加工誤差。如用展成法加工漸開線齒輪，滾刀的刀齒的軸剖面形狀為直線，滾切成近似的漸開線齒面，即漸開線齒形為無數直線包絡而成。,六、原理誤差,這種漸開線齒面的形成方法本身就使工件產生加工誤差，這種誤差就是原理性誤差。它是由工件與刀具作切削運動時產生的幾何軌跡誤差。,七、調整誤差,在切削加工時，為獲得規(guī)定的尺寸，就必須對機床、刀具和夾具進行必要的調整，由于調整不可能絕對的準確，也就帶來了一項原始誤差調整誤差。 1.試切法調整（單件、小批量）

22、 （1）度量誤差 （2）加工余量的影響 （3）微量進給誤差 2. 靜調整法（大批量） （1）定程機構誤差 （2）樣件或樣板的誤差 （3）測量有限試件造成的誤差,測量誤差是指工件實際尺寸與測量儀器表示出的尺寸之間的差值。,八、度（測）量誤差,原因： 1. 測量儀器本身的誤差。 2. 測量環(huán)境的影響。 3. 人為誤差的影響。,43 加工誤差的綜合分析,一、基本概念,在實際生產中，影響加工精度的工藝因素往往是多方面的。因此，對加工誤差的影響，有時就不能僅用單因素的估算方法，而要用概率統計方法進行較全面的考察（加工一批零件，為了找出這批零件出現廢品的原因，就要用統計的方法來研究這批零件的加工誤差，從而

23、找出減少廢品的技術措施）。 按一批工件加工誤差出現的規(guī)律來看，加工誤差可分為兩大類：系統性誤差和隨機性誤差。,1. 系統性誤差 連續(xù)加工一批零件時，如果加工誤差的大小和方向保持不變或是按一定的規(guī)律變化，這類誤差稱為系統性誤差。如果加工誤差的大小和方向保持不變，則稱為常值系統性誤差；如果加工誤差的大小和方向按一定的規(guī)律變化，則稱為變值系統性誤差。 原理誤差，機床、刀具、夾具的制造誤差，調整誤差等，它們和加工的順序（或加工時間）沒有關系，故都是常值系統性誤差。 機床、刀具的熱變形，刀具的磨損等，都是隨著加工的順序（或加工時間）而有規(guī)律的變化，因此屬于變值系統性誤差。,2. 隨機性誤差 連續(xù)加工一批

24、零件時，如果加工誤差的大小和方向都是無規(guī)律地變化，這類誤差稱為隨機性誤差。 毛坯誤差（余量大小不一、硬度不勻等）的復映，定位誤差（基準面尺寸不一、間隙等），夾緊誤差（夾緊力大小不一），多次調整的誤差，內應力引起的變形誤差等，都是隨機性誤差。 這類誤差產生的原因是隨機的，從表面上來看沒有規(guī)律，無從分析，但是應用數理統計的方法可以找出一批工件加工誤差的總體規(guī)律，然后在工藝上采取措施加以控制。,二、誤差的統計分析方法,1.分布圖分析法（分布曲線法） 一批零件如果是在正常的加工狀態(tài)下，即：沒有變值系統性誤差（或有而不顯著），隨機性誤差是相互獨立的，且在各隨機性誤差中沒有一個是起主導作用，則這批零件的尺

25、寸分布曲線將接近正態(tài)分布曲線。 正態(tài)分布曲線的數學方程為：,式中, x：零件的尺寸；,曲線與x軸之間所包含的面積為1，即包含了全部工件數。,：表示這批零件加工尺寸的分布范圍。,范圍內的面積約為99.73%。,的大小代表了某種加工方法在一定生產條,因此，零件加工的公差應?。?y：零件尺寸為x的概率密度；,其中，,下能達到的加工精度。,例：在無心磨床上加工一批外徑為 的圓柱銷，加工完畢后，檢查100個圓柱銷銷的直徑，把測量的數據按大小分組，每組的尺寸間隔為0.003mm，并計算、記錄于表，試分析其工藝過程。,分布曲線法的應用,分布曲線法的應用,解：根據表，計算平均值,計算均方根差,繪制分布圖 根據

26、表中數據，把頻數值點在尺寸區(qū)間（間隔）中值上，并把每點順次用直線連起來，繪成折線圖。,實際分布曲線與理論分布線曲,（其尺寸誤差服從正態(tài)分布）,分布圖分析,在用正態(tài)性評定方法確認樣本是服從正態(tài)分布的前提下，就可以認為工藝過程中變值系統性誤差很?。ɑ虿伙@著,此誤差為常值系統性誤差，是由于機床調整不準確引起。,），被加工工件尺寸分散的原因主要是隨機性誤差引起，工藝過程處在控制狀態(tài)之中。,工序能力分析,屬于三級工序能力，工藝能力不足。,工藝能力等級：,從圖中可以看出，本批工件的最小尺寸：,比工序要求的最小尺寸9.610要大，故分布曲線的左半部分沒有廢品；在右半部分，工序要求的最大尺寸為9.650，而實

27、際最大尺寸為9.653，故有廢品產生。,確定合格品率和不合格品率,查表（正態(tài)分布計算表） F(2.5)=0.4939 F(2.6)=0.4953 用插值法計算：F(2.57)=0.4948 所以：合格品率=0.5+0.4948=0.9949=99.48% 廢品率=1-0.9948=0.0052=0.52%,確定合格品率和不合格品率,由于這些不合格品都是尺寸過大的不合格品，所以是可修復的廢品。,分布圖分析法的應用 （1）判斷加工誤差的性質 如果實際分布曲線與正態(tài)分布曲線基本相符，說明加工中沒有變值系統性誤差，再根據算術平均值是否與公差帶重合，就可以判斷是否有常值系統性誤差。如果實際分布曲線不符合

28、正態(tài)分布，可根據實際分布圖形判斷是什么類型的變值系統性誤差。,（2）判斷工序能力能否滿足加工精度要求,所謂工序能力，就是工序處于穩(wěn)定狀態(tài)時，加工誤差正常波動的幅度。,（3）估計工件的合格率與廢品率 分布曲線與橫坐標所包含的面積，代表一批工件的總數。如果尺寸分散范圍大于工件的公差范圍，將有廢品產生。其中在公差帶內的面積，代表合格品率；以外的面積，代表廢品率，它包括可修復的廢品率和不可修復的廢品率。,討論：,實際分布曲線為：,2. 當 ， 不管公差帶中心與分布中心重合不重合，理論上都將會出現廢品。,3. 當 ， 且公差帶中心與分布中心不重合，是否會出現廢品，則需依據具體情況來定。,1.當公差帶中心

29、與分布中心重合，且 ，則理論上不會出現廢品。,非正態(tài)分布曲線,當刀具磨損的影響顯著時，變值系統性誤差占突出地位，使分布曲線出現平頂，如圖(a)所示）。,在實際生產中，工件尺寸的分布有時并不接近于正態(tài)分布。例：將兩次調整下加工的工件混在一起，由于每次調整的調整誤差（一次調整的調整誤差屬于常值系統性誤差）不同，就會得到雙峰曲線，如圖(a)所示；,非正態(tài)分布曲線,當工藝系統熱變形顯著時，分布曲線就會不對稱。例如，刀具熱變形嚴重時，若加工軸，則分布曲線偏向左，如圖(c)所示）；加工孔時偏向右，如圖(d)所示。,此外，還可能出現等概率分布、辛浦生分布等非正態(tài)分布形式。,分布圖分析法不能反映誤差的變化趨勢

30、。 加工中，由于隨機性誤差和系統性誤差同時存在，在沒有考慮到工件加工先后順序的情況下，很難把隨機性誤差和變值系統性誤差區(qū)分開來。 由于在一批工件加工結束后，才能得出尺寸分布情況，因而不能在加工過程中起到及時控制質量的作用。 如果工藝過程不穩(wěn)定，分布圖分析法失去意義。,28,2.點圖法,工件尺寸,序號,工件,26,24,22,20,18,16,14,12,10,8,6,4,2,工件誤差逐件按件號點出,如果按工件的加工順序逐個測量一批工件的尺寸，并以橫坐標代表工件加工序號，縱坐標代表工件尺寸，所作的點圖稱為個值點圖。,2.點圖法,為了縮短點圖的長度，可將順序加工的m個工件編為一組，此時以組序號為橫

31、坐標，縱坐標代表工件尺寸，同一組工件的尺寸分散在同一組號的垂直線上，這樣作的點圖如圖所示。, 圖繪制,如果仍以順序加工的m個工件為一組的組序號為橫坐標，以每組內m個工件的平均值 為縱坐標，或以每組內m個工件的最大值與最小值的差R（稱極差）為縱坐標，就可以得到目前應用較多的平均值極差點圖（ 點圖）。在實際應用中兩者聯合使用。,式中，m：每組的工件數；,單獨的 點圖或者R點圖，都不能全面地反映加工誤差的情況，故 點圖和R點圖都是結合起來應用。,R點圖上的點代表了瞬時分散范圍，所以R點圖能反映出隨機性誤差的變化趨勢。,點圖上的點代表了瞬時分散中心，主要反映系統性誤差的變化趨勢。, 分析,由于種種誤差

32、因素的影響，點圖上的點子總是要波動的，也就是說一批工件的質量參數總是參差不齊的。根據點波動情況，可以把它分成兩種： 其一是隨機性波動，波動幅值不太大，無明顯規(guī)律，這主要是由一些隨機性誤差因素（其中無明顯優(yōu)勢者）引起的，這種波動稱為正常波動； 其二是引起波動的誤差因素中有明顯占優(yōu)的誤差因素，以致點圖的波動有規(guī)律性，如明顯上升或下降趨勢，或出現幅值很大或很小的波動等，這種波動稱為異常波動。點圖正常波動的工藝是穩(wěn)定的，而異常波動的工藝是不穩(wěn)定的。,組序號,15,20,25,30,30,20,10,10,5,(a) 點圖,10,5,20,10,組序號,30,25,20,15,(b) 點圖,有上升趨勢,

33、正常波動,異常波動,有點子超出控制線,正 常 波 動,異 常 波 動,1沒有點子超出控制線 2大部分點子在中心線上下波動，小部分在控制線附近 3點子沒有明顯的規(guī)律性,1有點子超出控制線 2點子密集在中心線附近 3點子密集在控制線附近 4連續(xù)7個以上的點子 5連續(xù)11個點子中有10個以上出現在控制線的上方或下方 6連續(xù)14個點子中有12個以上出現在控制線的上方或下方 7連續(xù)17個點子中有14個以上出現在控制線的上方或下方 8連續(xù)20個點子中有16個以上出現在控制線的上方或下方 9點子有上升或下降的傾向 10點子有周期性波動,點圖的應用,點圖可以觀察出加工過程是否存在變值系統性誤差和隨機性誤差的變

34、化情況，可以用來判斷工藝過程的穩(wěn)定情況，并能在加工過程中提供控制加工精度的資料。,（1）工藝驗證 工藝驗證的目的是判斷現行工藝或準備實施的新工藝能否穩(wěn)定地滿足產品的加工質量要求。其主要內容是通過抽樣檢查作出分布曲線圖（或直方圖），確定工序能力及工序能力系數，判斷工藝過程的穩(wěn)定情況。,工藝過程是否穩(wěn)定，可由 圖的波動情況來判斷，如果 圖的波動正常，工藝是穩(wěn)定的，若是異常波動，則工藝過程是不穩(wěn)定的。要判斷 圖的正、異常波動，得在 圖上標加中線和控制線。中線和控制線的確定如下：, 點圖,中線,上控線,下控線,組序號, R點圖,中線,上控線,下控線,表 常數A2、D1、D2值,工藝過程出現異常波動，表

35、明總體分布的數字特征發(fā)生了變化，這種變化不一定就是壞事。 例如發(fā)現點子密集在中心線上下附近，說明分散范圍變小了，這是好事。但應查明原因，使之鞏固，以進一步提高工序能力（即減小6值）。 再如刀具磨損會使工件平均尺寸的誤差逐漸增加，使工藝過程不穩(wěn)定。雖然刀具磨損是機械加工中的正常現象，如果不適時加以調整，就有可能出現廢品。 值得注意的是，工藝過程是否穩(wěn)定與工件是否會出廢品不是一回事。工藝過程是否穩(wěn)定是由其本身誤差情況來決定的，而工件是否合格則是由工件規(guī)定的公差決定的。如果根據工藝驗證，某一工序的工藝過程是穩(wěn)定的，工序能力系數Cp足夠大，且分布中心與公差帶中心重合，可以講它是不會產生不合格品的。但工

36、序能力不足，即使是工藝過程穩(wěn)定，它也會出廢品。加工過程中不出現異常波動，說明該工序的工藝過程處于控制之中，可以繼續(xù)進行加工，否則就應停機檢查，找出原因，采取措施消除使加工誤差增大的因素，使質量管理從事后檢驗變?yōu)槭虑邦A防。,44 表面質量的形成及其影響因素,一、切削加工的表面粗糙度,在切削加工中刀具的幾何形狀、切削用量、切削液、振動等工藝因素，都會影響表面粗糙度。以車削外圓為例來說明切削加工表面粗糙度的形成。,由國家標準規(guī)定的表面粗糙度定義，輪廓的算術平均偏差：,H,f,1幾何因素 外圓車削時，其切削軌跡為一螺旋線，切削后在工件表面留下的殘留面積（其形狀是刀具幾何形狀的復映），形成了表面理論粗糙

37、度。, 尖刃車刀,r,H,f, 圓弧刃刃車刀,（1）在切削過程中，刀具的刃口圓角及后刀面的擠壓與摩擦使金屬材料發(fā)生塑性變形而使理論殘留面積擠歪或溝紋加深，因而增大了表面粗糙度。,實際輪廓,理論輪廓,2物理因素 切削加工后表面粗糙度的實際輪廓之所以與純幾何因素所形成的理論輪廓有很大的差異，主要是由于切削過程中塑性變形的影響。,（2）在切削過程中出現刀瘤 （積屑瘤）,定不變的，而是不斷地形成、長大，然后粘附在切屑上被帶走或留在工件上。由于積屑瘤有時會伸出切削刃之外，其輪廓也很不規(guī)則，因而使加工表面上出現深淺和寬窄都不斷變化的刀痕，大大惡化了表面粗糙度。,積屑瘤是切削過程中切屑底層與前刀面冷焊的結果

38、。積屑瘤形成后并不是穩(wěn),加工塑性材料時，切削速度為中、低速，易產生積屑瘤。,（3）在切削過程出現鱗刺 鱗刺是已加工表面上出現的鱗片狀毛刺般的缺陷。切削過程中出現鱗刺是由于切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用造成周期性地停留，代替刀具推擠切削層，造成切削層和工件之間出現撕裂現象。,I.抹拭,II.沉積,III.導裂,IV.刮成,鱗刺的形成過程,鱗刺的形成經過4個階段： I. 抹拭（切屑與前刀面刮擦干凈） II. 沉積（切屑與前刀面冷焊） III. 導裂（切屑與已加工表面間撕裂） IV. 刮成（切屑沿前刀面流出）,如此往復，就在已加工表面上出現一系列的鱗刺，構成已加工表面的粗糙度。,（4）工藝系統振動的

39、影響 工藝系統振動：是指刀具相對于工件產生周期性的位移。由于振動，在加工表面上形成波紋狀的振痕。,振動頻率高表面粗糙度值增大； 振動頻率低產生波度。,強迫振動 由外界具有一定頻率的周期性變化的激振力所引起的振動，稱為強迫振動。,系統外部的周期性干擾力 旋轉零件的質量偏心 傳動機構的缺陷 切削過程的間隙特性,強迫振動的特征 I.強迫振動是由周期性激振力引起的，不會被阻尼衰減掉，振動本身也不能使激振力變化。 II.強迫振動的振動頻率與外界激振力的頻率相同，而與系統的固有頻率無關。 III.強迫振動的幅值既與激振力的幅值有關，又與工藝系統的特性有關。,當外界激振力的頻率接近或等于工藝系統的固有頻率時

40、，就會引起共振現象，這時振幅極大，對工藝系統的危害極其嚴重。,二. 磨削加工的表面粗糙度,磨削加工與切削加工比較，有許多特點，主要表現在：, 砂輪表面的形貌很復雜，磨粒在砂輪表面上的分布是隨機的，高低不一，也很不規(guī)則。 磨削速度高，且磨粒大多數為負前角，單位切削力很大，所以切削溫度很高（150016000C），超過了相變溫度，因此產生了比切削加工大得多的塑性變形。 被加工表面是由無數個高低不等的磨?；?、刻劃和切削而成的，因而衡量表面粗糙度的依據是單位時間內通過單位磨削面積的磨粒數多少（即刻痕數多少）、刻痕的深淺以及刻痕的均勻性。,影響磨削表面粗糙度的因素是：,1砂輪方面,（1）砂輪的磨粒,磨

41、粒在砂輪上的分布越均勻、磨粒越細，刃口的等高性越好，則砂輪單位面積上參加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越細密均勻，表面粗糙度值就越小。但磨粒太細，砂輪易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若導熱情況不好，還會燒傷工件表面。,（2）砂輪粒度與硬度,砂輪的硬度是指磨削時磨粒受力后從砂輪上自行脫落的難易程度（即砂輪的自礪性）。,（3）砂輪的組織,砂輪太軟，磨粒太容易脫落，不易保證砂輪修整后的形狀精度，使粗糙度增加；如果太硬，磨鈍了的磨粒就不容易脫落，切削作用減小而擠壓、摩擦及塑性變形增加，表面粗糙度增大，同時還容易燒傷。,組織細密的砂輪，磨粒在砂輪組織（磨粒、粘結劑、空隙）中占的比例大，單位時間內通

42、過單位磨削面積的磨粒數多，而獲得較低的表面粗糙度。但砂輪的組織若過于緊密，空隙太小，則容易堵塞砂輪，使加工表面產生燒傷。,不同的磨粒，其鋒利程度、硬度不同。砂輪磨粒材料種類很多，可分為三大系，即： 氧化物系（剛玉類） 碳化物系（碳化硅、碳化硼等） 高硬磨粒系,（4）砂輪的修整,砂輪磨鈍后，必須進行仔細地修整，修整質量對磨削表面的粗糙度有很大的影響。用金剛石筆修整砂輪相當于在砂輪工作表面上車出一道螺紋，其導程和切深越小，修整出的砂輪就越光滑，磨削刃的等高性越好，因而磨出的工件表面粗糙度就越小。,（5）磨粒的材料,一般磨削鋼類件用剛玉類，磨削鑄鐵、硬質合金用碳化物類磨料，可獲得較好的效果。 金剛石

43、、立方氮化硼類的高硬磨粒砂輪，可獲粗糙度很低的表面。其中立方氮化硼，雖然其硬度較金剛石低（金剛石硬度為HV10000，立方氮化硼為HV80009000）,但其耐熱性（1400oC）比金剛石（800oC）高，且對鐵元素的化學惰性高，磨削鋼類件可獲得很低的表面粗糙度。,三、機械加工后工件表面層物理機械性能的變化,1. 表面層的冷作硬化,(1) 加工硬化（或冷作硬化）定義 機械加工時，工件表面層金屬受到切削力的作用產生強烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產生剪切滑移，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強度和硬度增加，這種現象稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強化。,(2) 衡量表面層加工硬化的指標

44、表面層的顯微硬度HR； 硬化層深度h； 硬化程度N,HR0：工件原表面層的顯微硬度。,（1）表面殘余應力的產生機理 當切削及磨削過程中加工表面相對于基體材料發(fā)生形狀、體積變化或金相組織變化時，在加工后表面層中將殘留有應力，應力大小隨深度而變化，其最外層的應力和表面層與基體材料交界處（以下簡稱里層）的應力符號相反，并相互平衡。 表面層組織發(fā)生變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產生互相平衡的彈性力。這種應力即為表面層的殘余應力。,2. 表面層殘余應力,機理,（2）冷塑性變形的影響 在切削加工過程中，工件表面層受切削力的作用，金屬晶體發(fā)生塑性變形、位錯、空位等缺陷大為增加，使晶格中的一部分原子

45、偏離其平衡位置造成了晶格的畸變，破壞了原來晶格中原子最緊密的排列，導致金屬密度下降，體積增大。由于表層受切削力的作用，表層產生拉應力。但里層處于彈性變形狀態(tài)下。,（2）冷塑性變形的影響 當切削加工完成后，切削力已去除，里層金屬趨向復原（彈性恢復），但受到已產生塑性變形的表面層限制，回復不到原狀，因而在表面層產生殘余壓應力，里層則為拉應力與之相平衡。,（3）熱塑性變形的影響 表面層在切削熱的作用下產生熱膨脹，此時基體溫度較低，因此表面熱膨脹受到基體的限制而產生熱壓縮應力。當表面層的溫度超過材料的彈性變形的溫度范圍時，就會產生熱塑性變形（在壓力作用下材料相對縮短）。當切削過程結束，溫度下降至與基體

46、溫度一致時，因為表面層已產生熱塑性變形，但受到基體的限制產生拉應力，里層則為殘余壓應力。,距表層深度,（4）金相組織變化的影響 切削時產生的高溫會引起表面層的相變。由于不同的金相組織有不同的比重，表面層金相組織變化的結果造成了體積的變化。表面層體積膨脹時，因為受到基體的限制，產生壓應力；反之表面層體積縮小，則產生拉應力。各種金相組織中，馬氏體比重最小，奧氏體比重最大。,磨削淬火鋼時若表面產生回火現象，馬氏體轉變成索氏體或屈氏體（這兩者組織均為擴散程度很高的珠光體），因體積縮小，表面層產生殘余拉應力，里層產生殘余壓應力。若表面層產生二次淬火現象，則表面層產生二次淬火馬氏體，其體積比里層的回火組織

47、大，因而表層產生壓應力，里層產生拉應力。,切削加工中由于切削熱的作用，加工表面層會產生金相組織的變化。特別是磨削加工，由于磨削速度高，大部分磨粒帶有很大的負前角，磨粒除了切削作用外，很大程度是在刮擦擠壓工件表面，因而產生的磨削熱比切削加工大得多。 磨削時約有70%以上的熱量瞬時進入工件，只有小部分通過切屑、砂輪、冷卻液、大氣帶走，致使磨削時工件表面層溫度很高，表面層的金相組織產生更為復雜的變化，表面層的硬度也相應產生變化，直接影響零件的使用性能。,3. 加工表面的金相組織的變化,（1）磨削燒傷 當被磨削工件表面層溫度達到相變溫度以上時，表層金屬發(fā)生金相組織的變化，使表層金屬強度、硬度降低，并伴

48、隨有殘余力產生，甚至出現微觀裂紋，這種現象稱為磨削燒傷。 在磨削熱的作用下，磨削表面生成氧化膜，這種氧化膜由于厚度不同，其反射光線的干涉狀態(tài)不同，因而形成不同的顏色（表面層呈現黃、褐、紫、青等色），它反映了表面層金相組織變化的程度。,（2）磨削燒傷三種形式,淬火燒傷,磨削時工件表面溫度超過相變臨界溫度Ac3時，則馬氏體轉變?yōu)閵W氏體。在冷卻液作用下，工件最外層金屬會出現二次淬火馬氏體組織。其硬度比原來的回火馬氏體高，但很薄，其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體。由于二次淬火層極薄，表面層總的硬度是降低的，這種現象稱為淬火燒傷。,磨削淬火鋼時，若表面層產生二次淬火現象，則表面層產生二次淬火馬氏體，其

49、體積比里層的回火組織大，因而表層產生壓應力，里層產生拉應力。,0,-,距表層 深度,+,回火燒傷,磨削時，如果工件表面層溫度只是超過原來的回火溫度，則表層原來的回火馬氏體組織將產生回火現象而轉變?yōu)橛捕容^低的回火組織（索氏體或屈氏體），這種現象稱為回火燒傷。,磨削淬火鋼時若表面產生回火現象，馬氏體轉變成索氏體或屈氏體（這兩者組織均為擴散程度很高的珠光體），因體積縮小，表面層產生殘余拉應力，里層產生殘余壓應力。,退火燒傷,磨削時，當工件表面層溫度超過相變臨界溫度Ac3時，則馬氏體轉變?yōu)閵W氏體。若此時無冷卻液，表層金屬空冷冷卻比較緩慢而形成退火組織。硬度和強度均大幅度下降。這種現象稱為退火燒傷。,磨

50、削熱是造成磨削燒傷的根源，故減輕磨削熱損傷的途徑是：一是盡量減少磨削熱的產生；二是改善冷卻條件，盡量使產生的熱量少傳入工件。具體措施有：,（3）減輕磨削熱損傷的途徑,合理地選擇砂輪,一般選擇的砂輪應使在磨削過程中具有自銳能力，同時磨削時砂輪應不致產生粘屑現象。,不同磨料的砂輪在磨削不同材料的工件時，有它一定的適用范圍。 例如： 氧化鋁砂輪磨削低合金鋼、鎳鋼時不產生化學反應，磨損也小，而用碳化硅砂輪磨削這些材料時，則產生較大的化學反應，磨損也大。但在磨削鑄鐵時，相對來講碳化硅的耐磨性要優(yōu)于氧化鋁。,合理地選擇砂輪,人造金剛石由于硬度和強度都極高，刀刃鋒利，所以磨削力小，用于磨削硬質合金時不容易產

51、生裂紋，但不適用于磨削鋼件。 立方氮化硼磨料（CBN）的硬度和強度稍低于金剛石，但其熱穩(wěn)定性好，且與鐵族元素的化學惰性高，所以磨削鋼件時不粘屑，磨削熱也低，磨出的表面質量也高。 砂輪的粘結劑也會影響加工表面質量。精磨時，采用橡膠粘結劑的砂輪可以防止表面燒傷，因為這種粘結劑具有一定的彈性，當磨粒受到過大切削力時會自動退讓，減小磨削深度。,改善冷卻條件,充分地冷卻，可把大量的熱帶走，是降低磨削溫度的有效措施。,工件,冷卻潤滑液,擋板,氣流,砂輪,噴嘴,a. 帶空氣擋板的噴嘴,在冷卻潤滑液噴嘴的上方安裝空氣擋板，將氣流擋出磨削區(qū)，減輕砂輪圓周表面附著的高壓氣流作用，使冷卻潤滑液易于進入磨削區(qū)。,b.

52、 內冷卻 潤滑法,1錐形蓋 2通道孔 3砂輪中心孔 4有徑向小孔的薄壁套,c. 采用開槽砂輪,正確選用磨削用量 磨削用量的選用應在保證表面層質量的前提下盡量不影響生產效率和表面粗糙度。降低砂輪速度能減少表面層的熱損傷，但因為降低砂輪速度會影響生產效率，故一般不常采用。若在提高砂輪速度的同時提高工件速度，可以避免燒傷。,45 表面質量對零件使用性能的影響,一 . 表面質量對零件耐磨性的影響,1. 表面粗糙度對零件耐磨性的影響 一對剛加工好的摩擦副的兩個接觸表面之間，最初階段只是在表面粗糙度的峰部接觸，實際接觸面積遠小于理論接觸面積，在相互接觸的峰部，有非常大的單位壓力，使實際接觸面積處產生塑性變

53、形、彈性變形和峰部之間的剪切破壞，引起嚴重磨損。,零件磨損的特點: 零件磨損一般可分為三個階段，圖中、和三個區(qū)域分別表示了這三個階段。,磨損量,工作 時間,初期磨損階段 正常磨損階段 劇烈磨損階段,：磨損快、時間較短。,：隨著表面粗糙度峰部不斷被碾平和被剪切，實際接觸面積不斷加大，單位壓力也逐漸減小，摩擦副即進入正常磨損階段。正常磨損階段經歷的時間較長。,：隨著表面粗糙度的峰部不斷被碾平和被剪切，接觸面積越大，零件間的金屬分子親和力增大，表面間機械咬合作用增大，磨損急劇增加。區(qū)是劇烈磨損區(qū)，此時摩擦副不能正常工作。,表面粗糙度對零件表面磨損的影響很大。一般說來，表面粗糙度值越小，其耐磨性越好。

54、但表面粗糙度值太小，潤滑油不易儲存，接觸面之間容易發(fā)生分子粘接，磨損反而增加。因此，接觸面的表面粗糙度有一個最佳值一般由試驗確定。,平均磨損量，%,表面粗糙度,發(fā)動機活塞銷最合適的表面粗糙度值,2 . 表面加工紋理方向的影響, 在壓強不大、充分潤滑的條件下，當兩摩擦面的加工紋理方向都與摩擦運動方向平行時，磨損量最小。 當兩摩擦面的加工紋理方向都與摩擦運動方向垂直時，磨損量最大。, 當壓強增加時，若加工紋理方向都與摩擦運動方向平行，則磨損量就大；當加工紋理方向相互垂直時，咬合的危險性小，因而磨損量就小。 。,發(fā)動機曲軸軸頸在充分潤滑的條件下工作，故軸頸與軸瓦的加工紋理方向都應平行于摩擦運動的方向

55、。,3 . 表面冷作硬化對零件耐磨性的影響,加工表面的冷作硬化，使摩擦副表面層金屬的顯微硬度提高，減少了摩擦副接觸處的彈性和塑性變形，故一般可使耐磨性提高。,但也不是冷作硬化程度越高耐磨性也越高，這是因為過分的冷作硬化將引起金屬組織過度疏松，甚至出現裂紋和表層金屬的剝落，使耐磨性下降。,磨損量,HB,320,340,360,380,400,420,440,50,60,70,80,90,二. 表面質量對零件疲勞強度的影響 金屬受交變載荷作用后產生的疲勞破壞往往發(fā)生在零件表面或表面冷硬層下面，因此零件的表面質量對疲勞強度影響較大。 1 . 表面粗糙度對零件疲勞強度的影響 在交變載荷作用下，表面粗糙

56、度的凹谷部位容易引起應力集中，產生疲勞裂紋。表面粗糙度值越大，表面的裂紋越深，紋底半徑越小，抗疲勞破壞的能力越差。零件上易產生應力集中的溝槽、圓角等處的表面粗糙度，對疲勞強度的影響更大。,2 . 殘余應力對零件疲勞強度的影響 殘余應力對疲勞強度的影響較大。表面殘余拉應力將使疲勞裂紋擴大，加速疲勞破壞；而表面殘余壓應力能夠阻止疲勞裂紋的擴展，延緩疲勞破壞的發(fā)生，有利于提高疲勞強度。 3 . 冷作硬化對零件疲勞強度的影響 表面冷作硬化一般伴有殘余壓應力的產生，可以防止裂紋產生并阻止已有裂紋的擴展，對提高疲勞強度有利。但表面冷作硬化過高時，可能會產生較大的脆性裂紋，從而降低疲勞強度。,4. 提高零件疲勞強度的加工方法,（1） 噴丸強化 噴