机械加工质量.pptx

#,第,4,章 机械加工质量,本章要点,机械加工中的振动,影响加工精度的因素,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,机械制造技术基础,第,4,章,机械加工质量,Machining Quality,4.1,机械加工质量概述,Introduction to Machining Quality,4.1.1,机械加工误差与机械加工精度,加工质量,机械加工质量的三个内容：,机械加工精度,机械表面加工质量,机械加工表面变质层,4.1.1,机械加工误差与机械加工精度,加工质量,零件宏观几何形状误差、表面波度、表面粗糙度,a）,波度,b）,表面粗糙度,图,4-1,零件加工表面的粗糙度与波度,R,Z,H,R,Z,宏观几何形状误差,（平面度、圆度等）,波长,/,波高,1000,表面波度,波长,/,波高,=50,1000,；且具有周期特性,(,因加工中的振动形成,),表面粗糙度,波长,/,波高,50,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。,加工精度,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,),4.1.1,机械加工误差与机械加工精度,机械加工精度,4.1.2,机械加工表面质量及其对零件使用性能的影响,机械加工表面质量,图,4-2,加工变质层模型,表,4-1,加工表面变质层的构成情况,4.1.2,机械加工表面质量及其对零件使用性能的影响,影响耐磨性,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,）,影响疲劳强度,影响耐蚀性,影响配合性质,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,机械加工表面质量对使用性能的影响,影响接合面的密封性,表面粗糙度值密封性,影响运动平稳性,影响噪声,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。,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,原始误差构成,4.1.3,机械加工工艺系统的原始误差,4.1.4,误差敏感方向,图,4-5,：,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,4-5,误差敏感方向,Y,R,0,X,a,）,Y,R,0,X,b,）,误差敏感方向,4.1.5,机械加工精度的获得方法,试切法,尺寸精度的获得方法,形状精度的获得方法,成形运动法,轨迹法、展成法和成形刀具法,非成形运动法,利用人工对加工表面进行检测和修整，以获得所要求的形状精度。,位置精度的获得方法,一次装夹法,多次装夹法,非成形运动法,利用人工对加工表面进行检测和修整，以获得所要求的位置精度。,尺寸刀具法,调整法,自动控制法,机械制造技术基础,第,4,章,机械加工质量,Machining Quality,4.2,工艺系统原有误差,对,加工精度的影响及控制,Original error,of Technological System influence to machining Precision and its Control,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,加工原理误差对加工精度的影响及其控制,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,S,R,h,空间曲面数控加工,加工原理误差,4.2.2,量具误差与测量误差对加工精度的影响及其控制,计量器具误差是,由示值误差、示值稳定性、回程误差和灵敏度等四个方面综合起来的极限误差。,测量者的视力、判断能力、测量经验；相对测量或间接测量中所用的对比标准、数学运算精确度；单次测量判断的不准确等。,量具误差,测量误差,4.2.3,装夹误差与夹具误差对加工精度的影响及其控制,利用夹具装夹工件进行加工时，造成工件加工表面之间尺寸和位置误差的因素主要有：,工件装夹误差,ZJ,包括定位误差,DW,和夹紧误差,JJ,。夹紧误差是夹紧工件时引起工件和夹具变形所造成的加工误差。,夹具对定误差,DD,包括对刀误差,DA,和夹具位置误差,JW,。,30,0.05,6,F,7,10,F,7,k,6,20,H,7,g,6,Y,Z,图,4-7,钻,径向孔的夹具,在夹具设计时，对于结构上与工件加工精度有关的技术要求都要严格。一般精加工用夹具的有关尺寸公差取工件相应尺寸公差的,1/21/3,；粗加工时取,1/51/10,。,4.2.3,装夹误差与夹具误差对加工精度的影响及其控制,定位误差,是由基准位置误差和基准不重合误差组成。为减小定位误差，应尽量选用工序基准作为定位基准，并要求夹具定位元件和工件定位基准面的制造误差。一般应将定位误差控制在,1/3,工件尺寸或位置公差。,夹紧误差,是夹具和工件在夹紧力的作用下发生变形而带来的加工误差。通常夹具的变形影响很小，可忽略不计。,对刀误差,产生于对刀导引元件的制造、装配和使用过程。将影响刀具相对于定位元件位置的准确性和一致性，造成一批工件的加工误差。,4.2.4,刀具误差与调整误差对加工精度的影响及其控制,刀具的制造与安装精度,刀具刃口质量直接影响微量切削。,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,为提高成形刀具的刃磨和安装精度，可采用光学曲面磨床进行精确刃磨，通过对刀样板或对刀显微镜，实现成形刀具的准确安装。,在分度转位刀架上安装刀具加工时，应注意尺寸减少分度误差对加工精度的影响。,(,误差敏感方向对加工精度的影响,),图,4-8,立轴转塔车床刀架转位误差的转移,刀具的调整,4.2.4,刀具误差与调整误差对加工精度的影响及其控制,生产中常用的刀具调整方法有：,按标准样块或对刀块,(,导套,),调整刀具,按试切一个工件后的实测尺寸调整刀具。,在成批及大量生产的调整法加工中，零件加工后的尺寸精度很大程度上取决于刀具的调整精度。,按标准样块或对刀块,(,导套,),调整刀具,，影响刀具调整精度的因素：标准样板本身的尺寸精度、对刀块,(,导套,),相对工件定位元件之间的尺寸精度、刀具调整时的目测精度、切削加工时刀具相对于工件加工表面的弹性退让、行程挡块的受力变形。,按试切一个工件后的实测尺寸调整刀具,时，可能导致进给机构的重复定位精度和按试切一个工件尺寸调整刀具的不准确性，引起加工后这批零件尺寸分布中心位置的偏离。,可采用试切几个工件取平均值的方法进行刀具调整，提高对一批工件尺寸分布中心位置判断的准确性。,4.2.4,刀具误差与调整误差对加工精度的影响及其控制,微量进给精度,提高微量进给机构的主要措施：,尽量传动链，减小传动丝杠的长径比，消除各传动元件间的间隙，以提高进给机构的传动刚度；,采用滚珠丝杠螺母副、滚动导轨副或静压导轨，使用性能优越的导轨材料和润滑油，以减小进给机构各传动副间的摩擦力和静、动摩擦系数差；,合理布置传动机构的结构布局，防止运动部件受扭侧力矩而增大摩擦阻力。,采用新型的微量进给原理，如电致伸缩微量进给机构、尺蠖,(hu),机构、摩擦驱动机构等。,4.2.5,机床几何误差对加工精度的影响及其控制,机床的几何精度,机床主轴回转精度的高低，以在规定测量截面内，主轴一转或数转内诸回转中心相对于其平均位置,(,平均轴线,),的变动范围来衡量。,回转运动精度,主轴回转误差,主,轴回转时实际回转轴线与理想回转轴线的偏移量。,主轴回转精度的三种形式,b,）主轴轴向窜动,a,）主轴径向跳动,c,）主轴角度摆动,图,4-10,主轴回转误差形式,回转运动精度,径向跳动产生径向跳动的原因主要是轴承副的制造误差。根据不同的主轴部件布置情况影响支加工精度。,主轴轴承为滑动轴承时，主轴轴颈的误差将在回转过程中引起轴线产生瞬时变化，造成径向跳动。,4.2.5,机床几何误差对加工精度的影响及其控制,图,4-11,采用滑动轴承时主轴径向跳动分析,主轴轴承为滚动轴承时，影响径向跳动的因素：,外环与箱体孔间的配合质量,内环与主轴轴颈的配合质量,外环滚道和内环滚道的圆度,外环滚道对其外圆的同轴度,内环滚道对其内孔的同轴度,轴承装配引起的受力变形,滚动轴承间隙,滚动体的形状及尺寸的一致性,回转运动精度,4.2.5,机床几何误差对加工精度的影响及其控制,由于存在误差敏感方向，加工不同表面时，主轴径向跳动所引起的加工误差也不同。车床上加工外圆、内孔时，主轴径向跳动将引起工件圆度误差，对工件端面加工无影响。,4.2.5,机床几何误差对加工精度的影响及其控制,回转运动精度,轴向窜动,滑动轴承主轴的轴向窜动，是主轴轴颈的轴向承载面或主轴轴承的承载面与主轴回转轴线间的垂直度误差引起的。,滚动轴承主轴的轴向窜动决定于止推轴承两个滚道的精度和滚动体的精度。,根据误差敏感方向分析，车端面时，主轴的轴向窜动将造成工件端面的平面度误差及端面相对于内、外圆的垂直度误差；车削螺纹时会造成螺距误差；主轴的轴向窜动对加工外圆或内孔影响不大。,a,）,b,）,0,图,4-12,止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响,角度摆动,4.2.5,机床几何误差对加工精度的影响及其控制,回转运动精度,角度摆动不仅影响加工表面的圆度误差，而且影响工件加工表面的圆柱度误差。车削外圆或内孔时，角度摆动会造成锥度误差；在镗孔时，会使镗出的孔为椭圆形。,提高主轴回转精度的措施,4.2.5,机床几何误差对加工精度的影响及其控制,回转运动精度,选用高精度的轴承，并提高主轴及箱体的制造精度和主轴部件的装配精度。,对高速主轴部件要进行动平衡，对精密滚动轴承要采取预加载荷等工艺措施。,采用液体或气体静压轴承，由于无磨损，高刚度（是滚动轴承的,5,6,倍），以及对主轴轴颈的形状误差的均化作用，可以大幅度地提高主轴回转精度。,轴类零件采用双固定顶尖定位加工，可避开主轴回转精度对加工精度的直接影响，这在精密磨削加工中经常使用。在这种情况下，工件顶尖孔的形状误差成为影响被加工工件形状精度的决定因素，必须对其及时地进行修整。,4.2.5,机床几何误差对加工精度的影响及其控制,直线运动精度,机床的直线运动精度主要指导轨的导向精度。,准确的直线运动主要取决于：,机床导轨的制造精度,机床导轨与其工作台间的接触精度,机床导轨精度包括：,导轨在水平面内的直线度,导轨在垂直面内的直线度,双导轨间在垂直方向的平行度,接触精度以相互配合的导轨面间单位面积接触斑点个数量。,机床导轨误差对刀具或工件的直线运动精度有直接影响。它将导致刀尖相对于工件加工表面的位置变化，而对工件的形状精度产生影响。,直线运动精度,4.2.5,机床几何误差对加工精度的影响及其控制,X,X,x,将直接反映在工件加工表面法线方向,(,加工误差敏感方向,),上，误差,R,=,x,，对加工精度影响最大。,刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。,导轨在水平面内的直线度,4.2.5,机床几何误差对加工精度的影响及其控制,直线运动精度,Y,对卧式车床,d,Y,2,/,d,若设,Y,=,0.1,mm,d,=40,mm,，,则,d,=0.00025,mm,，影响可忽略不计,(,加工误差非敏感方向,),。,而对平面磨床、龙门刨床误差将直接反映在工件上。,导轨在垂直面内的直线度,4.2.5,机床几何误差对加工精度的影响及其控制,X,图,4-13,导轨扭曲引起的加工误差,H,R,D,B,X,Y,双导轨间在垂直方向的平行度,直线运动精度,n,车床前后纵导轨间存在的,平行度误差。,一般车床,H/B2/3,，故,n,对工件加工表面误差的影响很大。,4.2.5,机床几何误差对加工精度的影响及其控制,成形运动间位置关系精度,图,4-14,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,）,4.2.5,机床几何误差对加工精度的影响及其控制,成形运动间位置关系精度,图,4-15,成形运动间位置误差对卧镗内孔的影响,图,4-16,端铣刀对称铣削时的平面度误差和移位加工,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,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。,成形运动间速度关系精度,4.2.5,机床几何误差对加工精度的影响及其控制,缩短传动链长度,采用降速传动,提高末端元件的制造精度与装配精度,采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节,采取误差补偿方法,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,4.2.5,机床几何误差对加工精度的影响及其控制,图,4-19,丝杠加工误差补偿装置,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,机械制造技术基础,第,4,章,机械加工质量,Machining Quality,4.3,加工过程中原始误差对,加工精度的影响,Processing the original error,influence to machining Precision,机械加工中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、惯性力和重力等外力的作用下，将产生相应变形,使工件产生加工误差。,4.3.1,工艺系统受力变形对加工精度的影响及其控制,工艺系统刚度及其对加工精度的影响,在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力,F,n,与变形量之比,4.3.1,工艺系统受力变形对加工精度的影响及其控制,工艺系统刚度及其对加工精度的影响,工艺系统刚度,指工艺系统在受力作用下抵抗其变形的能力。,式中,K,s,工艺系统刚度；,F,p,车削加工时的背向力；,x,工艺系统位移（切削合力作用下的位移）。,车削外圆时，,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,工艺系统刚度的倒数等于系统各组成环节刚度的倒数之和。工艺系统刚度主要取决于薄弱环节的刚度。,4.3.1,工艺系统受力变形对加工精度的影响及其控制,图,4-20,车削外圆时的工艺系统受力变形,X,H,X,T,X,B,X,F,p,A,A,B,B,C,C,Z,L,F,A,F,B,X,z,工艺系统刚度计算,(4-18),式中，,K,H,、,K,T,、,K,B,机床床头、尾座及刀架部件的实测平均刚度；,E,工件材料弹性模量；,J,工件截面惯性矩。,机床部件的刚度,主要受相关零件接合面间的间隙、接触变形和摩擦力等因素的影响。现主要依靠实验测定的方法获得。,4.3.1,工艺系统受力变形对加工精度的影响及其控制,工艺系统刚度随刀具位置的变化而变化，使加工出来的工件产生圆柱度误差。,图,4-21,误差复映现象,a,p,1,x,1,a,p,2,x,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,”,加工过程中切削力变化产生的加工误差,误差复映,4.3.1,工艺系统受力变形对加工精度的影响及其控制,在工件加工过程中，由于工件毛坯加工余量不匀或工件材料硬度不均，将会引起切削力的变化，使工艺系统的变形发生变化，从而造成加工误差。,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。,（,4-24,）,4.3.1,工艺系统受力变形对加工精度的影响及其控制,误差复映系数,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。,加工过程中切削力变化产生的加工误差,式中，,w,工件加工前的误差；,B,工件加工后的误差；,C,Fp,径向切削力系数；,f,进给量；,y,Fp,进给量对切削力的影响指数。,提高工件在加工时的刚度,a,）,b,）,图,4-22,薄壁套夹紧变形,【,例,1】,薄壁套夹紧变形,解决：,加开口套,提高工艺系统刚度的措施,4.3.1,工艺系统受力变形对加工精度的影响及其控制,提高刀具在加工时的刚度,提高机床和夹具的刚度,尽量减少连接面数目，尽可能提高零件配合面的形状精度，减小表面粗糙度，增大连接时的实际接触面积，以减少总的接触变形。装配时，采取预紧措施，可消除接合面间的间隙和提高接触刚度。,龙门铣横梁变形,【,例,】,龙门铣横梁,龙门铣横梁变形转移,龙门铣横梁变形补偿,减小部件自重引起的机床结构变形对加工精度的影响,解决,1,：,重量转移,解决,2,：,变形补偿,4.3.1,工艺系统受力变形对加工精度的影响及其控制,4.3.2,工艺系统受热变形对加工精度的影响及其控制,工艺系统的热源,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,40,70%,。,工艺系统热变形,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，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,车床受热变形,a,）车床受热变形形态,b,）温升与变形曲线,使机床产生热变形的热源主要是摩擦热、传动热和外界热源传入热量。,工艺系统热变形对加工精度的影响,机床热变形对加工精度的影响,立铣（图,a,）,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,4.3.2,工艺系统受热变形对加工精度的影响及其控制,4.3.2,工艺系统受热变形对加工精度的影响及其控制,工件热变形对加工精度的影响,工艺系统热变形对加工精度的影响,机械加工过程中，使工件产生热变形的热源主要是切削热或磨削热,。,对于精密零件，环境温度变化和日光、取暖设备等外部热源对工艺系统的局部辐射等也不容忽视。,车削或磨削轴类工件外圆时，可近似看成是均匀受热的情况。工件均匀受热影响工件的尺寸精度，其变形量,(mm),可按下式估算：,式中：,工件材料的热膨胀系数,1/),；,L,工件在热变形方向上的尺寸（,mm),；,t,工件平均温升（,),。,4.3.2,工艺系统受热变形对加工精度的影响及其控制,工艺系统热变形对加工精度的影响,图,4-23,平板磨削加工时的翘曲变形及其计算,当工件受热不均时，如磨削零件单一表面，由于工件单面受热而产生向上翘曲变形,y,，加工冷却后将形成中凹的形状误差,y,：,工件长度,L,越大，厚度,H,越小，则中凹形状误差,y,就越大。为减小工件的热变形带来的加工误差，应控制工件上下表面的温差,。,在精密丝杠磨削加工中，工件的热伸长将引起螺距的累积误差。,y,/,4,L,H,4.3.2,工艺系统受热变形对加工精度的影响及其控制,刀具热变形对加工精度的影响,工艺系统热变形对加工精度的影响,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),(min),图,4-24,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,使刀具产生热变形的热源主要是切削热。切削热传入刀具的比例虽然不大（车削时约为,5,左右），但由于刀具体积小，热容量小，所以刀具切削部分的温升仍较高。,4.3.2,工艺系统受热变形对加工精度的影响及其控制,控制工艺系统热变形的主要措施,减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。,润滑，减少运动部件间的摩擦。,隔离热源。,减少热量的产生和传入,加强散热能力,充分冷却和强制冷却。,均衡温度场,热对称结构,热补偿结构,热变形方向为非误差敏感方向,控制环境温度,恒温,人体隔离,4.3.3,工艺系统磨损对加工精度影响,工艺系统磨损对加工精度的影响,机床磨损对加工精度的影响,影响机床上工件和工具的运动精度及其相互间的位置关系、速比关系、破坏机床成形运动的原有精度，造成被加工零件的形状和位置误差。,刀具磨损对加工精度的影响,夹具磨损对加工精度的影响,量具磨损对加工精度的影响,影响被加工表面与定位基准面间的尺寸精度和位置精度。,造成工件的尺寸和形状误差。,影响零件的试切精度，造成加工误差。,减少工艺系统磨损的措施,4.3.3,工艺系统磨损对加工精度影响,提高导轨耐磨性,采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨、导轨表面淬火、合理润滑等。,正确选用刀具材料，减少刀具磨损,合理选择刀具参数、切削用量，正确地刃磨刀具，合理地使用冷却润滑液等。,减少夹具磨损,提高夹具中易磨损件的耐磨性，并及时磨损更换超限的夹具元件。,4.3.4,工件残余应对加工精度的影响及其控制,未施加任何外力作用情况下，材料内部保持平衡而存在的应力。,残余应力概念,残余应力种类,残余压应力,残余拉应力,热塑变形效应：,表层张应力，里层压应力,里层金属弹性恢复：,若里层金属产生压缩变形，则弹性恢复后表层得到压应力，里层为张应力,表层金属相变：,影响复杂，若切削区温度超过相变温度，则珠光体受热转变成奥氏体，冷却后又转变成马氏体，体积膨胀，表层产生压应力,实际应力状态是上述各因素影响的综合结果,残余应力产生原因,4.3.4,工件残余应对加工精度的影响及其控制,图,4-25,铸件残余应力引起变形,图,4-26,冷校直引起的残余应力,设计合理零件结构,必要的热处理,粗、精加工分开,避免冷校直,残余应力对加工精度的影响,毛坯制造和热处理产生的残余应力（图,4-25,）,减小残余应力措施,冷校直带来的残余应力,(,图,4-26),切削加工带来的残余应力,机械制造技术基础,第,4,章,机械加工质量,Machining Quality,4.4,加工误差的统计分析,Statistic Analysis of,Machining Errors,4.4.1,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,4.4.1,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,4.4.2,机械加工误差的分布规律,图,4-27,机械加工误差的分布规律,4.4.2,机械加工误差的分布规律,分布曲线,正态分布,式中，,y,分布的概率密度；,x,随机变量；,正态分布随机变量总体平均值；,正态分布随机变量,的标准差。,概率密度函数,（,4-27,）,y,F,（,z,）,图,4-28,正态分布曲线,(,z,=0),x,(,z,),0,z,-,+,4.4.2,机械加工误差的分布规律,正态分布曲线的特性,正态分布,正态分布曲线是关于,x=,的对称曲线。,当,x=,时，曲线取得最大值：,在,x,=,处，曲线有拐点；当,x,，曲线接近,x,轴，即,x,轴为分布曲线的渐近线。,若改变,值，分布曲线将沿横坐标移动而不改变其形状，说明,表征分布曲线位置的参数。,分布曲线的最大值,y,max,与,成反比。,是表征分布曲线形状的参数，反映了随机变量,x,取值的分散程度。,4.4.2,机械加工误差的分布规律,正态分布,图,4-29,对正态分布曲线的影响,图,4-30,对正态分布曲线的影响,4.4.2,机械加工误差的分布规律,平均值,=0,，标准差,=1,的正态分布称为标准正态分布，记为：,x,(,z,),N,(,2,),正态分布,由分布函数的定义，正态分布函数是正态分布概率密度函数的积分,（,4-29,）,令：,将,z,代入上式，则：,称,z,为标准化变量,4.4.2,机械加工误差的分布规律,正态分布,当,z=,3,时，即,x-,=,3,时，随机变量,x,落在,3,范围内的概率为,99.7%,，落在此范围以外的概率仅不,0.27%,。故可以认为,正态分布的随机变量的分散范围是,3,，即,3,原则。,6,的大小代表了某种加工方法在一定条件下所能达到的加工精度。一般情况下，应使所选择加工方法的标准差,与公差带,T,间具有下列关系：,6,T,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（图示,a,）,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）（图示,b,）,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（图示,c,）,几种非正态分布,4.4.2,机械加工误差的分布规律,4.4.3,加工误差的统计方法,统计分析法,是以现场观察与实际测量所得的数据为基础，应用概率论和统计学原理，确定在一定加工条件下，一批零件加工误差的大小及其分布情况。,此法既可以识别系统的大小与方向，也可识别各种随机误差因素对加工精度的综合影响。,适用于调整法加工的成批、大量生产。,加工误差的统计分析,分布图法,通过测量一批零件加工后的实际尺寸，做出尺寸分布曲线，然后按此曲线的位置,(,相对于理想尺寸,),和形状,(,分散范围,),判断这种加工方法产生误差的性质和大小。,(1),计算平均尺寸,式中，,x,i,各实测尺寸；,n,实测零件的总数。,(2),计算常值系统误差,式中，,x,M,工件的理想尺寸，即公差带中心值；,所测尺寸的算术平均值。,分布图法,4.4.3,加工误差的统计方法,常值系统误差一般可以通过对工艺系统进行适当的调整来消除或减小。,图,4-31,一批零件加工尺寸分布图,(3),计算随机误差,(4),确定工序能力系数,一般情况下，工序能力不应低于二级，即,C,P,1,。,只有当时，才不会出现不合格品。,实际工艺能力系数,C,PK,：,分布图法,4.4.3,加工误差的统计方法,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,4-3,工序能力等级,分布图法,4.4.3,加工误差的统计方法,工艺能力系数,C,P,表示工艺过程本身的能力，而,实际工艺能力系数,C,PK,则表示工艺过程满足加工质量要求的能力，是对“工艺过程能力”和“质量控制能力”的综合。,(5),计算不合格品率,通常情况下，计算不合格品率需要同时考虑常值系统误差和随机误差。,尺寸过大不合格品率：,尺寸过小不合格品率：,(6),分析减少不合格品的措施,消除常值系统误差,提高工序能力,增大不合格品的可修复性,4.4.3,加工误差的统计方法,分布图法,图,4-32,尺寸调整前后的不合格品率,点图法,4.4.3,加工误差的统计方法,逐点点图,在一批零件加工过程中，依次测量每个零件的加工尺寸，并记入以顺次加工的零件号不横坐标、零件加工尺寸为纵坐标的图表中，便构成了逐点点图。,采用点图法分析可明显发现变值系统误差。其随机误差的分布宽度为,6,，远比,6,小。,由于刀具磨损产生变值系统误差为,vs,=ntan,，则每个零件的系统误差为,s,=C+ntan,。,式中，,n,零件加工顺序号；,tan,直径变化斜率；,C,常值系统误差。,图,4-33,在车床上用调整法加工轴颈的点图,在点图上，是小样本均值的均值线，,UCL,、,LCL,是小样本均值的上、下控制线。在,R,图上，是小样本极差,R,的均值线，,UR,是小样本极差的上控制线。,图是由小样本,(,样组,),均值的点图和小样本极差,R,的点图组成，横坐标是按时间先后采集的小样本组序号，纵坐标分别是小样本均值和极差,R,。,4.4.3,加工误差的统计方法,点图法,图,图,4-34,图,R,图,UCL,0,5,10,样组序号,15,20,LCL,0,5,10,样组序号,15,20,x,图,LCL,UCL,R,i,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,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,4.4.3,加工误差的统计方法,点图反映工艺过程质量指标分布中心,(,系统误差,),的变化，,R,图反映工艺过程质量指标分散范围,(,随机误差,),的变化，两图必须联合使用。,机械制造技术基础,第,4,章,机械加工质量,Machining Quality,4.5,机械加工表面质量的影响因素,及改善措施,Surface machining quality factors and improvement measures,4.5.1,切削加工表面的形成过程,o,h,D,h,D,h,O,B,D,C,图,4-35,已加工表面形成过程,o,VB,r,n,刀具钝圆半径,r,n,r,n,值主要由刀具材料的晶位结构及刃磨质量决定。一般情况下，高速钢,r,n,约为,1018m,，最小可达,5m,;,硬质合金,r,n,约为,1832m,，最小可达,36m,。刀具前角,o,和后角,o,越大，刃磨质量越好，,r,n,值会增大。,切削过程中，后刀面与加工表面间的摩擦挤压，加剧了加工表面的塑性变形，甚至引起表层的非晶质化、纤维化及加工硬化等。,图中,O,点为切削层金属的分流点。,图,4-36,表面粗糙度,4.5.2,机械加工表面粗糙度,概述,经过切,(,磨,),削加工后的表面总会有微观几何形状的不平度，其高度称为粗糙度。,粗糙度,理论,(,理想,),粗糙度,把刀具看成纯几何线时，切削刃相对于工件运动所形成表面的微观不平度，其值取决于残留面积的大小。,R,max,f,v,f,实际粗糙度,远大于理论粗糙度,4.5.2,机械加工表面粗糙度,切削加工表面粗糙度产生的原因及其控制,切削加工表面粗糙度的成因,切削加工表面的实际粗糙度是由理论粗糙度、积屑瘤与鳞刺、切削机理的变化、切削刃与工件的相对位置变化,(,颤振,),、切削刃损坏及刀具的边界磨损等原因造成的。,图,4-37,车削时残留面积的高度,直线刃车刀,(,图,4-37a),圆弧刃车刀,(,图,4-37b),影响因素：,f,r,R,max,v,f,r,b,）,R,max,f,a,）,v,f,理论粗糙度,4.5.2,机械加工表面粗糙度,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。,其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等,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,切削表面塑性变形和积屑瘤,4.5.2,机械加工表面粗糙度,积屑瘤的影响及其抑制,积屑瘤的形成条件,工件方面一般切塑性材料且呈带状切屑时才有可能形成积屑瘤。,刀具方面刀具前角,o,=0,或较小或,o,0,，刀具刃磨质量不佳，刃口附近的前后刀面粗糙度值较大、切削刃不平整，易形成积屑瘤。,切削条件方面切削速度,v,c,中等，进给量,f,(,或切削厚度,h,D,),较大，不用切削液或切削液不起润滑减摩作用时，易形成积屑瘤。,4.5.2,机械加工表面粗糙度,图,4-38,积屑瘤与过切量,h,D,形成过切，造成犁沟，影响加工精度,增大了表面粗糙度。,积屑瘤顶部周期性地生成与脱落，部分碎片镶嵌在已加工表面上，影响了表面质量。,积屑瘤脱落时，会造成刀具的粘结磨损，增大了加工表面粗糙度。,积屑瘤对表面质量的影响,4.5.2,机械加工表面粗糙度,积屑瘤的影响及其抑制,鳞刺的影响,在切削过程中，由于切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用，使切屑在前刀面上产生周期性停留，从而挤拉刚加工过的表面，严重时使表面出现撕裂现象，在已加工表面上形成鳞片状毛刺，使表面粗糙不平。,是塑性金属材料精加工的一大障碍,4.5.2,机械加工表面粗糙度,切削机理的变化,图,4-39,非连续性切屑及加工表面,图,4-40,切削刃两侧工件材料的隆起现象,4.5.2,机械加工表面粗糙度,切削刃工件相对位置变化,(,颤振,),切削刃损坏及刀具边界磨损,运动机构的跳动和切削过程的波动，均会使刀具与工件间的位置发生变化，从而使切削厚度、宽度发生变化。这些变化的不稳定因素会引起工艺系统的自激振动，使相对位置变化的振幅加大，引起背刀量变化,即表面粗糙度值加大。,图,4-43,刀具边界磨损及凸起,4.5.2,机械加工表面粗糙度,切削加工表面粗糙度的控制,刀具方面,适当地减小,r,，,r,，或增大,r,，以减小残留面积高度,R,max,，即减小表面粗糙度。,增大,o,，使塑性变形减小，也可抑制积屑瘤和鳞刺的生成。,采用稍大于,f,的修光刀,(,r,=0),能减小,R,max,。,提高刀面和切削刃的刃磨质量，减小刀面和切削刃的表面粗糙度，减小与加工表面间的摩擦及表面粗糙度的复映，有利于抑制积屑瘤和鳞刺的生成。,采用能减小与钢摩擦的,TiN,、,TiC,涂层刀具，以减小粘结以及积屑瘤和鳞刺的生成。,严格控制刀具磨损值，后刀面磨损和边界磨损，要换刀。,4.5.2,机械加工表面粗糙度,切削加工表面粗糙度的控制,工件方面,加工塑性较大的低碳钢时，可预先将工件进行调质处理，提高其硬度、降低塑性，可以抑制积屑瘤和鳞刺的生成，减小表面粗糙度。,切削条件方面,切削中碳钢时可降低切削速度,(,v,c,30m/min),，以避开积屑瘤生长区。,减小进给量,f,，不仅减小了残留面积高度,R,max,，也减小了刀,-,屑接触区的法向力，避免刀,-,屑间的粘结，从而可抑制积屑瘤和鳞刺的生成。,采用加热切削或低温切削，以避免积屑瘤和鳞刺的生成。,使用性能好的切削液，减小摩擦抑制积屑瘤和鳞刺的生成，以减小,Ra,。,防止机床加工系统的高频振动，也可减小表面粗糙度。,4.5.2,机械加工表面粗糙度,磨削加工表面粗糙度及其控制,磨削表面粗糙度有沿磨削速度方向和垂直于磨削速度方向。通常所说的磨削表面粗糙度是指垂直于磨削速度方向的。,磨削表面粗糙度,式中，,v,c,、,v,w,分别表示砂轮和工件的速度；,R,s,、,R,w,分别表示砂轮和工件的半径；,m