機械加工質(zhì)量學習課件

1、 機械加工表面變質(zhì)層材料性能方面的質(zhì)量 表面波度振動產(chǎn)生 械加工表面粗糙度微觀幾何形狀誤差機 機械加工誤差 位置誤差 形狀誤差 尺寸誤差 宏觀幾何誤差 表面幾何方面的質(zhì)量 機械加工質(zhì)量 機械加工質(zhì)量的三個內(nèi)容： 機械加工精度 機械表面加工質(zhì)量 機械加工表面變質(zhì)層 零件宏觀幾何形狀誤差、表面波度、表面粗糙度 a）波度 b）表面粗糙度 圖4-1 零件加工表面的粗糙度與波度 RZ H RZ 加工精度：零件加工后實際幾何參數(shù)與理想幾何參數(shù)接近程度。 加工精度 尺寸精度 形狀精度 位置精度 (通常形狀誤差限制在位置公差內(nèi)，位置公差限 制在尺寸公差內(nèi)) 殘余應力 加工硬化 加工表面變質(zhì)層 表面粗糙度 機械

2、加工表面質(zhì)量 圖4-2 加工變質(zhì)層模型 表4-1 加工表面變質(zhì)層的構成情況 Ra（m） 初始磨損量 重載荷 輕載荷 圖4-3 表面粗糙度與初始 磨損量 表面粗糙度值 耐疲勞性 適當硬化可提高耐疲勞性 表面粗糙度值耐蝕性 表面壓應力：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（圖 4-3） 紋理形式與方向：圓弧狀、凹坑狀較好 適當硬化可提高耐磨性 表面粗糙度值密封性 引起加工誤差的根本原因是工藝系統(tǒng)存在著誤差，將工藝系 統(tǒng)的誤差稱為原始誤差。 原始 誤差 與工藝系統(tǒng)原始狀 態(tài)有關的原始誤差 (幾何誤差) 與工藝過程有關的 原始誤差(動誤差) 原理誤差 定位誤差 調(diào)整

3、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 工件殘余應力引起的變形 工件相對于刀具靜止狀態(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 導軌導向誤差 傳動誤差 原始誤差構成 R Y R R R =X 2 0 2 Y Y R R （4-1） X RX （4-2） 顯然： XY RR 圖4-5 誤差敏感方向 Y R0 X a） Y R0 X b） 試切法 成形運動法軌跡法、展成法和成形刀具法 非成形運動法利用人工對加工表面進行檢測和修整，以獲得所要求 的形狀精度。 一次裝夾法 多次裝夾法 非成形運動法利用人工對加工表面

4、進行檢測和修整，以獲得所要求 的位置精度。 尺寸刀具法 調(diào)整法 自動控制法 加工原理誤差是指采用了近似的成型運動或近似的刀刃輪廓進行加工而產(chǎn)生 的誤差。 式中 R 球頭刀半徑； h 允許的殘留高度。 例2：用阿基米德蝸桿滾刀滾切漸開 線齒輪 例1：在數(shù)控銑床上采用球頭刀銑削復雜形面零件 S R h 空間曲面數(shù)控加工 8SR h 計量器具誤差是由示值誤差、示值穩(wěn)定性、回程誤差和靈敏度等四個方面綜 合起來的極限誤差。 測量者的視力、判斷能力、測量經(jīng)驗；相對測量或間接測量中所用的對比標 準、數(shù)學運算精確度；單次測量判斷的不準確等。 利用夾具裝夾工件進行加工時，造成工件加工表面之間尺寸和位置誤差的因素

5、主 要有： 工件裝夾誤差ZJ包括定位誤差DW和夾緊誤 差JJ。夾緊誤差是夾緊工件時引起工件和夾具變形 所造成的加工誤差。 夾具對定誤差DD包括對刀誤差DA和夾具位置 誤差JW。 300.05 6F7 10 F7 k6 20 H 7 g 6 Y Z 圖4-7 鉆徑向孔的夾具 在夾具設計時，對于結構上與工件加工精度 有關的技術要求都要嚴格。一般精加工用夾 具的有關尺寸公差取工件相應尺寸公差的 1/21/3；粗加工時取1/51/10。 p定位誤差是由基準位置誤差和基準不重合誤差組成。為減小定位誤差，應盡量 選用工序基準作為定位基準，并要求夾具定位元件和工件定位基準面的制造誤差。 一般應將定位誤差控制

6、在1/3工件尺寸或位置公差。 p夾緊誤差是夾具和工件在夾緊力的作用下發(fā)生變形而帶來的加工誤差。通常 夾具的變形影響很小，可忽略不計。 p對刀誤差產(chǎn)生于對刀導引元件的制造、裝配和使用過程。將影響刀具相對于 定位元件位置的準確性和一致性，造成一批工件的加工誤差。 刀具刃口質(zhì)量直接影響微量切削。 為提高成形刀具的刃磨和安裝精度，可采用光學曲面磨床進行精確刃磨，通過對刀 樣板或?qū)Φ讹@微鏡，實現(xiàn)成形刀具的準確安裝。 在分度轉(zhuǎn)位刀架上安裝刀具加工時，應注意尺寸減少分度誤差對加工精度的影響。 (誤差敏感方向?qū)庸ぞ鹊挠绊? 圖4-8 立軸轉(zhuǎn)塔車床刀架轉(zhuǎn)位誤差的轉(zhuǎn)移 生產(chǎn)中常用的刀具調(diào)整方法有： 按標準樣塊

7、或?qū)Φ秹K(導套)調(diào)整刀具 按試切一個工件后的實測尺寸調(diào)整刀具。 在成批及大量生產(chǎn)的調(diào)整法加工中， 零件加工后的尺寸精度很大程度上 取決于刀具的調(diào)整精度。 p按標準樣塊或?qū)Φ秹K(導套)調(diào)整刀具，影響刀具調(diào)整精度的因素：標準樣板本身 的尺寸精度、對刀塊(導套)相對工件定位元件之間的尺寸精度、刀具調(diào)整時的目測 精度、切削加工時刀具相對于工件加工表面的彈性退讓、行程擋塊的受力變形。 p按試切一個工件后的實測尺寸調(diào)整刀具時，可能導致進給機構的重復定位精度和按 試切一個工件尺寸調(diào)整刀具的不準確性，引起加工后這批零件尺寸分布中心位置的偏 離。 可采用試切幾個工件取平均值的方法進行刀具調(diào)整，提高對一批工件尺寸

8、分布中心 位置判斷的準確性。 提高微量進給機構的主要措施： u盡量傳動鏈，減小傳動絲杠的長徑比，消除各傳動元件間的間隙，以提高進給 機構的傳動剛度； u采用滾珠絲杠螺母副、滾動導軌副或靜壓導軌，使用性能優(yōu)越的導軌材料和潤 滑油，以減小進給機構各傳動副間的摩擦力和靜、動摩擦系數(shù)差； u合理布置傳動機構的結構布局，防止運動部件受扭側(cè)力矩而增大摩擦阻力。 u采用新型的微量進給原理，如電致伸縮微量進給機構、尺蠖(hu )機構、摩擦 驅(qū)動機構等。 傳動精度 運動間位置關系精度 直線運動精度 回轉(zhuǎn)運動精度 u機床主軸回轉(zhuǎn)精度的高低，以在規(guī)定測量截面 內(nèi)，主軸一轉(zhuǎn)或數(shù)轉(zhuǎn)內(nèi)諸回轉(zhuǎn)中心相對于其平均位 置(平均軸

9、線)的變動范圍來衡量。 u主軸回轉(zhuǎn)誤差主軸回轉(zhuǎn)時實際回轉(zhuǎn)軸線與理 想回轉(zhuǎn)軸線的偏移量。 u主軸回轉(zhuǎn)精度的三種形式 b）主軸軸向竄動 a）主軸徑向跳動 c）主軸角度擺動 圖4-10主軸回轉(zhuǎn)誤差形式 p徑向跳動產(chǎn)生徑向跳動的原因主要是軸承副的制造誤差。根據(jù)不同的主軸部件 布置情況影響支加工精度。 主軸軸承為滑動軸承時，主軸軸頸的誤差將在回轉(zhuǎn)過程中引起軸線產(chǎn)生瞬時變化， 造成徑向跳動。 圖4-11 采用滑動軸承時主軸徑向跳動分析 主軸軸承為滾動軸承時，影響徑向跳動的因素： 外環(huán)與箱體孔間的配合質(zhì)量 內(nèi)環(huán)與主軸軸頸的配合質(zhì)量 外環(huán)滾道和內(nèi)環(huán)滾道的圓度 外環(huán)滾道對其外圓的同軸度 內(nèi)環(huán)滾道對其內(nèi)孔的同軸度

10、 軸承裝配引起的受力變形 滾動軸承間隙 滾動體的形狀及尺寸的一致性 由于存在誤差敏感方向，加工不同表面時，主軸徑向跳動所引起的加工誤差也不 同。車床上加工外圓、內(nèi)孔時，主軸徑向跳動將引起工件圓度誤差，對工件端面加 工無影響。 p軸向竄動 滑動軸承主軸的軸向竄動，是主軸軸頸的 軸向承載面或主軸軸承的承載面與主軸回 轉(zhuǎn)軸線間的垂直度誤差引起的。 滾動軸承主軸的軸向竄動決定于止推軸承 兩個滾道的精度和滾動體的精度。 根據(jù)誤差敏感方向分析，車端面時，主軸的軸向 竄動將造成工件端面的平面度誤差及端面相對于內(nèi)、 外圓的垂直度誤差；車削螺紋時會造成螺距誤差； 主軸的軸向竄動對加工外圓或內(nèi)孔影響不大。 a）

11、b） 0 圖4-12 止推軸承端面誤差對主軸軸向竄動 的影響 p角度擺動 角度擺動不僅影響加工表面的圓度誤差，而且影響工件加工表面 的圓柱度誤差。車削外圓或內(nèi)孔時，角度擺動會造成錐度誤差；在鏜 孔時，會使鏜出的孔為橢圓形。 n提高主軸回轉(zhuǎn)精度的措施 選用高精度的軸承，并提高主軸及箱體的制造精度和主軸部件的裝配精度。 對高速主軸部件要進行動平衡，對精密滾動軸承要采取預加載荷等工藝措 施。 采用液體或氣體靜壓軸承，由于無磨損，高剛度（是滾動軸承的56倍）， 以及對主軸軸頸的形狀誤差的均化作用，可以大幅度地提高主軸回轉(zhuǎn)精度。 軸類零件采用雙固定頂尖定位加工，可避開主軸回轉(zhuǎn)精度對加工精度的直接 影響，

12、這在精密磨削加工中經(jīng)常使用。在這種情況下，工件頂尖孔的形狀誤差 成為影響被加工工件形狀精度的決定因素，必須對其及時地進行修整。 n機床的直線運動精度主要指導軌的導向精度。 n準確的直線運動主要取決于： 機床導軌的制造精度 機床導軌與其工作臺間的接觸精度 機床導軌精度包括： 導軌在水平面內(nèi)的直線度 導軌在垂直面內(nèi)的直線度 雙導軌間在垂直方向的平行度 接觸精度以相互配合的導軌面間單位面積接觸斑點個數(shù)量。 u機床導軌誤差對刀具或工件的直線運動精度有直接影響。它將導致刀尖相對于 工件加工表面的位置變化，而對工件的形狀精度產(chǎn)生影響。 X X px將直接反映在工件加工表面法線方向?qū)⒅苯臃从吃诠ぜ庸け砻娣?/p>

13、線方向(加工誤差敏感方向加工誤差敏感方向)上，誤差上，誤差R =x，對加工精度影響最大。，對加工精度影響最大。 p刀尖在水平面內(nèi)的運動軌跡造成工件軸向形狀誤差。刀尖在水平面內(nèi)的運動軌跡造成工件軸向形狀誤差。 u導軌在水平面內(nèi)的直線度 Y p對臥式車床對臥式車床d Y2/d 若設若設Y= = 0.10.1mm, ,d=40=40mm，則則d =0.00025=0.00025mm， 影響可忽略不計影響可忽略不計(加工誤差非敏感方向) 。 p而對平面磨床、龍門刨床誤差將直接反映在工件上。而對平面磨床、龍門刨床誤差將直接反映在工件上。 u導軌在垂直面內(nèi)的直線度 X 圖4-13 導軌扭曲引起的加工誤差

14、H R D B X Y u雙導軌間在垂直方向的平行度 n B H XR n車床前后縱導軌間存在的 平行度誤差。 一般車床H/B2/3，故n對工件加工 表面誤差的影響很大。 圖4-14 成形運動間位置誤差對外圓和端面車削的影響 f Z zz c） Hy R0 f X Z L f d Ddx a）b） 圖4-15 成形運動間位置誤差對臥鏜內(nèi)孔的影響 圖4-16 端銑刀對稱銑削時的平面度誤差和移位加工 圖4-17 齒輪機床傳動鏈 z7 = z8 = 16 z1 = 64 zn = 96 z5 = z6 = 23 z3 = z4 = 23 b z2 = 16 zn-1 = 1 ic e f a c d

15、 11 1 sin nn jjjnj jj j kkt k 以齒輪機床傳動鏈為例： 式中 n 傳動鏈末端元件 轉(zhuǎn)角誤差； kj 第j 個傳動元件的 誤差傳遞系數(shù)，表明第j個傳動 元件對末端元件轉(zhuǎn)角誤差影響 程度，其數(shù)值等于該元件至末 端元件的傳動比； n 傳動鏈末端元件 角速度； j 第j 個傳動元件轉(zhuǎn) 角誤差的初相角。 圖4-18 傳動鏈誤差的頻譜分析 a) n A1 A2 Ai b) (頻率) A(幅值) 12 i 提高傳動精度措施 圖4-19 絲杠加工誤差補償裝置 1 工件 2 螺母 3 母絲杠 4 杠桿 5 校正尺 6 觸頭 7 校正曲線 機械加工中，工藝系統(tǒng)在切削力、夾緊力、傳動力、

16、慣性力和重力等外力的作用 下，將產(chǎn)生相應變形, 使工件產(chǎn)生加工誤差。 在加工誤差敏感方向上工藝系統(tǒng)所受外力Fn與變形量之比 x F K p s 式中 Ks工藝系統(tǒng)剛度； Fp車削加工時的背向力； x 工藝系統(tǒng)位移（切削合力作用下的位移）。 車削外圓時， n s F K 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系： 工件工件夾具夾具刀具刀具機床機床系系 kkkkk 11111 工藝系統(tǒng)剛度的倒數(shù)等于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)剛度的倒數(shù)之和。工藝系統(tǒng)剛度 主要取決于薄弱環(huán)節(jié)的剛度。 圖4-20 車削外圓時的工藝系統(tǒng)受力變形 XH XT XB

17、 X Fp A A B B C C Z L FAFB Xz 22 3 22 )1 ()( 3 1 )( 1 )1 ( 1 1 L z L z EJ L KL z KL z K x F K BTH s p s (4-18) 式中，KH、KT、KB機床床頭、尾座及刀架部件的實測平均剛度； E工件材料彈性模量； J工件截面慣性矩。 機床部件的剛度主要受相關零件接合面間的間 隙、接觸變形和摩擦力等因素的影響?，F(xiàn)主要 依靠實驗測定的方法獲得。 工藝系統(tǒng)剛度隨刀具位置的變化而變化，使 加工出來的工件產(chǎn)生圓柱度誤差。 圖4-21 誤差復映現(xiàn)象 ap1 x1 ap2 x2 毛坯外形 工件外形 由于工藝系統(tǒng)受力

18、變形，使毛坯誤差部分 反映到工件上，此種現(xiàn)象稱為“誤差復映 ” v在工件加工過程中，由于工件毛坯加工余量不勻或工件材料硬度不均，將會引起切削 力的變化，使工藝系統(tǒng)的變形發(fā)生變化，從而造成加工誤差。 機械加工中，誤差復映系數(shù)通常小于1?？赏ㄟ^多次走刀，消除誤差復映的影響 。 123n （4-24） 誤差復映程度可用誤差復映系數(shù)來表示，誤差復映系數(shù)與系統(tǒng)剛度成反比。 s y F B w K fC p F p 式中，w工件加工前的誤差； B工件加工后的誤差； CFp徑向切削力系數(shù)； f進給量； yFp進給量對切削力的影響指數(shù)。 提高工件在加工時的剛度 a） b） 圖4-22 薄壁套夾緊變形 【例1】

19、薄壁套夾緊變形 解決：加開口套 提高刀具在加工時的剛度 提高機床和夾具的剛度 盡量減少連接面數(shù)目，盡可能提高零件配合面的形狀精度，減小表面粗糙度，增大 連接時的實際接觸面積，以減少總的接觸變形。裝配時，采取預緊措施，可消除接 合面間的間隙和提高接觸剛度。 龍門銑橫梁變形 【例】龍門銑橫梁 龍門銑橫梁變形轉(zhuǎn)移 龍門銑橫梁變形補償 減小部件自重引起的機床結構變形對加工精度的影響 解決1：重量轉(zhuǎn)移 解決2：變形補償 人體溫度 輻射熱 照明 日光 環(huán)境溫度 外部 轉(zhuǎn)換熱 摩擦熱 磨削熱 切削熱 內(nèi)部 工藝系統(tǒng)熱源 在精密加工和大件加工中，工藝系統(tǒng)熱變形引起的加工誤差占總誤差的約40 70%。 v 體積

20、大，熱容量大，溫升不高，達到 熱平衡時間長 v 結構復雜，變形不均勻，對加工精度 影響顯著 運轉(zhuǎn)時間 / h 0 1 2 3 4 50 150 100 200 位移 /m 20 40 60 80 溫升 / Y X 前軸承溫升 車床受熱變形 a） 車床受熱變形形態(tài)b） 溫升與變形曲線 p使機床產(chǎn)生熱變形的熱源主要是 摩擦熱、傳動熱和外界熱源傳入 熱量。 u機床熱變形對加工精度的影響 v 立銑（圖a） 立式銑床、外圓磨床、導軌磨床受熱變形 a）銑床受熱變形形態(tài) b）外圓磨床受熱變形形態(tài) c）導軌磨床受熱變形形態(tài) v 外圓磨（圖b） v 導軌磨（圖c） u工件熱變形對加工精度的影響 機械加工過程中，

21、使工件產(chǎn)生熱變形的熱源主要是切削熱或磨削熱。 對于精密零件，環(huán)境溫度變化和日光、取暖設備等外部熱源對工藝系統(tǒng)的局部 輻射等也不容忽視。 車削或磨削軸類工件外圓時，可近似看成是均勻受熱的情況。工件均勻受熱影響 工件的尺寸精度，其變形量(mm)可按下式估算： LL 式中：工件材料的熱膨脹系數(shù)1/)； L工件在熱變形方向上的尺寸（mm) ； t工件平均溫升（)。 圖4-23 平板磨削加工時的翹曲變形 及其計算 當工件受熱不均時，如磨削零件單一表面，由于工件 單面受熱而產(chǎn)生向上翹曲變形y，加工冷卻后將形成中 凹的形狀誤差y： H L y 8 2 工件長度L越大，厚度H越小，則中凹形狀誤差y就 越大。為

22、減小工件的熱變形帶來的加工誤差，應控制 工件上下表面的溫差。 在精密絲杠磨削加工中，工件的熱伸長將 引起螺距的累積誤差。 y / 4 L H u刀具熱變形對加工精度的影響 (min) 圖4-24 車刀熱變形曲線 連續(xù)切削升溫曲線 冷卻曲線 間斷切削升溫曲線 （m） max b0c 0.63max 使刀具產(chǎn)生熱變形的熱源主要是切削熱。切削熱傳入刀具的比例雖然不大（車削時約 為5左右），但由于刀具體積小，熱容量小，所以刀具切削部分的溫升仍較高。 v 減少切削熱和磨削熱，粗、精加 工分開。 v潤滑，減少運動部件間的摩擦。 v隔離熱源。 u減少熱量的產(chǎn)生和傳入 u加強散熱能力 v 充分冷卻和強制冷卻。

23、 u均衡溫度場 v 熱對稱結構 v 熱補償結構 v熱變形方向為非誤差敏感方向 u控制環(huán)境溫度 v 恒溫 v 人體隔離 p機床磨損對加工精度的影響 影響機床上工件和工具的運動精度及其相互間的位置關系、速比關系、破 壞機床成形運動的原有精度，造成被加工零件的形狀和位置誤差。 p刀具磨損對加工精度的影響 p夾具磨損對加工精度的影響 p量具磨損對加工精度的影響 影響被加工表面與定位基準面間的尺寸精度和位置精度。 造成工件的尺寸和形狀誤差。 影響零件的試切精度，造成加工誤差。 提高導軌耐磨性 采用耐磨合金鑄鐵、鑲鋼導軌、貼塑導軌、滾動導軌、導軌表面淬火、合 理潤滑等。 正確選用刀具材料，減少刀具磨損 合

24、理選擇刀具參數(shù)、切削用量，正確地刃磨刀具，合理地使用冷卻潤滑液 等。 減少夾具磨損 提高夾具中易磨損件的耐磨性，并及時磨損更換超限的夾具元件。 未施加任何外力作用情況下，材料內(nèi)部保持平衡而存在的應力。 殘余壓應力殘余拉應力 熱塑變形效應：表層張應力，里層壓應力 里層金屬彈性恢復：若里層金屬產(chǎn)生壓縮變形，則彈性恢復后表層得到壓應力 ，里層為張應力 表層金屬相變：影響復雜，若切削區(qū)溫度超過相變溫度，則珠光體受熱轉(zhuǎn)變成 奧氏體，冷卻后又轉(zhuǎn)變成馬氏體，體積膨脹，表層產(chǎn)生壓應力 實際應力狀態(tài)是上述各因素影響的綜合結果 圖4-25 鑄件殘余應力引起變形 圖4-26 冷校直引起的殘余應力 v 設計合理零件結

25、構 v必要的熱處理 v粗、精加工分開 v避免冷校直 v 毛坯制造和熱處理產(chǎn)生的殘余應力 （圖4-25） v 冷校直帶來的殘余應力(圖4-26) v切削加工帶來的殘余應力 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 在順序加工一批工件中

26、，其大小和方向隨機變化的加工誤差。 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。 隨機誤差服從統(tǒng)計學規(guī)律。 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；殘余應力引起的變形等。 圖4-27 正態(tài)分布 式中，y分布的概率密度； x隨機變量； 正態(tài)分布隨機變量總體平均值； 正態(tài)分布隨機變量的標準差。 （4-27） 2 1 2 1 ,0 2 x yex y F（z） 圖4-28 正態(tài)分布曲線 ( z = 0 ) x(z)0z -+ 正態(tài)分布 p正態(tài)分布曲線是關于x=的對稱曲線。 p當x=時，曲線取得最大值： p在x=處，曲線有拐點；當x，曲線接近x軸，即x軸

27、為分布曲線 的漸近線。 p若改變值，分布曲線將沿橫坐標移動而不改變其形狀，說明表征分布 曲線位置的參數(shù)。 p分布曲線的最大值ymax與成反比。 是表征分布曲線形狀的參數(shù)，反映 了隨機變量x取值的分散程度。 2 1 max y 正態(tài)分布 圖4-29 對正態(tài)分布曲線的影響 圖4-30 對正態(tài)分布曲線的影響 平均值=0，標準差=1的正態(tài)分布稱為標準正態(tài)分布，記為： x (z) N (, 2 ) 正態(tài)分布 2 1 2 1 ( ) 2 x x F xedx 由分布函數(shù)的定義，正態(tài)分布函數(shù)是正態(tài)分布概率密度函數(shù)的積分 （4-29） 2 2 1 ( ) 0 2 z z F zed z x z 令： 將 z

28、代入上式，則： 稱 z 為標準化變量 正態(tài)分布 當z=3時，即x-=3時，隨機變量x落在3范圍內(nèi)的概率為99.7%，落在 此范圍以外的概率僅不0.27%。故可以認為正態(tài)分布的隨機變量的分散范圍是 3 ，即3原則。 6的大小代表了某種加工方法在一定條件下所能達到的加工精度。一般情 況下，應使所選擇加工方法的標準差與公差帶T間具有下列關系： 6T 非正態(tài)分布 x y 0 a）雙峰分布 雙峰分布：兩次調(diào)整下加工的工件或 兩臺機床加工的工件混在一起（圖示a） x y 0 b）平頂分布 x y 0 c）偏向分布 平頂分布：工件瞬時尺寸分布呈正態(tài) ，其算術平均值近似成線性變化（如刀 具和砂輪均勻磨損）（圖

29、示b） 偏向分布：如工藝系統(tǒng)存在顯著的熱 變形，或試切法加工孔時寧小勿大，加 工外圓時寧大勿?。▓D示c） 幾種非正態(tài)分布 統(tǒng)計分析法是以現(xiàn)場觀察與實際測量所得的數(shù)據(jù)為基礎，應用概率論和統(tǒng) 計學原理，確定在一定加工條件下，一批零件加工誤差的大小及其分布情況。 此法既可以識別系統(tǒng)的大小與方向，也可識別各種隨機誤差因素對加工精 度的綜合影響。 適用于調(diào)整法加工的成批、大量生產(chǎn)。 通過測量一批零件加工后的實際尺寸，做出尺寸分布曲線，然后按此曲線的位 置(相對于理想尺寸)和形狀(分散范圍)判斷這種加工方法產(chǎn)生誤差的性質(zhì)和大小。 (1)計算平均尺寸 式中，xi各實測尺寸； n實測零件的總數(shù)。 (2)計算常

30、值系統(tǒng)誤差 式中，xM工件的理想尺寸，即公差帶中心值； 所測尺寸的算術平均值。 x n x x n i i 1 Ms xx x 常值系統(tǒng)誤差一般可以通過對工藝系統(tǒng)進行適當?shù)恼{(diào)整來消除或減小。 圖4-31 一批零件加工尺寸分布圖 (3)計算隨機誤差 (4)確定工序能力系數(shù) 一般情況下，工序能力不應低于二級，即CP1。 只有當時，才不會出現(xiàn)不合格品。 實際工藝能力系數(shù)CPK： n i iR nxx 1 2 /)(66 6 T CP 6 2 s PK T C s T26 工序能力系數(shù) 工序等級 說 明 CP1.67 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

31、.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4-3 工序能力等級 工藝能力系數(shù)CP表示工藝過程本身的能力，而實際工藝能力系數(shù)CPK則表示工 藝過程滿足加工質(zhì)量要求的能力，是對“工藝過程能力”和“質(zhì)量控制能力” 的綜合。 (5)計算不合格品率 通常情況下，計算不合格品率需要同時考慮常值系統(tǒng)誤差和隨機誤差。 尺寸過大不合格品率： 尺寸過小不合格品率： (6)分析減少不合格品的措施 p消除常值系統(tǒng)誤差 p提高工序能力 p增大不合格品的可修復性 xxU xxL 圖4-32 尺寸調(diào)整前后的不合格品率 u逐點點圖 在一批零件加工過程中，依

32、次測量每個零件的 加工尺寸，并記入以順次加工的零件號不橫坐 標、零件加工尺寸為縱坐標的圖表中，便構成 了逐點點圖。 采用點圖法分析可明顯發(fā)現(xiàn)變 值系統(tǒng)誤差。其隨機誤差的分 布寬度為6，遠比6小。 由于刀具磨損產(chǎn)生變值系統(tǒng)誤差為vs=ntan， 則每個零件的系統(tǒng)誤差為s=C+ntan。 式中，n零件加工順序號； tan直徑變化斜率； C常值系統(tǒng)誤差。 n nRRR 22 2 2 1 66 圖4-33 在車床上用調(diào)整法加工軸頸的點圖 在點圖上，是小樣本均值的均值線，UCL、 LCL是小樣本均值的上、下控制線。在R圖 上，是小樣本極差R的均值線，UR是小樣本 極差的上控制線。 xRx x u 圖 x

33、R xx R 圖4-34 圖 xR R 圖圖 UCL 0510 樣組序號樣組序號 1520 LCL 0510 樣組序號樣組序號 1520 x 圖圖 LCL UCL i x Ri x 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 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） v 同時滿足為穩(wěn)定 u 圖 xR 點圖反映工藝過程質(zhì)量指標分布中心(系統(tǒng)誤差)的變化，R圖反映工藝過程質(zhì)量指 標分散范圍(隨機誤差)的變化，兩圖必須聯(lián)合使用。 x o hD hD h O B D C 圖4-3

34、5 已加工表面形成過程 o VB rn 值主要由刀具材料的晶位結構及刃磨質(zhì)量決定。一般情況下，高速鋼 切削過程中，后刀面與加工表面間的 摩擦擠壓，加劇了加工表面的塑性變 形，甚至引起表層的非晶質(zhì)化、纖維 化及加工硬化等。 圖中O點為切削層金屬的分流點。 圖4-36 表面粗糙度 經(jīng)過切(磨)削加工后的表面總會有微觀幾何形狀的不平度，其高度稱為粗糙度。 方向的粗糙度速度切削 通常所說的粗糙度進給方向的粗糙度 粗糙度 )( u粗糙度 理論(理想)粗糙度把刀具看成純幾何線時，切削刃相對于 工件運動所形成表面的微觀不平度，其值取決于殘留面積的大 小。 Rmax f vf r r 實際粗糙度遠大于理論粗糙

35、度 u切削加工表面粗糙度的成因 切削加工表面的實際粗糙度是由理論粗糙度、積屑瘤與鱗刺、切削機理的 變化、切削刃與工件的相對位置變化(顫振)、切削刃損壞及刀具的邊界磨損 等原因造成的。 cotcot max rr f R 圖4-37 車削時殘留面積的高度 , rr rkkf 刀尖圓弧半徑主偏角副偏角進給量 f r Rmax vf r b） Rmax f a） vf r r 理論粗糙度 r f R 8 2 max 切削45鋼時切削速度與粗糙度關系 100120 v（m/min） 020406080140 表面粗糙度Rz（m） 4 8 12 16 20 24 28 收縮系數(shù)Ks 1.5 2.0 2.

36、5 3.0 積屑瘤高度 h（m） 0 200 400 600 h Ks Rz 積屑瘤的影響及其抑制 p積屑瘤的形成條件 工件方面一般切塑性材料且呈帶狀切屑時才有 可能形成積屑瘤。 刀具方面刀具前角o=0或較小或o0，刀具刃 磨質(zhì)量不佳，刃口附近的前后刀面粗糙度值較大、 切削刃不平整，易形成積屑瘤。 切削條件方面切削速度vc中等，進給量 f (或切 削厚度hD)較大，不用切削液或切削液不起潤滑減 摩作用時，易形成積屑瘤。 圖4-38積屑瘤與過切量hD 形成過切，造成犁溝，影響加工精度,增大了表面粗糙度。 積屑瘤頂部周期性地生成與脫落，部分碎片鑲嵌在已加工表面上，影 響了表面質(zhì)量。 p積屑瘤對表面

37、質(zhì)量的影響 積屑瘤的影響及其抑制 鱗刺的影響 在切削過程中，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 產(chǎn)生周期性停留，從而擠拉剛加工過的表面，嚴重時使表面出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象， 在已加工表面上形成鱗片狀毛刺，使表面粗糙不平。 是塑性金屬材料精加工的一大障礙 切削機理的變化 圖4-39 非連續(xù)性切屑及加工表面圖4-40 切削刃兩側(cè)工件材料的隆起現(xiàn)象 切削刃工件相對位置變化(顫振) 切削刃損壞及刀具邊界磨損 運動機構的跳動和切削過程的波動，均會使刀具與工件間的位置發(fā)生變化，從而 使切削厚度、寬度發(fā)生變化。這些變化的不穩(wěn)定因素會引起工藝系統(tǒng)的自激振動， 使相對位置變化的振幅加大，引起背刀量變化,

38、即表面粗糙度值加大。 圖4-43 刀具邊界磨損及凸起 u切削加工表面粗糙度的控制 刀具方面 u適當?shù)販p小r， r，或增大r，以減小殘留面積高度Rmax，即減小表面粗糙度。 u增大o，使塑性變形減小，也可抑制積屑瘤和鱗刺的生成。 u采用稍大于f 的修光刀(r=0)能減小Rmax。 u提高刀面和切削刃的刃磨質(zhì)量，減小刀面和切削刃的表面粗糙度，減小與加工 表面間的摩擦及表面粗糙度的復映，有利于抑制積屑瘤和鱗刺的生成。 u采用能減小與鋼摩擦的TiN、TiC涂層刀具，以減小粘結以及積屑瘤和鱗刺的生 成。 u嚴格控制刀具磨損值，后刀面磨損和邊界磨損，要換刀。 u切削加工表面粗糙度的控制 工件方面 加工塑性

39、較大的低碳鋼時，可預先將工件進行調(diào)質(zhì)處理，提高其硬度、降低塑性， 可以抑制積屑瘤和鱗刺的生成，減小表面粗糙度。 切削條件方面 u切削中碳鋼時可降低切削速度(vc30m/min)，以 避開積屑瘤生長區(qū)。 u減小進給量f，不僅減小了殘留面積高度Rmax，也減小了刀-屑接觸區(qū)的法向力， 避免刀-屑間的粘結，從而可抑制積屑瘤和鱗刺的生成。 u采用加熱切削或低溫切削，以避免積屑瘤和鱗刺的生成。 u使用性能好的切削液，減小摩擦抑制積屑瘤和鱗刺的生成，以減小Ra。 u防止機床加工系統(tǒng)的高頻振動，也可減小表面粗糙度。 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。通常所說的磨削表 面粗糙度是指垂直于磨削

40、速度方向的。 磨削表面粗糙度 ) 2 () )2( ( 3 2 max sw sw a c w RR RR f B mv v R 式中，vc、vw分別表示砂輪和工件的速度； Rs、Rw分別表示砂輪和工件的半徑； m砂輪圓周單位長度的磨粒數(shù)，與粒度有關：粒 度號越大，m值越大； B/fn砂輪寬度與軸向進給量之比。 v 砂輪速度v，Ra v 工件速度vw，Ra v 砂輪縱向進給f，Ra v 磨削深度ap，Ra 磨削用量對表面粗糙度的影響 vw = 40(m/min) f = 2.36(m /min) ap = 0.01(mm) v = 50(m/s) f = 2.36(m /min) ap = 0

41、.01(mm) v(m/s), vw(m/min) Ra(m) 0 30405060 0.5 1.0 a） ap(mm) 00.01 0.4 0.8 Ra(m) 0 0.2 0.6 0.020.030.04 b） 圖4-46 光磨次數(shù)-Ra關系 Ra(m) 0 1020 30 0.0 2 0.0 4 0.0 6 光磨次數(shù) 粗粒度砂輪(WA60KV) 細粒度砂輪(WA/GCW14KB) v光磨次數(shù)，Ra v 砂輪粒度，Ra；但要適量 v 砂輪硬度適中， Ra ；常取中軟 v 砂輪組織適中，Ra ；常取中等組織 v 采用超硬砂輪材料，Ra v 砂輪精細修整， Ra v 工件材料 v 冷卻潤滑液等

42、減小磨削表面粗糙度可采取的措施 u采用粒度號大的砂輪，磨粒細，m值增大，Ra減小，但磨粒不宜太細，否則會造 成砂輪，使Ra增大。 u提高砂輪速度vc或降低工件速度vw，即vc/vw比值增大，可使Ra減小。 u使用直徑較大砂輪可使Ra減小。 u加工砂輪寬度B，使得參加工件的磨粒增多，每顆磨粒的磨削量將減少。 u增大徑向進給量fr(或磨削深度ap)，會使表面粗糙度值增大。 u提高砂輪修整質(zhì)量，可使Ra減小。 已加工表面表層金屬硬度高于里層金屬硬度的現(xiàn)象 加工表面嚴重變形層內(nèi)金屬晶格拉長、擠緊、扭曲、碎裂，使表層組織硬化 硬化程度 0 0 100% HH N H （4-45） 式中 H 硬化層顯微硬

43、度（HV）； H0 基體層顯微硬度（HV）。 硬化層深度 指硬化層深入基體的距離hd（m） HV 距表面深度 H 0 hi H0 圖4-47 加工硬化與表面深度的關系 刀具方面 u刀具幾何參數(shù)o、o和rn (圖4- 48、圖4-49) o hd ； n u刀具磨損VB， hd (圖4- 50) u刀具刃磨質(zhì)量，硬化。 工件方面 u工件材料硬度、塑性，加工硬化、加工硬化層hd 。 切削條件方面 u切削用量vc、f、 ap (圖4- 51、圖4-52 、圖4-53) vc ap u切削液加工硬化 控制加工硬化措施 選擇較大的o、o 合理確定VB 提高刃磨質(zhì)量 合理選擇切削用量，盡可能選擇較高的vc

44、和較小的f 使用性能好的切削液。 未施加任何外力作用情況下，材料內(nèi)部保持平衡而存在的應力。 刀具方面 u刀具幾何參數(shù)o對殘余應力有很大影響。 u刀具磨損VB，熱應力引起加工表面為殘余拉應力 工件方面 u工件材料塑性越大，殘余拉應力。切脆性材料時，加工表面易產(chǎn)生壓應 力 切削條件方面 u切削速度vc和進給量 f 對殘余應力的影響較大。 切削用量 刀具 工件材料 圖4-58 f 對殘余應力的影響 工件：45，切削條件：vc=86m/min， ap=2mm，不加切削液 殘余應力(Gpa) 0.20 0 0.20 01 0 0 200300400 距離表面深度(m) f =0.40mm/r f =0.

45、25mm/r f =0.12mm/r 僅討論切削加工 圖4-57 vc 對殘余應力的影響 0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削條件 ：ap=0.3mm, f=0.05mm/r, 不加切削液 050100150200 距離表面深度(m) 殘余應力(Gpa) -0.20 0 0.20 vc =213m/min vc =86m/min vc =7.7m/min 工件表層溫度達到或超過金屬材料相變溫度時，表層金相組織、顯微硬度發(fā)生變 化，并伴隨殘余應力產(chǎn)生，同時出現(xiàn)彩色氧化膜的現(xiàn)象。 磨削燒傷的種類 u回火燒傷當磨削區(qū)溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度而未達到相變溫度時，此時表層金相磨削區(qū)溫度

46、超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度而未達到相變溫度時，此時表層金相 組織將由原來的馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^低的回火組織組織將由原來的馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^低的回火組織(索氏體或屈氏體索氏體或屈氏體)，這種現(xiàn)象，這種現(xiàn)象 稱為稱為回火燒傷。 u淬火燒傷當磨削區(qū)溫度超過相變溫度時，由于磨削液的冷卻作用，工件最外層金磨削區(qū)溫度超過相變溫度時，由于磨削液的冷卻作用，工件最外層金 屬會出現(xiàn)二次淬火屬會出現(xiàn)二次淬火,形成二次淬火馬氏體組織。其硬度比原馬氏體高形成二次淬火馬氏體組織。其硬度比原馬氏體高,但很薄但很薄,其下因冷其下因冷 卻過慢則形成了比原回火馬氏體硬度低得多的過回火組織。此現(xiàn)象為卻過慢則形成了比原回火馬氏體硬度

47、低得多的過回火組織。此現(xiàn)象為淬火燒傷。 u退火燒傷當磨削不用磨削液量，工件表面的磨削溫度會超過相變溫度，由于工件當磨削不用磨削液量，工件表面的磨削溫度會超過相變溫度，由于工件 冷卻十分緩慢冷卻十分緩慢,磨后表面硬度大大降低。這種現(xiàn)象稱為磨后表面硬度大大降低。這種現(xiàn)象稱為退火燒傷。 磨削表面殘余拉應力達到材料強度極限，在表 層或表面層下產(chǎn)生微裂紋。裂紋方向常與磨削 方向垂直或呈網(wǎng)狀，常與燒傷同時出現(xiàn) 圖4-60 帶空氣擋板冷卻噴嘴 v 影響加工表面粗糙度，振動頻率較低時會產(chǎn)生波度 v 影響生產(chǎn)效率 v 加速刀具磨損，易引起崩刃 v 影響機床、夾具的使用壽命 v 產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者健康 強迫

48、振動 自激振動 v 由外界周期性的干擾力（激振力）作用引起 v 強迫振動振源：機外機內(nèi)。機外振源均通過地基把振動傳給機床。機內(nèi) ： 1）回轉(zhuǎn)零部件質(zhì)量的不平衡 2）機床傳動件的制造誤差和缺陷 3）切削過程中的沖擊 v 強迫振動本身不能引起干擾力的變化。 v頻率特征：與干擾力的頻率相同，或是干擾力頻率整倍數(shù)。 v 幅值特征：與干擾力幅值、工藝系統(tǒng)動態(tài)特性有關。當干擾力頻率接近或等于工 藝系統(tǒng)某一固有頻率時，產(chǎn)生共振 v 相角特征：強迫振動位移的變化在相位上滯后干擾力一個角，其值與系統(tǒng)的動 態(tài)特性及干擾力頻率有關。 p消振、隔振與減振消除強迫振動的最有效辦法就是找出振源并消除之，如 不能消除，則可

49、用隔振的辦法。還可用動力式減振器(圖4-62)。 p消除回轉(zhuǎn)件質(zhì)量的不平衡 p提高傳動零件的制造精度 p提高加工系統(tǒng)的剛度，增加系統(tǒng)阻尼 p改變機床轉(zhuǎn)速，使用不等齒距刀具 圖4-62 動力式減振器 圖4-64 自激振動系統(tǒng)能量關系 A B C 能量E Q E E 0 振幅 電動機 (能源) 交變切削力F(t) 振動位移 y(t) 圖4-63 自激振動閉環(huán)系統(tǒng) 機床振動系統(tǒng) （彈性環(huán)節(jié)） 調(diào)節(jié)系統(tǒng) （切削過程） 切削過程,由于偶然 干擾，使加工系統(tǒng)產(chǎn)生振動并在加 工表面上留下振紋。第二次走刀時 ，刀具將在有振紋的表面上切削， 使切削厚度發(fā)生變化，導致切削力 周期性地變化，產(chǎn)生自激振動 圖4-65 再生自激振動原理圖 f 切入 切出 y0 y a）b） y0 y 切入 切出 f c） f y0 y 切入 切出 d） 切入 切出 f y0 y a）b）c）系統(tǒng)無能量獲得； d）y 滯后于y0，即 0- ，此時切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切 出時切削力所作正