同濟大學(xué)《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》第五章 機械制造質(zhì)量分析與控制2008A

1、第五章 機械制造質(zhì)量分析與控制 本章將機械制造質(zhì)量分成加工精度和表面質(zhì)量兩個方面來研究。前者包括尺寸精度、宏觀幾何形狀精度和位置精度；后者包括表面粗糙度、波度和表面層材料物理機械性能。第一節(jié) 機械加工精度一、概述1、加工精度與加工誤差所謂加工精度是指零件加工后的實際幾何參數(shù)（尺寸、形狀和位置）與理想幾何參數(shù)的符合程度。2、加工經(jīng)濟精度 一般所說的加工經(jīng)濟一般所說的加工經(jīng)濟精度指的是，在正常精度指的是，在正常加工條件下（采用符加工條件下（采用符合質(zhì)量標準的設(shè)備、合質(zhì)量標準的設(shè)備、工藝裝備和標準技術(shù)工藝裝備和標準技術(shù)等級的工人，不延長等級的工人，不延長加工時間）所能保證加工時間）所能保證的加工精度

2、的加工精度。3、原始誤差 由機床、夾具、刀具和工件組成的機械加工工藝系統(tǒng)（簡稱工藝系統(tǒng)）。 工藝系統(tǒng)的誤差稱為原始誤差。4、誤差敏感方向的概念 我們把加工表面的法向稱之為誤差的敏感方向。 無特殊說明的情況下，即加工表面的法向定為y向，故y向為誤差的敏感方向。5、研究機械加工精度的方法 研究機械加工精度的方法主要有分析計算法和統(tǒng)計分析法。 分析計算法主要是對單項原始誤差進行分析計算的基礎(chǔ)上進行的。 統(tǒng)計分析法則是對有關(guān)的原始誤差進行綜合分析的基礎(chǔ)上進行的。第二節(jié) 工藝系統(tǒng)的幾何誤差一、原理誤差二、機床的幾何誤差機床制造誤差對工件加工精度影響較大的有：主軸的回轉(zhuǎn)運動誤差、導(dǎo)軌誤差和傳動鏈誤差。1、

3、機床導(dǎo)軌誤差 機床導(dǎo)軌副是實現(xiàn)直線運動的主要部件，其制造和裝配精度是影響直線運動精度的主要因素，導(dǎo)軌誤差對零件的加工精度產(chǎn)生直接的影響。（1）機床導(dǎo)軌在水平面內(nèi)直線度誤差的影響yR（2）機床導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)直線度誤差的影響 磨床導(dǎo)軌在Z方向存在誤差，工件半徑方向上產(chǎn)生誤差 對零件的形狀精度影響甚?。ㄕ`差的非敏感方向）。RRz22（3）機床導(dǎo)軌面間平行度誤差的影響 車床兩導(dǎo)軌的平行度產(chǎn)生誤差（扭曲），當前后導(dǎo)軌有了扭轉(zhuǎn)誤差y，因而引起工件形狀誤差。由圖可知，其誤差值 ，其誤差對加工精度的影響很大。AHy2、主軸的回轉(zhuǎn)運動誤差 主軸的回轉(zhuǎn)運動誤差是指主軸實際回轉(zhuǎn)軸線相對其平均回轉(zhuǎn)軸線的變動量。 誤差

4、形式可以分解為軸向竄動、徑向跳動和角度擺動三種 。 產(chǎn)生主軸回轉(zhuǎn)誤差的主要原因：主軸幾段軸頸的同軸度誤差、軸承本身的各種誤差、軸承之間的同軸度誤差、主軸撓度等。 它主要影響加工工件的圓度和圓柱度。 產(chǎn)生軸向竄動的主要原因是主軸軸肩端面和軸承承載端面對主軸回轉(zhuǎn)軸線有垂直度誤差。 它主要影響工件的端面形狀和軸向尺寸精度。 角度擺動 它對工件的形狀精度有影響，如車外圓時，會產(chǎn)生錐度。4、提高主軸回轉(zhuǎn)精度的措施 采用高精度的主軸部件。獲得高精度的主軸部件的關(guān)鍵是提高軸承精度提高軸承精度，因此，主軸軸承，特別是前軸承，多選用D，C級軸承；其次是提高主軸箱體支承孔、其次是提高主軸箱體支承孔、主軸軸頸和與軸

5、承相配合零件的有關(guān)表主軸軸頸和與軸承相配合零件的有關(guān)表面的加工精度，面的加工精度，對滾動軸承進行預(yù)緊。 使主軸回轉(zhuǎn)的誤差不反映到工件上。如采用死頂尖磨削外圓，只要保證定位中心孔的形狀、位置精度，即可加工出高精度的外圓柱面。3、傳動鏈誤差是指傳動鏈始末兩端傳動元件間相對運動的誤差。一般用傳動鏈末端元件的轉(zhuǎn)角誤差來衡量。jnjjnjjnjK11為對工件精度影響的總和各傳動件可能存在誤差，因此，由于所有的傳動件都有 為了減少機床傳動誤差對加工精度的影響，可以采用如下措施：減少傳動鏈中的環(huán)節(jié)，縮短傳動鏈；盡可能采用降速傳動，此外，末端傳動元件應(yīng)盡可能制造得精確些。提高傳動元件的制造精度和裝夾精度，以減

6、小誤差源，并盡可能地提高傳動鏈中升速傳動元件的精度。（二）刀具的幾何誤差 刀具誤差主要指刀具的制造、磨損和安裝誤差等，刀具對加工精度的影響因刀具種類不同而定。機械加工中常用的刀具有：一般刀具、定尺寸刀具和成形刀具。 一般刀具（如普通車刀、單刃鏜刀、平面銑刀等）的制造誤差，對加工精度沒有直接的影響。但當?shù)毒吲c工件的相對位置調(diào)整好以后，在加工過程中，刀具的磨損將會影響加工誤差。 定尺寸刀具（如鉆頭、鉸刀、拉刀、槽銑刀等）的制造誤差及磨損誤差，均直接影響工件的加工尺寸精度。 成形刀具（如成形車刀、成形銑刀、齒輪刀具等）的制造和磨損誤差，主要影響被加工工件的形狀精度。10001000)(000lKll

7、K(三) 夾具誤差 精加工用夾具一般取工件上相應(yīng)尺寸公差的1/21/3；粗加工用夾具一般取工件上相應(yīng)尺寸公差的1/51/10。四、工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差（一）基本概念 由機床、夾具、刀具、工件組成的工藝機床、夾具、刀具、工件組成的工藝系統(tǒng)系統(tǒng)，在切削力、傳動力、慣性力、夾緊力以及重力等的作用下，會產(chǎn)生相應(yīng)的變形（彈性變形及塑性變形）。這種變形將破壞工藝系統(tǒng)間已調(diào)整好的正確位置關(guān)系，從而產(chǎn)生加工誤差。車削細長軸時，工件在切削力作用下的彎曲變形，加工后會形成腰鼓形的圓柱度誤差。在內(nèi)圓磨床上用橫向切入磨孔時，由于磨頭主軸彎曲變形，使磨出的孔會帶有錐度的圓柱度誤差。作用于工件加工表面（加工誤差敏感

8、方向）的徑向切削分力Fy與工藝系統(tǒng)在該方向上的變形y之間的比值，稱為工藝系統(tǒng)剛度k系yFky1、機床部件剛度（1）機床部件剛度（2）影響機床部件剛度的因素1）結(jié)合面接觸變形的影響2）摩擦力的影響3）低剛度零件的影響在部件中,個別薄弱的零件對部件剛度影響頗大。4）間隙的影響工刀夾機系工刀夾機系工刀夾機使工件產(chǎn)生加工誤差。的相對位置發(fā)生變化，面，致使刀具和被加工表、下，都將分別產(chǎn)生變形在切削力的作用床、夾具、刀具和工件在機械加工過程中，機kkkkkyyyyyyyyy111115、工藝系統(tǒng)剛度及其對加工精度的影響（1）由于工藝系統(tǒng)剛度變化引起的誤差 當工件為粗短軸，工藝系統(tǒng)的剛度主要取決于機床剛度。

9、 工藝系統(tǒng)的總位移量為 工藝系統(tǒng)的剛度： 22111lxklxlkkFyy尾主刀架系221111 lxklxlkkyFky尾主刀架系統(tǒng)系統(tǒng) 工件為細長軸時，剛度小，工件的變形在工藝系統(tǒng)的總變形中就不能忽略。 根據(jù)材料力學(xué)的計算公式LxxlEIFky223工 22111lxklxlkkFyy尾主刀架系221111 lxklxlkkyFky尾主刀架系統(tǒng)系統(tǒng)（2）由于切削力變化而引起的加工誤差 誤差復(fù)映毛工 由以上分析，可以把誤差復(fù)映的概念推廣到下列幾點：1）每一件毛坯的形狀誤差，不論是圓度、圓柱度、同軸度（偏心、徑向圓跳動等）、平直度誤差等都以一定的復(fù)映系數(shù)復(fù)映成工件的加工誤差，這是由于切削余量不

10、均勻而引起的。2）在車削的一般情況下，由于工藝系統(tǒng)剛度比較高，復(fù)映系數(shù)遠小于1，在23次走刀以后，毛坯誤差下降很快。 在大批大量生產(chǎn)中，都是采用定尺寸調(diào)整法加工的，這樣，對于一批尺寸大小有參差的毛坯而言，每件毛還的加工余量都不一樣，由于誤差復(fù)映的結(jié)果，也就造成了一批工件的“尺寸分散”。 （3）其他作用力引起工藝系統(tǒng)受力變形發(fā)生變化產(chǎn)生的加工誤差 1）夾緊力引起的加工誤差 在加工剛性較差的工件時，若夾緊不當會引起工件的變形而產(chǎn)生形狀誤差。2）由于機床部件和工件本身質(zhì)量及它們在移動中位置的變化而引起的加工誤差，在大型機床上，機床部件在加工中位置的移動改變了部件自重對床身、橫梁、立柱的作用點位置，也

11、會引起加工誤差。 圖a、b表示大型立車在刀架的自重下引起了橫梁的變形，形成了工件端面的不平度。 由于工件自重而引起加工誤差 不同支承方式下4、減少工藝系統(tǒng)受力變形的主要措施1）提高工藝系統(tǒng)中零件間的配合表面質(zhì)量，以提高接觸剛度 提高接觸剛度是提高工藝系統(tǒng)剛度的關(guān)鍵。 提高接觸剛度的另一措施是預(yù)加載荷2）設(shè)置輔助支承提高部件剛度 3）當工件剛度成為產(chǎn)生加工誤差的薄弱環(huán) 節(jié)時，縮短切削力作用點和支承點的距離也可以提高工件的剛度 合理裝夾工件，減少夾緊變形五、工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差 工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度的影響比較大，特別是在精密加工和大件加工中，由熱變形所引起的加工誤差有時可占工件總誤差的4

12、070。 機床、刀具和工件受到各種熱源的作用，溫度會逐漸升高，同時它們也通過各種傳熱方式向周圍的物質(zhì)或空間散發(fā)熱量。當單位時間傳入的熱量與其散出的熱量相等時，工藝系統(tǒng)就達到了熱平衡狀態(tài)。 機床在工作中受到多種熱源的影響，主要有：1）電氣熱。機械動力源的能量損耗轉(zhuǎn)化為熱（電動機、電氣箱、油泵、液壓操縱箱、活塞副、各種閥件等）。2）傳動部分將發(fā)生摩擦熱（軸承副、齒輪副、離合器、導(dǎo)軌副等）3）切削熱的大部分是被切屑和冷卻液帶走的，但是切屑和冷卻液落到床身上后，其熱量也就傳遞給床身，使后者產(chǎn)生了熱變形。4）環(huán)境傳來的熱（室溫的變化、陽光的照射、取暖裝置的影響等）使機床各部分受熱不均勻而引起的變形。2、

13、減少機床熱變形對加工精度影響的基本途徑（1）結(jié)構(gòu)措施1）熱對稱結(jié)構(gòu)2）在設(shè)計上使關(guān)鍵件的熱變形避開加工誤差的敏感方向3）合理安排支承的位置，使產(chǎn)生熱位移的有效部分縮短4）對發(fā)熱量大的熱源（如裝入式電動機、泵、油池、軸承等）采用足夠冷卻的措施：擴大散熱表面，保證良好的自然冷卻條件（不形成熱空氣袋），使用強制式的空氣冷卻、水冷卻、循環(huán)潤滑等措施5）均衡關(guān)鍵件的溫升，避免彎曲變形6）隔離熱源可以從根本上減少機床的熱變形。不少試驗證明，將油池（連同油泵、閥等）、冷卻液箱等成為獨立的單元從機床中移到外面以后，機床的熱變形可顯著地下降。（2）工藝措施1）在安裝機床的區(qū)域內(nèi)保持恒定的環(huán)境溫度。2）將精密機床

14、中的坐標鏜床、螺紋機床和 齒輪機床等安裝在恒溫室中使用。3）讓機床在開車后空轉(zhuǎn)一段時間，在到達 或接近熱平衡后再進行加工。 圖中曲線A是車刀連續(xù)工作時的熱伸長曲線。曲線B為冷卻曲線。 C為車刀作間斷切削的熱變形曲線。3、刀具熱變形對加工精度的影響、刀具熱變形對加工精度的影響刀具熱變形的熱源主要是切削熱。刀具熱變形的熱源主要是切削熱。 4、工件熱變形1）工件均勻受熱 在加工像軸類等一些形狀簡單的工件時，如果工件處在相對比較穩(wěn)定的溫度場中，此時就認為工件是均勻受熱。工件熱變形量L可由下式估算：）。工件的平均溫升（）；工件的熱膨脹系數(shù)，（）；，（工件熱變形方向的尺寸式中CCmmLLL00/1/1 例

15、如在磨削400mm長鋼制絲杠的螺扣時，若被磨絲杠的溫度比機床母絲杠高1，1.17105（1），則被磨絲杠將伸長LLL（1.1710-54001）mm0.0047mm，而5級絲杠的螺距累積誤差在400mm長度上不允許超過5m。由此可見，熱變形對精密加工的影響是很大的。2）工件不均勻受熱 在銑、刨、磨平面時，工件單面受切削熱作用，上下表面之間形成溫差，導(dǎo)致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完畢冷卻后，加工表面就產(chǎn)生了中凹，造成了幾何形狀誤差。 四、工件內(nèi)應(yīng)力引起的加工誤差零件在沒有外加載荷的情況下，仍然殘存在工件內(nèi)部的應(yīng)力稱內(nèi)應(yīng)力或殘余內(nèi)應(yīng)力或殘余應(yīng)力。應(yīng)力。1、毛坯制造中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力鑄、鍛、

16、焊等毛坯在生產(chǎn)過程中，由于工件各部分的冷熱收縮不均勻以及金相組織轉(zhuǎn)變的體積變化，使毛坯內(nèi)產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。（二）冷校直引起的內(nèi)應(yīng)力 零件的冷校直只是處于一種暫時的相對平衡狀態(tài)，只要外界條件變化，就會使內(nèi)應(yīng)力重新分布而使工件產(chǎn)生變形。 對于要求較高的零件，就需要在高溫時效后進行低溫時效的后續(xù)工序。 因此，對于精密零件的加工是不允許安排冷校直工序的。而是采用加粗的棒料經(jīng)過多次車削和時效處理來消除內(nèi)應(yīng)力?；虿捎脽嵝Ｖ眮泶胬湫Ｖ?。（四）減少或消除內(nèi)應(yīng)力的措施1、合理設(shè)計零件結(jié)構(gòu) 在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)盡量縮小零件各部分厚度尺寸的差異，以減少鑄、鍛毛坯在制造中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。2、采取時效處理（1）自然時效。在

17、毛坯制造之后，或粗、精加工之間，讓工件停留一段時間，利用溫度的自然變化，經(jīng)過多次熱脹冷縮，使工件的內(nèi)應(yīng)力逐漸消除。這種方法效果好，但需要時間長（一般要半年至五年）。（2）人工時效。在進行機械加工之前，應(yīng)進行退火、回火等熱處理，這種方法對大型零件需要一套很大的設(shè)備，其投資和能源消耗較大。七、提高加工精度的途徑1、直接消除或減小柔性工件受力變形的方法 采用大進給反向切削細長軸的加工方法， 在卡盤一端的工件上車出了一個縮頸部分 在用粗車刀車出5080mm一段長度以后，裝上跟刀架。 “磨工怕薄片”，這類加工問題中的主要矛盾是工件薄、剛性差，很容易引起夾緊變形。因此要消除這類薄片工件在磨削加工中的夾緊變

18、形，可以采用彈性的夾緊機構(gòu)，使工件在自由狀態(tài)下定位夾緊，消除夾緊變形或提高工件剛性。2、人為設(shè)誤，相反相成，抵消受力變形和傳動誤差的方法 磨床床身是一個狹長的構(gòu)件，剛度是比較差的。精加工磨床床身導(dǎo)軌時用預(yù)加載荷方法，抵消裝配后因部件自重產(chǎn)生的變形。 車削外圓零件時，為減小徑向力引起的變形，采用前后雙刀架“對刀”切削，可使徑向切削力相互抵消。3、縮小范圍，分別處理，分組控制定位誤差的方法 要解決這類問題，最好采用分組調(diào)整（即均分誤差）的方法。毛坯按誤差的大小分為n組，每組毛坯誤差的范圍就縮小為原來的1/n,然后按各組分別調(diào)整刀具相對于工件的位置，使各組工件的尺寸分散范圍中心基本上一致，那么整批工件的尺寸分散就比分組調(diào)整以前小得多了。這個辦法比起直接提高本工序的加工精度要簡便易行一些。4創(chuàng)造條件，撇開干擾，變形轉(zhuǎn)移和誤差轉(zhuǎn)移的方法