機械加工質(zhì)量分析與控制

第4章機械加工質(zhì)量分析與控制本章要點機械加工中的振動影響加工誤差的因素影響機械加工表面質(zhì)量的因素工藝系統(tǒng)幾何誤差工藝系統(tǒng)受力變形工藝系統(tǒng)熱變形加工誤差的統(tǒng)計分析1當前第1頁\共有93頁\編于星期五\2點機械制造技術(shù)基礎(chǔ)第4章機械加工質(zhì)量分析與控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.1

概述IntroductiontoMachiningQuality2當前第2頁\共有93頁\編于星期五\2點4.1.1機械加工質(zhì)量

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)）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)量圖4-1加工質(zhì)量包含的內(nèi)容3當前第3頁\共有93頁\編于星期五\2點4.1.1機械加工質(zhì)量

◆

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?！?/p>

零件宏觀幾何形狀誤差、波度、表面粗糙度宏觀幾何形狀誤差（平面度、圓度等）—波長/波高＞1000波度—波長/波高=50～1000；且具有周期特性表面粗糙度——波長/波高＜50a）波度b）表面粗糙度圖4-2零件加工表面的粗糙度與波度RZλHλRZ4當前第4頁\共有93頁\編于星期五\2點4.1.2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(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（圖4-3）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、凹坑狀較好適當硬化可提高耐磨性5當前第5頁\共有93頁\編于星期五\2點4.1.3誤差敏感方向

圖4-4：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。圖4-4誤差敏感方向ＯYR0Xa）ＯYR0Xb）誤差敏感方向6當前第6頁\共有93頁\編于星期五\2點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。4.1.4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(dǎo)軌導(dǎo)向誤差傳動誤差原始誤差——原始誤差分類圖4-5原始誤差構(gòu)成7當前第7頁\共有93頁\編于星期五\2點4.1.5研究加工質(zhì)量的方法

◆理論方法：運用物理學和力學原理，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)量指標的統(tǒng)計性質(zhì)，對工藝過程進行分析和控制。物理方法數(shù)學方法8當前第8頁\共有93頁\編于星期五\2點機械制造技術(shù)基礎(chǔ)第4章機械加工質(zhì)量分析與控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.2

工藝系統(tǒng)幾何精度對加工精度的影響GeometricPrecisionsofTechnologicalSystemanditsinfluencetomachiningPrecision9當前第9頁\共有93頁\編于星期五\2點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。4.2.1加工原理誤差

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(fù)雜形面零件(圖4-6)SRh圖4-6空間曲面數(shù)控加工（4-3）加工原理誤差10當前第10頁\共有93頁\編于星期五\2點4.2.2機床誤差

主軸回轉(zhuǎn)誤差是指主軸實際回轉(zhuǎn)線對其理想回轉(zhuǎn)軸線的漂移。為便于研究，可將主軸回轉(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（圖4-7）。b）端面圓跳動a）徑向圓跳動c）傾角擺動圖4-7主軸回轉(zhuǎn)誤差基本形式主軸回轉(zhuǎn)誤差11當前第11頁\共有93頁\編于星期五\2點4.2.2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。則刀尖的坐標值為：e圖4-8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。12當前第12頁\共有93頁\編于星期五\2點圖4-9徑向跳動對車外圓精度影響123456784.2.2機床誤差

仍考慮最簡單的情況，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。則刀尖運動軌跡接近于正圓（圖4-9）?！蛩伎迹褐鬏S回轉(zhuǎn)中心在X方向上作簡諧直線運動，其頻率為主軸轉(zhuǎn)速兩倍，被車外圓形狀如何？

結(jié)論：主軸徑向跳動影響加工表面的圓度誤差e★

主軸徑向圓跳動對加工精度的影響（車外圓）13當前第13頁\共有93頁\編于星期五\2點4.2.2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?！?/p>

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。14當前第14頁\共有93頁\編于星期五\2點AB4.2.2機床誤差

◆影響主軸回轉(zhuǎn)精度的主要因素內(nèi)外滾道圓度誤差、滾動體形狀及尺寸誤差圖4-10軸徑不圓引起車床主軸徑向跳動★滑動軸承鏜床（圖4-11）——軸承孔不圓引起鏜床主軸徑向跳動圖4-11軸承孔不圓引起鏜床主軸徑向跳動★滾動軸承車床（圖4-10）——軸徑不圓引起車床主軸向跳動（注意其頻率特性）靜壓軸承——對軸承孔或軸徑圓度誤差起均化作用15當前第15頁\共有93頁\編于星期五\2點4.2.2機床誤差

◆影響主軸回轉(zhuǎn)精度的主要因素★推力軸承滾道端面平面度誤差及與回轉(zhuǎn)軸線的垂直度誤差（圖4-12）★其他因素軸承孔、軸徑圓度誤差；軸承孔同軸度誤差；軸肩、隔套端面平面度誤差及與回轉(zhuǎn)軸線的垂直度誤差；裝配質(zhì)量等a）b）Δ≈0Δ圖4-12止推軸承端面誤差對主軸軸向竄動的影響16當前第16頁\共有93頁\編于星期五\2點4.2.2機床誤差

★傳統(tǒng)測量方法存在問題：◆主軸回轉(zhuǎn)誤差的測量圖4-13傳統(tǒng)測量方法a)b)圖4-14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

★準確測量方法包含心軸、錐孔誤差在內(nèi)非運動狀態(tài)。17當前第17頁\共有93頁\編于星期五\2點◎?qū)к壐边\動件實際運動方向與理想運動方向的偏差◎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?！魧?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,誤差敏感方向,影響顯著導(dǎo)軌垂直面內(nèi)的直線度誤差,誤差非敏感方向,影響小導(dǎo)軌扭曲對加工精度的影響,影響顯著（圖4-15）ΔX圖4-15導(dǎo)軌扭曲引起的加工誤差HδΔRDαBXY（4-5）

4.2.2機床誤差

導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差18當前第18頁\共有93頁\編于星期五\2點

導(dǎo)軌與主軸回轉(zhuǎn)軸線位置誤差對加工精度的影響4.2.2機床誤差

圖4-16成形運動間位置誤差對外圓和端面車削的影響fαZΔzΔzαc）HyR0fXZLfdD－ΔdΔxa）b）19當前第19頁\共有93頁\編于星期五\2點◆影響導(dǎo)軌導(dǎo)向精度的主要因素4.2.2機床誤差

機床制造誤差機床安裝誤差導(dǎo)軌磨損20當前第20頁\共有93頁\編于星期五\2點◆機床傳動誤差對加工精度的影響圖4-17齒輪機床傳動鏈z7=z8=16z1=64zn=96z5=z6=23z3=z4=23bz2=16zn-1=1icefacd（4-6）

以齒輪機床傳動鏈為例：式中Δφn

——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；

ωn

——傳動鏈末端元件角速度；

αj——第j個傳動元件轉(zhuǎn)角誤差的初相角。4.2.2機床誤差

機床傳動誤差21當前第21頁\共有93頁\編于星期五\2點縮短傳動鏈長度提高末端元件的制造精度與安裝精度采用降速傳動采用頻譜分析方法，找出影響傳動精度的誤差環(huán)節(jié)對傳動誤差進行補償末端元件轉(zhuǎn)角誤差圖4-18傳動鏈誤差的頻譜分析a)ΔφΣφnA1A2Aib)ω（頻率）A（幅值）ω1ω2ωi◆提高傳動精度措施4.2.2機床誤差

22當前第22頁\共有93頁\編于星期五\2點4.2.3刀具與夾具誤差

定尺寸刀具（鉆頭、絞刀等）尺寸誤差影響加工尺寸誤差成形刀具和展成刀具形狀誤差影響加工形狀誤差刀具磨損影響加工尺寸誤差或形狀誤差刀具誤差23當前第23頁\共有93頁\編于星期五\2點4.2.3刀具與夾具誤差

L±0.05φ6F7φ10F7k6φ20H7g6YZ圖4-19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；……24當前第24頁\共有93頁\編于星期五\2點4.2.4調(diào)整誤差

測量誤差。試切時與正式切削時切削厚度不同造成的誤差。機床進給機構(gòu)的位移誤差。定程機構(gòu)誤差。樣件或樣板誤差。測量有限試件造成的誤差。和試切法有關(guān)的誤差。a）b）圖4-20試切法與調(diào)整法試切法（圖4-20a）調(diào)整法（圖4-20b）25當前第25頁\共有93頁\編于星期五\2點機械制造技術(shù)基礎(chǔ)第4章機械加工質(zhì)量分析與控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.3

工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度的影響StaticStiffnessofTechnologicalSystemanditsinfluencetomachiningPrecision26當前第26頁\共有93頁\編于星期五\2點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4.3.1基本概念

工藝系統(tǒng)剛度（4-7）式中k——工藝系統(tǒng)剛度；

Fp——吃刀抗力；

ΔX——藝系統(tǒng)位移（切削合力作用下的位移）。27當前第27頁\共有93頁\編于星期五\2點4.3.1基本概念

（4-8）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：工藝系統(tǒng)剛度計算28當前第28頁\共有93頁\編于星期五\2點◆機床變形引起的加工誤差4.3.2工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響

式中Xjc

——機床總變形；

Fp

——吃刀抗力；

ktj——機床前頂尖處剛度；

kwz——機床后頂尖處剛度；

kdj

——機床刀架剛度；

L——工件全長；

Z——刀尖至工件左端距離。（4-9）圖4-21變形隨受力點變化規(guī)律XtjXwzXdjΔXFpAA′BB′CC′ZLFAFBXz切削力作用點位置變化引起工件形狀誤差29當前第29頁\共有93頁\編于星期五\2點4.3.2工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響

工件加工后成鞍形（圖4-22）圖4-22機床受力變形引起的加工誤差（5-10）◆工件變形引起的加工誤差式中Xg

——工件變形；

E——工件材料彈性模量；

J——工件截面慣性矩；

Fp，L，Z——含義同前。由于工件變形，使工件加工后成鼓形（圖4-23）圖4-23工件受力變形引起的加工誤差30當前第30頁\共有93頁\編于星期五\2點（4-11）◆機床變形和工件變形共同引起的加工誤差

工藝系統(tǒng)剛度（4-12）4.3.2工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響

31當前第31頁\共有93頁\編于星期五\2點式中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)。（4-13）以橢圓截面車削為例說明（圖4-24）圖4-24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，此種現(xiàn)象稱為“誤差復(fù)映”4.3.2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32當前第32頁\共有93頁\編于星期五\2點誤差復(fù)映系數(shù)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。（4-15）4.3.2工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響

誤差復(fù)映程度可用誤差復(fù)映系數(shù)來表示，誤差復(fù)映系數(shù)與系統(tǒng)剛度成反比。由式（4-13）可得：（4-14）33當前第33頁\共有93頁\編于星期五\2點夾緊力、重力、傳動力和慣性力引起的加工誤差◆夾緊力影響a）b）圖4-25薄壁套夾緊變形圖4-26薄壁工件磨削【例1】薄壁套夾緊變形

解決：加開口套【例2】薄壁工件磨削

解決：加橡皮墊4.3.2工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響

34當前第34頁\共有93頁\編于星期五\2點圖4-27龍門銑橫梁變形【例】龍門銑橫梁圖4-28龍門銑橫梁變形轉(zhuǎn)移圖4-29龍門銑橫梁變形補償◆重力影響4.3.2工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響

解決1：重量轉(zhuǎn)移

解決2：變形補償35當前第35頁\共有93頁\編于星期五\2點◆傳動力與慣性力影響理論上不會產(chǎn)生圓度誤差（但會產(chǎn)生圓柱度誤差）易會引起強迫振動4.3.2工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響

圖4-30傳動力對加工精度的影響zlRXYFpFcFcdFcdxφra）O′O″r0XYFpAFcdrcd=Fcd/kcOFcFc/kcFp/kcb）O36當前第36頁\共有93頁\編于星期五\2點圖4-31車床刀架變形曲線ΔX（μm）10203040500123F（KN）4.3.3機床部件剛度及其影響因素非線形關(guān)系，不完全是彈性變形加載和卸載曲線不重合，所圍面積表示克服摩擦和接觸塑性變形所作功存在殘余變形，反復(fù)加載卸載后殘余變形→0機床部件剛度比按實體估算值小許多，表明其變形受多種因素影響機床部件變形曲線37當前第37頁\共有93頁\編于星期五\2點4.3.3機床部件剛度及其影響因素式中c,m——與接觸面材料、表面狀況有關(guān)的系數(shù)和指數(shù)；

p——表面壓強。組成件的實體剛度——受力產(chǎn)生拉伸、壓縮、彎曲變形；特別是薄弱件（楔條、軸套等）影響較大連接表面接觸變形——其大小與接觸面壓強有關(guān)（4-15）結(jié)合面間隙零件表面摩擦力的影響影響機床部件剛度因素圖4-31接觸變形曲線xOppΔpxΔx38當前第38頁\共有93頁\編于星期五\2點4.3.4減小受力變形對加工精度影響措施合理設(shè)計零部件結(jié)構(gòu)和截面形狀提高連接表面接觸剛度（↓表面粗糙度，改進接觸質(zhì)量，予加載荷）采用輔助支承（中心架，跟刀架，鏜桿支承等）圖4-33支座零件不同安裝方法圖4-32轉(zhuǎn)塔車床導(dǎo)向桿提高工藝系統(tǒng)剛度減小載荷及其變化采用合理裝夾和加工方式圖4-28，4-29，4-56，4-58變形轉(zhuǎn)移、補償和校正39當前第39頁\共有93頁\編于星期五\2點4.3.5工件殘余應(yīng)力引起的變形圖4-34鑄件殘余應(yīng)力引起變形圖4-35冷校直引起的殘余應(yīng)力壓拉加載壓壓拉拉卸載設(shè)計合理零件結(jié)構(gòu)粗、精加工分開避免冷校直時效處理殘余應(yīng)力來源毛坯制造和熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力（圖4-34）減小殘余應(yīng)力措施冷校直帶來的殘余應(yīng)力（圖4-35）切削加工帶來的殘余應(yīng)力40當前第40頁\共有93頁\編于星期五\2點機械制造技術(shù)基礎(chǔ)第4章機械加工質(zhì)量分析與控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.4

工藝系統(tǒng)熱變形及其對加工精度的影響HeatDeformationofTechnologicalSystemandit’sEffecttomachiningPrecision41當前第41頁\共有93頁\編于星期五\2點4.4.1概述

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%。溫度場——工藝系統(tǒng)各部分溫度分布熱平衡——單位時間內(nèi)，系統(tǒng)傳入的熱量與傳出的熱量相等，系統(tǒng)各部分溫度保持在一相對穩(wěn)定的數(shù)值上溫度場與熱平衡研究——目前以實驗研究為主工藝系統(tǒng)熱源內(nèi)部熱源外部熱源切削熱摩擦熱環(huán)境熱源輻射熱工藝系統(tǒng)熱變形工藝系統(tǒng)熱源溫度場與工藝系統(tǒng)熱平衡42當前第42頁\共有93頁\編于星期五\2點4.4.2機床熱變形對加工精度影響

體積大，熱容量大，溫升不高，達到熱平衡時間長結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫度場和變形不均勻，對加工精度影響顯著運轉(zhuǎn)時間/h0123450150100200位移/μm20406080溫升/℃ΔYΔX前軸承溫升圖4-36車床受熱變形a）車床受熱變形形態(tài)b）溫升與變形曲線機床熱變形特點車床熱變形（圖4-36）43當前第43頁\共有93頁\編于星期五\2點4.4.2機床熱變形對加工精度影響

立銑（圖a）圖4-37立式銑床、外圓磨床、導(dǎo)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(dǎo)軌磨床受熱變形形態(tài)外圓磨（圖b）導(dǎo)軌磨（圖c）其他機床熱變形（圖4-37）44當前第44頁\共有93頁\編于星期五\2點4.4.3刀具和工件熱變形對加工精度影響

體積小，熱容量小，達到熱平衡時間較短溫升高，變形不容忽視（達0.03～0.05mm）◆特點◆變形曲線（圖4-38）（4-16）式中ξ——熱伸長量；

ξmax——達到熱平衡熱伸長量；

τ——切削時間；

τc

——時間常數(shù)（熱伸長量為熱平衡熱伸長量約63%的時間，常取3～4分鐘）。τ(min)圖4-38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ξ（μm）ξmaxτb0τc0.63ξmax刀具熱變形45當前第45頁\共有93頁\編于星期五\2點◆圓柱類工件熱變形5級絲杠累積誤差全長≤5μm，可見熱變形的嚴重性式中ΔL，ΔD——長度和直徑熱變形量；

L，D——工件原有長度和直徑；

α——工件材料線膨脹系數(shù)；

Δt——溫升。長度：（4-17）（4-18）直徑：例：長400mm絲杠，加工過程溫升1℃，熱伸長量為：4.4.3刀具和工件熱變形對加工精度影響

工件熱變形46當前第46頁\共有93頁\編于星期五\2點式中ΔX——變形撓度；

L，S——工件原有長度和厚度；

α——工件材料線膨脹系數(shù)；

Δt——溫升。（5-19）◆板類工件單面加工時的熱變形（圖4-39）圖4-39平面加工熱變形ΔXφ/4φLS此值已大于精密導(dǎo)軌平直度要求結(jié)果：加工時上表面升溫，工件向上拱起，磨削時將中凸部分磨平，冷卻后工件下凹。例：高600mm，長2000mm的床身，若上表面溫升為3℃，則變形量為：4.4.3刀具和工件熱變形對加工精度影響

47當前第47頁\共有93頁\編于星期五\2點4.4.4減小熱變形對加工精度影響的措施

例1：磨床油箱置于床身內(nèi)，其發(fā)熱使導(dǎo)軌中凹解決：導(dǎo)軌下加回油槽圖4-40平面磨床補償油溝例2：立式平面磨床立柱前壁溫度高，產(chǎn)生后傾。解決：采用熱空氣加熱立柱后壁（圖4-41）。圖4-41均衡立柱前后壁溫度場

減少切削熱和磨削熱，粗、精加工分開。

充分冷卻和強制冷卻。

隔離熱源。減少熱源發(fā)熱和隔離熱源均衡溫度場48當前第48頁\共有93頁\編于星期五\2點圖4-43支承距影響熱變形L1L2熱對稱結(jié)構(gòu)熱補償結(jié)構(gòu)（圖4-42，主軸熱補償）圖4-42雙端面磨床主軸熱補償1—主軸2—殼體3—過渡套筒熱伸長方向合理選擇裝配基準（圖4-43）高速空運轉(zhuǎn)人為加熱恒溫人體隔離采用合理結(jié)構(gòu)4.4.4減小熱變形對加工精度影響的措施

加速達到熱平衡控制環(huán)境溫度49當前第49頁\共有93頁\編于星期五\2點機械制造技術(shù)基礎(chǔ)第4章機械加工質(zhì)量分析與控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.5

加工誤差統(tǒng)計分析StatisticAnalysisofMachiningErrors50當前第50頁\共有93頁\編于星期五\2點4.5.1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?！?/p>

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51當前第51頁\共有93頁\編于星期五\2點4.5.1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)量指標的統(tǒng)計性質(zhì)，對工藝過程進行分析和控制。52當前第52頁\共有93頁\編于星期五\2點4.5.2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53當前第53頁\共有93頁\編于星期五\2點4.5.2分布圖分析法

圖4-44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準差:4）畫直方圖（圖4-44）（4-20）（4-21）54當前第54頁\共有93頁\編于星期五\2點◆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準差。平均值μ=0，標準差σ=1的正態(tài)分布稱為標準正態(tài)分布，記為：

x~N(0,1)概率密度函數(shù)（4-22）yF（z）圖4-45正態(tài)分布曲線μ(z=0)x(z)0z-σ+σ4.5.2分布圖分析法

分布曲線55當前第55頁\共有93頁\編于星期五\2點分布函數(shù)（5-23）令：將z代入上式，有：則利用上式，可將非標準正態(tài)分布轉(zhuǎn)換成標準正態(tài)分布進行計算（圖4-45）。稱z為標準化變量4.5.2分布圖分析法

yF（z）圖4-45正態(tài)分布曲線μ(z=0)x(z)0z-σ+σ56當前第56頁\共有93頁\編于星期五\2點◆非正態(tài)分布

xy0a）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4-46a）xy0b）平頂分布xy0c）偏向分布

平頂分布：工件瞬時尺寸分布呈正態(tài)，其算術(shù)平均值近似成線性變化（如刀具和砂輪均勻磨損）（圖4-46b）

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?。▓D4-46c）圖4-46幾種非正態(tài)分布4.5.2分布圖分析法

57當前第57頁\共有93頁\編于星期五\2點◆形位誤差的分布

差數(shù)模分布：正態(tài)分布大于零的部分與小于零的部分對零軸線映射后的迭加（圖4-47），如對稱度、直線與平面的平行度、相鄰周節(jié)誤差等

瑞利分布：二維正態(tài)分布，在只考慮平面向量模情況下轉(zhuǎn)換成為一維分布（圖4-48）,如同軸度、直線與直線平行度、端面圓跳動誤差等（不考慮系統(tǒng)誤差）xy0圖4-47差數(shù)模分布

瑞利綜合分布：上述誤差在考慮系統(tǒng)誤差的情況下，其誤差分布接近瑞利綜合分布圖4-48瑞利分布xzy04.5.2分布圖分析法

58當前第58頁\共有93頁\編于星期五\2點◆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4.5.2分布圖分析法

分布圖應(yīng)用（5-24）（5-25）（5-26）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——誤差分布的標準差。59當前第59頁\共有93頁\編于星期五\2點4.5.2分布圖分析法

y圖4-49工藝能力系數(shù)符號含義μx03σ3σ公差帶TΔTUTL60當前第60頁\共有93頁\編于星期五\2點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4.5.2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

61當前第61頁\共有93頁\編于星期五\2點01234567樣組序號b）工件尺寸公差帶T控制限4.5.3點圖分析法

圖4-50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（圖4-49）62當前第62頁\共有93頁\編于星期五\2點4.5.3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164頁表4-6。圖表示樣組平均值，R表示樣組極差圖控制限圖：63當前第63頁\共有93頁\編于星期五\2點4.5.3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4-51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64當前第64頁\共有93頁\編于星期五\2點4.5.4調(diào)整尺寸

式中Lt——調(diào)整尺寸；

LM——平均尺寸；

Tt——調(diào)整公差。（4-28）由圖4-52所示關(guān)系可得：圖4-52調(diào)整尺寸關(guān)系yTtxT3σLmaxLminLM

（

Lt）樣本均值分布總體分布總體分布平均值極端位置（4-29）樣本平均值分布：調(diào)整尺寸調(diào)整公差65當前第65頁\共有93頁\編于星期五\2點4.5.4調(diào)整尺寸

上式要求過于苛刻，產(chǎn)生不合格品得概率只有0.00036%。用2σ代替3σ，得到：此時產(chǎn)生不合格品得概率為0.104%，完全可以接受。（4-30）圖4-52調(diào)整尺寸關(guān)系yTtxT3σLmaxLminLM

（

Lt）樣本均值分布總體分布總體分布平均值極端位置66當前第66頁\共有93頁\編于星期五\2點機械制造技術(shù)基礎(chǔ)第4章機械加工質(zhì)量分析與控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.6

提高加工精度的途徑MethodsofImprovingMachiningPrecision67當前第67頁\共有93頁\編于星期五\2點4.6.1誤差預(yù)防

合理采用先進工藝和設(shè)備◆誤差預(yù)防指減小原始誤差本身或減小原始誤差的影響減小原始誤差轉(zhuǎn)移原始誤差（圖4-53）a）b）圖4-53轉(zhuǎn)塔車床刀架轉(zhuǎn)位誤差的轉(zhuǎn)移誤差分組就地加工均化原始誤差，如研磨加工、易位加工（圖4-54）圖4-54易位法加工時誤差均化過程φ360°工件轉(zhuǎn)角累積誤差Δ1l1l2Δ268當前第68頁\共有93頁\編于星期五\2點4.6.2誤差補償

在線測量與在線補償（圖4-55）◆指人為引入附加誤差因素，以抵消或減小原始誤差的影響圖4-55高壓油泵偶件自動配磨裝置示意圖柱塞銷柱塞69當前第69頁\共有93頁\編于星期五\2點圖4-56絲扛加工誤差補償裝置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

附加位移螺母附加轉(zhuǎn)動4.6.2誤差補償

采用校正裝置（圖4-56）70當前第70頁\共有93頁\編于星期五\2點圖4-57以彈性變形補償熱變形以彈性變形補償熱變形（圖4-57）其他補償方法圖4-59以熱變形補償熱變形圖4-58龍門銑橫梁變形補償附加夾緊力以熱變形補償熱變形（圖4-59）以幾何誤差補償受力變形（圖4-58）4.6.2誤差補償

71當前第71頁\共有93頁\編于星期五\2點機械制造技術(shù)基礎(chǔ)第4章機械加工質(zhì)量分析與控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.7

影響加工表面粗糙度的工藝因素TechnologicalFactorsInfluencingRoughness72當前第72頁\共有93頁\編于星期五\2點4.7.1切削加工表面粗糙度影響因素

圖4-60車削時殘留面積的高度直線刃車刀（圖4-60a）（4-31）圓弧刃車刀（圖4-60b）（4-32）影響因素：fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf切削殘留面積73當前第73頁\共有93頁\編于星期五\2點切削速度影響最大：v=10～50m/min范圍，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，表面粗糙度最差（圖5-53）。其他影響因素：刀具幾何角度、刃磨質(zhì)量，切削液等圖4-61切削45鋼時切削速度與粗糙度關(guān)系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收縮系數(shù)Ks1.52.02.53.0積屑瘤高度h（μm）0200400600hKsRz4.7.1切削加工表面粗糙度影響因素

切削表面塑性變形和積屑瘤74當前第74頁\共有93頁\編于星期五\2點砂輪速度v↑，Ra↓工件速度vw↑，Ra↑砂輪縱向進給f↑，Ra

↑磨削深度ap↑，Ra

↑圖4-62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

=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(μm)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04b）4.7.2磨削加工表面粗糙度影響因素

磨削用量影響圖4-63光磨次數(shù)-Ra關(guān)系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次數(shù)粗粒度砂輪(WA60KV)細粒度砂輪(WA/GCW14KB)光磨次數(shù)↑，Ra↓75當前第75頁\共有93頁\編于星期五\2點砂輪粒度↑，Ra↓；但要適量砂輪硬度適中，Ra↓；常取中軟砂輪組織適中，Ra↓

；常取中等組織采用超硬砂輪材料，Ra

↓砂輪精細修整，Ra↓4.7.2磨削加工表面粗糙度影響因素

砂輪影響其他影響因素工件材料冷卻潤滑液等76當前第76頁\共有93頁\編于星期五\2點機械制造技術(shù)基礎(chǔ)第4章機械加工質(zhì)量分析與控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.8

影響表層金屬力學物理性能的工藝因素TechnologicalFactorsInfluencingPhysicsPropertiesofSurfaceLayer77當前第77頁\共有93頁\編于星期五\2點4.8.1影響表面冷作硬化的因素

切削加工

f↑，冷硬程度↑(圖4-64)◆切削用量影響◆刀具影響rε↑，冷硬程度↑其他幾何參數(shù)影響不明顯后刀面磨損影響顯著（圖4-65）00.20.40.60.81.0磨損寬度VB(mm)100180260340硬度(HV)50鋼，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)圖4-65后刀面磨損對冷硬影響◆工件材料材料塑性↑，冷硬傾向↑切削速度影響復(fù)雜（力與熱綜合作用結(jié)果）切削深度影響不大圖4-64f和v對冷硬的影響硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：4578當前第78頁\共有93頁\編于星期五\2點磨削速度↑→冷硬程度↓（弱化作用加強）工件轉(zhuǎn)速↑→冷硬程度↑縱向進給量影響復(fù)雜磨削深度↑→冷硬程度↑（圖4-66）◆磨削用量◆砂輪砂輪粒度↑→冷硬程度↓砂輪硬度、組織影響不顯著◆工件材料材料塑性↑→冷硬傾向↑材料導(dǎo)熱性↑→冷硬傾向↓圖4-66磨削深度對冷硬的影響ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削4.8.1影響表面冷作硬化的因素

磨削加工79當前第79頁\共有93頁\編于星期五\2點4.8.2影響層金屬殘余應(yīng)力的因素

v↑→殘余應(yīng)力↑（熱應(yīng)力起主導(dǎo)作用，圖4-67）◆切削用量◆刀具前角+→－，殘余拉應(yīng)力↓刀具磨損↑→殘余應(yīng)力↑◆工件材料材料塑性↑→殘余應(yīng)力↑鑄鐵等脆性材料易產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力圖4-68f對殘余應(yīng)力的影響工件：45，切削條件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液殘余應(yīng)力(Gpa)0.2000.200100200300400距離表面深度(μm)f

=0.40mm/rf

=0.25mm/rf

=0.12mm/r僅討論切削加工

f↑→殘余應(yīng)力↑（圖4-68）切削深度影響不顯著圖4-67vc對殘余應(yīng)力的影響γ0=5°,α0==5°,κr=75°,rε=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(μm)殘余應(yīng)力(Gpa)-0.2000.20vc

=213m/minvc

=86m/minvc

=7.7m/min80當前第80頁\共有93頁\編于星期五\2點4.8.3磨削燒傷與磨削裂紋

合理選擇砂輪合理選擇磨削用量改善冷卻條件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(yīng)力產(chǎn)生，同時出現(xiàn)彩色氧化膜磨削燒傷磨削表面殘余拉應(yīng)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4-69帶空氣擋板冷卻噴嘴磨削燒傷與磨削裂紋的控制磨削裂紋81當前第81頁\共有93頁\編于星期五\2點4.8.4表面強化工藝

利用淬硬和精細研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)擠壓金屬表面，將凸起部分下壓下，凹下部分上凸，修正工件表面的微觀幾何形狀,形成壓縮殘余應(yīng)力，提高耐疲勞強度（圖4-71）利用大量快速運動珠丸打擊工件表面,使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓應(yīng)力,↑疲勞強度（圖4-70）噴丸強化圖4-71滾壓加工原理圖用于強化形狀復(fù)雜或不宜用其它方法強化的工件，例如板彈簧、螺旋彈簧、齒輪、焊縫等滾壓加工圖4-70珠丸擠壓引起殘余應(yīng)力

壓縮拉伸塑性變形區(qū)域82當前第82頁\共有93頁\編于星期五\2點機械制造技術(shù)基礎(chǔ)第4章機械加工質(zhì)量分析與控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.9

機械加工過程中的振動VibrationsinmachiningProcess83當前第83頁\共有93頁\編于星期五\2點4.9.1概述

機械加工過程中振動的危害影響加工表面粗糙度，振動頻率較低時會產(chǎn)生波度影響生產(chǎn)效率加速刀具磨損，易引起崩刃影響機床、夾具的使用壽命產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者健康工藝系統(tǒng)受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復(fù)力來維持的振動稱為自由振動。

由于系統(tǒng)中總存在由阻尼，自由振動將逐漸衰弱，對加工影響不大。機械加工過程中振動的類型自由振動自由振動強迫振動自激振動84當前第84頁\共有93頁\編于星期五\2點4.9.2機械加工過程中強迫振動強迫振動產(chǎn)生原因由外界周期性的干擾力（激振力）作用引起強迫振動振源：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

頻率特征：與干擾力的頻率相同，或是干擾力頻率整倍數(shù)

幅值特征：與干擾力幅值、工藝系統(tǒng)動態(tài)特性有關(guān)。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

相角特征：強迫振動位移的變化在相位上滯后干