1、2022-8-912022-8-92 第第6 6章章 机械加工质机械加工质量量6.1 6.1 加工精度和表面质量加工精度和表面质量6.1.1 6.1.1 加工精度加工精度在切削加工中，影响零件加工精度的主要在切削加工中，影响零件加工精度的主要因素：因素：（1 1）加工原理误差）加工原理误差 因采用了近似的加工方法或传动因采用了近似的加工方法或传动方式及形状近似的刀具而造成的误差。方式及形状近似的刀具而造成的误差。2022-8-93例：例：展成法加工齿轮，即：滚刀切削刃各个瞬时位置展成法加工齿轮，即：滚刀切削刃各个瞬时位置的包络面形成齿轮齿面。的包络面形成齿轮齿面。理论上要得到渐开线齿面，滚刀理
2、论上要得到渐开线齿面，滚刀应采用渐开线蜗应采用渐开线蜗杆杆。但是，由于制造上的困难，生产上但是，由于制造上的困难，生产上实际采用阿基实际采用阿基米德蜗杆米德蜗杆或或法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆，由此产生的误差，由此产生的误差原原理误差。理误差。2022-8-94机床误差机床误差机床机床 导轨误差导轨误差 主轴误差主轴误差 传动链误差传动链误差机床的制造精度机床的制造精度 安装精度安装精度 磨磨 损损v机床导轨误差机床导轨误差在水平面内的直线度误差在水平面内的直线度误差在垂直面内的直线度误差在垂直面内的直线度误差前后导轨的平行度误差前后导轨的平行度误差 （2 2）机床、刀具及夹具误差）机床、刀具及夹
3、具误差 包括：包括：制造和磨损误差制造和磨损误差2022-8-95例：例：卧式车床的纵向导轨在水平面内的直线卧式车床的纵向导轨在水平面内的直线度误差，直接产生工件直径的度误差，直接产生工件直径的尺寸误差尺寸误差和和圆圆柱度误差柱度误差。例：例：在车床上精车长轴和深孔时，随着车在车床上精车长轴和深孔时，随着车刀逐渐磨损，工件表面出现锥度而产生其刀逐渐磨损，工件表面出现锥度而产生其直径的尺寸误差和圆柱度误差。直径的尺寸误差和圆柱度误差。2022-8-962022-8-97机床导轨在水平面内机床导轨在水平面内 的直线度误差的直线度误差y y RR引起的加工误差：引起的加工误差：（纵向车削时）（纵向车
4、削时）若导轨在水平面内向前若导轨在水平面内向前凸起，工件为凸起，工件为腰鼓形腰鼓形；若导轨在水平面内向后若导轨在水平面内向后凸起，工件为凸起，工件为马鞍形马鞍形。刀尖在水平面内刀尖在水平面内的位移的位移y y工件在半径上的误差工件在半径上的误差（加工表面的法线方向）（加工表面的法线方向）R=R=y y D=2 D=2 y y 2022-8-98在卡盘上夹紧薄壁套、圆环等刚度较差的工件在卡盘上夹紧薄壁套、圆环等刚度较差的工件时，工件容易产生弹性变形。时，工件容易产生弹性变形。（3 3）工件装夹误差）工件装夹误差 包括：定位误差和夹紧误差包括：定位误差和夹紧误差措施：措施：加工薄壁零件时，可采用液
5、性塑料夹具加工薄壁零件时，可采用液性塑料夹具代替三爪卡盘，以保证夹紧力应在工件圆周上代替三爪卡盘，以保证夹紧力应在工件圆周上均匀分布。均匀分布。例：例：镗削镗削 加工出的孔加工出的孔 三角棱圆形三角棱圆形2022-8-99 图图a a）装夹前工件的形状）装夹前工件的形状 图图b b）内孔加工完后还未卸下的形状）内孔加工完后还未卸下的形状图图c）加工后卸下工件，弹性变形恢复后的形状，）加工后卸下工件，弹性变形恢复后的形状，此时此时 装夹误差反映到加工表面内孔上。装夹误差反映到加工表面内孔上。2022-8-910（4 4）工艺系统变形误差）工艺系统变形误差 工艺系统工艺系统机床、夹具、工件和刀具构
6、机床、夹具、工件和刀具构成的弹性工艺系统成的弹性工艺系统1.1.受力弹性变形误差受力弹性变形误差例：例：轴在两顶尖之间加工，近似于一根梁自由轴在两顶尖之间加工，近似于一根梁自由支承在两个支点上，在背向力支承在两个支点上，在背向力Fp的作用下，加的作用下，加工的轴为腰鼓形。工的轴为腰鼓形。2022-8-911b b）用卡盘装夹轴；）用卡盘装夹轴；c c）用卡盘）用卡盘-顶尖顶尖装夹轴装夹轴 在背向力在背向力F Fp p的作用下加工出的轴类零件形状如图的作用下加工出的轴类零件形状如图所示。所示。措施：措施：加工刚度较差的细长轴工件时，常采用中加工刚度较差的细长轴工件时，常采用中 心架或跟刀架等辅助
7、支承，以减小工件受力变形。心架或跟刀架等辅助支承，以减小工件受力变形。2022-8-9122022-8-913 在在精密加工精密加工中引起的加工误差中引起的加工误差 占总加工误差的占总加工误差的404070%70%在在大型零件大型零件的加工中对精度的影响显著的加工中对精度的影响显著 在自动化生产中使加工精度不稳定在自动化生产中使加工精度不稳定 机床热变形：机床热变形：磨床：磨床：外圆磨床的主要热源外圆磨床的主要热源砂轮主轴的摩擦热、液压系砂轮主轴的摩擦热、液压系统的发热，对加工精度影响较大。统的发热，对加工精度影响较大。其他机床：其他机床：主要热源主要热源主轴箱，导致主轴抬高并倾斜，使主轴箱，
8、导致主轴抬高并倾斜，使床身凸起（在垂直面内）：床身凸起（在垂直面内）：热源：内部热源热源：内部热源 外部热源外部热源 有垂直（或倾斜）刀架的机床，对加工精度影响较大。有垂直（或倾斜）刀架的机床，对加工精度影响较大。2.2.工艺系统的工艺系统的热变形热变形误差误差2022-8-9142022-8-915v 刀具热变形刀具热变形 特点：特点：刀体小、热容量小、温升高（例：高速钢车刀切削时，刀体小、热容量小、温升高（例：高速钢车刀切削时，刀刃温度达刀刃温度达700700800 800 o oC C,刀具伸长量达刀具伸长量达0.030.030.05mm0.05mm）u工件热变形工件热变形工件受热膨胀均
9、匀：引起尺寸变化工件受热膨胀均匀：引起尺寸变化工件受热膨胀不均匀：引起形状变化工件受热膨胀不均匀：引起形状变化 加工平面（铣、刨、磨等）：加工平面（铣、刨、磨等）：工件单侧受热工件单侧受热工件向上凸起工件向上凸起凸起部分被切除凸起部分被切除冷却后冷却后平面呈凹形平面呈凹形 加工长的精密工件时：加工长的精密工件时：热变形对加工精度的影响显著热变形对加工精度的影响显著例：例：磨削长为磨削长为3000mm3000mm的碳钢丝杠，磨削后温升的碳钢丝杠，磨削后温升3 3度，丝度，丝杠伸长量为杠伸长量为0.1mm0.1mm（6 6级丝杠的螺距误差在全长上的允差为级丝杠的螺距误差在全长上的允差为0.02mm
10、0.02mm）2022-8-9162022-8-917工件加工过程中：工件加工过程中：各部分受热不均各部分受热不均 冷却速度不同冷却速度不同 金相组织变化金相组织变化 塑性变形塑性变形 切削热、力的影响切削热、力的影响 （5 5）工件内应力）工件内应力工件内：拉应力和压应工件内：拉应力和压应力并存而总体处于平衡力并存而总体处于平衡状态。状态。*当外界条件发生变化，如温度改变或从表面当外界条件发生变化，如温度改变或从表面再切去一层金属后，内应力的平衡即遭到破坏，再切去一层金属后，内应力的平衡即遭到破坏，引起内应力重新分布，使零件产生新的变形。引起内应力重新分布，使零件产生新的变形。工件形状愈复杂
11、，各部分厚度愈不均匀工件形状愈复杂，各部分厚度愈不均匀 内应力愈大。内应力愈大。2022-8-9182022-8-919 减小内应力的措施：减小内应力的措施：合理设计零件结构；合理设计零件结构；粗、精加工分开；粗、精加工分开；粗、精加工分开，且在其间安排粗、精加工分开，且在其间安排退火退火或或时时效效工序以减少或消除内应力。工序以减少或消除内应力。退火退火 将钢制零件加热到临界温度附近，将钢制零件加热到临界温度附近，保持一些时间，再缓慢冷却的一种工艺过程。保持一些时间，再缓慢冷却的一种工艺过程。目的：目的：消除内应力，使之达到稳定状态。消除内应力，使之达到稳定状态。2022-8-920自然时效
12、自然时效将铸件、焊件的毛坯、粗加工的工件将铸件、焊件的毛坯、粗加工的工件在室内、室外放置较长时间，使其在自然气温下，在室内、室外放置较长时间，使其在自然气温下，内应力重新分布，工件充分变形，继而进行后续的内应力重新分布，工件充分变形，继而进行后续的机械加工。机械加工。人工时效人工时效将中小零件在炉内预热后低温保温几将中小零件在炉内预热后低温保温几小时。小时。目的目的：消除内应力，使之达到稳定状态。消除内应力，使之达到稳定状态。2022-8-9216.1.26.1.2表面质量表面质量表面质量表面质量零件在加工后表面层的状况。零件在加工后表面层的状况。包括：表面粗糙度、表面变形强化（表面硬包括：表
13、面粗糙度、表面变形强化（表面硬化）和残余应力等。化）和残余应力等。影响表面粗糙度的主要因素：影响表面粗糙度的主要因素：（1 1）切削残留面积）切削残留面积rr减小减小 f减小残留面积减小残留面积减小表面粗糙度减小表面粗糙度或增大刀尖圆弧半径或增大刀尖圆弧半径r2022-8-9222022-8-923（2 2）积屑瘤）积屑瘤精加工塑性金属：精加工塑性金属：采用高速切削采用高速切削（vc100mmin）或低速切削或低速切削（vc 5mmin）避免产生积屑瘤避免产生积屑瘤获得较获得较小的小的R Ra a值。值。使刀具对工件产生周期性的位移使刀具对工件产生周期性的位移在加工在加工表面上形成类似波纹的痕
14、迹表面上形成类似波纹的痕迹使使R Ra a值增大值增大 在切削加工中，应尽量避免振动。在切削加工中，应尽量避免振动。（3 3）工艺系统振动）工艺系统振动2022-8-9246.2 6.2 机械加工误差的综合分析方法机械加工误差的综合分析方法6.2.1 6.2.1 误差的性质误差的性质（1 1）系统误差）系统误差 常值系统误差常值系统误差 变值系统误差变值系统误差 常值系统误差：常值系统误差：原理误差原理误差 机床的制造误差机床的制造误差 刀夹具、量具的制造误差刀夹具、量具的制造误差 调整误差调整误差 工艺系统的静变形工艺系统的静变形 变值系统误差：变值系统误差：机床、刀具的热变形机床、刀具的热
15、变形刀具的磨损刀具的磨损 随机误差：随机误差：定位误差定位误差 夹紧误差夹紧误差 多次调整误差多次调整误差 毛坯误差的复映毛坯误差的复映内应力变化内应力变化 （2 2）随机误差）随机误差2022-8-925误差处理的方法误差处理的方法 常值系统误差：常值系统误差：若能掌握其大小和方向，可通过调整解决。若能掌握其大小和方向，可通过调整解决。变值系统误差：变值系统误差：若能掌握其大小和方向随时间变化的规律，若能掌握其大小和方向随时间变化的规律，可通过自动补偿消除。可通过自动补偿消除。随机误差：随机误差：只能缩小其变动范围，可由概率论与数理只能缩小其变动范围，可由概率论与数理统计方法估计误差变动范围
16、。统计方法估计误差变动范围。2022-8-926机械制造中常见的误差分布规律（随机误差）机械制造中常见的误差分布规律（随机误差）正态分布正态分布（满足三点假设）：（满足三点假设）：无变值系统误差无变值系统误差各随机误差相互独立各随机误差相互独立各随机误差中没有一个起主导作用各随机误差中没有一个起主导作用 平顶分布平顶分布加工中刀具线性磨损影响显著，工件尺寸误差呈现平顶分布。加工中刀具线性磨损影响显著，工件尺寸误差呈现平顶分布。双峰分布双峰分布将两台机床所加工的工件（同一图纸）混在一起，工件的尺将两台机床所加工的工件（同一图纸）混在一起，工件的尺寸误差呈双峰分布。寸误差呈双峰分布。偏态分布偏态分
17、布用试切法车削时，为避免产生不可修复废品，主观地使孔偏用试切法车削时，为避免产生不可修复废品，主观地使孔偏向向D Dminmin，使轴偏向，使轴偏向D Dmaxmax,则孔轴的尺寸误差呈偏态分布则孔轴的尺寸误差呈偏态分布.2022-8-9272022-8-928 6.2.26.2.2 加工误差的分布曲线分析法加工误差的分布曲线分析法批量批量精镗活塞销孔精镗活塞销孔，尺寸要求：，尺寸要求：mm0015.028 D Dmaxmax =28 mm =28 mm D Dminmin=27.985mm=27.985mm孔的尺寸公差孔的尺寸公差 IT=0.015mm IT=0.015mm 公差带中心公差带
18、中心 =28=28 0.0150.0152 2 =27.9925 =27.9925（mmmm）抽查抽查100100件，分为件，分为6 6组（间组（间0.002mm0.002mm）由题可知，设计要求：由题可知，设计要求：2022-8-929Damax=28.004mm Damin=27.992mm 实际分散范围实际分散范围=28.00427.992 =0.012（mm）)(9979.27mmnmx实际分散范围中心2022-8-9302022-8-931 废品：废品：28.000 28.000 工件尺寸工件尺寸 28.00428.004 即：即：废品率废品率=18%=18%（图中阴影部分）（图中阴
19、影部分）已知：已知：分散范围中心与公差带中心不重合分散范围中心与公差带中心不重合 ，不重合的部，不重合的部分即为分即为系统系统 （镗刀的调整误差）：（镗刀的调整误差）：系统系统 =|=|分散范围中心公差带中心分散范围中心公差带中心|=27.9979 =27.9979 27.992527.9925 =0.0054 =0.0054（mmmm）（常值系统误差）（常值系统误差）结论：结论：虽然公差范围（虽然公差范围（0.0150.015）分散范围（）分散范围（0.0120.012），但由于存），但由于存在在系统系统 ，仍产生废品，其废品率达，仍产生废品，其废品率达18%18%，故应重新调整镗刀，故应重
20、新调整镗刀的位置，将镗刀伸出量调小的位置，将镗刀伸出量调小0.0054mm0.0054mm（直径量），使分散范围（直径量），使分散范围中心与公差带中心重合。中心与公差带中心重合。2022-8-9322.2.理论分布曲线理论分布曲线统计表明：工件数统计表明：工件数n n无限增大，尺寸间隔无无限增大，尺寸间隔无限减小，实际分布折线限减小，实际分布折线 光滑曲线光滑曲线 正态分布曲线正态分布曲线x222)(exp21)(xxxy概率密度分布函数：工件总数式中：nxxnnxxniinii121)(11式中式中:均方差均方差 工件尺寸工件尺寸工件分散范围中心工件分散范围中心 （平均值）（平均值）xx20
21、22-8-9332022-8-93412)(exp2122dxxxxxdxxxF222)(exp212022-8-935查表练习查表练习:（F F概率函数积分）概率函数积分）加工中，一般取加工中，一般取33为工件尺寸为工件尺寸的分散范围的分散范围?2?,1?2?,2,2?2?,3,3FPFxxxxFPFxxxxFPFxxxx F=49.865%,P=99.73%F=47.720%,P=95.44%F=34.130%,P=68.26%2022-8-936工艺能力分析：工艺能力分析：已知：工件尺寸的分散范围为已知：工件尺寸的分散范围为3 工件公差带工件公差带 T6 工艺能力工艺能力工序处于稳定状态
22、时，加工误差工序处于稳定状态时，加工误差（随机误差）正常波动的幅度。（用（随机误差）正常波动的幅度。（用6表示）表示）工艺能力系数工艺能力系数Cp工艺能力满足加工精度要求工艺能力满足加工精度要求的程度。当工序处于稳定状态时，可计算：的程度。当工序处于稳定状态时，可计算：6TCp2022-8-937P137例题：例题：工件公差带范围工件公差带范围0.0015mm 工件尺寸分散范围工件尺寸分散范围0.0012mm 工艺能力系数工艺能力系数 Cp=T6 =0.00150.0012 =1.25 2022-8-938 分布曲线法采用分布曲线法采用大样本大样本，故能接近实际地反，故能接近实际地反映工艺过程
23、总体。映工艺过程总体。能把工艺过程中存在的常值系统误差从误差能把工艺过程中存在的常值系统误差从误差中区分开。中区分开。只有一批工件加工完毕后才能绘制分布曲线，只有一批工件加工完毕后才能绘制分布曲线，故不能在工艺过程中及时地提供工艺过程精故不能在工艺过程中及时地提供工艺过程精度的信息。度的信息。计算较复杂。计算较复杂。只实用于工艺过程稳定的场合。只实用于工艺过程稳定的场合。2022-8-9396.2.3 点图法点图法 采用顺序采用顺序小样本小样本（每隔一定时间抽检（每隔一定时间抽检 m=510个个工件作为小样本），计算各小样本的算术平均值工件作为小样本），计算各小样本的算术平均值及极差：及极差：
24、点图Rxminmax11xxRxmxmiix 点图反映出加工过程中分布中心的位置及其变化趋势，点图反映出加工过程中分布中心的位置及其变化趋势，反映系统误差对加工精度的影响；反映系统误差对加工精度的影响；R R 点图反映了加工过程中极差分布范围的变化趋势，点图反映了加工过程中极差分布范围的变化趋势，反映反映随机误差的影响。随机误差的影响。按加工的顺序作出尺寸的变化图，可暴露在整个加工过程中按加工的顺序作出尺寸的变化图，可暴露在整个加工过程中的误差变化全貌。的误差变化全貌。2022-8-940miixmx11minmaxxxR；2022-8-941 样本平均值的均值线样本平均值的均值线VCL、LC
25、L：样本均值的上、下控制线样本均值的上、下控制线 样本极差样本极差R的均值线的均值线VCL、LCL：样本极样本极差差R的上、下控制线的上、下控制线X点图的应用RxRkiixKx11kiiRKR112022-8-942点子的点子的波动：波动：正常波动正常波动只有随机的波动只有随机的波动工艺过程稳定工艺过程稳定 异常波动异常波动 工艺过程不稳定工艺过程不稳定2022-8-943 所采用的样本为顺序小样本所采用的样本为顺序小样本 能在工艺过程的进行中，及时发现常值系能在工艺过程的进行中，及时发现常值系统误差、变值系统误差和随机误差的分散统误差、变值系统误差和随机误差的分散情况，提供主动控制的资料。情况，提供主动控制的资料。计算简单计算简单2022-8-944
