1、第五章 机械制造质量分析与控制第一节第一节 机械加工精度机械加工精度第二节第二节 工艺过程的统计分析工艺过程的统计分析第三节第三节 机械加工表面质量机械加工表面质量第四节第四节 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动1.加工精度与加工误差 所谓加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合 程度。实际值愈接近理想值，加工精度就愈高。实际加工不可能把零件做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。第一节第一节 机械加工精度机械加工精度一、概 述2.加工经济精度图5-2 加工成本与加工误差之间的关系3
2、.原始误差 由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统(简称工艺系统)会有各种各样的误差产生，这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式(或扩大、或缩小)反映为工件的加工误差。工艺系统的误差是“因”，是根源；工件的加工误差是“果”，是表现；因此，我们把工艺系统的误差称为原始误差。4.误差敏感方向的概念图5-3 由z引起的加工误差 原始误差所引起的切削刃与工件间的相对位移，如果产生在加工表面的法线方向，则对加工误差有直接的影响；如果产生在加工表面的切线方向上，就可以忽略不计。我们把加工表面的法向称之为误差的敏感方向。分析计算法是在掌握各原始误差对加工精度影响规律的基础上，分析工件
3、加工中所出现的误差可能是哪一个或哪几个主要原始误差所引起的，并找出原始误差与加工误差之间的影响关系，进而通过估算来确定工件的加工误差的大小，再通过试验测试来加以验证。统计分析法是对具体加工条件下加工得到的几何参数进行实际测量，然后运用数理统计学方法对这些测试数据进行分析处理，找出工件加工误差的规律和性质，进而控制加工质量。分析计算法主要是在对单项原始误差进行分析计算的基础上进行的，统计分析法则是对有关的原始误差进行综合分析的基础上进行的。5.研究机械加工精度的方法二、工艺系统几何误差1.机床的几何误差 加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取决于
4、机床的精度。机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。机床的磨损将使机床工作精度下降。(1)定尺寸刀具(如钻头、铰刀、镗刀块、孔拉刀、丝锥、板牙、键槽铣刀等)的尺寸和形状误差 (2)成形刀具(如成形车刀、成形铣刀、模数铣刀等)的形状误差 (3)展成刀具(如齿轮滚动、插齿刀、花键滚刀等)切削刃的形状及有关尺寸，以及其安装、调整不正确 (4)一般刀具(如普通车刀、单刃镗刀、面铣刀、刨刀等)的制造误差2.刀具的几何误差 夹具的作用是使工件相对于刀具和机床具有正确的位置，因此夹具的制造误差对工件的加工精度(特别是位置精度)有很大影响。3.夹具的几何误差图5-10 工件
5、在夹具中装夹示意 试切法调整广泛用在单件、小批生产中。这种调整方式产生调整误差的来源有3个方面：(1)度量误差 (2)加工余量的影响 (3)微进给误差三、调整误差1.试切法调整 在大批大量生产中广泛应用行程挡块、靠模、凸轮等机构保证加工精度。这时候，这些机构的制造精度和调整，以及与它们配合使用的离合器、电气开关、控制阀等的灵敏度就成了影响误差的主要因素。2.按定程机构调整 在大批大量生产中用多刀加工时，常用专门样件来调整切削刃间的相对位置。如活塞环槽半精车和精车时就是如此。当工件形状复杂，尺寸和重量都比较大的时候，利用样件进行调整就太笨重，且不经济，这时可以采用样板对刀。3.按样件或样板调整
6、机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降。四、工艺系统受力变形引起的误差1.基本概念图5-12 受力变形对工件精度的影响 a)车长轴 b)磨内孔 工艺系统中如果工件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，工件由于刚性不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大，其最大变形量可按材料力学有关公式估算。2.工件刚度 外圆车刀在加工表面法线（y）方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。镗直径较小的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。3.刀具刚度(1)机床部件刚度
7、图5-14 车床部件静刚度的测定 1心轴 2、3、6千分表 4测力环 5螺旋加力器4.机床部件刚度图5-15 车床刀架部件的刚度曲线1加载曲线 2卸载曲线(2)影响机床部件刚度的因素 由于零件表面存在宏观几何形状误差和微观几何形状误差，结合面的实际接触面积只是名义接触面积的一小部分(图所示)，在外力作用下，实际接触区的接触应力很大，产生了较大的接触变形。1)结合面接触变形的影响图5-16 两零件结合面间的接触情况4.机床部件刚度2)摩擦力的影响图5-17 摩擦力对机床部件刚度的影响4.机床部件刚度 3)低刚度零件的影响 在机床部件中，个别薄弱零件对刚度的影响很大。4)间隙的影响 机床部件在受力
8、作用时，首先消除零件间在受力作用方向上的间隙，这会使机床部件产生相应的位移。4.机床部件刚度(1)由于工艺系统刚度变化引起的误差5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响图5-18 车削外圆时工艺系统受力变形对加工精度的影响(2)由于切削力变化引起的误差 在加工过程中，由于工件的加工余量发生变化、工件材质不均等因素引起的切削力变化，使工艺系统变形发生变化，从而产生加工误差。图5-19 毛坯形状误差的复映5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响(3)由于夹紧变形引起的误差 (4)其他作用力的影响 除上述因素外，重力、惯性力、传动力等也会使工艺系统的变形发生变化，引起加工误差。图5-21 夹紧力引起的加工误
9、差a)夹紧后 b)镗孔后 c)放松后 d)加过渡环后夹紧5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响 (1)提高工艺系统刚度 1)提高工件和刀具的刚度 2)提高机床刚度 3)采用合理的装夹方式和加工方式 (2)减小切削力及其变化 合理地选择刀具材料、增大前角和主偏角、对工件材料进行合理的热处理以改善材料的加工性能等，都可使切削力减小。6.减小工艺系统受力变形的途径 1)切削热 切削热对工件加工精度的影响最为直接。2)摩擦热和能量损耗 工艺系统因运动副(如齿轮副、轴承副、导轨副、螺母丝杠副、离合器等)相对运动所生摩擦热和因动力源(如电动机、液压系统等)工作时的能量损耗而发热。3)派生热源 工艺系统内部的
10、部分热量通过切屑、切削液、润滑液等带到机床其它部位，使系统产生热变形。五、工艺系统受热变形引起的误差1.工艺系统的热源 (1)内部热源 内部热源来自工艺系统内部，其热量主要是以热传导的形式传递的。(2)外部热源 外部热源来自工艺系统外部。1)环境温度 以对流传热为主要传递形式的环境温度的变化(如气温的变化，人造冷、热风，地基温度的变化等)影响工艺系统的受热均匀性，从而影响工件的加工精度。2)辐射热 以辐射传热为传递形式的辐射热(如阳光、灯光照明、取暖设备、人体温度等)因其对工艺系统辐射的单面性或局部性而使工艺系统的热变形发生变化，从而影响工件的加工精度。2.工件热变形对加工精度的影响 工件在机
11、械加工中所产生的热变形，主要是由切削热引起的。(1)工件均匀受热 在加工像轴类等一些形状简单的工件时，如果工件处在相对比较稳定的温度场中，此时就认为工件是均匀受热。(2)工件不均匀受热 在铣、刨、磨平面时，工件单面受切削热作用，上下表面之间形成温差，导致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生了中凹，造成了几何形状误差。3.刀具热变形对加工精度的影响 刀具热变形的热源主要是切削热。图5-25 车刀的热变形曲线 4.机床热变形对加工精度的影响 由于机床热源分布的不均匀、机床结构的复杂性以及机床工作条件的变化很大等原因，机床各个部件的温升是不相同的，甚至同一个零件的各个部分
12、的温升也有差异，这就破坏了机床原有的相互位置关系。图5-26 车床的热变形5.减小工艺系统热变形的途径(1)减少发热和隔热(2)改善散热条件(3)均衡温度场(4)改进机床结构(5)加快温度场的平衡(6)控制环境温度 没有外力作用而存在于零件内部的应力，称为内应力。工件上一旦产生内应力之后，就会使工件金属处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向 低能位的稳定状态转化，并伴随有变形发生，从而使工件丧失原有的加工精度。六、内应力重新分布引起的误差1.基本概念2.内应力的产生 在铸、锻、焊、热处理等工序中由于工件壁厚不均、冷却不均、金相组织的转变等原因，使工件产生内应力。(1)热加工中内应力的产生图5
13、-32 铸件因内应力而引起的变形(2)冷校直产生的内应力图5-33 校直引起的内应力2.内应力的产生3.减小内应力变形误差的途径 (1)改进零件结构 在设计零件时，尽量做到壁厚均匀，结构对称，以减少内应力的产生。(2)增设消除内应力的热处理工序 铸件、锻件、焊接件在进入机械加工之前，应进行退火、回火等热处理，加速内应力变形的进程；对箱体、床身、主轴等重要零件，在机械加工工艺中尚需适当按排时效处理工序。(3)合理安排工艺过程 粗加工和精加工宜分阶段进行，使工件在粗加工后有一定的时间来松弛内应力。1.减小原始误差2.转移原始误差3.均分原始误差4.均化原始误差5.误差补偿七、提高加工精度的途径 在
14、顺序加工一批工件中，其大小和方向皆不变的误差，称为常值系统性误差。在顺序加工一批工件中，其大小和方向遵循某一规律变化的误差，称为变值系统性误差。第二节第二节 工艺过程的统计分析工艺过程的统计分析一、误差统计性质的分类1.正态分布的基本概念 二、工艺过程的分布图分析(1)正态分布的数学模型、特征参数和特殊点图5-36 正态分布曲线的特殊点其概率密度方程为：该方程有两个特征参数，一为算术平均值x，另一为均方根偏差(标准差)：式中 xi工件尺寸；n工件总数。(2)标准正态分布 x=0、=1的正态分布称为标准正态分布，其概率密度可写为：(3)工件尺寸在某区间内的概率图5-38 工件尺寸概率分布 生产上
15、感兴趣的问题往往不是工件为某一尺寸的概率是多大，而是加工工件尺寸落在某一个区间(x1xx2)内的概率是多大。2.机械制造中常见的误差分布规律 图5-40 机械加工误差分布规律a)正态分布 b)平顶分布 c)双峰分布 d)偏态分布 (1)实际分布曲线符合正态分布，6T且分散中心与公差带中心重合 (2)实际分布曲线符合正态分布，6T，但分散中心与公差带中心不重合 (3)实际分布曲线符合正态分布，6T，且分散中心与公差带中心不重合 (4)实际分布曲线不符合正态分布，而呈平顶分布 (5)实际分布曲线不符合正态分布，而呈偏态分布 (6)双峰或多峰分布2.机械制造中常见的误差分布规律(1)样本容量的确定(
16、2)样本数据的测量(3)异常数据的剔除(4)实际分布图的绘制(5)理论分布图的绘制(6)工艺过程的分析3.工艺过程的分布图分析三、工艺过程的点图分析1.工艺过程的稳定性 工艺过程的稳定性是指工艺过程在时间历程上保持工件均值x 和标准差值稳定不变的性能。图5-42 工艺过程稳定性分析图2.点图的基本形式 点图的基本形式是由小样本均值x 的点图和小样本极差R的点图联合组成的x、R点图，如图所示。图5-43 x、R点图a)x点图 b)R点图 x N(,2/n)也就是说，样本均值x 的分散范围为（3n）。数理统计学已经证明，样本极差R近似服从正态分布，即有：(R N(R，2)这就是说，样本极差R的分散
17、范围为(R3R)。到此，x-R点图上的上、下控制限的位置就可以确定了。3.x、R点图上、下控制限的确定R4.点图的正常波动与异常波动正常波动与异常波动的标志正 常 波 动异 常 波 动 1.没有点子超出控制线2.大部分点子在中线上下波动，小部分在控制线附近 3.点子没有明显的规律性1.有点子超出控制线2.点子密集在中线下下附近3.点子密集在控制线附近4.连续7点以上出现在中线一侧5.连续11点中有10点出现在中线一侧6.连续14点中有12点以上出现在中线一侧7.连续17点中有14点以上出现在中线一侧8.连续20点中有16点以上出现在中线一侧9.点子有上升或下降倾向10.点子有周期性波动第三节第
18、三节 机械加工表面质量机械加工表面质量一、机械加工表面质量对机器使用性能的影响1.表面质量对耐磨性的影响(1)表面粗糙度对耐磨性的影响图5-44 摩擦副的磨损过程图5-45 表面粗糙度与初期磨损量的关系(2)表面冷作硬化对耐磨性的影响 加工表面的冷作硬化，使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高耐磨性就愈高，这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。如果表面层的金相组织发生变化，其表层硬度相应地也随之发生变化，影响耐磨性。金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面或表面冷硬层下面，因此零件的表面质
19、量对疲劳强度影响较大。(1)表面粗糙度对疲劳强度的影响 (2)残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响2.表面质量对疲劳强度的影响3.表面质量对耐蚀性的影响 零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多，抗蚀性就愈差。表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐蚀性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。4.表面质量对配合质量的影响 表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量。对于间隙配合，表面粗糙度值大会使磨损 加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质。对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的联接强度。二、影响表面粗糙
20、度的因素1.切削加工影响表面粗糙度的因素 (1)刀具几何形状的复映 刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状是刀具几何形状的复映。图5-46 车削时工件表面的残留面积 切削加工后表面粗糙度的实际轮廓之所以与纯几何因素所形成的理论轮廓有较大的差异，主要是由于切削过程塑性变形的影响。(2)工件材料的性质(3)切削用量 切削速度对表面粗糙度的影响很大。加工塑性材料时，若切削速度处在产生积屑瘤和鳞刺的范围内，加工表面将很粗糙。图5-47 加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响2.磨削加工影响表面粗糙度的因素(1)砂轮的粒度(2)砂轮的硬度(3)砂轮的修整(4)磨削速度(5)
21、磨削径向进给量与光磨次数(6)工件圆周进给速度与轴向进给量(7)冷却润滑液 (1)冷作硬化及其评定参数 机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化(或称为强化)。(2)影响冷作硬化的主要因素 1)刀具的影响 2)切削用量的影响 3)加工材料的影响三、影响加工表面层物理力学性能的因素1.表面层冷作硬化2.表面层材料金相组织变化 (1)磨削烧伤 当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度、硬度降低，并伴随有残余应力产生，甚至出现微观裂
22、纹，这种现象称为磨削烧伤。1)回火烧伤 2)淬火烧伤 3)退火烧伤 (2)改善磨削烧伤的途径 磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤有两个途径：一是尽可能地减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。1)正确选择砂轮 2)合理选择磨削用量 3)改善冷却条件2.表面层材料金相组织变化3.表面层残余应力 1)切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生，使表层金属的比体积加大，由于塑性变形只在表层金属中产生，而表层金属比体积增大，体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止，因此就在表面金属层产生了残余压应力，而在里层金属中产生残余拉应力。(1)产生残余应力的原因2)切削加
23、工中，切削区会有大量的切削热产生图5-49 由于切削热在表层金属产生残余拉应力的分析图(1)产生残余应力的原因 3)不同的金相组织具有不同的密度(马氏体=7.75t/m3，奥氏体=7.96t/m3，铁素体=7.88t/m3，珠光体=7.78t/m3)，亦即具有不同的比体积。(1)产生残余应力的原因(2)零件主要工作表面最终工序加工方法的选择 选择零件主要工作表面最终工序加工方法，须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式。在交变载荷作用下，机器零件表面上的局部微观裂纹，会因拉应力的作用使原生裂纹扩大，最后导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，该表面最终工序应选择能在该表面
24、产生残余压应力的加工方法。1.机械加工过程中的强迫振动 机械加工中的强迫振动与一般机械中的强迫振动没有什么区别，强迫振动的频率与干扰力的 频率相同或是它的倍数。强迫振动的振源有来自机床内部的机内振源和来自机床外部的机外振源两大类。第四节第四节 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动一、机械加工过程中的强迫振动2.机械加工过程中强迫振源的查找方法图5-50 振动信号的时间历程图和频谱图 第一步可对在加工现场拾取的振动信号(见图a)进行频谱分析，以确定强迫振动的频率成分(如图b中的f1、f2)；第二步对机床加工中所有可能出现的强迫振源频率进行估算，列出振源频率数据表备查；第三步将经过频谱分析得到
25、的强迫振动的频率与振源频率数据表进行比较，找出产生强迫振动的振源；第四步通过试验来验证上面所找的振源是否正确。1)机械加工中的自激振动是在没有周期性外力(相对于切削过程而言)干扰下所产生的振动运动，这一点与强迫振动有原则区别。2)自激振动的频率接近于系统的某一固有频率，或者说，颤振频率取决于振动系统的固有特性。这一点与强迫振动根本不同，强迫振动的频率取决于外界干扰力的频率。3)自由振动受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动却不因有阻尼存在而衰减为零。二、机械加工过程中的自激振动(颤振)1.机械加工过程中的自激振动2.机械加工过程中产生自激振动的条件 如果在一个振动周期内，振动系统从电动机获得的能量大
26、于振动系统对外界做功所消耗的能量，若两者之差刚好能克服振动时阻尼所消耗的能量，则振动系统将有等幅振动运动产生。图5-53 车削外圆单自由度振动系统模型3.机械加工过程中自激振动的激振机理 在金属切削过程中，除极少数情况外，刀具总是部分地或完全地在带有波纹的表面上进行切削的。首先来研究车刀作径向切削的情况，此时车刀只作横向进给，车刀将完全地在工件前一转切削时留下的波纹表面上进行切削，如图所示。(1)振纹再生原理图5-54 自由正交切削(2)振型藕合原理图5-57 振型耦合型颤振原理示意图实际振动系统一般都是多自由度系统。3.机械加工过程中自激振动的激振机理三、控制机械加工振动的途径1.消除或减弱
27、产生振动的条件(1)消除或减弱产生强迫振动的条件1)减小机内外干扰力2)调整振源频率3)采取隔振措施(2)消除或减弱产生自激振动的条件1)减小重叠系数2)减小切削刚度3)增加切削阻尼1.消除或减弱产生振动的条件(3)调整振动系统小刚度主轴的位置图5-60 削扁锤杆1.消除或减弱产生振动的条件 (1)高工艺系统的刚度 提高工艺系统薄弱环节的刚度，可以有效地提高机床加工系统的稳定性。增强联接结合面的接触刚度、对滚动轴承施加预载荷、加工细长工件外圆时采用中心架或跟刀架、镗孔时对镗杆设置镗套等措施，都可以提高工艺系统的刚度。(2)增大工艺系统的阻尼 工艺系统的阻尼主要来自零件材料的内阻尼、结合面上的摩擦阻尼以及其它附加阻尼。2.工艺系统的动态特性3.各种消振减振装置(1)动力式减振器 图5-62 动力式减振器1橡皮圈 2橡皮垫 3主振系统质量m1 4弹簧阻尼元件 5附加质量m1(2)摩擦式减振器图5-63 装在车床尾座上的摩擦减振器1后顶尖 2填料圈 3尾座套筒3.各种消振减振装置(3)冲击式减振器图5-64 冲击式减振镗杆和镗刀3.各种消振减振装置
