机械加工质量分析与控制

第4章机械加工质量分析与控制本章要点机械加工中的振动影响加工误差的因素影响机械加工表面质量的因素工艺系统几何误差工艺系统受力变形工艺系统热变形加工误差的统计分析1机械加工质量分析与控制5/8/2024机械制造技术基础第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.1

概述IntroductiontoMachiningQuality2机械加工质量分析与控制5/8/20244.1.1机械加工质量

尺寸精度形状精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量图4-1加工质量包含的内容3机械加工质量分析与控制5/8/20244.1.1机械加工质量

◆

加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度。◆

零件宏观几何形状误差、波度、表面粗糙度宏观几何形状误差（平面度、圆度等）—波长/波高＞1000波度—波长/波高=50～1000；且具有周期特性表面粗糙度——波长/波高＜50a）波度b）表面粗糙度图4-2零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ4机械加工质量分析与控制5/8/20244.1.2表面质量对零件使用性能的影响

对耐磨性影响Ra（μm）初始磨损量重载荷轻载荷图4-3表面粗糙度与初始磨损量表面粗糙度值↓→耐疲劳性↑适当硬化可提高耐疲劳性表面粗糙度值↓→耐蚀性↑表面压应力：有利于提高耐蚀性表面粗糙度值↑→配合质量↓表面粗糙度值↓→耐磨性↑，但有一定限度（图4-3）对耐疲劳性影响对耐蚀性影响对配合质量影响纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好适当硬化可提高耐磨性5机械加工质量分析与控制5/8/20244.1.3误差敏感方向

图4-4：ΔRΔYRRΔR=ΔX（4-1）（4-2）显然：

工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。图4-4误差敏感方向ＯYR0Xa）ＯYR0Xb）误差敏感方向6机械加工质量分析与控制5/8/2024

引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。4.1.4影响加工精度的因素

原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与工艺过程有关的原始误差(动误差)原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形刀具磨损测量误差工件残余应力引起的变形工件相对于刀具静止状态下的误差工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差原始误差——原始误差分类图4-5原始误差构成7机械加工质量分析与控制5/8/20244.1.5研究加工质量的方法

◆理论方法：运用物理学和力学原理，分析研究某一个或某几个因素对加工精度或表面质量的影响。◆试验方法：通过试验或测试，确定影响各因素与加工质量指标之间的关系。◆统计分析方法：运用数理统计原理和方法，根据被测质量指标的统计性质，对工艺过程进行分析和控制。物理方法数学方法8机械加工质量分析与控制5/8/2024机械制造技术基础第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.2

工艺系统几何精度对加工精度的影响GeometricPrecisionsofTechnologicalSystemanditsinfluencetomachiningPrecision9机械加工质量分析与控制5/8/2024加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。4.2.1加工原理误差

式中R——球头刀半径；

h——允许的残留高度。例2：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件(图4-6)SRh图4-6空间曲面数控加工（4-3）加工原理误差10机械加工质量分析与控制5/8/20244.2.2机床误差

主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移。为便于研究，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式（图4-7）。b）端面圆跳动a）径向圆跳动c）倾角摆动图4-7主轴回转误差基本形式主轴回转误差11机械加工质量分析与控制5/8/20244.2.2机床误差

◆

主轴回转误差对加工精度的影响★

主轴径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为：e图4-8径向跳动对镗孔精度影响式中R——刀尖回转半径；

φ——主轴转角。（4-4）

显然，式（4-4）为一椭圆。12机械加工质量分析与控制5/8/2024图4-9径向跳动对车外圆精度影响123456784.2.2机床误差

仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖运动轨迹接近于正圆（图4-9）。◎

思考：主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率为主轴转速两倍，被车外圆形状如何？

结论：主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差e★

主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）13机械加工质量分析与控制5/8/20244.2.2机床误差

★

主轴端面圆跳动对加工精度的影响被加工端面不平，与圆柱面不垂直；加工螺纹时，产生螺距周期性误差。★

主轴倾角摆动对加工精度的影响与主轴径向跳动影响类似，不仅影响圆度误差，而且影响圆柱度误差。14机械加工质量分析与控制5/8/2024AB4.2.2机床误差

◆影响主轴回转精度的主要因素内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差图4-10轴径不圆引起车床主轴径向跳动★滑动轴承镗床（图4-11）——轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动图4-11轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动★滚动轴承车床（图4-10）——轴径不圆引起车床主轴向跳动（注意其频率特性）静压轴承——对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用15机械加工质量分析与控制5/8/20244.2.2机床误差

◆影响主轴回转精度的主要因素★推力轴承滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差（图4-12）★其他因素轴承孔、轴径圆度误差；轴承孔同轴度误差；轴肩、隔套端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差；装配质量等a）b）Δ≈0Δ图4-12止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响16机械加工质量分析与控制5/8/20244.2.2机床误差

★传统测量方法存在问题：◆主轴回转误差的测量图4-13传统测量方法a)b)图4-14主轴回转误差测量法1—摆动盘2，4—传感器3—精密测球5—放大器6—示波器

★准确测量方法包含心轴、锥孔误差在内非运动状态。17机械加工质量分析与控制5/8/2024◎导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差◎包括：导轨在水平面内的直线度，导轨在垂直面内的直线度，前后导轨平行度（扭曲），导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等。◆导轨导向误差对加工精度的影响

导轨水平面内的直线度误差,误差敏感方向,影响显著导轨垂直面内的直线度误差,误差非敏感方向,影响小导轨扭曲对加工精度的影响,影响显著（图4-15）ΔX图4-15导轨扭曲引起的加工误差HδΔRDαBXY（4-5）

4.2.2机床误差

导轨导向误差18机械加工质量分析与控制5/8/2024

导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响4.2.2机床误差

图4-16成形运动间位置误差对外圆和端面车削的影响fαZΔzΔzαc）HyR0fXZLfdD－ΔdΔxa）b）19机械加工质量分析与控制5/8/2024◆影响导轨导向精度的主要因素4.2.2机床误差

机床制造误差机床安装误差导轨磨损20机械加工质量分析与控制5/8/2024◆机床传动误差对加工精度的影响图4-17齿轮机床传动链z7=z8=16z1=64zn=96z5=z6=23z3=z4=23bz2=16zn-1=1icefacd（4-6）

以齿轮机床传动链为例：式中Δφn

——传动链末端元件转角误差；

kj——第j个传动元件的误差传递系数，表明第j个传动元件对末端元件转角误差影响程度，其数值等于该元件至末端元件的传动比；

ωn

——传动链末端元件角速度；

αj——第j个传动元件转角误差的初相角。4.2.2机床误差

机床传动误差21机械加工质量分析与控制5/8/2024

缩短传动链长度提高末端元件的制造精度与安装精度采用降速传动采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节对传动误差进行补偿末端元件转角误差图4-18传动链误差的频谱分析a)ΔφΣφnA1A2Aib)ω（频率）A（幅值）ω1ω2ωi◆提高传动精度措施4.2.2机床误差

22机械加工质量分析与控制5/8/20244.2.3刀具与夹具误差

定尺寸刀具（钻头、绞刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差刀具误差23机械加工质量分析与控制5/8/20244.2.3刀具与夹具误差

L±0.05φ6F7φ10F7k6φ20H7g6YZ图4-19钻径向孔的夹具

夹具误差影响加工位置精度。与夹具有关的影响位置误差因素包括：

通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1/3。夹具误差1）定位误差；2）刀具导向（对刀）误差；3）夹紧误差；4）夹具制造误差；5）夹具安装误差；……24机械加工质量分析与控制5/8/20244.2.4调整误差

测量误差。试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差。机床进给机构的位移误差。定程机构误差。样件或样板误差。测量有限试件造成的误差。和试切法有关的误差。a）b）图4-20试切法与调整法试切法（图4-20a）调整法（图4-20b）25机械加工质量分析与控制5/8/2024机械制造技术基础第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.3

工艺系统受力变形对加工精度的影响StaticStiffnessofTechnologicalSystemanditsinfluencetomachiningPrecision26机械加工质量分析与控制5/8/2024在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比4.3.1基本概念

工艺系统刚度（4-7）式中k——工艺系统刚度；

Fp——吃刀抗力；

ΔX——艺系统位移（切削合力作用下的位移）。27机械加工质量分析与控制5/8/20244.3.1基本概念

（4-8）式中k——工艺系统刚度；

kjc

——机床刚度；

kjj——夹具刚度；

kd——刀具刚度；

kg——工件刚度。工艺系统受力变形等于工艺系统各组成部分受力变形之迭加。由此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：工艺系统刚度计算28机械加工质量分析与控制5/8/2024◆机床变形引起的加工误差4.3.2工艺系统刚度对加工精度的影响

式中Xjc

——机床总变形；

Fp

——吃刀抗力；

ktj——机床前顶尖处刚度；

kwz——机床后顶尖处刚度；

kdj

——机床刀架刚度；

L——工件全长；

Z——刀尖至工件左端距离。（4-9）图4-21变形随受力点变化规律XtjXwzXdjΔXFpAA′BB′CC′ZLFAFBXz切削力作用点位置变化引起工件形状误差29机械加工质量分析与控制5/8/20244.3.2工艺系统刚度对加工精度的影响

工件加工后成鞍形（图4-22）图4-22机床受力变形引起的加工误差（5-10）◆工件变形引起的加工误差式中Xg

——工件变形；

E——工件材料弹性模量；

J——工件截面惯性矩；

Fp，L，Z——含义同前。

由于工件变形，使工件加工后成鼓形（图4-23）图4-23工件受力变形引起的加工误差30机械加工质量分析与控制5/8/2024（4-11）◆机床变形和工件变形共同引起的加工误差

工艺系统刚度（4-12）4.3.2工艺系统刚度对加工精度的影响

31机械加工质量分析与控制5/8/2024式中Δg

——工件圆度误差；

Δm

——毛坯圆度误差；

k——工艺系统刚度；

ε——误差复映系数。（4-13）

以椭圆截面车削为例说明（图4-24）图4-24误差复映现象ap1Δ1ap2Δ2毛坯外形工件外形由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映到工件上，此种现象称为“误差复映”4.3.2工艺系统刚度对加工精度的影响

切削力大小变化引起的加工误差

误差复映32机械加工质量分析与控制5/8/2024

误差复映系数机械加工中，误差复映系数通常小于1。可通过多次走刀，消除误差复映的影响。（4-15）4.3.2工艺系统刚度对加工精度的影响

误差复映程度可用误差复映系数来表示，误差复映系数与系统刚度成反比。由式（4-13）可得：（4-14）33机械加工质量分析与控制5/8/2024夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差◆夹紧力影响a）b）图4-25薄壁套夹紧变形图4-26薄壁工件磨削【例1】薄壁套夹紧变形

解决：加开口套【例2】薄壁工件磨削

解决：加橡皮垫4.3.2工艺系统刚度对加工精度的影响

34机械加工质量分析与控制5/8/2024图4-27龙门铣横梁变形【例】龙门铣横梁图4-28龙门铣横梁变形转移图4-29龙门铣横梁变形补偿◆重力影响4.3.2工艺系统刚度对加工精度的影响

解决1：重量转移

解决2：变形补偿35机械加工质量分析与控制5/8/2024◆传动力与惯性力影响

理论上不会产生圆度误差（但会产生圆柱度误差）易会引起强迫振动4.3.2工艺系统刚度对加工精度的影响

图4-30传动力对加工精度的影响zlRXYFpFcFcdFcdxφra）O′O″r0XYFpAFcdrcd=Fcd/kcOFcFc/kcFp/kcb）O36机械加工质量分析与控制5/8/2024图4-31车床刀架变形曲线ΔX（μm）10203040500123F（KN）4.3.3机床部件刚度及其影响因素

非线形关系，不完全是弹性变形加载和卸载曲线不重合，所围面积表示克服摩擦和接触塑性变形所作功存在残余变形，反复加载卸载后残余变形→0

机床部件刚度比按实体估算值小许多，表明其变形受多种因素影响机床部件变形曲线37机械加工质量分析与控制5/8/20244.3.3机床部件刚度及其影响因素式中c,m——与接触面材料、表面状况有关的系数和指数；

p——表面压强。组成件的实体刚度——受力产生拉伸、压缩、弯曲变形；特别是薄弱件（楔条、轴套等）影响较大连接表面接触变形——其大小与接触面压强有关（4-15）结合面间隙零件表面摩擦力的影响影响机床部件刚度因素图4-31接触变形曲线xOppΔpxΔx38机械加工质量分析与控制5/8/20244.3.4减小受力变形对加工精度影响措施合理设计零部件结构和截面形状提高连接表面接触刚度（↓表面粗糙度，改进接触质量，予加载荷）采用辅助支承（中心架，跟刀架，镗杆支承等）图4-33支座零件不同安装方法图4-32转塔车床导向杆提高工艺系统刚度减小载荷及其变化采用合理装夹和加工方式图4-28，4-29，4-56，4-58变形转移、补偿和校正39机械加工质量分析与控制5/8/20244.3.5工件残余应力引起的变形图4-34铸件残余应力引起变形图4-35冷校直引起的残余应力压拉加载压压拉拉卸载

设计合理零件结构粗、精加工分开避免冷校直时效处理残余应力来源

毛坯制造和热处理产生的残余应力（图4-34）减小残余应力措施

冷校直带来的残余应力（图4-35）切削加工带来的残余应力40机械加工质量分析与控制5/8/2024机械制造技术基础第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.4

工艺系统热变形及其对加工精度的影响HeatDeformationofTechnologicalSystemandit’sEffecttomachiningPrecision41机械加工质量分析与控制5/8/20244.4.1概述

在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约40～70%。

温度场——工艺系统各部分温度分布热平衡——单位时间内，系统传入的热量与传出的热量相等，系统各部分温度保持在一相对稳定的数值上温度场与热平衡研究——目前以实验研究为主工艺系统热源内部热源外部热源切削热摩擦热环境热源辐射热工艺系统热变形工艺系统热源温度场与工艺系统热平衡42机械加工质量分析与控制5/8/20244.4.2机床热变形对加工精度影响

体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著运转时间/h0123450150100200位移/μm20406080温升/℃ΔYΔX前轴承温升图4-36车床受热变形a）车床受热变形形态b）温升与变形曲线机床热变形特点车床热变形（图4-36）43机械加工质量分析与控制5/8/20244.4.2机床热变形对加工精度影响

立铣（图a）图4-37立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形a）铣床受热变形形态b）外圆磨床受热变形形态c）导轨磨床受热变形形态

外圆磨（图b）

导轨磨（图c）其他机床热变形（图4-37）44机械加工质量分析与控制5/8/20244.4.3刀具和工件热变形对加工精度影响

体积小，热容量小，达到热平衡时间较短温升高，变形不容忽视（达0.03～0.05mm）◆特点◆变形曲线（图4-38）（4-16）式中ξ——热伸长量；

ξmax——达到热平衡热伸长量；

τ——切削时间；

τc

——时间常数（热伸长量为热平衡热伸长量约63%的时间，常取3～4分钟）。τ(min)图4-38车刀热变形曲线连续切削升温曲线冷却曲线间断切削升温曲线ξ（μm）ξmaxτb0τc0.63ξmax刀具热变形45机械加工质量分析与控制5/8/2024◆圆柱类工件热变形5级丝杠累积误差全长≤5μm，可见热变形的严重性式中ΔL，ΔD——长度和直径热变形量；

L，D——工件原有长度和直径；

α——工件材料线膨胀系数；

Δt——温升。

长度：（4-17）（4-18）

直径：

例：长400mm丝杠，加工过程温升1℃，热伸长量为：4.4.3刀具和工件热变形对加工精度影响

工件热变形46机械加工质量分析与控制5/8/2024式中ΔX——变形挠度；

L，S——工件原有长度和厚度；

α——工件材料线膨胀系数；

Δt——温升。（5-19）◆板类工件单面加工时的热变形（图4-39）图4-39平面加工热变形ΔXφ/4φLS此值已大于精密导轨平直度要求结果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3℃，则变形量为：4.4.3刀具和工件热变形对加工精度影响

47机械加工质量分析与控制5/8/20244.4.4减小热变形对加工精度影响的措施

例1：磨床油箱置于床身内，其发热使导轨中凹解决：导轨下加回油槽图4-40平面磨床补偿油沟例2：立式平面磨床立柱前壁温度高，产生后倾。解决：采用热空气加热立柱后壁（图4-41）。图4-41均衡立柱前后壁温度场

减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。

充分冷却和强制冷却。

隔离热源。减少热源发热和隔离热源均衡温度场48机械加工质量分析与控制5/8/2024图4-43支承距影响热变形L1L2

热对称结构热补偿结构（图4-42，主轴热补偿）图4-42双端面磨床主轴热补偿1—主轴2—壳体3—过渡套筒热伸长方向

合理选择装配基准（图4-43）高速空运转人为加热

恒温人体隔离采用合理结构4.4.4减小热变形对加工精度影响的措施

加速达到热平衡控制环境温度49机械加工质量分析与控制5/8/2024机械制造技术基础第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.5

加工误差统计分析StatisticAnalysisofMachiningErrors50机械加工质量分析与控制5/8/20244.5.1加工误差的性质

系统误差在顺序加工一批工件中，其大小和方向均不改变，或按一定规律变化的加工误差。◆

常值系统误差——其大小和方向均不改变。如机床、夹具、刀具的制造误差，工艺系统在均匀切削力作用下的受力变形，调整误差，机床、夹具、量具的磨损等因素引起的加工误差。◆

变值系统误差——误差大小和方向按一定规律变化。如机床、夹具、刀具在热平衡前的热变形，刀具磨损等因素引起的加工误差。加工误差系统误差随机误差常值系统误差变值系统误差加工误差统计特性51机械加工质量分析与控制5/8/20244.5.1加工误差的性质

◆

在顺序加工一批工件中，其大小和方向随机变化的加工误差。◆

随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用而引起的。◆

随机误差服从统计学规律。◆

如毛坯余量或硬度不均，引起切削力的随机变化而造成的加工误差；定位误差；夹紧误差；残余应力引起的变形等。随机误差加工误差的统计分析◆

运用数理统计原理和方法，根据被测质量指标的统计性质，对工艺过程进行分析和控制。52机械加工质量分析与控制5/8/20244.5.2分布图分析法

1）采集数据样本容量通常取n=50～2002）确定分组数、组距、组界、组中值①按教材134页表5-2初选分组数k′；②确定组距d：

取整，d′→d③确定分组数k：④确定各组组界、组中值⑤统计各组频数直方图53机械加工质量分析与控制5/8/20244.5.2分布图分析法

图4-44直方图-14.5-8.55-3.5x

y

（频数）（偏差值）（平均偏差）-15-10-5（公差带中心）（公差带下限）（公差带上限）3）计算样本平均值和标准差:4）画直方图（图4-44）（4-20）（4-21）54机械加工质量分析与控制5/8/2024◆正态分布

式中μ和σ分别为正态分布随机变量总体平均值和标准差。平均值μ=0，标准差σ=1的正态分布称为标准正态分布，记为：

x~N(0,1)

概率密度函数（4-22）yF（z）图4-45正态分布曲线μ(z=0)x(z)0z-σ+σ4.5.2分布图分析法

分布曲线55机械加工质量分析与控制5/8/2024

分布函数（5-23）令：将z代入上式，有：则利用上式，可将非标准正态分布转换成标准正态分布进行计算（图4-45）。称z

为标准化变量4.5.2分布图分析法

yF（z）图4-45正态分布曲线μ(z=0)x(z)0z-σ+σ56机械加工质量分析与控制5/8/2024◆非正态分布

xy0a）双峰分布

双峰分布：两次调整下加工的工件或两台机床加工的工件混在一起（图4-46a）xy0b）平顶分布xy0c）偏向分布

平顶分布：工件瞬时尺寸分布呈正态，其算术平均值近似成线性变化（如刀具和砂轮均匀磨损）（图4-46b）

偏向分布：如工艺系统存在显著的热变形，或试切法加工孔时宁小勿大，加工外圆时宁大勿小（图4-46c）图4-46几种非正态分布4.5.2分布图分析法

57机械加工质量分析与控制5/8/2024◆形位误差的分布

差数模分布：正态分布大于零的部分与小于零的部分对零轴线映射后的迭加（图4-47），如对称度、直线与平面的平行度、相邻周节误差等

瑞利分布：二维正态分布，在只考虑平面向量模情况下转换成为一维分布（图4-48）,如同轴度、直线与直线平行度、端面圆跳动误差等（不考虑系统误差）xy0图4-47差数模分布

瑞利综合分布：上述误差在考虑系统误差的情况下，其误差分布接近瑞利综合分布图4-48瑞利分布xzy04.5.2分布图分析法

58机械加工质量分析与控制5/8/2024◆判断加工性质

判断是否存在明显变值系统误差；判断是否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小。◆确定工序能力4.5.2分布图分析法

分布图应用（5-24）（5-25）（5-26）工序能力工序能力系数式中TU,TL——公差带上、下限；

Δ——公差带中心与误差分布中心偏移距离；

σ——误差分布的标准差。59机械加工质量分析与控制5/8/20244.5.2分布图分析法

y图4-49工艺能力系数符号含义μx03σ3σ公差带TΔTUTL60机械加工质量分析与控制5/8/2024

工序能力等级

工序能力系数工序等级说明

CP＞1.67特级工序能力过高1.67≥CP

＞1.33一级工序能力足够1.33≥CP

＞1.00二级工序能力勉强1.00≥CP

＞0.67三级工序能力不足

0.67≥CP

四级工序能力很差表4-2工序能力等级4.5.2分布图分析法

CP表示工艺过程本身的能力，而工艺能力系数CPK则表示过程满足技术要求的能力，实际上是“过程能力”与“管理能力”的综合

61机械加工质量分析与控制5/8/202401234567样组序号b）工件尺寸公差带T控制限4.5.3点图分析法

图4-50单值点图工件序号c）AA′B′O′OB工件尺寸工件尺寸工件序号a差带T控制限单值点图（图4-49）62机械加工质量分析与控制5/8/20244.5.3点图分析法

图是控制图和R控制图联合使用的统称（4-26）R图：（4-27）A2、D1、D2

数值见教材164页表4-6。图

表示样组平均值，R表示样组极差

图控制限图：63机械加工质量分析与控制5/8/20244.5.3点图分析法

◆工艺过程稳定性点子正常波动→工艺过程稳定；点子异常波动→工艺过程不稳定图4-51图R

图UCL=19.67CL=8.900510样组序号1520LCL=00510样组序号1520x图LCL=11.57UCL=21.89CL=16.73◆稳定性判别——没有点子超出控制限——大部分点子在中心线上下波动，小部分点子靠近控制限——点子变化没有明显规律性（如上升、下降倾向，或周期性波动）同时满足为稳定

图分析64机械加工质量分析与控制5/8/20244.5.4调整尺寸

式中Lt——调整尺寸；

LM——平均尺寸；

Tt——调整公差。（4-28）由图4-52所示关系可得：图4-52调整尺寸关系yTtxT3σLmaxLminLM

（

Lt）样本均值分布总体分布总体分布平均值极端位置（4-29）样本平均值分布：调整尺寸调整公差65机械加工质量分析与控制5/8/20244.5.4调整尺寸

上式要求过于苛刻，产生不合格品得概率只有0.00036%。用2σ代替3σ，得到：此时产生不合格品得概率为0.104%，完全可以接受。（4-30）图4-52调整尺寸关系yTtxT3σLmaxLminLM

（

Lt）样本均值分布总体分布总体分布平均值极端位置66机械加工质量分析与控制5/8/2024机械制造技术基础第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.6

提高加工精度的途径MethodsofImprovingMachiningPrecision67机械加工质量分析与控制5/8/20244.6.1误差预防

合理采用先进工艺和设备◆误差预防指减小原始误差本身或减小原始误差的影响

减小原始误差

转移原始误差（图4-53）a）b）图4-53转塔车床刀架转位误差的转移

误差分组

就地加工

均化原始误差，如研磨加工、易位加工（图4-54）图4-54易位法加工时误差均化过程φ360°工件转角累积误差Δ1l1l2Δ268机械加工质量分析与控制5/8/20244.6.2误差补偿

在线测量与在线补偿（图4-55）◆指人为引入附加误差因素，以抵消或减小原始误差的影响图4-55高压油泵偶件自动配磨装置示意图柱塞销柱塞69机械加工质量分析与控制5/8/2024图4-56丝扛加工误差补偿装置1—工件2—螺母3—母丝杠4—杠杆5—校正尺6—触头7—校正曲线

附加位移螺母附加转动4.6.2误差补偿

采用校正装置（图4-56）70机械加工质量分析与控制5/8/2024图4-57以弹性变形补偿热变形

以弹性变形补偿热变形（图4-57）

其他补偿方法图4-59以热变形补偿热变形图4-58龙门铣横梁变形补偿附加夹紧力

以热变形补偿热变形（图4-59）

以几何误差补偿受力变形（图4-58）4.6.2误差补偿

71机械加工质量分析与控制5/8/2024机械制造技术基础第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.7

影响加工表面粗糙度的工艺因素TechnologicalFactorsInfluencingRoughness72机械加工质量分析与控制5/8/20244.7.1切削加工表面粗糙度影响因素

图4-60车削时残留面积的高度直线刃车刀（图4-60a）（4-31）圆弧刃车刀（图4-60b）（4-32）影响因素：fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf切削残留面积73机械加工质量分析与控制5/8/2024

切削速度影响最大：v=10～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图5-53）。

其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等图4-61切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度

h（μm）0200400600hKsRz4.7.1切削加工表面粗糙度影响因素

切削表面塑性变形和积屑瘤74机械加工质量分析与控制5/8/2024

砂轮速度v↑，Ra↓

工件速度vw↑，Ra↑

砂轮纵向进给f↑，Ra

↑

磨削深度ap↑，Ra

↑图4-62磨削用量对表面粗糙度的影响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响因素

磨削用量影响

图4-63光磨次数-Ra关系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)光磨次数↑，Ra↓75机械加工质量分析与控制5/8/2024

砂轮粒度↑，Ra↓；但要适量砂轮硬度适中，Ra↓；常取中软砂轮组织适中，Ra↓

；常取中等组织采用超硬砂轮材料，Ra

↓

砂轮精细修整，Ra↓4.7.2磨削加工表面粗糙度影响因素

砂轮影响其他影响因素

工件材料冷却润滑液等76机械加工质量分析与控制5/8/2024机械制造技术基础第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.8

影响表层金属力学物理性能的工艺因素TechnologicalFactorsInfluencingPhysicsPropertiesofSurfaceLayer77机械加工质量分析与控制5/8/20244.8.1影响表面冷作硬化的因素

切削加工

f↑，冷硬程度↑(图4-64)◆切削用量影响◆刀具影响rε↑，冷硬程度↑其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著（图4-65）00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)图4-65后刀面磨损对冷硬影响◆工件材料

材料塑性↑，冷硬倾向↑

切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）切削深度影响不大图4-64f和v对冷硬的影响硬度(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机械加工质量分析与控制5/8/2024磨削速度↑→冷硬程度↓（弱化作用加强）工件转速↑→冷硬程度↑纵向进给量影响复杂磨削深度↑→冷硬程度↑（图4-66）◆磨削用量◆砂轮

砂轮粒度↑→冷硬程度↓砂轮硬度、组织影响不显著◆工件材料

材料塑性↑→冷硬倾向↑材料导热性↑→冷硬倾向↓图4-66磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削4.8.1影响表面冷作硬化的因素

磨削加工79机械加工质量分析与控制5/8/20244.8.2影响层金属残余应力的因素

v↑→残余应力↑（热应力起主导作用，图4-67）◆切削用量◆刀具前角+→－，残余拉应力↓刀具磨损↑→残余应力↑◆工件材料材料塑性↑→残余应力↑铸铁等脆性材料易产生残余压应力图4-68f对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液残余应力(Gpa)0.2000.200100200300400距离表面深度(μm)f

=0.40mm/rf

=0.25mm/rf

=0.12mm/r仅讨论切削加工

f↑→残余应力↑（图4-68）切削深度影响不显著图4-67vc对残余应力的影响γ0=5°,α0==5°,κr=75°,rε=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距离表面深度(μm)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc

=213m/minvc

=86m/minvc

=7.7m/min80机械加工质量分析与控制5/8/20244.8.3磨削烧伤与磨削裂纹

合理选择砂轮合理选择磨削用量改善冷却条件工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜磨削烧伤磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现图4-69带空气挡板冷却喷嘴磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削裂纹81机械加工质量分析与控制5/8/20244.8.4表面强化工艺

利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工件表面的微观几何形状,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度（图4-71）

利用大量快速运动珠丸打击工件表面,使工件表面产生冷硬层和压应力,↑疲劳强度（图4-70）喷丸强化图4-71滚压加工原理图

用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等滚压加工图4-70珠丸挤压引起残余应力

压缩拉伸塑性变形区域82机械加工质量分析与控制5/8/2024机械制造技术基础第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.9

机械加工过程中的振动VibrationsinmachiningProcess83机械加工质量分析与控制5/8/20244.9.1概述

机械加工过程中振动的危害

影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度影响生产效率加速刀具磨损，易引起崩刃影响机床、夹具的使用寿命产生噪声污染，危害操作者健康

工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。

由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。机械加工过程中振动的类型自由振动自由振动强迫振动自激振动84机械加工质量分析与控制5/8/20244.9.2机械加工过程中强迫振动强迫振动产生原因

由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起强迫振动振源：机外＋机内。机外振源均通过地基把振动传给机床。机内：

1）回转零部件质量的不平衡

2）机床传动件的制造误差和缺陷

3）切削过程中的冲击

频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数

幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振

相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个φ角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。强迫振动的特征85机械加工质量分析与控制5/8/20244.9.3机械加工过程中自激振动自激振动的概念

在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动自激振动过程可用传递函数概念说明（图4-72）

自激振