机械加工质量分析与控制

表面粗糙度波度纹理方向伤痕,加工精度,表面质量,第四讲机械加工质量分析与控制,【教学目的】通过本讲的学习，使学生掌握加工精度和表面质量的含义，掌握影响加工质量的各种原始误差及控制方法，从而更好的控制加工过程。【教学重点】加工精度及加工表面质量的概念；影响加工精度的各种原始误差及控制加工误差的方法；误差统计分析法；控制加工表面质量的途径。【教学难点】加工表面冷作硬化、金相组织变化和残余应力产生的机理。,第四讲机械加工质量分析与控制,4.1机械加工精度4.2加工误差的统计分析4.3机械加工表面质量,4.1机械加工精度4.1.1概述4.1.2工艺系统的几何误差4.1.3工艺系统受力变形引起的误差4.1.4工艺系统受热变形引起的误差4.1.5工件内应力引起的误差,加工精度:定义：零件加工后实际几何参数与理想零件几何参数的相符合程度。组成关系：几何形状精度相互位置精度1时,公差带T大于尺寸分散范围6,具备了工序不产生废品的必要条件,但不是充分条件。要不出废品，还必须保证调整的正确性，即x与LM要重合。当CP1时，尺寸分散范围6超出公差带T，此时不论如何调整，必将产生部分废品。当CP=1，公差带T与尺寸分散范围6相等，在各种常值系统误差的影响下，该工序也将产生部分废品。,由分布函数的定义可知，合格品率是正态分布概率密度函数的积分：,（x）正态分布曲线上下积分限间包含的面积，它表征了随机变量x落在区间（，x）上的概率。,令,则有：,(z)为右图中阴影线部分的面积。对于不同z值的(z)，可由表查出,分布曲线与x轴所包围的面积代表了一批零件的总数。如果尺寸分散范围超出零件的公差带，则肯定有废品产生，如下页图所示的阴影部分。若尺寸落在Lmin、Lmax范围内，工件的概率即空白部分的面积就是加工工件的合格率。,分布图分析法不能反映误差的变化趋势。加工中，由于随机性误差和系统性误差同时存在，在没有考虑到工件加工先后顺序的情况下，很难把随机性误差和变值系统性误差区分开来。由于在一批工件加工结束后，才能得出尺寸分布情况，因而不能在加工过程中起到及时控制质量的作用。,点图的形式,个值点图,按加工顺序逐个地测量一批工件的尺寸，以工件序号为横坐标，以工件的加工尺寸为纵坐标，就可作出个值点图（下页图）。,个值点图反映了工件逐个的尺寸变化与加工时间的关系。若点图上的上、下极限点包络成二根平滑的曲线，并作这两根曲线的平均值曲线，就能较清楚地揭示出加工过程中误差的性质及其变化趋势，如下页图所示。平均值曲线OO表示每一瞬时的分散中心，反映了变值系统性误差随时间变化的规律.其起始点O位置的高低表明常值系统性误差的大小。整个几何图形将随常值系统性误差的大小不同，而在垂直方向处于不同位置。上下限AA和BB间的宽度表示在随机性误差作用下加工过程的尺寸分散范围，反映了随机性误差的变化规律。,4.2.3点图分析法,为了能直接反映出加工中系统性误差和随机性误差随加工时间的变化趋势，实际生产中常用样组点图来代替个值点图。,前者控制工艺过程质量指标的分布中心，反映了系统性误差及其变化趋势；后者控制工艺过程质量指标的分散程度，反映了随机性误差及其变化趋势。,R点图,样组点图的种类很多，最常用的是,X,R点图。,它由,X,点图和R点图结合成。,单独的,点图或R点图不能全面反映加工误差的情况，必须,结合起来应用。,X,设现抽取顺次加工的m个工件为第i组，则第i样组的平均值Xi和极差Ri值为,式中ximax和ximim分别为第i样组中工件的最大尺寸和最小尺寸。以样组序号为横坐标，分别以Xi和Ri为纵坐标，就可以分别作出X点图和R点图，如下页图所示。,X-R点图的绘制：是以小样本顺序随机抽样为基础。在加工过程中，每隔一定的时间，随机抽取几件为一组作为一个小样本。每组工件数（即小样本容量）m=210件，一般取m=45件，共抽取k=2025组，共80100个工件的数据。在取得这些数据的基础上，再计算每组的平均值Xi和极差Ri。,XR点图,工艺过程出现异常波动，表明总体分布的数字特征、发生了变化，这种变化不一定就是坏事。例如发现点子密集在中心线上下附近，说明分散范围变小了，这是好事。但应查明原因，使之巩固，以进一步提高工序能力（即减小6值）。再如刀具磨损会使工件平均尺寸的误差逐渐增加，使工艺过程不稳定。虽然刀具磨损是机械加工中的正常现象，如果不适时加以调整，就有可能出现废品。,工艺过程是否稳定，取决于该工序所采用的工艺过程中本身的误差情况，与产品是否出现废品不是一回事。若某工序的工艺过程是稳定的，其工序能力系数Cp值也足够大，且样本平均值与公差带中心基本重合，那么只要在加工过程中不出现异常波动，就可以判定它不会产生废品。加工过程中不出现异常波动，说明该工序的工艺过程处于控制之中，可以继续进行加工，否则就应停机检查，找出原因，采取措施消除使加工误差增大的因素，使质量管理从事后检验变为事前预防。,点图分析法是全面质量管理中用以控制产品加工质量的主要方法之一，它是用于分析和判断工序是否处于稳定状态所使用的带有控制界限的图，又称管理图。X-R点图主要用于工艺验证、分析加工误差以及对加工过程的质量控制。工艺验证就是判定现行工艺或准备投产的新工艺能否稳定地保证产品的加工质量要求。工艺验证的主要内容是通过抽样检查，确定其工序能力和工序能力系数，并判别工艺过程是否稳定。,点图分析法的应用,减少误差法,4.2.4提高加工精度的途径,通过导轨凸起补偿横梁变形,误差补偿法是人为地造出一种新的原始误差，去抵消原来工艺系统中存在的原始误差，尽量使两者大小相等、方向相反而达到使误差抵消得尽可能彻底的目的。,误差补偿法,螺纹加工校正机构1工件2丝杠螺母3车床丝杠4杠杆5校正尺6滚柱7工作尺面,误差转移法就是把原始误差从误差敏感方向转移到误差的非敏感方向。例如转塔车床的转位刀架采用“立刀”安装法;利用镗模进行镗孔，主轴与镗杆浮动联接。,误差分组法是把毛坯或上工序加工的工件尺寸经测量按大小分为n组，每组尺寸误差就缩减为原来的1/n。然后按各组的误差范围分别调整刀具位置，使整批工件的尺寸分散范围大大缩小。,误差分组法,误差转移法,立轴转塔车床刀架转位误差的转移,全部零件按经济精度制造，然后装配成部件或产品，且各零部件之间具有工作时要求的相对位置，最后以一个表面为基准加工另一个有位置精度要求的表面，实现最终精加工，这就是“就地加工”法，也称自身加工修配法。,就地加工法,误差均分法就是利用有密切联系的表面之间的相互比较和相互修正或者利用互为基准进行加工，以达到很高的加工精度。,误差均分法,4.3机械加工表面质量4.3.1加工表面质量及其对产品使用性能的影响4.3.2影响表面粗糙度的因素4.3.3影响加工表面物理力学性能的因素4.3.4提高表面层物理力学性能的加工方法,零件表面质量,4.3.1表面质量及其对零件使用性能的影响,表面质量对零件使用性能的影响,零件表面质量,粗糙度太大、太小都不耐磨,适度冷硬能提高耐磨性,对疲劳强度的影响,对耐磨性影响,对耐腐蚀性能的影响,对工作精度的影响,粗糙度越大，疲劳强度越差,适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度,粗糙度越大、工作精度降低,残余应力越大，工作精度降低,粗糙度越大，耐腐蚀性越差,压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性,表面粗糙度与初期磨损量的关系,4.3.2影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制,机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。,刀尖圆弧半径r主偏角kr、副偏角kr进给量f（下页图）,车削、刨削时残留面积高度,H=f/(cotr+cotr),H=f2/(8r),(1)几何因素,1.切削加工表面粗糙度,(2)物理力学因素,1）工件材料的影响,脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。,加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响见如下页图所示。此外，切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。,此外，合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。,减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。,工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。,磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。,1）砂轮的磨粒,(1)几何因素,2.磨削加工表面粗糙度,砂轮上的磨粒,砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越小。工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大。砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。,砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃。因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。,(2)磨削中影响粗糙度的物理因素,磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压，没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。,砂轮的转速材料塑性变形表面粗糙度值；磨削深度、工件速度塑性变形表面粗糙度值；为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。,太硬易使磨粒磨钝Ra；太软容易堵塞砂轮Ra；韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落Ra。,磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若导热情况不好，还会烧伤工件表面。,砂轮太硬，使表面粗糙度增大；砂轮选得太软，使表面粗糙度值增大。,4.3.3影响表面层物理力学性能的主要因素,表面物理力学性能,（1）表面层加工硬化的产生,定义：机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。,1.表面层的加工硬化,（2）衡量表面层加工硬化的指标,衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：1）表面层的显微硬度HV；2）硬化层深度h；3）硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0100式中HV0工件原表面层的显微硬度。,（3）影响表面层加工硬化的因素,刀具几何形状的影响,切削用量的影响,工件材料性能的影响,切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升。定义：磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹。这种现象称为磨削烧伤。淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤有三种形式。,2、表面层金相组织变化与磨削烧伤,（1）表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生,淬火烧伤,回火烧伤,退火烧伤,磨削时工件表面温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。,磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。,磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。,（2）磨削烧伤的三种形式,磨削用量,砂轮与工件材料,改善冷却条件,1）砂轮转速磨削烧伤2）径向进给量fp磨削烧伤3）轴向进给量fa磨削烧伤4）工件速度vw磨削烧伤,1)磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利磨削力磨削区的温度2)磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承钢、不锈钢)磨削烧伤3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织磨削烧伤,采用内冷却法磨削烧伤图,（3）影响磨削烧伤的因素及改善途径,采用开槽砂轮,间断磨削受热磨削烧伤图,图内冷却装置1锥形盖2通道孔3砂轮中心孔4有径向小孔的薄壁套,图开槽砂轮a）槽均匀分布b）槽均匀分布,（1）表面层残余应力的产生,1）冷态塑变,2）热态塑变,3）金相组织变化,3.表面层残余应力,定义：机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。,图切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图,机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热态塑性