第五章机械加工精度与表面质量

1、第五章第五章机械制造质量分析与控制机械制造质量分析与控制第五章 机械制造质量分析与控制5.1 5.1 加工质量加工质量5.2 5.2 机械加工工艺系统几何误差的影响分析机械加工工艺系统几何误差的影响分析5.3 5.3 机械加工工艺系统动态误差的影响分析机械加工工艺系统动态误差的影响分析5.4 5.4 提高加工质量的途径提高加工质量的途径5.5 5.5 制造过程质量统计分析方法与应用制造过程质量统计分析方法与应用 5.1加工质量5.1.1 加工精度加工精度5.1.2 表面质量表面质量5.1 加工质量5.1.1加工精度 加工精度与加工误差加工精度与加工误差 加工精度加工精度 零件加工后的实际几何参

2、数零件加工后的实际几何参数 与理想几何参数的符合程度与理想几何参数的符合程度 加工误差加工误差 零件加工后的实际几何参数零件加工后的实际几何参数 与理想几何参数之差与理想几何参数之差加工精度：加工精度：尺寸精度尺寸精度形状精度形状精度相互位置精度相互位置精度 获得加工精度的方法 获得尺寸精度的方法获得尺寸精度的方法 试切法试切法 试切、测量、调整、再试切试切、测量、调整、再试切 效率低，单件小批生产效率低，单件小批生产 调整法调整法 调整好，加工中不变调整好，加工中不变 成批大量生产成批大量生产定尺寸刀具法定尺寸刀具法自动控制法自动控制法 用刀具尺寸来保证加工尺寸用刀具尺寸来保证加工尺寸生产率

3、高生产率高自动切削、自动测量、自动补偿调整自动切削、自动测量、自动补偿调整 获得加工精度的方法 获得形状精度的方法获得形状精度的方法 成形刀具法成形刀具法 用成形刀具加工工件的成形表面用成形刀具加工工件的成形表面 轨迹法轨迹法 靠刀具与工件的相对运动轨迹来获得形状靠刀具与工件的相对运动轨迹来获得形状 展成法展成法 获得相互位置精度的方法获得相互位置精度的方法 刀具与工件作展成运动，包络线形成形状刀具与工件作展成运动，包络线形成形状 直接找正法直接找正法划线找正法划线找正法夹具定位法夹具定位法 影响加工精度的因素（原始误差） 工艺系统工艺系统 机床、夹具、刀具和工件机床、夹具、刀具和工件 原始误

4、差原始误差 加工原理误差加工原理误差调整误差调整误差 工件装夹误差工件装夹误差 机床误差机床误差 刀具误差刀具误差 夹具误差夹具误差加工前加工前加工中加工中加工后加工后 工艺系统受力变形工艺系统受力变形工艺系统热变形工艺系统热变形刀具磨损刀具磨损内应力引起的变形内应力引起的变形测量误差测量误差 工艺系统静误差工艺系统静误差 工艺系统动误差工艺系统动误差5.1.2 表面质量 加工表面质量的概念加工表面质量的概念 表面层的几何形状误差表面层的几何形状误差 表面粗糙度表面粗糙度 表面的微观几何形状误差表面的微观几何形状误差 波度波度 介于宏观与微观之间的周期性几何形状误差介于宏观与微观之间的周期性几

5、何形状误差 表面层的物理力学性能表面层的物理力学性能 表面层金属的冷作硬化表面层金属的冷作硬化表面层金属金相组织的变化表面层金属金相组织的变化表面层金属的残余应力表面层金属的残余应力 图5.1 表面粗糙度和波度 图5.2零件表面的磨损曲线 图5.3表面粗糙度与磨损量的关系 图5.4 冷硬程度与磨损量的关系 表面质量对机器零件使用性能的影响 表面质量对耐磨性的影响表面质量对耐磨性的影响 表面粗糙度表面粗糙度表面层物理力学性能表面层物理力学性能表面质量对耐疲劳性的影响表面质量对耐疲劳性的影响 表面粗糙度表面粗糙度表面层物理力学性能表面层物理力学性能表面质量对耐腐蚀性的影响表面质量对耐腐蚀性的影响

6、表面粗糙度表面粗糙度表面层物理力学性能表面层物理力学性能表面质量对零件配合质量的影响表面质量对零件配合质量的影响 表面粗糙度表面粗糙度5.2机械加工工艺系统机械加工工艺系统几何误差的影响分析几何误差的影响分析5.2 机械加工工艺系统几何误差的影响分析5.2.1 机床主轴的回转运动误差机床主轴的回转运动误差5.2.2 机床导轨误差机床导轨误差5 5.2.3 机床传动链误差机床传动链误差5.2.4 工艺系统的其他几何误差工艺系统的其他几何误差5.2.1机床主轴的回转运动误差 主轴回转运动误差的概念与形式主轴回转运动误差的概念与形式 实际回转轴线对其理想回转轴线的变动量实际回转轴线对其理想回转轴线的

7、变动量 分解：分解： 径向圆跳动径向圆跳动 端面圆跳动端面圆跳动 纯角度摆动纯角度摆动 合成：合成： 轴线的轴线的“漂移漂移” “零点漂移零点漂移”图5.5主轴回转误差的基本形式 径向圆跳动径向圆跳动端面圆跳动端面圆跳动角度摆动角度摆动主轴回转运动误差的影响因素 主轴支承轴颈的误差主轴支承轴颈的误差轴承的误差、轴承的间隙轴承的误差、轴承的间隙箱体支承孔的误差箱体支承孔的误差配合件误差及主轴刚度、热变形等配合件误差及主轴刚度、热变形等不同类型机床，影响因素不同不同类型机床，影响因素不同 车床车床 主轴支承轴颈的圆度误差影响较大主轴支承轴颈的圆度误差影响较大 轴承孔圆度误差影响较小轴承孔圆度误差影

8、响较小镗床镗床 轴承孔圆度误差影响较大轴承孔圆度误差影响较大 主轴支承轴颈的圆度误差影响较小主轴支承轴颈的圆度误差影响较小图5.6 两类主轴回转误差的影响 刀具回转类机床刀具回转类机床 工件回转类机床工件回转类机床例 在外圆磨床上加工在外圆磨床上加工, ,当当n n1 1=2n=2n2 2, ,若只考虑若只考虑主轴回转误差的影响主轴回转误差的影响, ,试分析在图示给定的试分析在图示给定的情况下情况下, ,磨削后工件的外圆应是什么形状磨削后工件的外圆应是什么形状? ?为什么为什么? ? 砂轮对工件磨削力的方向不变,所以工件对砂轮磨削力的方向不变,作用在砂轮主轴上。在力的作用下，砂轮轴轴径以不同的

9、部位和轴承孔的某一固定部位相接触，因此，影响砂轮回转精度的主要是砂轮轴径的圆度，而轴承孔的形状精度影响小。主轴回转精度的测量 静态测量法静态测量法 千分表测量千分表测量 动态测量法 传感器测量传感器测量 摆动盘摆动盘传感器传感器精密测球精密测球 传感器传感器放大器放大器示波器示波器测量装置示意图测量装置示意图李沙育图形李沙育图形提高主轴回转精度的措施 提高主轴部件制造精度提高主轴部件制造精度 高精度滚动轴承、多油楔动压轴承和静压轴承高精度滚动轴承、多油楔动压轴承和静压轴承 箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合零件箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合零件 滚动轴承预紧滚动轴承预紧 消除间隙，产生微量

10、过盈消除间隙，产生微量过盈 误差转移法误差转移法 外圆磨床，固定顶尖支承工件外圆磨床，固定顶尖支承工件 5.2.2 机床导轨误差 机床导轨误差的形式及对工件加工精度的影响机床导轨误差的形式及对工件加工精度的影响 导轨在水平面内的直线度误差导轨在水平面内的直线度误差 导轨在垂直面内的直线度误差导轨在垂直面内的直线度误差 导轨的扭曲导轨的扭曲 导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度 水平面内水平面内形状误差（锥度）形状误差（锥度） 垂直面内垂直面内形状误差（马鞍形）形状误差（马鞍形） 法线方向引起误差最大，误差敏感方向法线方向引起误差最大，误差敏感方向 切线方向上误差

11、极小，可忽略不计切线方向上误差极小，可忽略不计 图5.9 磨床导轨在水平面内的直线度误差 半径误差值：半径误差值：R=R= 图5.10 磨床导轨在垂直面内的直线度误差 半径误差值：半径误差值：RR2/2R 为什么对车床床身导轨在水平面的直为什么对车床床身导轨在水平面的直线度要高于垂直面的直线度要求线度要高于垂直面的直线度要求?而对平面而对平面磨床床身导导轨的要求则相反磨床床身导导轨的要求则相反?对镗床导轨对镗床导轨的直线度为什么在水平面与垂直面都有较的直线度为什么在水平面与垂直面都有较高要求高要求?图5.11 导轨的扭曲 BHxR半径误差值：半径误差值： 车床车床H/B2/3外圆磨床外圆磨床H

12、B 在车床上镗孔时在车床上镗孔时,若刀具的直线进给运若刀具的直线进给运动与主轴回转运动均很准确动与主轴回转运动均很准确,只是它们在水只是它们在水平面内或垂直方向上不平行平面内或垂直方向上不平行,加工后将造成加工后将造成什么样的误差什么样的误差? 如图所示在镗床上镗孔如图所示在镗床上镗孔,镗床主轴与工镗床主轴与工作台面有平行度误差作台面有平行度误差,当工作台作进给运动当工作台作进给运动时时,所加工的孔将产生何种误差所加工的孔将产生何种误差?当主轴作当主轴作进给时进给时,该孔将产生何种误差该孔将产生何种误差?机床导轨误差的影响因素 机床制造误差机床制造误差 导轨、溜板的制造误差、装配误差导轨、溜板

13、的制造误差、装配误差 机床的安装机床的安装 安装不正确或地基不牢固安装不正确或地基不牢固导轨磨损导轨磨损 使用程度不同及受力不均，使用程度不同及受力不均， 全长各段磨损量不等全长各段磨损量不等 提高导轨导向精度的措施 提高机床导轨、溜板的制造及装配精度提高机床导轨、溜板的制造及装配精度 提高导轨耐磨性提高导轨耐磨性 采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨贴塑导轨、滚动导轨、静压导静压导轨轨机床安装正确，地基牢固机床安装正确，地基牢固 严格测量、校正，定期复校和调整严格测量、校正，定期复校和调整 导轨表面淬火等导轨表面淬火等5.2.3机床传动链误差 传动链误差

14、的概念传动链误差的概念 指内联系传动链中首末两端指内联系传动链中首末两端 传动元件间相对运动的误差传动元件间相对运动的误差 一般用传动链末端元件的转角误差来衡量一般用传动链末端元件的转角误差来衡量传动链中各传动元件误差累积传动链中各传动元件误差累积 传动链传动误差传动链传动误差 9614646232323231664fcdgii减少传动链传动误差的措施 减少传动环节，缩短传动链减少传动环节，缩短传动链 提高传动件（末端传动件）的制造、装配精度提高传动件（末端传动件）的制造、装配精度 末端传动副大降速比末端传动副大降速比 采用误差校正机构采用误差校正机构 人为地加入一误差，人为地加入一误差， 大

15、小相等方向相反，相互抵消大小相等方向相反，相互抵消 精密滚齿机分度蜗轮齿数精密滚齿机分度蜗轮齿数1000齿齿 图5.12 滚齿机的传动链 滚刀滚刀工作台蜗轮工作台蜗轮蜗杆蜗杆差动差动轮系轮系分度挂轮分度挂轮9614646232323231664fcdgii图5.13 丝杆误差校正机构 工件工件丝杠螺母丝杠螺母车床丝杠车床丝杠杠杆杠杆校正尺校正尺工作尺面工作尺面滚柱滚柱定位误差定位误差D D对刀误差对刀误差T T夹具的制造误差夹具的制造误差Z Z加工方法误差加工方法误差G 安装误差安装误差A A3TD22222DTAZG 5.2.4 夹具与定位误差分析 定位元件定位元件 对刀导向元件对刀导向元件

16、（夹具）（夹具）与机床连接元件与机床连接元件工件工件D D刀具刀具T T机机 床床A AGZ ZT夹具误差分析夹具误差分析定位误差分析 基准不重合误差基准不重合误差B B EAFSTS /2AminCBAmaxsminsmaxBBST尺寸尺寸A：尺寸尺寸B：B B = 0= 0产生定位误差的原因产生定位误差的原因 基准不重合误差B 由于工序基准与定位基准不重合所引起的由于工序基准与定位基准不重合所引起的工序基准相对于定位基准在加工尺寸方向上的工序基准相对于定位基准在加工尺寸方向上的最大变动范围最大变动范围 1nBiiTniiiBCosT1产生定位误差的原因A0DDOB定位基准定位基准工序基准工

17、序基准基准位移误差基准位移误差Y基准位移误差Y minmaxminmaxiiAAYAmaxOO1OO2Dmaxd0minDmind0maxAminimaxCiminY= =OO1- OO222220min0max0minmaxmax0minmin0maxdDddDDdDdD基准位移误差Y 由于定位副制造误差所引起的由于定位副制造误差所引起的定位基准相对于刀具在加工尺寸方向上的定位基准相对于刀具在加工尺寸方向上的最大变动范围最大变动范围孔销定位，单方向位移时孔销定位，单方向位移时02DdY CosiY产生定位误差的原因定位误差定位误差D 由于基准不重合误差和基准位移误差所引起的由于基准不重合误差

18、和基准位移误差所引起的工序基准相对于刀具在加工尺寸方向上的工序基准相对于刀具在加工尺寸方向上的最大变动范围最大变动范围定位误差的计算方法合成法合成法 Y Y0 0、B B=0=0时，则时，则D D= =Y YB B0 0、Y Y=0=0时，则时，则D D= =B BY Y0 0、B B0 0时，判断相关性：时，判断相关性：若工序基准不在定位基面上，若工序基准不在定位基面上，B B与与Y Y不相关，则不相关，则BYD若工序基准在定位基面上，若工序基准在定位基面上，B与与Y相关，判断方向性：相关，判断方向性：若工序基准和定位接触点在定位基准的异侧若工序基准和定位接触点在定位基准的异侧, ,方向相同

19、方向相同: :BYD若工序基准和定位接触点在定位基准的同侧若工序基准和定位接触点在定位基准的同侧,方向相反方向相反:BYD定位误差的计算方法合成法合成法 极限位置法极限位置法直接求工序基准相对于刀具的最大变动范围直接求工序基准相对于刀具的最大变动范围定位误差的计算方法合成法合成法 Y Y0 0、B B=0=0时，则时，则D D= =Y YB B0 0、Y Y=0=0时，则时，则D D= =B BY Y0 0、B B0 0时，判断相关性：时，判断相关性： 若工序基准不在定位基面上，若工序基准不在定位基面上，B B与与Y Y不相关不相关BYDOEF工序基准工序基准定位基面定位基面定位基准定位基准O

20、定位误差的计算方法合成法合成法 若工序基准在定位基面上，若工序基准在定位基面上，B与与Y相关，判断方向性：相关，判断方向性：HG 当工序基准和定位接触点在定位基准的同侧，方向当工序基准和定位接触点在定位基准的同侧，方向相反，相反，则则BYD工序基准定位接触点定位基准 定位基面O定位误差的计算方法合成法合成法 若工序基准在定位基面上，若工序基准在定位基面上，B与与Y相关，判断方向性：相关，判断方向性：I 当工序基准和定位接触点在定位基准的异侧，方向相当工序基准和定位接触点在定位基准的异侧，方向相同，则同，则BYD定位基面定位基准K工序基准定位接触点GOB0DD0ddEFO定位基面定位基面定位基准

21、定位基准尺寸尺寸E的的工序基准工序基准O工序基准工序基准 F，定位基准，定位基准 O，基准不重合，基准不重合【例】求图5.16所示加工尺寸 E 的定位误差2/dB2/ )(0dDY孔销定位，单方向位移孔销定位，单方向位移工序基准不在定位基面上，工序基准不在定位基面上， 即即B与与Y 不相关不相关 2ddoDBYD解：解：B0DD0ddHG尺寸尺寸H的的工序基准工序基准O定位基准定位基准定位基面定位基面工序基准工序基准 G G，定位基准，定位基准 O O，基准不重合，基准不重合 【例】求图5.16所示加工尺寸 H 的定位误差2/DB2/ )(0dDY孔销定位，单方向位移孔销定位，单方向位移工序基

22、准工序基准G G在定位基面内孔上，在定位基面内孔上， 即即B与与Y 相关，判断方向性相关，判断方向性工序基准工序基准 G G，定位接触点定位接触点 G G在在 定位基准定位基准 O O的同侧，方向相反的同侧，方向相反20dBYD解：解：各种定位方法的基准位移误差 平面定位平面定位 一般一般Y=0=0孔销定位孔销定位任意方向位移，任意方向位移，V形块定位形块定位水平方向，水平方向，Y =020dDY单方向位移，min0maxmaxdDXY垂直方向，垂直方向，2sin2dYV形块定位时不同标注的尺寸定位误差加工尺寸为加工尺寸为B2B =0，2sin2dYD加工尺寸为加工尺寸为B12dB2sin2d

23、Y判断相关性：工序基准在定位基面上，相关判断相关性：工序基准在定位基面上，相关判断方向性：工序基准和定位接触点在定位基准判断方向性：工序基准和定位接触点在定位基准 的同侧，方向相反的同侧，方向相反 12sin12dBYDV形块定位时不同标注的尺寸定位误差加工尺寸为加工尺寸为B22sin2dYD加工尺寸为加工尺寸为B12dB2sin2dY判断相关性：工序基准在定位基面上，相关判断相关性：工序基准在定位基面上，相关判断方向性：工序基准和定位接触点在定位基准判断方向性：工序基准和定位接触点在定位基准 的异侧，方向相同的异侧，方向相同 12sin12dBYD加工尺寸为加工尺寸为B312sin12dBY

24、D【例】求图5.23所示加工尺寸 A 的定位误差 解：解：横向上基准重合；纵向上基准不重合，且夹角横向上基准重合；纵向上基准不重合，且夹角为为45平面定位，一般平面定位，一般y=0， 横向上定心夹紧，横向上定心夹紧，y=0 1414. 045cos2 . 0cosiB1414. 0BD【例】钻铰凸轮上的两16孔，求加工尺寸 1000.lmm的定位误差 解：解：基准重合，基准重合，B=0 孔销定位，单方向位移，孔销定位，单方向位移， 夹角夹角301502. 030cos2021. 0033. 0cos20dDyD=Y=0.02T/3=0.2/30.067【例】试比较钻孔时两方案的定位误差 解：方

25、案解：方案, 圆销定位圆销定位工序基准为外圆下母线，定位基准为内孔中心，工序基准为外圆下母线，定位基准为内孔中心， 基准不重合基准不重合 孔销配合，任意方向位移，孔销配合，任意方向位移， Y=Xmax=0.035 B=D/2+=0.015+0.02=0.035工序基准不在定位基面上，工序基准不在定位基面上， B与与Y不相关不相关D=Y+B=0.07T/3=0.067 【例】试比较钻孔时两方案的定位误差 解：方案解：方案，套定位，套定位 工序基准为外圆下母线，工序基准为外圆下母线， 定位基准为外圆中心，基准不重合定位基准为外圆中心，基准不重合 孔销配合，任意方向位移，孔销配合，任意方向位移， Y

26、 =Xmax=0.06 B =D/2=0.015工序基准在定位基面上，工序基准在定位基面上， B与与Y相关，判断方向性相关，判断方向性 难判断，改用极限法，直接求工序基准的最大位移量难判断，改用极限法，直接求工序基准的最大位移量D=Xmax=0.06T/3=0.067 方案方案好好一面两销定位的基准位移误差 O1孔与圆柱销孔与圆柱销最大间隙最大间隙 X1maxO2孔与菱形销孔与菱形销最大间隙最大间隙 X2max基准直线位移误差基准直线位移误差: :基准角位移误差基准角位移误差: : 异侧移动时，异侧移动时，为最大转角误差为最大转角误差同侧移动时，同侧移动时，转角误差较小转角误差较小2/ )(1

27、1dDY单方向位移max1XY任方向位移LXXtg2max1max21LXXtg2max1max21【例】一面两孔定位，求钻孔尺寸的定位误差 解：尺寸解：尺寸50500.150.15 工序基准工序基准O O2 2，定位基准，定位基准O O1 1， 基准不重合基准不重合 孔销配合，任意方向位移，孔销配合，任意方向位移，Y = X X1max 1max = 0.0410.041 B = 0.03 0.03 = 0.060.06 工序基准不在定位基面上，工序基准不在定位基面上， B与与Y不相关不相关D=Y+B= 0.101T/3=0.1【例】一面两孔定位，求钻孔尺寸的定位误差 解：尺寸解：尺寸606

28、00.150.15 工序基准工序基准O O1 1O O2 2，定位基准，定位基准O O1 1O O2 2，基准重合，基准重合 一面两孔定位，一面两孔定位， X1max=0.041，X2max=0.068B = 0 0 角位移，任意方向转动（异侧）角位移，任意方向转动（异侧）D=Y= 0.104T/3=0.1104. 0150502068. 0041. 02068. 02222max2max1max2LlXXXY修改定位方案修改定位方案5.2.5 工艺系统的其他几何误差 刀具误差刀具误差 制造误差：制造误差：一般刀具一般刀具 定尺寸刀具定尺寸刀具 影响尺寸精度影响尺寸精度 无直接影响无直接影响

29、成形刀具成形刀具 影响形状精度影响形状精度磨损：磨损：调整法加工调整法加工工件尺寸分散工件尺寸分散车长外圆车长外圆锥形锥形措施：措施：刀具材料，合理几何参数和切削用量，刀具材料，合理几何参数和切削用量，刃磨，冷却润滑液刃磨，冷却润滑液大批量大批量自动补偿装置自动补偿装置测量误差 量具：量具： 本身制造误差本身制造误差 环境：环境： 人员：人员： 人员素质、技术水平、情绪等人员素质、技术水平、情绪等 测量时的温度、场所测量时的温度、场所调整误差 试切法调整：试切法调整： 进给机构位移误差进给机构位移误差 微量进给的微量进给的“爬行爬行” ” 最小切削厚度极限最小切削厚度极限 刀刃挤压而不切削刀刃

30、挤压而不切削 调整法调整：调整法调整： 定程机构定程机构 挡块、靠模及凸轮等制造精度挡块、靠模及凸轮等制造精度 抽样件数抽样件数 样件或样板样件或样板 制造、安装和对刀精度制造、安装和对刀精度 不反映整批工件切削的各种误差不反映整批工件切削的各种误差 5.3机械加工工艺系统动态误差的影响分析5.3.1 5.3.1 工艺系统受力变形影响分析工艺系统受力变形影响分析5.3.2 5.3.2 工艺系统的热变形影响分析工艺系统的热变形影响分析5.3.3 5.3.3 工艺系统的内应力影响分析工艺系统的内应力影响分析5.3.4 5.3.4 机械加工中的振动机械加工中的振动5.3 机械加工工艺系统动态误差的影

31、响分析 图5.27 工艺系统受力变形引起的加工误差 5.3.1 5.3.1 工艺系统受力变形影响分析工艺系统受力变形影响分析工艺系统刚度的概念工艺系统刚度的概念 基本概念基本概念工艺系统抵抗外力使其变形的能力工艺系统抵抗外力使其变形的能力系统总变形量系统总变形量= =各环节变形量之和各环节变形量之和 按刚度概念：按刚度概念： 法向切削分力法向切削分力FpFp与总切削力综合与总切削力综合 作用下系统的法向变形作用下系统的法向变形的比值的比值 工艺系统刚度：工艺系统刚度： ptxFKgjjdjjcjcpcjFKjdpjdFKj jpjjFKgpgFKgjjjdcjt xkkkkk11111系统刚度

32、的倒数系统刚度的倒数= =各环节刚度的倒数和各环节刚度的倒数和 工件、刀具的刚度 悬臂梁受力变形：悬臂梁受力变形： 简支梁受力变形：简支梁受力变形： EILFp3313113LEIFkpEILFp483232248LEIFkp机床部件、夹具部件的刚度 实验方法测刚度曲线实验方法测刚度曲线 刚度曲线非直线刚度曲线非直线 力和变形非线性关系，非单纯弹性变形力和变形非线性关系，非单纯弹性变形 加载与卸载曲线不重合加载与卸载曲线不重合接触变形、摩擦和塑性变形等的消耗接触变形、摩擦和塑性变形等的消耗卸载后曲线不能回原点卸载后曲线不能回原点存在间隙和残余变形，反复加卸载趋于稳定存在间隙和残余变形，反复加卸

33、载趋于稳定 部件实际刚度远比实体结构的值小部件实际刚度远比实体结构的值小 mmNFKjdpjd4105052. 02400图5.28 车床刀架部件静刚度曲线 影响部件刚度的因素 连接表面间的接触变形连接表面间的接触变形 局部表面的弹性变形及塑性变形局部表面的弹性变形及塑性变形 部件中薄弱零件的影响部件中薄弱零件的影响 薄弱零件先变形薄弱零件先变形间隙的影响间隙的影响 载荷变化时，间隙引起位移载荷变化时，间隙引起位移摩擦力的影响摩擦力的影响 摩擦力总与变形反向摩擦力总与变形反向图5.29 两零件结合面间的接触情况 图5.30 机床部件中刚度薄弱环节 图5.31 间隙对部件刚度曲线的影响 机床部件

34、刚度的测定 单向静载测定法单向静载测定法 简单易行，出入较大简单易行，出入较大 三向静载测定法三向静载测定法 模拟实际车削受力，较接近实际模拟实际车削受力，较接近实际 工作状态测定法工作状态测定法 切削状态下进行，较符合实际切削状态下进行，较符合实际 工艺系统的受力变形 切削力作用点位置变化引起的加工误差切削力作用点位置变化引起的加工误差 机床的变形机床的变形 工艺系统刚度的倒数：工艺系统刚度的倒数：当当Z=LZ=L2 2时：时： jdzwjtpjckLzkLzLkF11122jdzwjtpjcxtkLzkLzLkFk1)(1)(1122jdzwjtpjcxtkkkFk1)11(411图5.3

35、4 工艺系统变形随切削力作用点变化而变化 【例】车床头架刚度6104N/mm，尾座刚度5104N/mm， 刀架刚度4104N/mm，径向切削力300N，工件长600mm，则沿工件长度上系统位移量：(mm) 误差值误差值 = =（0.0135-0.01030.0135-0.0103）=0.0032mm =0.0032mm 工件产生两端粗、中间细的马鞍形圆柱度误差工件产生两端粗、中间细的马鞍形圆柱度误差 z0L/6L/3L/22L/35L/6Lxt0.0125 0.01110.01040.01030.0107 0.01180.0135切削力作用点位置变化引起的加工误差工件的变形工件的变形 车削细长

36、轴，简支梁：车削细长轴，简支梁： 当当Z=0Z=0或或Z=LZ=L时：时： LzzLEIFpg22)(3当当Z=LZ=L2 2时：时：0gEILFpg483工件产生两端细、中间粗的腰鼓形圆柱度误差工件产生两端细、中间粗的腰鼓形圆柱度误差 图5.34 工艺系统变形随切削力作用点变化而变化 【例】工件30600mm，钢弹性模量E=2105Nmm，径向切削力300N ，则沿工件长度上系统位移量：(mm) 误差值误差值 = =（0.17-00.17-0）=0.17mm =0.17mm 工件产生两端细、中间粗的腰鼓形圆柱度误差工件产生两端细、中间粗的腰鼓形圆柱度误差 z0L/6L/3L/22L/35L/

37、6Lxt00.0520.1320.170.1320.0520切削力作用点位置变化引起的加工误差工艺系统的总变形工艺系统的总变形 同时考虑机床和工件的变形时：同时考虑机床和工件的变形时：具体情况具体分析具体情况具体分析gjcjdzwjtpkLzkLzLkF11122LzzLEIFp22)(3例例:在卧式镗床上加工箱体内孔在卧式镗床上加工箱体内孔,采用图采用图示几种方案示几种方案,若只考虑镗杆受力变形的影响若只考虑镗杆受力变形的影响,试画出各加工方案加工后箱体孔的加工误试画出各加工方案加工后箱体孔的加工误差。差。铣键槽发现靠工件二端的深度大于中铣键槽发现靠工件二端的深度大于中间，且都比调整的深度尺

38、寸前小，试分析间，且都比调整的深度尺寸前小，试分析产生这一现象的原因。产生这一现象的原因。假设工件的刚度极大，且车床主轴，假设工件的刚度极大，且车床主轴，尾座刚度不等尾座刚度不等 ，试分析如图所示，试分析如图所示的三种情况，加工后工件表面会产生何种的三种情况，加工后工件表面会产生何种形状误差？形状误差？尾座主轴KK切削力大小变化引起的加工误差 误差复映现象：误差复映现象： 切削力变化切削力变化变形量变化变形量变化一般取一般取=0.4 令令=g/g/m m 误差复映系数误差复映系数 75. 0faCFpFpccpFF /txpFkfaCc75. 011txpFkfaCc75. 022mt xFp

39、pt xFgkfCaakfCcc75. 02175. 021)(xtFkfCZ75. 0图 5.35 毛坯形状误差的复映 误差复映现象1 1多次走刀总误差复映系数：多次走刀总误差复映系数： 分析：分析：xtFkfCZ75. 0mg321 粗精加工，多次走刀粗精加工，多次走刀逐渐提高加工精度逐渐提高加工精度调整法加工，毛坯余量、材质不同调整法加工，毛坯余量、材质不同 尺寸分散尺寸分散切削余量不同切削余量不同 尺寸、形、位均会复映尺寸、形、位均会复映系统刚度一般很大，系统刚度一般很大，1 1 误差下降很快误差下降很快措施：措施：提高工艺系统刚度提高工艺系统刚度减少背向力，进给量，增大主偏角减少背向

40、力，进给量，增大主偏角毛坯余量均匀，材质均匀毛坯余量均匀，材质均匀工艺系统中其他作用力引起的加工误差夹紧力的影响夹紧力的影响 工件刚度低，夹紧力作用点不当工件刚度低，夹紧力作用点不当 夹紧变形夹紧变形重力的影响重力的影响大型零部件自重大型零部件自重 变形变形惯性力的影响惯性力的影响高速旋转件不平衡，离心力方向变化高速旋转件不平衡，离心力方向变化 变形变化变形变化传动力的影响传动力的影响传动力方向变化传动力方向变化 变形变化变形变化图5.36 套筒夹紧变形的误差 a.第一次夹紧第一次夹紧 b.镗孔镗孔 c.松开后工件变形松开后工件变形 d.采用开口过渡环采用开口过渡环 e.采用专用卡爪采用专用卡

41、爪 图5.37 薄片工件的磨削 毛坯翘曲毛坯翘曲吸紧吸紧磨后松开，扭曲磨后松开，扭曲磨凸面磨凸面磨凹面磨凹面磨后松开，平直磨后松开，平直图 5.38 自重引起的加工误差 图5.39 惯性力引起的加工误差 【例】工件重 W=100N，主轴转速 n=1000r/min， 不平衡质量 m 到旋转中心的距离 S=5mm 离心力：离心力： F FQ Q = m = m 2 2NngW93.558)6010002(59800100)602(22设工艺系统刚度为设工艺系统刚度为 3104 N/mm工件半径上的加工误差：工件半径上的加工误差：mmkFkFFkFFt xQt xQPt xQPr037. 0103

42、93.558224minmax图5.40 传动力产生的加工误差 减少工艺系统受力变形的措施提高接触刚度提高接触刚度 提高工件的刚度提高工件的刚度 提高机床部件的刚度提高机床部件的刚度 合理的装夹方式和加工方式合理的装夹方式和加工方式减小切削力及其变化减小切削力及其变化 合理刀具几何参数，切削用量，刀具材料，热处理合理刀具几何参数，切削用量，刀具材料，热处理工件余量均匀，材质均匀工件余量均匀，材质均匀图5.41 增加支承提高工件刚度 图5.42 提高机床部件刚度的装置 采用转动导向支承套采用转动导向支承套 采用固定导向支承套采用固定导向支承套转动导向套转动导向套 导向套导向套加强杆加强杆六角刀架

43、六角刀架六角刀架六角刀架工件工件加强杆加强杆图5.43 改变装夹与加工方式提高工艺系统刚度 5.3.2 工艺系统热变形影响分析 工艺系统的热源工艺系统的热源 内部内部切削热和摩擦热切削热和摩擦热 外部外部环境热和各种辐射热环境热和各种辐射热 传导传导工件、切屑、刀具、夹具、机床、介质工件、切屑、刀具、夹具、机床、介质磨削：工件磨削：工件8484车削：切屑车削：切屑50508080，工件，工件3030，刀具，刀具5 5钻孔：工件超过钻孔：工件超过5050；工件热变形对加工精度的影响 铜、铝等有色金属零件铜、铝等有色金属零件 细长轴细长轴 精密丝杆精密丝杆 长长 2m2m，磨一次温升约，磨一次温升

44、约 3 3C C 伸长量：伸长量：=1.17=1.171010-5-5200020003=0.07mm 3=0.07mm （6 6级丝杠螺距累积误差级丝杠螺距累积误差0 002mm02mm） 床身床身措施：措施：磨导轨面，温差大，上拱，磨后冷却下凹磨导轨面，温差大，上拱，磨后冷却下凹 导轨直线度误差导轨直线度误差 粗精分开粗精分开tLL刀具热变形对加工精度的影响 刃部温度达刃部温度达700700800800C C刀具伸长量可达刀具伸长量可达0.030.030.05 mm 0.05 mm 车长轴产生锥度车长轴产生锥度 热平衡热平衡措施：措施：热变形变化小热变形变化小合理切削用量、合理切削用量、刀

45、具几何参数刀具几何参数充分冷却、润滑充分冷却、润滑机床热变形对加工精度的影响 机床工作状态下热变形的趋势机床工作状态下热变形的趋势热变形影响大的机床：热变形影响大的机床：精密机床精密机床自动线上的机床自动线上的机床长床身机床长床身机床导轨磨床导轨磨床 长长12m 12m 高高0.8m0.8m精密加工应在机床热平衡后进行精密加工应在机床热平衡后进行 导轨面与床身底面温差导轨面与床身底面温差 1 1 导轨面凸变形量：导轨面凸变形量： mmHLt26. 08 . 081211017. 18252图5.45 几种机床热变形的趋势 双端面磨床双端面磨床 车床车床铣床铣床平面磨床平面磨床减少工艺系统热变形

46、影响的措施 减少发热和隔离热源减少发热和隔离热源 加速达到热平衡状态加速达到热平衡状态 控制环境温度控制环境温度 均衡温度场均衡温度场 一般一般20201 1 图5.46 均衡立柱前后壁温度场 5.3.3 工艺系统的内应力影响分析 外部载荷去除后，仍残存在内部的应力外部载荷去除后，仍残存在内部的应力 内应力处于很不稳定的相对平衡状态内应力处于很不稳定的相对平衡状态产生原因：内部金属组织不均匀体积变化产生原因：内部金属组织不均匀体积变化毛坯制造中产生的内应力毛坯制造中产生的内应力 铸、锻、焊及热处理铸、锻、焊及热处理 切削力切削力表层受压，里层受拉表层受压，里层受拉冷校直带来的内应力冷校直带来的

47、内应力 切削加工中产生的内应力切削加工中产生的内应力 切削热切削热表层受拉，里层受压表层受拉，里层受压图5.47 铸件内应力引起的变形 B受拉受拉A、C受压受压相互平衡相互平衡C C切口切口B B收缩收缩A A伸长伸长弯曲变形弯曲变形 图5.48 冷校直引起的残余应力 卸载后残余应力的分布卸载后残余应力的分布 冷校直方法冷校直方法加载时残余应力的分布加载时残余应力的分布轴线以上压应力（轴线以上压应力（-），轴线以下拉应力（），轴线以下拉应力（+）双点划线间双点划线间弹性变形，双点划线外弹性变形，双点划线外塑性变形塑性变形 减少或消除残余应力的措施 合理设计零件结构合理设计零件结构 自然时效，人

48、工时效，振动时效自然时效，人工时效，振动时效 合理安排工艺过程合理安排工艺过程 合理安排热处理和时效处理合理安排热处理和时效处理 粗精分开粗精分开5.3.4 机械加工中的振动 产生振纹，影响加工质量和生产率产生振纹，影响加工质量和生产率影响刀具耐用度和机床寿命影响刀具耐用度和机床寿命恶化环境，影响健康恶化环境，影响健康种类：种类：强迫振动强迫振动自激振动自激振动自由振动自由振动 约约 35%35%约约 60%60%约约 5%5%机械加工中的强迫振动 外部周期性干扰力引起的振动外部周期性干扰力引起的振动 内部内部外部外部 旋转件不平衡、传动件缺陷、断续切削等旋转件不平衡、传动件缺陷、断续切削等

49、强强迫振动产生的原因迫振动产生的原因 地基传来的振动地基传来的振动 机械加工中的强迫振动 外部周期性干扰力引起的振动外部周期性干扰力引起的振动 是在外界周期性干扰力作用下产生的是在外界周期性干扰力作用下产生的 频率频率强迫振动的主要特点强迫振动的主要特点 振幅振幅等于外界干扰力的频率等于外界干扰力的频率与外界干扰力大小、系统刚度及阻尼有关与外界干扰力大小、系统刚度及阻尼有关特别取决于干扰力与系统固有频率的比值特别取决于干扰力与系统固有频率的比值 当当 等于或接近于等于或接近于1 1时，振幅最大时，振幅最大“共振共振” ” 机械加工中的强迫振动 外部周期性干扰力引起的振动外部周期性干扰力引起的振

50、动 减小或消除激振力减小或消除激振力提高工艺系统的刚度及增大阻尼提高工艺系统的刚度及增大阻尼 减少强迫振动的措施和途径减少强迫振动的措施和途径 调整振源频率，远离固有频率，避免共振调整振源频率，远离固有频率，避免共振 隔振隔振 防振地基、设置弹簧或橡皮垫片等防振地基、设置弹簧或橡皮垫片等平衡回转件、提高传动稳定性平衡回转件、提高传动稳定性 采用减振器和阻尼器采用减振器和阻尼器 机械加工中的自激振动 自自激振动的概念激振动的概念 没有周期性外力作用下，没有周期性外力作用下， 系统本身产生和维持的振动系统本身产生和维持的振动 机械加工中的自激振动 激振力是由振动本身产生和控制的激振力是由振动本身产

51、生和控制的 频率频率自激自激振动的主要特点振动的主要特点 振幅振幅等于或接近等于系统的固有频率等于或接近等于系统的固有频率 与系统刚度及阻尼有关与系统刚度及阻尼有关取决于系统获得的能量与消耗的能量之比取决于系统获得的能量与消耗的能量之比 E E E E，振幅加大，振幅加大E E = E= E，振幅稳定，振幅稳定E E E E E，振幅加大，振幅加大重叠使切削深度变化，引起切削力周期性变化重叠使切削深度变化，引起切削力周期性变化 产生产生再生自激振动再生自激振动 机械加工中的自激振动 振型耦合原理振型耦合原理（坐标联系原理坐标联系原理）自激振动与系统的参数自激振动与系统的参数k k1 1、k k

52、2 2、有关有关 自激自激振动的激振机理振动的激振机理 k k1 1k k2 2 0 0 多自由度系统的多自由度系统的自激振动自激振动 （ 6060 ）0 06060 最易产生最易产生自激振动自激振动机械加工中的自激振动 合理切削用量合理切削用量 合理几何参数合理几何参数 控制自激振动的途径控制自激振动的途径 合理刚度比和方位角合理刚度比和方位角 提高工艺系统抗振性提高工艺系统抗振性 提高接触刚度和接触阻尼、提高接触刚度和接触阻尼、 硬质合金刀杆、中心架等硬质合金刀杆、中心架等 高速，大进给量，小背吃刀量高速，大进给量，小背吃刀量采用采用减振装置减振装置 大前角、大前角、大大主偏角、主偏角、小

53、后角、小后角、 负倒棱、小刀尖圆弧半径负倒棱、小刀尖圆弧半径110110150150，稳定不振，稳定不振5.4提高加工质量的途径提高加工质量的途径5.4.1 5.4.1 提高加工精度的途径提高加工精度的途径5.4.2 5.4.2 提高表面质量的途径提高表面质量的途径5.4 提高加工质量的途径5.4.1 提高加工精度的途径 直接减少或消除误差法直接减少或消除误差法 车细长轴：中心架或跟刀架，大主偏角车刀，车细长轴：中心架或跟刀架，大主偏角车刀， 后弹簧顶尖，反向大进给量切削后弹簧顶尖，反向大进给量切削 误差转移法误差转移法 磨主轴锥孔：专用夹具磨主轴锥孔：专用夹具 误差分组法误差分组法 人为制造

54、大小相等方向相反的误差人为制造大小相等方向相反的误差多根多根心轴分组心轴分组配合配合 误差补偿法误差补偿法 就地加工法就地加工法转塔车床：自身镗孔车端面转塔车床：自身镗孔车端面误差平均法误差平均法控制误差法控制误差法 精密标准平板：三块对研，配刮精密标准平板：三块对研，配刮 用测量装置实测尺寸，随时补偿用测量装置实测尺寸，随时补偿 图5.61 转塔车床刀架转位误差的转移 立刀安装立刀安装 普通安装普通安装误差转移到误差转移到非敏感方向非敏感方向 图5.62 磨床床身导轨磨削时预加载荷 图5.63 高压油泵柱塞副偶件自动配磨示意图 5.4.2 提高表面质量的途径 减小表面粗糙度值的工艺措施减小表

55、面粗糙度值的工艺措施 切削加工切削加工残留面积残留面积减小主偏角、副偏角、减小进给量减小主偏角、副偏角、减小进给量 增大刀尖圆弧半径增大刀尖圆弧半径磨削加工磨削加工积屑瘤积屑瘤, ,鳞刺鳞刺 高高速速或低速切削或低速切削，大前角，大后角大前角，大后角 切削液，热处理切削液，热处理 磨粒切削、刻划、滑擦、挤压磨粒切削、刻划、滑擦、挤压 适当的砂轮粒度、硬度、组织和材料适当的砂轮粒度、硬度、组织和材料 修整砂轮，保持微刃等高修整砂轮，保持微刃等高 提高砂轮转速，减小工件转速、进给量提高砂轮转速，减小工件转速、进给量 减小磨削深度，增加光磨次数减小磨削深度，增加光磨次数 残留面积高度maxctgKc

56、tgKfRrfR82max5.4.2 提高表面质量的途径 减小残余拉应力、防止表面烧伤和裂纹的工艺措施减小残余拉应力、防止表面烧伤和裂纹的工艺措施 磨削高温磨削高温 减少磨削热的产生减少磨削热的产生 加速磨削热的传出加速磨削热的传出 合理的磨削用量合理的磨削用量 有效的冷却方法有效的冷却方法 减少背吃刀量减少背吃刀量 提高进给量、工件转速、砂轮转速提高进给量、工件转速、砂轮转速 磨削液，高压大流量冷却磨削液，高压大流量冷却 内冷却砂轮、开槽砂轮等内冷却砂轮、开槽砂轮等 5.4.2 提高表面质量的途径 采用表面冷压强化工艺采用表面冷压强化工艺 冷态塑性变形冷态塑性变形 降低表面粗糙度值，提高硬度

57、降低表面粗糙度值，提高硬度 产生残余压应力和冷硬层产生残余压应力和冷硬层 喷丸喷丸 滚压滚压 5.5制造过程质量统计分析方法与应用5.5.1 5.5.1 加工误差的性质加工误差的性质5.5.2 5.5.2 分布图分析法分布图分析法5.5.3 5.5.3 点图分析法点图分析法5.5 制造过程质量统计分析方法与应用 5.5.1 加工误差的性质 系统性误差系统性误差 常常值系统误差值系统误差 误差大小和方向保持不变误差大小和方向保持不变 工艺系统制造误差、受力变形，磨损引起的误差工艺系统制造误差、受力变形，磨损引起的误差 变值变值系统误差系统误差 相应维修调整，或针对性措施来消除相应维修调整，或针对

58、性措施来消除 误差大小和方向按一定规律变化误差大小和方向按一定规律变化 热变形误差，刀具磨损热变形误差，刀具磨损 热平衡，补充调整、或自动连续周期性补偿热平衡，补充调整、或自动连续周期性补偿5.5.1 加工误差的性质 系统性误差系统性误差 常常值系统误差值系统误差 误差大小和方向保持不变误差大小和方向保持不变 变值变值系统误差系统误差 误差大小和方向按一定规律变化误差大小和方向按一定规律变化 误差大小和方向是无规律变化误差大小和方向是无规律变化 毛坯误差（余量不均、硬度不均）复映毛坯误差（余量不均、硬度不均）复映定位、夹紧误差，残余应力，多次调整的误差定位、夹紧误差，残余应力，多次调整的误差随

59、机性误差随机性误差工艺措施：工艺措施： 提高系统刚度，提高毛坯精度使余量均匀提高系统刚度，提高毛坯精度使余量均匀热处理使硬度均匀，时效消除内应力等热处理使硬度均匀，时效消除内应力等 5.5.2 分布图分析法 实际分布图实际分布图直方图直方图随机抽样随机抽样 测量分组测量分组 频数频数 统计绘图统计绘图同一尺寸间隔内的零件数量同一尺寸间隔内的零件数量 频率频率 频数与样本总数之比频数与样本总数之比 频率密度频率密度 频率与组距（尺寸间隔）之比频率与组距（尺寸间隔）之比 直方图：直方图：零件尺寸零件尺寸横坐标横坐标频率或频率密度频率或频率密度纵坐标纵坐标 连接各直方顶部中点连接各直方顶部中点 实际

60、分布图实际分布图【例】精镗活塞销孔，直径 件数n=100，分组数k=6 表表5.2 5.2 活塞销孔直径测量结果及分组情况活塞销孔直径测量结果及分组情况 0015. 028组别组别尺寸范围尺寸范围/mm中值尺寸中值尺寸/mm组内工件数组内工件数m频率频率m/n12345627.992 27.99427.994 27.99627.996 27.99827.998 28.00028.000 28.00228.002 28.00427.99327.99527.99727.99928.00128.003 416323016 20.040.160.320.300.160.02图5.66 活塞销孔直径尺寸