机械制造质量与控制讲义

第五章机械制造质量分析与控制第一节机械加工精度第二节工艺过程的统计分析第三节机械加工表面质量第四节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.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δz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工件在夹具中装夹示意试切法调整广广泛用在单件件、小批生产产中。这种调调整方式产生生调整误差的的来源有3个个方面：(1)度量误误差(2)加工余余量的影响(3)微进给给误差三、调整误差差1.试切法调调整在大批大量生生产中广泛应应用行程挡块块、靠模、凸凸轮等机构保保证加工精度度。这时候，，这些机构的的制造精度和和调整，以及及与它们配合合使用的离合合器、电气开开关、控制阀阀等的灵敏度度就成了影响响误差的主要要因素。2.按定程机机构调整在大批大量生生产中用多刀刀加工时，常常用专门样件件来调整切削削刃间的相对对位置。如活活塞环槽半精精车和精车时时就是如此。。当工件形状复复杂，尺寸和和重量都比较较大的时候，，利用样件进进行调整就太太笨重，且不不经济，这时时可以采用样样板对刀。3.按样件或或样板调整机械加工工艺艺系统在切削削力、夹紧力力、惯性力、、重力、传动动力等的作用用下，会产生生相应的变形形，从而破坏坏了刀具和工工件之间的正正确的相对位位置，使工件件的加工精度度下降。四、工艺系统统受力变形引引起的误差1.基本概念念图5-12受受力变形形对工件精度度的影响a)车长轴b)磨内内孔工艺系统中如如果工件刚度度相对于机床床、刀具、夹夹具来说比较较低，在切削削力的作用下下，工件由于于刚性不足而而引起的变形形对加工精度度的影响就比比较大，其最最大变形量可可按材料力学学有关公式估估算。2.工件刚度度外圆车刀在加加工表面法线线（y）方向上的刚刚度很大，其其变形可以忽忽略不计。镗镗直径较小的的内孔，刀杆杆刚度很差，，刀杆受力变变形对孔加工工精度就有很很大影响。3.刀具刚度度(1)机床部部件刚度图5-14车车床部件件静刚度的测测定1—心轴2、3、6—千分表4—测力环5—螺旋加加力器4.机床部件件刚度图5-15车车床床刀架架部件件的刚刚度曲曲线1—加加载曲曲线2—卸卸载曲曲线(2)影响响机床床部件件刚度度的因因素由于零零件表表面存存在宏宏观几几何形形状误误差和和微观观几何何形状状误差差，结结合面面的实实际接接触面面积只只是名名义接接触面面积的的一小小部分分(图所所示)，在在外力力作用用下，，实际际接触触区的的接触触应力力很大大，产产生了了较大大的接接触变变形。。1)结结合面面接触触变形形的影影响图5-16两两零零件结结合面面间的的接触触情况况4.机机床部部件刚刚度2)摩摩擦力力的影影响图5-17摩摩擦擦力对对机床床部件件刚度度的影影响4.机机床部部件刚刚度3)低低刚度度零件件的影影响在机床床部件件中，，个别别薄弱弱零件件对刚刚度的的影响响很大大。4)间间隙的的影响响机床部部件在在受力力作用用时，，首先先消除除零件件间在在受力力作用用方向向上的的间隙隙，这这会使使机床床部件件产生生相应应的位位移。。4.机机床部部件刚刚度(1)由于于工艺艺系统统刚度度变化化引起起的误误差5.工工艺系系统刚刚度及及其对对加工工精度度的影影响图5-18车车削削外圆圆时工工艺系系统受受力变变形对对加工工精度度的影影响(2)由于于切削削力变变化引引起的的误差差在加工工过程程中，，由于于工件件的加加工余余量发发生变变化、、工件件材质质不均均等因因素引引起的的切削削力变变化，，使工工艺系系统变变形发发生变变化，，从而而产生生加工工误差差。图5-19毛毛坯坯形状状误差差的复复映5.工工艺系系统刚刚度及及其对对加工工精度度的影影响(3)由于于夹紧紧变形形引起起的误误差(4)其他他作用用力的的影响响除上述述因素素外，，重力力、惯惯性力力、传传动力力等也也会使使工艺艺系统统的变变形发发生变变化，，引起起加工工误差差。图5-21夹夹紧紧力引引起的的加工工误差差a)夹夹紧后后b)镗孔孔后c)放放松后后d)加过过渡环环后夹夹紧5.工工艺系系统刚刚度及及其对对加工工精度度的影影响(1)提高高工艺艺系统统刚度度1)提提高工工件和和刀具具的刚刚度2)提提高机机床刚刚度3)采采用合合理的的装夹夹方式式和加加工方方式(2)减小小切削削力及及其变变化合理地地选择择刀具具材料料、增增大前前角和和主偏偏角、、对工工件材材料进进行合合理的的热处处理以以改善善材料料的加加工性性能等等，都都可使使切削削力减减小。。6.减减小工工艺系系统受受力变变形的的途径径1)切切削热热切削热热对工工件加加工精精度的的影响响最为为直接接。2)摩摩擦热热和能能量损损耗工艺系系统因因运动动副(如如齿轮轮副、、轴承承副、、导轨轨副、、螺母母丝杠杠副、、离合合器等等)相相对对运动动所生生摩擦擦热和和因动动力源源(如电电动机机、液液压系系统等等)工工作作时的的能量量损耗耗而发发热。。3)派派生热热源工艺系系统内内部的的部分分热量量通过过切屑屑、切切削液液、润润滑液液等带带到机机床其其它部部位，，使系系统产产生热热变形形。五、工工艺系系统受受热变变形引引起的的误差差1.工工艺系系统的的热源源(1)内部部热源源内部热热源来来自工工艺系系统内内部，，其热热量主主要是是以热热传导导的形形式传传递的的。(2)外部部热源源外部热热源来来自工工艺系系统外外部。。1)环环境温温度以对流流传热热为主主要传传递形形式的的环境境温度度的变变化(如如气温温的变变化，，人造造冷、、热风风，地地基温温度的的变化化等)影响响工艺艺系统统的受受热均均匀性性，从从而影影响工工件的的加工工精度度。2)辐辐射热热以辐射射传热热为传传递形形式的的辐射射热(如如阳光光、灯灯光照照明、、取暖暖设备备、人人体温温度等等)因因其对对工艺艺系统统辐射射的单单面性性或局局部性性而使使工艺艺系统统的热热变形形发生生变化化，从从而影影响工工件的的加工工精度度。2.工工件热热变形形对加加工精精度的的影响响工件在在机械械加工工中所所产生生的热热变形形，主主要是是由切切削热热引起起的。。(1)工件件均匀匀受热热在加工工像轴轴类等等一些些形状状简单单的工工件时时，如如果工工件处处在相相对比比较稳稳定的的温度度场中中，此此时就就认为为工件件是均均匀受受热。。(2)工件件不均均匀受受热在铣、、刨、、磨平平面时时，工工件单单面受受切削削热作作用，，上下下表面面之间间形成成温差差△θ，导致致工件件向上上凸起起，凸凸起部部分被被工具具切去去，加加工完完毕冷冷却后后，加加工表表面就就产生生了中中凹，，造成成了几几何形形状误误差。。3.刀刀具热热变形形对加加工精精度的的影响响刀具热热变形形的热热源主主要是是切削热热。图5-25车车刀刀的热热变形形曲线线4.机机床热热变形形对加加工精精度的的影响响由于机机床热热源分分布的的不均均匀、、机床床结构构的复复杂性性以及及机床床工作作条件件的变变化很很大等等原因因，机机床各各个部部件的的温升升是不不相同同的，，甚至至同一一个零零件的的各个个部分分的温温升也也有差差异，，这就就破坏坏了机机床原原有的的相互互位置置关系系。图5-26车床床的热变形形5.减小工工艺系统热热变形的途途径(1)减少少发热和隔隔热(2)改善善散热条件件(3)均衡衡温度场(4)改进进机床结构构(5)加快快温度场的的平衡(6)控制制环境温度度没有外力作作用而存在在于零件内内部的应力力，称为内应应力。工件上一旦旦产生内应应力之后，，就会使工工件金属处处于一种高高能位的不不稳定状态态，它本能能地要向低能位的稳稳定状态转转化，并伴伴随有变形形发生，从从而使工件件丧失原有有的加工精精度。六、内应力力重新分布布引起的误误差1.基本概概念2.内应力力的产生在铸、锻、、焊、热处处理等工序序中由于工工件壁厚不不均、冷却却不均、金金相组织的的转变等原原因，使工工件产生内内应力。(1)热加加工中内应应力的产生生图5-32铸件件因内应力力而引起的的变形(2)冷校校直产生的的内应力图5-33校直直引起的内内应力2.内应力力的产生3.减小内内应力变形形误差的途途径(1)改进进零件结构构在设计零件件时，尽量量做到壁厚厚均匀，结结构对称，，以减少内内应力的产产生。(2)增设设消除内应应力的热处处理工序铸件、锻件件、焊接件件在进入机机械加工之之前，应进进行退火、、回火等热热处理，加加速内应力力变形的进进程；对箱箱体、床身身、主轴等等重要零件件，在机械械加工工艺艺中尚需适适当按排时时效处理工工序。(3)合理理安排工艺艺过程粗加工和精精加工宜分分阶段进行行，使工件件在粗加工工后有一定定的时间来来松弛内应应力。1.减小原原始误差2.转移原原始误差3.均分原原始误差4.均化原原始误差5.误差补补偿七、提高加加工精度的的途径在顺序加工工一批工件件中，其大大小和方向向皆不变的的误差，称称为常值系统性性误差。在顺序加工工一批工件件中，其大大小和方向向遵循某一一规律变化化的误差，，称为变值系统性性误差。第二节工工艺过程程的统计分分析一、误差统统计性质的的分类1.正态分分布的基本本概念二、工艺过过程的分布布图分析(1)正态态分布的数数学模型、、特征参数数和特殊点点图5-36正态分分布曲线的的特殊点其概率密度度方程为：：该方程有两两个特征参参数，一为为算术平均均值x，另另一为均方方根偏差(标准差差)σ：式中xi——工件尺尺寸；n——工件总总数。(2)标标准正态分分布x=0、σ=1的正态态分布称为为标准正态态分布，其其概率密度度可写为：：(3)工件件尺寸在某某区间内的的概率图5-38工件件尺寸概率率分布生产上感兴兴趣的问题题往往不是是工件为某某一尺寸的的概率是多多大，而是是加工工件件尺寸落在在某一个区区间(x1≤x≤x2)内的概概率是多大大。2.机械制制造中常见见的误差分分布规律图5-40机械械加工误差差分布规律律a)正态态分布b)平顶顶分布c)双峰峰分布d)偏态态分布(1)实际际分布曲线线符合正态态分布，6σ≤T且且分散中心心与公差带带中心重合合(2)实际际分布曲线线符合正态态分布，6σ≤T，，但分散中中心与公差差带中心不不重合(3)实际际分布曲线线符合正态态分布，6σ＞T，，且分散中中心与公差差带中心不不重合(4)实际际分布曲线线不符合正正态分布，，而呈平顶顶分布(5)实际际分布曲线线不符合正正态分布，，而呈偏态态分布(6)双峰峰或多峰分分布2.机械制制造中常见见的误差分分布规律(1)样本本容量的确确定(2)样本本数据的测测量(3)异常常数据的剔剔除(4)实际际分布图的的绘制(5)理论论分布图的的绘制(6)工艺艺过程的分分析3.工艺过过程的分布布图分析三、工艺过过程的点图图分析1.工艺过过程的稳定定性工艺过程的的稳定性是是指工艺过过程在时间间历程上保保持工件均均值x和标准差σσ值稳定不不变的性能能。图5-42工艺艺过程稳定定性分析图图2.点图的的基本形式式点图的基本本形式是由由小样本均均值x的点图和小小样本极差差R的点图联合合组成的x、R点图，如图图所示。图5-43x、R点图a)x点图b)R点图x～N(μ,σ2/n)也也就是说，，样本均值值x的分散范围围为

（μμ±3σ√n）。数数理统计计学已经证证明，样本本极差R近似服从正正态分布，，即有：(R～N(R，σ2)这这就是是说，样本本极差R的的分散范围围为(R±3σR)。到此，，x-R点图上的上上、下控制制限的位置置就可以确确定了。3.x、R点图上、下下控制限的的确定R4.点图的的正常波动动与异常波波动正常波动与与异常波动动的标志正常波波动异常波波动1.没有点点子超出控控制线2.大部分分点子在中中线上下波波动，小部部分在控制制线附近3.点子没没有明显的的规律性1.有点子子超出控制制线2.点子密密集在中线线下下附近近3.点子密密集在控制制线附近4.连续7点以上出出现在中线线一侧5.连续11点中有有10点出出现在中线线一侧6.连续14点中有有12点以以上出现在在中线一侧侧7.连续17点中有有14点以以上出现在在中线一侧侧8.连续20点中有有16点以以上出现在在中线一侧侧9.点子有有上升或下下降倾向10.点子子有周期性性波动第三节机机械加工工表面质量量一、机械加加工表面质质量对机器器使用性能能的影响1.表面质质量对耐磨磨性的影响响(1)表面面粗糙度对对耐磨性的的影响图5-44摩擦擦副的磨损损过程图5-45表面面粗糙度与与初期磨损损量的关系系(2)表面面冷作硬化化对耐磨性性的影响加工表面的的冷作硬化化，使摩擦擦副表面层层金属的显显微硬度提提高，故一一般可使耐耐磨性提高高。但也不不是冷作硬硬化程度愈愈高耐磨性性就愈高，，这是因为为过分的冷冷作硬化将将引起金属属组织过度度疏松，甚甚至出现裂裂纹和表层层金属的剥剥落，使耐耐磨性下降降。如果表面层层的金相组组织发生变变化，其表表层硬度相相应地也随随之发生变变化，影响响耐磨性。。金属受交变变载荷作用用后产生的的疲劳破坏坏往往发生生在零件表表面或表面面冷硬层下下面，因此此零件的表表面质量对对疲劳强度度影响较大大。(1)表面面粗糙度对对疲劳强度度的影响(2)残残余应力、、冷作硬化化对疲劳强强度的影响响2.表面质质量对疲劳劳强度的影影响3.表面面质量对耐耐蚀性的影影响零件的耐蚀蚀性在很大大程度上取取决于表面面粗糙度。。表面粗糙糙度值愈大大，则凹谷谷中聚积腐腐蚀性物质质就愈多多，抗蚀性性就愈差。。表表面层层的残余拉拉应力会产产生应力腐腐蚀开裂，，降低零件件的耐蚀性性，而残余余压应力则则能防止应应力

腐蚀蚀开裂。4.表面质质量对配合合质量的影影响表面粗糙度度值的大小小将影响配配合表面的的配合质量量。对于间间隙配合，，表面粗糙糙度值大会会使磨损加大，间隙隙增大，破破坏了要求求的配合性性质。对于于过盈配合合，装配过过程中一部部分表面凸凸峰被挤平平，实际过盈量量减小，降降低了配合合件间的联联接强度。。二、影响表表面粗糙度度的因素1.切削加加工影响表表面粗糙度度的因素(1)刀具具几何形状状的复映刀具相对于于工件作进进给运动时时，在加工工表面留下下了切削层层残留面积积，其形状状是刀具几几何形状的的复映。图5-46车削削时工件表表面的残留留面积切削加工后后表面粗糙糙度的实际际轮廓之所所以与纯几几何因素所所形成的理理论轮廓有有较大的差差异，主要要是由于切切削过程塑塑性变形的的影响。(2)工件件材料的性性质(3)切削削用量切削速度对对表面粗糙糙度的影响响很大。加加工塑性材材料时，若若切削速度度处在产生生积屑瘤和和鳞刺的范范围内，加加工表面将将很粗糙。。图5-47加加工塑性性材料时切削削速度对表面面粗糙度的影影响2.磨削加工工影响表面粗粗糙度的因素素(1)砂轮的的粒度(2)砂轮的的硬度(3)砂轮的的修整(4)磨削速速度(5)磨削径径向进给量与与光磨次数(6)工件圆圆周进给速度度与轴向进给给量(7)冷却润润滑液(1)冷作硬硬化及其评定定参数机械加工过程程中因切削力力作用产生的的塑性变形，，使晶格扭曲曲、畸变，晶晶粒间产生剪剪切滑移，晶晶粒被拉长和和纤维化，甚甚至破碎，这这些都会使表表面层金属的的硬度和强度度提高，这种种现象称为冷冷作硬化(或或称为强化)。(2)影响冷冷作硬化的主主要因素1)刀具的影影响2)切削用量量的影响3)加工材料料的影响三、影响加工工表面层物理理力学性能的的因素1.表面层冷冷作硬化2.表面层层材料金相组组织变化(1)磨削烧烧伤当被磨工件表表面层温度达达到相变温度度以上时，表表层金属发生生金相组织的的变化，使表表层金属强度度、硬度降低低，并伴随有有残余应力产产生，甚至出出现微观裂纹纹，这种现象象称为磨削烧烧伤。1)回火烧伤伤2)淬火烧伤伤3)退火烧伤伤(2)改善磨磨削烧伤的途途径磨削热是造成成磨削烧伤的的根源，故改改善磨削烧伤伤有两个途径径：一是尽可可能地减少磨磨削热的产生生；二是改善善冷却条件，，尽量使产生生的热量少传传入工件。1)正确选择择砂轮2)合理选择择磨削用量3)改善冷却却条件2.表面层层材料金相组组织变化3.表面层残残余应力1)切削时在在加工表面金金属层内有塑塑性变形发生生，使表层金金属的比体积积加大，由于于塑性变形只只在表层金属属中产生，而而表层金属比比体积增大，，体积膨胀，，不可避免地地要受到与它它相连的里层层金属的阻止止，因此就在在表面金属层层产生了残余余压应力，而而在里层金属属中产生残余余拉应力。(1)产生残残余应力的原原因2)切削加工工中，切削区区会有大量的的切削热产生生图5-49由由于切削削热在表层金金属产生残余余拉应力的分分析图(1)产生残残余应力的原原因3)不同的金金相组织具有有不同的密度度(ρ马氏体=7.75t/m3，ρ奥氏体=7.96t/m3，ρ铁素体=7.88t/m3，ρ珠光体=7.78t/m3)，亦即具有有不同的比体体积。(1)产生残残余应力的原原因(2)零件主主要工作表面面最终工序加加工方法的选选择选择零件主要要工作表面最最终工序加工工方法，须考考虑该零件主主要工作表面面的具体工作作条件和可能能的破坏形式式。在交变载荷作作用下，机器器零件表面上上的局部微观观裂纹，会因因拉应力的作作用使原生裂裂纹扩大，最最后导致零件件断裂。从提提高零件抵抗抗疲劳破坏的的角度考虑，，该表面最终终工序应选择择能在该表面面产生残余压压应力的加工工方法。1.机械加工工过程中的强强迫振动机械加工中的的强迫振动与与一般机械中中的强迫振动动没有什么区区别，强迫振振动的频率与与干扰力的频率相同或是是它的倍数。。强迫振动的的振源有来自自机床内部的的机内振源和和来自机床外外部的机外振振源两大类。。第四节机械械加工过程中中的振动一、机械加工工过程中的强强迫振动2.机械加工工过程中强迫迫振源的查找找方法图5-50振振动信号号的时间历程程图和频谱图图第一步可对在在加工现场拾拾取的振动信信号(见图图a)进行行频谱分析，，以确定强迫迫振动的频率率成分(如图图b中的f1、f2)；第二步对对机床加工中中所有可能出出现的强迫振振源频率进行行估算，列出出振源频率数数据表备查；；第三步将经经过频谱分析析得到的强迫迫振动的频率率与振源频率率数据表进行行比较，找出出产生强迫振振动的振源；；第四步通过过试验来验证证上面所找的的振源是否正正确。1)机械加工工中的自激振振动是在没有有周期性外力力(相对于于切削过程而而言)干扰扰下所产生的的振动运动，，这一点与强强迫振动有原原则区别。2)自激振振动的频率接接近于系统的的某一固有频频率，或者说说，颤振频率率取决于振动动系统的固有有特性。这一一点与强迫振振动根本不同同，强迫振动动的频率取决决于外界干扰扰力的频率。。3)自由由振动受阻尼尼作用将迅速速衰减，而自自激振动却不不因有阻尼存存在而衰减为为零。二、机械加工工过程中的自自激振动(颤振)1.机械加工工过程中的自自激振动2.机械加工工过程中产生生自激振动的的条件如果在一个振振动周期内，，振动系统从从电动机获得得的能量大于于振动系统对对外界做功所所消耗的能量量，若两者之之差刚好能克克服振动时阻阻尼所消耗的的能量，则振振动系统将有有等幅振动运运动产生。图5-53车车削外外圆单单自由由度振振动系系统模模型3.机机械加加工过过程中中自激激振动动的激激振机机理在金属属切削削过程程中，，除极极少数数情况况外，，刀具具总是是部分分地或或完全全地在在带有有波纹纹的表表面上上进行行切削削的。。首先先来研研究车车刀作作径向向切削削的情情况，，此时时车刀刀只作作横向向进给给，车车刀将将完全全地在在工件件前一一转切切削时时留下下的波波纹表表面上上进行行切削削，如如图所所示。。(1)振纹纹再生生原理理图5-54自自由正正交切切削