机械加工质量与控制培训教材

机械加工精度机械加工质量分析与控制产品质量是企业的生命线按现代质量观它包括设计质量、制造质量和服务质量零件制造质量是保证产品质量的基础一、加工精度的基本概念加工质量指标分加工精度和加工表面质量加工精度指零件加工后实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数相符的程度。符合程度愈高，加工精度愈高。实际值与理想值之差称为加工误差。

零件的加工精度包括

尺寸精度、形状精度、位置精度

通常尺寸精度要求高,形位精度要求也越高常用加工误差的大小来评价加工精度的高低加工误差越小，加工精度越高获得加工精度的方法

（1）获得尺寸精度的方法

1）试切法用于单件小批生产

2）调整法用于成批大量生产

3）定尺寸刀具法生产率高，刀具制造复杂

4）自动控制法切削测量补偿调整（2）获得形状精度的方法

1）轨迹法利用刀尖运动轨迹形成工件表面形状

2）成形刀具法由刀刃的形状形成工件表面形状

3）展成法由切削刃包络面形成工件表面形状（3）获得相互位置精度的方法主要由机床精度、夹具精度和工件的装夹精度来保证二、影响加工精度的因素1.原始误差

零件加工的误差是由于工件与刀具在切削过程中相互位置发生变动而造成。工件和刀具安装在夹具和机床上，工件、刀具、夹具、机床构成了一个完整的工艺系统。工艺系统的种种误差，是造成零件加工误差的根源，故称之为原始误差。

原始误差

加工前误差加工中误差加工后误差调整误差机床误差刀具制造误差夹具误差加工原理误差工件装夹误差工艺系统受力变形刀具磨损残余应力引起变形测量误差工艺系统热变形２.工艺系统的几何误差

（1）加工原理误差

近似的成形运动或刃形所产生的误差，多为形状误差（2）机床的误差

1）主轴回转误差①主轴回转误差概念主轴回转时实际回转轴线与理想回转轴线的偏移量

三种基本形式：

a.纯径向跳动b.轴向窜动c.纯角度摆动②影响主轴回转精度的主要因素

轴承本身误差、轴承间隙、轴承间同轴度误差，各段轴颈、轴孔的同轴度误差主轴系统的刚度和热变形等。

但它们对主轴回转精度的影响大小随加工方式而不同主轴采用滑动轴承的车床类，主轴受力方向一定，主轴颈圆度误差影响较大，轴承内径圆度误差没影响镗床主轴受力随镗刀旋转方向不断变化轴承孔误差影响大滚动轴承结构复杂，影响主轴精度因素也较复杂除轴承本身精度外，与配合件精度有很大关系如主轴轴颈、支承座孔等精度产生轴向窜动主主要原因是主轴轴肩肩端面和轴轴承承载端端面对主轴回转转轴线有垂垂直度误差差。主轴不同形式的的回转误差引引起的加工工误差不同同车床上加工工外圆内孔孔时，主轴径向跳跳动引起工件圆圆度和圆柱度误差差，对工件件端面无影影响；轴向窜动对圆柱表面面影响不大大，对端面面垂直度平平面度影响大，车削削螺纹时会会造成导程程的周期性性误差；纯角度摆动动会造成车削削外圆或内内孔的锥度度误差；在镗孔时，会镗出出的孔为椭椭圆形。纯角度摆动动会造成车削削外圆或内内孔的锥度度误差；在在镗孔时，若工件件进给会使使镗出的孔孔为椭圆形形。提高主轴及及支承座孔孔的加工精精度，选用用高精度轴轴承，提高高主轴部件装装配精度、、预紧和平平衡等，提提高主轴回回转精度。。2）机床导轨轨误差导轨精度要要求主要有有以下三方方面：①在水平平面内的直直线度（以卧式车车床为例））Δ1将直接反映映在工件加加工表面法法线方向（（误差敏感感方向）上，误差ΔR=Δ1，对加工精精度影响最最大。刀尖在水平平面内的运运动轨迹造造成工件轴轴向形状误误差。②在垂直面内内的直线度度Δ２对工件的尺尺寸和形状状误差影响响比Δ1小得多对卧式车车床ΔR≈Δ22/D若设Δ2=0.1mm,D=40mm，则ΔR=0.00025mm，影响可可忽略不不计。而而对对平面磨磨床、龙龙门刨床误误差将直直接反映映在工件件上。导轨在垂垂直面内内的直线线度的特特殊情况况为斜坡坡状，加工的工工件轴向向形状为为鞍形。。③前后导轨轨的平行行度（扭扭曲）卧式车床床或外圆圆磨床若若前后导导轨存在在平行度度误差时时，刀具和工工件之间间相对位位置发生生变化，，刀尖运运动轨迹迹是一条空间曲曲线，使使工件产产生形状状误差。。若扭曲误误差为Δ3,工件误差差ΔR≈(H/B)Δ3，一般车车床H/B≈2/3，外圆磨磨床H/B≈1，误差对对加工精精度影响响很大除导轨制制造误差差外，导导轨的不不均匀磨磨损和安安装质量量，也是造成导导轨误差差的重要要因素。。导轨磨磨损是机机床精度度下降的主要原原因之一一。可采采用耐磨磨合金铸铸铁、镶镶钢导轨轨、贴塑导轨、、滚动导导轨导轨轨表面淬淬火等措措施。３）机床床传动链链误差指机床内内传动链链始末两两端的传传动元件件间相对对运动的的误差，，一般用传传动链末末端元件件的转角角误差来来衡量。。产生的的原因是传动链链中各传传动元件件的制造造误差、、装配误误差及磨磨损等。。若传动齿齿轮i在某一时时刻产生生转角误误差为Δφi，则它所所造成传动动链末端端元件的的转角误误差：Δφwi=KiΔφiKi为该轴到到末端元元件的总总传动比比，称为为误差传传递系数数，若Ki大于1则误差被被扩大；；反之，，若Ki小于1误差被缩缩小。各传动件件对工件件精度影影响的总总和为：：Δφ∑=∑Δφwi=∑KiΔφi减少传动动链误差差的措施施：①尽可能缩缩短传动动链，减减少传动动元件数数目；②尽量量采用降速速传动，，误差被被缩小；；③提高传动动元件、、特别是是末端元元件的制制造和装配精度度；④消除传动动间隙；；⑤采用误差差补偿机机构或自自动补偿偿装置。。（3）刀具的的几何误误差包括刀具具切削部部、装夹夹部的制制造误差差及刀具具安装误误差①定尺寸刀刀具刀具尺寸寸精度直直接影响响工件尺尺寸精度度②成成形刀具具刀具形状状精度直直接影响响工件形形状精度度③展展成刀具具刀刃形状状精度会会影响工工件加工工精度④一一般刀具具制造精度度对工件件加工精精度无直直接影响响（4）夹具的的几何误误差包括夹具具制造误误差、安安装误差差及磨损损对工件尺尺寸精度度和位置置精度影影响很大大（5）定位误误差包括基准准不重合合误差、、定位副副制造不不准确误误差直接影响响工件的的尺寸精精度和位位置精度度（6）调整误误差在工序的调整工工作中所所存在的的误差即即调整误误差一次调整整后存在在的误差差对这一一批零件件的影响响是不变变的。但大批量加加工中存存在多次次调整，不可可能每次次完全相相同。对全部零零件来说说，每次次调整误差为偶偶然性误误差。机机床调整误差可可理解为为零件尺尺寸分布曲线中中心的最最大偏移移量。加工中不不产生废废品的条件：Δfb+Δt≤T3.工艺系统统的受力力变形（1）基本概概念（2）零件刚刚度若零件刚刚度相对对于机床床、刀具具、夹具具来说比比较低，，其变形形对加工精精度影响响比较大大，最大大变形量量按材料料力学公公式估算算。长轴两顶顶尖装夹夹按简支支梁计算算，三爪爪卡盘装装夹按悬悬臂梁计计算（1）工艺系系统刚度度工艺系统统抵抗变变形的能能力可用用工艺系系统刚度度k系来描述。。垂直作用用于工件件加工表表面的径径向切削削分力Fy与工艺系系统在该方向上上的变形形y之间的比比值，称称为工艺艺系统刚刚度k系k系=Fy/y柔度w=1/k（3）刀具刚刚度外圆刀具具在加工工表面法法线方向向上的刚刚度很大大变形可可忽略；；镗小孔刀刀杆刚度度很差，，变形对对加工精精度影响响很大，，刀杆变变形按材料料力学公公式估算算。（4）机床部部件刚度度机床部件件刚度机床结构构形状复复杂，刚刚度计算算主要通通过实验验方法来来测定。。变形与载载荷不成成线性关关系；加加载与与卸载曲曲线不重重合；有残余变变形存在在；实际际刚度比比估算的的小（5）工艺系系统受力力变形及及其对加加工精度度的影响响1）工艺系系统的变变形总变形y系=y机+y夹+y刀+y工k系=Fy/y系，k机=Fy/y机，k夹=Fy/y夹，k刀=Fy/y刀，k工=Fy/y工所以，k系=1/(1/k机+1/k夹+1/k刀+1/k工)工艺系统统刚度比比刚度最最小环节节的刚度度还要差差2）工艺系系统受力力变形对对加工精精度的影影响①切削力力位置的的变化对对加工精精度的影影响设刀具工件件刚度很大大总变形y系=y刀架+yx设刀具工件件刚度很大大总变形y系=y刀架+yxy主=FA/k主=Fy(l-x)/(lk主)，y尾=FB/k尾=Fyx/(lk尾)y系=y刀架+yx=Fy当x=0时，y系=？;当x=l时，y系=？当x=k尾l/(k主+k尾)时，y系min=Fyly尾-y主xyx-y主=yx=y尾xll-xl+y主1

k刀架+1

k主1

k尾xl2l-x

l2+若工件刚性性较差应考考虑其变形形，按简支支梁计算y工=y系=y刀架+yx+y工Fy

3EI(l-x)2x2l1

k刀架+1

k主+k尾讨论：1.在x处工件半径径Rx=R+y刀架+yx+y工半径误差ΔR=Rx-R=y刀架+yx+y工=y系2.一次走刀中中若y系为常量，不不会造成工工件形状误差和尺寸寸不一3.若工件刚性性大l/D≤5，可不考虑虑y工，y系是x的二次函数数圆柱度误差差Δ=ymax-ymin4.若工件为细细长轴刚性性很差，系系统变形主主要是工件变形，当当x=l/2时，y工max=Fyl3/(48EI)②切削力力大小变化化对加工精精度的影响响Δ毛=ap1–ap2Δ工=y1–y2误差复映系系数ε=Δ工/Δ毛Fy=CyfyapxHBSn=Capx≈CapFy1=C(ap1–y1)≈Cap1Fy2=C(ap2–y2)≈Cap2Δ工=y1–y2=(Fy1-Fy2)/k系=(Cap1–Cap2)/k系ε=Δ工/Δ毛=C(ap1–ap2)/(k系(ap1–ap2))=C/k系ε=Δ工/Δ毛=C/k系ε总是小于1，有修正误误差的能力力多次进给ε=ε1ε2ε3…2.k系越大，ε就越小，复复映到工件件上的误差差越小3.C减小，ε就越小，应应采取减小小Fy的措施讨论：③夹紧变变形对加工工精度的影影响工件刚性差差（薄件、、圆环）装装夹不当会会产生受力力变形④机床部件件、工件重重量对加工工精度的影影响⑤其它作用用力对加工精度度的影响传动力（拨拨杆）、离离心力改变变方向会使使工艺系统产生相应应变形3）减少工艺艺系统受力力变形的途途径①减小切切削力及其其变化；②提高高系统中零零件的配合合质量；缩短切削力力作用点和和支撑点的的距离，设设置辅助支承提高高部件刚度度4.工艺系统的的热变形工艺系统在在各种热源源的影响下下会产生很很复杂的变变形，导致工件产产生加工误误差（1）工艺系统统的热源1）内部热源源包括切削热、摩摩擦热和派派生热源2）外部热源源包括环境温度、、辐射热（2）工件热变变形对加工工精度的影影响1）工件均匀匀受热车镗轴套类类零件圆柱柱面，长度度及径向受受热变形。。若在受热时时测量达到到规定尺寸寸，冷却后后尺寸变小小，可能出现尺尺寸超差。。2）工件不均均匀受热铣、刨、磨磨平面等，，工件单面面受热产生生弯曲变形形磨削细长轴轴时工件温温生逐渐增增加（3）刀具热变变形对加工工精度的影影响主要是主轴轴部件、床床身导轨及及两者相对对位置的热热变形（4）机床热变变形对加工工精度的影影响（5）热变形的的控制（1）减少发热热和采取隔隔热；（2）强制冷却却，均衡温温度场；（3）从结构上上采取措施施减少热变变形；（4）控制环境境温度。5.工件内应力力引起的变变形内应力产生生的原因及及消除措施施1、铸锻焊、、热处理等等因工件壁壁厚不均热热胀冷缩不不均及金相组织变变化等导致致体积变化化，毛坯产产生内应力力，处于暂时平平衡状态，，切削时平平衡状态被被打破。2、冷校直产产生的内应应力可在热处理理后进行时时效处理来消除除残余应力力。常用人工时时效、振动动时效和天然时时效等方法法。工件若产生生内应力处处于不稳定定状态会逐逐渐变形三、加工误误差的统计计分析1.（1）加工误差差的分类1）系统误差差常值系统误误差：原理机床刀刀夹量具制制造调整误误差变值系统误误差：机床刀具热热变形、刀刀具磨损2）随机误差差:误差复映定定位夹紧操操作误差内内应力变形形对系统误差差可循其规规律加以调调整或补偿偿来消除对随机误差差只能缩小小其变动范范围无法完完全消除（2）正态分布布1）正态分布布的数学模模型、特征征参数和特特殊点正态分布曲曲线方程两个特征参参数：算算术平均均值x和标准偏差差σ正态分布的的特殊点①处处概率密密度函数有最大大值②x=x±σ处为拐点2）标准正正态分布=0，σ=1实际生产中中为非标准准正态分布需需转换令z=(x-)/σxxx即图中阴影影面积可利用概率率密度积分表计算算3）工件尺尺寸在某区区间内的概概率工件尺寸落落在±3σ范围内的概概率为99.73%若尺寸分布布中心与公差中心重重合，不产生废品的的条件是：：T≥6σQ废=0.5–φ(x)若中心不重重合存在常常值系统误误差Δ系，T≥6σ＋Δ系x例：轴Φ20-0.1，σ=0.025，xT=-ε(0.03)

求常值系统误差、随机误差，合格率、不合格率x0解：①公差带中心xT=19.95②尺寸分布中心=xT+ε=19.95+0.03=19.98③常值系统误差Δ系=-xT=ε=0.03④随机误差6σ=

6×

0.025=0.15或±3σ=±0.075xx⑤计算合格率、不合格率

6σ=0.15＞T=0.1，

Cp=T/6σ=0.1/0.15=0.67工件极限尺寸xmin=xA=19.9，xmax=xB=20zA=(-xA)/σ=(19.98-19.9)/0.025=3.2ψ(zA)=0.49931zB=(xB-)/σ=(20-19.98)/0.025=0.8ψ(zB)=0.2881合格率=ψ(zA)+ψ(zB)=0.49931+0.2881=0.78741=78.741%废品率0.5-0.49931=0.069%0.5-0.2881=21.19%可修复xx2.工艺过程的的分布图分分析（1）工艺过程程的稳定性性指均值和标标准差稳定定不变的性性能，取决决于变值系系统误差（2）工艺过程程分布图分分析制作分布图图了解质量量指标分布布、加工能能力、是否否有废品1）样本容量量的确定通常取n=50～2002）样本数据据整理与计计算剔除异常数数据，确定定尺寸分散散范围R、尺寸间隔隔数j、区间宽度Δx3）绘制实际际分布图纵坐标为频频数：同间间隔尺寸工工件数目

4）绘制理论分布图

纵坐标将概率密度转换成频数，分散范围±3σ

理论最大频数f′max=ymaxn

Δx对应x=处拐点处频数f′σ=yσn

Δx对应x=±σ处xx5）工艺过程程分布图分分析①判断加加工误差性性质系统误差、、随机误差差②确定工工序能力及及等级工序能力系系数Cp指满足加工工精度的程程度Cp=T/6σ③确定不合格格率（2）分布图分析析法特点1）采用大样本本，较接近实实际地反映工工艺过程总体体；2）能将常值系系统误差从误误差中区分开开；3）在全部样本本加工后绘出出曲线，不能能反映先后顺顺序，不能将变变值系统误差差从误差中区区分开；4）不能及时提提供工艺过程程精度的信息息，事后分析析；5）计算复杂，，只适合工艺艺过程稳定的的场合。点图分析法计算简单，能能及时提供主主动控制信息息，可用于稳定过过程、也可用用于不稳定过过程。3.工艺过程的点点图分析（1）逐点点图依次测量每件件尺寸记入横横坐标为零件件号纵为尺寸寸的图表中（2）均值-极差点图采用顺序小样样本（4～6），由小样样本均值点图图和极差点图组成，横坐坐标为小样本本组序号。具具体作法如下下：①定期测小小样本尺寸；；②计算均值值和和极差R：R=xmax-xmin③确定中心线和和R小样本组20～30④确定上下控制制线ES、EI、UCL、LCL，定期描点xx均值点图上下下控制线的确确定：极差点图上下下控制线的确确定：均值点图反映映了质量指标标分布中心(系统误差)的变化极差点图反映映了质量指标标分布范围(随机误差)的变化（3）均值-极差点图分析析生产过程稳定定的标志：①没有点子子超出控制线线；②大部分点点在中线附近近波动，小部部分点在控制制线附近；③点子无明显显规律性生产过程不稳稳定的标志：：①点子超出出控制线或密密集在控制线线附近；②连续７点点以上出现在在中线一侧；；③明显规律律性，如上升升或下降倾向向；④点子有周周期性波动根据点子分布布情况及时查查找原因采取取措施1.若极差R未超控制线，，说明加工中中瞬时尺寸分分布较稳定。2.若均值有点超超出控制线，，甚至超出公公差界限，说明存在某种种占优势的系系统误差，过过程不稳定。。若点图图缓慢慢上升升，可可能是是系统统热变变形；；若点点图缓慢下下降，，可能能是刀刀具磨磨损。。3.采取措措施消消除系系统误误差后后，随随机误误差成成主要要因素，分分析其其原因因，控控制尺尺寸分分散范范围。。四、提提高加加工精精度的的途径径1.消除或或减小小原始始误差差如加工工细长长轴时时易产产生弯弯曲和和振动动，增增大主主偏角角减小小背向力力，使使用跟跟刀架架或中中心架架增加加工件件刚度度。