智能制造工艺基础课件：机械加工质量分析与控制

智能制造工艺

机械加工质量分析和控制知识点(参考教材)6.1

机械加工精度与原始误差6.2

加工误差的统计分析方法6.3

机械加工表面质量6.4

机械加工质量的智能检测和控制方法机械加工质量分析和控制2024/12/19

2知识点(参考教材)6.1

机械加工精度与原始误差6.1.1

机械加工精度概述6.1.2

原始误差对加工精度的影响6.2

加工误差的统计分析方法6.3

机械加工表面质量6.4

机械加工质量的智能检测和控制方法机械加工质量分析和控制2024/12/19

3(1)机械加工精度

产品质量是指用户对产品的满意程度,包括:

设计质量

制造质量

服务

产品的制造质量

零件制造质量是保证产品质量的基础,包括:

零件几何精度

零件表面层的物理机械性能

产品的装配质量6.1.1机械加工精度概述2024/12/19

4•加工精度：•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。•加工误差：•零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度•理想条件：•表面形状：抽象的圆锥面，平面等；•表面位置：绝对的平行、垂直、同轴；•尺寸：零件尺寸公差带中心。6.1.1机械加工精度概述2024/12/19

5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)表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力6.1.1机械加工精度概述2024/12/19

6表面几何形状精度加工精度表面质量表面缺陷层分类描述试切法适用于单件，小批生产调整法预先调整刀具对工件表面的准确位置，然后保持位置不变，加工一批零件定尺寸刀具法封闭表面，对称表面自动控制法

(自动试切或调整法)测量控制系统，进给装置6.1.1机械加工精度概述2024/12/19

7获得尺寸精度的方法获得几何形状精度的方法•成形运动•轨迹法：刀尖运动轨迹；•成形法：成形刀具；•展成法：齿形加工•非成形运动：依靠操作工人的经验6.1.1机械加工精度概述2024/12/19

8获得位置精度的方法•一次安装获得法6.1.1机械加工精度概述2024/12/19

9•多次安装获得法研究加工精度的方法•因素分析法•统计分析法•这二种方法往往结合起来应用，先用统计分析法寻找误差的出现的规律，初步推断产生加工误差的可能原因，然后运用因素分析法进行分析、试验，以便迅速有效地找出影响加工精度的关键原因6.1.1机械加工精度概述2024/12/19

10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件相对于刀具静止状态下

的误差主轴回转误差导轨导向误差

传动误差工件相对于

刀具运动状

态下的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6.1.2原始误差对加工精度的影响与工艺系统原始状态有关的原始误差

(几何误差)2024/12/19

11与工艺过程有关的原始误差(动误差)加工误差的来源原始

误差6.1.2原始误差对加工精度的影响活塞销孔精镗工序中的原始误差定位基准

定位误差导轨误差2024/12/19

12原始误差对刀误差设计基准夹紧误差热变形

原始误差AA’=6，与OA夹角为φ∆R

=OA'−OA

=R

+δ2

+2ROδcosϕ

−RO≈

δcosϕ+

结论：OA为加工法线方向时φ=0时，ΔR最大

误差敏感方向：加工法线方向O26.1.2原始误差对加工精度的影响O2024/12/19

13原始误差与加工误差的关系

δR

A

yδR'yδyδzRRA'ϕzzO(1)原理误差

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。6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

14(2)机床误差

导轨误差

主轴回转误差

传动链误差6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

15(2)机床误差-机床导轨导向误差

导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准，也是机床运动的基准。

车床导轨的精度要求主要有以下三个方面：

在水平面内的直线度；

在垂直面内的直线度；

前后导轨的平行度(扭曲)。6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

16z6.1.2原始误差对加工精度的影响(2)机床误差-机床导轨导向误差卧式车床导轨直线度误差直线度∆2∆

12024/12/19Oyx17DXΔRY6.1.2原始误差对加工精度的影响(2)机床误差-机床导轨导向误差2024/12/19

18导轨扭曲引起的加工误差ΔXαδB(2)机床误差-机床导轨导向误差前后导轨的平行度卧式车床导轨垂直面内直线度误差对工件加工精度的影响6.1.2原始误差对加工精度的影响卧式车床导轨扭曲对工件加

工精度的影响ϕ

a2024/12/19

19

B

Rc∆Rϕ2∆2∆3∆yDbHOOαα(2)机床误差-机床导轨导向误差导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响2024/12/19

成形运动间位置误差对外圆和端面车削的影响6.1.2原始误差对加工精度的影响ZXf

fb)Δx

D－Δdfa

)c

)

HyR0ΔzΔzdZL20αα测定镗床主轴回转精度的方法1-主轴2-调整盘3-传感器4-示波器5-钢球6.1.2原始误差对加工精度的影响(2)机床误差-机床主轴回转误差

45x

y主轴回转精度的表测法1 22024/12/19213e

主轴回转误差是指主轴各瞬间的实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。它可分解为三种基本形式:6.1.2原始误差对加工精度的影响(2)机床误差-机床主轴回转误差2024/12/19

22主轴回转误差基本形式

径向圆跳动

轴向窜动

角度摆动a)径向圆跳动c)倾角摆动b)轴向窜动(2)机床误差-机床主轴回转误差产生主轴回转误差的原因

主轴径向回转误差的主要原因

主轴轴颈的同轴度误差、

轴承本身的各种误差、轴承之间的同轴度误差、

主轴挠度等

轴向窜动的主要原因

主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

23e(2)机床误差-机床主轴回转误差径向回转误差纯径向跳动对镗孔圆度的影响2024/12/196.1.2原始误差对加工精度的影响径向跳动对镗孔精度影响───理想形状

－－－

镗孔实际形状ϕAcosϕA

A

R(A

+R)cosϕ2R

sinϕz

24y41'31△RA6.1.2原始误差对加工精度的影响(2)机床误差-机床主轴回转2024/12/19

25径向回转误差z

径向跳动对车外圆精度影响实际位置理论位置R333e1误差

4

RR1y2(2)机床误差-机床主轴回转误差轴承误差的影响

滑动轴承

车床——轴径不圆引起车床主轴径向跳动

镗床——轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动

静压轴承——对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用

滚动轴承

内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差等

轴承间隙

与轴承配合的零件，轴承属薄壁零件

主轴系统工作时的受力与受热变形2024/12/196.1.2原始误差对加工精度的影响26(a)椭圆度

(b)波纹度轴承滚道形状误差对回转精度的影响(2)机床误差-机床主轴回转误差轴承的影响6.1.2原始误差对加工精度的影响

o

o

Py

Py

k

k2024/12/19

27(2)机床误差-机床主轴回转误差轴承的影响6.1.2原始误差对加工精度的影响滚道端面跳动的影响

轴承间隙对主轴中心位置的影响2024/12/19

28∆yObOPez承载区中心∆

轴∆径∆B

AKOOAB(2)机床误差-机床主轴回转误差提高机床主轴回转精度的措施提高机床主轴回转精度的措施设计与制造高精度主轴组件选用高精度的轴承提高主轴部件的装配精度对高速主轴部件进行平衡提高主轴及箱体的制造精度使回转精度不依赖机床，死顶尖、电磁无心磨夹具6.1.2原始误差对加工精度的影响对滚动轴承进行预紧2024/12/1929(2)机床误差-传动链误差

指传动链始末两端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。

有些加工方式(如车、磨、铣螺纹，滚、插、磨齿轮等)，要求机床传动链能保证刀具与工件之间具有准确的速比关系，机床传动链误差是影响这类表面加工精度的主要误差来源之一。6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

30(2)机床误差-传动链误差传动链误差的原因

内联传动链中各传动元件如齿轮、蜗轮蜗杆、丝杠螺母等的制造误差(主要是影响运动精度的误差)

装配误差(主要是装配偏心)和磨损6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

31(2)机床误差-传动链误差转角误差

各传动元件的转角误差是以一定的传动比传递到末端元件的，因此第j个传动元件的转角误差Δφj传递到末端元件(即第n个传动元件)引起末端元件的转角误差Δφjn∆ϕjn

=

⋅

∆ϕj

=

Kj∆ϕj

式中kj称转角误差的传递系数。6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

32(2)机床误差-传动链误差传动链的总转角误差

传动元件所引起末端元件转角误差的迭加∆

=

∆ϕj

n

传动元件的转角误差都是周期性的，有不同的周期和相位。δj(ϕj)=∆j

sin(ωjt+αj),ϕj

=(1/

Kj)ϕnδjn(ϕn)=kj∆j

sin(ωnt+

αj)(ϕn)

=

Kj∆j

sin(

ωnt+

αj)6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

33A1A2Ai(2)机床误差-传动链误差传动链误差的频谱分析6.1.2原始误差对加工精度的影响ω1ω2

ωi

ω

(频率)b)2024/12/19

34(c)分解出的各种频率的分量传动链误差的频谱分析2π2ϕn

'ϕn

'ϕnϕn1δjn0αj∆ϕΣφna)3π2ππ(2)机床误差-传动链误差传动链总转角误差

考虑到各传动元件的制造和装配误差的随机性，各齿轮的转角误差是F

+

22pj26.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

35(kj

⋅

∆ϕj

)2

传动链总转角误差∆ϕ

=j2∆ϕj

=1rj

∆ϕΣ

==1=1jj(2)机床误差-传动链误差减少机床传动链误差的措施

尽可能缩短传动链(减少传动元件数量)。

合理规定各传动元件的制造精度和装配精度。

合理规定传动链中各传动副的传动比.

采用校正装置。6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

36(3)工艺系统的受力变形工艺系统刚度k系

(静刚度)

垂直作用于工件加工表面(加工误差敏感方向)的径向切削分力Fy与工艺系统在该方向上的变形y之间的比值,称为工艺系统刚度k系k系=Fy

/y垂直切削分力Fz与走刀方向切削分力Fx也会使工艺系统在y方向产生变形y

=yF

+yF

+

yFx

y

z6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

37其中：车削加工中的yFz与yFya)在Fz作用下的变形b)在Fy下的变形工艺系统的受力变形工艺系统刚度6.1.2原始误差对加工精度的影响(3)2024/12/19FyFyFz

Fz38yyZZ(3)工艺系统的受力变形工艺系统刚度工件刚度

在切削力的作用下，工件由于刚性不足而引起的变形对加工精度的影响比较大，其最大变形量可按材料力学有关公式估算

三爪卡盘夹持，相当于悬臂梁6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

39

两顶尖则相当于两支承(3)工艺系统的受力变形工艺系统刚度刀具刚度

外圆车刀在加工表面法线(y)方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。镗直径较小的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。刀杆变形也可按材料力学有关公式估算。

夹具一般总是固定在机床上使用的，可视为机床的一部分，一般情况下它的刚度不作单独讨论。6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

40(3)工艺系统的受力变形工艺系统刚度1．机床部件刚度

机床部件由许多零件组成，机床部件刚度迄今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用实验方法来测定机床部件刚度。6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

41y1(溜板相对于床身的位移)y2(大刀架相对于溜板的位移)y3(小刀架相对于大刀架的位移)y4(刀台相对于小刀架的位移)y(刀台相对于床身的位移)床身车床刀架部件中力的传递和环节位移的叠加2024/12/19(3)工艺系统的受力变形工艺系统刚度6.1.2原始误差对加工精度的影响F42(3)工艺系统的受力变形工艺系统刚度工艺系统刚度及其对加工精度的影响

工艺系统的受力变形量y系：y系

＝y机+y夹+y刀+y工其中y机

、y夹

、y刀

、y工分别是机械加工过程中机床、夹具、刀具

和工件在切削力的作用下产生的变形

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

1/k系

＝1/k机+1/k夹+1/k刀+1/k工6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

43xLLLLLLLLOyjygyxt0.012500.01250.01110.00650.01760.01040.01660.02700.01020.02060.03080.01030.02100.03120.01030.02060.03090.01070.01660.02730.01180.00650.01830.013500.0135由于工艺系统刚度变化引起的误差mm3211-机床变形2-工件变形3-工艺系统总变形车光轴时工艺系统的变形曲线6.1.2原始误差对加工精度的影响工艺系统刚度随受力点位置变化

而变形的情况600500400300200100x(mm)2024/12/19

443020100悬伸梁的变形镗杆的变形y(mm)(b)(a)(3)工艺系统的受力变形工艺系统受力变形对加工精度的影响6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

45(3)工艺系统的受力变形工艺系统受力变形对加工精度的影响(一)基本概念

机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降受力变形对工件精度的影响(a)车长轴

(b)磨内孔6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

46(3)工艺系统的受力变形工艺系统受力变形对加工精度的影响

切削力作用点位置变化6.1.2原始误差对加工精度的影响对加工精度的影响2024/12/19

47

误差复映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”(3)工艺系统的受力变形工艺系统受力变形对加工精度的影响6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

48毛坯外形工件外形误差复映现象ap2ap1Δ2Δ

1Δ＝

＝y1

-y2

=

−

Δ＝

y1-y2

Fy

1

−

Fy

2

ε

=

Δ系

=

ap1

−ap2

=

k系

(ap1

−ap2)Fy

=Cy

f

y

ap

HBSnCy

f

y

HBSn

=

CCε

=

k系系y

2kF系y

1kF(3)工艺系统的受力变形工艺系统受力变形对加工精度的影响6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

49

误差复映系数ε

的计算(3)工艺系统的受力变形工艺系统受力变形对加工精度的影响夹紧力引起的加工误差

工件在装夹过程中，如果工件刚度较低或夹紧力的方向和施力点选择不当，将引起工件变形，造成相应的加工误差。6.1.2原始误差对加工精度的影响(a)

(b)

(c)

(d)a)夹紧后

b)镗孔后

c)放松后

d)加过渡环后夹紧2024/12/19

50夹紧力引起的加工误差

重力影响【例】龙门铣横梁解决1：重量转移

解决2：变形补偿工艺系统受力变形对加工精度的影响6.1.2原始误差对加工精度的影响(3)工艺系统的受力变形龙门铣横梁变形补偿龙门铣横梁变形转移龙门铣横梁变形2024/12/1951

易引起强迫振动(3)工艺系统的受力变形工艺系统受力变形对加工精度的影响Fc/

r0ckO′Y

理论上不会产生圆度误差(但会产生圆柱度误差)FO6.1.2原始误差对加工精度的影响Xrcd=Fcd/

ckO″FpOFp/

b)ckl

传动力与惯性力影响传动力对加工精度的影响φFFRFzcFpr2024/12/19a)

YcdcdFcdXA52xc(3)工艺系统的受力变形减小受力变形对加工精度影响措施

提高工艺系统刚度

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，预加载荷)

采用辅助支承(中心架，跟刀架，镗杆支承等)

采用合理装夹和加工方式6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

53

变形转移、补偿和校正

减小载荷及其变化支座零件不同安装方法转塔车床导向杆(4)工艺系统的热变形

工艺系统热变形对精密加工和大件加工精度的影响比较大，由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40％~70％。

工艺系统热源

内部热源：切削热、摩擦热和能量损耗、派生热源

外部热源：环境温度、辐射热6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

54屑的热传入切量0

12345678v/(m/s)车削切削热的分配示意图2024/12/196.1.2原始误差对加工精度的影响(4)工艺系统的热变形80604020传入刀具的热量传入工件的热量切削热Q×10055(4)工艺系统的热变形工件热变形对加工精度的影响工件在加工中所产生的热变形，主要由切削热引起。

工件均匀受热，如果工件处在相对比较稳定的温度场中，此时就认为工件是均匀受热：

ΔL=LαΔθ式中L——工件热变形方向的尺寸，(mm)；α——工件的热膨胀系数，(1／℃)；Δθ——工件的平均温升(℃)。

工件不均匀受热，在铣、刨、磨平面时，工件单面受切削热作用，上下表面之间形成温差Δθ，导致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完毕冷却后加工表面就产生了中凹，造成了几何形状误差

例：磨削400mm长钢制丝杠的螺扣，被磨丝杠的温度比机床母丝杠高1℃，则被磨丝杠将伸长ΔL=LαΔθ=(1.17×10-5

×400×1)mm=0.0047mm，而5级丝杠的螺距累积误差在400mm长度上不允许超过5μm。6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

56(4)工艺系统的热变形刀具热变形对加工精度的影响6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19

57(4)工艺系统的热变形机床热变形对加工精度的影响

由于机床热源分布的不均匀、机床结构的复杂性以及机床工作条件的变化很大等原因，机床各个部件的温升是不相同的，甚至同一个零件的各个部分的温升也有差异，这就破坏了机床原有6.1.2原始误差对加工精度的影响2024/12/19