第五章-机械制造质量分析与控制

1、黑龙江大学机电工程学院,（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）,加工质量内容,机械制造质量分析与控制,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,一、概述,第一节 机械加工精度,1.加工精度与加工误差 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 加工误差指零件加工后的实际几何参数对理想几何 参数的偏离程度。 在生产实践中都是用加工误差的大小来反映与控制 加工精度，也就是说加工精度的高低是通过加工误差 的大小来衡量，误差大则精度低，反之则高。,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质

2、量分析与控制,加工精度与加工误差三个方面的内容： 尺寸精度（误差） 尺寸精度是加工后的零件表面本身或表面之间的实际尺寸与理想零件尺寸之间的符合程度。理想零件尺寸是指零件图上标注尺寸的中间值 形状精度（误差） 形状精度是加工后的零件表面本身的实际形状与理想零件表面形状象符合的程度。理想表面的形状是指绝对准确的表面形状 位置精度（误差 ） 位置精度是加工后零件各表面间实际位置与理想零件表 面间的位置符合的程度。理想零件各表面间的位置是指各 表面间绝对准确的位置,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,2.经济加工精度,加工误差与加工成本C关系,误差,成本C,任何一种加工方法获得的加工精度和

3、表面质量都有一个相当大的范围，但只有某一个较窄的范围才是经济的，这个范围的加工精度就是“经济加工精度”。,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,加工经济精度是指在正常加工条件下(采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间)所能保证的加工精度。,某种加工方法的加工经济精度不应理解为某一个确定 值，而应理解为一个范围，在这个范围内都可以说是经 济的。 加工经济精度不是固定不变的。,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,3.原始误差,工艺系统:在机械加工中，机床、夹具、刀具和工件就构 成了一个完整的系统。 原始误差：工艺系统的中误差是产生零件加工误差的根

4、 源，因此把工艺系统的误差叫做原始误差。 工艺系统静误差：机床、夹具和刀具的误差，是在无切削负荷的情况下检验的，划分为工艺系统静误差。 工艺系统动误差：工艺系统受力变形、热变形和刀具磨损，是在有负荷情况下产生的，划分为工艺系统动误差。,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,加工前,原理误差 工件装夹误差 调整误差 机床误差 夹具误差 刀具制造误差,加工中,刀具磨损 工艺系统受力变形 工艺系统热变形,加工后,内应力引起的变形 测量误差,工艺系统 静误差,工艺系统 动误差,与初始状态有关,与工艺过程有关,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,4.误差敏感方向的概念 加工误差的敏

5、感方向：原始误差所引起的刀刃 与工件间的相对位移如果产生在加工表面的法线 方向，则对加工精度有直接影响，如果产生在切 线方向上就可忽略不计。 5.研究机械加工精度的方法 分析计算法 统计分析法,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,二、工艺系统几何误差,1.机床的几何误差,误差来源： 机床本身的制造误差 机床的磨损 安装误差,机床本身的制造误差： 主轴的回转误差 机床导轨的误差 传动链误差,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,(1)主轴的回转误差,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。它可分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动三种基本形式。,产

6、生径向回转误差的主要原因：主轴几段轴颈的同轴度误差、轴承本身的各种误差、轴承之间的同轴度误差、主轴挠度等。,适当提高主轴及箱体的制造精度、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、对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,(2)导轨误差,导轨在水平面内的直线度,卧式车床导轨在水平面内 的直线度误差1将直接反映在被加工工件表面的法线方向上，对工件的精度的影响最大。,R=y D=2y,导轨在水平面内误差：,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,导轨在垂直面内的直线度,卧式车床导轨在垂直面内 的直线度误差2可

7、能引起被加工工件的形状误差和尺寸误差。,导轨在垂直面内误差：,R=22/2R D=22/R,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,前后导轨的平行度,当前后导轨存在平行度误差（扭曲）时，刀架运动时会产生摆动，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生形状误差。,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,(3)传动链误差,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。 传动链误差是由于传动链中的传动元件存在制造误差、装配误差和使用过程中的磨损引起的。 提高传动链的传递精度的措施： 尽可能缩短传动链，减少误差源 尽可能采用降速传动 尽可能使末端传动副采

8、用大的降速比 尽可能把末端传动元件制造得精确 提高传动元件的制造精度和装夹精度， 并尽可能地提高传动链中升速元件的精度,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,2.刀具的几何误差,刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同,定尺寸刀具(如钻头、铰刀、键槽铣刀、镗刀块、圆拉刀等)：刀具的尺寸误差将直接影响工件尺寸精度 成形刀具(如成形车刀、成形铣刀、齿轮模数铣刀、成形砂轮等)：刀具的形状误差，将直接影响工件的形状精度 展成刀具(如齿轮滚刀、花键滚刀、插齿刀等)：刀具切削刃的几何形状及有关尺寸误差也会影响工件的加工精度 一般刀具(如车刀、镗刀、铣刀等)：其制造误差对工件的加工精度无直接

9、影响,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,刀具的尺寸磨损与切削路程l的关系,斜率K称为单位磨损，表示每切削1000米路程刀具的尺寸磨损量，单位为m/km；,刀具的尺寸磨损量可用下式计算:,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,3.夹具的几何误差,夹具的制造误差对工件的加 工精度（特别是位置精度）有 很大的影响 夹具使用过程中的磨损将使夹具的误差增大 精加工用夹具一般取工件上 相应尺寸公差的1/21/3 粗加工用夹具一般取工件上相应尺寸公差的1/51/10,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,三、调整误差 在机械加工的每一个工序中,总是要进行这样 或那样的调整工

10、作,由于调整不可能绝对准确,也就 带来了一项原始误差,即调整误差。,试切法调整 度量误差 加工余量的影响 微进给误差 按定程机构调整 按样件或样板调整,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,四、工艺系统受力变形引起的误差,车长轴,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,横向切入磨内孔,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,1.基本概念,工艺系统的刚度K系统是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系统之比，即,方向的变形,在切削力作用下产生在,径向切削分力,系统,系统,y,y,F,K,y,=,变形y系统由工件变形、主轴

11、头部变形、尾部顶尖变形和刀架变形综合引起的变形,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,2.工件刚度,3.刀具刚度,4.机床部件刚度,(1)机床部件刚度 主要还是用实验方法来测定机床部件刚度。 静测定法是一种最简单的测定方法。 (2) 影响机床部件刚度的因素 结合面接触变形的影响 摩擦力的影响 低刚度零件的影响 间隙的影响,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响,工艺系统受力变形总位移Y系统是各组成部分变 形位移的叠加,工艺系统刚度的倒数等于其各组成部分刚度的倒数和,夹具,夹具,y,F,K,y,=,刀具,刀具,y,F,K,y,=,机床,机床

12、,y,F,K,y,=,工件,工件,y,F,K,y,=,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,工艺系统刚度对加工精度的影响:,由于工艺系统刚度变化引起的误差,工艺系统的刚度在沿工件轴向的各个位置是不同的，所以加工后工件各个横截面上的直径尺寸也不相同，造成了加工后工件的形状误差（锥形、鼓形、鞍形等）,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,由于切削力变化引起的误差,毛坯的误差复映：加工后的工件表面还保留着与毛坯表面相类似的形状或尺寸误差，只是数值大大减小,工与毛之比值称为误差复映系数，它是误差复映程度的度量,=工/毛,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,由于夹紧变形引

13、起的误差,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,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,其他作用力的影响,重力、惯性力、传动力也会使工艺系统的变形发生变化，引起加工误差,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,5.减小工艺系统受力变形的途径,提高工艺系统刚度 提高工件和刀具的刚度 提高机床刚度 采用合理的装夹方式和加工方式 (2)减小切削力及变化,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,五、工艺系统受热变形引起的误差,在精密加工和大件加工中，由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%70% 机床、刀

14、具和工件受到各种热源的作用，温度会逐渐升高，同时它们也通过各种传热方式向周围的物质和空间散发热量 当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,1.工艺系统的热源,内部热源 主要以热传导的形式传递,切削热 对工件加工精度的影响最为直接 摩擦热和能量损耗 机床中各运动副相对运动所产生的摩擦热 和动力源能量损耗 派生热源 由切屑、切削液、润滑液携带切削热和摩擦热 带给机床产生,外部热源 来自工艺系统外部,环境温度 辐射源,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,主要由切削热引起 (1)工件均匀受热 ： 在车、磨外圆时

15、工件均匀受热而产生热伸长，热伸 长量按下式计算 L=L 式中 工件材料的热膨胀系数（1/）； L工件在热变形方向上的尺寸（mm）； 工件平均温升（）。 当工件能够自由伸长时，工件的热变形主要影响尺寸 精度，否则工件还会产生圆柱度误差。加工螺纹时产生 螺距误差。,2.工件热变形对加工精度的影响,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,(2)工件不均匀受热 铣、刨、磨等平面的加工时，工件单侧受热，上下表面温升不等，从而导致工件向上凸起，中间切去的材料较多，冷却后被加工表面呈凹形,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,3.刀具热变形对加工精度的影响,刀具变形主要热 源是切削热。 实

16、验及理论推导 表面，车削时车刀 的热伸长量与切削 时间的关系如右图,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,4.机床热变形对加工精度的影响,磨床的主要热源是砂轮主轴的摩擦热及液压系统的发热及冷却液带来的派生热。,牛头刨床、龙门刨床、立式车床主要热源是导轨副的摩擦热，使滑枕或工作台产生热变形。,车、铣、钻、镗等机床的主要热源是主轴箱。,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,减少发热和隔热 改善散热条件 均衡温度场 改进机床机构 加快温度场的平衡 控制环境温度,5.减小工艺系统热变形的途径,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,六、内应力重新分布引起的误差,1.内应力的

17、概念 没有外力作用而存在于零件内部的应力,2.内应力的产生 热加工中内应力的产生 冷校直产生的内应力,3.减小内应力变形误差的途径 改进零件结构 增设消除内应力的热处理工序 合理安排工艺过程,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,七、提高加工精度的途径,减小原始误差 转移原始误差 均分原始误差 均化原始误差 误差补偿,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,第二节 工艺过程的统计分析,一、误差统计性质的分类,系统性误差,常值系统性误差: 在顺序加工一批工件中，其大小和方向皆不变的误差 原理误差；刀具、机床、量具制造误差；一次调整误差与加工顺序(时间)无关,变值系统性误差: 在

18、顺序加工一批工件中，其大小和方向按一定规律变化的误差 刀具的磨损;机床、刀具热变形 随加工顺序(加工时间)而有规律的变化,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,随机性误差,在顺序加工一批工件中，有些误差的大小和方向无规则变化着的。 毛坯的误差复映;定位误差;夹紧误差;内应力引起的变形。 对于常值系统性误差，若能掌握其大小和方向，就可以通过调整消除； 对于变值系统性误差，若能掌握其大小和方向随时间变化的规律，可通过自动补偿消除； 唯对随机性误差，只能缩小它们的变动范围，而不可能完全消除。由概率论与数理统计学可知，随机性误差的统计规律可用它的概率分布表示,黑龙江大学机电工程学院,机械制造

19、质量分析与控制,二、工艺过程的分布图分析,1.正态分布的基本概念,正态分布的数学模型、特征参数和特征点,实践表明：在正常生产条件下，用调整法加工一批零件，加工的零件数量又足够多时，其尺寸分布总是按正态分布的，因此在研究加工精度时，通常都是用正态分布曲线（高斯曲线）来代替实际分布曲线，使加工误差的分析计算得到简化。,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,正态分布曲线,以零件尺寸（或尺寸间隔）为横坐标，以频数（或频率，或分布密度）为纵坐标，建立坐标系。, 频数，一定尺寸内的零件数；, 频率；, 分布密度。,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,正态分布曲线方程式：,x 分布曲线

20、的横坐标，表示工件的实际尺寸； 一批零件尺寸的算术平均值，它表示尺寸的分散中心， 即：,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制, 一批零件均方根偏差， 即：,y 分布曲线纵坐标，表示分布曲线概率密度 （分布密度） n 工件（样本）总数,概率密度函数在 有最大值：,-,=,s,=,n,i,i,x,x,n,1,2,),(,1,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制, 的变化只影响曲线的形状，而不影响曲线的位置，越大，曲线越平坦，尺寸越分散，表明加工精度越低。,的偏移只影响曲线的位置，而不影响曲线的形状。,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,正态分布曲线特点：,（1）对称

21、于直线 ，最大值 ； （2）在 处有拐点， （3）当 ，曲线以x轴为渐近线； （4）分布曲线下面积总等于1， （5）当很小时，曲线下面的面积几乎全部集中在中心部分的一个不大的区域内，反之，曲线将趋于平坦； （6）改变参数 的值，分布曲线沿着x轴平行移动而不改变形状； （7）以分布中心在3 范围内面积为99.73%，一般认为6 为尺寸分布范围（或随机误差分布范围）。,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,标准正态分布,=0、 =1的正态分布称为标准正态分布， 其概率密度为：,工件尺寸在某区间的概率,生产上感兴趣的往往不是工件为某一尺寸的概率是多大，而是加工工件尺寸落在某一区间（x1xx

22、2）内的概率是多大。,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,成品率,令：,则：,Z,x,x,=,s,-,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,一般取3(6)为正态分布曲线的尺寸分散范围。这就是工程上经常用到的 “3原则”，或称“6原则”。 3(6)代表某种加工方法在一定条件下能达到的加工精度 在一般情况下应该使公差带的宽度T和均方根差之间具有下列关系：6T。,注意,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,2.机械制造中常见的误差分布规律,正态分布,平顶分布,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,双峰分布,偏态分布,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与

23、控制,3.工艺过程的分布图分析,(1)样本容量的确定 (2)样本数据的测量 (3)异常数据的剔除 (4)实际分布的绘制 (5)理论分布图的绘制 (6)工艺过程的分析,确定分组数 j 确定尺寸间隔大小x 确定各组的组界xjx /2和中值xj 求频数 画实际分布图,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,3.工艺过程的分布图分析,(1)样本容量的确定 (2)样本数据的测量 (3)异常数据的剔除 (4)实际分布的绘制 (5)理论分布图的绘制 (6)工艺过程的分析,求值 求 、 、 和 画理论分布图,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,3.工艺过程的分布图分析,(1)样本容量的确定

24、 (2)样本数据的测量 (3)异常数据的剔除 (4)实际分布的绘制 (5)理论分布图的绘制 (6)工艺过程的分析,判断加工误差性质 确定工序能力6及其等级 确定合格率、废品率和可修复废品率,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,4.工艺过程的分布图分析法特定,(1)采用的是大样本，能比较接近实际地反映工艺过程总体； (2)能把工艺过程中存在的常值系统性误差从误差中区分开 来，但不能把变值系统系统性误差从误差中区分开来； (3)只有等到一批工件加工完毕后才能绘制分布图，不能在 工艺过程进行中及时提供控制工艺过程精度的信息； (4)计算较复杂； (5)只适用于工艺过程稳定的场合。,黑龙江

25、大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,三、工艺过程的点图分析,1.工艺过程的稳定性 2.点图的基本形式 、R点图上 、下控制限的确定 点图的正常波动与异常波动,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,第三节 机械加工表面质量,表面质量,表面的几何形状特征,表面层物理机械性能的变化,表面粗糙度,波度,表面层因塑性变形引起冷作硬化,表面层因切削热引起金相组织变化,表面层中产生的残余应力,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,一、机械加工表面质量对机器使用性能的影响,1.表面质量对耐磨性的影响 表面粗糙度对耐磨性的影响 表面冷作硬化对耐磨性的影响 2.表面质量对疲劳强度的影响 3.表面质量对耐蚀性的影响 4.表面质量对配合质量的影响,黑龙江大学机电工程学院,机械制造质量分析与控制,二、影响表面粗糙度的因素,1.切削加工影响表面粗糙度的因素,刀具几何形状的复映,黑龙江