機械加工質(zhì)量分析與控制

機械加工質(zhì)量分析與控制第1頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

零件的加工精度包括

尺寸精度、形狀精度、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誤差的大小來評價加工精度的高低加工誤差越小，加工精度越高獲得加工精度的方法

（1）獲得尺寸精度的方法

1）試切法用于單件小批生產(chǎn)

2）調(diào)整法用于成批大量生產(chǎn)

3）定尺寸刀具法生產(chǎn)率高，刀具制造復雜

4）自動控制法切削測量補償調(diào)整第2頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）獲得形狀精度的方法

1）軌跡法利用刀尖運動軌跡形成工件表面形狀

2）成形刀具法由刀刃的形狀形成工件表面形狀

3）展成法由切削刃包絡面形成工件表面形狀（3）獲得相互位置精度的方法主要由機床精度、夾具精度和工件的裝夾精度來保證第3頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、影響加工精度的因素1.原始誤差

零件加工的誤差是由于工件與刀具在切削過程中相互位置發(fā)生變動而造成。工件和刀具安裝在夾具和機床上，工件、刀具、夾具、機床構(gòu)成了一個完整的工藝系統(tǒng)。工藝系統(tǒng)的種種誤差，是造成零件加工誤差的根源，故稱之為原始誤差。第4頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

原始誤差

加工前誤差加工中誤差加工后誤差調(diào)整誤差機床誤差刀具制造誤差夾具誤差加工原理誤差工件裝夾誤差工藝系統(tǒng)受力變形刀具磨損殘余應力引起變形測量誤差工藝系統(tǒng)熱變形第5頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月２.工藝系統(tǒng)的幾何誤差

（1）加工原理誤差

近似的成形運動或刃形所產(chǎn)生的誤差，多為形狀誤差（2）機床的誤差

1）主軸回轉(zhuǎn)誤差①主軸回轉(zhuǎn)誤差概念主軸回轉(zhuǎn)時實際回轉(zhuǎn)軸線與理想回轉(zhuǎn)軸線的偏移量

三種基本形式：

a.純徑向跳動b.軸向竄動c.純角度擺動第6頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月②影響主軸回轉(zhuǎn)精度的主要因素

軸承本身誤差、軸承間隙、軸承間同軸度誤差，各段軸頸、軸孔的同軸度誤差主軸系統(tǒng)的剛度和熱變形等。

但它們對主軸回轉(zhuǎn)精度的影響大小隨加工方式而不同第7頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月主軸采用滑動軸承的車床類，主軸受力方向一定，主軸頸圓度誤差影響較大，軸承內(nèi)徑圓度誤差沒影響鏜床主軸受力隨鏜刀旋轉(zhuǎn)方向不斷變化軸承孔誤差影響大第8頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月滾動軸承結(jié)構(gòu)復雜，影響主軸精度因素也較復雜除軸承本身精度外，與配合件精度有很大關(guān)系如主軸軸頸、支承座孔等精度第9頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生軸向竄動主要原因是主軸軸肩端面和軸承承載端面對主軸回轉(zhuǎn)軸線有垂直度誤差。主軸不同形式的回轉(zhuǎn)誤差引起的加工誤差不同車床上加工外圓內(nèi)孔時，主軸徑向跳動引起工件圓度和圓柱度誤差，對工件端面無影響；

軸向竄動對圓柱表面影響不大，對端面垂直度平面度影響大，車削螺紋時會造成導程的周期性誤差；

純角度擺動會造成車削外圓或內(nèi)孔的錐度誤差；在鏜孔時，會鏜出的孔為橢圓形。第10頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月純角度擺動會造成車削外圓或內(nèi)孔的錐度誤差；在鏜孔時，若工件進給會使鏜出的孔為橢圓形。提高主軸及支承座孔的加工精度，選用高精度軸承，提高主軸部件裝配精度、預緊和平衡等，提高主軸回轉(zhuǎn)精度。第11頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2）機床導軌誤差

導軌精度要求主要有以下三方面：

①在水平面內(nèi)的直線度（以臥式車床為例）Δ1將直接反映在工件加工表面法線方向（誤差敏感方向）上，誤差ΔR=Δ1

，對加工精度影響最大。刀尖在水平面內(nèi)的運動軌跡造成工件軸向形狀誤差。第12頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月②在垂直面內(nèi)的直線度

Δ２對工件的尺寸和形狀誤差影響比Δ1小得多對臥式車床ΔR≈Δ22/D若設Δ2=

0.1mm,D=40mm，則ΔR

=0.00025mm，影響可忽略不計。而對平面磨床、龍門刨床誤差將直接反映在工件上。第13頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月導軌在垂直面內(nèi)的直線度的特殊情況為斜坡狀，加工的工件軸向形狀為鞍形。第14頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月③前后導軌的平行度（扭曲）臥式車床或外圓磨床若前后導軌存在平行度誤差時，刀具和工件之間相對位置發(fā)生變化，刀尖運動軌跡是一條空間曲線，使工件產(chǎn)生形狀誤差。

若扭曲誤差為Δ3,工件誤差ΔR≈(H/B)Δ3

，一般車床H/B≈2/3，外圓磨床H/B≈1，誤差對加工精度影響很大除導軌制造誤差外，導軌的不均勻磨損和安裝質(zhì)量，也是造成導軌誤差的重要因素。導軌磨損是機床精度下降的主要原因之一?？刹捎媚湍ズ辖痂T鐵、鑲鋼導軌、貼塑導軌、滾動導軌導軌表面淬火等措施。第15頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月３）機床傳動鏈誤差

指機床內(nèi)傳動鏈始末兩端的傳動元件間相對運動的誤差，一般用傳動鏈末端元件的轉(zhuǎn)角誤差來衡量。產(chǎn)生的原因是傳動鏈中各傳動元件的制造誤差、裝配誤差及磨損等。若傳動齒輪i在某一時刻產(chǎn)生轉(zhuǎn)角誤差為Δφi，則它所造成傳動鏈末端元件的轉(zhuǎn)角誤差：Δφwi=KiΔφiKi

為該軸到末端元件的總傳動比，稱為誤差傳遞系數(shù)，若Ki大于1則誤差被擴大；反之，若Ki小于1誤差被縮小。各傳動件對工件精度影響的總和為：

Δφ∑=∑Δφwi=

∑KiΔφi第16頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月減少傳動鏈誤差的措施：①盡可能縮短傳動鏈，減少傳動元件數(shù)目；②盡量采用降速傳動，誤差被縮?。虎厶岣邆鲃釉?、特別是末端元件的制造和裝配精度；④消除傳動間隙；⑤采用誤差補償機構(gòu)或自動補償裝置。第17頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）刀具的幾何誤差

包括刀具切削部、裝夾部的制造誤差及刀具安裝誤差①

定尺寸刀具刀具尺寸精度直接影響工件尺寸精度②成形刀具刀具形狀精度直接影響工件形狀精度③展成刀具刀刃形狀精度會影響工件加工精度④一般刀具制造精度對工件加工精度無直接影響第18頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）夾具的幾何誤差

包括夾具制造誤差、安裝誤差及磨損

對工件尺寸精度和位置精度影響很大（5）定位誤差

包括基準不重合誤差、定位副制造不準確誤差

直接影響工件的尺寸精度和位置精度第19頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）調(diào)整誤差

在工序的調(diào)整工作中所存在的誤差即調(diào)整誤差一次調(diào)整后存在的誤差對這一批零件的影響是不變的。但大批量加工中存在多次調(diào)整，不可能每次完全相同。對全部零件來說，每次調(diào)整誤差為偶然性誤差。機床調(diào)整誤差可理解為零件尺寸分布曲線中心的最大偏移量。加工中不產(chǎn)生廢品的條件：Δfb+Δt≤T第20頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3.工藝系統(tǒng)的受力變形（1）基本概念第21頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）零件剛度若零件剛度相對于機床、刀具、夾具來說比較低，其變形對加工精度影響比較大，最大變形量按材料力學公式估算。長軸兩頂尖裝夾按簡支梁計算，三爪卡盤裝夾按懸臂梁計算（1）工藝系統(tǒng)剛度工藝系統(tǒng)抵抗變形的能力可用工藝系統(tǒng)剛度k系來描述。垂直作用于工件加工表面的徑向切削分力Fy與工藝系統(tǒng)在該方向上的變形y之間的比值，稱為工藝系統(tǒng)剛度k系

k系=Fy/y

柔度w=1/k第22頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）刀具剛度外圓刀具在加工表面法線方向上的剛度很大變形可忽略；鏜小孔刀桿剛度很差，變形對加工精度影響很大，刀桿變形按材料力學公式估算。（4）機床部件剛度機床部件剛度機床結(jié)構(gòu)形狀復雜，剛度計算主要通過實驗方法來測定。變形與載荷不成線性關(guān)系；加載與卸載曲線不重合；有殘余變形存在；實際剛度比估算的小第23頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）工藝系統(tǒng)受力變形及其對加工精度的影響

1）工藝系統(tǒng)的變形總變形y系

=

y機+y夾+y刀+y工

k系=Fy/y系，k機=Fy/y機

，k夾=Fy/y夾

，

k刀=Fy/y刀

，k工=Fy/y工所以，k系=1/(1/k機+1/k夾+1/k刀+1/k工)

工藝系統(tǒng)剛度比剛度最小環(huán)節(jié)的剛度還要差第24頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

2）工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度的影響①切削力位置的變化對加工精度的影響

設刀具工件剛度很大

總變形y系=y刀架+yx第25頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月設刀具工件剛度很大

總變形y系=y刀架+yx

y主=FA/k主=Fy(l-x)

/(lk主)，y尾=FB/k尾=Fyx

/(lk尾)

y系=y刀架+yx=Fy

當x=0時，y系=？;當x=l時，y系=？

當x=k尾l/(k主+k尾)時，y系min=Fy

ly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+若工件剛性較差應考慮其變形，按簡支梁計算

y工=y系=y刀架+yx+y工Fy

3EI(l-x)2x2l1

k刀架+1

k主+k尾第26頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：1.在x處工件半徑Rx=R+y刀架+yx+y工

半徑誤差ΔR=Rx-R=y刀架+yx+y工=y系2.一次走刀中若y系為常量，不會造成工件形狀誤差和尺寸不一3.若工件剛性大l/D≤5，可不考慮y工，y系是x

的二次函數(shù)圓柱度誤差Δ=

ymax-ymin4.若工件為細長軸剛性很差，系統(tǒng)變形主要是工件變形，當x=l/2時，y工max=Fyl3/(48EI)

第27頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月②切削力大小變化對加工精度的影響Δ毛=ap1–ap2Δ工=y1–y2誤差復映系數(shù)ε=Δ工/Δ毛

Fy=CyfyapxHBSn=C

apx≈C

apFy1=C

(ap1–

y1)≈C

ap1Fy2=C

(ap2–

y2)≈C

ap2

Δ工=y1–y2=(Fy1-Fy2)/k系=(C

ap1–

C

ap2)/k系ε=Δ工/Δ毛=C(ap1–ap2)/(k系(ap1–ap2))=C/k系第28頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月ε=Δ工/Δ毛=C/k系

ε總是小于1，有修正誤差的能力多次進給ε=ε1ε2ε3…2.k系越大，ε就越小，復映到工件上的誤差越小3.C減小，ε就越小，應采取減小Fy的措施討論：第29頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月③夾緊變形對加工精度的影響工件剛性差（薄件、圓環(huán)）裝夾不當會產(chǎn)生受力變形第30頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月④機床部件、工件重量對加工精度的影響⑤其它作用力對加工精度的影響

傳動力（撥桿）、離心力改變方向會使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生相應變形3）減少工藝系統(tǒng)受力變形的途徑①減小切削力及其變化；②提高系統(tǒng)中零件的配合質(zhì)量；縮短切削力作用點和支撐點的距離，設置輔助支承提高部件剛度第31頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月4.工藝系統(tǒng)的熱變形工藝系統(tǒng)在各種熱源的影響下會產(chǎn)生很復雜的變形，導致工件產(chǎn)生加工誤差（1）工藝系統(tǒng)的熱源

1）內(nèi)部熱源包括切削熱、摩擦熱和派生熱源2）外部熱源包括環(huán)境溫度、輻射熱第32頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）工件熱變形對加工精度的影響

1）工件均勻受熱

車鏜軸套類零件圓柱面，長度及徑向受熱變形。若在受熱時測量達到規(guī)定尺寸，冷卻后尺寸變小，可能出現(xiàn)尺寸超差。

2）工件不均勻受熱

銑、刨、磨平面等，工件單面受熱產(chǎn)生彎曲變形磨削細長軸時工件溫生逐漸增加第33頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）刀具熱變形對加工精度的影響第34頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月主要是主軸部件、床身導軌及兩者相對位置的熱變形（4）機床熱變形對加工精度的影響第35頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）熱變形的控制（1）減少發(fā)熱和采取隔熱；（2）強制冷卻，均衡溫度場；（3）從結(jié)構(gòu)上采取措施減少熱變形；（4）控制環(huán)境溫度。第37頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.工件內(nèi)應力引起的變形內(nèi)應力產(chǎn)生的原因及消除措施1、鑄鍛焊、熱處理等因工件壁厚不均熱脹冷縮不均及金相組織變化等導致體積變化，毛坯產(chǎn)生內(nèi)應力，處于暫時平衡狀態(tài)，切削時平衡狀態(tài)被打破。2、冷校直產(chǎn)生的內(nèi)應力可在熱處理后進行時效處理來消除殘余應力。常用人工時效、振動時效和天然時效等方法。工件若產(chǎn)生內(nèi)應力處于不穩(wěn)定狀態(tài)會逐漸變形第38頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三、加工誤差的統(tǒng)計分析1.（1）加工誤差的分類1）系統(tǒng)誤差

常值系統(tǒng)誤差：原理機床刀夾量具制造調(diào)整誤差變值系統(tǒng)誤差：機床刀具熱變形、刀具磨損2）隨機誤差:誤差復映定位夾緊操作誤差內(nèi)應力變形對系統(tǒng)誤差可循其規(guī)律加以調(diào)整或補償來消除對隨機誤差只能縮小其變動范圍無法完全消除第39頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）正態(tài)分布

1）正態(tài)分布的數(shù)學模型、特征參數(shù)和特殊點

正態(tài)分布曲線方程兩個特征參數(shù)：算術(shù)平均值x和標準偏差σ第40頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月正態(tài)分布的特殊點①處概率密度函數(shù)有最大值②x=x±σ處為拐點2）標準正態(tài)分布

=0，σ=1

實際生產(chǎn)中為非標準正態(tài)分布需轉(zhuǎn)換令z=(x-)/σxxx第41頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月即圖中陰影面積可利用概率密度積分表計算3）工件尺寸在某區(qū)間內(nèi)的概率工件尺寸落在

±3σ范圍內(nèi)的概率為99.73%若尺寸分布中心與公差中心重合，不產(chǎn)生廢品的條件是：T≥6σQ廢=0.5–φ(x)若中心不重合存在常值系統(tǒng)誤差Δ系，T≥6σ＋Δ系x第42頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月例：軸Φ20-0.1，σ=0.025，xT=-ε(0.03)

求常值系統(tǒng)誤差、隨機誤差，合格率、不合格率x0解：①公差帶中心xT=19.95②尺寸分布中心=xT+ε=19.95+0.03=19.98③常值系統(tǒng)誤差Δ系=-xT=ε=0.03④隨機誤差6σ=

6×

0.025=0.15或±3σ=±0.075xx⑤計算合格率、不合格率

6σ=0.15＞T=0.1，

Cp=T/6σ=0.1/0.15=0.67工件極限尺寸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%廢品率0.5-0.49931=0.069%0.5-0.2881=21.19%可修復xx第43頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.工藝過程的分布圖分析（1）工藝過程的穩(wěn)定性指均值和標準差穩(wěn)定不變的性能，取決于變值系統(tǒng)誤差（2）工藝過程分布圖分析制作分布圖了解質(zhì)量指標分布、加工能力、是否有廢品

1）樣本容量的確定通常取n=50～2002）樣本數(shù)據(jù)整理與計算

剔除異常數(shù)據(jù)，確定尺寸分散范圍R、尺寸間隔數(shù)j、區(qū)間寬度Δx3）繪制實際分布圖

縱坐標為頻數(shù)：同間隔尺寸工件數(shù)目第44頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

4）繪制理論分布圖

縱坐標將概率密度轉(zhuǎn)換成頻數(shù)，分散范圍±3σ

理論最大頻數(shù)f′max=ymaxn

Δx對應x=處拐點處頻數(shù)f′σ=yσn

Δx對應x=±σ處xx5）工藝過程分布圖分析

①判斷加工誤差性質(zhì)系統(tǒng)誤差、隨機誤差②確定工序能力及等級

工序能力系數(shù)Cp指滿足加工精度的程度Cp=T/6σ③確定不合格率第45頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）分布圖分析法特點

1）采用大樣本，較接近實際地反映工藝過程總體；

2）能將常值系統(tǒng)誤差從誤差中區(qū)分開；

3）在全部樣本加工后繪出曲線，不能反映先后順序，不能將變值系統(tǒng)誤差從誤差中區(qū)分開；

4）不能及時提供工藝過程精度的信息，事后分析；

5）計算復雜，只適合工藝過程穩(wěn)定的場合。點圖分析法計算簡單，能及時提供主動控制信息，可用于穩(wěn)定過程、也可用于不穩(wěn)定過程。第46頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.工藝過程的點圖分析（1）逐點點圖依次測量每件尺寸記入橫坐標為零件號縱為尺寸的圖表中（2）均值-極差點圖

采用順序小樣本（4～6），由小樣本均值點圖和極差點圖組成，橫坐標為小樣本組序號。具體作法如下：①定期測小樣本尺寸；②計算均值和極差R：

R=xmax-xmin

③確定中心線和R小樣本組20～30④確定上下控制線ES、EI

、UCL、LCL，定期描點xx第47頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月均值點圖上下控制線的確定：極差點圖上下控制線的確定：第48頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月均值點圖反映了質(zhì)量指標分布中心(系統(tǒng)誤差)的變化極差點圖反映了質(zhì)量指標分布范圍(隨機誤差)的變化第49頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023