机械制造第五章机械制造质量分析与控制

黑龙江大学机电工程学院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）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力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δ与加工成本C关系误差δ成本C任何一种加工方法获得的加工精度和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Δ1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。ΔR=ΔyΔD=2Δy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Δ2可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：ΔR’=Δ22/2RΔD’=Δ22/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。3BHyR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μ与切削路程l的关系斜率Kμ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μm/km；10001000)(000lKllK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1/2～1/3粗加工用夹具一般取工件上相应尺寸公差的1/5～1/10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yyFKy变形y系统由工件变形、主轴头部变形、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工件刀具夹具机床系统yyyyy夹具夹具yFKy刀具刀具yFKy机床机床yFKy工件工件yFKy工件刀具夹具机床系统系统KKKKyFKy11111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）EIlxxllxKlxlKKYFKy311112222尾主刀架系统系统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ε称为误差复映系数，它是误差复映程度的度量ε=Δ工/Δ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(1)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、磨外圆时工件均匀受热而产生热伸长，热伸长量按下式计算ΔL=αLΔθ式中α——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）；Δθ——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HLH82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