机械加工质量分析与控制

1机械加工质量分析与控制本章要点机械加工中的振动影响加工误差的因素影响机械加工表面质量的因素工艺系统几何误差工艺系统受力变形工艺系统热变形加工误差的统计分析2机械制造技术基础第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.1概述IntroductiontoMachiningQuality34.1.1机械加工质量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图4-1加工质量包含的内容44.1.1机械加工质量◆加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度。◆零件宏观几何形状误差、波度、表面粗糙度宏观几何形状误差（平面度、圆度等）—波长/波高＞1000波度—波长/波高=50～1000；且具有周期特性表面粗糙度——波长/波高＜50a）波度b）表面粗糙度图4-2零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ54.1.2表面质量对零件使用性能的影响对耐磨性影响Ra（μm）初始磨损量重载荷轻载荷图4-3表面粗糙度与初始磨损量表面粗糙度值↓→耐疲劳性↑适当硬化可提高耐疲劳性表面粗糙度值↓→耐蚀性↑表面压应力：有利于提高耐蚀性表面粗糙度值↑→配合质量↓表面粗糙度值↓→耐磨性↑，但有一定限度（图4-3）对耐疲劳性影响对耐蚀性影响对配合质量影响纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好适当硬化可提高耐磨性64.1.3误差敏感方向图4-4：ΔRΔYΔR=ΔX202YYRR（4-1）XRX（4-2）显然：XYRR工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。图4-4误差敏感方向ＯYXa）ＯYXb）误差敏感方向7引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。4.1.4影响加工精度的因素原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与工艺过程有关的原始误差(动误差)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工件相对于刀具静止状态下的误差工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差原始误差——原始误差分类图4-5原始误差构成84.1.5研究加工质量的方法◆理论方法：运用物理学和力学原理，分析研究某一个或某几个因素对加工精度或表面质量的影响。◆试验方法：通过试验或测试，确定影响各因素与加工质量指标之间的关系。◆统计分析方法：运用数理统计原理和方法，根据被测质量指标的统计性质，对工艺过程进行分析和控制。物理方法数学方法9机械制造技术基础第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.2工艺系统几何精度对加工精度的影响GeometricPrecisionsofTechnologicalSystemanditsinfluencetomachiningPrecision10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。4.2.1加工原理误差式中R——球头刀半径；h——允许的残留高度。例2：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件(图4-6)Sh图4-6空间曲面数控加工8SRh（4-3）加工原理误差114.2.2机床误差主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移。为便于研究，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式（图4-7）。b）端面圆跳动a）径向圆跳动c）倾角摆动图4-7主轴回转误差基本形式主轴回转误差124.2.2机床误差◆主轴回转误差对加工精度的影响★主轴径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为：e图4-8径向跳动对镗孔精度影响式中R——刀尖回转半径；φ——主轴转角。()cossinXReYR（4-4）显然，式（4-4）为一椭圆。13图4-9径向跳动对车外圆精度影响134.2.2机床误差仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖运动轨迹接近于正圆（图4-9）。◎思考：主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率为主轴转速两倍，被车外圆形状如何？结论：主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差e★主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）144.2.2机床误差★主轴端面圆跳动对加工精度的影响被加工端面不平，与圆柱面不垂直；加工螺纹时，产生螺距周期性误差。★主轴倾角摆动对加工精度的影响与主轴径向跳动影响类似，不仅影响圆度误差，而且影响圆柱度误差。15AB4.2.2机床误差◆影响主轴回转精度的主要因素内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差图4-10轴径不圆引起车床主轴径向跳动★滑动轴承镗床（图4-11）——轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动图4-11轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动★滚动轴承车床（图4-10）——轴径不圆引起车床主轴向跳动（注意其频率特性）静压轴承——对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用164.2.2机床误差◆影响主轴回转精度的主要因素★推力轴承滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差（图4-12）★其他因素轴承孔、轴径圆度误差；轴承孔同轴度误差；轴肩、隔套端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差；装配质量等a）b）Δ≈0Δ图4-12止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响174.2.2机床误差★传统测量方法存在问题：◆主轴回转误差的测量图4-13传统测量方法a)b)图4-14主轴回转误差测量法1—摆动盘2，4—传感器3—精密测球5—放大器6—示波器★准确测量方法包含心轴、锥孔误差在内非运动状态。18◎导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差◎包括：导轨在水平面内的直线度，导轨在垂直面内的直线度，前后导轨平行度（扭曲），导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等。◆导轨导向误差对加工精度的影响导轨水平面内的直线度误差,误差敏感方向,影响显著导轨垂直面内的直线度误差,误差非敏感方向,影响小导轨扭曲对加工精度的影响,影响显著（图4-15）ΔX图4-15导轨扭曲引起的加工误差δΔRDαBXYHRHB（4-5）4.2.2机床误差导轨导向误差19导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响4.2.2机床误差图4-16成形运动间位置误差对外圆和端面车削的影响fαZΔzΔzαc）HyR0fXZLfdD－ΔdΔxa）b）20◆影响导轨导向精度的主要因素4.2.2机床误差机床制造误差机床安装误差导轨磨损21◆机床传动误差对加工精度的影响图4-17齿轮机床传动链z7=z8=16z1=64zn=96z5=z6=23z3=z4=23bz2=16zn-1=1icefacd111sinnnjjjnjjjjkktk（4-6）以齿轮机床传动链为例：式中Δφn——传动链末端元件转角误差；kj——第j个传动元件的误差传递系数，表明第j个传动元件对末端元件转角误差影响程度，其数值等于该元件至末端元件的传动比；ωn——传动链末端元件角速度；αj——第j个传动元件转角误差的初相角。4.2.2机床误差机床传动误差22缩短传动链长度提高末端元件的制造精度与安装精度采用降速传动采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节对传动误差进行补偿末端元件转角误差图4-18传动链误差的频谱分析a)ΔφΣφnA1A2Aib)ω（频率）ω1ω2ωi◆提高传动精度措施4.2.2机床误差234.2.3刀具与夹具误差定尺寸刀具（钻头、绞刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差刀具误差244.2.3刀具与夹具误差L±0.05φ6F7φ10F7k6H7g6YZ图4-19钻径向孔的夹具夹具误差影响加工位置精度。与夹具有关的影响位置误差因素包括：通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1/3。夹具误差1）定位误差；2）刀具导向（对刀）误差；3）夹紧误差；4）夹具制造误差；5）夹具安装误差；……254.2.4调整误差测量误差。试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差。机床进给机构的位移误差。定程机构误差。样件或样板误差。测量有限试件造成的误差。和试切法有关的误差。a）b）图4-20试切法与调整法试切法（图4-20a）调整法（图4-20b）26机械制造技术基础第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality4.3工艺系统受力变形对加工精度的影响StaticStiffnessofTechnologicalSystemanditsinfluencetomachiningPrecision27在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比4.3.1基本概念工艺系统刚度pFkX（4-7）式中k——工艺系统刚度；Fp——吃刀抗力；ΔX——艺系统位移（切削合力作用下的位移）。284.3.1基本概念11111jcjjdgkkkkk（4-8）式中k——工艺系统刚度；kjc——机床刚度；kjj——夹具刚度；kd——刀具刚度；kg——工件刚度。工艺系统受力变形等于工艺系统各组成部分受力变形之迭加。由此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：工艺系统刚度计算29◆机床变形引起的加工误差4.3.2工艺系统刚度对加工精度的影响式中Xjc——机床总变形；Fp——吃刀抗力；ktj——机床前顶尖处刚度；kwz——机床后顶尖处刚度；kdj——机床刀架刚度；L——工件全长；Z——刀尖至工件左端距离。22111jcptjwzdjLZZXFkLkLk（4-9）图4-21变形随受力点变化规律XtjXwzΔXFpAA′BB′CC′ZLFAFBXz切削力作用点位置变化引起工件形状误差304.3.2工艺系统刚度对加工精度的影响工件加工后成鞍形（图4-22）图4-22机床受力变形引起的加工误差（5-10）223pgFLZZXEJL◆工件变形引起的加工误差式中Xg——工件变形；E——工件材料弹性模量；J——工件截面惯性矩；Fp，L，Z——含义同前。由于工件变形，使工件加工后成鼓形（图4-23）图4-23工件受力变形引起的加工误差3122221113ptjwzdjLZZLZZXFkLkLkEJ（4-11）◆机床变形和工件变形共同引起的加工误差工艺系统刚度222211113ptjwzdjFkXLZZLZZkLkLkEJ（4-12）4.3.2工艺系统刚度对加工精度的影响32式中Δg——工件圆度误差；Δm——毛坯圆度误差；k——工艺系统刚度；ε——误差复映系数。1212121gppppmCFFaakk（4-13）以椭圆截面车削为例说明（图4-24）图4-24误差复映现象ap1Δ1ap2Δ2毛坯外形工件外形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”4.3.2工艺系统刚度对加工精度的影响切削力大小变化引起的加工误差误差复映33误差复映系数机械加工中，误差复映系数通常小于1。可通过多次走刀，消除误差复映的影响。123n（4-15）4.3.2工艺系统刚度对加工精度的影响误差复映程度可用误差复映系数来表示，误差复映系数与系统刚度成反比。