制造工艺机械加工质量.ppt

第七章 机械加工质量,第七章 机械加工质量,对任何一台机器或仪器，为保证它们的使用性能，必然对其组成零件提出许多方面的质量要求。机械加工精度、机械加工表面质量，则是许多质量要求的两个主要方面。 第一节 机械加工精度 一、概述 （一）机械加工精度及加工误差概念 1、加工精度 指零件加工后实际的几何参数（尺寸、形状、相互位置）与理想零件的几何参数的符合程度。符合程度愈高，加工精度愈高。 2、加工误差 指零件加工后实际的几何参数与理想零件的几何参数的不符合程度。,（二）影响加工精度的主要因素 由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统存在各种误差，这些误差会在不同的具体条件下，以不同的程度反映到加工零件上去，而造成加工误差。这种造成加工误差的工艺系统原有误差，称为原始误差。 造成加工误差的原始误差： 1、原理误差 2、工艺系统的制造误差与磨损 3、工艺系统受力变形产生的误差 4、工艺系统受热变形产生的误差 5、测量误差与调整误差,二、影响加工精度的误差因素 （一）原理误差 指采用了近似的加工方法，所产生的误差。 如：1、滚齿，由于滚刀的刀刃数有限，加工出来的齿轮齿形是有限个刀刃切成的折线；另，由于滚刀制造困难，采用阿基米德基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆，由此产生的加工误差，则属于原理误差。 2、成形法铣齿，由于铣刀分八个刀号，每一个刀号在相应组内齿数最少的可获得精确地齿形，其它齿数只能获得近似的齿形。因此，铣齿产生的加工误差也属于原理误差。 (二)工艺系统的制造误差与磨损对加工精度的影响 1、机床制造误差与磨损的影响,1）机床主轴的回转误差 机床工作时，由于主轴部件在制造、装配过程中，存在各种误差，使得主轴回转轴线的空间位置在每一瞬间都处于变动状态，而产生回转误差。如图7-1所示： （1）主轴的回转误差的三种基本形式 径向跳动-瞬时回转轴线沿平均回转轴线的径向跳 动运动。 轴向窜动-瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动。 角度摆动-瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角，但其交点位置是固定不变的运动。,图7-1,（2）主轴回转运动误差概念 指主轴的实际回转轴线相对其平 均回转轴线的变动范围。变动范围愈小，其回转精度愈高。 （3）影响主轴回转运动误差的因素及分析 主要影响因素有：主轴部件各组成零件的制造误差及装配误差；也与加工方法有关。 如：滑动轴承支承的主轴部件如图7-2所示： 对于车磨类机床 主轴所受的切削力方向基本是不变的。切削时，主轴颈被压向轴承孔内表面的某一固定部位，,其主轴颈在转动时，将其轴颈上的圆度误差传递给工件导致在加工的工件上产生相同的圆度误差。而轴承孔内表面的圆度误差对加工精度的影响则极小。,图7-2,对于镗床类机床 主轴轴承孔内表面所受切削力的方向是随镗刀的旋转而变化的。因此，使主轴轴颈上某一固定部位与轴承孔的不同部位相接触，这样，轴承孔的圆度误差将传递给工件，而主轴轴颈的误差则影响不大。 对于滚动轴承支承的主轴部件，其回转精度不仅与滚动轴承本身的精度有关，还在很大程度上与轴承相配合件的精度有关。 （4）主轴回转误差对加工精度的影响 车削：车削时，支承轴颈的圆度误差，会引起主轴的径向跳动，主轴的径向跳动对工件的圆度影响较小；而对工件的径向尺寸则有不同的影响。如图7-3所示：,假定主轴轴心沿Y轴作简谐直线运动，在工件1处（主轴中心偏移最大处）切出的半径比2、4处切出的半径小一个幅值A；而在3处切出的半径比2、4处切出的半径大一个幅值A。那么，1、2、3、4各点的半径均相等，所以，车出的工件表面近似一个真圆。,主轴径向跳动的方向，对工件径向尺寸产生不同的影响。主轴回转轴心线的任一方向的径向跳动，可以分解为沿刀尖处加工表面法线方向跳动分量和切向分量Z。 切向分量产生的半径误差R： 整理、 略去R²，得： R= 设=0.01mm, R=50mm,则： R=0.000001mm。 此值可以略去不计。,图7-4,而Y方向上的误差将1：1的反映到工件的半径上去。如误差仍为y= 0.01mm，则在工件Y方向上造成的半径误差就是0.01mm。是切线方向上误差的104倍，因此，称法线方向为误差的敏感方向。如图7-4所示：,图7-4,镗孔时，主轴的径向跳动使轴心线在Y坐标方向上，作振幅为A的简谐运动。设主轴中心线偏 移最大（等于A）时，镗刀尖正 好通过水平位置1，当镗刀转过 一个角时，刀尖轨迹的水平分 量和垂直分量分别为： Y=Acos+Rcos=(A+R)cos Z=Rsin 将以上两式平方后，相加得： 为一椭圆方程，即镗出的孔为一椭圆。如图7-5所示：,镗削,（5）主轴的角摆动对工件加工精度的影响 车削：径向截面仍然是一圆形，而轴向则是一个圆锥形截面。 镗削：由于主轴的角摆动形成的回转轴线与工作台导轨不平行，镗出的孔将为椭圆形。如图7-6所示：,图7-6,（6）主轴的轴向窜动对加工精度的影响 对外圆与内孔的形状精度没有影响，而对端面与内、外 圆垂直度有一定的影响。当主轴每转一周，就要沿轴向窜动 一次，在向前窜动的半周中形成右螺旋面；在向前窜动的半周中形成左螺旋面，最终切出的端面呈类似端面凸轮的形状；如图7-7所示： 当加工螺纹时，则将产生螺距的周期误差。,（7）提高主轴回转精度的措施 提高主轴支承轴承的精度并进行精细的调整安装。,图7-7,如使用精密滚动轴承、或液体、气体静压轴承；主轴部件装配时，应合理地确定各相关零件的精度，采用轴颈与轴承圈误差抵消法或角度选配法精细的调整安装并尽量消除轴承间隙，即可保证和提高主轴的回转精度。 采用双死顶尖装夹工件，可减小机床主轴回转误差对工件加工精度的影响。 2）导轨误差 （1）机床导轨的制造精度 导轨在水平面的直线度； 导轨在垂直面的直线度；,（2）导轨误差对加工精度的影响 以车床车削为例 车床导轨在水平面内直线度误差的影响,图7-8,前后导轨在垂直面的平行度。如图7-8所示：,车削外圆表面，径向误差为r=y, 1:1反映到工件加工表面上来；轴向误差为圆锥度误差。 车床导轨在垂直平面内直线度误差的影响 对径向尺寸的影响可以忽略；轴向截面则为一双曲面。如图7-9所示： 前后导轨在垂直面的平行度误差的影响 如图7-10所示，横溜板将产生横向 倾斜，刀具产生位移，从而引 起工件的形状误差。 由几何关系知：,图7-9,图7-10,一般对于车床 ，磨床AB，因此该项误差对加工精度的影响是不可忽视的。 在镗床上镗孔时，如果工作台进给方向与镗刀杆的回转轴线不平行，则镗出的孔为一椭圆。 如图7-11所示：,图7-11,（3）提高导轨精度的措施 在导轨的设计制造时，应从结构、材料、润滑方式、防护装置等方面进行优化，提高其制造精度及耐磨性。 在使用过程中，应精心维护，注意润滑，避免导轨非正常磨损与损伤。 3）机床传动链误差 （1）引起机床传动链误差的原因 机床的运动是通过某些传动机构实现的。如滚齿机的分齿机构车床车削螺纹时工件与丝杠间的传动挂轮机构。,它们都是通过齿轮副、蜗轮、蜗杆、丝杠、丝母等传动副多级传动来实现的。那么，这些元件本身存在着制造、安装误差，以及工作过程中的磨损所造成的误差。将引起传递与运动的不准确而影响工件的加工 精度。 例如，如图7-12所示，滚齿机分齿机构中各传动件制造、安装误差，会引起齿轮转角不均匀而产生分齿误差。 车床车削螺纹时，工件至传动丝杠间，各传动元件的制造、安装误差，将会引起加工螺纹的螺距误差。,图7-12,缩短传动链，减少传动元件数目。从而减少误差来源； 提高传动元件，特别是末端传动元件的制造和安装精度； 消除间隙，传动元件间的间隙会造成瞬时速度不均； 采用误差校正机构。如图7-13所示，车螺纹的误差校正机构。当瞬时刀具进给速度过快，则通过可转动螺母2在校正尺寸1的作用下，使其与丝杠间同向产生一个附加转动，从而使刀具恢复到准确的进给速度。反之亦然。,（2）提高机床传动精度的措施,图7-13,2、刀具、夹具的制造与磨损误差,1）刀具误差 （1）一般刀具（车刀、镗刀和刨刀等）其制造误差对工件加工精度没有直接影响； （2）定尺寸刀具（钻头、铰刀和拉刀等）其制造误差将直接影响工件加工精度。 （3）成形刀具（成形车刀或成形铣刀）其制造误差将直接影响工件的形状精度。 （4）刀具磨损将影响工件加工精度。如加工一根长轴时，车刀磨损将使轴产生锥度。调整法加工时刀具磨损将使一批工件产生尺寸分散。,（5）成形刀具的磨损将引起被加工表面的形状误差。 2）夹具的制造及工件的安装误差 （1）夹具误差 组成夹具各元件的制造误差及夹具中定位元件间的位置误差将会产生定位误差，使被加工零件产生加工误差。 （2）工件安装误差 工件的定位、夹紧不当，会使工件偏离正确位置而产生加工误差。,（三）工艺系统受力变形对加工精度的影响,1、基本概念 机械加工时，在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力的作用下，工艺系统将产生相应的变形和振动。这种变形和振动破坏了工件和刀具之间的准确位置与速度关系，也破坏了切削过程的稳定性。从而造成了被加工零件的各种误差及表面粗糙度。例如，在加工细长轴时，在切削力作用下，工件因弹性变形产生“让刀”现象，中部变形最大，切深最小，而两端变形最小，切深减小不大，而车出轴的外圆柱面呈腰鼓形误差。如图7-14所示。为反映工艺系统受力变形对加工精度的影响，下面引入一个重要概念工艺系统刚度。,图7-14,由材料力学知，任一物体在外力的作用下，总要产生变形，其变形量Y的大小与外力P和物体本身的刚度有关。如图7-15所示，即：,图7-15,对与由多个零部件组成的工艺系统来讲，其受力变形将是复杂地。 以车外圆为例，如图7-16所示：切削力Fr是一个空间力，刀架部件在Fx、Fy、Fz各切削分力作用下产生相应的变形。 Fy-将使刀架部件主要产生Y向（法向）的变形位移； Fx、Fz-两个切削分力将使刀架部件产生弯曲和扭转变形，而间接产生法向（y）的变形位移。,图7-16,因此，刀架部件总的变形，应是有Fx、Fy、Fz三个切削分力综合作用的结果。为切实反映工艺系统刚度对加工精度的影响，把工艺系统刚度定义为：加工表面Y向（法向力）切削分力Fy与在各切削分力作用下所产生Y向（法向）综合变形Y综之比。 即 2、机床部件受力变形的特点 在工艺系统中，只有工件和和刀具一般是简单构件，其刚度及变形问题是一般的材料力学问题；但对于机床及刀架部件来讲，则是有许多零件组成的复杂,图7-17,构件，其刚度及变形问题将是十分复杂地。 例如刀架部件，如图7-17所示：为便于计算，可以将其简化为99×90×200mm³的铸铁悬臂梁，对其刚度进行粗略计算。由材料力学公式，,这说明，由许多零件组成的构件其刚度与变形与简单构件相比差别较大。具体原因有以下几个方面： 接触面间存在接触变形（接触变形与受力不是线性关系）； 薄弱零件本身的变形则较大； 间隙的影响。构件由于装配间隙的影响，将产生较大的变形。 3、工艺系统刚度算式 设工艺系统受力总变形为Y系，各组成部分的变形为Y机床（Y头架、Y尾架）、Y刀架、Y工件、Y夹具。 则,4、工艺系统刚度对零件加工精度的影响,1）切削力引起的加工误差 （1）切削力着力点位置变化对加工精度的影响 如图7-18所示：在车床上采用双顶尖装夹车外圆（不考虑工件的变形）。加工时，当刀架距床头顶尖X处，在切削力Fy的作用下，作用在 床头顶尖、床尾顶尖 上的分力为：,在切削点X处的工艺系统变形为：,刀架的变形为：,工艺系统总变形为：,在该力作用下，床头、床尾处的变形分别为：,工艺系统刚度为：,例：设Fy=300N、K头架=6×104N/mm、K尾架=5×104N/mm、K刀架=4×104N/mm，试求沿工件长度上工艺系统变形，及引起的圆柱度误差。 解：由,圆柱度误差：0.0135-0.0103=0.0032mm，呈双曲线形状误差。 如图7-19所示：,例：车细长轴。设Fy=300N,工件尺寸为30×600mm,E=2×105N/mm²,I=0.0491d4，床头、刀架、夹具的变形忽略不计。试计算工件各点的变形量及圆柱度误差。 解：由公式,图7-19,工件的圆柱度误差为：0.17-0=0.17mm。为对称腰鼓形误差。如图7-20所示：,图7-20,（2）切削力大小变化的影响 在加工过程中，由于工件的加工余量不均或工件材料的硬度不均，将引起切削力大小的变化，导致工艺系统受力变形随切削力大小的变化而变化，造成加工误差。 如图7-21所示，,由于工件加工前存在圆度误差，在切削时，切深将不一致（ap1ap2），因此工艺系统的受力变形量也不一致（y1y2），这样，在加工后，工件上仍留有较小的圆度误差。把工件加工前的误差 前，以类似的形状反映到加工后的工件上去的这一规律，称为误差复映规律。 误差复映的程度是以误差复映系数表示的。由于1、2、3-都小于1，随着走刀次数的增加，工件上的误差将逐次减小，n次走刀后，工件上的误差：,一般23次走刀后，加工误差也就降低到尺寸公差允许的范围内。 2）夹紧力引起的加工误差 当工件的刚度较差时，因夹紧时的变形所引起的加工误差是影响加工精度的主要问题。如图7-22所示,图7-22,3）离心力（或惯性力）对加工精度的影响 在加工过程中，高速回转的零部件（夹具、工件、刀具）的不平衡，将产生离心力FQ，FQ在每一转中不断改变方向，它在y（法向）分力大小的变化，将会使工艺系统的受力变形也随之变化，从而产生加工误差。如图7-23所示,图7-23,例：当毛坯重力W=100N，主轴转速n=1000r/min,不平衡质量m，到旋转中心的距离（偏心距）=5mm，工艺系统刚度K系=3×104N/mm,试计算在半径方向上的加工误差。,解：离心力,如图7-24所示，根据力矩平衡条件： M-工件转动时需克服的磨擦力矩 -传动力臂长度 传动力FC在Y方向上的分力： 加工后的工件形状如图7-25所示： FCY与FY有时同向，有时反向。 导致切削力的不相等，从而引起 工艺系统在两个方向上的变形不相等，使工件产生加工误差。,5）机床部件自重引起的加工误差 如图所示，摇臂钻床。由于摇臂和其上主轴部件的重量，将引起机床有关部件变形，使主轴回转轴线与工作台不垂直，因而，会造成钻孔轴线的倾斜。,5、提高工艺系统刚度的措施 1）在机床结构上 对于机床部件自重的影响如图7-26所示摇臂钻床，在立柱内加偏心套或使摇臂略向上倾，则可以补偿了主轴箱摇臂自重而下垂引起的加工误差。,图7-26,2）提高接触刚度 机床及各部件都是由许多零件装配而成的，提高各零部件间 接触刚度则可以提高其整体刚度。例如通过提高各零部件接触面的加工形状精度，降低表面粗糙度，并预加载荷，消除配合间隙。都能提高各装配连接面的接触刚度。,3）设置辅助支承提高机床或工件的刚度 （1）为提高六角车床刀架刚度常设置辅助支承，如图7-27所示。,（2）加工细长轴 加中心架、跟刀架均可提高工件加工时的刚度。如图7-28所示。,4）采用合理地装夹方法减小装夹变形,薄壁钢套采用刚性开口环夹紧或端面夹紧，则可以减小装夹变形。如图7-29所示。 薄板磨削时，可用环氧树脂粘贴在磨床工作台面上，代替电磁工作台吸紧。 如图7-30所示。,（四）工艺系统受热变形对加工精度的影响 工艺系统在各种热源的影响下，将产生变形。从而改变了各部件间的相对位置，造成加工误差。 1、工艺系统热源 1) 切削热 在加工过程中，切削层金属的变形、刀工、刀屑之间的摩擦，将会产生大量的热。这些热量传入工件和刀具，并由切屑和冷却液带到机床的其它部位，形成次生热源。,2）摩擦热 机床在工作状态下，各运动副，如齿轮副，丝杠丝母、导轨副之间的相对运动，由于摩擦的存在，均要产生摩擦热。 3）环境温度及幅射热 环境温度：冬、夏，白天、夜晚及室内不同位置将会产生温差变化。 幅射热：日光、灯光、取暖设备、人体均会产生幅射热。 2、热变形引起的加工误差,1）工件热变形引起的加工误差 工件均匀受热，将引起工件体积的均匀膨胀。如轴零件均匀受热。轴向伸长为：L=×L×t 径向变形为：d=×d×t 式中:-工件材料的线膨胀系数。 t-工件的温升。 工件受热不均，如磨削板类零件的上平面，由于工件单面受热，就会在磨削过程中产生向上的翘曲变形y，磨削后冷却则造成中凹的形状误差。其中凹量的大小，可根据下图7-31所示的几何关系求出。,由于中心角很小，故中性层的弦长可近似为原长L，于是 作AE/CD，BE可近似等于L的热伸长量L，则BE L =×(2-1)×L= × × L,图7-31,机床热变形引起的加工误差 对于车床，由于主轴箱各轴系部件轴承、传动副的摩擦热及油池发热，将造成主轴的抬高及倾斜； 对于大型机床，如导轨磨床，龙门铣床若床身上面温度升高，将使床身产生弯曲变形，呈中凸形，在被加工零件上产生形状误差。,3）刀具热变形引起的加工误差 在切削加工过程中，传入刀具的热量虽然很少，但刀具的体积小，热容量小，故有相当程度的温升，引起刀具的热伸长并造成加工误差。 以车刀为例，开始时刀具的热伸长量增长较快，随后趋缓，最后达到热平衡。伸长量由下式计算：,tc时间常数（s）,其值与刀具质量m、比热c、截面面积A及表面放热系数s有关。根据实验tc=180-360 s。 由于刀具在切削过程中磨损的存在，与热伸长量基本抵消，总体对加工精度影响不大。 4）环境温度的影响 环境温度对一般精度的加工来讲影响不大，而对于精密加工其影响则不可忽视。因此，坐标镗床、精密磨床均安装在恒温车间，以减少环境温度变化对机床精度的影响而产生的加工误差。,3、减少工艺系统热变形的措施 1）在结构上采取措施 （1）注意结构的对称性，在变速箱的结构中，注意传动元件安放的对称性，这样可以均衡箱壁的温升而减少变形。机床大件的结构和布局，应尽量采用热对称结构，例如，双立柱式结构的机床主轴相对于工作台的热变形就比单立柱式结构的小得多。,（2）合理安排支承的位置 使产生热变形对加工精度由直接影响的零件的有效部分缩短，以减小热变形对加工精度的影响。如图7-32所示，控制砂轮架位置的丝杠的有效长度把L缩短为L1，故热变形小，产生的加工误差也小。,图7-32,（3）均衡机床零部件的温度 当机床零部件的温升均匀时机床处于一种热稳定状态，其热变形较小。因而应注意改进机床零件的结构，使其温升均匀。如图7-33所示的M7150A型卧轴磨床，床身较长，加工时工作台纵向运动速度较快，由于摩擦的原因，产生“上热下冷”的现象而造成导轨中凸，为了减小这种热变形误差，采用了下图所示的“回油循环热补偿”的方法，利用油箱热油回流床身下部，使床身下部的温升提高，减小床身上、下温差。使其变形减小。,（4）减小发热和隔热 为了减少机床的发热，在机床设计时，凡是有可能 从主机中分离出去的热源最好与主机分离。如电动 机、液压装置、油箱等部件均应分离出去。对于不能分离出去的，如主轴承、丝杠副、摩擦离合器等部件，应改善其摩擦特性以减少发热。,对电动机、液压装置、油箱等部件不能从主机中分离出去时，可以采用隔热材料将其与主机隔开。例如T4163B型单柱坐标镗床立柱的热变形问题，就是采用加隔热罩的方法来解决的。 （5）强制冷却以控制温升 为了消除机床内部热源的影响，还可以采用强制冷却的方法，如强制空气冷却、水冷、循环润滑油冷却等。均可以控制温升，以减小变形。,2）从工艺上采取措施 （1）精加工前，应当让机床空运转一段时间，等到达到热平衡后再加工。 （2）在安排机床的区域内，应尽量保持稳定的环境温度，精密机床不允许阳光直接照射。 （3）在加工大型精密零件时，不允许中途停车，应连续加工完毕。 （4）对于精密机床如坐标镗床、螺纹磨床等应采取恒温措施。 （五）工件内应力对加工精度的影响 1、内应力的概念及特点,1）内应力的概念 引起工件内部应力的原因去除以后，工件内部仍存在有应力，这种内部应力称为残余应力。 2）特点 始终要求处于平衡状态，外部因素发生变化，内应力就会重新分布； 随着时间的推移，会逐渐减小，直到自行消失； 残余应力的重新分布或自行消失都会引起工件的变形。,2、产生内应力的原因及对加工精度的影响 1）毛坯制造过程中产生的内应力 在毛坯的铸造过程中，由于工件毛坯的结构复杂或各部分的壁厚不均，在浇铸后的冷却过程中，会造成坯件各部分的冷缩速度不相同及金相组织在不同温度下的变化，产生内部的相互牵制，从而使得工件内部产生相当大的内应力。 例如图7-34所示的机床床身的铸造，由于上面的床腿及下面的导轨面冷却较快，而中间部分冷却较慢，继续冷却收缩时，受到外层的限制，则在内层产生拉应力；在外层产生压应力，,处在暂时的平衡状态。加工时，切掉一部分残余应力层，将引起残余应力重新分布，造成床身的变形。 2）切削过程中产生的内应力 在切削过程中，由于力与热的作用，使工件表层产生塑性变形并相应产生残余应力，造成加工后工件的变形。,图7-34,3）冷校直产生的残余应力 丝杠类细长轴加工后，因在毛坯轧制时产生的残余应力的重新分布，而产生弯曲变形，为纠正这种弯曲变形，常采用冷校直的方法。但校直后内部仍存在有残余应力，再次加工或残余应力重新分布冷校直后的丝杠仍会产生新的变形。,图7-35,因此，高精度的丝杠加工，不允许采用冷校直而是采用人工时效的方法来消除残余应力。如图7-35所示： 2减小或消除残余应力的措施 1）合理设计零件结构，尽量减少尺寸差异，以减少在毛坯制造阶段的残余应力； 2）采取时效处理 自然时效、人工时效是消除残余应力的有效措施。自然时效一般时间较长；人工时效包括热时效和人工振动时效。其中人工振动时效方法简单，节约能源，没有氧化皮，残余应力消除彻底，是近年来普遍采用的方法。,第二节 加工误差的统计分析,前面对影响加工精度的各种因素进行了分析，相应也提出了保证加工精度的措施。但上述的不过是单因素分析法。在生产实际中，影响加工精度的因素往往是错综复杂的，有时很难用单因素法来分析因果关系。而需采用数理统计的方法找出解决问题的途径。 一、加工误差分类 按其统计性质的不同可分为系统误差和随机误差两大类。,（一）系统误差 1、常值系统误差 加工的一批零件中，所产生的大小和方向都保持不变的误差称为常值系统误差。例如加工原理误差、机床、夹具、刀具的制造误差及工艺系统受力变形等都属于常值系统误差。 2、变值系统误差 加工一批零件中，所产生的大小和方向都按一定规律变化的误差，称为变值系统误差。如机床、夹具、刀具等在热平衡前的热变形，刀具的磨损等都属于变值系统误差。,（二）随机误差 加工一批零件中，所产生的大小和方向不同且无规律变化的误差，称为随机误差。如毛坯的尺寸误差，定位、夹紧误差，残余应力引起的加工误差。 二、加工误差的统计分析方法 （一）分布图法 1、实际分布图-直方图 在同一工序中加工出的一批零件，由于误差的影响，其尺寸的实际值必然大小不一，那么，把加工完的一批n个零件的尺寸全部测量出来，,然后按一定的尺寸（大小）间隔分成若干组；组内同一尺寸间隔范围内的零件数量称为频数，用m表示；把 叫频率。若以m或 为纵坐标，零件尺寸间隔（中值）为横坐标，即可画出该工序加工出一批n个零件加工尺寸的实际分布图-直方图。如图7-36所示：,图7-36,直方图直观地给出了加工尺寸的分布情况，但不能方便地对加工误差进行分析研究；为便于对加工误差进行分析研究，以理论正态分布曲线，代替实际的分布图，这样就可以按正态分布的基本规律去分析研究实际加工精度问题。 2、正态分布曲线及其特点 1）正态分布方程式,式中：y-分布密度（概率密度），代表实际分布曲线时为 X-分布曲线的横坐标（表示工件尺寸）； 算术平均值，表示工件尺寸的平均值；,e-自然对数（e=2.7182）； -圆周率;,2)正态分布曲线的特点 (1)曲线以 直线为轴左右对称呈钟形。如果改变 值,则分布曲线将沿横坐标平行移动,其曲线形状不变。 如图7-37所示：,图7-37,当 时,曲线有极大值 因为曲线的纵坐标y表示分布曲线的分布密度,所以要用频数m表示纵坐标,则:,(2)分布曲线与横坐标所围成的面积包括了全部零件的数量(100%),其面积等于1; 其中在确定 范围内的 面积占99.73%, 仅有0.27%的工件在 之外可以忽略不计。因此正态分布的分散范围为 (3)如果 不变只改变 值,则曲线形状改变。但曲线所包围的面积不变,始终为1。所以当值愈小,曲线愈陡峭,尺寸分散范围就愈小,加工精度就愈高；反之则曲线愈平坦,尺寸分散范围就愈大,加工精度就愈低。如图7-38所示：,图7-38,3、分布曲线的应用 1) 确定各种加工方法所能达到的精度等级 由于各种加工方法，在随机性因素的影响下所得加工尺寸的分散规律符合正态分布。因而可以在多次统计分析的基础上,为每一种加工方法求得它的标准 值。然后按尺寸分散范围为6 的规律,即可确定各种加工方法的精度等级。,2) 判断工艺能力 工艺能力系数:,图7-39,3) 确定工件尺寸的合格率和废品率 如图7-39所示：如果尺寸分散范围大于零件 的公差带T，将有废品产生。 如图所示，在曲线下面 C、D两点间的面积代表 合格品的数量，而其余 部分（图中阴影部分） 表示废品的数量。当加工外圆时，图左边的阴影部分为不可修废品，右边的阴影部分为可修废品。,加工孔时，则恰恰相反。对于某一规定的x范围的曲线面积，可由下面的积分式求得：,在一定的Z值时，函数(Z)的数值等于加工尺寸在x范围的概率。,各种不同Z值的(Z)值 见下表。,4、利用分布曲线法分析加工误差举例 在自动车床上加工一批滚子，直径为 ，取其中25个工件，每个零件的尺寸测量结果如下： 现利用分布曲线法分析其加工误差 1）绘制尺寸的实际分布图或直方图 （1）收集数据 本例取25件，找出最大值Xmax=18.05,最小值Xmin=17.89 （2）确定尺寸的分散范围（R）,（4）确定组的边界值 一般从全部数据中最小值一端开始，取最小值减去二分之一组距的位置，定为下边界值。本例中最小值为17.89，二分之一组距为0.01，则下边界值为17.89- 0.01= 17.88。然后再顺序加上组距，即得第二组、第三组、-的边界值。但最后一组应包含该批数据的最大值。 （5）确定组中值（即尺寸间隔中间值）Xi （6）求频数mi计算每组中包含的零件数 （7）求平均尺寸 （8）记录各组数据，整理统计数据表如下表。,（9）求均方根偏差 （10）求曲线的最大纵坐标及拐点的纵坐标,（11）根据上述计算结果，可绘出滚子的实际分布图或直方图如图7-40所示。,（12）判断工序能力 工艺能力系数 所以不能保证加工精度，易出现废品。 （13）计算工件的合格率和废品率 在计算工件的合格率和废品率之前，应先确定工件的公差带中心与分布曲线中心是否重合。如重合则面积F1、F2相等，本例中，工件的公差带中心与分布曲线中心不重合，相差0.005mm,故应分别计算F1、F2。,合格率为：0.3944+0.4332=0.8276=82.76% 废品率为：1-0.8276=0.1724=17.24% 其中可修复的废品为：0.5-0.4332=0.0668=6.68% 不可修复的废品为：0.5-0.3944=0.1056=10.56% 5、分布曲线法分析加工误差的优缺点 1）优点 （1）可判断一个工序能否满足加工要求，及加工零件的合格率和废品率； （2）可判断产生废品的原因是常值系统误差还是随机误差。 2）缺点 （1）不能反映工件的先后加工顺序； （2）不能把变值系统误差同随机误差区分开来； （3）不能反映工件在加工过程中误差的变化规律，也不能,图7-41,图7-42,（1）计算各组的平均值 和极差R （2）计算总平均值和极差的平均值,（3）确定各控制线 对于 图 对于R图 （4）在方格线纸上画 出 如图7-43所示。,（5）计算工序能力系数,图7-43,（6） 的观察分析 由于 能够满足加工要求。 （I）从 图看出，A、B两处共有5个点子超出上控制线Ks，C、D两处共有4个点子超出下控制线Kx，说明工艺过程在该处出现了异常变化，应查明问题及时解决； （II）在R图中有E、F两点在Ks线以上，可以判断本工序是不稳定的。 3）点图分析法特点 （1）平均值线（中心线）反映出每一瞬时尺寸的分散中心，其变化反映了变值系统误差随时间的变化规律； （2）中心线的起始点，则可以看出常值系统误差的大小和影响； （3）上下控制线的宽度反映出每一瞬时尺寸的分散范围， 即随机误差随时间的变化规律。,三、保证和提高加工精度的途径 1、直接消除或减小加工误差 查明产生加工误差的主要原因以后，设法直接消除或减小之。如车削细长轴，进给抗力Fx和切深抗力Fy，都会使轴在加工过程中弯曲，Fy引起的弯曲可以采用加跟刀架预以消除；而Fx引起的弯曲则可以采用反向走刀切削法，车床尾架装浮动顶尖，可以有效减小加工过程中工件热深长的影响。如图7-45所示：,图7-45,2、误差补偿法 人为制造一种新的误差，去抵消存在的误差。如前所述摇臂钻床，预先制造使摇臂上倾的误差，以抵消因主轴箱，摇臂自重下垂的误差。 3、转移误差法 把误差转移到不影响加工精度的部件或方向上去的方法。如镗模法镗孔，就是把主轴的回转误差，转移到不影响加工精度的浮动连轴器上去的。 在六角车床刀具调整中，将刀具垂直安装，这样就使六角转塔的转位误差转移到不影响加工精度的方向上去了，如图7-46所示：,图7-46,4、“就地加工法” 自己加工自己。如车床主轴孔与尾架顶尖孔有较高的同轴度，分别加工不易保证，那么在主轴孔安装刀杆镗削尾架顶尖孔，则易于保证加工精度。5、误差抵消法 利用误差本身的规律性，部分或全部抵消所造成的加工误差。如由于铣床主轴轴线于工作台面的垂直度误差，造成加工表面下凹的形状误差，采用铣刀轴线横向多次移位走刀加工，由于多次移位走刀，使下凹的形状误差得到部分抵消。如图7-48所示：,6、误差均化法 利用有密切联系的表面，进行互检互研，使加工误差得到均化。如检验平台的研磨，就是采用误差均化法得到的。 7、控制误差法 现代机械加工中，采用自动跟踪测量、自动补偿，直至达到规定的尺寸公差值。如闭环控制的数控机床加工，就是采用控制误差法获得加工精度的。,图7-48,第三节 机械加工表面质量 一、表面质量的基本概念 加工零件时，不仅要求应具有一定的加工精度，而且也应具有一定的表面质量。通常表面质量应包括以下两个方面的内容： （一）表面粗糙度 指经机械加工的零件表面产生微小的峰谷的高低程度和间距所组成的微观几何形状特性。其评定参数主要有高度评定参数Ra、Rz、Ry。 （二）表面物理机械性能 1、表面冷硬程度和深度 由于加工中受到挤压使表面的显微硬度增加，这种现象称为冷作硬化或冷硬现象。冷硬厚度一般为0.050.20mm。,2、表面层的金相组织变化 切削区温度升高到金相组织变化的临界点时，工件表面层就会产生金相组织变化。特别是磨削时，切削区温度高达8001000ºC，极易产生金相组织变化或烧伤现象。同时还伴随产生残余应力。 3、零件表面层残余应力 由于加工过程中，切削层金属在力与热的作用下，而产生残余应力。,二、表面质量对零件使用性能的影响 （一）表面质量对零件耐磨性的影响 表面粗糙度大的表面，在相互接触时只是少数微观凸峰相接触，实际接触面要比理论接触面小得多，接触应力大，当两个接触面有相互运动时，接触处的凸峰就产生了弹性变形、塑性变形和剪切、而造成严重的磨损。因此，一般情况下，表面粗糙度小的表面，耐磨性好。表面粗糙度过小，则表面不能储存润滑油，使接触面产生“粘合”现象，反而使磨损加剧。 一定程度的冷硬层可提高表面的耐磨性，而加工时高温产生的回火组织将会降低零件表面的耐磨性。,（二）表面质量对零件疲劳强度的影响 粗糙的表面，在交变应力作用下，易产生应力集中而降低零件表面质量对零件疲劳强度；残余压应力由于与外载荷产生的拉应力方向相反，抵消部分拉应力，因而可提高零件表面的疲劳强度；而残余拉应力则降低零件表面的疲劳强度。 （三）表面质量对零件配合性质的影响 无论那一类配合粗糙的表面都会影响配合性质的可靠性和稳定性。如间隙配合，粗糙的表面，由于接触时只有少数微观凸峰相接触，接触应力大，微观凸峰会早期被磨除，使配合间隙过大。 表面残余应力，重新分布或消失，会使零件产生变形，从而影响配合的可靠性。,（四）表面质量对零件表面耐腐蚀的影响 粗糙的表面，其凹部易储存腐蚀介质，特别是在表面裂纹中作用严重。腐蚀过程往往是通过凹谷处的微小裂纹向金属内部进行，直至侵蚀的裂纹扩展相交时，表面的凸峰从表面上脱落而又形成新的凹面，此后侵蚀的作用重新进行。因此，表面越粗糙，凹处越尖，就越容易被腐蚀。一般粗糙度小，表面光洁其耐腐蚀性越好。,三、影响表面质量的因素 （一）刀具切削加工的影响 切削加工后的表面粗糙度，是由刀具切削刃相对工件运动，在已加工表面上遗留下来的切削层的残留面积形成的。切削层残留面积的高度越大，表面越粗糙。影响切削加工后表面粗糙度的因素，包括刀具几何参数、切削用量、工件材料性质、工艺系统刚度及冷却液性能等。,1、刀具几何参数 对于车削，主要是刀刃直线部分形成的表面粗糙度，可由下图7-49的几何关系导出。 如切削深度和进给 量都较小时，则 加工后表面粗糙度，主要是由刀尖圆弧部分形成的。如图所示，凹谷深度H与刀尖圆弧半径r的关系如下：,图7-49,从上述几何关系式可以看出，不变时，减小刀具的主偏角Kr、副偏角Kr'，就可以减小表面残留面积的高度值H； 增大刀具前角可以减小刀具前刀面挤压切削层金属的塑性变形；增大刃倾角s可以使刀具实际的前角加大，因而，也可以降低表面粗糙度。 2、切削用量 进给量的影响，从上式可以看出， 的影响是比较明显地，切削速度越高时，进给量越小，表面粗糙度值越小。,图7-50,切削速度对表面粗糙度的影响如图7-50所示，切削塑性材料时，切削速度很低或很高，不易产生积屑瘤；切削速度愈高，切削中的切屑、加工表面的塑性变形程度也就愈小。,因此，表面粗糙度值就减小。当=0.161.3m/s时，容易产生积屑瘤，表面较为粗糙。切削脆性材料时，不产生积屑瘤，,故切削速度对表面粗糙度值影响很小，但增大时，切屑与已加工表面分离处的崩碎范围会减小，因而表面粗糙度值也会相应减小。 3、其它方面 当切削脆性材料时，切屑呈碎粒状，加工表面往往会出现微粒崩碎痕迹，留下许多麻点，增大了表面粗糙度；冷却润滑液具有降温减摩作用，有利于降低表面粗糙度；工艺系统振动对表面粗糙度也有一定的影响。减弱或消除工艺系统振动可有效降低表面粗糙度。 （二）磨削加工对表面粗糙度的影响 磨削机理与切削机理不同，因而对表面粗糙度的影响也不相同。,1、砂轮工作表面的几何形态 由磨削机理知，砂轮磨料的粒度越细，在单位时间内，通过工件单位面积上的磨粒数越多，,图7-51,在工件表面上的磨痕就越细密，表面粗糙度值也就越小。如图7-51所示，给出了砂轮磨料的粒度与表面粗糙度之间的关系。但过细的砂轮磨料粒度，磨削时易堵塞砂轮表面，反而降低了砂轮的切削性能，磨削热增加，使工件表面层出现烧伤及裂纹。所以磨削时要选择合适的，砂轮磨料的粒度。,2、磨削用量 包括砂轮线速度sh、工件圆周进给线速度、切削深度ap、纵向进给量等要素。提高砂轮线速度，通过工件单位面积上的磨粒数越多，因而，表面粗糙度值就越小。同时可提高生产率。 增加工件速度、切削深度和进给量时，将使磨削表面塑性变形程度加剧，而增大表面粗糙度。其影响关系如下图7-52所示：,图7-52,二、影响表面物理机械性能的因素 （一）影响表面冷硬程度和冷硬深度的因素 1、刀具 刀具刃口圆角的增大及后刀面的磨损增加，都会增加切削层金属的塑性变形，因而会增大表面冷硬程度和冷硬深度。 2、切削用量