{品质管理品质培训}机械加工质量分析与控制讲义

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1、,机械加工精度,机械加工质量分析与控制,产品质量是企业的生命线 按现代质量观它包括设计质量、制造质量和服务质量 零件制造质量是保证产品质量的基础,一、加工精度的基本概念 加工质量指标分加工精度和加工表面质量 加工精度指零件加工后实际几何参数(尺寸、形状和位 置)与理想几何参数相符的程度。符合程度愈高，加工精 度愈高。实际值与理想值之差称为加工误差。,零件的加工精度包括 尺寸精度、形状精度、位置精度 通常尺寸精度要求高,形位精度要求也越高,常用加工误差的大小来评价加工精度的高低 加工误差越小，加工精度越高,获得加工精度的方法 （1）获得尺寸精度的方法 1）试切法 用于单件小批生产 2）调整法 用

2、于成批大量生产 3）定尺寸刀具法 生产率高，刀具制造复杂 4）自动控制法 切削测量补偿调整,（2）获得形状精度的方法 1）轨迹法 利用刀尖运动轨迹形成工件表面形状 2）成形刀具法 由刀刃的形状形成工件表面形状 3）展成法 由切削刃包络面形成工件表面形状,（3）获得相互位置精度的方法 主要由机床精度、夹具精度和工件的装夹精度来保证,二、影响加工精度的因素,1. 原始误差 零件加工的误差是由于工件与刀具在切削过程 中相互位置发生变动而造成。工件和刀具安装在 夹具和机床上，工件、刀具、夹具、机床构成了 一个完整的工艺系统。工艺系统的种种误差，是 造成零件加工误差的根源，故称之为原始误差。,原始误差,

3、加工前误差,加工中误差,加工后误差,调整误差,机床误差,刀具制造误差,夹具误差,加工原理误差,工件装夹误差,工艺系统受力变形,刀具磨损,残余应力引起变形,测量误差,工艺系统热变形,.工艺系统的几何误差,（1）加工原理误差 近似的成形运动或刃形所产生的误差，多为形状误差,（2）机床的误差 1）主轴回转误差 主轴回转误差概念 主轴回转时实际回转轴线与理想回转轴线的偏移量 三种基本形式： a. 纯径向跳动 b.轴向窜动 c.纯角度摆动, 影响主轴回转精度的主要因素 轴承本身误差、轴承间隙、轴承间同轴度误差，各段轴 颈、轴孔的同轴度误差主轴系统的刚度和热变形等。 但它们对主轴回转精度的影响大小随加工方

4、式而不同,主轴采用滑动轴承的车床类，主轴受力方向一定，主轴颈 圆度误差影响较大，轴承内径圆度误差没影响,镗床主轴受力随镗刀旋转方向不断变化轴承孔误差影响大,滚动轴承结构复杂，影响主轴精度因素也较复杂,除轴承本身精度外，与配合件精度有很大关系如主轴轴 颈、支承座孔等精度,产生轴向窜动主要原因是主轴轴肩端面和轴承承载端面 对主轴回转轴线有垂直度误差。,主轴不同形式的回转误差引起的加工误差不同 车床上加工外圆内孔时，主轴径向跳动引起工件圆度和 圆柱度误差，对工件端面无影响； 轴向窜动对圆柱表面影响不大，对端面垂直度平面度影 响大，车削螺纹时会造成导程的周期性误差； 纯角度摆动会造成车削外圆或内孔的锥

5、度误差； 在镗孔 时，会镗出的孔为椭圆形。,纯角度摆动会造成车削外圆或内孔的锥度误差；在镗孔 时，若工件进给会使镗出的孔为椭圆形。,提高主轴及支承座孔的加工精度，选用高精度轴承，提高 主轴部件装配精度、预紧和平衡等，提高主轴回转精度。,2）机床导轨误差 导轨精度要求主要有以下三方面： 在水平面内的直线度（以卧式车床为例）,1将直接反映在工件加工表面法线方向（误差敏感方向） 上，误差R =1 ，对加工精度影响最大。 刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。, 在垂直面内的直线度 对工件的尺寸和形状误差影响比1小得多,对卧式车床R 22/D 若设2= 0.1mm,D=40mm，则 R =0.

6、00025mm，影响可忽略不计。 而对平面磨床、龙 门刨床误差将直接反映在工件上。,导轨在垂直面内的直线度的特殊情况为斜坡状， 加工的工件轴向形状为鞍形。, 前后导轨的平行度（扭曲） 卧式车床或外圆磨床若前后导轨存在平行度误差时， 刀具和工件之间相对位置发生变化，刀尖运动轨迹是一 条空间曲线，使工件产生形状误差。 若扭曲误差为3,工件误差R(H/B)3 ，一般车床 H/B2/3，外圆磨床H/B1，误差对加工精度影响很大,除导轨制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也 是造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降 的主要原因之一。可采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴 塑导轨、滚动导轨导轨表面淬

7、火等措施。,）机床传动链误差 指机床内传动链始末两端的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。产生的原因 是传动链中各传动元件的制造误差、装配误差及磨损等。,若传动齿轮 i 在某一时刻产生转角误差为i，则它所 造成传动链末端元件的转角误差：wi =Ki i Ki 为该轴到末端元件的总传动比，称为误差传递系数， 若Ki大于1则误差被扩大；反之，若Ki小于1误差被缩小。 各传动件对工件精度影响的总和为： = wi= Ki i,减少传动链误差的措施：, 尽可能缩短传动链，减少传动元件数目； 尽量采用降速传动，误差被缩小； 提高传动元件、特别是末端元件的制造和 装配精度； 消

8、除传动间隙； 采用误差补偿机构或自动补偿装置。,（3）刀具的几何误差 包括刀具切削部、装夹部的制造误差及刀具安装误差, 定尺寸刀具 刀具尺寸精度直接影响工件尺寸精度 成形刀具 刀具形状精度直接影响工件形状精度 展成刀具 刀刃形状精度会影响工件加工精度 一般刀具 制造精度对工件加工精度无直接影响,（4）夹具的几何误差 包括夹具制造误差、安装误差及磨损 对工件尺寸精度和位置精度影响很大,（5）定位误差 包括基准不重合误差、定位副制造不准确误差 直接影响工件的尺寸精度和位置精度,（6）调整误差 在工序的调整工作中所存在的误差即调整误差 一次调整后存在的误差对这一批零件的影响是不变的。 但大批量加工中

9、存在多次调 整，不可能每次完全相同。 对全部零件来说，每次调整 误差为偶然性误差。机床调 整误差可理解为零件尺寸分 布曲线中心的最大偏移量。,加工中不产生废品的 条件：fb+tT,3.工艺系统的受力变形,（1）基本概念,（2）零件刚度 若零件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，其变形 对加工精度影响比较大，最大变形量按材料力学公式估算。 长轴两顶尖装夹按简支梁计算，三爪卡盘装夹按悬臂梁计算,（1）工艺系统刚度 工艺系统抵抗变形的能力可用工艺系统刚度 k系来描述。 垂直作用于工件加工表面的径向切削分力Fy与工艺系统在 该方向上的变形y之间的比值，称为工艺系统刚度 k系 k系= Fy / y 柔

10、度 w= 1/ k,（3）刀具刚度 外圆刀具在加工表面法线方向上的刚度很大变形可忽略； 镗小孔刀杆刚度很差，变形对加工精度影响很大，刀杆变 形按材料力学公式估算。,（4）机床部件刚度 机床部件刚度 机床结构形状复杂，刚度计算主要通过实验方法来测定。 变形与载荷不成线性关系； 加载与卸载曲线不重合； 有残余变形存在；实际刚度比估算的小,（5）工艺系统受力变形及其对加工精度的影响 1）工艺系统的变形 总变形 y系 = y机+ y夹+ y刀+ y工 k系= Fy / y系，k机= Fy / y机 ， k夹= Fy / y夹 ， k刀= Fy / y刀 ， k工= Fy / y工 所以， k系= 1/

11、(1/ k机+ 1/ k夹+ 1/ k刀+ 1/ k工) 工艺系统刚度比刚度最小环节的刚度还要差,2）工艺系统受力变形对加工精度的影响 切削力位置的变化对加工精度的影响 设刀具工件刚度很大 总变形 y系= y刀架+ yx,设刀具工件刚度很大 总变形 y系= y刀架+ yx y主=FA/k主=Fy(l-x) /(l k主)，y尾=FB /k尾=Fyx /(l k尾) y系= y刀架+ yx=Fy 当x = 0时， y系= ？;当 x = l 时， y系= ？ 当 x = k尾l /(k主+ k尾)时，y系min= Fy,若工件刚性较差应考虑其变形，按简支梁计算 y工= y系= y刀架+yx+y工

12、,讨论：,1. 在 x 处工件半径 Rx=R+ y刀架+yx+y工 半径误差R= Rx-R= y刀架+yx+y工= y系,2. 一次走刀中若 y系为常量，不会造成工件形状 误差和尺寸不一,3.若工件刚性大l/D5，可不考虑 y工， y系是 x 的二次函数 圆柱度误差 = ymax- ymin,4. 若工件为细长轴刚性很差，系统变形主要是工 件变形，当 x=l/2时， y工max=Fyl3/(48EI), 切削力大小变化对加工精度的影响,毛 = ap1 ap2 工 = y1 y2 误差复映系数=工 /毛 Fy=Cy f yapxHBSn =C apx C ap Fy1= C (ap1 y1 )

13、C ap1 Fy2= C (ap2 y2 ) C ap2,工 = y1 y2=(Fy1- Fy2)/k系 = (C ap1 C ap2) /k系 =工 /毛= C(ap1 ap2) /(k系(ap1 ap2)= C /k系,=工 /毛= C /k系 总是小于1，有修正误差的能力 多次进给=123 2. k系越大，就越小，复映到工件上的误差越小 3. C减小， 就越小，应采取减小Fy的措施,讨论：, 夹紧变形对加工精度的影响,工件刚性差（薄件、圆环）装夹不当会产生受力变形,机床部件、工件重量对加工精度的影响,其它作用力对加工精度的影响 传动力（拨杆）、离心力改变方向会使工艺系 统产生相应变形,3

14、）减少工艺系统受力变形的途径, 减小切削力及其变化； 提高系统中零件的配合质量； 缩短切削力作用点和支撑点的距离，设置辅 助支承提高部件刚度,4.工艺系统的热变形,工艺系统在各种热源的影响下会产生很复杂的变形， 导致工件产生加工误差,（1）工艺系统的热源 1）内部热源 包括切削热、摩擦热和派生热源,2）外部热源 包括环境温度、辐射热,（2）工件热变形对加工精度的影响 1）工件均匀受热 车镗轴套类零件圆柱面，长度及径向受热变形。 若在受热时测量达到规定尺寸，冷却后尺寸变小， 可能出现尺寸超差。 2）工件不均匀受热 铣、刨、磨平面等，工件单面受热产生弯曲变形 磨削细长轴时工件温生逐渐增加,（3）刀

15、具热变形对加工精度的影响,主要是主轴部件、床身导轨及两者相对位置的热变形,（4）机床热变形对加工精度的影响,（5）热变形的控制,（1）减少发热和采取隔热； （2）强制冷却，均衡温度场； （3）从结构上采取措施减少热变形； （4）控制环境温度。,5.工件内应力引起的变形,内应力产生的原因及消除措施 1、铸锻焊、热处理等因工件壁厚不均热胀冷缩不均及 金相组织变化等导致体积变化，毛坯产生内应力， 处于暂时平衡状态，切削时平衡状态被打破。 2、冷校直产生的内应力 可在热处理后进行时效 处理来消除残余应力。 常用人工时效、振动时 效和天然时效等方法。,工件若产生内应力处于不稳定状态会逐渐变形,三、加工误差的统计分析,1.,（1）加工误差的分类,1）系统误差 常值系统误差：原理机床刀夹量具制造调整误差 变值系统误差：机床刀具热变形、刀具磨损 2）随机误差: 误差复映定位夹紧操作误差内应力变形,对系统误差可循其规律加以调整或补偿来消除 对随机误差只能缩小其变动范围无法完全消除,（2）正态分布,1）正态分布的数学模型、特征参数和特殊点 正态分布曲线方程 两个特征参数： 算术平均值 x 和标准偏差,正态分布的特殊点, 处概率密度 函数有最大值 x= x处 为拐点,2） 标准正态分布 = 0，= 1 实际生产中为非标准 正态分布需转换 令 z =(x- )/,x,x,x,即图中阴影面积 可利