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1、第5章 机械加工质量分析与控制,机械加工精度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零件的机械制造质量包括：几何精度、表面层的物理力学性能第一节 机械加工精度一、机械加工精度的基本概念 1、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。符合程度越高，加工精度越高。一般机械加工精度是在零件工作图上给定的，其包括： 1）零件的尺寸精度：加工后零件的实际尺寸与零件理想尺寸相符的程度。 2）零件的形状精度：加工后零件的实际形状与零件理想形状相符的程度。 3）零件的位置精度：加工后零件的实际位置与零件理
2、想位置相符的程度。,2、加工误差：实际加工不可能做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。加工误差的大小表示了加工精度的高低。生产实际中用控制加工误差的方法来保证加工精度。 机械加工经济精度是指某种加工方法，在正常生产条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备、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。,3、原始误差由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统（简称工艺系统）会有各种各样的误差产生，这些误差在各种不同的具体工作条件下以各种不同的方式反映为工件的加工误差。,原始误差分类,4、误差敏感方向的概念 工艺
3、系统的原始误差是工件与刀刃间的相对位置改变时引起了加工误差。加工误差的大小，则决定于原始误差的大小和方向。,以在卧式车床上车削外圆为例，当存在着某种原始误差，使车刀在水平方向（即加工表面的法线方向）偏离正确位置 y时，在工件直径上产生的加工误差为： D=2R=2 y 而当车刀在垂直方向（即加工表面的切线方向）偏离正确位置z ，工件直径上产生的加工误差是 D=2R z 2/R0,图2,由于z 很小，且z R0，所以由z 引起的直径上的加工误差可以忽略不计。 由此可见，原始误差所引起的切削刃与工件间的相对位移，如果产生在加工表面的法线方向，则对加工误差有直接的影响；如果产生在加工表面的切线方向上，
4、就以忽略不计。加工表面的法线方向称之为误差的敏感方向。,5、研究机械加工精度的方法 研究机械加工精度的方法主要有分析计算法和统计分析法。分析计算法主要是分析各项误差单独的变化规律：统计分析法主要是研究各项误差综合的变化规律，且只适用于大批大量的生产条件。二、工艺系统几何误差1、机床的几何误差,机床制造磨损安装,主轴回转误差 导轨误差传动链误差,机床的几何误差组成,（1）机床主轴回转误差1）主轴回转误差的概念 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。 实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。由于主轴实际回转轴线
5、在空间的位置是在不断变化的，由上述三种运动所产生的位移（即误差）是一个瞬时值。2）影响主轴回转精度的因素 回转精度主要受主轴支承轴颈、轴承及支承轴承的表面精度影响。,图3 主轴回转精度的表现形式a）径向圆跳动 b）轴向窜动 c)角度摆动,（2）机床导轨误差 导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准，也是机床运动的基准。车床导轨的精度要求主要有以下三个方面：在水平面内的直线度；在垂直面内的直线度；前后导轨的平行度（扭曲）。,现以卧式车床为例，说明导轨误差是怎样影响工件的加工精度的。1）导轨在水平面内的直线度误差 当导轨在水平面内的直线度误差为Y 时,引起工件在半径方向的误差为（图4）,图4
6、导轨在水平面内的直线度误差对车削外圆的影响,R= Y,2）导轨在垂平面内的直线度误差 当导轨在水平面内的直线度误差为Z时,引起工件在半径方向的误差为（图5）,图5 导轨在垂直平面内的直线度对车削外圆的影响,R一般很小，忽略R2项得,由此可见，车床导轨在水平面内的直线度对加工精度的影响大，而在垂直面内的直线度误差影响甚小，可忽略。 除了导轨本身的制造误差外，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。,图6,导轨平行度误差对加工精度的影响是很大的。导轨在机床装配后，还要求导轨与主轴回转轴线平行，若有平行度误差，也会使工件产生形状误差。（3）机床传动链误差,在车螺纹、插齿、滚齿等加工时
7、，刀具与工件之间有严格的传动比要求。要满足这一要求，机床内联系传动链的误差必须控制在允许的范围内。,1）机床传动链误差定义 指传动链始末两端执行元件间相对运动的误差。2）机床传动链误差描述 传动链末端元件产生的转角误差。它的大小对车、磨、铣螺纹，滚、插、磨（展成法磨齿）齿轮等加工会影响分度精度，造成加工表面的形状误差，如螺距精度、齿距精度等。,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。采用定尺寸刀具、成形刀具、展成刀具加工时，刀具的制造误差会直接影响工件的加工精度；而对一般刀具（如车刀等），其制造误差对工件加工精度无直接影响。 任何刀具在切削过程中，都不可避免地要产生
8、磨损，并由此引起工件尺寸和形状的改变。刀具的尺寸磨损量 是在被加工表面的法线方向上测量的。刀具的尺寸磨损量 与切削路程l的关系如图7所示。,图7,刀具在误差敏感方向上的磨损对工件加工的尺寸精度影响较大如图8所示，这种磨损称为尺寸磨损。 对于普通外圆车削来说，尺寸误差 R就等于尺寸磨损M。当刀具切削路程为L（单位为m）时，刀具的尺寸磨损量M（单位um）为,式中： 0刀具的初期磨损量（um)；L0初期磨损的切削行程长度（m）K单位磨损量（um/m）3、夹具的几何误差,图8 刀具尺寸磨损对加工精度的影响,夹具的作用是使工件相对于刀具和机床具有正确的位置，因此夹具的制造误差对工件的加工精度（特别使位置
9、精度）有很大影响。 夹具误差包括：（1） 夹具各元件之间的位置误差； （2） 夹具中各定位元件的磨损。,如图9钻床夹具中，钻套轴心线f至夹具定位平面c间的距离误差，影响工件孔a至底面B尺寸L的精度；钻套轴心线f至夹具定位平面c间的平行度误差，影响工件孔轴心线a至底面B的平行度；,夹具定位平面c与夹具体底面d底的垂直度误差，影响工件孔轴心线a与底面B间的尺寸精度和平行度；钻套孔的直径误差亦将影响工件孔a至底面B的尺寸精度和平行度。,图9,课堂讨论,1、若镗杆进给，即镗杆既旋转又移动（图示），导轨误差对加工精度有无影响？,答：不会产生孔的形状误差，但会产生孔的位置误差。,2、镗床上镗孔时，工作台进
10、给（图示），即工件直线进给运动，镗杆旋转运动。导轨在水平面、垂直面内的直线度误差对加工精度有何影响？,答：孔径没有误差，有圆柱度误差。轴线不直。因为误差敏感方向不断变化。,三、调整误差 不同的调整方式，有不同的误差来源：1、试切法调整 试切法调整广泛用在单件、小批生产中。这种调整方式产生调整误差的来源有三个方面：（1）度量误差（2）加工余量的影响（如图10）（3）微进给误差2、按定程机构调整 在大批大量生产中广泛应用行程挡块、靠模、凸轮等机构保证加工精度。,图10,3、按样件或样板调整 在大批大量生产中用多刀加工时，常用专门样件来调整切削刃间的相对位置。 当工件形状复杂，尺寸和重量都比较大的时
11、候，利用样件进行调整就太笨重，且不经济，这时可以采用样板对刀。四、工艺系统受力变形引起的误差1、基本概念 机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降。,图11,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F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,即 K=Fp/y 式中：K静刚度（N/mm）F沿变形方向上的静载荷大小（N） y静变形量（mm）上式中的y不只是由径向切削分力Fp所引起，垂直切削分力Fc与进给方向切削分力Ff也会使工艺系统在y方向产生变形，故 y=y
12、Ff+yFp+yFc上式中的yFf和yFc有可能与 yFp同向，也可能与yFp反向，所以就有可能出现y0、y=0或y0三种情况。如图12所示。,图12,2、工件刚度3、刀具刚度4、机床部件刚度（1）机床部件刚度图13所示单向静刚度测定法是一种最简单的测定方法。假如主轴刚度、尾座刚度、刀架刚度分别为：,图13,K主=Fp/2y主K尾=Fp/2y尾K刀架=Fp/2y刀架图14是实验曲线，反映了机床部件刚度的特点。,图14,（2）影响机床部件刚度的因素1）结合面接触变形的影响 2）摩擦力的影响3）低刚度零件的影响4）间隙的影响 5、工艺系统刚度及其对加工精度的影响 在机械加工过程中，机床、夹具、刀具
13、和工件在切削力的作用下，都将分别产生变形y机、y 夹、y刀、y工，致使刀具和被加工表面的相对位置发生变化，使工件产生加工误差。 工艺系统的受力变形量y系是其各组成部分变形的叠加，即：,图15,图16,工艺系统刚度、机床刚度、夹具刚度、刀具刚度、工件刚度可分别写为：,上式表明：工艺系统刚度的倒数等于其各组成部分刚度的倒数之和。工艺系统刚度对加工精度的影响主要有以下几种情况：（1）由于工艺系统刚度变化引起的误差,图17,如左图17所示，当刀具切削到工件的任意位置C点时，工艺系统的总变形y系为： 设作用在主轴箱和尾座上的力分别为FA、FB，,如需知道最小变形量y系min发生在何处，只需将上式中的y系
14、对x求导，令其为零，即可求得。例5-1 经测试，某车床的k主=300000N/mm，K尾=56600N/mm，k 刀架=30000N/mm，在加工长度为l的刚性轴时，径向切削分力Fp=400N，试计算该轴加工后的圆柱度误差。解：,圆柱度误差为：,可以证明，当主轴箱刚度与尾座刚度相等时，工艺系统刚度在工件全长上的差别最小，工件在轴截面内几何形状误差最小。 以上刚度计算公式是在假设工件刚度很大的情况下得到的，若工件刚度并不很大或较小，则工件本身的变形在工艺系统的总变形中就不能忽略不计，此时位移和刚度计算公式为：,式中：E工件材料的弹性模量； I工件截面的惯性矩；,（2）由于切削力变化引起的误差,图
15、18,如图18所示，毛=ap1+ap2，因而引起了工件的圆度误差工=y1+y2， 毛愈大， 工也愈大，这种现象称为加工过程中的毛坯误差复映现象。 工与毛之比称为误差复映系数，它是误差复映程度的度量。,左式中：Cy与刀具前角等切削条件有关的系统；f进给量；ap背吃刀量；HB工件材料的布氏硬度；,在一次进给加工中，HB、f及其它条件设为不变，则,C为常数，在车削加工中，x1，所以：,因为y1、y2相对于ap1、ap2 而言数值都很小，可忽略不计，即有：,所以,由上式可知，k系愈大， 就愈小，毛坯误差复映到工件上的部分就愈小。（3）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。如图19、图20所示。,图19,图20,（4）其它作用力的影响 在高速切削时，如果工艺系统中有不平衡的高速旋转的构件存在，就会产生离心力。它和传动力一样，在工件的每一转中不断变更方向，引起工件几何轴线作上述相同形式的摆角运动，故理论上讲也不会造成工件园度误差。,
