第第4 4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制本章要点机械加工中的振动机械加工中的振动影响加工误差的要素影响加工误差的要素影响机械加工外表质量的要素影响机械加工外表质量的要素工艺系统几何误差工艺系统几何误差工艺系统受力变形工艺系统受力变形工艺系统热变形工艺系统热变形加工误差的统计分析加工误差的统计分析机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4 4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Analysis and Control of Machining QualityMachining Quality4.1 概述概述Introduction to Machining Quality4.1.1 机械加工质量机械加工质量 尺寸精度外形精度位置精度通常外形误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内外表粗糙度波度纹理方向伤痕划痕、裂纹、砂眼等加工精度外表质量外表几何外形精度外表缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层剩余应力加工质量加工质量图4-1加工质量包含的内容4.1.1 机械加工质量机械加工质量 加工精度：零件加工后实践几何参数与理想几何参数接近加工精度：零件加工后实践几何参数与理想几何参数接近程度。程度。 零件宏观几何外形误差、波度、外表粗糙度零件宏观几何外形误差、波度、外表粗糙度宏观几何外形误差平面度、圆度等宏观几何外形误差平面度、圆度等波长波长/ /波高波高10001000波度波度波长波长/ /波高波高=50=5010001000；且具有周期特性；且具有周期特性外表粗糙度外表粗糙度波长波长/ /波高波高5050a波度b外表粗糙度图4-2零件加工外表的粗糙度与波度RZHRZ4.1.2 外表质量对零件运用性能的影响外表质量对零件运用性能的影响 对耐磨性影响对耐磨性影响Ram初始磨损量重载荷轻载荷图4-3外表粗糙度与初始磨损量外表粗糙度值 耐疲劳性适当硬化可提高耐疲劳性外表粗糙度值耐蚀性外表压应力：有利于提高耐蚀性外表粗糙度值 配合质量外表粗糙度值耐磨性，但有一定限制图4-3对耐疲劳性影响对耐疲劳性影响对耐蚀性影响对耐蚀性影响对配合质量影响对配合质量影响纹理方式与方向：圆弧状、凹坑状较好适当硬化可提高耐磨性4.1.3 误差敏感方向误差敏感方向 图图4-44-4：RYRRR =X4-14-2显然： 工艺系统原始误差方向不同，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。对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。称为误差敏感方向。 误差敏感方向普通为已加工误差敏感方向普通为已加工外表过切削点的法线方向。外表过切削点的法线方向。图4-4误差敏感方向YR0XaYR0Xb误差敏感方向误差敏感方向引起加工误差的根本缘由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 影响加工精度的要素影响加工精度的要素 原始误差与工艺系统原始形状有关的原始误差(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丈量误差工件剩余应力引起的变形工件相对于刀具静止形状下的误差工件相对于刀具运动形状下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差原原 始始 误误 差差 原始误差分类原始误差分类图4-5原始误差构成4.1.5 研讨加工质量的方法研讨加工质量的方法 实际方法：运用物理学和力学原理，分析研讨某一个实际方法：运用物理学和力学原理，分析研讨某一个或某几个要素对加工精度或外表质量的影响。或某几个要素对加工精度或外表质量的影响。 实验方法：经过实验或测试，确定影响各要素与加工实验方法：经过实验或测试，确定影响各要素与加工质量目的之间的关系。质量目的之间的关系。 统计分析方法：运用数理统计原理和方法，根据被统计分析方法：运用数理统计原理和方法，根据被测质量目的的统计性质，对工艺过程进展分析和控制。测质量目的的统计性质，对工艺过程进展分析和控制。物理方法物理方法数学方法数学方法机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4 4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Analysis and Control of Machining QualityMachining Quality4.2 工艺系统几何精度对工艺系统几何精度对加工精度的影响加工精度的影响Geometric Precisions of Technological System and its influence to machining Precision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展加工而产生的误差。4.2.1 加工原理误差加工原理误差 式中R球头刀半径；h允许的残留高度。例例2：用阿基米德蜗杆滚刀：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮滚切渐开线齿轮例例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件(图图4-6)SRh图4-6空间曲面数控加工4-3加工原理误差加工原理误差4.2.2 机床误差机床误差 主轴回转误差是指主轴实主轴回转误差是指主轴实践回转线对其理想回转轴线践回转线对其理想回转轴线的漂移。的漂移。 为便于研讨，可将主轴回为便于研讨，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、转误差分解为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动三种端面圆跳动和倾角摆动三种根本型式图根本型式图4-74-7。b端面圆跳动a径向圆跳动c倾角摆动图4-7主轴回转误差根本方式主轴回转误差主轴回转误差4.2.2 机床误差机床误差 主轴回转误差对加工精度的影响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主轴径向圆跳动对加工精度的影响镗孔思索最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速一样，幅值为2e。那么刀尖的坐标值为：e图4-8径向跳动对镗孔精度影响式中R刀尖回转半径；主轴转角。4-4 显然，式4-4为一椭圆。图4-9径向跳动对车外圆精度影响123456784.2.2 机床误差机床误差 仍思索最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速一样，幅值为2e。那么刀尖运动轨迹接近于正圆图4-9。 思思索索：主主轴轴回回转转中中心心在在X X方方向向上上作作简简谐谐直直线线运运动动，其其频频率率为为主主轴轴转转速速两两倍倍，被车外圆外形如何？被车外圆外形如何？ 结结结结论论论论：主主主主轴轴轴轴径径径径向向向向跳跳跳跳动动动动影影影影响加工外表的圆度误差响加工外表的圆度误差响加工外表的圆度误差响加工外表的圆度误差e 主轴径向圆跳动对加工精度的影响车外圆主轴径向圆跳动对加工精度的影响车外圆4.2.2 机床误差机床误差 主轴端面圆跳动对加工精度的影响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；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。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主轴倾角摆动对加工精度的影响与与主主轴轴径径向向跳跳动动影影响响类类似似，不不仅仅影影响响圆圆度度误误差差，而且影响圆柱度误差。而且影响圆柱度误差。AB4.2.2 机床误差机床误差 影响主轴回转精度的主要要素影响主轴回转精度的主要要素内外滚道圆度误差、滚动体外形及尺寸误差图4-10轴径不圆引起车床主轴径向跳动 滑动轴承滑动轴承镗床图镗床图4-114-11轴承孔轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动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 滚动轴承滚动轴承车床图车床图4-104-10轴径不轴径不圆引起车床主轴向跳动留意圆引起车床主轴向跳动留意其频率特性其频率特性静静压压轴轴承承 对对轴轴承承孔孔或或轴径圆度误差起均化作用轴径圆度误差起均化作用4.2.2 机床误差机床误差 影响主轴回转精度的主要要素影响主轴回转精度的主要要素 推力轴承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 其他要素其他要素轴承孔、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ab0图4-12止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响4.2.2 机床误差机床误差 传统丈量方法存在问题：传统丈量方法存在问题： 主轴回转误差的丈量主轴回转误差的丈量图4-13传统丈量方法a)b)图4-14主轴回转误差丈量法1摆动盘2，4传感器3精细测球5放大器6示波器 准确丈量方法准确丈量方法包含心轴、锥孔误差在内包含心轴、锥孔误差在内非运动形状。非运动形状。导轨副运动件实践运动方向与理想运动方向的偏向导轨副运动件实践运动方向与理想运动方向的偏向包包括括：导导轨轨在在程程度度面面内内的的直直线线度度，导导轨轨在在垂垂直直面面内内的的直直线线度度，前前后后导导轨轨平平行行度度扭扭曲曲，导导轨轨与与主主轴轴回回转转轴轴线的平行度或垂直度等。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导向误差对加工精度的影响 导轨程度面内的直线度误导轨程度面内的直线度误差差, ,误差敏感方向误差敏感方向, ,影响显著影响显著 导轨垂直面内的直线度误导轨垂直面内的直线度误差差, ,误差非敏感方向误差非敏感方向, ,影响小影响小 导轨扭曲对加工精度的影导轨扭曲对加工精度的影响响, ,影响显著图影响显著图4-154-15X图4-15导轨扭曲引起的加工误差HRDBXY4-5 4.2.2 机床误差机床误差 导轨导向误差导轨导向误差 导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响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fZzzcHyR0fXZLfdDdxab 影响导轨导向精度的主要要素影响导轨导向精度的主要要素4.2.2 机床误差机床误差 机床制造误差机床制造误差机床安装误差机床安装误差导轨磨损导轨磨损 机床传动误差对加工精度的影响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 = 1icefacd4-6 以齿轮机床传动链为例：式中n传动链末端元件转角误差；kj第j个传动元件的误差传送系数，阐明第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；n传动链末端元件角速度；j第j个传动元件转角误差的初相角。4.2.2 机床误差机床误差 机床传动误差机床传动误差 缩短传动链长度缩短传动链长度 提高末端元件的制造精度与安装精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 对传动误差进展补偿对传动误差进展补偿末端元件转角误差末端元件转角误差图4-18传动链误差的频谱分析a)nA1A2Aib)频率A幅值12i 提高传动精度措施提高传动精度措施4.2.2 机床误差机床误差 4.2.3 刀具与夹具误差刀具与夹具误差 定尺寸刀具钻头、定尺寸刀具钻头、绞刀等尺寸误差影响绞刀等尺寸误差影响加工尺寸误差加工尺寸误差成形刀具和展成刀具成形刀具和展成刀具外形误差影响加工外形外形误差影响加工外形误差误差刀具磨损影响加工尺刀具磨损影响加工尺寸误差或外形误差寸误差或外形误差刀具误差刀具误差4.2.3 刀具与夹具误差刀具与夹具误差 L0.056F710F7k620H 7g 6YZ图4-19钻径向孔的夹具 夹具误差影响加工位置精度。夹具误差影响加工位置精度。 与夹具有关的影响位置误差要与夹具有关的影响位置误差要素包括：素包括： 通常要求定位误差和夹具通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公制造误差不大于工件相应公差的差的1/31/3。夹具误差夹具误差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；4.2.4 调整误差调整误差 丈量误差。丈量误差。试切时与正式切削时切削厚度试切时与正式切削时切削厚度不同呵斥的误差。不同呵斥的误差。机床进给机构的位移误差。机床进给机构的位移误差。定程机构误差。定程机构误差。样件或样板误差。样件或样板误差。丈量有限试件呵斥的误差。丈量有限试件呵斥的误差。和试切法有关的误差。和试切法有关的误差。ab图4-20试切法与调整法试试切切法法图图4-204-20 a a调整法图调整法图4-20b4-20b机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4 4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Analysis and Control of Machining QualityMachining Quality4.3 工艺系统受力变形对工艺系统受力变形对加工精度的影响加工精度的影响Static Stiffness of Technological System and its influence to machining Precision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 根本概念根本概念 工艺系统刚度工艺系统刚度4-7式中k工艺系统刚度；Fp吃刀抗力；X艺系统位移切削合力作用下的位移。4.3.1 根本概念根本概念 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：工艺系统刚度计算工艺系统刚度计算 机床变形引起的加工误差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刀尖至工件左端间隔。4-9图4-21变形随受力点变化规律XtjXwzXdjXFpAABBCCZLFAFBXz切削力作用点位置变化引起工件外形误差切削力作用点位置变化引起工件外形误差4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 工件加工后成鞍形图工件加工后成鞍形图4-224-22图4-22机床受力变形引起的加工误差5-10 工件变形引起的加工误差工件变形引起的加工误差式中Xg工件变形；E工件资料弹性模量；J工件截面惯性矩；Fp，L，Z含义同前。 由于工件变形，使工件加由于工件变形，使工件加工后成鼓形图工后成鼓形图4-234-23图4-23工件受力变形引起的加工误差4-11 机床变形和工件变形共同引起的加工误差机床变形和工件变形共同引起的加工误差 工艺系统刚度工艺系统刚度4-124.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 式中g工件圆度误差；m毛坯圆度误差；k工艺系统刚度；误差复映系数。4-13 以椭圆截面车削为例阐明图以椭圆截面车削为例阐明图4-244-24图4-24误差复映景象ap11ap22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，此种景象称为“误差复映4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响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切削力大小变化引起的加工误差 误差复映误差复映 误差复映系数误差复映系数机械加工中，误差复映系数通常小于1。可经过多次走刀，消除误差复映的影响。4-154.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响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。由式4-13可得：4-14夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差 夹紧力影响夹紧力影响ab图4-25薄壁套夹紧变形图4-26薄壁工件磨削【例1】薄壁套夹紧变形处理：加开口套【例2】薄壁工件磨削处理：加橡皮垫4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 图4-27龙门铣横梁变形【例】龙门铣横梁图4-28龙门铣横梁变形转移图4-29龙门铣横梁变形补偿 重力影响重力影响4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 处理1：分量转移处理2：变形补偿 传动力与惯性力影响传动力与惯性力影响 实际上不会产实际上不会产生圆度误差但生圆度误差但会产生圆柱度误会产生圆柱度误差差易会引起强迫易会引起强迫振动振动4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 图4-30传动力对加工精度的影响zlRXYFpFcFcdFcdxraOOr0XYFpAFcdrcd=Fcd / kcOFcFc / kcFp / kcbO图4-31车床刀架变形曲线Xm10203040500123FKN4.3.3 机床部件刚度及其影响要素机床部件刚度及其影响要素v非线形关系，不完全是弹性变形v加载和卸载曲线不重合，所围面积表示抑制摩擦和接触塑性变形所作功v存在剩余变形，反复加载卸载后剩余变形0v机床部件刚度比按实体估算值小许多，阐明其变形受多种要素影响机床部件变形曲线机床部件变形曲线4.3.3 机床部件刚度及其影响要素机床部件刚度及其影响要素式中c,m与接触面资料、外表情况有关的系数和指数；p外表压强。组成件的实体刚度组成件的实体刚度受力产生拉伸、紧缩、弯曲变形；受力产生拉伸、紧缩、弯曲变形；特别是薄弱件楔条、轴套等影响较大特别是薄弱件楔条、轴套等影响较大衔接外表接触变形衔接外表接触变形其大小与接触面压强有关其大小与接触面压强有关4-15结合面间隙结合面间隙零件外表摩擦力的影响零件外表摩擦力的影响影响机床部件刚度要素影响机床部件刚度要素图4-31接触变形曲线xOpppxx4.3.4 减小受力变形对加工精度影响措施减小受力变形对加工精度影响措施v合理设计零部件构造和截面外形v提高衔接外表接触刚度外表粗糙度，改良接触质量，予加载荷v采用辅助支承中心架，跟刀架，镗杆支承等图4-33支座零件不同安装方法图4-32转塔车床导向杆提高工艺系统刚度提高工艺系统刚度减小载荷及其变化减小载荷及其变化v采用合理装夹和加工方式图4-28，4-29，4-56，4-58变形转移、补偿和校正变形转移、补偿和校正4.3.5 工件剩余应力引起的变形工件剩余应力引起的变形图4-34铸件剩余应力引起变形图4-35冷校直引起的剩余应力压拉加载压压拉拉卸载v设计合理零件构造v粗、精加工分开v防止冷校直v时效处置剩余应力来源剩余应力来源v毛坯制造和热处置产生的剩余应力图4-34减小剩余应力措施减小剩余应力措施v冷校直带来的剩余应力图4-35v切削加工带来的剩余应力机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4 4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Analysis and Control of Machining QualityMachining Quality4.4 工艺系统热变形及其对加工工艺系统热变形及其对加工精度的影响精度的影响Heat Deformation of Technological System and its Effect to machining Precision4.4.1 概述概述 在精细加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约4070%。v温度场工艺系统各部分温度分布v热平衡单位时间内，系统传入的热量与传出的热量相等，系统各部分温度坚持在一相对稳定的数值上v温度场与热平衡研讨目前以实验研讨为主工艺系统热源内部热源外部热源切削热摩擦热环境热源辐射热工艺系统热变形工艺系统热变形工艺系统热源工艺系统热源温度场与工艺系统热平衡温度场与工艺系统热平衡4.4.2 机床热变形对加工精度影响机床热变形对加工精度影响 v体积大，热容量大，温升不高，到达热平衡时间长v构造复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著运转时间/h0123450150100200位移/m20406080温升/YX前轴承温升图4-36车床受热变形a车床受热变形形状b温升与变形曲线机床热变形特点机床热变形特点车车床床热热变变形形图图4-364-364.4.2 机床热变形对加工精度影响机床热变形对加工精度影响 v立铣图a图4-37立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形a铣床受热变形形状b外圆磨床受热变形形状c导轨磨床受热变形形状v外圆磨图bv导轨磨图c其其他他机机床床热热变变形形图图4-374-374.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响刀具和工件热变形对加工精度影响 体体积积小小，热热容容量量小小，到达热平衡时间较短到达热平衡时间较短 温温升升高高，变变形形不不容容忽忽视达视达0.030.030.05mm0.05mm 特点特点 变形曲线图变形曲线图4-384-384-16式中热伸长量；max到达热平衡热伸长量；切削时间；c时间常数热伸长量为热平衡热伸长量约63%的时间，常取34分钟。(min)图4-38车刀热变形曲线延续切削升温曲线冷却曲线延续切削升温曲线mmaxb0c0.63max刀具热变形刀具热变形 圆柱类工件热变形圆柱类工件热变形5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性式中L，D长度和直径热变形量；L，D工件原有长度和直径；工件资料线膨胀系数；t温升。 长度：长度：4-174-18 直径：直径： 例：长例：长400mm400mm丝杠，加工过程温升丝杠，加工过程温升11，热伸长量为：，热伸长量为：4.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响刀具和工件热变形对加工精度影响 工件热变形工件热变形式中X变形挠度；L，S工件原有长度和厚度；工件资料线膨胀系数；t温升。5-19 板类工件单面加工时的热变形图板类工件单面加工时的热变形图4-394-39图4-39平面加工热变形X/ 4LS此值已大于精细导轨平直度要求结结果果：加加工工时时上上外外表表升升温温，工工件件向向上上拱拱起起，磨磨削削时时将将中中凸凸部部分分磨磨平平，冷却后工件下凹。冷却后工件下凹。例例：高高600mm，长长2000mm的的床床身身，假假设设上上外外表表温温升升为为3，那那么么变变形形量为：量为：4.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响刀具和工件热变形对加工精度影响 4.4.4 减小热变形对加工精度影响的措施减小热变形对加工精度影响的措施 例例1：磨磨床床油油箱箱置置于于床床身身内内，其其发热使导轨中凹发热使导轨中凹处理：导轨下加回油槽处理：导轨下加回油槽图4-40平面磨床补偿油沟例例2：立立式式平平面面磨磨床床立立柱柱前前壁壁温度高，产生后倾。温度高，产生后倾。处处理理：采采用用热热空空气气加加热热立立柱柱后后壁图壁图4-41。图4-41平衡立柱前后壁温度场v减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。v充分冷却和强迫冷却。v隔离热源。减少热源发热和隔离热源减少热源发热和隔离热源平衡温度场平衡温度场图4-43支承距影响热变形L1L2v热对称构造v热补偿构造图4-42，主轴热补偿图4-42双端面磨床主轴热补偿1主轴2壳体3过渡套筒热伸长方向热伸长方向v合理选择装配基准图4-43v高速空运转v人为加热v恒温v人体隔离采用合理构造采用合理构造4.4.4 减小热变形对加工精度影响的措施减小热变形对加工精度影响的措施 加速到达热平衡加速到达热平衡控制环境温度控制环境温度机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4 4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Analysis and Control of Machining QualityMachining Quality4.5 加工误差统计分析加工误差统计分析Statistic Analysis of Machining Errors4.5.1 加工误差的性质加工误差的性质 系统误差系统误差在顺序加工一批工件中，其大小和方向均不改动，或按一定规律变化的加工误差。 常常值值系系统统误误差差其其大大小小和和方方向向均均不不改改动动。如如机机床床、夹夹具具、刀刀具具的的制制造造误误差差，工工艺艺系系统统在在均均匀匀切切削削力力作作用用下下的的受受力力变变形形，调调整整误误差差，机机床床、夹夹具具、量量具具的的磨磨损损等等要要素引起的加工误差。素引起的加工误差。 变变值值系系统统误误差差误误差差大大小小和和方方向向按按一一定定规规律律变变化化。如如机机床床、夹夹具具、刀刀具具在在热热平平衡衡前前的的热热变变形形，刀刀具具磨磨损损等等要素引起的加工误差。要素引起的加工误差。加工误差系统误差随机误差常值系统误差变值系统误差加工误差统计特性加工误差统计特性4.5.1 加工误差的性质加工误差的性质 在在顺顺序序加加工工一一批批工工件件中中，其其大大小小和和方方向向随随机机变变化化的的加工误差。加工误差。 随随机机误误差差是是工工艺艺系系统统中中大大量量随随机机要要素素共共同同作作用用而而引引起的。起的。 随机误差服从统计学规律。随机误差服从统计学规律。 如如毛毛坯坯余余量量或或硬硬度度不不均均，引引起起切切削削力力的的随随机机变变化化而而呵呵斥斥的的加加工工误误差差；定定位位误误差差；夹夹紧紧误误差差；剩剩余余应应力力引引起起的变形等。的变形等。随机误差随机误差加工误差的统计分析加工误差的统计分析 运用数理统计原理和方法，根据被测质量目的的统计运用数理统计原理和方法，根据被测质量目的的统计性质，对工艺过程进展分析和控制。性质，对工艺过程进展分析和控制。4.5.2 分布图分析法分布图分析法 1采集数据样本容量通常取n=502002确定分组数、组距、组界、组中值按教材134页表5-2初选分组数k；确定组距d：取整，dd确定分组数k：确定各组组界、组中值统计各组频数直方图直方图4.5.2 分布图分析法分布图分析法 图4-44直方图-14.5-8.55-3.5xy频数偏向值平均偏向-15-10-5公差带中心公差带下限公差带上限3计算样本平均值和规范差:4画直方图图4-444-204-21 正态分布正态分布式中和分别为正态分布随机变量总体平均值和规范差。平 均 值 =0， 规 范 差=1的正态分布称为规范正态分布，记为：xN(0,1) 概率密度函数概率密度函数4-22yFz图4-45正态分布曲线( z = 0 )x(z)0z-+4.5.2 分布图分析法分布图分析法 分布曲线分布曲线 分布函数分布函数5-23令：将z代入上式，有：那么利用上式，可将非规范正态分布转换成规范正态分布进展计算图4-45。称z为规范化变量4.5.2 分布图分析法分布图分析法 yFz图4-45正态分布曲线( z = 0 )x(z)0z-+ 非正态分布非正态分布xy0a双峰分布 双双峰峰分分布布：两两次次调调整整下下加加工工的的工工件件或或两两台台机机床床加加工工的的工工件件混在一同图混在一同图4-46a4-46a xy0b平顶分布xy0c偏向分布 平平顶顶分分布布：工工件件瞬瞬时时尺尺寸寸分分布布呈呈正正态态，其其算算术术平平均均值值近近似似成成线线性性变变化化如如刀刀具具和和砂砂轮轮均均匀磨损图匀磨损图4-46b4-46b 偏偏向向分分布布：如如工工艺艺系系统统存存在在显显著著的的热热变变形形，或或试试切切法法加加工工孔孔时时宁宁小小勿勿大大，加加工工外外圆圆时时宁宁大勿小图大勿小图4-46c4-46c图4-46几种非正态分布4.5.2 分布图分析法分布图分析法 形位误差的分布形位误差的分布 差差数数模模分分布布：正正态态分分布布大大于于零零的的部部分分与与小小于于零零的的部部分分对对零零轴轴线线映映射射后后的的迭迭加加图图4-474-47，如如对对称称度度、直直线线与与平平面面的的平平行行度度、相相邻周节误差等邻周节误差等 瑞瑞利利分分布布：二二维维正正态态分分布布，在在只只思思索索平平面面向向量量模模情情况况下下转转换换成成为为一一维维分分布布图图4-484-48, ,好好像像轴轴度度、直直线线与与直直线线平平行行度度、端端面面圆圆跳动误差等不思索系统误差跳动误差等不思索系统误差xy0图4-47差数模分布 瑞瑞利利综综合合分分布布：上上述述误误差差在在思思索索系系统统误误差差的的情情况况下下，其其误误差差分分布接近瑞利综合分布布接近瑞利综合分布图4-48瑞利分布xzy04.5.2 分布图分析法分布图分析法 判别加工性质判别加工性质 判别能否存在明显变值系统误差；判别能否存在明显变值系统误差； 判别能否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小。判别能否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小。 确定工序才干确定工序才干4.5.2 分布图分析法分布图分析法 分布图运用分布图运用5-245-255-26工序才干工序才干系数式中式中TU,TLTU,TL公差带上、下限公差带上、下限 ；公差带中心与误差分布中心偏移间隔；公差带中心与误差分布中心偏移间隔；误差分布的规范差。误差分布的规范差。4.5.2 分布图分析法分布图分析法 y图4-49工艺才干系数符号含义x033公差带TTUTL 工序才干等级工序才干等级工序才干系数工序等级说明CP1.67特级工序才干过高1.67CP1.33一级工序才干足够1.33CP1.00二级工序才干勉强1.00CP0.67三级工序才干缺乏0.67CP四级工序才干很差表4-2工序才干等级4.5.2 分布图分析法分布图分析法 CP CP 表示工艺过程本身的才干，而工艺才干系数表示工艺过程本身的才干，而工艺才干系数表示工艺过程本身的才干，而工艺才干系数表示工艺过程本身的才干，而工艺才干系数 CPK CPK 那么表示过程满足技术要求的才干，实践上是那么表示过程满足技术要求的才干，实践上是那么表示过程满足技术要求的才干，实践上是那么表示过程满足技术要求的才干，实践上是“ “过程才过程才过程才过程才干与干与干与干与“ “管理才干的综合管理才干的综合管理才干的综合管理才干的综合 01234567样组序号b工件尺寸公差带T控制限4.5.3 点图分析法点图分析法 图4-50单值点图工件序号cAABOOB工件尺寸工件尺寸工件序号a14024681012公差带T控制限单值点图图单值点图图4-494-494.5.3 点图分析法点图分析法 图是控制图和图是控制图和R R控制图结合运用的统称控制图结合运用的统称4-26R 图：4-27A2、D1、D2 数值见教材164页表4-6。图图表示样组平均值，表示样组平均值，R R表示样组极差表示样组极差图控制限图控制限图： 4.5.3 点图分析法点图分析法 工艺过程稳定性工艺过程稳定性 点点子子正正常常动动摇摇工工艺艺过过程程稳稳定定；点点子子异异常常动动摇摇工艺过程不稳定工艺过程不稳定图4-51图R 图UCL=19.67CL=8.900510样组序号1520LCL=00510样组序号1520x 图LCL=11.57UCL=21.89CL=16.73 稳定性判别稳定性判别没有点子超出控制限没有点子超出控制限大大部部分分点点子子在在中中心心线线上上下下动动摇摇，小小部部分分点点子子接接近控制限近控制限点点子子变变化化没没有有明明显显规规律律性性如如上上升升、下下降降倾倾向向，或周期性动摇或周期性动摇 同时满足为稳定同时满足为稳定图分析图分析4.5.4 调整尺寸调整尺寸 式中Lt调整尺寸；LM平均尺寸；Tt调整公差。4-28由图4-52所示关系可得：图4-52调整尺寸关系yTtxT3LmaxLminLM Lt 样本均值分布总体分布总体分布平均值极端位置4-29样本平均值分布：调整尺寸调整尺寸调整公差调整公差4.5.4 调整尺寸调整尺寸 v上式要求过于苛刻，产生不合格品得概率只需0.00036%。用2替代3，得到：此时产生不合格品得 概 率 为 0.104%，完全可以接受。4-30图4-52调整尺寸关系yTtxT3LmaxLminLM Lt 样本均值分布总体分布总体分布平均值极端位置机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4 4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Analysis and Control of Machining QualityMachining Quality4.6 提高加工精度的途径提高加工精度的途径Methods of ImprovingMachining Precision4.6.1 误差预防误差预防 合合理理采采用用先先进工艺和设备进工艺和设备 误差预防指减小原始误差本身或减小原始误差的影响误差预防指减小原始误差本身或减小原始误差的影响 减小原始误差减小原始误差 转转 移移 原原 始始 误误差图差图4-534-53ab图4-53转塔车床刀架转位误差的转移 误差分组误差分组 就地加工就地加工 均均 化化 原原 始始 误误差差，如如研研磨磨加加工工、易易位位加加工工图图4-544-54图4-54易位法加工时误差均化过程360工件转角累积误差1l1l224.6.2 误差补偿误差补偿 在线丈量与在线补偿图在线丈量与在线补偿图4-554-55 指人为引入附加误差要素，以抵消或减小原始误差的影响指人为引入附加误差要素，以抵消或减小原始误差的影响图4-55高压油泵偶件自动配磨安装表示图柱塞销柱塞图4-56丝扛加工误差补偿安装1工件2螺母3母丝杠4杠杆5校正尺6触头7校正曲线附加位移螺母附加转动4.6.2 误差补偿误差补偿 采用校正安装图采用校正安装图4-564-56图4-57以弹性变形补偿热变形v以弹性变形补偿热变形图4-57 其他补偿方法其他补偿方法图4-59以热变形补偿热变形图4-58龙门铣横梁变形补偿附加夹紧力v以热变形补偿热变形图4-59v以几何误差补偿受力变形图4-584.6.2 误差补偿误差补偿 机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4 4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Analysis and Control of Machining QualityMachining Quality4.7 影响加工外表粗糙度影响加工外表粗糙度的工艺要素的工艺要素Technological Factors Influencing Roughness4.7.1 切削加工外表粗糙度影响要素切削加工外表粗糙度影响要素 图4-60车削时残留面积的高度直线刃车刀图直线刃车刀图4-60a4-60a4-31圆弧刃车刀图圆弧刃车刀图4-60b4-60b4-32影响要素：影响要素：frRmaxvfrbRmaxfavf切削残留面积切削残留面积 切切削削速速度度影影响响最最大大：v v=101050m/min50m/min范范围围，易易产产生生积积屑瘤和鳞刺，外表粗糙度最差图屑瘤和鳞刺，外表粗糙度最差图5-535-53 。 其他影响要素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等其他影响要素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等图4-61切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120vm/min020406080140外表粗糙度Rzm481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度hm0200400600hKsRz4.7.1 切削加工外表粗糙度影响要素切削加工外表粗糙度影响要素 切削外表塑性变形和积屑瘤切削外表塑性变形和积屑瘤v砂轮速度v，Rav工件速度vw，Rav砂轮纵向进给f，Rav磨削深度ap，Ra图4-62磨削用量对外表粗糙度的影响vw = 40(m/min)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v = 50(m/s)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v(m/s), vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0aap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b4.7.2 磨削加工外表粗糙度影响要素磨削加工外表粗糙度影响要素 磨削用量影响磨削用量影响图4-63光磨次数-Ra关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)v光磨次数，Rav砂轮粒度，Ra；但要适量v砂轮硬度适中，Ra；常取中软v砂轮组织适中，Ra；常取中等组织v采用超硬砂轮资料，Rav砂轮精细修整，Ra4.7.2 磨削加工外表粗糙度影响要素磨削加工外表粗糙度影响要素 砂轮影响砂轮影响其他影响要素其他影响要素v工件资料v冷却光滑液等机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4 4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Analysis and Control of Machining QualityMachining Quality4.8 影响表层金属力学物理影响表层金属力学物理性能的工艺要素性能的工艺要素Technological Factors Influencing Physics Properties of Surface Layer4.8.1 影响外表冷作硬化的要素影响外表冷作硬化的要素 切削加工切削加工ff，冷硬程度，冷硬程度(图图4-64)4-64) 切削用量影响切削用量影响 刀具影响刀具影响 r r，冷硬程度，冷硬程度 其他几何参数影响不明显其他几何参数影响不明显 后后刀刀面面磨磨损损影影响响显显著著图图4-654-6500.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v=40(m/min)f=0.120.2(mm/z)图4-65后刀面磨损对冷硬影响 工件资料工件资料 资料塑性资料塑性 ，冷硬倾向，冷硬倾向 切切削削速速度度影影响响复复杂杂力力与与热综协作用结果热综协作用结果 切削深度影响不大切削深度影响不大图4-64f和v对冷硬的影响硬度(HV)0f (mm /r)0.20.40.60.8v =170(m/min)(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件资料：45磨削速度磨削速度冷硬程度冷硬程度 弱化作用加强弱化作用加强工件转速工件转速冷硬程度冷硬程度 纵向进给量影响复杂纵向进给量影响复杂磨削深度磨削深度冷硬程度冷硬程度 图图4-664-66 磨削用量磨削用量 砂轮砂轮 砂轮粒度砂轮粒度冷硬程度冷硬程度 砂轮硬度、组织影响不显著砂轮硬度、组织影响不显著工件资料工件资料 资料塑性资料塑性冷硬倾向冷硬倾向 资料导热性资料导热性冷硬倾向冷硬倾向 图4-66磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削4.8.1 影响外表冷作硬化的要素影响外表冷作硬化的要素 磨削加工磨削加工4.8.2 影响层金属剩余应力的要素影响层金属剩余应力的要素 vv剩余应力剩余应力 热应力热应力起主导作用，图起主导作用，图4-674-67 切削用量切削用量 刀具刀具前角前角+，剩余拉应力，剩余拉应力 刀具磨损刀具磨损剩余应力剩余应力 工件资料工件资料资料塑性资料塑性剩余应力剩余应力 铸铸铁铁等等脆脆性性资资料料易易产产生生剩剩余压应力余压应力图4-68f对剩余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液剩余应力(Gpa)0.2000.200100200300400间隔外表深度(m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r仅讨论切削加工 ff剩剩余余应应力力 图图4-684-68切削深度影响不显著切削深度影响不显著图4-67vc对剩余应力的影响0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200间隔外表深度(m)剩余应力(Gpa)-0.2000.20vc =213m/minvc =86m/minvc =7.7m/min4.8.3 磨削烧伤与磨削裂纹磨削烧伤与磨削裂纹 合理选择砂轮合理选择砂轮 合理选择磨削用量合理选择磨削用量 改善冷却条件改善冷却条件工件表层温度到达或超越金属资料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随剩余应力产生，同时出现彩色氧化膜磨削烧伤磨削烧伤磨削外表剩余拉应力到达资料强度极限，在表层或外表层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现 图4-69带空气挡板冷却喷嘴磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削裂纹磨削裂纹4.8.4 外表强化工艺外表强化工艺 利利用用淬淬硬硬和和精精细细研研磨磨过过的的滚滚轮轮或或滚滚珠珠，在在常常温温形形状状挤挤压压金金属属外外表表，将将凸凸起起部部分分下下压压下下，凹凹下下部部分分上上凸凸，修修正正工工件件外外表表的的微微观观几几何何外外形形, ,构构成成紧紧缩缩剩剩余余应应力力，提提高耐疲劳强度图高耐疲劳强度图4-714-71 利利用用大大量量快快速速运运动动珠珠丸丸打打击击工工件件外外表表, ,使使工工件件外外表表产产生生冷冷硬硬层层和和压压应应力力, ,疲疲劳劳强强度度图图4-704-70喷丸强化喷丸强化图4-71滚压加工原理图 用用于于强强化化外外形形复复杂杂或或不不宜宜用用其其它它方方法法强强化化的的工工件件，例例如如板板弹弹簧簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等螺旋弹簧、齿轮、焊缝等滚压加工滚压加工图4-70珠丸挤压引起剩余应力紧缩拉伸塑性变形区域机械制造技术根底机械制造技术根底 第第4 4章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Analysis and Control of Machining QualityMachining Quality4.9 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动Vibrations in machining Process4.9.1 概述概述 机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害v影响加工外表粗糙度，振动频率较低时会产生波度v影响消费效率v加速刀具磨损，易引起崩刃v影响机床、夹具的运用寿命v产生噪声污染，危害操作者安康v工艺系统遭到初始干扰力而破坏了其平衡形状后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自在振动。v由于系统中总存在由阻尼，自在振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。机械加工过程中振动的类型机械加工过程中振动的类型自在振动自在振动自在振动强迫振动自激振动4.9.2 机械加工过程中强迫振动机械加工过程中强迫振动强迫振动产生缘由强迫振动产生缘由v由外界周期性的干扰力激振力作用引起v强迫振动振源：机外机内。机外振源均经过地基把振动传给机床。机内：v1回转零部件质量的不平衡v2机床传动件的制造误差和缺陷v3切削过程中的冲击v频率特征：与干扰力的频率一样，或是干扰力频率整倍数v幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振v相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。强迫振动的特征强迫振动的特征4.9.3 机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动自激振动的概念自激振动的概念 在在没没有有周周期期性性外外力力作作用用下下，由由系系统统内内部部激激发发反反响响产生的周期性振动产生的周期性振动 自自激激振振动动过过程程可可用用传传送送函数概念阐明图函数概念阐明图4-724-72 自激振动是一种不衰减振动自激振动是一种不衰减振动 自自激激振振动动的的频频率率等等于于或或接接近近于系统的固有频率于系统的固有频率 自自激激振振动动能能否否产产生生及及振振幅幅的的大大小小取取决决于于振振动动系系统统在在每每一一个个周周期期内内获获得得和和耗耗费费的的能能量量对对比比情况图情况图4-734-73。图4-73自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图4-72自激振动闭环系统机床振动系统弹性环节调理系统切削过程自激振动的特征自激振动的特征 再再活活力力理理： 切切削削过过程程，由由于于偶偶尔尔干干扰扰，使使加加工工系系统统产产生生振振动动并并在在加加工工外外表表上上留留下下振振纹纹。第第二二次次走走刀刀时时，刀刀具具将将在在有有振振纹纹的的外外表表上上切切削削，使使切切削削厚厚度度发发生生变变化化，导导致致切切削削力力周周期期性性地地变变化，产生自激振动化，产生自激振动 自激振动机理自激振动机理图4-74再生自激振动原理图f切入 切出y0yaby0y切入 切出fcfy0y切入 切出d切入 切出fy0y 产生条件图产生条件图4-744-74 ：aab bc c系统无能量获得；系统无能量获得；d dy y滞滞后后于于y0y0，即即 0 0 -，此此时时切切出出比比切切入入半半周周期期中中的的平平均均切切削削厚厚度度大大，切切出出时时切切削削力力所所作作正正功功获获得得能能量量大大于于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动4.9.3 机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动 振振型型耦耦合合机机理理：将将车车床床刀刀架架简简化化为为两两自自在在度度振振动动系系统统，等等效效质质量量mm用用相相互互垂垂直直的的等等效效刚刚度度分分别别为为k1k1、k2k2两两组组弹弹簧簧支支撑撑设设x1x1为低刚度主轴，图为低刚度主轴，图4-754-75图4-75车床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2k2k112X 自激振动的产生：自激振动的产生： k1=k2k1=k2，x1x1与与x2x2无无相相位位差差, ,轨轨迹迹为为直直线线，无无能能量量输输入入4.9.3 机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动k1k2，x1超前x2，轨迹dcba为一椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入k1k2，x1滞后于x2，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：abcd。此时，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的小，有能量获得，振动可以维持。4.9.4 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治 减小机内干扰力的幅值减小机内干扰力的幅值 调整振源的频率，普通要求：调整振源的频率，普通要求： 调调整整振振动动系系统统小小刚刚度度主主轴轴的的位位置置图图4-764-76消除或减弱产生强迫振动的条件消除或减弱产生强迫振动的条件式中f和fn分别为振源频率和系统固有频率 隔振隔振x2x2x1x1x1x1x2x2图4-76两种尾座构造消除或减弱产生自激振动的条件消除或减弱产生自激振动的条件4-334.9.4 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治 减小切削或磨削时的重叠系数图减小切削或磨削时的重叠系数图4-774-77式中bd等效切削宽度，即本次切削实践切到上次切削残留振纹在垂直于振动方向投影宽度；b本次切削在垂直于振动方向上的切削宽度；B,fa砂轮宽度与轴向进给量。图4-77重叠系数apfaB振动方向XDfbbda切削b磨削rr，4-34v减小重叠系数方法图4-78车刀消振棱0.10.3-5 -202 3 添加切削阻尼例采用倒棱车刀，图添加切削阻尼例采用倒棱车刀，图4-784-78 添加主偏角添加主偏角 增大进给量增大进给量4.9.4 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治 提高工艺系统刚度提高工艺系统刚度 增大工艺系统阻尼增大工艺系统阻尼 改善工艺系统动态特性改善工艺系统动态特性4.9.4 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治阻尼资料铸铁环铸铁套筒图4-79零件上加阻尼资料图4-80摩擦式减振器1飞轮2摩擦盘3摩擦垫4螺母5弹簧v动力减振器v摩擦式减振器图4-80v冲击式减振器图4-814.9.4 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治采用减振安装采用减振安装图4-81冲击式减振镗刀与减振镗杆1冲击块2紧定螺钉a减振镗刀b减振镗杆