機(jī)械加工質(zhì)量分析與控制第1頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

零件的加工精度包括

尺寸精度、形狀精度、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誤差的大小來評(píng)價(jià)加工精度的高低加工誤差越小，加工精度越高獲得加工精度的方法

（1）獲得尺寸精度的方法

1）試切法用于單件小批生產(chǎn)

2）調(diào)整法用于成批大量生產(chǎn)

3）定尺寸刀具法生產(chǎn)率高，刀具制造復(fù)雜

4）自動(dòng)控制法切削測(cè)量補(bǔ)償調(diào)整第2頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）獲得形狀精度的方法

1）軌跡法利用刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡形成工件表面形狀

2）成形刀具法由刀刃的形狀形成工件表面形狀

3）展成法由切削刃包絡(luò)面形成工件表面形狀（3）獲得相互位置精度的方法主要由機(jī)床精度、夾具精度和工件的裝夾精度來保證第3頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、影響加工精度的因素1.原始誤差

零件加工的誤差是由于工件與刀具在切削過程中相互位置發(fā)生變動(dòng)而造成。工件和刀具安裝在夾具和機(jī)床上，工件、刀具、夾具、機(jī)床構(gòu)成了一個(gè)完整的工藝系統(tǒng)。工藝系統(tǒng)的種種誤差，是造成零件加工誤差的根源，故稱之為原始誤差。第4頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

原始誤差

加工前誤差加工中誤差加工后誤差調(diào)整誤差機(jī)床誤差刀具制造誤差?yuàn)A具誤差加工原理誤差工件裝夾誤差工藝系統(tǒng)受力變形刀具磨損殘余應(yīng)力引起變形測(cè)量誤差工藝系統(tǒng)熱變形第5頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月２.工藝系統(tǒng)的幾何誤差

（1）加工原理誤差

近似的成形運(yùn)動(dòng)或刃形所產(chǎn)生的誤差，多為形狀誤差（2）機(jī)床的誤差

1）主軸回轉(zhuǎn)誤差①主軸回轉(zhuǎn)誤差概念主軸回轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線與理想回轉(zhuǎn)軸線的偏移量

三種基本形式：

a.純徑向跳動(dòng)b.軸向竄動(dòng)c.純角度擺動(dòng)第6頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月②影響主軸回轉(zhuǎn)精度的主要因素

軸承本身誤差、軸承間隙、軸承間同軸度誤差，各段軸頸、軸孔的同軸度誤差主軸系統(tǒng)的剛度和熱變形等。

但它們對(duì)主軸回轉(zhuǎn)精度的影響大小隨加工方式而不同第7頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月主軸采用滑動(dòng)軸承的車床類，主軸受力方向一定，主軸頸圓度誤差影響較大，軸承內(nèi)徑圓度誤差沒影響鏜床主軸受力隨鏜刀旋轉(zhuǎn)方向不斷變化軸承孔誤差影響大第8頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響主軸精度因素也較復(fù)雜除軸承本身精度外，與配合件精度有很大關(guān)系如主軸軸頸、支承座孔等精度第9頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生軸向竄動(dòng)主要原因是主軸軸肩端面和軸承承載端面對(duì)主軸回轉(zhuǎn)軸線有垂直度誤差。主軸不同形式的回轉(zhuǎn)誤差引起的加工誤差不同車床上加工外圓內(nèi)孔時(shí)，主軸徑向跳動(dòng)引起工件圓度和圓柱度誤差，對(duì)工件端面無影響；

軸向竄動(dòng)對(duì)圓柱表面影響不大，對(duì)端面垂直度平面度影響大，車削螺紋時(shí)會(huì)造成導(dǎo)程的周期性誤差；

純角度擺動(dòng)會(huì)造成車削外圓或內(nèi)孔的錐度誤差；在鏜孔時(shí)，會(huì)鏜出的孔為橢圓形。第10頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月純角度擺動(dòng)會(huì)造成車削外圓或內(nèi)孔的錐度誤差；在鏜孔時(shí)，若工件進(jìn)給會(huì)使鏜出的孔為橢圓形。提高主軸及支承座孔的加工精度，選用高精度軸承，提高主軸部件裝配精度、預(yù)緊和平衡等，提高主軸回轉(zhuǎn)精度。第11頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2）機(jī)床導(dǎo)軌誤差

導(dǎo)軌精度要求主要有以下三方面：

①在水平面內(nèi)的直線度（以臥式車床為例）Δ1將直接反映在工件加工表面法線方向（誤差敏感方向）上，誤差ΔR=Δ1

，對(duì)加工精度影響最大。刀尖在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡造成工件軸向形狀誤差。第12頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月②在垂直面內(nèi)的直線度

Δ２對(duì)工件的尺寸和形狀誤差影響比Δ1小得多對(duì)臥式車床ΔR≈Δ22/D若設(shè)Δ2=

0.1mm,D=40mm，則ΔR

=0.00025mm，影響可忽略不計(jì)。而對(duì)平面磨床、龍門刨床誤差將直接反映在工件上。第13頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度的特殊情況為斜坡狀，加工的工件軸向形狀為鞍形。第14頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月③前后導(dǎo)軌的平行度（扭曲）臥式車床或外圓磨床若前后導(dǎo)軌存在平行度誤差時(shí)，刀具和工件之間相對(duì)位置發(fā)生變化，刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡是一條空間曲線，使工件產(chǎn)生形狀誤差。

若扭曲誤差為Δ3,工件誤差ΔR≈(H/B)Δ3

，一般車床H/B≈2/3，外圓磨床H/B≈1，誤差對(duì)加工精度影響很大除導(dǎo)軌制造誤差外，導(dǎo)軌的不均勻磨損和安裝質(zhì)量，也是造成導(dǎo)軌誤差的重要因素。導(dǎo)軌磨損是機(jī)床精度下降的主要原因之一?？刹捎媚湍ズ辖痂T鐵、鑲鋼導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)軌表面淬火等措施。第15頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月３）機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差

指機(jī)床內(nèi)傳動(dòng)鏈?zhǔn)寄﹥啥说膫鲃?dòng)元件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的誤差，一般用傳動(dòng)鏈末端元件的轉(zhuǎn)角誤差來衡量。產(chǎn)生的原因是傳動(dòng)鏈中各傳動(dòng)元件的制造誤差、裝配誤差及磨損等。若傳動(dòng)齒輪i在某一時(shí)刻產(chǎn)生轉(zhuǎn)角誤差為Δφi，則它所造成傳動(dòng)鏈末端元件的轉(zhuǎn)角誤差：Δφwi=KiΔφiKi

為該軸到末端元件的總傳動(dòng)比，稱為誤差傳遞系數(shù)，若Ki大于1則誤差被擴(kuò)大；反之，若Ki小于1誤差被縮小。各傳動(dòng)件對(duì)工件精度影響的總和為：

Δφ∑=∑Δφwi=

∑KiΔφi第16頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月減少傳動(dòng)鏈誤差的措施：①盡可能縮短傳動(dòng)鏈，減少傳動(dòng)元件數(shù)目；②盡量采用降速傳動(dòng)，誤差被縮??；③提高傳動(dòng)元件、特別是末端元件的制造和裝配精度；④消除傳動(dòng)間隙；⑤采用誤差補(bǔ)償機(jī)構(gòu)或自動(dòng)補(bǔ)償裝置。第17頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）刀具的幾何誤差

包括刀具切削部、裝夾部的制造誤差及刀具安裝誤差①

定尺寸刀具刀具尺寸精度直接影響工件尺寸精度②成形刀具刀具形狀精度直接影響工件形狀精度③展成刀具刀刃形狀精度會(huì)影響工件加工精度④一般刀具制造精度對(duì)工件加工精度無直接影響第18頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）夾具的幾何誤差

包括夾具制造誤差、安裝誤差及磨損

對(duì)工件尺寸精度和位置精度影響很大（5）定位誤差

包括基準(zhǔn)不重合誤差、定位副制造不準(zhǔn)確誤差

直接影響工件的尺寸精度和位置精度第19頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）調(diào)整誤差

在工序的調(diào)整工作中所存在的誤差即調(diào)整誤差一次調(diào)整后存在的誤差對(duì)這一批零件的影響是不變的。但大批量加工中存在多次調(diào)整，不可能每次完全相同。對(duì)全部零件來說，每次調(diào)整誤差為偶然性誤差。機(jī)床調(diào)整誤差可理解為零件尺寸分布曲線中心的最大偏移量。加工中不產(chǎn)生廢品的條件：Δfb+Δt≤T第20頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3.工藝系統(tǒng)的受力變形（1）基本概念第21頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）零件剛度若零件剛度相對(duì)于機(jī)床、刀具、夾具來說比較低，其變形對(duì)加工精度影響比較大，最大變形量按材料力學(xué)公式估算。長(zhǎng)軸兩頂尖裝夾按簡(jiǎn)支梁計(jì)算，三爪卡盤裝夾按懸臂梁計(jì)算（1）工藝系統(tǒng)剛度工藝系統(tǒng)抵抗變形的能力可用工藝系統(tǒng)剛度k系來描述。垂直作用于工件加工表面的徑向切削分力Fy與工藝系統(tǒng)在該方向上的變形y之間的比值，稱為工藝系統(tǒng)剛度k系

k系=Fy/y

柔度w=1/k第22頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）刀具剛度外圓刀具在加工表面法線方向上的剛度很大變形可忽略；鏜小孔刀桿剛度很差，變形對(duì)加工精度影響很大，刀桿變形按材料力學(xué)公式估算。（4）機(jī)床部件剛度機(jī)床部件剛度機(jī)床結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，剛度計(jì)算主要通過實(shí)驗(yàn)方法來測(cè)定。變形與載荷不成線性關(guān)系；加載與卸載曲線不重合；有殘余變形存在；實(shí)際剛度比估算的小第23頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）工藝系統(tǒng)受力變形及其對(duì)加工精度的影響

1）工藝系統(tǒng)的變形總變形y系

=

y機(jī)+y夾+y刀+y工

k系=Fy/y系，k機(jī)=Fy/y機(jī)

，k夾=Fy/y夾

，

k刀=Fy/y刀

，k工=Fy/y工所以，k系=1/(1/k機(jī)+1/k夾+1/k刀+1/k工)

工藝系統(tǒng)剛度比剛度最小環(huán)節(jié)的剛度還要差第24頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

2）工藝系統(tǒng)受力變形對(duì)加工精度的影響①切削力位置的變化對(duì)加工精度的影響

設(shè)刀具工件剛度很大

總變形y系=y刀架+yx第25頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)刀具工件剛度很大

總變形y系=y刀架+yx

y主=FA/k主=Fy(l-x)

/(lk主)，y尾=FB/k尾=Fyx

/(lk尾)

y系=y刀架+yx=Fy

當(dāng)x=0時(shí)，y系=？;當(dāng)x=l時(shí)，y系=？

當(dāng)x=k尾l/(k主+k尾)時(shí)，y系min=Fy

ly尾-y主xyx-y主=yx=y尾xll-xl+y主1

k刀架+1

k主1

k尾xl2l-x

l2+若工件剛性較差應(yīng)考慮其變形，按簡(jiǎn)支梁計(jì)算

y工=y系=y刀架+yx+y工Fy

3EI(l-x)2x2l1

k刀架+1

k主+k尾第26頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：1.在x處工件半徑Rx=R+y刀架+yx+y工

半徑誤差ΔR=Rx-R=y刀架+yx+y工=y系2.一次走刀中若y系為常量，不會(huì)造成工件形狀誤差和尺寸不一3.若工件剛性大l/D≤5，可不考慮y工，y系是x

的二次函數(shù)圓柱度誤差Δ=

ymax-ymin4.若工件為細(xì)長(zhǎng)軸剛性很差，系統(tǒng)變形主要是工件變形，當(dāng)x=l/2時(shí)，y工max=Fyl3/(48EI)

第27頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月②切削力大小變化對(duì)加工精度的影響Δ毛=ap1–ap2Δ工=y1–y2誤差復(fù)映系數(shù)ε=Δ工/Δ毛

Fy=CyfyapxHBSn=C

apx≈C

apFy1=C

(ap1–

y1)≈C

ap1Fy2=C

(ap2–

y2)≈C

ap2

Δ工=y1–y2=(Fy1-Fy2)/k系=(C

ap1–

C

ap2)/k系ε=Δ工/Δ毛=C(ap1–ap2)/(k系(ap1–ap2))=C/k系第28頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月ε=Δ工/Δ毛=C/k系

ε總是小于1，有修正誤差的能力多次進(jìn)給ε=ε1ε2ε3…2.k系越大，ε就越小，復(fù)映到工件上的誤差越小3.C減小，ε就越小，應(yīng)采取減小Fy的措施討論：第29頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月③夾緊變形對(duì)加工精度的影響工件剛性差（薄件、圓環(huán)）裝夾不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生受力變形第30頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月④機(jī)床部件、工件重量對(duì)加工精度的影響⑤其它作用力對(duì)加工精度的影響

傳動(dòng)力（撥桿）、離心力改變方向會(huì)使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)變形3）減少工藝系統(tǒng)受力變形的途徑①減小切削力及其變化；②提高系統(tǒng)中零件的配合質(zhì)量；縮短切削力作用點(diǎn)和支撐點(diǎn)的距離，設(shè)置輔助支承提高部件剛度第31頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月4.工藝系統(tǒng)的熱變形工藝系統(tǒng)在各種熱源的影響下會(huì)產(chǎn)生很復(fù)雜的變形，導(dǎo)致工件產(chǎn)生加工誤差（1）工藝系統(tǒng)的熱源

1）內(nèi)部熱源包括切削熱、摩擦熱和派生熱源2）外部熱源包括環(huán)境溫度、輻射熱第32頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）工件熱變形對(duì)加工精度的影響

1）工件均勻受熱

車鏜軸套類零件圓柱面，長(zhǎng)度及徑向受熱變形。若在受熱時(shí)測(cè)量達(dá)到規(guī)定尺寸，冷卻后尺寸變小，可能出現(xiàn)尺寸超差。

2）工件不均勻受熱

銑、刨、磨平面等，工件單面受熱產(chǎn)生彎曲變形磨削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)工件溫生逐漸增加第33頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）刀具熱變形對(duì)加工精度的影響第34頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月主要是主軸部件、床身導(dǎo)軌及兩者相對(duì)位置的熱變形（4）機(jī)床熱變形對(duì)加工精度的影響第35頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）熱變形的控制（1）減少發(fā)熱和采取隔熱；（2）強(qiáng)制冷卻，均衡溫度場(chǎng)；（3）從結(jié)構(gòu)上采取措施減少熱變形；（4）控制環(huán)境溫度。第37頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.工件內(nèi)應(yīng)力引起的變形內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因及消除措施1、鑄鍛焊、熱處理等因工件壁厚不均熱脹冷縮不均及金相組織變化等導(dǎo)致體積變化，毛坯產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，處于暫時(shí)平衡狀態(tài)，切削時(shí)平衡狀態(tài)被打破。2、冷校直產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力可在熱處理后進(jìn)行時(shí)效處理來消除殘余應(yīng)力。常用人工時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效和天然時(shí)效等方法。工件若產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力處于不穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)逐漸變形第38頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三、加工誤差的統(tǒng)計(jì)分析1.（1）加工誤差的分類1）系統(tǒng)誤差

常值系統(tǒng)誤差：原理機(jī)床刀夾量具制造調(diào)整誤差變值系統(tǒng)誤差：機(jī)床刀具熱變形、刀具磨損2）隨機(jī)誤差:誤差復(fù)映定位夾緊操作誤差內(nèi)應(yīng)力變形對(duì)系統(tǒng)誤差可循其規(guī)律加以調(diào)整或補(bǔ)償來消除對(duì)隨機(jī)誤差只能縮小其變動(dòng)范圍無法完全消除第39頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）正態(tài)分布

1）正態(tài)分布的數(shù)學(xué)模型、特征參數(shù)和特殊點(diǎn)

正態(tài)分布曲線方程兩個(gè)特征參數(shù)：算術(shù)平均值x和標(biāo)準(zhǔn)偏差σ第40頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月正態(tài)分布的特殊點(diǎn)①處概率密度函數(shù)有最大值②x=x±σ處為拐點(diǎn)2）標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布

=0，σ=1

實(shí)際生產(chǎn)中為非標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布需轉(zhuǎn)換令z=(x-)/σxxx第41頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月即圖中陰影面積可利用概率密度積分表計(jì)算3）工件尺寸在某區(qū)間內(nèi)的概率工件尺寸落在

±3σ范圍內(nèi)的概率為99.73%若尺寸分布中心與公差中心重合，不產(chǎn)生廢品的條件是：T≥6σQ廢=0.5–φ(x)若中心不重合存在常值系統(tǒng)誤差Δ系，T≥6σ＋Δ系x第42頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月例：軸Φ20-0.1，σ=0.025，xT=-ε(0.03)

求常值系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差，合格率、不合格率x0解：①公差帶中心xT=19.95②尺寸分布中心=xT+ε=19.95+0.03=19.98③常值系統(tǒng)誤差Δ系=-xT=ε=0.03④隨機(jī)誤差6σ=

6×

0.025=0.15或±3σ=±0.075xx⑤計(jì)算合格率、不合格率

6σ=0.15＞T=0.1，

Cp=T/6σ=0.1/0.15=0.67工件極限尺寸xmin=xA=19.9，xmax=xB=20zA=(-xA)/σ=(19.98-19.9)/0.025=3.2ψ(zA)=0.49931zB=(xB-)/σ=(20-19.98)/0.025=0.8ψ(zB)=0.2881合格率=ψ(zA)+ψ(zB)=0.49931+0.2881=0.78741=78.741%廢品率0.5-0.49931=0.069%0.5-0.2881=21.19%可修復(fù)xx第43頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.工藝過程的分布圖分析（1）工藝過程的穩(wěn)定性指均值和標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定不變的性能，取決于變值系統(tǒng)誤差（2）工藝過程分布圖分析制作分布圖了解質(zhì)量指標(biāo)分布、加工能力、是否有廢品

1）樣本容量的確定通常取n=50～2002）樣本數(shù)據(jù)整理與計(jì)算

剔除異常數(shù)據(jù)，確定尺寸分散范圍R、尺寸間隔數(shù)j、區(qū)間寬度Δx3）繪制實(shí)際分布圖

縱坐標(biāo)為頻數(shù)：同間隔尺寸工件數(shù)目第44頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

4）繪制理論分布圖

縱坐標(biāo)將概率密度轉(zhuǎn)換成頻數(shù)，分散范圍±3σ

理論最大頻數(shù)f′max=ymaxn

Δx對(duì)應(yīng)x=處拐點(diǎn)處頻數(shù)f′σ=yσn

Δx對(duì)應(yīng)x=±σ處xx5）工藝過程分布圖分析

①判斷加工誤差性質(zhì)系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差②確定工序能力及等級(jí)

工序能力系數(shù)Cp指滿足加工精度的程度Cp=T/6σ③確定不合格率第45頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）分布圖分析法特點(diǎn)

1）采用大樣本，較接近實(shí)際地反映工藝過程總體；

2）能將常值系統(tǒng)誤差從誤差中區(qū)分開；

3）在全部樣本加工后繪出曲線，不能反映先后順序，不能將變值系統(tǒng)誤差從誤差中區(qū)分開；

4）不能及時(shí)提供工藝過程精度的信息，事后分析；

5）計(jì)算復(fù)雜，只適合工藝過程穩(wěn)定的場(chǎng)合。點(diǎn)圖分析法計(jì)算簡(jiǎn)單，能及時(shí)提供主動(dòng)控制信息，可用于穩(wěn)定過程、也可用于不穩(wěn)定過程。第46頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.工藝過程的點(diǎn)圖分析（1）逐點(diǎn)點(diǎn)圖依次測(cè)量每件尺寸記入橫坐標(biāo)為零件號(hào)縱為尺寸的圖表中（2）均值-極差點(diǎn)圖

采用順序小樣本（4～6），由小樣本均值點(diǎn)圖和極差點(diǎn)圖組成，橫坐標(biāo)為小樣本組序號(hào)。具體作法如下：①定期測(cè)小樣本尺寸；②計(jì)算均值和極差R：

R=xmax-xmin

③確定中心線和R小樣本組20～30④確定上下控制線ES、EI

、UCL、LCL，定期描點(diǎn)xx第47頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月均值點(diǎn)圖上下控制線的確定：極差點(diǎn)圖上下控制線的確定：第48頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月均值點(diǎn)圖反映了質(zhì)量指標(biāo)分布中心(系統(tǒng)誤差)的變化極差點(diǎn)圖反映了質(zhì)量指標(biāo)分布范圍(隨機(jī)誤差)的變化第49頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023