机械制造质量分析与控制

第四章机械制造质量分析与控制4.1机械加工精度4.2工艺过程的统计分析4.3机械加工表面质量4.4机械加工过程中的振动第四章机械制造质量分析与控制零件的机械制造质量包括零件几何精度和零件表面层的物理机械性能两个方面。零件的几何误差包括尺寸误差、几何形状误差和位置误差。几何形状误差又可分为宏观几何形状误差、波度和微观几何形状误差，参见图4-1。表面粗糙度是加工表面的微观几何形状误差，其波距（）与波高（）之比一般小于50。波距（）与波高（）之比在50-1000范围内的几何形状误差，称为波度。波距（）与波高（）之比大于1000的几何形状误差，称为宏观几何形状误差。零件表面层物理机械性能方面的质量主要是指表明层材料的冷作硬化、金相组织的变化、残余应力等。3L3H2L2H1L1H本章将机械制造质量分成加工精度和表面质量两个方面来研究。前者包括尺寸精度、宏观几何形状精度和位置精度；后者包括表明粗糙度、波度和表面层材料物理机械性能。4.1机械加工精度一、概述（一）加工精度与加工误差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想位置相符的程度。2、获得加工精度的方法：1）试切法：即试切--测量--再试切--直至测量结果达到图纸给定要求的方法。2）定尺寸刀具法：用刀具的相应尺寸来保证加工表面的尺寸。3）调整法：按零件规定的尺寸预先调整好刀具与工件的相对位置来保证加工表面尺寸的方法。3、加工误差：实际加工不可能把零件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。4、误差的敏感方向：加工误差对加工精度影响最大的方向，为误差的敏感方向。例如：车削外圆柱面，加工误差敏感方向为外圆的直径方向。（二）加工经济精度由于在加工过程中有很多因素影响加工精度，所以同一种加工方法在不同的工作条件下所能达到的精度是不同的。任何一种加工方法，只要精心操作，细心调整，并选用合适的切削参数进行加工，都能使加工精度得到较大的提高，但这样会降低生产率，增加加工成本。加工误差δ与加工成本C成反比关系。某种加工方法的加工经济精度不应理解为某一个确定值，而应理解为一个范围（如图4-2中之AB范围），在这个范围内都可以说是经济的。（三）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都会以各种不同的方式（或扩大、或缩小）反映为工件的加工误差。工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。工艺系统的原始误差主要有：1、加工前的误差（原理误差、调整误差、工艺系统的几何误差、定位误差）2、加工过程中的误差（工艺系统的受力变形引起的加工误差、工艺系统的受热变形引起的加工误差）3、加工后的误差（工件内应力重新分布引起的变形以及、测量误差）等。（四）研究机械加工精度的方法因素分析法：通过分析、计算或实验、测试等方法，研究某一确定因素对加工精度的影响。一般不考虑其它因素的同时作用，主要是分析各项误差单独的变化规律；统计分析法：运用数理统计方法对生产中一批工件的实测结果进行数据处理，用以控制工艺过程的正常进行。主要是研究各项误差综合的变化规律，只适合于大批、大量的生产条件。二、工艺系统几何误差（一）机床的几何误差加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。机床的磨损将使机床工作精度下降。1）主轴回转误差（见P110）机床主轴是装夹工件或刀具的基准，并将运动和动力传给工件或刀具，主轴回转误差将直接影响被加工工件的精度。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。产生主轴径向回转误差的主要原因有：主轴几段轴颈的同轴度误差、轴承本身的各种误差、轴承之间的同轴度误差、主轴绕度等。但它们对主轴径向回转精度的影响大小随加工方式的不同而不同。图4-3采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动a)工件回转型b)刀具回转型譬如，在采用滑动轴承结构为主轴的车床上车削外圆时，切削力F的作用方向可认为大体上时不变的，见上图，在切削力F的作用下，主轴颈以不同的部位和轴承内径的某一固定部位相接触，此时主轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而轴承内径的圆度误差对主轴径向回转精度的影响则不大；在镗床上镗孔时，由于切削力F的作用方向随着主轴的回转而回转，在切削力F的作用下，主轴总是以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，因此，轴承内表面的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而主轴颈圆度误差的影响则不大。图中的δd表示径向跳动量。产生轴向窜动的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。不同的加工方法，主轴回转误差所引起的的加工误差也不同。主轴回转误差产生的加工误差。1）径向跳动：影响工件圆度；2）轴向窜动：影响轴向尺寸，加工螺纹时影响螺距值；3）角度摆动：影响圆柱度；提高主轴回转精度的措施：主要是要消除轴承的间隙。适当提高主轴及箱体的制造精度，选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对高速主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。2）导轨误差（见P111）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）。a）导轨在水平面内的直线度误差：卧式车床导轨在水平面内的直线度误差△1（见图4-4）将直接反映在被加工工件表面的法线方向（加工误差的敏感方向）上，对加工精度的影响最大。图4-4卧式车床导轨直线度误差图4-5卧式车床导轨垂直面内直线度误差对工件加工精度的影响b）导轨在垂直平面内的直线度误差：卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差△2可引起被加工工件的形状误差和尺寸误差（见图4-4）。但△2对加工精度的影响要比△1小得多。由上图4-4及4-5可知若因△2而使刀尖由a下降至b，不难推得工件半径R的变化量。DR22图4-6卧式车床导轨扭曲对工件加工精度的影响c)前后导轨存在平行度误差（扭曲）时，刀架运动时会产生摆动，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生形状误差。由图4-6可见，当前后导轨有了扭曲误差△3之后，由几何关系可求得△y≈（H/B）△3。一般车床的H/B≈2/3，外圆磨床的H/B≈1，车床和外圆磨床前后导轨的平行度误差对加工精度的影响很大。d)导轨与主轴回转轴线的平行度误差：若车床与主轴回转轴线在水平面内有平行度误差，车出的内外圆柱面就产生锥度；若车床与主轴回转轴线在垂直面内有平行度误差，则圆柱面成双曲回转体。因是非误差敏感方向，故可略。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，也使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。3）传动链误差（见P111）传动链误差是指机床内联系传动链始末两端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。内联系传动链：两端件之间的相对运动量有严格要求的传动链，为内联系传动链。例如：车削螺纹的加工，主轴与刀架的相对运动关系不能严格保证时，将直接影响螺距的精度。减少传动链传动误差的措施：1）减少传动件的数目，缩短传动链：传动元件越少，传动累积误差就越小，传动精度就越高。2）传动比越小，传动元件的误差对传动精度的影响就越小：特别是传动链尾端的传动元件的传动比越小，传动链的传动精度就越高。（二）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磨损，并由此引起工件尺寸和形状地改变。正确地选用刀具材料和选用新型耐磨地刀具材料，合理地选用刀具几何参数和切削用量，正确地刃磨刀具，正确地采用冷却液等，均可有效地减少刀具地尺寸磨损。必要时还可采用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿。（三）夹具的几何误差图4-9工件在夹具中装夹示意图夹具的作用是使工件相当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4-9所示钻床夹具中，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。三、定位误差定位误差是指一批工件采用调整法加工时因定位不正确而引起的尺寸或位置的最大变动量。定位误差由基准不重合误差和定位副制造不准确误差组成。（一）基准不重合误差在零件图上用来确定某一表面尺寸、位置所依据的基准称为设计基准。在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依据的基准称为工序基准。一般情况下，工序基准应与设计基准重合。在机床上对工件进行加工时，须选择工件上若干几何要素作为加工（或测量）时的定位基准（或测量基准），如果所选用的定位基准（或测量基准）与设计基准不重合，就会产生基准不重合误差。基准不重合误差等于定位基准相对于设计基准在工序尺寸方向上的最大变动量。图4-10基准不重合误差分析示例图4-10示零件，设e面已加工好，今在铣床上用调整法加工f面和g面。在加工f面时若选e面为定位基准，则f面的设计基准和定位基准都是e面，基准重合，没有基准不重合误差，尺寸A的制造公差为TA。加工g面时，定位基准有两种不同的选择方案，一种方案（方案Ⅰ）加工时选用f面作为定位基准，定位基准与设计基准重合，没有基准不重合误差，尺寸B的制造公差为TB；但这种定位方式的夹具结构复杂，夹紧力的作用方向与铣削力方向相反，不够合理，操作也不方便。另一种方案（方案Ⅱ）是选用e面作为定位基准来加工g面，此时，工序尺寸C是直接得到的，尺寸B是间接得到的，由于定位基准e与设计基准f不重合而给g面加工带来的基准不重合误差等于设计基准f面相对于定位基准e面在尺寸B方向上最大变动量TA。定位基准与设计基准不重合时所产生的基准不重合误差，只有在采用调整法加工时才会产生，在试切法加工中不会产生。（二）定位副制造不准确误差工件在夹具中的正确位置是由夹具上的定位元件来确定的。夹具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得绝对准确，它们的实际尺寸（或位置）都允许在分别规定的公差范围内变动。同时，工件上的定位基准面也会有制造误差。工件定位面与夹具定位元件共同构成定位副，由于定位副制造得不准确和定位副间的配合间隙引起的工件最大位置变动量，称为定位副制造不准确误差。图4-11由定位副制造不准确引起的误差如图4-11所示工件的孔装夹在水平放置的心轴上铣削平面，要求保证尺寸h，由于定位基准与设计基准重合，故无基准不重合误差；但由于工件的定位基面（内孔D）和夹具定位元件（心轴d1）皆有制造误差，如果心轴制造得刚好为d1min，而工件得内孔刚好为Dmax（如图示），当工件在水平放置得心轴上定位时，工件内孔与心轴在P点接触，工件实际内孔中心的最大下移量△ab＝（Dmax－d1min）/2，△ab就是定位副制造不准确而引起的误差。基准不重合误差的方向和定位副制造不准确误差的方向可能