第五章 机械加工质量分析与控制

第5章机械加工质量分析与控制市场竞争的核心是产品，而质量是产品参与激烈市场竞争的重要因素，产品的质量是指用户对产品的满意程度；用现代的质量观看，它包括产品的设计质量、制造质量和服务质量。设计质量主要是指所设计的产品与用户（顾客）的期望之间的符合程度；制造质量是指产品的制造与设计的符合程度；服务质量是指售前服务、售后培训、维修及安装等。在激烈的市场竞争中，为了使企业获得和保持良好的经济效益，必须实施全面质量管理。其中产品的制造质量主要与零件的制造质量、产品的装配质量有关。零件的制造质量是保证产品质量的基础5.1机械加工精度5.2机械加工表面质量思考题与练习5.1机械加工精度5.1.1加工精度的基本概念5.1.2影响加工精度的因素原始误差工艺系统的几何误差工艺系统的受力变形工艺系统的热变形工件应力引起的变形5.1.3加工误差的统计分析5.1.4提高加工精度的途径5.1.1加工精度的基本概念加工精度零件在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加工误差加工后零件的实际几何参数（尺寸、形状和位置）对理想几何参数的偏差程度零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度、位置精度三方面原始误差工艺系统：零件的机械加工是在工艺系统中进行的，机床、夹具、刀具和工件组成了一个完整的工艺系统定义：工艺系统的误差称为原始误差工艺系统的原始误差根据产生的阶段不同，可归纳如图5-1所示工艺系统的几何误差加工原理误差机床的误差主轴回转误差主轴回转误差的概念影响主轴回转精度的主要因素机床导轨误差机床传动链误差刀具的几何误差夹具的几何误差定位误差加工原理误差定义：采用了近似的成形运动或近似的切削刃形状所产生的加工误差理论上为了获得设计规定的零件加工表面，要求切削刃完全符合理论曲线形状，刀具和工件之间必须保持准确的运动关系。但在实际生产中为了简化机床或刀具的设计和制造，降低生产成本，提高生产率，允许在保证零件加工精度的前提下采用近似加工原理主轴回转误差的概念定义：主轴回转时，主轴各瞬间的实际回转轴线对其理想回转轴线的漂移基本形式：径向跳动：实际回转轴线始终平行于理想回转轴线，在一个平面内作等幅的跳动轴向跳动：实际回转轴线始终沿理想回转轴线作等幅的窜动角度摆动：实际回转轴线与理想回转轴线始终成一倾斜角，在一个平面上作等幅摆动，且交点位置不变影响主轴回转精度的主要因素影响主轴回转精度的主要因素有：轴承本身的误差、轴承的间隙、主轴各段轴径同轴度误差、轴承之间的同轴度误差及主轴系统的刚度和热变形等滑动轴承滚动轴承滑动轴承车床（图5-3a）——轴径不圆引起车床主轴向跳动（注意其频率特性）镗床（图5-3b）——轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动图5-3a图5-3b滚动轴承与轴承本身的精度有关，很大程度上又与配合件的精度有关。如主轴轴颈与支撑座孔各自的圆度误差、波度和同轴度，止推面或轴肩与回转轴线的垂直度、滚道的圆度、波度，滚动体的圆度误差和尺寸误差等，如图5-4所示图5-4滚动轴承的几何误差机床导轨误差导轨是机床上确定各主要部件相对位置关系及运动的基准导轨的误差将直接影响加工精度车床及磨床导轨精度要求有三个方面：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）（1）导轨在水平面内的直线度误差:图5-5所示（2）导轨在垂直面内的直线度误差:图5-6所示（3）前后导轨的平行度误差（扭曲）:图5-7所示图5-5卧式车床导轨直线度误差图5-6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图5-7卧式车床导轨扭曲对工件加工精度的影响机床传动链误差定义：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在螺纹加工、展成法加工中，由于要求机床传动链保证刀具与工件之间具有准确的速比关系，故机床传动链误差对加工精度影响很大刀具的几何误差采用定尺寸刀具（如钻头、铰刀、键槽铣刀、镗刀块、圆拉刀等）加工时，刀具的尺寸精度直接影响工件的尺寸精度采用成形刀具（如成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等）加工时，刀具的形状精度将直接影响工件的形状精度采用展成刀具（如齿轮滚刀、花键滚刀、插齿刀等）加工时，刀具切削刃的几何形状误差会影响工件的加工精度对一般刀具（如车刀、镗刀、铣刀等），其制造精度对工件加工精度没有直接影响，但这一类刀具耐用度低，易磨损夹具的几何误差夹具的作用：保证加工时工件在刀具和机床之间具有正确的位置，故夹具的几何误差对工件的尺寸精度和位置精度影响很大夹具几何误差的内容：夹具的制造误差夹具的安装误差主要是指组成夹具的定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等的制造误差、安装误差及使用中的磨损定位误差定义：工件采用调整法加工时因定位不准确而引起的尺寸或位置的最大变动量定位误差的来源：基准不重合误差定位副制造不准确误差定位误差是基准不重合误差和定位副制造不准确误差综合作用的结果，由于这两项误差的方向有可能不在同一个方向，故定位误差等于基准不重合误差与定位副制造不准确误差的矢量和基准不重合误差基准：用来确定零件上几何要素之间的几何关系所依据的点、线、面设计基准：在零件图上用来确定某一表面的尺寸、位置所依据的基准工序基准：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理论上要求工序基准应与设计基准重合，加工工件时，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），如所选的定位基准（或测量基准）与设计基准不重合时，就会产生基准不重合误差，它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，且只在采用调整法加工时才会产生，在试切法加工时不会产生定位副制造不准确误差工件在夹具中的正确位置由夹具上的定位元件来确定，夹具上的定位元件不可能按照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同样存在制造误差工件定位面与夹具定位元件组成了定位副，由于定位副制造的不准确以及定位副间隙引起的工件最大位置的变动量，称为定位副制造不准确误差工艺系统的受力变形基本概念零件的刚度工艺系统中如果零件的刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，工件由于刚性不足而引起的变形对其加工精度的影响会很大，形状规则、结构简单的零件的刚度可用有关力学公式估算刀具的刚度外圆车刀在加工表面时法线方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计镗直径较小的内孔时，刀杆刚性很差，其受力变形对孔加工精度影响很大机床部件的刚度工艺系统的受力变形对加工精度的影响基本概念切削加工时，机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力等力的作用下，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，造成了加工误差例如，在车削细长轴时，工件在切削力的作用下会发生变形，使加工出的轴产生了鼓形的圆柱度误差（见图5-8a）在卧式镗床上镗孔时，若镗杆作进给运动，由于镗杆弯曲的变形，加工后的工件孔会产生抛物线回转体误差（见图5-8b）加工时工件弯曲加工后工件呈鼓形（a）（b）图5-8工艺系统受力变形引起的加工误差机床部件的刚度机床部件的刚度影响机床部件刚度的因素接合面接触变形：零件表面总是存在几何形状误差和粗糙度，所以结合面的实际面积只是名义接触面积的一小部分，见图5-11低刚度零件本身变形：机床部件中，个别刚度很低的零件对整体部件刚度影响很大，见图5-12连接表面间的间隙：机床部件受力变形时，首先会消除各有关零件间的间隙，间隙消除后，接触表面开始产生接触变形和弹性变形，相应刚度较大接触表面之间的摩擦：机床部件在受力变形的过程中由于有摩擦力的作用，经多次加载、卸载之后，加载曲线与卸载曲线不重合受力方向及作用力矩：在前面的静刚度试验中，所施加的载荷及测量的变形的方向都在Y方向，这只是模拟了切削过程中起决定作用的力和位移机床部件的刚度机床的结构形状复杂，其中机床部件又由很多零件组成，其刚度的计算很难用理论公式来完成，故机床部件刚度计算目前主要是通过实验方法来测定图5-9为单向测定车床静刚度的实验方法图5-10是一台车床刀架部件经三次加载和卸载的静刚度曲线。其特点如下：（1）力与变形呈非线性关系说明机床部件的变形不单纯是弹性变形（2）加载曲线与卸载曲线不重合（3）第一次加载与卸载后曲线不封闭（4）机床部件实际刚度比按实际估算的要小图5-9车床部件静刚度的测定图5-10车床刀架部件的静刚度曲线图5-11两零件接合面间的接触情况AA放大图5-12部件中的薄弱零件的变形工艺系统的受力变形及其对加工精度的影响工艺系统的变形工艺系统的受力变形及其对加工精度的影响切削力位置的变化对零件加工精度的影响（随受力点的位置变化发生变化）切削力大小变化对工件加工精度的影响夹紧力对加工精度的影响机床部件和工件重量对加工精度的影响其他作用力对零件加工精度的影响（如惯性力、传动力）工艺系统的变形工艺系统在切削力的作用下，都会产生不同程度的变形，导致刀具和被加工表面的相对位置发生变化，从而使工件产生加工误差工艺系统的变形等于各组成部分变形的叠加，即工刀夹机系yyyyy式中，机y夹y刀y工y—机床变形量，㎜；—夹具变形量，㎜；—刀具变形量，㎜；—工件的变形量，㎜。工艺系统各部件的刚度工y工刀y夹y夹yy1，1，1，1，1yFkyFkyFkyFkyFk刀机机系系式中，机k夹k刀k工k——机床刚度，N/㎜；——夹具刚度，N/㎜；——刀具刚度，N/㎜；——工件刚度，N/㎜。工艺系统的刚度工刀夹机系kkkkk11111由上式可知，知道了工艺系统各组成部分的刚度后，就可以计算出整个系统的刚度，并且整个工艺系统的刚度要比其中刚度最小的那个环节的刚度还要差设作用在主轴箱和尾座上的力分别为FA、FB，则可求出系统的变形及刚度如下：图5-13车削外圆时工艺系统受力变形对加工精度的影响22yx111lxklxlkkFyyy尾主刀架刀架系22y1111lxklxlkkyFk尾刀架系系主切削力位置的变化对零件加工精度的影响切削力大小变化对工件加工精度的影响在对零件同一截面内进行切削时，由于工件材质不均或加工余量的变化，会引起切削力的变化，使工艺系统发生变形，导致工件出现加工误差如图5-14，尺寸误差和形位误差都存在复映现象图5-14毛胚形状误差的复印夹紧力对加工精度的影响工件的刚度比较低或夹紧力的方向和施力点选择不当,装夹过程中会引起工件的变形,从而导致工件的加工误差例如用三爪自定心卡盘夹持薄壁套筒作镗孔加工,如图5-15，为薄壁套夹紧变形误差图5-15薄壁套筒夹紧变形误差机床部件和工件重量对加工精度的影响有些大型机床由于自身重力过大会引起相应的变形，从而造成工件加工误差。例如大型立车在刀架的自重下引起横梁变形，造成工件端面的平面度误差及外圆上的锥度。工件的直径越大，加工误差也越大对于大型工件的加工（如磨削床身导轨面），工件自重引起的变形有时会成为产生加工形状误差的主要原因。在实际生产中，装夹大型工件时，恰当布置支承可以减小自重引起的变形5-附图1所示龙门铣横梁变形龙门铣横梁变形转移龙门铣横梁变形补偿5-附图1大型工件变形转移、补偿设计其他作用力对零件加工精度的影响减小工艺系统受力变形是保证加工精度的有效途径之一。在生产中，主要从两个方面考虑。首先是提高工艺系统刚度，这包括提高机床刚度，即配合面的接触刚度、零部件的刚度、保持有关部位适度预紧和合理间隙等，使用中心架或跟刀架等工艺措施提高工件和刀具的刚度，采用合理的装夹和加工方式；其次减小载荷及其变化，如合理地选择刀具材料、几何角度以及切削要素，尽量使同一批加工件的加工余量和加工材料均匀，将切削力的变动幅度控制在某一许可范围内。工艺系统的热变形热变形对加工精度影响比