1、1,汽车制造工艺学,3,机械工程学院 汽车工程教研室 2010年 2 月,2,工件的机械加工质量,第3章,3,3.1 机械加工质量的基本概念,保证零件加工质量，提高生产效率，降低生产成本，是研究机械制造工艺的目的。质量是根本。汽车零件的质量直接影响着汽车的性能和使用寿命。零件的机械加工质量包括两个方面：加工精度和表面质量。加工精度：尺寸精度、几何形状精度、位置精度表面质量：表面几何学特征、表面层材质的变化,4,一、机械加工精度 1.加工精度概念：零件加工后，其实际尺寸、几何形状、相互位置与理想零件的符合程度。 2.加工误差概念：零件加工后，其实际尺寸、几何形状、相互位置与理想零件的不符合程度。
2、加工精度和加工误差，实际上是对同一个问题从正、反两方面来进行论述。在生产中，一般都是通过控制加工误差来保证加工精度。,5,(1)尺寸精度：零件加工后的直径、长度和表面间距等尺寸的实际值与理想值的符合程度。(2)几何形状精度：零件加工后的直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度的实际值与理想值的符合程度。(3)相互位置精度：零件加工后平行度、垂直度、同轴度、对称度、位置度、圆跳动和全跳动的实值与理想值的符合程度。零件的加工精度越高，零件的质量也越高，加工成本也越高。在满足零件使用要求的前提下，可以允许零件有一定程度的加工误差。设计人员应根据零件的使用要求，合理地规定零件的加工精度，不能盲
3、目追求高精度。,6,二、机械加工表面质量(1)表面几何学特征：指零件最外层表面的微观几何形状，通常用表面粗糙度、波度表示。(2)表面层材质的变化：指在一定深度的零件表面层出现的与基体材料组织不同的变质情况，主要指表面层因塑性变形引起的冷作硬化、表面层因切削热引起的金相组织变化、表面层产生的残余应立。零件的加工表面质量的重要性在于，影响机器零件的使用性能以及整部机械的工作性能。,7,三、获得加工精度的方法（一）获得尺寸精度的方法（1）试切法通过试切测量调整再试切，反复进行到被加工尺寸达到要求为止的加工方法称为试切法。试切法的生产率低，但它不需要复杂的装置，加工精度取决于工人的技术水平和计量器具(
4、工具、仪器、仪表)的精度，故常用于单件小批生产。,8,（2）定尺寸刀具法利用刀具的相应尺寸来保证工件被加工部位尺寸的一种方法。影响尺寸精度的因素有：刀具的尺寸精度、刀具与工件的位置精度等。定尺寸刀具法操作方便，生产率较高，加工精度也较稳定。当尺寸精度要求较高时，常用浮动刀具进行加工，就是为了消除刀具与工件的位置误差的影响。钻头、铰刀、多刃镗刀块等加工孔均属定尺寸刀具法，应用于各种生产类型。拉刀拉孔也属定尺寸刀具法，应用于大中批生产和大量生产。,9,（3）调整法在加工一批工件之前，先调整好刀具与工件在机床上的相对位置，并在加工中保持这个位置不变，从而保证获得规定尺寸。影响调整法精度的因素有：测量
5、精度、调整精度、重复定位精度等。当生产批量较大时，调整法有较高的生产率。调整 法对调整工的要求 高，对机床操作工 的要求不高，常用 于成批生产和大量 生产。,10,（4）自动控制法在加工过程中，利用测量装置、进给装置和控制系统，使工件在加工过程中自动测量、进给、补偿，当工件达到加工尺寸要求，使机床停止工作。目前，自动测量中的数据可用数字显示。自动控制法把测量装置加入工艺系统(即机床、刀具、夹具和工件组成的统一体)中，自动控制法的加工精度高，主要用在自动生产线或精密机床上。,11,（二）获得形状精度的方法1.刀尖轨迹法依靠刀尖的运动轨迹获得形状精度的方法称为刀尖轨迹法。刀尖的运动轨迹取决于刀具和
6、工件的相对成形运动，因而所获得的形状精度取决于成形运动的精度。普通车削、铣削、刨削和磨削等均属刀尖轨迹法。,12,2.成形法利用成形刀具对工件进行加工的方法称为成形法。成形刀具替代一个成形运动；成形法所获得的形状精度取决于成形刀具的形状精度和其他成形运动精度。用成形砂轮、拉刀等成形刀具加工都属成形法。,13,3.展成法(滚切法)利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法称为展成法。展成法所得被加工表面是切削刃和工件作展成运动过程中所形成的包络面，切削刃形状必须是被加工面的共轭曲线。它所获得的精度取决于切削刃的形状和展成运动的精度等。滚齿、插齿、磨齿、滚花键等均属展成法。,14,（三）获得位置精
7、度的方法（工件的装夹方式）工件的位置要求取决于工件的装夹(定位和夹紧)方式及其精度。工件的装夹方式有：1.用夹具装夹 夹具是用以装夹工件(和引导刀具)的装置。当以精基准定位时，工件的定位精度一般可达0.0lmm。所以，用专用夹具装夹工件广泛用于中、大批和大量生产。但是，由于制造专用夹具费用较高、周期较长，所以在单件小批生产时，很少采用专用夹具，而是采用通用夹具。当工件的加工精度要求较高时，可采用标准元件组装的组合夹具，使用后元件可拆回。,15,2.找正装夹找正是用工具(和仪表)根据工件上有关基准，找出工件在划线、加工(或装配)时的正确位置的过程。用找正方法装夹工件称为找正装夹。找正装夹又可分为
8、：1)划线找正装夹 此法是用划针根据毛坯或半成品上所划的线为基准找正它在机床上正确位置的一种装夹方法。只用在批量不大、形状复杂而笨重的工件，或毛坯的尺寸公差很大而无法采用夹具装夹的工件。2)直接找正装夹 此法是用划针和百分表或通过目测直接在机床上找正工件位置的装夹方法。只用于单件小批生产中。,16,2.找正装夹,17,3.2 影响加工精度的主要因素,在机械加工过程中，零件的加工精度主要取决于工件和刀具在切削成形运动中的相互位置关系。机床、夹具、工件和刀具所构成的系统叫工艺系统。加工精度问题涉及整个工艺系统。产生加工误差的主要因素有： 机床的制造误差与磨损； 工艺系统热变形； 夹具的制造误差与磨
9、损； 加工原理误差； 刀具的制造误差与磨损； 工件定位误差； 工艺系统受力变形； 调整误差； 工件残余应力引起的变形； 测量误差。,18,一、加工原理误差加工原理误差是指采用了近似的加工方法进行加工而产生的加工误差。滚切渐开线齿廓是一种近似的加工方法，滚刀的齿数是有限的，那么，滚切的渐开线就不可能是理想的光滑渐开线，滚刀是一种近似形状的刀具，也会引起加工误差。此外，在公制丝杠的车床上加工英制螺纹、车削模数蜗杆时，由于导程都是无理数，只能用近似传动比的挂轮，其成形运动轨迹都是近似导程的螺旋线。这些都表明，由于采用了近似的加工方法加工，所以都存在着加工原理误差。采用近似的加工方法，虽然会产生加工原
10、理误差，但可简化加工工艺过程，简化机床或工艺装备的结构。因此，只要误差不超过规定的精度要求，在生产实践中仍能广泛采用。,19,二、机床的制造误差和磨损机床导轨误差机床导轨是机床各主要部件相对位置和运动的基准，它的精度既直接影响溜板的运动精度，又直接影响机床成形运动间的相互几何关系。机床导轨误差主要反映在以下几个方面：导轨在垂直平面内的直线度；导轨在水平平面内的直线度；导轨扭曲；导轨与主轴中心线在水平面内的平行度；导轨与主轴中心线在垂直面内的平行度。,20,机床导轨误差,21,（一）机床导轨的直线度误差在车床上，机床导轨在水平面内的直线度误差y ，则全部反映在工件上。如图所示，车削外圆时 y会使
11、工件产生圆柱度 误差。,22,（一）机床导轨的直线度误差例如，在车床上，导轨在垂直平面内的直线度误差z，对工件的加工精度影响较小。在图中有：R2z2(RR)2 则z22RR(R)2 略去(R)2，得Rz2 /（2R）因为z很小，R更小，所以在车外圆时z的影响可以忽略不计。,23,（二）机床导轨与主轴轴线的平行度误差当车床导轨与主轴轴线在水平面内有平行度误差时，工件会被车成圆锥体，而不是圆柱体。当车床导轨与主轴轴线在垂直面内有平行度误差时，车出来的工件是双曲面回转体。而在镗床上，导轨在水平面及垂直面内的直线度误差，均直接影响工件的加工精度。同时，镗床导轨的扭曲，会使所加工的孔产生位置误差。车床导
12、轨扭曲误差如何？,24,（三）主轴回转误差主轴回转误差运动主轴的实际回转轴心线相对于理想轴心线位置的最大偏移量称为主轴的回转误差。,三种基本形式： 径向跳动 角向摆动 轴向窜动,25,（三）主轴回转误差主轴在回转时，这三种误差是同时存在的，主轴回转误差运动是这三种误差的合成运动。而且这种合成运动的轨迹在每一转又是不相同的。主轴的这种误差运动称为主轴的漂移。 主轴回转误差对零件加工精度的影响：主轴的轴向窜动，会影响加工工件端面的形状精度；加工螺纹时，则要影响螺距精度。径向跳动主要影响加工工件圆柱面的形状精度。角向摆动对工件圆柱面及端面的形状精度都有影响。,26,（三）主轴回转误差 分析：车削时：
13、1.主轴轴径圆度会反映到工件上去；2.而轴承孔误差影响较小。 分析：镗削时：1.主轴轴径圆度对工件影响较小；2.而主轴承孔误差会反映到工件上去。（四）机床导轨及主轴轴径、轴承的磨损分析同上述情况及综合,27,（五）控制机床误差的措施(1)机床导轨误差产生的原因：a.制造误差b.机床安装不良c.机床因基础不良或自重下沉引起导轨严重的扭曲变形d.导轨磨损(2) 减少导轨误差的措施：首先，在机床安装时要有良好的基础，必须进行严格的测量和校正；其次，在机床使用期间应定期复校和调整，以减小机床导轨的扭曲变形；其三，加强机床的日常保养和维护，保持机床的清洁，运动部件要经常加油润滑，以减少机床零部件的磨损。
14、,28,（五）控制机床误差的措施(3)主轴回转误差产生的根源：支承主轴的轴承有误差。 滑动轴承时:轴颈和轴承孔的圆度误差及波度。 滚动轴承时:轴承内外圈滚道和滚动体的形状误差和尺寸。轴承间隙的影响。使主轴部件的刚度降低，当载荷、转速等发生变化时，主轴漂移量就增大。与轴承配合的零件误差的影响。轴颈或箱体孔的圆度误差，轴肩、过渡套、轴承端盖、螺母等相关端面有平面度误差或与回转轴不垂直，箱体前、后支承孔有同轴度误差，主轴前、后支承轴颈有同轴度误差等。其他影响。主轴转速的影响及主轴热变形的影响，等等。,29,三、刀具的制造误差和磨损工件加工表面有三种形成方法,不同的加工方法，采用的刀具也不同，刀具误差
15、对加工误差的影响也不同。1成形刀具和定尺寸刀具刀具切削刃在切削基面上的投影就是加工表面的母线形状。因此，成形刀具切削刃的形状误差和磨损直接影响加工表面的形状精度。,30,三、刀具的制造误差和磨损2用展成法加工的刀具刀具与工件要作具有严格运动关系的啮合运动，加工表面是刀刃在相对啮合运动中的包络面，刀刃的形状必须是加工表面的共轭曲线。因此，刀刃的形状误差及磨损同样会影响加工表面的形状精度。,31,三、刀具的制造误差和磨损3以刀尖轨迹法加工的刀具使用诸如普通车刀、镗刀、刨刀等单刃刀具加工时，加工表面的形状主要由机床运动精度保证，加工表面的尺寸主要由调整决定，因此，刀具的制造误差对加工精度无直接影响。
16、但一般单刃刀具的耐用度较低，在一次调整中就有显著的磨损。因此，在加工较大表面时，即一次走刀需较长时间时，刀具的磨损会严重影响工件的形状精度；用调整法加工一批工件时，刀具的磨损会对工件的尺寸精度有很大的影响。,32,三、刀具的制造误差和磨损4刀具磨损规律,车刀的尺寸磨损,车刀磨损过程,33,三、刀具的制造误差和磨损5减少刀具磨损对加工误差影响的措施：1)尺寸补偿或调整。 采用主动控制工件尺寸的闭环控制机床进行补偿。 调整法加工中定期检测工件尺寸，调整刀具位置来补偿尺寸误差。2)根据工件材料选用亲和力小、耐磨的刀具材料，如陶瓷合金、立方氮化硼、人造金刚石、表面涂层硬质合金等。3)选择相应的切削液，
17、要求切削液有较强的浸润性、对环境的无害性、防锈性。4)砂轮的自动修整与补偿。5)适当减小切削用量，以提高刀具耐用度。,34,四、工艺系统受力、受热引起的误差工艺系统是由机床、刀具、夹具和工件四者组成的一个整体。这个整体在切削力、夹紧力、传动力、重力和惯性力等外力的作用下，会发生变形，破坏了刀刃与工件间正确的相互位置关系，从而使工件产生加工误差。1工艺系统的刚度在外力作用下，工艺系统抵抗变形的能力称为工艺系统刚度，简称系统刚度，可用下式定义：kxtFy/yxt 式中：kxt 为系统刚度(Nmm)；Fy为切削力在工件表面法向的分力，即径向切削力（N）；yxt为在总切削力作用下，系统在工件表面法向的
18、变形量(mm)。,35,四、工艺系统受力、受热引起的误差 工艺系统的变形，可以按照工艺系统的组成相应地把变形叠加。即 yxtyj十yd十yg式中：yj为机床(包括夹具)的变形量；yd为刀具的变形量；yg为工件的变形量。令机床(包括夹具)的刚度 kjFy/yj刀具刚度 kdFy/yd工件刚度 kgFy/yg,36,四、工艺系统受力、受热引起的误差2工艺系统受力变形对加工精度的影响在考虑工艺系统受力变形对加工精度的影响时，以在车床上车外圆为例，并设工件变形量为零，即yg0。(1)机床的变形：如图在车床的两顶尖间车一根光轴。设切削过程中切削力保持不变。,37,四、工艺系统受力、受热引起的误差2工艺系
19、统受力变形对加工精度的影响刀具在任意点A距尾座x处时，由受力及力矩平衡式：RctRwzFy Rct（Lx）Rwz x 可解得 RwzFy（Lx）/L RctFy x /L 则有 yctRct/kct （Fy/kct）（x/L）ywzRwz/kwz（Fy/kwz）（L-x）/LydjFy/kdj式中：kct，kwz和kdj分别为车头，尾座和刀架部件的刚度；yct，ywz和ydj分别为车头，尾座和刀架部件的变形量；Rct，Rwz为车头、尾座受到的支反力。,38,四、工艺系统受力、受热引起的误差2工艺系统受力变形对加工精度的影响 机床在任意点A距x处的变形定义为yjyjyj ydj 即该处的机床变形
20、，就是该点处由于车头、尾座形和刀架的变形，而使刀具偏离工件的距离。因为yjyct yj（ywz- yct）（L-x）/L 所以 yjyct（ywz- yct）（L-x）/LydjFy（x/L）2/kct（L-x）/L2/kwz1/kdj 则机床的刚度可表述为kj（x/L）2/kct（L-x）/L2/kwz1/kdj-1称xL2时的机床刚度为机床的平均刚度。通常用平均刚度来表示一台机床的刚度。,39,四、工艺系统受力、受热引起的误差3工件的刚度及其对加工精度的影响工件的变形，通常可以按材料力学中的有关公式计算，即把工件的变形当作梁的变形来进行计算。 例如在两顶尖间车一光轴，则工件的变形为 yg(
21、Fy3EJ)x2(Lx)2L 式中： E为工件材料的弹性模量(Nmm2)； J为工件截面惯性矩(mm4)。 工件刚度为:kg3EJLx2(Lx)2 当在两顶尖间车光轴时，若不考虑系统其他部分的变形，只考虑工件本身的变形，则工件加工后的形状为鼓形。,40,四、工艺系统受力、受热引起的误差 4刀具的刚度及其对加工精度的影响,刀具变形对工件精度的影响（ 磨内孔）,41,四、工艺系统受力、受热引起的误差5.系统的刚度及其对加工精度的影响：若不考虑刀具变形，即yd0，则系统变形量为yxtyj十ygyxtFy （x/L）2/kct（L-x）/L2/kwz1/kdj(Fy3EJ)x2(Lx)2L由于工艺系统
22、变形而导致的工件加工误差，可按上式计算系统变形量，系统变形的大小，就是刀具偏离工件正确位置的数值，也就是工件的加工误差。系统刚度在工件全长上是一个变量，与之相应的系统变形量在工件上也是一个变量，所以需在工件全长上取若干个点，求出在各点的系统变形量，然后得出系统变形曲线。系统变形曲线的形状，完全反映了加工后工件母线的形状。,42,四、工艺系统受力、受热引起的误差6.毛坯误差的复映：有时可以认为工艺系统的刚度在工件全长上是近似不变的，如在车床上车短轴等情况。短工件加工，可以把系统刚度视作一个常量。但是，如果这时毛坯形状误差较大，那么就会由于毛坯余量不均匀而使工件某一个截面上所受到的切削力大小不一致
23、，切削力的变化导致工艺系统变形量不一致，最终影响加工精度。 如图示车短轴， 毛坯本身有圆度误差，,43,四、工艺系统受力、受热引起的误差 按金属切削原理有关公式 FyFz FzCFz ap f0.75 故 FyCFz ap f0.75 式中：为切削力分配系数(0.15一0.7)； CFz为切削力系数；ap 为切削深度；f为进给量。令工件加工后的半径差为g。系统变形量就是工件的加工误差，因此， gy1-y2 因为系统变形量yx1Fy/kx1 所以g（Fy1Fy2）/kx1 CFz f0.75（ap1ap2）/kx1 令m（ap1ap2） CFz f0.75/kx1 得gm 式中为误差复映系数(0
24、1)。,44,四、工艺系统受力、受热引起的误差 从式(36)及的定义域可以得出：只要毛坯有误差(m0)，工件加工后必定有误差(g0)。由于工件误差与毛坯误差是相对应的，因此可以把工件误差看成是毛坯误差的“复映”。同时，由于1，所以工件误差值必定小于毛坯误差值。以上就是毛坯误差的复映规律。要减小工件的复映误差，可以增加工艺系统的刚度，减小径向切削分力。此外，增加走刀次数也可以大大减少工件的复映误差。设1，2，3，分别为第一，第二，第三次，走刀时的误差复映系数，则 g11m g22g1 12m g33g2 123m ,45,四、工艺系统受力、受热引起的误差7影响工艺系统刚度的因素(1)连接表面的接
25、触变形。工艺系统是由许多零部件构成的，各零部件表面都存在着一定的不平度，亦即各连接表面的实际接触面要比名义上的接触面小，在名义压力作用下，接触面就要发生接触变形。在接触变形中，既有弹性变形，又有一小部分塑性变形。接触变形影响了系统的刚度。(2)零件的摩擦。工艺系统中运动部件的摩擦对系统刚度的影响，主要表现在加载和卸载。在加载时，摩擦阻止变形的增加；在卸载时，摩擦阻止变形的恢复。(3)连接件的预紧力。在工艺系统中对连接件适当施加预紧力，可以提高连接件的接触刚度。(4)配合间隙。连接件的配合间隙会使工艺系统在外力作用上去后，产生变形。(5)零件的刚度。工艺系统中零件的刚度大、变形小，则系统的刚度也
26、大，变形也小。,46,四、工艺系统受力、受热引起的误差8提高工艺系统刚度的措施(1)合理的结构设计。在设计工艺系统时，应尽量减少零件数目，减少接触副、提高零件的结构刚度。(2)提高连接表面的接触刚度。提高连接表面接触刚度的主要措施是：提高表面的平面度，降低表面粗糙度，同时加上适当的预紧力。(3)采用合理的装夹方式。这是在夹具设计时要考虑的问题，其核心是使工件和刀具的变形尽量小。(4)合理使用机床。主要是指调整好机床运动部件的间隙，消除机床的安装误差。(5)合理安排工艺。在安排零件的加工工艺时，要使切削过程中所产生的切削力比较小，切削力的变化也比较小。,47,四、工艺系统受力、受热引起的误差 （
27、二）工艺系统的热变形1工艺系统热源机械加工过程中，工艺系统受热后也要变形。工艺系统的热源主要来自两方面，即内部热源和外部热源，内部热源是指摩擦热和切削热，外部热源是指环境温度和辐射热。(1)摩擦热。摩擦热是机床内部各对运动副之间摩擦所产生的热。如齿轮、轴承等。摩擦热主要影响机床的变形。(2)切削热。切削热是指在切削过程中，被加工材料的塑性变形，以及刀具与工件、切屑之间摩擦所消耗的能量，这个能量就转化为热量。切削热主要影响工件和刀具的变形。(3)环境温度。(4)辐射热。环境温度和辐射热对机床、刀具和工件的影响相对较小，但有时也不能忽视，尤其是在大型、精密零件的加工中，要注意温差和热量辐射位置变化
28、所引起的系统热变形的变化。,48,四、工艺系统受力、受热引起的误差2工件受热变形对加工精度的影响工件在加工时的受热变形，可分为两种情况：均匀受热和不均匀受热。一般，除了车长轴和磨削、铣削、刨削薄片类工件的表面被视为不均匀受热外，其他加工大都可以视作均匀受热。(1)工件均匀受热。如果认为工件在加工过程中是均匀受热，那么，可按照热学原理，依据工件材料的热胀系数、工件原来的尺寸及平均温升来计算工件的受热变形量。(2)工件不均匀受热。 在车长轴时，应把工件视 为不均匀受热。如图所示，,49,四、工艺系统受力、受热引起的误差 2工件受热变形对加工精度的影响 在铣削、刨削和磨削薄片类工件的表面时，也应把工
29、件视为不均匀受热。,50,四、工艺系统受力、受热引起的误差 3刀具受热变形对加工精度的影响刀具在切削过程中，由于受到切削热的作用，要产生热伸长。由于刀具的伸长，破坏了已调整好的工件与刀具之间的正确位置，致使切削深度增大，最终影响工件的尺寸和形状精度。 图:车刀受热变形曲线大多数切削加工都可以被认 为是间断切削。每个工件的 装卸时间，就是刀具间断切 削阶段。对于间断切削，最 大热伸长量主要影响一批 工件的尺寸精度。热平衡后 刀具的热伸长量(冷收缩量) 1主要影响每一个工件的形 状精度。,51,四、工艺系统受力、受热引起的误差 4机床受热变形对加工精度的影响机床受热变形也是影响工件加工精度的主要因
30、素。机床受热变形的部位，主要发生在主轴部件和床身。机床受热后，会产生主轴抬高和偏移现象，床身导轨也会因受热伸长而向上凸起。机床受热变形的结果会使工件产生较大的形状和位置误差。为了减少机床受热变形对加工精度的影响，可以在加工前，先开动机床，让它空转一定的时间，使机床受热变形稳定后再工作。有些机床，如磨床等，将油箱和电机置于床身外，以减少温升。对于精密机床，则要置于恒温室，保持室温在20土0.5()。,52,五、测量误差和调整误差测量误差是指在工件的测量中所产生的误差。一般占工件公差的1/51/10。 测量误差主要产生原因：1、测量器具本身的误差；（选择精度）2、测量方法造成的误差；（选择工具）3
31、、温度的影响；4、测量人员的主观原因。测量器具本身有其使用条件，当使用不符合要求时，则测量结果必然有误差。就测量者而言，视力、测量器具的使用方法等，都会影响测量结果。,53,五、测量误差和调整误差试切调整法产生的误差：1、测量的误差；2、加工余量的影响；3、微进给误差；4、判断误差的影响。,54,六、工件残余应力引起的变形工件在切削时，由于切削温度升高，金属的切除等原因，使得工件内部原有的应力平衡状态遭到破坏，于是，工件的内应力要重新分布，以达到新的平衡。这一过程被称为内应力的重新分布过程，其外部表现就是工件的变形。 要减小工件的残余应力，可增加消除内应力的专门工序，如退火、回火和时效处理等。
32、 对工件的粗精加工分开进行，使粗加工后有一定的时间让残余应力重新分布，以减小对精加工的影响。 零件的结构设计要合理，尽量简化零件结构，零件壁厚尽量均匀。 提高零件的刚性。这些措施均可减小零件的残余应力。,55,七、加工误差分析,在汽车零部件的生产中，影响加工精度的因素往往是错综复杂的。但多种因素的同时作用，势必会出现有些因素相互补偿或抵消，有些因素相互叠加。不少因素又带有一定的偶然性。因此，在实践中，一般运用数理统计方法加以处理和分析，从中寻求规律，找出影响加工误差的主要因素，进而采取措施，减少或消除影响加工误差的主要因素，以确保加工质量的可靠和稳定。,56,（一）实验误差概念生产中，测得零件
33、的每一个数据都是实验数据，而零件的加工误差则属于实验误差。按照误差出现的规律，可以分成三类不同性质的误差：1系统误差误差的大小和方向随时间按某一确定规律变化。系统误差又可分为(1)常值系统误差：误差的大小和方向固定不变。(2)变值系统误差：误差的大小和方向随时间发生变化。,57,在机械加工中，加工原理误差，机床、刀具、夹具的制造误差，机床的受力变形等引起的加工误差均与时间无关，其大小和方向在一次调整中也基本不变，故可视为常值系统误差。机床、夹具、量具等磨损引起的加工误差，在一次调整中若无明显差异，也可视为常值系统误差。机床、刀具未达到热平衡时，热变形引起的加工误差，是随加工时间的变化而呈有规律
34、的变化，因而这类误差属于变值系统误差。对于刀具磨损引起的加工误差，则要根据它在一次调整中磨损量的大小来判别。砂轮、车刀、端铣刀、单刃镗刀等均应按变值系统误差处理。钻头、铰刀、滚齿刀等，由于磨损所引起的加工误差，在一次调整中不很显著，也可视为常值系统误差。,58,2随机误差误差的大小和方向以不可预定的方式变化。在机械加工中，毛坯误差的复映、工件的定位误差和工件残余应力引起的变形所产生的误差等都属于随机误差。3过失误差操作人员过失引起的误差。该误差只能通过操作规程或制度加以避免，它不属于统计分析的范畴。系统误差和随机误差的性质并不是一成不变的，在不同的场合、不同的定义域内、它们是可以相互转化的。因
35、此，区别系统误差和随机误差，还需对具体情况作具体分析。,59,（二）分布曲线法这种方法是通过测量一批加工后零件的实际尺寸，做出尺寸分布曲线，然后按此曲线的位置和形状判断这种加工方法产生误差的情况。式中： xi为随机变量的取值； N为随机变量的个数；所测尺寸算数平均值；工件理想尺寸，即公差带中心； 随随机误差分散范围。 系 ,60,（二）分布曲线法 随随机误差分散范围式中： -随机变量的标准差 如按正态分布，6是 随机误差分散范围。 曲线下在范围内 面积为1，而 / 范围内的面积可查表 得出。（双侧面积）,61,实际分布图与理论分布图 (1)实际分布图(直方图)：在对一批零件的检测中，出现同一尺
36、寸的工件数目称为频数m，频数m与子样总数n之比称为频率f。实际分布图能直 观地反映出工件尺 寸(或误差)的分布 情况。例如:要求保证 尺寸62土0.3(mm) 顺序测得100个零 件的尺寸。将100 个尺寸分成7组， 组距为0.1mm 。,62,尺寸 单位：mm,63,频数分布表,64,（三）分布图在工艺分析中的应用1判别加工误差的性质判别加工误差的性质，一般使用零件尺寸的直方图与正态分布曲线。（1）如果零件尺寸的直方图与正态 分布曲线基本相符，则说明加工过程中 基本没有变值系统误差。这时，可利用 正态分布曲线进一步分析加工过程中是 否存在常值系统误差，并判别随机误 差的大小。如图所示，正态分
37、布曲线以 均值为对称中线，如果不变， 均值改变，则曲线沿x轴移动而 不改变其形状：,65,当Am，即曲线的均值()与设计规定的公差带中心(Am )重合，说明加工过程中没有常值系统误差。当Am，即曲线的均值()与 设计规定的公差带中心(Am )不重合， 说明加工过程中存在常值系统误差。 与Am的差值，就是系统误差的大 小。若Am，说明存在使零件尺 寸偏大的常值系统误差；若Am， 说明存在使零件尺寸偏小的常值 系统误差。,66,如果均值不变，改变，则曲线形状改变： 当减小，曲线形状陡峭， 随机误差减小。 当增加，曲线形状平坦， 随机误差增大。, 1,67,（2）如果零件尺寸的直方图与正态分布曲线不
38、相符，则说明加工过程中有变值系统误差。两者差异越大，存在变值系统误差的可能性就越高。对于加工过程中出现的常值系统误差和变值系统误差，应寻找产生这些误差的根源，采取相应措施予以消除。,68,2估计产品的废品率 根据正态分布曲线在某一区域内所围的面积，可以估计出产品可能出现的废品率。如图所示，工件尺寸分散范围 为（3）（3）， 其中有一部分尺寸偏小 （3Amin)，在公差 方范围之外，这部分产品就 是废品。区域曲线下所 围的面积就是废品率。在数理统计的有关表 格中可查得正态分布曲线下某一区间所围的面积。,69,3.3 机械加工表面质量,零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。 零件
39、表面质量： 表面粗糙度 表面物理力学性能 加工中的振动 机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。,70,一、表面粗糙度 1、刀具几何参数的影响 如车削：切削参数大时：H=f/(cot+ cot)切削参数小时： H=f 2/(8r) 影响分析：刀尖圆弧半径r、进给量f主偏角kr、副偏角kr,71,一、表面粗糙度 2、物理因素的影响物理因素对加工表面粗糙度的影响比较复杂，与切
40、削原理所述的积屑瘤、鳞刺和振动有关。 （1）进给量f的影响。减小进给量固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。切削层太薄刀具刃口半径大，挤压为主。 （2）吃刀深度的影响。一般不明显，但太小时，挤压、打滑严重。,72,一、表面粗糙度 2、物理因素的影响 （3）切削速度的影响。加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺的影响）如下图所示。选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。,73,一、表面粗糙度 2、物理因素的影响 （4）工件材料的影响。 韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切
41、削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。 （5）其它因素的影响此外，合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。,74,一、表面粗糙度 3、加工过程中振动的影响 振动会在工件加工表面出现振纹，降低了工件的加工精度和表面质量； 振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损； 振动使机床连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床丧失精度； 强烈的振动及伴随而来的噪声，还会污染环境，使机械加工生产率降低。,75,二、表面强化和表面
42、残余应立 （一） 表面强化 定义：机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。 衡量表面层加工硬化程度的指标有： 1）表面层的显微硬度HV； 2）硬化层深度h。,76,影响表面层加工硬化的因素,刀具几何形状的影响, 切削用量的影响,工件材料性能的影响,77,二、表面强化和表面残余应力 （二） 残余应力 定义： 机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。,78,表面层残余
43、应力的产生,1） 冷态塑变,2） 热态塑变,3） 金相组织变化,79,3.4 表面质量对零件使用性能的影响,一、表面质量对零件耐磨性的影响 （1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响 表面粗糙度太大和太小都不耐磨。 表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧； 表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。 表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。,80,（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响,加工表面的冷作硬化，一般能提
44、高零件的耐磨性。因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。,81,二、表面质量对零件疲劳强度的影响（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲
45、劳破坏的能力越差。,82,（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响 适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。 残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度 残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。,83,3表面质量对零件耐腐蚀性能的影响,（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。 （2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进
46、入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。,84,4.表面质量对零件配合精度的影响 （1）表面粗糙度对零件配合精度的影响表面粗糙度较大，则降低了配合精度。 （2）表面残余应力对零件工作精度的影响表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。,85,表面质量对零件使用性能的影响,零件表面质量,粗糙度太大、太小都不耐磨,适度冷硬能提高耐磨性,对疲劳强度的影响,对耐磨性影响,对耐腐蚀性能的影响,对工作精度的影响,粗糙度越大，疲劳强度越差,适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度,粗糙度越大、工作精度降低,残余应力越大，工作精度降低,粗糙度越大，耐腐蚀性越差,压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性,
