第五章 機(jī)械制造質(zhì)量分析與控制B

1、第三節(jié) 工藝過(guò)程的統(tǒng)計(jì)分析一、加工誤差的性質(zhì) 在生產(chǎn)實(shí)際中，影響加工精度的原始誤差很多，這些原始誤差往往是綜合地交錯(cuò)在一起對(duì)加工精度產(chǎn)生綜合影響的，且其中不少原始誤差的影響往往帶有隨機(jī)性。對(duì)對(duì)于一個(gè)受多個(gè)隨機(jī)性質(zhì)原始誤差影響的工于一個(gè)受多個(gè)隨機(jī)性質(zhì)原始誤差影響的工藝系統(tǒng)，只有用概率統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行分藝系統(tǒng)，只有用概率統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行分析析，才能得出正確的、符合實(shí)際的結(jié)果。（一）系統(tǒng)性誤差與隨機(jī)性誤差 系統(tǒng)性誤差可分為常值系統(tǒng)性誤差和變值系系統(tǒng)性誤差可分為常值系統(tǒng)性誤差和變值系統(tǒng)性誤差兩種。統(tǒng)性誤差兩種。 在連續(xù)加工一批工件中，其大小和方向皆不在連續(xù)加工一批工件中，其大小和方向皆不變的誤差，稱為

2、常值系統(tǒng)性誤差。變的誤差，稱為常值系統(tǒng)性誤差。例如，原理性誤差，機(jī)床、刀具夾具、量具的制造誤差，調(diào)整誤差，工藝系統(tǒng)的靜力變形等。 在連續(xù)加工一批工件中，其大小和方向循某在連續(xù)加工一批工件中，其大小和方向循某一規(guī)律變化的誤差，稱為變值系統(tǒng)性誤差。一規(guī)律變化的誤差，稱為變值系統(tǒng)性誤差。例如，由于刀具的磨損引起的加工誤差，機(jī)床或刀具或工件的受熱變形引起的加工誤差等。 對(duì)于常值系統(tǒng)性誤差，若能掌握其大小和方向，就可以通過(guò)調(diào)整消除； 對(duì)于變值系統(tǒng)性誤差，若能掌握其大小和方向隨時(shí)間變化的規(guī)律，則可通過(guò)自動(dòng)補(bǔ)償消除； 在連續(xù)序加工一批工件中，有些誤差的大在連續(xù)序加工一批工件中，有些誤差的大小和方向是無(wú)規(guī)則地

3、變化著的，這些誤差小和方向是無(wú)規(guī)則地變化著的，這些誤差稱為隨機(jī)誤差。稱為隨機(jī)誤差。例如加工余量不均勻、材料硬度不均勻、夾緊力時(shí)大時(shí)小，內(nèi)應(yīng)力引起的變形誤差等。 對(duì)隨機(jī)性誤差，只能縮小它們的變動(dòng)范圍，而不可能完全消除。由概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)由概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)可知，隨機(jī)性誤差的統(tǒng)計(jì)規(guī)律可用它的學(xué)可知，隨機(jī)性誤差的統(tǒng)計(jì)規(guī)律可用它的概率分布表示。概率分布表示。如果我們掌握了工藝過(guò)程中各種隨機(jī)誤差的概率分布，又知道了變值系統(tǒng)性誤差的變化規(guī)律，那么我們就能對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行有效的控制。（二）機(jī)械制造中常見(jiàn)的誤差分布規(guī)律1、正態(tài)分布 在機(jī)械加工中，若同時(shí)滿足下列三個(gè)條件：（1）無(wú)變值系統(tǒng)性誤差（或有而不顯著）；

4、（2）各隨機(jī)性誤差是相互獨(dú)立的；（3）在各隨機(jī)性誤差中沒(méi)有一個(gè)是起主導(dǎo)作用的； 則工件的誤差就服從正態(tài)分布。在上述三個(gè)條件中，若有一個(gè)條件不滿足，則工件誤差就不服從正態(tài)分布。2、平頂分布 在影響機(jī)械加工的諸多誤差因素中，如果刀具線性磨損的影響顯著，則工件尺寸誤差將呈現(xiàn)平頂分布。平頂誤差分布曲線可以看成是隨著時(shí)間而平移的眾多正態(tài)誤差分布曲線組合的結(jié)果。3、雙峰分布 同一工序的加工內(nèi)容，由兩臺(tái)機(jī)床來(lái)同時(shí)完成，由于這兩臺(tái)機(jī)床的調(diào)整尺寸不盡相同，兩臺(tái)機(jī)床的精度狀態(tài)也有差異，若將這兩臺(tái)機(jī)床所加工的工件混在一起，則工件的尺寸誤差就呈雙峰分布。4、偏態(tài)分布工藝系統(tǒng)在遠(yuǎn)未達(dá)到熱平衡而加工時(shí)，由于熱變形開(kāi)始較快

5、，以后漸慢，直到穩(wěn)定為止，則工件尺寸的實(shí)際分布出現(xiàn)不對(duì)稱狀態(tài)，稱之為偏態(tài)分布。二、加工誤差的統(tǒng)計(jì)分析方法1、分布曲線法 檢查一批精鏜后的活塞銷孔直徑（尚未采用滾擊法前的數(shù)據(jù)），圖樣規(guī)定的尺寸及公差 ，抽查件數(shù)為100。測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)它們的尺寸是各不相同的，這種現(xiàn)象稱之為尺寸分散。把測(cè)量所得的數(shù)據(jù)按尺寸大小分組，每組的尺寸間隔為0.002mm。0015. 028實(shí)際測(cè)量的結(jié)果表示：一部分工件已超出了公差范圍（28.0028.004），成了廢品，如圖5-61所示中陰影部分就表示了廢品部分。但是，從圖中也可以看出，這批工件的分散范圍0.012mm比公差帶0.015mm小，但還是有18的工件尺寸超出了公差

6、上限，造成這種結(jié)果的原因是分散范圍分散范圍中心與公差帶中心不重合中心與公差帶中心不重合，如果能夠設(shè)法將分散中心調(diào)整到與公差范圍中心重合，所有工件將全部合格。具體地講，鏜孔時(shí)要將鏜刀伸出量調(diào)整得短一些才好。因此解決這道工序的精度問(wèn)題是消除常值系統(tǒng)性誤差系統(tǒng)=（27.9979-27.9925） 0.0054mm。再如在無(wú)心磨床上用貫穿法磨削活塞銷，其公差為 公差范圍為（27.99927.990）mm0.009mm。設(shè)加工后量得的工件尺寸分布如圖5-62所示，則尺寸分散范圍0.016mm大于公差范圍0.009mm，常值系統(tǒng)誤差為（27.998027.9945）0.0035mm，即使把分散范圍中心調(diào)整

7、到與公差范圍中心重合，也還是要產(chǎn)生不合格品（如圖5-62陰影部分所示）。要解決這類精度問(wèn)題，則不但要把系統(tǒng)性誤差減小，而且還要設(shè)法減小隨機(jī)性誤差。001. 0010. 028工件總數(shù)。工件尺寸；式中圍中心）工件平均尺寸（分散范。標(biāo)準(zhǔn)差），另一為均方根誤差（一為算術(shù)平均值方程有兩個(gè)特征參數(shù)，程為：正態(tài)分布的概率密度方nxxxnxnxxxxxxyiniinii12122110,2exp21)(x只影響曲線的位置，而不影響曲線的形狀（見(jiàn)圖438a）；只影響曲線的形狀，而不影響曲線的位置， 愈大，曲線愈平坦，尺寸就愈分散，精度就愈差。因此，因此，的大小反映了機(jī)床的大小反映了機(jī)床加工精度的高低加工精度的

8、高低 ， 的大小反映了機(jī)床調(diào)整位的大小反映了機(jī)床調(diào)整位置的不同。置的不同。x 原則”。的“這就是工程上經(jīng)常用到范圍為所以：正態(tài)分布的分散，可忽略不計(jì)。率只占而落在該范圍以外的概，范圍內(nèi)的概率為寸落在計(jì)算結(jié)果表明，工件尺。時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)3,327. 0%73.993%73.9949865. 02323/%;44.954772. 02222/%;26.683413. 02121/xxxxzxxzxxz 確定工序能力及其等級(jí) 所謂工序能力，就是工序處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，加工誤差正常波動(dòng)的幅度，通常用6來(lái)表示。 所謂工序能力系數(shù)，就是工序能力滿足加工精度要求的程度，當(dāng)工序處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，工序能力系數(shù)C，

9、按下式計(jì)算：6TCp工藝過(guò)程的分布圖分析法具有以下特點(diǎn)：1）分布圖分析法采用的是大樣本，因而能比較接近實(shí)際地反映工藝過(guò)程總體（母體）；2）能把工藝過(guò)程中存在的常值系統(tǒng)性誤差從誤差中區(qū)分開(kāi)來(lái)，但不能把變值系統(tǒng)性誤差從誤差中區(qū)分開(kāi)來(lái)；3）只有等到一批工件加工完畢后才能繪制分布圖，因此不能在工藝過(guò)程進(jìn)行中及時(shí)提供控制工藝過(guò)程精度的信息；4）計(jì)算較復(fù)雜；5）只適用于工藝過(guò)程穩(wěn)定的場(chǎng)合。三、工藝過(guò)程的點(diǎn)圖分析 由于點(diǎn)圖分析法能夠反映質(zhì)量指標(biāo)隨時(shí)間變化的情況，因此，它是進(jìn)行統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制的有效方法。這種方法既可以用于穩(wěn)定的工藝過(guò)程，也可以用于不穩(wěn)定的工藝過(guò)程。（一）點(diǎn)圖的基本形式 點(diǎn)圖分析法所采用的樣本是順

10、序小樣本，即每隔一定時(shí)間抽取樣本容量n510的一個(gè)小樣本，計(jì)算出各小樣本的算術(shù)平均值 和極差Rx最大值與最小值。分別為某樣本中個(gè)體的與minmaxminmax11xxxxRxnxniixxxxR R圖的橫坐標(biāo)是按時(shí)間先后采集的小樣本的組序號(hào)，縱坐標(biāo)各為小樣本的均值 和極差R。在 點(diǎn)圖上有五根控制線， 是樣本平均值的均值線，ES、EI是加工工件公差帶的上、下限，UCL、LCL是樣本均值的上、下控制限；在R點(diǎn)圖上有三根控制線， 是樣本極差R的均值線，UCL、LCL是樣本極差的上、下控制限。所謂工藝的穩(wěn)定，是指其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差在整個(gè)過(guò)程中若保持不變。 和R的波動(dòng)反映了工件平均值的變化趨勢(shì)和隨機(jī)誤差的

11、分散程度。因此，這兩個(gè)點(diǎn)圖必須聯(lián)合使用，才能控制整個(gè)工藝過(guò)程。x0213321333333)()/(22RdaRdaRRLCLRDRdaRdaRRUCLRRAxnRaxnxLCLRAxnRaxnxUCLxdadRaRNRnNxRxnnRnnRnnnRnR別為圖上的上、下控制限分分別為點(diǎn)圖上的上、下控制限因此，為常數(shù)，其值查表。、，式中，的估計(jì)值由數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)可知：，圖上下控制限的確定（二）第四節(jié) 機(jī)械加工表面質(zhì)量一、概述 機(jī)械零件加工表面質(zhì)量的主要內(nèi)容應(yīng)是：（1）表面層的幾何形狀特征，主要由以下兩個(gè)部）表面層的幾何形狀特征，主要由以下兩個(gè)部分組成：分組成：1）表面粗糙度。就是表面的微觀幾何形狀誤

12、差。2）波度。介于加工精度（宏觀）和表面粗糙度之間的周期性幾何形狀誤差，它主要是加工過(guò)程中工藝系統(tǒng)的振動(dòng)所引起的。（2）表面層的物理、力學(xué)性能的變化，主要有以）表面層的物理、力學(xué)性能的變化，主要有以下三方面的內(nèi)容：下三方面的內(nèi)容：1）表面層因塑性變形引起的冷作硬化。2）表面層因切削熱引起的金相組織變化。3）表面層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。一、機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)機(jī)器使用性能的影響（一）表面質(zhì)量對(duì)耐磨性的影響1、表面粗糙度對(duì)耐磨性的影響 表面粗糙度對(duì)零件表面磨損的影響很大。一般說(shuō)表面粗糙度值愈小，其耐磨性愈好。但表面粗糙度值太小，潤(rùn)滑油不易儲(chǔ)存，接觸面之間容易發(fā)生分子粘接，磨損反而增加。因此，接觸面的表面粗

13、糙度有一個(gè)最佳值， 2、表面冷作硬化對(duì)耐磨性的影響 加工表面的冷作硬化，使摩擦副表面層金屬的顯微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。 （二）表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響1、表面粗糙度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。 2、殘余應(yīng)力、冷作硬化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 表面層殘余拉應(yīng)力將使疲勞裂紋擴(kuò)大，加速疲勞破壞；而表面層殘余壓應(yīng)力能夠阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，延緩疲勞破壞的發(fā)生。（三）表面質(zhì)量對(duì)耐蝕性的影響 表面粗糙度值愈大，則凹谷中聚積腐蝕性物質(zhì)就愈多，抗蝕性就愈差。 表面層的殘余拉應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，降低零件的耐蝕性 。（四）表面質(zhì)量對(duì)配合質(zhì)量的影響 對(duì)

14、于間隙配合，粗糙度值大會(huì)使磨損加大，間隙增大，破壞了要求的配合性質(zhì)。對(duì)于過(guò)盈配合，裝配過(guò)程中一部分表面凸峰被擠平，實(shí)際過(guò)盈量減小，降低了配合件間的連接強(qiáng)度。三、機(jī)械加工表面的粗糙度及其影響因素三、機(jī)械加工表面的粗糙度及其影響因素（一）切削加工后的表面粗糙度（1）切削加工表面粗糙度的形成 1）幾何因素如果背吃刀量較大，主要是以刀刃的直線部分形成表面粗糙度。如果背吃刀量較小，工件表面粗糙度則主要由刀刃的圓弧部分形成。 2）物理因素 切削加工后表面的實(shí)際粗糙度與理論粗糙度有著較大差別，是由于存在著與被加工材料的性能及切削機(jī)理有關(guān)的物理因素的緣故。i）在切削過(guò)程中刀具的刃口圓角及后面的擠壓與摩擦使金屬

15、材料發(fā)生塑性變形而使理論殘留面積擠歪或溝紋加深，因而增大了表面粗糙度。ii）切削過(guò)程中出現(xiàn)刀瘤與鱗刺（2）降低表面粗糙度的措施1）切削速度的影響2）被加工材料的性能的影響 工件材料韌性愈好，金屬的塑性變形愈大，加工表面就愈粗糙。3）刀具的幾何形狀、材料、刃磨質(zhì)量的影響（二）磨削加工影響表面粗糙度的因素 影響磨削表面粗糙度的主要因素有： 1、砂輪的粒度 2、砂輪的修整 3、砂輪速度4、磨削背吃刀量與工件速度四、機(jī)械加工后表面物理力學(xué)性能的變化在切削加工中，工件由于受到切削力和切削熱的作用，使表面層金屬的物理力學(xué)性能產(chǎn)生變化，最主要的變化是加工表面最主要的變化是加工表面的冷作硬化、金相組織的變化和

16、殘余應(yīng)力的冷作硬化、金相組織的變化和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。的產(chǎn)生。 （一）表面層冷作硬化1、冷作硬化機(jī)械加工過(guò)程中因切削力作用產(chǎn)生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長(zhǎng)和纖維化，甚至破碎，這些都會(huì)使表面層金屬的硬度和強(qiáng)度提高，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化（或稱為強(qiáng)化）。 2、影響冷作硬化的主要因素（1）刀具的影響 前角減小，刃口及刀具后刀面磨損增大，導(dǎo)致冷硬增強(qiáng)。（2）切削用量的影響 切削速度增大，導(dǎo)致冷硬減小。 進(jìn)給量增大，冷硬作用加強(qiáng)。（3）加工材料的影響 工件材料的塑性愈大，冷硬現(xiàn)象就愈嚴(yán)重。 （二）加工表面層的金相組織變化熱變質(zhì)層 當(dāng)切削熱使被加工表面的溫度超過(guò)相變溫度后，表層

17、金屬的金相組織將會(huì)發(fā)生變化。1、磨削燒傷 當(dāng)被磨工件表面層溫度達(dá)到相變溫度以上時(shí)，表層金屬發(fā)生金相組織的變化，使表層金屬?gòu)?qiáng)度、硬度降低，并伴隨有殘余應(yīng)力產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)微觀裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。在磨削淬火鋼時(shí)，可能產(chǎn)生以下三種燒傷：1）回火燒傷 如果磨削區(qū)的溫度未超過(guò)淬火鋼的相變溫度，但已超過(guò)馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度，工件表層金屬的回火馬氏體組織將轉(zhuǎn)變成硬度較低的回火組織（索氏體或托氏體），這種燒傷稱為回火燒傷。 2）淬火燒傷 如果磨削區(qū)溫度超過(guò)了相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬發(fā)生二次淬火，使表層金屬出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織，其硬度比原來(lái)的回火馬氏體的高，在它的下層，因冷卻較慢，出現(xiàn)了硬

18、度比原先的回火馬氏體低的回火組織（索氏體或托氏體），這種燒傷稱為淬火燒傷。3）退火燒傷 如果磨削區(qū)溫度超過(guò)了相變溫度，而磨削區(qū)域又無(wú)冷卻液進(jìn)入，表層金屬將產(chǎn)生退火組織，表面硬度將急劇下降，這種燒傷稱為退火燒傷。2、改善磨削燒傷的途徑 磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷有兩個(gè)途徑：一是盡可能地減少磨削熱的產(chǎn)生；二是改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。（1）改善砂輪的磨削性能，減小磨削熱的產(chǎn)生（2）合理選擇磨削用量 （3）改善冷卻條件 （三）表面層殘余應(yīng)力1、產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因（1）冷塑性變形的影響 在表面金屬層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。（2）熱塑性變形的影響在表面金屬層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。（3）

19、金相組織變化的影響不同的金相組織具有不同的密度，如果表面層金屬產(chǎn)生了金相組織的變化，結(jié)果造成了體積的變化。表層體積膨脹表層體積膨脹，必然要受到與之相連的基體金屬的阻礙，因而就有殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生就有殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生，反之表層體積縮小，表層體積縮小，則產(chǎn)生拉應(yīng)力。則產(chǎn)生拉應(yīng)力。五、控制加工表面質(zhì)量的途徑1、控制磨削參數(shù)2、采用超精加工、珩磨等光整加工方法作為終加工工序3、采用噴丸、滾壓、輾光等表面強(qiáng)化工藝2、零件主要工作表面最終工序加工方法的選擇 零件主要工作表面最終工序加工方法的選擇至關(guān)重要，因?yàn)樽罱K工序在該工作表面留下的殘余應(yīng)力將直接影響機(jī)器零件的使用性能。第四節(jié) 機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)、機(jī)械加工過(guò)

20、程中的強(qiáng)迫振動(dòng)（一）機(jī)械加工過(guò)程中的強(qiáng)迫振動(dòng) 機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動(dòng)與一般機(jī)械中的強(qiáng)迫振動(dòng)沒(méi)有什么區(qū)別，強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率與干擾力的頻率相同或是它的倍數(shù)。強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率與干擾力的頻率相同或是它的倍數(shù)。強(qiáng)迫振動(dòng)的振源有來(lái)自機(jī)床內(nèi)部的機(jī)內(nèi)振源和來(lái)自機(jī)床外部的機(jī)外振源兩大類。 機(jī)內(nèi)振源主要有：（1）機(jī)床高速旋轉(zhuǎn)件不平衡引起的振動(dòng) （2）機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)缺陷引起的振動(dòng) （3）切削過(guò)程中的沖擊引起的振動(dòng) （4）往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的慣性力引起的振動(dòng)二、機(jī)械加工過(guò)程中的自激振動(dòng)（顫振） （一）機(jī)械加工過(guò)程中的自激振動(dòng)與強(qiáng)迫振動(dòng)相比，自激振動(dòng)具有以下特征：（1）機(jī)械加工中的自激振動(dòng)是在沒(méi)有周期性外力（相對(duì)于切削過(guò)程而言）干擾下所產(chǎn)生的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)與強(qiáng)迫振動(dòng)有原則區(qū)別。（2）自激振動(dòng)的頻率接近于系統(tǒng)的某一固有頻率，或者說(shuō)，顫振頻率取決于振動(dòng)系統(tǒng)的固有特性。顫振頻率取決于振動(dòng)系統(tǒng)的固有特性。而強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率取決于外界干擾力的頻率。而強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率取決于外界干擾力的頻率。（3）自由振動(dòng)受阻尼作用將迅速衰減，而自激振動(dòng)卻不因有阻尼存在而衰減為零。 自激振動(dòng)幅值的增大或減小，決定于每一振動(dòng)周期中振動(dòng)系統(tǒng)所獲得的能量與所消耗的能量之差的正負(fù)號(hào)。 由圖452可知，在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，若振動(dòng)系統(tǒng)獲得的能量ER等于系統(tǒng)消耗的能量Ez，則自