機械制造工程之機械加工精度

機械制造工程之機械加工精度第1頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月◆傳動力與慣性力影響理論上不會產(chǎn)生圓度誤差（但會產(chǎn)生圓柱度誤差）易會引起強迫振動4.3.2工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響

圖11-10傳動力對加工精度的影響zlRXYFpFcFcdFcdxφra）O′O″r0XYFpAFcdrcd=Fcd/kcOFcFc/kcFp/kcb）O第2頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月圖11-11車床刀架變形曲線ΔX（μm）10203040500123F（KN）非線形關(guān)系，不完全是彈性變形加載和卸載曲線不重合，所圍面積表示克服摩擦和接觸塑性變形所作功存在殘余變形，反復(fù)加載卸載后殘余變形→0

機床部件剛度比按實體估算值小許多，表明其變形受多種因素影響機床部件變形曲線4.3.3機床部件剛度及其影響因素第3頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月合理設(shè)計零部件結(jié)構(gòu)和截面形狀提高連接表面接觸剛度（↓表面粗糙度，改進接觸質(zhì)量，予加載荷）采用輔助支承（中心架，跟刀架，鏜桿支承等）圖11-13支座零件不同安裝方法圖11-12轉(zhuǎn)塔車床導向桿提高工藝系統(tǒng)剛度減小載荷及其變化采用合理裝夾和加工方式變形轉(zhuǎn)移、補償和校正第4頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第11章機械加工質(zhì)量分析與控制11.4

工藝系統(tǒng)熱變形及其對加工精度的影響第5頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.1概述

在精密加工和大件加工中，工藝系統(tǒng)熱變形引起的加工誤差占總誤差的約40～70%。溫度場——工藝系統(tǒng)各部分溫度分布熱平衡——單位時間內(nèi)，系統(tǒng)傳入的熱量與傳出的熱量相等，系統(tǒng)各部分溫度保持在一相對穩(wěn)定的數(shù)值上溫度場與熱平衡研究——目前以實驗研究為主工藝系統(tǒng)熱源內(nèi)部熱源外部熱源切削熱摩擦熱環(huán)境熱源輻射熱工藝系統(tǒng)熱變形工藝系統(tǒng)熱源溫度場與工藝系統(tǒng)熱平衡第6頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月體積大，熱容量大，溫升不高，達到熱平衡時間長結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫度場和變形不均勻，對加工精度影響顯著運轉(zhuǎn)時間/h0

1

2

3

450150100200位移/μm20406080溫升/℃ΔYΔX前軸承溫升圖11-16車床受熱變形a）車床受熱變形形態(tài)b）溫升與變形曲線機床熱變形特點車床熱變形第7頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月立銑（圖a）圖11-17立式銑床、外圓磨床、導軌磨床受熱變形a）銑床受熱變形形態(tài)b）外圓磨床受熱變形形態(tài)c）導軌磨床受熱變形形態(tài)外圓磨（圖b）導軌磨（圖c）其他機床熱變形第8頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月體積小，熱容量小，達到熱平衡時間較短溫升高，變形不容忽視（達0.03～0.05mm）◆特點◆變形曲線（圖4-38）式中ξ——熱伸長量；

ξmax——達到熱平衡熱伸長量；

τ——切削時間；

τc

——時間常數(shù)（熱伸長量為熱平衡熱伸長量約63%的時間，常取3～4分鐘）。τ(min)圖4-11車刀熱變形曲線連續(xù)切削升溫曲線冷卻曲線間斷切削升溫曲線ξ（μm）ξmaxτb0τc0.63ξmax刀具熱變形第9頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月◆圓柱類工件熱變形

5級絲杠累積誤差全長≤5μm，可見熱變形的嚴重性式中ΔL，ΔD——長度和直徑熱變形量；

L，D——工件原有長度和直徑；

α——工件材料線膨脹系數(shù)；

Δt——溫升。長度：直徑：例：長400mm絲杠，加工過程溫升1℃，熱伸長量為：工件熱變形第10頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月式中ΔX——變形撓度；

L，S——工件原有長度和厚度；

α——工件材料線膨脹系數(shù)；

Δt——溫升?！舭孱惞ぜ蚊婕庸r的熱變形圖11-19平面加工熱變形ΔXφ/4φLS此值已大于精密導軌平直度要求結(jié)果：加工時上表面升溫，工件向上拱起，磨削時將中凸部分磨平，冷卻后工件下凹。例：高600mm，長2000mm的床身，若上表面溫升為3℃，則變形量為：第11頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月11.4.4減小熱變形對加工精度影響的措施

例1：磨床油箱置于床身內(nèi)，其發(fā)熱使導軌中凹解決：導軌下加回油槽圖11-20平面磨床補償油溝例2：立式平面磨床立柱前壁溫度高，產(chǎn)生后傾。解決：采用熱空氣加熱立柱后壁（圖4-41）。圖11-21均衡立柱前后壁溫度場

減少切削熱和磨削熱，粗、精加工分開。

充分冷卻和強制冷卻。

隔離熱源。減少熱源發(fā)熱和隔離熱源均衡溫度場第12頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月圖11-23支承距影響熱變形L1L2熱對稱結(jié)構(gòu)熱補償結(jié)構(gòu)（圖4-42，主軸熱補償）圖11-22雙端面磨床主軸熱補償1—主軸2—殼體3—過渡套筒熱伸長方向合理選擇裝配基準高速空運轉(zhuǎn)人為加熱恒溫人體隔離采用合理結(jié)構(gòu)11.4.4減小熱變形對加工精度影響的措施

加速達到熱平衡控制環(huán)境溫度第13頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第11章機械加工質(zhì)量分析與控制11.5

加工誤差統(tǒng)計分析第14頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月11.5.1加工誤差的性質(zhì)

系統(tǒng)誤差在順序加工一批工件中，其大小和方向均不改變，或按一定規(guī)律變化的加工誤差?！?/p>

常值系統(tǒng)誤差——其大小和方向均不改變。如機床、夾具、刀具的制造誤差，工藝系統(tǒng)在均勻切削力作用下的受力變形，調(diào)整誤差，機床、夾具、量具的磨損等因素引起的加工誤差。◆

變值系統(tǒng)誤差——誤差大小和方向按一定規(guī)律變化。如機床、夾具、刀具在熱平衡前的熱變形，刀具磨損等因素引起的加工誤差。加工誤差系統(tǒng)誤差隨機誤差常值系統(tǒng)誤差變值系統(tǒng)誤差加工誤差統(tǒng)計特性第15頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月11.5.1加工誤差的性質(zhì)

◆

在順序加工一批工件中，其大小和方向隨機變化的加工誤差?！?/p>

隨機誤差是工藝系統(tǒng)中大量隨機因素共同作用而引起的?！?/p>

隨機誤差服從統(tǒng)計學規(guī)律。◆

如毛坯余量或硬度不均，引起切削力的隨機變化而造成的加工誤差；定位誤差；夾緊誤差；殘余應(yīng)力引起的變形等。隨機誤差加工誤差的統(tǒng)計分析◆

運用數(shù)理統(tǒng)計原理和方法，根據(jù)被測質(zhì)量指標的統(tǒng)計性質(zhì)，對工藝過程進行分析和控制。第16頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月11.5.2分布圖分析法

1）采集數(shù)據(jù)樣本容量通常取n=50～2002）確定分組數(shù)、組距、組界、組中值①按教材表初選分組數(shù)k′；

直方圖組數(shù)過多，分布圖會被頻數(shù)的隨即波動所歪曲；組數(shù)太少，分布特征將被掩蓋。第17頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月②確定組距d：取整，d′→d③確定分組數(shù)k：④確定各組組界、組中值⑤統(tǒng)計各組頻數(shù)第18頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月加工一批工件，由于隨機性誤差的存在，加工尺寸的實際數(shù)值是各不相同的，這種現(xiàn)象稱為尺寸分散。

在一批零件的加工過程中，測量各零件的加工尺寸，把測得的數(shù)據(jù)記錄下來，按尺寸大小將整批工件進行分組，每一組中的零件尺寸處在一定的間隔范圍內(nèi)。同一尺寸間隔內(nèi)的零件數(shù)量稱為頻數(shù)，頻數(shù)與該批零件總數(shù)之比稱為頻率。

以工件尺寸為橫坐標，以頻數(shù)或頻率為縱坐標，即可作出該工序工件加工尺寸的實際分布圖——直方圖。第19頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5.2分布圖分析法

圖11-24直方圖-14.5-8.55-3.5x

y（頻數(shù)）（偏差值）（平均偏差）-15-10-5（公差帶中心）（公差帶下限）（公差帶上限）3）計算樣本平均值和標準差:4）畫直方圖第20頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月抽取工件100個，經(jīng)測量：φmax=Φ28.004mm，φmin=Φ27.992mm，取0.02mm作為尺寸間隔進行分組，統(tǒng)計每組的工件數(shù)，將所得的結(jié)果列表11-1。精鏜活塞銷孔，圖紙要求：下面通過實例來說明直方圖的作法：表工件頻數(shù)分布表第21頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4－43活塞銷孔直徑尺寸分布圖第22頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）直方圖的觀察與分析直方圖作出后，通過觀察圖形可以判斷生產(chǎn)過程是否穩(wěn)定，估計生產(chǎn)過程的加工質(zhì)量及產(chǎn)生廢品的可能性。1）尺寸分散范圍小于允許公差T，且分布中心與公差帶中心重合，則兩邊都有余地，不會出廢品。2）若工件尺寸分散范圍雖然也小于其尺寸公差帶T，但兩中心不重合（分布中心與公差帶中心），此時有超差的可能性，應(yīng)設(shè)法調(diào)整分布中心，使直方圖兩側(cè)均有余地，防止廢品產(chǎn)生。3）若工件尺寸分散范圍恰好等于其公差帶T，這種情況下稍有不慎就會產(chǎn)生廢品，故應(yīng)采取適當措施減小分散范圍。4）若工件尺寸分散范圍大于其公差帶T，則必有廢品產(chǎn)生，此時應(yīng)設(shè)法減小加工誤差或選擇其它加工方法。第23頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月◆正態(tài)分布

式中μ和σ分別為正態(tài)分布隨機變量總體平均值和標準差。平均值μ=0，標準差σ=1的正態(tài)分布稱為標準正態(tài)分布，記為：

x~N(0,1)概率密度函數(shù)（11-22）yF（z）圖11-25正態(tài)分布曲線μ(z=0)x(z)0z-σ+σ11.5.2分布圖分析法

分布曲線第24頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月分布函數(shù)令：將z代入上式，有：則利用上式，可將非標準正態(tài)分布轉(zhuǎn)換成標準正態(tài)分布進行計算。稱z

為標準化變量11.5.2分布圖分析法

yF（z）圖11-25正態(tài)分布曲線μ(z=0)x(z)0z-σ+σ第25頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月圖11－3正態(tài)分布曲線及其特征第26頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）正態(tài)分布曲線的特點①曲線對稱于直線②曲線與x軸圍成的面積代表了一批工件的全部，即100%，其相對面積為1。在±3σ范圍內(nèi)，曲線圍成的面積為0.9973。實際生產(chǎn)中常常認為加工一批工件尺寸全部在±3σ范圍內(nèi)，即：正態(tài)分布曲線的分散范圍為±3σ，工藝上稱該原則為6σ準則。第27頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月±3σ（或6σ）的概念在研究加工誤差時應(yīng)用很廣。

6σ的大小代表了某種加工方法在一定的條件（如毛坯余量、機床、夾具、刀具等）下所能達到的加工精度。所以在一般情況下，應(yīng)使所選擇的加工方法的標準偏差σ與公差帶寬度T之間具有下列關(guān)系：

6σ≤T

但考慮到系統(tǒng)誤差及其它因素的影響，應(yīng)當使6σ小于公差帶寬度T，才能可靠地保證加工精度。第28頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月◆非正態(tài)分布

xy0a）雙峰分布

雙峰分布：兩次調(diào)整下加工的工件或兩臺機床加工的工件混在一起（圖a）xy0b）平頂分布xy0c）偏向分布

平頂分布：工件瞬時尺寸分布呈正態(tài)，其算術(shù)平均值近似成線性變化（如刀具和砂輪均勻磨損）（圖b）

偏向分布：如工藝系統(tǒng)存在顯著的熱變形，或試切法加工孔時寧小勿大，加工外圓時寧大勿小（圖）圖11-26幾種非正態(tài)分布11.5.2分布圖分析法

第29頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月◆形位誤差的分布

差數(shù)模分布：正態(tài)分布大于零的部分與小于零的部分對零軸線映射后的迭加，如對稱度、直線與平面的平行度、相鄰周節(jié)誤差等

瑞利分布：二維正態(tài)分布，在只考慮平面向量模情況下轉(zhuǎn)換成為一維分布）,如同軸度、直線與直線平行度、端面圓跳動誤差等（不考慮系統(tǒng)誤差）xy0圖11-27差數(shù)模分布

瑞利綜合分布：上述誤差在考慮系統(tǒng)誤差的情況下，其誤差分布接近瑞利綜合分布圖11-28瑞利分布xzy011.5.2分布圖分析法

第30頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月◆判斷加工性質(zhì)判斷是否存在明顯變值系統(tǒng)誤差；判斷是否存在常值系統(tǒng)誤差，及常值系統(tǒng)誤差的大小?！舸_定工序能力11.5.2分布圖分析法

分布圖應(yīng)用工序能力工序能力系數(shù)式中TU,TL——公差帶上、下限；

Δ——公差帶中心與誤差分布中心偏移距離；

σ——誤差分布的標準差。第31頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5.2分布圖分析法

y圖11-29工藝能力系數(shù)符號含義μx03σ3σ公差帶TΔTUTL第32頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月工序能力等級工序能力系數(shù)工序等級說明

CP＞1.67特級工序能力過高1.67≥CP

＞1.33一級工序能力足夠1.33≥CP

＞1.00二級工序能力勉強1.00≥CP

＞0.67三級工序能力不足

0.67≥CP

四級工序能力很差表4-2工序能力等級11.5.2分布圖分析法

CP表示工藝過程本身的能力，而工藝能力系數(shù)CPK則表示過程滿足技術(shù)要求的能力，實際上是“過程能力”與“管理能力”的綜合

第33頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月分布曲線與x軸所包圍的面積代表了一批零件的總數(shù)。如果尺寸分散范圍超出零件的公差帶，則肯定有廢品產(chǎn)生，如圖所示的陰影部分。若尺寸落在Lmin、Lmax范圍內(nèi)，工件的概率即空白部分的面積就是加工工件的合格率。4）估算工序加工的合格率及廢品率第34頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月圖11－45廢品率計算第35頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月5.分布圖分析法的缺點

分布圖分析法不能反映誤差的變化趨勢。加工中，由于隨機性誤差和系統(tǒng)性誤差同時存在，在沒有考慮到工件加工先后順序的情況下，很難把隨機性誤差和變值系統(tǒng)性誤差區(qū)分開來。由于在一批工件加工結(jié)束后，才能得出尺寸分布情況，因而不能在加工過程中起到及時控制質(zhì)量的作用。第36頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月01234567樣組序號b）工件尺寸公差帶T控制限11.5.3點圖分析法

圖11-30單值點圖工件序號c）AA′B′O′OB工件尺寸工件尺寸工件序號a差帶T控制限單值點圖第37頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月11.5.3點圖分析法

圖是控制圖和R控制圖聯(lián)合使用的統(tǒng)稱R圖：圖表示樣組平均值，R表示樣組極差圖控制限圖：第38頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月11.5.3點圖分析法

◆工藝過程穩(wěn)定性點子正常波動→工藝過程穩(wěn)定；點子異常波動→工藝過程不穩(wěn)定圖11-31圖R

圖UCL=19.67CL=8.900510樣組序號1520LCL=00510樣組序號1520x圖LCL=11.57UCL=21.89CL=16.73◆穩(wěn)定性判別——沒有點子超出控制限——大部分點子在中心線上下波動，小部分點子靠近控制限——點子變化沒有明顯規(guī)律性（如上升、下降傾向，或周期性波動）同時滿足為穩(wěn)定圖分析第39頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）點圖分析法的應(yīng)用點圖分析法是全面質(zhì)量管理中用以控制產(chǎn)品加工質(zhì)量的主要方法之一，它是用于分析和判斷工序是否處于穩(wěn)定狀態(tài)所使用的帶有控制界限的圖，又稱管理圖。X-R點圖主要用于工藝驗證、分析加工誤差以及對加工過程的質(zhì)量控制。工藝驗證就是判定現(xiàn)行工藝或準備投產(chǎn)的新工藝能否穩(wěn)定地保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量要求。工藝驗證的主要內(nèi)容是通過抽樣檢查，確定其工序能力和工序能力系數(shù)，并判別工藝過程是否穩(wěn)定。第40頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

工藝過程是否穩(wěn)定，取決于該工序所采用的工藝過程中本身的誤差情況，與產(chǎn)品是否出現(xiàn)廢品不是一回事。

若某工序的工藝過程是穩(wěn)定的，其工序能力系數(shù)Cp值也足夠大，且樣本平均值與公差帶中心基本重合，那么只要在加工過程中