1、机械制造技术课教案doc机械制造技术课程教案扬州大学机械工程学院机械制迭教科部二00三年六月第四章 机械加工质量分析与控制一、 内容概述木章将机械制造质量分成加工精度和表面质星两个方而来研究。随着科学技术的发展和 市场竞争的加剧，对零件机械加工质量的要求也越来越高，因此，对机械加工质量的深入 研究与解决，不仅已成为机械制造工艺师的首要任务，而且是机械制造工艺学的核心内容, 机械加工质量分析与控制就成为木课程内容屮十分重要的一章。二、 本章重点1.在加工误差的单因素分析屮，着重掌握机床误差、工艺系统受力变形、热变形及工件残余应力等原始谋茅对加工谋差的影响；2.在加工误差的统计分析屮，着重掌握分布
2、图在误羌分析屮的应用。三、 课时分配木章课时：讲课：16学时，实验：4学时第一节概述（1学时）加工误差的来源，原始误善和加工误差的关系。第二节影响加工精度的因素（8学时）一、 原理误差二、 机床的几何误差三、 ：T艺系统具它几何误差四、 工艺系统受力变形引起的加工误差工艺系统刚度、部件刚度及其特点、切削力作用点位置变化对加I：误差的影响、误差 复映五、 工艺系统热变形引起的加工误差六、 工件内应力引起的变形笫三节 加T谋羌的统计分析（3学时）第四节机械加工表面质量（4学时）笫四节机械加丁屮的振动（4学时）四、 授课方式多媒体教学五、 实验%1三向刚度测定法%1加工误差统计分析六、 习题与思考题
3、4-1试分析在卧式车床上加工时，产生下述误差的原因：1） 在卧式车床上弾孔时，引起被加工孔圆度误差和圆柱度误差。2） 在卧式车床（用三爪自定心卡盘）上镣孔时，引起内孔与外圆同轴度误差、端面与外 圆的垂真度误差的原因。4-2在卧式车床上用两顶尖装夹工件车削细长轴时，出现图4la、b、c所示的误差 是什么原因，分别采用什么办法来减少或消除？b)c)图4 14-3设已知一工艺系统的误差复映系数为025,工件在木工序前有圆度误差0.45mm, 若木工序形状精度规定允差0. Olmm,试问至少要走刀几次方能使形状精度合格？4-4在车床上加T丝杠，T件总长为2650mm,螺纹部分的长度L=200mm, T
4、件材料 和母丝杠材料都是45钢，加丁时室温为20C,加T.JU.T件温度升至45C,母丝杠温升至 30C。试求工件全长上由于热变形引起的螺距累积误差。4-5试说明磨削外圆时，采用死顶尖磨削的日的是什么?哪些因素引起外圆的圆度和锥 度误差（4-2）图4一24-6在车床或磨床上加工相同尺寸及相同精度的内外闘柱表面时，加工内孔表面的走 刀次数往往多于外圆面，试分析其原因。4-7在卧式铳床上铳削键槽（图4-3）,经测量发现靠工件两端深度大于中问，且祁比调 報的深度尺寸小。试分析这一现象的原因。4-8在车床上加工一批工件的孔，经测量实际尺寸小于要求的尺寸而必须返修的工件 数占22. 4%,大于要求的尺寸
5、而不能返修的占14%,若孔的宜径公养T=0. 2mm,整批 工件尺寸服从正态分布，试确定该工序的标准羌。并判断车刀的调報误差是多少？图436-9在白动机上加工一批尺寸要求为l）80. 09mm的零件，机床调幣后试切50件, 测得尺寸如下（表4-1）：表4-1试件号尺寸/mm试件号尺寸/mm试件号尺寸/mm试件号尺寸/mm17.920147.998277.957408.01527.970158.007287.975418.02437.980168.022297.985427.02847.990178.040307.992437.96557.99518&080318.00447.98068.005
6、197.940328.012457.98878.018207.972338.024467.99588.0302】7.895348.045478.00498.060227.992357.960488.027107.93523&000367.975498.065117.970248.010377.988508.017127.982258.022387.994137.991268.040398.0024-10机械加工表面质量包括哪几方面内容?表面质量对机器使用性能有哪些影响？4-11高速精镣45钢工件的内孔时，采用主偏角kr=75、副偏角kt=15。的锋利尖刀, 当加【表面粗糙度要求Rx=3.263
7、mm时，问：（1） 在不考虑工件材料教性变形对表面粗糙度影响的条件下，进给量/应选择多大合 适？（2） 分析实际加工表面粗糙度与计算值是否相同，为什么？（3） 进给量f越小，表面粗糙度值是否越小？4-12为什么切削加工中一般都会产生冷作硬化现象？4-13磨削外圆表面时，如果同时提高工件和砂轮的速度，为什么能够减轻烧伤且又 不会增大表面粗糙度？414机械加工屮，为什么工件表面层金属会产生残余应力?磨削加工工件表面层产生 残余应力的原因与切削加工产生残余应力的原因是否相同?为什么？6-15 一长方形薄板钢件（假设加工前工件的上、下面是平直的），当磨削平面A后，工 件产生弯曲变形（图44）,试分析工
8、件产生屮凹变形的原因。A300图44第四章机械加工质量分析与控制产品质最是指用户对产品的满意程度。它有三层含义：一是产品的设计质量；二是产品 的制造质量；三是服务。以往企业质量管理屮，强调较多的往往是制造质量，它主要指产品 的制造与设计的符合程度。现代的质量观，主要站在川户的立场上衡量。设计质最，主要反 映所设计的产品与用户（顾客）的期望Z河的符合程度。设计质最是质量的重要纽成部分。零件的机械制造质量包括零件几何精度和零件表瓯层的物理机械性能两个方面。零件的 几何误羌包括尺寸误弟、几何形状误羌和位置误差。几何形状谋差又可分为宋观几何形状误 差、波度和微观几何形状误差。机械加工精度主要介绍影响加
9、工精度的各种因素及加T误差的统计分析方法；通过分 析原始误并与加工谋养的关系，使学生掌握单因素原始误弄对加T谋差的影响规律；通过 加工误羌统计分析方法的学习，使学生掌握产生加T误差的综合因素进行分析；因此在学习 木章后，M看重让学生掌握影响零件加T质量的因素及其分析方法，能对具体的：工艺问题 进行分析，并提出改进产品质量丁艺途径。第一节机械加工精度概述一、加工精度与加工误差1.加工精度的概念加工精度是指零件加工示的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数的符合程度。2.加工精度与加工误差的关系在机械加工中，由于工艺系统屮各种因索影响，使加工出的零件不可能与理想的要求 完全符合。零件加工后
10、的实际儿何参数对理想儿何参数的偏离稈度，称为加工误差。其符合 稈度愈高，加丁误差愈小，即加工精度愈高；偏离稈度愈大，加工误差愈大。由此可见，加 工精度和加工误差是从两个不同的角度来评定加工零件的儿何参数。应让学生在学习时抓住以下要点：（1） 必须切实弄清“理想儿何参数”的正确含义。即，对于尺寸是图纸规定尺寸的平 均值；对于形状和位置，则是绝对正确的形状和位置，如绝对的圆和绝对的平行等等。（2） 加工精度是零件图纸或工艺文件以公差T给定的，而加工误差则是零件加工后的 实际测得的偏离值一般说，当AVT时，就保证了加工精度。（3） 零件三个方面的儿何参数，就是加工精度和加工误差的三方面的内容。即，加
11、工 精度（误差）包括尺寸精度（误差）、形状精度（误差）和相互位置精度（误差）。从保证机器使用性能出发，机械零件应具有足够的加工精度，但没有必要把每个零件都 做得绝对准确。设计时戒根据零件在机器上的功用，将加工精度规定在一定范围内是完全允 许的。即加T精度的规定均以相应的标准公并数值标注在零件图上，加丁时只要零件的加工 误差未超过其公差范围，就能保证零件的加工精度要求和工作要求。二、原始误差零件加工精度主要取决于工件和刀具在切削过程屮相互位置的准确程度。由于多种因素 的影响，由机床、夹具、刀具和工件构成的T艺系统屮的各种误差，在不同的条件下，以不 同的方式反映为加工误差。工艺系统的谋并是“因”，
12、是根源；加工谋差是“果”，是表现。 因此，把T艺系统的误并称Z为原始误差。加工屮可能产生的原始误差综合如下：原始误羞三、研究机械加工精度的方法加工谋差的研究方法，通常分为：分析计算法（又称因素分析法）和统计分析法两种。分析计算法，是分别研究各原始误茅对加工精度的影响。研究某一确定因素时，一般不 考虑其它因素的同时作用。通过分析、计算或实验、测讥 得出该因素与加工误羌Z间的关 系，即找出它们Z间的变化规律。统计分析法，是对某一具体加T条件下加工的一批工件，进行实际测量，然后以数理统 计学为基础来处理、分析误差的性质和变化规律。可见，前一种方法主耍是分析各项谋差单独的变化规律，后一种方法主要是研究
13、备项误 差综合的变化规律，且只适用于大批大量的生产条件。在实际生产屮，这两种方法往往要结合起来应用。一般先用统计分析法找岀误差的岀现 规律，初步推断产生加工误养的可能原因，然后，运用分析计算法找出影响加工谋差的关键 因素，再进行实验验证。第二节影响加工精度的因素一、原理误差原理谋羌作一般了解加工原理误差是因采用了近似的加工运动或近似的刀辺轮廓而产生的。举例：滚切渐开线齿轮有两种原始误养：用阿基米徳基本蜗杆滚刀或法向直廓基木 蜗杆滚刀，代替渐开线基本蜗杆滚刀，由于滚刀刀刃形状误弄会引起的加工误茅；rti于 滚刀刀刃数有限，滚切出的齿形不是连续光滑的渐开线，而是由若干短线纽成的折线。在生产实际屮，
14、采用近似的加工方法，可以简化机床结构和刀具的形状，并能提高生产 率，降低加工成木。因此，只要把原理误羌限制在规定的范围内，采川近似的加工方法是完 全允许的。二、机床的几何误差机床谋并是最基本的原始谋差之一。分析和研究机床误差及其对加工精度的影响，无 论在理论上或是实际应用上都具有重要的意义。因此，这一节是木章的重点，必修切实掌握。机床谋并是rti机床的制造误并、安装课养和磨损等引起的。它是保证工件加工精度的 基础，机床谋差的项目很多，下面着重分析对工件加工精度影响较大的谋差：如导轨导向误 差、主轴冋转误差和传动链误差等。1.机床主轴冋转误养机床主轴是装夹工件或刀具的基准，并将运动和动力传给T件
15、或刀具，主轴冋转谋差将 直接影响被加工工件的精度。主轴冋转谋并不仅对加T表面的形状和位置精度影响较大，而 且对加工表面的粗糙度和波度影响亦较大。尤-其是在精密加T屮，它是决定T件関度的主要 因素。主轴冋转误并讨论的内容包括：1）主轴冋转谋并的概念；2）主轴冋转误羌的基木形式 及其产生的加工误差；3）主轴冋转误弟的来源；4）减少主轴冋转谋斧及其对加工精度影响 的措施；图4 1（1） 主轴冋转误并的概念正确的理解和掌握主轴冋转谋养的概 念，是讨论其它问题的机床，因此必须首 先切实弄淸有关轴线的概念。即，主轴几 何轴线、主轴实际冋转轴线、主轴理想冋 转轴线和主轴平均冋转轴线等的概念及其 相互关系。所
16、谓主轴冋转误养是指主轴实际冋转 轴线对H理想冋转轴线的漂移最。通常把 主轴的冋转误茅分解为径向跳动、轴向窜 动和角度摆动三种基木形式。如图4一1（2） 主轴冋转课并对加T精度的影响对于不同的加工，不同形式的主轴冋转 误并对加工精度的影响是不同的。这里应让学生注意掌握相同（不同）形式的主轴冋转误并, 对不同机床和加工表血将产生不同（相同）形式的加工误并。1）主轴的纯径向跳动 它会使工件产生圆度误差，但加工方法不同（如车削和镣削）,影响程度不尽相同。镣孔情况（图4一2）设因主轴纯径向跳动而使轴线在y坐标方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相 同，振幅为A；设刀尖处于水平位置时，主轴屮心偏移最大（
17、等于A）,当镣刀转过某一。角时，此时刀尖轨迹的水平和垂直分最分别是:y = Acos 4)+Rcos 4)= (A+R) cos 4 ；车削外圆悄况（图4一3）工件1处的切出半径比在2、4处小一个振幅A,而在工件3处的切出半径则比2、4 处大一个振幅A。这样在工件的上述四点肓径都相等，在其它各点处的育径误差也甚小，故 车削出的工件表面接近于一个真圆。2）丄轴的纯轴向窜动它对内外圆加工没有影响，但当加工端面时，会使车出的端面与圆柱面不垂真（图4 4）,端面对轴线的垂直误弟随切削半径的减小而增大。加工螺纹时，轴向窜动会产生螺距周 期性误差。图4一4主轴端面跳动引起的加工误差（a）工件端面跳动 （b
18、）螺距周期误差3）主轴的纯角度摆动主轴冋转时的纯角度摆动，在车削外圆时仍然可以得到一个圆形工件，但工件是一个圆傩体。在铿床上铿孔时，铿出的孔则为椭圆形（图45）图4一5纯角度摆动对锤孔的影响0工件孔紬心线；Om主紬回转轴心线（3）影响主轴冋转误茅的主要因素在众多影响主轴冋转误羌的因素屮，最主要的是：主轴支承轴颈、轴承孔、滚动轴承滚 道等的恻度误差;主轴支承轴颈的轴肩、止推滚动轴承的滚道与轴线的垂直误差;以及轴承 的间隙等。当主轴采用滑动轴承时，主轴冋转精度，主要是受到主轴颈和轴承内孔的圆度误差和 波度的影响（图4一6）。当主轴采用滚动轴承时，主轴|川转精度不仅取决于滚动轴承本身的 精度（包括内
19、、外圈滚道的圜度误差，滚动体的形状、尺寸误差），而且还与轴承配合件（主 轴颈、轴承座孔）的精度密切相关（图4一7）。图4一6图4一7（4）提高主轴冋转精度的措施1） 提高主轴部件的制造精度 首先应提高轴承的I叫转精度，如选用高精度的滚动轴 承，或采川高精度动压滑动轴承（多油楔）和静压轴承等。其次是提高配合表面（如箱体支 承孔、主轴轴颈）的加工精度。实际生产屮，常采用定向装配和分组选配，使谋差相互补偿 或抵消，以减小轴承误普对主轴回转精度的影响。2） 对滚动轴承进行预紧 适当预紧可以消除间隙，并产生微最过盈，提高轴承的接触刚度，并对轴承内外圈滚道和滚动体的误茅起均化作用，从而提高主轴的冋转精度。
20、3） 使主轴的I叫转谋羌不反映到工件上 肓接使工件在加工过程屮的H转精度不依赖 于主轴，是保证工件形状精度的最简单而又有效的方法。如在外圜磨床上磨削外圆柱面时, 为避免工件头架主轴I川转谋弟的影响，工件由头架和尾架的两个固定顶尖支承，头架主轴只 起传动作用，工件的I川转精度完全取决于顶尖和中心孔的形状精度、同轴度。在繚床上加工 箱体类零件上的孔时，可采用锐模加工，刀杆与主轴为浮动联接，则刀杆的I川转精度与机床 主轴回转精度无关，工件的加工精度仅由刀杆和导套的配合质量决定。2.机床导轨谋差机床导轨是机床各主要部件相对位置和运动的基准，它的精度肓接影响机床成形运动 Z间的相互位置关系。因此，它是产
21、生工件形状误差和位置误差的主要因素之一。机床导轨误差的项日包括：导轨在水平面内和垂肓血内的胃线度误差;前后导轨 在垂育面内的平行度（扭曲度）谋差。（1）车床导轨在水平面内的直线度误差它使刀具在水平面内产生位移（图48）,造成工件在半径方向上的误差厶R二 当车削长工件时，还会使丁件表血产生圆柱度误差。图48车床导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响（2）车床导轨在垂肓面内的頁线度误差此项误弟使刀具在垂直平面内产生位移4Z （图4 9）,会引起工件在半径方向的误差 AR=AZ2/ （2R）。由于AZ很小，AZ?更小，一般可忽略不计。但对平面磨床龙门刨床及 铳床等，导轨在垂直面内的直线度谋差会引
22、起丁件相对于砂轮（刀具）产生法向位移，其谋 差将育接反映到被加工：工件上，造成形状误差（图4一10）图4-10龙门刨床导轨垂直面内的宣线度误差对加工精度的影响由此可见:原始误养所引起的刀刃与T件间的相对位移，若产生在加工表面的法线方向, 则对加工精度有盲接影响；若产生在切线方向，就可以忽略不计。这个概念在分析加工精度 问题时经常要用到它。例如：若原始误差所引起的刀刃与工件Z问在加工表面的法线方向产 生的相对位移，贝IJ 丁件在半径方向上的误差为 R=Ay （图4 lla）；。而在切线方向产 生4Z的相对位移时（图4 lib）,产生的加工误差为R=AZ?/（2R）。设：AZ= Ay=0.0lmm
23、, R=50mm,则由丁法向原始误并而产生的加工iOAR= 0.01mm, rf?丁切向原始误养而产生 的加工误差 R= 0.000001mm,此值完全可以忽略不计。一般把原始误弟对加工精度影响最 大的那个方向（即通过刀刃的加丁表面的法线方向）称为误差敏感方向。分析各种原始误差 对加工精度的影响时，应着重分析在误差敏感方向的影响。图411 刀具相对工件在不同方向的位移对加工精度的影响（3）车床前后导轨在垂直面内的平行度（扭曲度）误差平行度（扭曲度）误差,会使则导轨产生扭曲（图4-12）,使刀尖相对于工件在水平 和垂真两个方向上产生偏移。设车床中心高为H,导轨宽度为B,则导轨扭曲量引起工件 半径
24、的变化SAR为： R/H /B； AH/Bo一般车床H（2/3）B,夕卜圆烧床H二B,可见此项谋旁对加工精度影响很大。图4-12导轨扭曲对加工精度的影响分析导轨误差及其对加T精度的影响时，总结以下几点：（1） 车床导轨在水平面内的肓线度误差，是1： 1的直接反映到丁件的半径上去，即 AR=Zy；而在垂直面内的貢线度谋旁产生的加JT误羌，则为二次小误羌，即皿刃（2R） 可忽略不计。在此应注意，不是各种机床导轨在垂直面内的直线度误羌所引起的加工误茅，都可以忽 略不计。例如，卧轴矩台平更燃床床身导轨在垂真面内的肓线度误差，就不能忽略不计。由 此引出的“谋斧敏感方向”的概念I分有惠义。所谓“谋并敏感方
25、向”是指通过刀刃的加工 表面的法线方向。即，产生加工谋旁故大的那个方向。要会应用这一概念来解释为什么对某 些机床，分析导轨谋弟对加工精度的影响时，就不分水平和垂肓两个方向？还应会运用它来 改变装刀方位减小加工误差。（2） 判断导轨误差产生的丁件形状误差，对于初学者来说，往往是比较困难的。分析 判断时，首先要弄淸楚导轨误弟项目、所在平血及弯曲方向或不平行与不垂直的方向，以及 导轨全长各点处的谋茅值；然麻，再查明工件被加工表面所对应的导轨部位和长度段。这样 才能最终断定加工后的工件，是鼓形、鞍形或双lllf面体形。（3） 机床导轨误差，对不同的机床、不同的加工方式和加工对象，其产生的加工误差 的形
26、式是不同的。3.机床传动链误差传动链谋菲讨论的内容包括：1）传动链误茅的概念；2）传动链谋茅的传递；3）传动 链误差的估算及传动链误茅对加T精度的影响；4）减少传动链误差的措施。1）传动链误差的概念传动链谋弟是指内联系传动链屮首、末两端传动件之间相对运动的误差。当加工工件表面如螺纹（车削）、齿轮（滚齿、插齿、磨齿）时，通过机床上的复合运动实现，即主轴（工件 或滚刀）和刀架（车刀）或T作台（被加工齿轮）间为内联系传动链，该传动链的误差是影 响加T精度的主要因素。2）传动链误羌的传递S =空=igJJ = iT2 4 6 8传动链末端元件产生的转角误差。它的大小对车、磨、铳螺纹，滚、插、磨（展成法
27、磨 齿）齿轮等加工会影响分度精度，造成加工表面的形状误旁，如螺距精度、齿距精度等。例 如，车螺纹时，要求主轴与传动丝杠的转速比恒定（图示），即若齿轮Z有转角误差6 1，造成Z2的转角误差为：S I2 = il25 1传到丝杠上的转角误差为5山，即：Zi X 6 in=iln 8 jZ2 6 2 5 2n=i2n 6 2 Zn n &久=几+爲“ +氏“ =E 几J=inn=inn 5 n在任一时刻，各齿轮的转角误差反映到丝杠的总误差为：传动链误羌是由传动链 屮各传动件的制造误差、装配误差、加工过程屮由于力和热而产生变形以及磨损引起的。备 传动件在传动链屮的位置不同，影响稈度不同，其屮末端元件的
28、误差对传动链的误差影响最 大。各传动件的转角误差将通过传动比反映到工件上。当传动链为升速传动时，则传动件的 转角误差将扩大，反Z为降速传动时，其转角误差将缩小。3）减少传动链误差的措施为减小传动链误差对加T精度的影响，可以采取下列措施：1） 尽量缩短传动链，即减少传动元件的数量，以减少误差来源。2） 采用降速传动（1, 为机床屮的传动比），如滚齿机的展成链末端传动副，即传 动工作台的蜗杆蜗轮副采用大降速比5=1/72）。能有效地减小传动误差。3） 提高传动元件，尤其是末端传动元件的加工精度和装配精度。4）采川校正装置（图4一13）以及微机控制的传动误羌自动补偿装置等。图 4一13三、工艺系统其
29、它几何误差1刀具误差该部分内容只作-般介绍，主要让学生了解刀具误弟对加工精度的影响，随刀具种类的不同而不同。（1） 一般刀具如普通车刀、单刃繚刀和面铳刀等）的制造误羌对加工精度没有育接影响，但磨损示对 工件尺寸或形状精度有一定影响（图4 14）。（2） 定尺寸刀具定尺寸刀具（如钻头、较刀、圆孔拉刀等）的尺寸谋弟直接影响被加工T件的尺寸精度。刀具的安装和使用不当，也会影响加T精度。（3）成形刀具成形刀具（如成形车刀、成形铳刀、盘形齿轮铳刀等）的谋弟主要影响被加工血的形状精度。（4）展成法刀具展成法 具（如齿轮滚 插齿刀等）加 齿轮时，刀刃 几何形状及 关尺寸精度 肓接影响齿 加丁精度。图4-14
30、车刀的尺寸磨损及车刀磨损过程2夹具误差和工件安装误差夹具的误差主要是指：1） 定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等零件的制造误茅。2） 夹具装配后，以上乞种元件工作面间的相对尺寸误差。3） 夹具在使用过稈小工作表面的燃损。（图例）工件的安装误差包括定位误養和夹紧误差。具体内容在机械制造装备课稈屮讲述。夹具误差和工件安装误差可通过图415的夹具实例说明对加工精度的影响。图 4一16动等）（3）测量人员主观因索的影响（视力、测量力大小等）（4）正确选择和使用量具，以 保证测量精度4.调整误差（1）试切法调整测量误澹进给机构位移误旁（爬行现象）加工余量的影响（余量很小时，刀刃打滑）（2）定程机构调整人批量生产时常采用行稈扌当块、靠模、凸轮作为泄程机构，其制造精度和调粥精度产生调整误差（3）样板、样件调整样件、样板的制造精度和安装精度、对刀精度产僅调整谋寿（4）夹具安装调整影响T件在机床上占有正确的加工位置、工艺系统受力变形引起的加工误差工艺系统受力变形现象通过两个实例來说明工艺系统受力变形对零件加T精度的影响。图4-17 受力变形对工件精度的影响a）车长轴 b）磨内孔由
