机械制造第4章质量分析与控制

第4章 机械制造质量分析与控制

典型案例

生产任一种机械产品都要求做到优质、高产、低消耗，这其中保证产品质量是第一位的。机械产品质量是指用户对产品的满意程度。它有三层含意：产品设计质量、产品制造质量和服务。以往企业质量管理中，往往只强调制造质量，即产品的制造与设计的符合程度。而现代的质量观，则是站在用户的立场上衡量。设计质量主要反映所设计的产品，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。服务主要包括产品售前的服务，售后的培训、维修、安装等。

零件的制造质量一般包括机械加工精度和加工表面质量两个指标。

4.1 机械加工精度

一、概述

1．加工精度与加工误差

加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、几何形状和各表面间的相互位置）与理想几何参数的符合程度。符合程度愈高，加工精度就愈高，符合程度愈低，则加工精度愈低。零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度。

加工误差是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、几何形状和各表面间的相互位置）与理想几何参数的偏离程度。加工误差愈小，则加工精度愈高，反之亦然。所以说，加工误差的大小反映了加工精度的高低，而生产中加工精度的高低，是用加工误差的大小表示的。实际加工中采用任何加工方法所得到的实际几何参数都不会与理想几何参数完全相同。生产实践中，在保证机器工作性能的前提下，零件存在一定的加工误差是允许的，而且只要这些误差在规定的范围内，就认为是保证了加工精度。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几何参数的，加工精度的低和高就是通过加工误差的大和小来表示的。研究加工精度的目的，就是要弄清各种原始误差对加工精度的影响规律，掌握控制加工误差的方法，从而找出减少加工误差、提高加工精度的途径。

2．加工经济精度

由于在加工过程中有很多因素影响加工精度，所以同一种加工方法在不同的工作条件下所能达到的精度是不同的。任何一种加工方法，只要精心操作，细心调整，并选用合适的切削参数进行加工，都能使加工精度得到较大的提高，但这样做会降低生产率，增加加工成本，是不经济的。

加工误差与加工成本总是成反比关系。用同一种加工方法，如欲获得较高的精度（即加工误差较小），成本就会提高。但对某种加工方法，当加工误差较小时，即使很细心操作，很精心地调整，

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精度提高却很少甚至不能提高，然而成本却会提高很多；相反，对某种加工方法，即使工件精度要求很低，加工成本也不会无限制的降低，而必须耗费一定的最低成本。通常所说的加工经济精度是指在正常加工条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间）所能保证的加工精度。某种加工方法的加工经济精度一般指的是一个范围，在这个范围内都可以说是经济的。当然，加工方法的经济精度并不是固定不变的，随着工艺技术的发展，设备及工艺装备的改进，以及生产中科学管理水平的不断提高等，各种加工方法的加工经济精度等级范围亦将随之不断提高。

3．原始误差

机械加工中，机床、夹具、刀具和工件构成了一个相互联系的统一系统，此系统称之为工艺系统。由于工艺系统的各组成部分本身存在误差，同时加工中多方面的因素都会对工艺系统产生影响，从而造成各种各样的误差。这些误差都会引起工件的加工误差，我们把工艺系统的各种误差称为原始误差。这些误差，一部分与工艺系统本身的结构状态有关，一部分与切削过程有关。按照这些误差的性质可归纳为以下四个方面：

⑴ 工艺系统的几何误差：包括加工方法的原理误差，机床的几何误差，夹具的制造误差，工件的装夹误差以及工艺系统磨损所引起的误差。

⑵ 工艺系统受力变形所引起的误差。 ⑶ 工艺系统热变形所引起的误差。 ⑷ 工件的内应力引起的误差。

为清晰起见，可将加工过程中可能出现的种种原始误差归纳如下：

原理误差 工件装夹误差

与工艺系统初始状态有关 (几何误差)

调整误差 夹具误差 刀具误差

机床主轴回转误差

机床误差 机床导轨导向误差

机床传动误差 工艺系统受力变形

工艺系统受热变形 与工艺过程 有关 刀具磨损 (动误差)

测量误差

工件内应力引起的变形

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4．加工精度的研究方法

研究机械加工精度的方法主要有分析计算法和统计分析法。分析计算法是在掌握各种原始误差对加工精度影响规律的基础上，分析工件加工中所出现的误差可能是哪一种或哪几种主要原始误差所引起的，并找出原始误差与加工误差之间的影响关系，通过估算来确定工件加工误差的大小，再通过试验测试来加以验证。统计分析法是对具体加工条件下得到的几何参数进行实际测量．然后运用数理统计学方法对这些测试数据进行分析处理，找出工件加工误差的规律和性质，进而控制加工质量。分析计算法主要是在对单项原始误差进行分析计算的基础上进行的。统计分析法则是对有关的原始误差进行综合分析的基础上进行的。在实际生产中上述两种方法常常结合起来应用，可先用统计分析法寻找加工误差产生的规律，初步判断产生加工误差的可能原因，再运用分析计算法进行分析、试验，以便迅速有效地找出影响工件加工精度的主要原因。

二、工艺系统的几何误差

工艺系统的几何误差主要有加工原理误差，机床、刀具、夹具的制造误差和磨损以及机床、刀具、夹具和工件的安装调整误差等。

1．加工原理误差

加工原理误差是指由于采用了近似的加工方法、近似的成形运动或近似的刀具轮廓进行加工所产生的误差。为了获得规定的加工表面，刀具和工件之间必须实现准确的成形运动，机械加工中称此为加工原理。理论上应采用理想的加工原理和完全准确的成形运动以获得精确的零件表面。但实践中，完全精确的加工原理常常很难实现，有时加工效率很低；有时会使机床或刀具的结构极为复杂，制造困难，有时由于结构环节多，造成机床传动中的误差增加，或使机床刚度和制造精度很难保证。因此，采用近似的加工原理以获得较高的加工精度是保证加工质量和提高生产率和经济性的有效工艺措施。

例如，齿轮滚齿加工用的滚刀就有两种原理误差，一是近似廓型原理误差，即由于制造上的困难，采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆；二是由于滚刀刀刃数有限，所切出的齿形实际上是一条由微小折线组成的折线面，和理论上的光滑渐开线有差异，这些都会产生加工原理误差。又如用模数铣刀成形铣削齿轮，模数相同而齿数不同的齿轮，齿形参数是不同的。理论上，同一模数，不同齿数的齿轮就要用相应的—锯齿形刀具加工。实际上，为精简刀具数量，常用一把模数铣刀加工某一齿数范围内的齿轮，即采用了近似的刀刃轮廓，同样产生了加工原理误差。

2．机床的几何误差

机械加工中刀具相对于工件的切削成形运动一般是通过机床完成的，因此工件的加工精度在很

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大程度上取决于机床的精度。

机床的切削成形运动主要有两大类，即主轴的回转运动和移动件的直线运动，因此，机床的制造误差对工件加工精度影响较大的主要有主轴的回转运动误差、导轨的直线运动误差以及传动链误差。

⑴ 主轴回转误差

1）主轴回转误差的概念及基本型式 机床主轴是用以装夹工件或刀具的基准，并将运动和动力传递给工件和刀具。因此主轴的回转误差，对工件的加工精度有直接影响。所谓主轴的回转误差是指主轴的实际回转轴线相对其理想回转轴线（一般用平均回转轴线来代替）的漂移或偏离量。

理论上，主轴回转时，其回转轴线的空间位置是固定不变的，即瞬时速度为零。而实际上，由于主轴部件在加工、装配过程中的各种误差和回转时的受力、受热等因素，使主轴在每一瞬时回转轴心线的空间位置处于变动状态，造成轴线相对于平均回转轴线的漂移，也即产生了回转误差。

主轴的回转误差可分为三种基本型式：

轴向窜动——主轴实际回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动，如图4-1a所示。它主要影响端面形状和轴向尺寸精度。

径向跳动——主轴实际回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动，如图4-1b所示。 角度摆动——瞬时回转轴线与平均回转轴线成一角度倾斜，交点位置固定不变的运动，如图4-1c所示。它主要影响工件的形状精度，车外圆时，会产生锥形；镗孔时，将使孔呈椭圆形。

a）轴向窜动 b）径向跳动 c）角度摆动

图4-1 主轴回转误差的基本型式

主轴工作时，其回转运动误差常常是以上三种基本型式的合成运动造成的。

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2）主轴回转误差的影响因素 影响主轴回转精度的主要因素是主轴轴颈的同轴度误差、轴承的误差、轴承的间隙、与轴承配合零件的误差及主轴系统的径向不等刚度和热变形等。

当主轴采用滑动轴承时，轴承误差主要是指主轴颈和轴承内孔的圆度误差和波度。对于工件回转类机床(如车床、磨床等)，切削力的方向大体上是不变的，主轴在切削力的作用下，主轴颈以不同部位和轴承内孔的某一固定部位相接触。因此．影响主轴回转精度的，主要是主轴轴颈的圆度误差和波度误差，而轴承孔的形状误差影响较小。如果主轴颈是椭圆形的，那么，主轴每回转一周，主轴回转轴线就径向圆跳动两次，如图4-2a所示。主轴轴颈表面如有波度，主轴回转时将产生高频的径向圆跳动。对于刀具回转类机床(如镗床等)，由于切削力方向随主轴的回转而回转，主轴颈在切削力作用下总是以其某—固定部位与轴承内表面的不同部位接触。因此，对主轴回转精度影响较大的是轴承孔的圆度误差。如果轴承孔是椭圆形的，则主轴每回转一周，就径向圆跳动一次，如图4-2b所示。轴承内孔表面如有波度，同样会使主轴产生高频径向圆跳动。

a）工件回转类机床 b）刀具回转类机床

Kmax一最大跳动量

图4-2 主轴采用滑动轴承的径向跳动

主轴采用滚动轴承时，轴承内、外圈滚道的圆度误差和波度对回转精度的影响，与上述滑动轴承的情况相似。分析时可视外圈滚道相当于轴承孔，内圈滚道相当于轴颈。因此，对工件回转类机床，滚动轴承内圈滚道圆度误差对主轴回转精度影响较大，主轴每回转一周，径向圆跳动两次；对刀具回转类机床，外圆滚道圆度误差对主轴精度影响较大，主轴每回转一周，径向圆跳动一次。

滚动轴承的内、外圈滚道如有波度，则不管是工件回转类机床还是刀具回转类机床，主轴回转时都将产生高频径向圆跳动。

滚动轴承滚动体的尺寸误差会引起主轴回转的径向圆跳动。当最大的滚动体通过承载区一次，就会使主轴回转轴线发生—次最大的径向圆跳动。回转轴线的跳动周期与保持架的转速有关。由于保持架的转速近似为主轴转速的1/2，所以主轴每回转两周，主轴轴线就径向圆跳动一次。

推力轴承滚道端面误差会造成主轴的端面圆跳动。滚锥、向心推力轴承的内外滚道的倾斜既会

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