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制造工程理论基础,Theoretical basis of Manufacturing Engineering,主讲教师：于英华（教 授）,总学时：40学时,参考教材：,1《机械制造工艺学》王先逵主编，机械工业出版社 2009 2《机械制造工艺原理》胡永生编著，北京理工大学出版社 1992 3《机械制造工程学》第一分册 机械制造工艺学理论基础 哈尔滨工业大学主编，上海科技出版社 1988 4《精密机械制造工艺学》杨质苍主编，宁夏人民出版社 1988,机械加工精度,机械加工精度:零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和表面相互位置)与理想几何参数的符合程度加工误差:实际值与理想值之差1 加工精度及其控制,原始误差：工艺系统中凡是能引起加工误差的因素都称为原始误差1.1 影响加工精度的因素,加工原理误差,调整误差,工件装夹误差,机床误差,刀具制造误差,夹具误差,,加工前的误差 (几何误差）,,工艺系统静误差,加工中的误差,加工后的误差,测量误差,内应力引起的变形,,工艺系统受力变形,工艺系统热变形,刀具磨损,,,原始误差,内应力引起的变形,测量误差,,,,,,,,误差敏感方向,,,误差敏感方向：当原始误差的方向与工序尺寸方向一致时，其对加工精度的影响就最大，原始误差对加工精度影响最大的那个方向称误差敏感方向。

1.单因素分析法：研究某一确定因素对加工精度的影响,不考虑其他因素的同时作用通过分析计算,或测试实验,得出该因素与加工误差之间的关系2 .统计分析法：必须通过对现场实际加工的一批零件进行检查测量，运用数理统计的方法加以处理和分析，从中发现误差规律，指导我们找出加工精度的途径该方法只适用于批量生产实践生产中，常常将以上两种方法结合起来应用1.2 研究加工精度的方法,1.3 工艺系统受力变形对加工精度的影响,（1）工艺系统的刚度：加工表面法向切削力Fp与工艺系统的法向变形 的比值 （柔度： w= 1/ k） （2）零件刚度：若零件刚度相对于机床、刀具、夹具来说刚度比较低，其变形对加工精度影响比较大，最大变形量按材料力学公式估算长轴两顶尖装夹按简支梁计算，三爪卡盘装夹按悬臂梁计算1.3 .1 工艺系统刚度概念,,,工艺系统的受力变形既影响加工精度和加工表面质量，同时还限制生产率的提高工艺系统刚度的倒数等于系统各组成环节刚度的倒数之和若已知各组成环节的刚度，即可求得工艺系统刚度工艺系统刚度主要取决于薄弱环节的刚度1.3.2 工艺系统刚度计算,1.3.3 工艺系统刚度对加工精度的影响,1 切削力作用点位置变化引起的工件形状误差,(1) 机床的变形,机床的变形车削工件的形状,（2）当x=l时,（1）当x=0时,(3)当x=l/2时,,,,,,(4)当,(2) 工件变形,(3) 工艺系统总变形,*通过对以上公式进行微分,可求得对加工精度影响最大的位置，并由此求得带来的最大加工精度误差。

加工过程中，由于毛坯加工余量和工件材质不均等因素，会引起切削力变化，使工艺系统变形发生变化从而产生加工误差 误差复映现象:由于工艺系统受力变形的变化而使毛坯的形状误差复映到加工工件表面的现象就是切削加工中的误差复映现象2 切削力大小变化引起的加工误差,6-14,,误差复映系数：加工前后误差之比值，称为误差复映系数，它代表误差复映的程度 设毛坯圆度的最大误差为 车削后的圆度的最大误差为 而 所以误差复映系数：,,,,,,增加走刀次数可以大大减小复映误差； 工艺系统刚度愈大，误差复映系数愈小，加工后复映到工件上的误差值就愈小； 减小进给量可以减小复映误差，但降低了生产率； 毛坯硬度不均，会造成加工误差，在采用调整法进行成批生产时，控制毛坯材料硬度的均匀性是很重要的 尺寸误差和形位误差都存在复映现象如知道某加工工序的复映系数，就可以通过测量待加工表面的误差统计值来估算加工后工件的误差统计值多次走刀时：,,1 静态 测定法,1.3.4 工艺系统刚度测量,在机床不工作的状态下，模拟切削时的受力情况，对机床施加静载荷，然后测出机床各部件在不同静载荷下的变形，即可作出各部件的刚度特性曲线并计算出其刚度。

机床部件刚度特性曲线特点,1) 变形与作用力不成线性关系这反映了部件的变形不纯粹是弹性变形 2）加载曲线和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线；两曲线所包容的面积代表加载和卸载循环中消耗的能量，它消耗于克服部件内零件间摩擦力和接触塑性变形所做的功3）第一次卸载后，刀架恢复不到第一次加载的起点，这说明有残余变形存在，经多次加载和卸载后，加载曲线起点才和卸载曲线终点重合，残余变形才逐渐减小到零4)部件实测刚度远比按实体结构估算值小 上例的平均刚度值为 k≈240/0.52≈4400N/mm 相当一根（30×30×200mm）铸铁悬臂梁刚度 一个外形尺寸很大的刀架，它的实测平均刚度值只相当于一个截面积较小的铸铁悬臂梁的刚度，其原因在于刀架外形尺寸看起来很大，但它是由许许多多零件组装而成，零件间有间隙，结合面间有接触变形，由于这些因素的影响，总的变形就大了2 工作状态测定法,,① 接触变形 ② 摩擦的影响 ③ 受力方向的影响 ④ 间隙的影响 ⑤ 薄弱零件本身的变形,1.3.5 影响部件刚度的因素,接触表面间的名义压强的增量与接触变形的增量之比称为接触刚度零件表面越粗糙，形状误差越大，材料硬度越低，接触刚度越小。

接触变形,薄弱零件本身的变形,,镶条,,轴承衬套,摩擦的影响,在加载时，零件与零件的接触面间的摩擦力阻止变形的增加在卸载时摩擦力又阻止变形的减少造成加载和卸载刚度曲线不重合间隙的影响,减少工艺系统变形的途径为：提高工艺系统刚度；减小切削力及其变化 1．提高工艺系统刚度 提高工艺系统刚度应从提高其各组成部分薄弱环节的刚度入手，这样才能取得事半功倍的效果提高工艺系统刚度的主要途径是：,1.4 减小工艺系统受力变形对加工精度影响的措施,（1）设计机械制造装备时应切实保证关键零部件的刚度 在机床和夹具中应保证支承件（如床身、立柱、横梁、夹具体等）主轴部件和传动件有足够的刚度 （2）提高接触刚度 提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键减少组成件数，提高接触面的表面质量，均可减少接触变形，提高接触刚度对于相配合零件，可以通过适当预紧消除间隙，增大实际接触面积书图6-26,,,（3）采用合理的装夹方式和加工方法 提高工件的装夹刚度，应从定位和夹紧两个方面采取措施图6-16,,图6-17 提高部件刚度,,2．减小切削力及其变化 改善毛坯制造工艺，减小加工余量，适当增大前角和后角，改善工件材料的切削性能等均可减小切削力。

为控制和减小切削力的变化幅度，应尽量使一批工件的材料性能和加工余量保持均匀1.5 机床传动链误差对加工精度的影响,传动链误差：是指内联系的传动链首末两端传动元件相对运动的误差即机床传动链中，各环节精度对刀具与工件间相对运动的均匀性和准确性的影响程度它是评定按照展成原理加工的齿轮、蜗杆和螺纹加工等机床的一项十分重要的性能指标，是直接影响加工质量的重要因素1 定义,例如：车削单头螺纹时，见图，要求工件旋转一周，相应刀具移动一个螺距S ，这种运动关系是由刀具与工件间的传动链来保证的，即通过保持总传动比恒定实现总传动比反映了误差传递的程度，故也称为误差传递系数或,设,,,,误差传递函数,,又,2 传动链精度的测量与信号处理,传动链误差的谐波分析法,测试系统原理图,频谱分析仪工作原理图,3 传动链误差的估算和对加工精度的影响,,（1）齿轮转角误差的估算（齿轮加工的内联系传动链）,或,因此工件的齿距累计误差：,第j个齿轮的转角误差：,,第j个齿轮的的齿距累计误差：,,,（2）螺距误差的估算（车床加工螺纹式内联系传动链）,Pg、Ps—分别为工件和传动丝杠的螺距； i—机床主轴至传动丝杠的传动比传动丝杠的转角,主轴或工件的转角,① 尽可能缩短传动链，减少传动元件数目； ②提高传动元件、特别是末端元件的制造和 装配精度； ③在传动链中按降速比递增的原则分配各传动副 的传动比误差被缩小； ④采用误差补偿机构或自动补偿装置； ⑤消除传动间隙。

4 减少传动链误差的措施,(1) 传动链元件数量影响传动误差大小每增加一个传动元件，必然会带来一部分传动误差 (2) 传动副的加工和装配精度影响传动误差特别是保证末端传动件的精度，并尽量减小传动链中的齿轮副或螺旋副中存在的间隙，避免传动速比的不稳定和不均匀； (3) 采用减速传动链有助于减小传动误差按降速比递增的原则分配各传动副的传动比传动链末端传动副的减速比越大，则传动链中其余各传动元件的误差影响越小，从而减小末端传动元件转角误差的影响为此，可增加蜗轮的齿数或加大母丝杆的螺距，这都有利于减小传动链误差4 减少传动链误差的措施,1.6 加工误差的统计分析,1.6.1 加工误差的性质,(1) 正态分布曲线,6σ,,,1.6.2 分布图分析法,,,,,,工程上经常用到的±3σ原则，或称6σ原则,,一般应使所选择的加工方法满足6σ≤T,按照加工误差的性质：常值系统误差决定尺寸分散中心的位置；变值系统误差决定尺寸分散中心位置按照时间的变化规律；随机系统误差引起尺寸分散，决定尺寸分布曲线形状① 判断加工误差的性质,按照加工误差的性质：常值系统误差决定尺寸分散中心的位置；变值系统误差决定尺寸分散中心位置按照时间的变化规律；随机误差引起尺寸分散，决定尺寸分布曲线形状。

若分布图的尺寸分散中心（ ）偏离公差带分布中心，则存在常值系统误差，其大小等于分布中心与公差带中心的偏移量而6σ大小即表明了随机误差的大小3) 分布图分析法的应用,σ大，则曲线平坦,,尺寸分布范围大,,加工方法的加工精度低,令：,CP：工艺能力系数,CP1.67 特级，但过高 1.67≧CP 1.33 一级，足够 1.33≧CP1.0 二级，勉强 1.0≧CP0.67 三级，不足 CP≦0.67 四级，不行,② 确定工艺能力等级,③ 估计合格品率或不合格品率,分布图分析法存在的问题,分布曲线法未考虑零件的加工先后顺序，不能反映出系统误差的变化规律及发展趋势； 只有一批零件加工完后才能画出，不能在加工进行过程中提供工艺过程是否稳定的必要信息； 发现问题后，对本批零件已无法补救 计算复杂，只适合工艺过程稳定的场合点图分析法计算简单，能及时提供主动控制信息，可用于稳定过程、也可用于不稳定过程分析工艺过程的稳定性通常用点图法 点图有多种形式，如单值点图和 图 用点图评价工艺过程的稳定性采用的是顺序样本，这样的样本可以得到在时间上与工艺过程运行同步的有关信息，反映出加工误差随时间变化的趋势。

1.6.3 点图分析法,在一批零件的加工过程中，逐个测量每个零件的加工尺寸，并记入以顺次加工的零件号为横坐标，零件加工尺寸为纵坐标的图中，这样对一批零件的加工便可画成点图1 单值点图,为缩短点图的长度，可将顺次加工的几个零件编为一组，以零件组序为横坐标，同一组内的各零件可根据尺寸分别点在同一组号的垂直线上，就可得到如下点图O点纵坐标：常值系统误差,曲线OO′：每一瞬时的分散中心，其纵坐标的变化情况反映变值系统误差的变化规律,曲线AA′和BB ′间纵坐标的变化：每一瞬时尺寸的分散范围，也就反映了随机误差的影响,,包络成两条平滑的曲线，并作其平均值曲线,加工过程中误差的性质及其变化趋势,,在 图上各有3条线，即中心线和上下控制线2 单值点图,是 控制图和 控制图联合使用的统称横坐标是按照时间先后采集的小样本的组序号，纵坐标为各小样本的 和 绘制 是以小样本顺序随机抽样为基础的每隔一定的时间抽取容量n=2~10件的一个小样本，求出小样本的 和 经过若干时间后。