机械制造技术基础实验指导书与报告册

实验一加工误差统计分析一、实验目的1. 掌握绘制工件尺寸实际分布图的方法，并能根据分布图分析加工误差的性质、计算工序能力系数。

2.点图分析工艺过程的稳定性。

二、实验仪器1. 机床：斯来福临精密数控平面磨床K-P36 Compact2. 量具：螺旋测微仪（千分尺）三、实验内容中线和上下控制线，并根据尺寸误差趋势对磨削程序进行实时调整，以实现监控反馈。

在整批工件加工完成后，绘制被加工零件尺寸的分布曲线直方图，分析被加工零件尺寸的加工精度，从中找出误差的性质和原因，并计算机床的工艺能力系数、确定机床的工艺能力等级。

四、实验原理和方法应用数理统计方法对加工误差（或其他质量指标）进行分析，是进行过程控制的一种有效方法，也是实施全面质量管理的一个重要方面。

其基本原理是通过对加工误差分类、产生原因对加工误差的性质、工序能力及工艺稳定性等进行识别和判断，进而对加工误差作出综合分析。

1．加工误差分类在机械加工中，各种加工误差，按它们在一批零件中出现的规律来看，可以分为两大类：系统误差和随机误差。

(1)系统误差在顺序加工一批零件中，如果加工误差的大小和方向都保持不变，或者按一定规律变化，则称为系统误差。

系统误差又分为常值系统误差和变值系统误差两类。

加工原理误差、机床(或刀具、夹具与量县)的制造误差、工艺系统静力变形等引起的加工误差均与加工时间无关，其大小和方向在一次调整中也基本不变，因此都属于常值系统误差。

机床、刀具和夹具等在热平衡前的热变形误差以及刃具的磨损等，随加工过程（或热工时间)而有规律地变化，由此产生的加工误差属于变值系统误差。

（2）随机误差在顺序加工一批零件中，如果加工误差的大小和方向呈不规律变化，则称为随机误差。

随机误差是由许多相互独立因素随机作用的结果，如毛坯的余量大小不一致或硬度不均匀时将引起切削力的变化，在变化的切削力作用下由于工艺系统的受力变形而导致的加工误差就带有随机性，属予随机误差。

另外，定位误差、夹紧误差、多次调整的误差、残余应力引起的工件变形误差都属于随机误差。

2．加工误差产生的原因机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数与图纸规定的理想几何参数的符合程度。

符合程度越高，精度越高。

生产中，加工精度的高低常用加工误差的大小来表示。

加工精度越高，则加工误差越小；反之越大。

在机械加工中，由机床、夹具、工件和工具组成一个工艺系统。

此工艺系统在一定条件下由工人来操作或自动的循环运行来加工工件。

因此，有多方面的因素对此系统产生影响，引起加工误差，归纳起来有以下几方面的原因：（1）加工原理误差——由于采用了近似的加工原理(如近似的刀具或近似的加工运动)而造成的误差。

（2）安装误差——工件定位、夹紧时所产生的误差。

（3）工艺系统的几何误差——机床、刀具和夹具本身在制造时所产生的误差，以及使用中产生的磨损和调整误差。

（4）工艺系统的受力变形——机床、夹具、工件和刀具在受切削力、传动力、离心力、夹紧力、惯性力和内应力等作用力下会产生变形，从而破坏了已调整好的工艺系统各组成部分的相对位置关系，导致了加工误差的产生。

（5）工艺系统的受热变形——在加工过程中，由于受切削热、摩擦热以及工作场地周围热源的影响，工艺系统的温度会产生复杂的变化，工艺系统会发生变形，改变了系统中各组成部分的正确相对位置，导致了加工误差的产生。

（6）调整误差——在机械加工的每一工序中，总要对工艺系统进行这样或那样的调整工作，由于调整不可能绝对地准确，因而产生调整误差。

（7）测量误差——零件在加工时或加工后进行测量时由于测量方法、量具精度以及工件和主客观因素(温度、接触力)都直接影响测量精度。

3．加工误差统计的分析方法对于生产实际中经常以复杂的因素而出现的加工误差问题，却不能以上面的单因素原因来总结。

因为单个工件不能暴露出误差的性质和变化的规律，单个工件的误差大小也不能代表整批工件的误差大小。

就是由于在一批工件的加工过程中，既有变值系统性误差因素，也有随机性误差因素的作用。

这时单个工件的误差是不断变化的。

平单个工件去推断整批零件的误差情况极不可靠，所以就需要用统计分析的方法。

统计分析法就是以生产现场内对许多工件进行检查的结果为基础，运用数理统计的方法去处理这些结果，从中提炼出规律性的东西，用以找出解决问题的途径。

对于加工误差统计的分析方法常用分布曲线法和点图法。

（1） 分布曲线法采用调整法大批量加工一批零件，随机抽取足够数量的工件可以得到它的分布曲线，实践和理论分析表明，如果在误差因素中没有任何优势倾向时，其分布服从正态分布曲线。

一般利用正态分布曲线的规律研究加工精度，利用分布曲线制定各种工序的精度标准，进行误差分析，并能预测产生废品的可能性。

正态分布曲线有两个特征参数：工件的平均尺寸X =1/nii x n =∑，其中ix 为第i 个工件的尺寸；工序的标准偏差σ=分布曲线绘制方法： ①初选分组数K一般应根据样本容量来选择，参见表1-1。

②确定组距找出样本数据的最大值max i x 和最小值min i x ，并按计算组距。

选取与计算的d'值相近且为测量值尾数整倍数的数值为组距 。

③确定分组数k④确定组界各组组界为： （j=1，2，……，k ） ⑤)统计各组频数n i （即落在各组组界范围内的样件个数） ⑥画直方图以样本数据值为横坐标，标出各组组界；以各组频数 为纵坐标，画出直方图。

⑦计算总体平均值与标准差平均值，其中 i x －第i 个样件的测量值，n －样本容量。

标准差σ=⑧画分布曲线若研究的质量指标是尺寸误差，且工艺过程稳定，则误差分布曲线接近正态分布曲线；若研究的质量指标是形位误差或其他，则应根据实际情况确定其分布曲线。

画出分布曲线，注意使分布曲线与直方图协调一致。

⑨画公差带在横轴下方画出公差带，以便与分布曲线相比较。

最后得到形如图1-1的分布曲线图。

图1-1 正态分布图图1-1中从尺寸x 到x 的工件频率为：()22exp 2xx x x F dx σ⎡⎤--⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎰；工序标准偏差σ决定了分布曲线的形状和分散范围。

σ值越大则曲线形状越陡，尺寸分散范围越小，加工精度越高；σ值越小则曲线形状越平坦，尺寸分散范圈越大，加工精度越低。

因此可以用σ来确定给定加工方法的精度。

对于给定的加工方法，由于其加工尺寸的分布近似服从正态分布，其分布范围为±3 σ，即6σ，在多次统计的基础上，可求得给定加工方法的标准偏差σ值，则6σ即为该加工方法的加工精度。

（2） 点图法点图法是按加工的先后顺序作出尺寸的变化图，以暴露整个加工过程的全貌。

其具体做法为，按加工顺序定期抽查一组m 个工件(m=3～10个)，每组平均值为x ，组内最大值与最小值之差为R ，以样组序号为横坐标，分别以每组的x 和R 为纵坐标即可得到x —R 图。

x 曲线的变化趋势反映了变值系统误差的影响，R 图反映了随机误差的大小及变化趋势。

利用点图可观察加工的常值系统误差、变值误差和随机误差的大小及其变化规律；可判断工艺过程的稳定性，根据点图上的点子上下波动的程度来判断工艺过程是否稳定，对于不稳定的工艺过程，须分析原因并采取相应措施使工艺稳定。

利用点图法可以在加工过程中控制精度，防止废品的产生。

x —R 图的绘制方法：①确定样组容量，对样本进行分组。

样组容量一般取m=2～10件，通常取4或5。

按样组容量和加工时间顺序，将样本划分成若干个样组。

②计算各样组的平均值和极差对于第i 个样组，其平均值和极差计算公式为：；；i 个样组的平均值，i R —第i 个样组的极差， ij x —第i 个样组第j 个零件的测量值，max i x —第i 个样组数据的最大值，min i x —第i 个样组数据的最小值。

利用以下迭代公式，实时计算：111(.)ii i i X n X X n ++=+，1111(.)i i i i i R n R R n +++=+其中，m k —样组个数，2A 、1D 、2D ——常数，可由表1-2查得。

表1-2 A 、D 、D 的值以样组序号为横坐标，分别以各样组的平均值x 和极差R 并在图上标出中心线和上、下控制限，得到形如图1-2的分布图。

图（3） 工序能力系数计算工序能力系数C p（4） 判别工艺过程稳定性可按表1-3所列标准进行判别。

注意，同时满足表中左列3个条件，工艺过程稳定；表中右列条件之一不满足，即表示工艺过程不稳定。

表1-3 正常波动与异常波动标志五、实验步骤第一步：在已调整好的平面磨床K-P36加工100 个高度12.50 ±0.06的方形工件。

第二步：在加工过程中用螺旋测微仪依次测量各个零件的高度尺寸，以5个零件为一组，记录于实验报告册中的原始数据记录表上。

R ，再依次记录在实验报告册的原始数据记录表上。

和R的平均值x第八步：绘制分布图。

第九步：计算全部零件尺寸的均方根偏差σ，计算工艺能力系数，确定工序能力等级。

六、分析判断实验结果1.2. 推断该工序的工艺能力，确定工艺等级。

3. 判断工艺是否稳定。

4. 试提出解决上述工艺问题的措施。

七、思考题1. 分布图主要说明什么问题？在什么情况下分布曲线接近于正态曲线？在什么情况下分布曲线与正态曲线偏离较远？3. 分析产生加工误差的主要因素有哪些？其中哪些是常值系统误差？哪些是变值系统误差？4. 分析工艺过程稳定性（或不稳定性）的原因？实验二平面磨床烧伤实验一、实验目的1. 掌握什么是磨削烧伤。

2. 掌握产生磨削烧伤的机理及影响因素。

3. 学会预防烧伤的有效措施和方法。

4. 利用KP-36平面磨床等设备演示磨削烧伤、检测及预防改进措施。

二、实验仪器三、实验内容利用KP-36平面磨床等设备展开磨削烧伤实验，通过改变磨削参数进行磨削加工获得实验试件，观察烧伤试片的表面金相组织的变化和检测表面硬度的变化，以分析磨削烧伤的影响因素。

四、实验原理机械加工表面质量指标主要包含表面粗糙度、表面层的物理力学性能变化（冷作硬化、金相组织变化和残余应力等）。

本实验主要展示磨削烧伤对表面质量（主要是表面层硬度和金相组织变化）的影响。

1．磨削烧伤的定义、产生机理与分类磨削工件时，在高的磨削温度作用下，会使工件表层的金相组织产生变化，表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，而使工件表面质量恶化的现象叫做磨削烧伤（图2-1）。

烧伤现象将引起工件表面层机械性能下降，主要是降低工件硬度和耐磨性。

图2-1 右侧工件端面为显现出黄褐色的磨削烧伤现象磨削烧伤可以分为三类：第一类，如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的转变温度，表面层金属组织将转变成硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种烧伤称为回火烧伤。

第二类，如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属发生二次淬火，使表层金属出现二次淬火马氏体组织，其硬度比原来的回火马氏体的高，在它的下层，因冷却较慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织（索氏体或托氏体），这种烧伤称为淬火烧伤。