课件：机械加工质量解析.ppt

机械工程学院 机械制造基础,1,第4章 机械加工质量,4.1 机械加工精度 4.1.1 概述 4.1.2 获得加工精度的方法 4.1.3 工艺系统几何误差 4.1.4 工艺系统受力变形 4.1.5 工艺系统热变形 4.1.6 工件内应力引起的变形 4.1.7 加工误差的综合 4.1.8 保证和提高加工精度的途径 4. 2 加工表面质量 4.2.1 表面质量的基本概念 4.2.2 影响加工表面粗糙度主要因素及其控制 4.2.3 影响表面物理、力学性能的因素及其控制,机械工程学院 机械制造基础,2,4.1 机械加工精度,4.1.1 概述 1）加工精度的概念 加工精度：是指零件加工后，其几何参数的实际数值与图纸规定的设计数值相符合的程度。加工精度包括： 尺寸精度：加工表面的实际尺寸与设计尺寸的尺寸误差不超过一定的尺寸公差范围。在国标中尺寸公差分20级（IT01、IT0、IT1IT18）。 几何形状精度：加工表面的实际几何要素对理想几何要素的变动量不超过一定公差范围。在国标中形状公差有六项：直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。 相互位置精度：加工表面的实际几何要素对由基准确定方向或位置的理想几何要素的变动量。在国标中位置公差有八项：平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度、位置度、圆跳动、全跳动。,机械工程学院 机械制造基础,3,2）原始误差的来源及其与加工误差,l 加工误差：是指零件加工后，其几何参数的实际数值与图纸规定的设计数值不符合的程度，即实际数值与设计数值之差。,l 原始误差：包括机床、夹具、刀具及工件在内的机械加工工艺系统各环节的误差，是造成零件加工误差的工艺因素。 l 原始误差与加工误差的关系 原始误差对加工误差的影响表现为其在工序尺寸上的分量的大小。 误差敏感方向：原始误差对加工精度影响最大的方向。 误差不敏感方向：原始误差对加工精度影响最小的方向。,机械工程学院 机械制造基础,4,l 原始误差的来源,(1) 工件定位与夹紧误差：定位误差、夹紧变形。 (2) 工艺系统静（几何）误差：机床、夹具、刀具的制造误差。 (3) 调整误差：工艺系统位置调整产生的误差。 (4) 工艺系统的动（过程）误差：工艺系统受力及内应力、热等产生的变形及磨损。 (5) 测量误差：测量方法及测量器具的误差。 (6) 加工原理误差：用近似的表面成形运动代替理论的表面成形运动，用近似的刀具刃形代替正确的刃形等产生的加工误差。（例齿轮加工、车模数蜗杆p= m等）,机械工程学院 机械制造基础,5,4.1.2 获得加工精度的方法,（2）调整法：通过预调好的机床、夹具、刀具、工件，在加工中自行获得尺寸精度。 （3）尺寸刀具法：用一定形状和尺寸的刀具加工获得。 （4）自动控制法：用一定装置，边加工边自动测量控制加工。,2. 形状精度的获得方法 成形运动法 （1）轨迹法 ：利用刀具与工件间的相对运动轨迹来获得形状。 （2）成形法：利用成形刀具加工获得表面形状。 （3）展成法：利用刀具与工件相对运动使工件被刀具切削成一定形状的包络线。,l. 尺寸精度的获得方法 （1）试切法：试切测量调整再试切,非成形运动法：人工修配、样板加工、划线加工等。,机械工程学院 机械制造基础,6,获得加工精度的方法,3. 位置精度的获得方法 （1）一次装夹获得法 （2）多次装夹获得法 装夹的方式：直接找正装夹、划线找正装夹、夹具装夹。,机械工程学院 机械制造基础,4.1.3 工艺系统几何误差,机床误差 机床精度取决于其制造精度、装配精度及磨损情况，其中对加工精度影响最大的是主轴误差、导轨误差等。 主轴几何偏心：车床上，与定位基准面间产生同轴度、垂直度等位置误差；镗床和钻床会造成孔径的扩大。,主轴回转误差（主轴轴线漂移）： 纯径向跳动：车削外圆、镗孔时产生圆度误差。 纯轴向窜动：车端面产生平面度误差；车螺纹产生螺距小周期误差。 纯角度摆动：产生圆柱度或端面形状误差。,机械工程学院 机械制造基础,8,主轴误差对加工精度的影响：,相同的误差对于不同加工方法影响各不相同。 例如：镗床镗孔时刀具随机床主轴回转，切削力和误差敏感方向也在旋转，轴线的漂移会直接反映到工件上去。,车削是工件回转，切削力和误差敏感方向不变，只有水平方向误差才1:1地反映到工件上。,机械工程学院 机械制造基础,9,提高主轴回转精度的措施:,（1）提高主轴部件的制造精度，选用高精度滚动轴承或采用动压、静压轴承（刚度高、回转精度高）； （2）对滚动轴承进行预紧，以消除间隙或产生微量过盈，提高轴承刚度。 （3）采用合理的工艺方法来消除主轴回精度对加工精度的影响，主轴只起传递动力和运动的作用。 例：采用固定顶尖定位加工，工件轴线不变。 采用电磁无心磨削加工，工件与主轴之间有偏心量产生传递扭矩，切削力与电磁力合力使工件紧贴在可调支承，主轴转动与工件定位无关。,机械工程学院 机械制造基础,10,导轨误差：对加工误差的影响（以车削为例）,直线度误差：,导轨扭曲：,导轨与主轴位置误差： 传动误差：螺纹加工、齿轮加工等要求刀具与工件间保持固定的传动关系，传动误差将影响螺纹导程、齿轮的分度精度等。,机械工程学院 机械制造基础,11,2. 刀具误差,展成法：加工表面是无数刀刃轨迹的包络面，刀刃形状为加工表面的共扼曲线，刀具误差会影响加工表面的形状误差。,轨迹法：工件表面是刀尖与工件相对运动轨迹的包络面。 定尺寸刀具：如钻头、铰刀、拉刀等，尺寸、形状直接影响工件尺寸和形状精度。 刀具磨损：直接影响刀具的尺寸、形状等。,刀具误差包括刀刃廓形制造、刃磨误差及刀具安装误差。 成形法：刀具表面廓形“复印”到加工表面上。安装误差也直接影响加工表面形状精度。例如：车削螺纹，车刀安装偏高或偏低，三角形牙型轮廓会变成双曲线。,机械工程学院 机械制造基础,12,3. 夹具制造误差,定位元件、刀具导向装置、对刀装置、分度机构以及夹具体等零件及组件的制造误差、组装位置误差，引起加工表面尺寸及位置误差。 夹具磨损引起的定位误差。,夹具制造误差主要是：,机械工程学院 机械制造基础,13,4.1.4 工艺系统受力变形,1. 工艺系统受力变形分析 机械加工过程中，在重力、切削力、惯性力、传动力等外力作用下，工艺系统都会变形，破坏刀具与工件间的正确位置，从而产生加工误差。 刚度：指加到系统上的作用力P与由它产生的在作用力方向上的位移y的比值。即K=P/y 工艺系统的刚度：指垂直于待加工表面的切削分力Py与工件在Py方向的位移之比值。Ks=Py/y,根据材料力学计算，两顶尖加工工件简化为简支梁：,机械工程学院 机械制造基础,14,2. 工艺系统受力对加工精度的影响,（1）切削力对加工精度的影响 误差复映：有形状误差（或相互位置误差）的工件毛坯，在加工后，因加工余量不均，切削力变化，使工艺系统产生了相应的变形，其形状误差（或位置误差）仍以与毛坯相似的形式、程度不同地反映在新的加工表面上。工件误差g对毛坯误差 m的复映程度称为误差复映系数。 即 = g / m,例：车削加工短圆柱毛坯，该毛坯有圆度误差（椭圆），这时系统刚度可即近似看成常数。因此切削过程中背吃刀量在不断变化，从而导致系统的变形量也随之而变，最终加工后的表面仍为椭圆。 为小于1的正数，每次切削的复印系数为 1 ， 2 ， 3 最终误差复映系数为=123 1，故切削次数越多误差越小。,机械工程学院 机械制造基础,15,车削细长工件,细长工件刚度低，切削时工件产生弯曲变形而让刀，且不同的部位变形程度不同，加工工件为腰鼓形。,车削短而粗的刚性轴 短轴刚度高，切削时工艺系统（主要是机床）的各部分刚度不等，不同的部位变形程度不同而让刀，加工工件为马鞍形，且最小直径出现在中间靠近刚度高的一侧。,机械工程学院 机械制造基础,16,惯性力引起加工误差,单爪拨盘产生离心力而产生定位端面位置误差；传递力矩与切削力矩平衡，半径方向变形是切削力与传动力产生位移量代数和，相加后结果为：心脏线轮廓。 夹紧变形 重力变形,机械工程学院 机械制造基础,17,缩短切削力作用点和支承点的距离，也可使用辅助支承提高零件刚度。,合理使用机床：悬伸长度短、运动间隙小、不运动部件要锁紧。 其它措施：补偿系统受力变形、转移误差敏感方向、转移误差等。,3. 减小工艺系统受力变形的措施,提高工艺系统的刚度：包括结构刚度、连接刚度、接触刚度等。 控制受力大小和方向：通过合理选择切削参数、刀具角度控制切削力或分力的大小，也可利用对称性抵消作用力；改变切削力的方向，避开误差敏感方向。 采用合理的装夹和加工方式。,机械工程学院 机械制造基础,18,4.1.5 工艺系统热变形,工艺系统热源： 切削热、传动系统摩擦能耗发热、派生热源（切屑、冷却液落在床身上）、外部热源。,工艺系统热变形对加工精度的影响： （1）机床由于各部分受热不均匀，发生弯曲和扭曲变形，降低了、机床几何精度，影响加工精度； （2）加工短小工件，加工可以忽略，但测量时要考虑热胀冷缩； （3）车长轴时，温度逐渐升高，刀具和工件变形渐大，切除量逐渐增大，加工工件产生圆柱度误差；均匀热变形量计算：,（4）工件单面受力（如铣、刨、磨等），一面受热，工件上拱，加工后加工表面出现中凹。,机械工程学院 机械制造基础,19,减少热变形影响的措施,减少发热源：分离电机、液压系统等； 热补偿：均化温度场，实际村各部分温度均匀； 保持系统热平衡：加工前先预热，平衡后在加工； 环境恒温。,机械工程学院 机械制造基础,20,例：,1. 工件刚度极大，床头刚度大于床尾，分析加工后加工表面形状误差。,(a) 左小右大锥形；(b) 形成内凹端面；(c) 马鞍形，小径靠床头。,2. 车削工件，产生图示误差，分析主要原因。,(a) 锥形：导轨与主轴不平行、刀具磨损； (b) 腰鼓形：工件刚性差，产生让刀； (c) 马鞍形：工件刚性好，机床两端刚性差。,2019/8/24,21,可编辑,机械工程学院 机械制造基础,22,4.1.6 工件内应力引起的变形,工件的内应力是指当外载荷去掉后仍然存在与工件内部的应力。存在内应力是工件处于不稳定的平衡状态，应力变化将产生变形。 内应力产生的原因： 1）毛坯制造中产生内应力：在铸造、锻造、焊接及热处理中工件受热不均及金相组织变化时体积的变化而产生内应力。 通常表面（薄的部位）先冷却凝固，芯部（厚的部位）后冷却，因此先冷却部分受压应力，后冷却部分受拉应力。 马氏体的密度小（马=7.75），奥氏体的密度大（奥=7.96），局部相变体积变大时受拉应力，局部相变体积缩小时受压应力。,2）冷校直引起内应力：刚性较差的、易变形的细长工件，采用冷校直的方法纠正弯曲变形时产生内应力。,3）切削加工过程中产生内应力：切削过程中切削塑性变形、相变等使工件表面产生残余应力。,机械工程学院 机械制造基础,23,消除内应力的措施,合理设计零件结构：铸件、锻件壁厚均匀，焊接件焊缝分布均匀等； 尽量不采用冷校直工艺：精密件严禁冷校直，可热校直或加大余量多切削； 合理安排时效处理消除内应力； 合理安排工艺过程：粗加工后过一定时间后再精加工，粗加工后松开工件重新以较小的力装夹等。,机械工程学院 机械制造基础,24,4.1.7 加工误差的综合,1）误差的性质 （1）系统误差：连续加工一批工件时，加工误差的大小和方向保持一定或按某一确定规律变化。前者称为常值系统误差，后者称为变值系统误差。 （2）随机误差：连续加工一批工件时，加工误差的大小和方向都是无规律地变化。随机误差服从统计规律。 2）加工误差的综合 加工误差的综合是根据加工情况分析加工精度的影响因素，分项计算主要误差，判断其性质，综合求得加工误差。 系统误差按代数和合成：,机械工程学院 机械制造基础,25,3）加工误差的统计分析,分布曲线法 概率直方图与分布曲线,在正常加工条件下，用调整法加工一批工件所得的尺寸分布曲线符合正态分布曲线。,机械工程学院 机械制造基础,26,正态分布曲线,正态分布密度函数:,算术平均值: （工件尺寸分布中心）,标准偏差（均方根偏差）：,分布概率（分布面积）：,其中：,机械工程学院 机械制造基础,27,实例：,一批活塞精镗后销孔检验尺寸如表，图样尺寸28-0.015mm,分布中心：,标准差：=0.0022 公差带中点=28-0.015/2 =27.9925,机械工程学院 机械制造基础,28,不合格品率计算：,1. 计算：,2. 查表：(z),3. 计算： 合格品率 = (z1) +(z2),不合格品率： FA=0.5-(z1) FB=0.5-(z2),机械工程学院 机械制造基础,29,工艺能力系数,工艺能力系数Cp=T/(6) 工艺能力系数工艺方案的工艺能力，通常分为五级。,机械工程学院 机械制造基础,30,例题：车削一批小轴，直径20-0.1mm，测量结果服从正态分布，公差带中心与分布中心差0.03mm，标准差=0.025mm，求合格品率和废品率，工艺能力系数Cp。,解：zA=xA/=(T/2+0.03)/ =(0.1/2+0.03)/0.025 =3.2 FA=(zA)=0.499 zB=xB/=(T/2-0.03)/ =(0.1/2-0.03)/0.025 =0.8 FB=(zB)=0.288 合格品率=FA+FB=0.787 废品率=1-0.787=0.213 工艺能力系数： Cp=T/(6)=0.1/(6*0.025)=0.6667,机械工程学院 机械制造基础,31,例题：在外圆磨床上加工一批光轴，设计要求尺寸为400.03mm，平均值=40.01mm加工后测得工件的尺寸呈正态分布，且已知=0.01mm，求： （1）划出工件尺寸分布曲线图和尺寸公差范围； （2）计算工艺能力系数； （3）废品率是多少？能否修复？,1 解:（1）分布曲线如图。 （2）工艺能力系数： Cp= T/(6)=0.06/(6*0.01) =1 （3）不合格品都是尺寸过大，为可修复不合格品，不合格品率为： F=0.5-(z)=0.5-0.4772=2.28%,机械工程学院 机械制造基础,32,控制图法：,控制图又称点图，生产中常用单值控制图和均值-极差控制图（ -R图）。 1）单值控制图：一般用于单件加工时间长和希望尽早发现异常，需要逐件画点，个别件的偶然因素影响判断。,2）均值-极差控制图：,机械工程学院 机械制造基础,33,4.1.8 保证和提高加工精度的途径,减少或消除原始误差； 补偿或抵消原始误差； 转移原始误差； 误差分组； 误差平均法； 就地加工法； 加工过程控制法。,机械工程学院 机械制造基础,34,4. 2 加工表面质量,4.2.1 表面质量的基本概念 1）表面质量的含义：指零件加工后的表面微观几何形状和表面的物理机械性能状态。表面质量包括： 表面微观几何形状： 表面粗糙度（S/H40） 表面波度（50S/H1000) 表面层物理机械性能：表面层冷作硬化 表面层残余应力 表面层相变,机械工程学院 机械制造基础,35,2）表面质量对零件使用性能的影响,表面质量对零件耐磨性的影响：初期磨损快，跑合后进入正常磨损。表面粗糙时，高点干摩擦，磨损快；表面太光洁时润滑油无法进入，造成材料粘结磨损，最佳Ra0.321.25m。表面硬化，耐磨性提高。表面相变影响耐磨性。 表面质量对疲劳强度的影响：表面越粗糙，抗疲劳性越差。表面硬化抗疲劳性提高，但硬化程度过高，易出现疲劳裂纹、剥落现象。表层压应力，提高抗疲劳性，表层拉应力，降低抗疲劳性。 表面质量对零件耐腐蚀性的影响：表面越粗糙，抗腐蚀能力越差。凹陷处易于杂质形成原电池，造成电化学腐蚀。 表面质量对配合性质的影响 表面质量对接触刚度的影响：表面越粗糙，接触刚度越低，联接牢固性、接触位置准确性越差。,机械工程学院 机械制造基础,36,4.2.2 影响加工表面粗糙度主要因素及其控制,l 切削过程中塑性变形及其它物理因素引起的粗糙度 （1）积屑瘤 （2）鳞刺：较低速切削塑性较差的材料产生节状或粒状切屑，切屑在前刀面上周期性停留代替前刀面推挤切削层，造成塑性变形向切线以下延伸，造成已加工表面拉应力太大而导裂，形成鳞片状毛刺，这就是鳞刺。 （3）刃口挤压塑性变形 （4）材料脆性,表面粗糙度产生的原因： l 残留面积,机械工程学院 机械制造基础,37,表面粗糙度产生的原因：,l 工艺系统的振动 自由振动：靠系统弹性恢复力维持的振动。 强迫振动：靠外界周期干扰力持续作用系统被迫产生振动。 自激振动：系统本身引起的交变力作用而产生的振动。 切出时切削力做正功，获得能量；切入时做负功，消耗能量。当做正功大于负功时，系统产生振动。 负摩擦理论（切屑与刀具摩擦力随相对速度增加而下降，做功产生能量） 再生效应（前后两次切削部分重叠相位滞后时，易产生振动） 振型耦合原理（振动系统刚度主轴，使振动过程中切削截面积变化而引起切削力的变化，支持振动。）,机械工程学院 机械制造基础,38,降低表面粗糙度的措施：,l 选择合适的切削条件 （1）切削速度 （2）减小进给量 （3）切削深度（背吃刀量） （4）切削液 l 合理选用刀具几何参数和刀具材料 （1）采用合理的刀具几何参数 （2）采用与工件材料