第5章 机械制造质量分析与控制.ppt

机械制造工程学 主讲教师叶仲新机械工程系机械制造教研室 第五章机械制造质量分析与控制 5 1机械加工精度5 2工艺过程的统计分析5 3机械加工表面质量 5 1机械加工精度 5 1 1概述 1 加工精度与加工误差加工精度是指加工后零件表面的实际尺寸 形状 位置三种几何参数与图纸要求的理想几何参数的符合程度 加工误差是指加工后零件实际尺寸 形状 位置三种几何参数与理想几何参数的偏离数值 零件的理想几何参数 对尺寸而言 就是平均尺寸 对表面几何形状而言 就是绝对的圆 圆柱 平面 锥面 直线等 对表面之间的相互位置而言 就是绝对的平行 垂直 同轴 对称和一定的角度等 加工精度与加工误差都是评价加工表面几何参数的术语 加工精度用公差等级衡量 等级值越小 其精度越高 加工误差用数值表示 数值越大 其误差越大 加工精度高 就是加工误差小 反之亦然 指在正常加工条件下 采用符合质量标准的加工设备 工艺装备和标准技术等级的工人 所能保证的加工精度和表面质量 2 加工经济精度 3 原始误差 在机械加工中不允许产生加工误差是做不到的 从零件的功能看 一般也是不必要的 所以 只要加工误差在零件图要求的公差范围内 就认为保证了加工精度 机械加工中 零件的实际几何参数的形成主要取决于工件和刀具在切削过程中的相互位置 而工件和刀具的相互位置取决于机床和夹具 因此 在机械加工中 工件 刀具 机床和夹具形成了加工的系统 通常把这一系统称为工艺系统 工艺系统实际上不可避免的存在着种种误差 这些误差必将直接影响工件加工后的精度 工艺系统的误差通过加工过程直接反映到工件上 而形成加工误差 通常把工艺系统的误差称为原始误差 加工误差与原始误差是一个因果关系 除了上述形成原始误差的工艺系统误差以外 影响加工误差的还有其它许多因素 所以也可以把产生加工误差的来源扩大为机械制造系统 可以把机械制造系统视为工艺系统 原始误差可由施行方法 机械实体 切削过程三个部分组成 即原始误差可分为三大类十二项 施行方法误差包括以下四项原始误差 原理误差 安装误差 调整误差 测量误差机械实体误差包括以下四项原始误差 机床误差 夹具误差 刀具误差 毛坯误差切削过程误差包括以下四项原始误差 工艺系统受力变形误差 工艺系统受热变形误差 工艺系统磨损误差 内应力变形误差 4 误差敏感方向的概念 原始误差对加工误差的影响程度 主要取决于原始误差是否作用在加工误差的敏感方向上 所谓敏感方向是指切削平面的法线方向 即法向分量 作用在敏感方向上的原始误差将以1 1的关系转化为加工误差 它对加工误差影响最大 其它方向的原始误差对加工误差的影响都不同程度地减小 根据敏感方向的特点 可将机床分为两大类 一类是敏感方向固定的机床 如车床 因刀具是固定的 切削时其切削平面固定不变 故其敏感方向保持不变 另一类是敏感方向变化的机床 如镗床 因刀具是回转的 切削时其切削平面将随刀尖的旋转而变化的 故其敏感方向是变化的 因此对这类机床的主轴回转精度要求要严格一些 5 1 2工艺系统几何误差 1 机床的几何误差机床的几何误差包括 主轴的回转误差 导轨的导向误差和传动链的传动误差三方面 1 主轴的纯径向跳动2 主轴的纯轴向窜动3 主轴的纯角度摆动4 轴心漂移 1 主轴的回转误差 任一瞬时主轴回转轴线沿平行于理论回转轴线方向的径向运动 1 主轴的纯径向跳动 敏感方向固定对车外圆尺寸精度的影响 敏感方向变化对镗孔尺寸精度的影响 2 主轴的纯轴向窜动 任一瞬时主轴回转轴线沿平均理论回转轴线的轴向运动 任一瞬时主轴回转轴线相对于理论回转轴线成一定倾角的运动 3 主轴的纯角度摆动 镗孔时纯角度摆动对直径尺寸的影响 1 导轨在水平面内的直线度误差2 导轨在垂直面内的直线度误差3 两导轨间的平行度误差 2 导轨的导向误差 1 导轨在水平面内的直线度误差 2 导轨在垂直面内的直线度误差 3 两导轨间的平行度误差 传动链误差是指刀具与工件间的速比有误差 有些加工方式在加工中要求刀具运动速度与工件的运动速度有一定的跟踪关系 这时若速度跟踪值产生偏差 就会造成加工误差 如车螺纹时 要求工件转过一转 刀具跟踪移动一个导程 若有传动链误差 则使工件产生导程误差 又如单头滚刀滚齿时 要求滚刀转过一转 工件跟踪转过一个齿距 若有传动链误差 则使工件的齿距或齿厚产生误差 3 传动链的传动误差 传动链误差是由传动链中某些环节的周期性误差分量合成的 而各个环节的误差是由元件的制造误差和装配质量 磨损程度 结构的刚度 惯性等因素决定的 3 传动链的传动误差 2 刀具误差 刀具的制造与磨损误差对加工精度的影响 随刀具的种类不同而不同 1 对于定尺寸刀具 刀具的尺寸误差直接影响工件表面的尺寸误差 如麻花钻 扩孔钻 绞刀 丝锥 镗刀 键槽铣刀 圆孔拉刀等 2 对于成形刀具 刀具的形状误差直接影响工件表面的形状误差 如成形车刀 成形铣刀及成形砂轮等 3 对于用展成法加工的刀具 刀具的形状误差将直接影响加工表面的形状误差 如齿轮滚刀和插齿刀等 4 对于一般刀具 是靠刀尖轨迹产生加工表面的 刀尖位置是由调整达到的 所以刀具的误差对工件精度没有直接影响 但这些刀具的几何参数和形状不适当 将影响加工表面的粗糙度 波纹度等表面层质量 如车刀 镗刀 立铣刀 盘铣刀等 夹具本身的制造误差和它们之间的相互位置误差以及使用过程中的磨损 构成了夹具误差 夹具误差将直接或间接引起刀具与工件之间的相对位置误差 从而造成工件的加工误差 对加工误差的影响程度取决于元件误差的方向和工件位置误差的敏感方向 夹具误差包括定位误差 夹紧误差 磨损误差 对刀或导引误差以及夹具的安装误差 3 夹具的几何误差 5 1 3调整误差 1 试切法调整1 测量误差 2 加工余量的影响 3 机床微量进给的影响2 定程机构调整3 样件或样板调整 5 1 4工艺系统受力变形引起的误差 工艺系统的受力变形是指工艺系统在切削力 传动力 惯性力 重力 夹紧力作用下形成的变形 这些变形通常按弹性变形近似处理 受力变形主要取决于两大因素 一是工艺实体的刚度 二是力源 1 工艺系统的刚度刚度 指物体受外力作用时抵抗变形的能力 以外力F与受力方向上的变形y的比值K表示 在切削过程中受到三个方向的力 同时 工艺系统受力变形不单是构件的弹性变形 它还包括工艺系统各组成元件之间的接触变形 位移 间隙消除等 因此 工艺系统刚度是一个特定的概念 它是按实际受力情况 敏感方向 考虑到力与位移方向的一致性来定义的 工艺系统刚度 指工件加工表面在切削法向分力Fy的作用下 刀具相当于工件在该方向上位移y的比值K 可按材料力学的有关公式求得其近似值 悬臂梁公式 简支梁公式 1 工件和刀具的刚度 2 机床 夹具 部件的刚度 机床部件的变形曲线及其特点 三次加载与卸载变形曲线的特点 变形曲线是非线性的 不符合虎克定律 反映出部件的变形不仅仅是弹性变形 加载曲线与卸载曲线不重合 表明在加卸载过程中有能量消耗 卸载后变形曲线不能回到起始点 表明在变形过程中存在塑性变形和残余变形 部件的变形曲线与单个构件的变形曲线相差较大 接触变形 接触表面质量 的影响 刚度较差的零件的影响 预紧力的影响 摩擦力的影响 间隙的影响 影响机床刚度的主要因素 工艺系统在某一处的法向总变形y是各个组成环节在同一处的法向变形的迭加 分别为机床受力变形yjc 夹具变形yjj 刀具变形yd 工件变形yg 工艺系统刚度的计算 工艺系统的刚度及其组成 2 工艺系统受力变形对加工精度的影响 1 切削力大小的变化对加工精度的影响 因切削力大小的变化而引起的加工误差称为误差复映现象 用误差复映系数 的大小表示其影响程度 工 y1 y2 毛 P1 P2 总 1 2 3 4 n 2 切削力作用位置的变化对加工精度的影响 当工件刚性较好而机床刚性较差时 当机床刚性较好而工件刚性较差时 3 工艺系统中其它作用力对加工精度的影响 夹紧力对加工精度的影响 重力对加工精度的影响 3 提高工艺系统刚度的措施 1 提高零件配合表面的接触刚度2 提高刀具与工件的安装刚度3 提高机床构件的刚度4 合理装夹工件 减少夹紧变形 5 1 5工艺系统受热变形对加工精度的影响 1 工艺系统的热源1 工艺系统内部热源 切削热和摩擦热2 工艺系统外部热源 环境温度和热辐射 均匀变形与非均匀变形 2 工件的热变形 3 刀具的热变形 4 机床的热变形 从结构上采取的措施1 采用热对称结构2 采用必要的隔热和散热措施3 采用热位移的方式以减少影响4 采用热补偿的方式以减少影响从工艺上采取的措施1 控制环境温度2 采用热平衡措施3 大型设备季节性的调整 6 减小热变形对加工精度影响的措施 5 1 6工件内应力对加工精度的影响 1 毛坯制造中产生的内应力 2 冷校直过程中产生的内应力 5 1 7测量误差 1 测量方法的影响直接与间接测量 接触与非接触测量 主动与被动测量 静态与动态测量 绝对与相对测量等 2 测量仪器精度的影响测量仪器的工作原理 制造精度 测量精度 考虑 阿贝原则 3 测量条件的影响1 人为因素测量力 视力 分辨力 技术水平 责任心等 2 测量环境温度 湿度 洁净度 磁场 振动等 5 1 8提高加工精度的途径 1 减少原始误差2 转移原始误差3 均分原始误差4 均化原始误差5 误差补偿 5 2工艺过程的统计分析 5 2 1误差性质的分类1 系统性误差 顺次加工一批工件时所产生的大小和方向不变或按一定规律变化的误差 系统性误差又分为常值系统性误差和变值系统性误差 1 常值系统性误差大小和方向保持不变的误差 它不随时间等因素变化 如原理误差 调整误差 机械实体误差引起的加工误差等都是常值系统性误差 大小和方向按一定规律变化的误差 它可以线性变化 也可以是非线性变化 例如刀具在正常磨损阶段的磨损量与切削路程长度是近似线性的关系 该原始误差及其引起的加工误差都是线性变值系统性误差 而刀具的热伸长 在未达到热平衡状态时 其伸长量与时间呈指数曲线关系 这种原始误差及其加工误差为非线性的变值系统性误差 2 变值系统性误差 2 随机性误差 顺次加工一批工件所产生的大小 方向无规律变化的误差称为随机性误差 如毛坯误差 定位误差 夹紧误差 内应力变形等引起的加工误差都是随机性误差 随机性误差只能通过数理统计方法来揭示其总体规律 然后采取措施加以控制 在多数情况下 标志随机性加工误差的标准偏差统计值中隐含变值系统性误差 如果能通过点图法 相关分析法将其揭示出来 并采取针对性措施加以消除 其值是可以减小的 1 正态分布曲线分析法 正态分布曲线的函数表达式 5 2 2工艺过程的分布图分析法 正态分布曲线的特点 曲线对称于 以为中点的正负偏差概率相等 曲线与X轴之间所围成的面积等于1 为正态分布随机变量总体的算术平均值 代表了一批工件加工尺寸的算术平均值 决定了一批工件加工尺寸的分布中心及其坐标位置 为正态分布随机变量的均方差 决定了正态分布曲线的形状和分散范围 2 非正态分布曲线 1 判别加工误差的性质对常值系统误差的判别2 判断工艺能力及其系数加工精度的验证工艺能力系数验证根据CP的大小将工艺能力分为5个等级3 估算废品率及不可修复废品率 3 正态分布曲线图的应用 4 存在的问题 无法区分变值系统误差与随机误差及其变化趋势 不能在加工过程中对工件加工误差进行监控 以样本估算母体 其准确度取决于样本的大小 2 点图法 1 点图的形式1 个值点图 按加工顺序逐个地测量一批工件的尺寸 或误差 以工件序号 或工件的组序序号 为横坐标 以测量的工件尺寸 或误差 为纵坐标而构成点图 从个值点图中反映出每个工件 或每组 的尺寸 或误差 的变化与加工时间的关系 能较清楚地表示出加工过程中加工误差地性质及其变化趋势 并可区别变值系统误差与随机误差及其变化趋势 2 点图以样组点图代替个值点图称为平均值 极差控制图 2 点图的应用1 工艺验证2 判断加工误差的性质3 实现加工过程的在线控制 5 3机械加工表面质量 5 3 1表面质量的基本概念 产品的工作性能 尤其是它的可靠性 耐久性 在很大程度上取决于其主要零件的表面质量 所谓表面质量是指零件在加工后表面层的状态 机器零件的使用性能如耐磨性 疲劳强度 耐蚀性等等除与材料本身的性能和热处理有关外 主要决定于加工后的表面质量 加工后的表面几何形状 总是以 峰 谷 交替的形式偏离理想的表面 这是由于在机械加工过程中 刀痕 切削过程中的切屑分离时的塑性变形 工艺系统的某些振动 刀具与被加工表面的摩擦等造成的 根据偏离的误差又有宏观和微观之分 表面粗糙度是微观几何形状误差 又称之为微观不平度 表面粗糙度 波度和形状误差三者的区分 通常都按波距 峰与峰或谷与谷的距离 来划分 1 表面层微观几何形状误差 1 表面粗糙度是指加工表面的微观几何形状误差 2 波度是介于加工精度 宏观 和表面粗糙度 微观 之间的周期性几何形状特性 主要由振动所引起 1 表面层冷作硬化零件在机械加工过程中 表面层金属产生强烈的塑性变形 使表层的硬度和强度都有提高 这种现象称作冷作硬化 2 表面层金相组织变化切削加工时 特别是磨削时的高温 常会引起表层金属发生相变 通常称为磨削烧伤 2 表面层物理机械性能的变化 3 表面层残余应力零件加工过程中的切削冷塑性变形和切削热塑性变形的影响 使加工表层会产生残余应力 若残余应力超过了材料的极限强度 就会产生裂纹 微观裂纹将给零件带来严重的隐患 2 表面层物理机械性能的变化 3 表面质量对零件使用性能的影响 1 对零件摩擦磨损的影响2 对零件工作精度的影响3 对零件配合性质的影响4 对零件疲劳强度的影响5 对零件抗腐蚀性能的影响 5 3 2影响表面粗糙度的因素 用去除材料的方法加工时 表面粗糙度形成的原因大致归结为两个方面 1 几何因素切削刃与工件相对运动的轨迹所形成的表面粗糙度 2 物理因素被加工材料的性质及切削原理的有关因素 加工中工艺系统的振动对表面粗糙度也有影响 1 切削加工影响表面粗糙度的因素 1 影响表面粗糙度的几何因素在切削加工中 刀具对工件加工表面上残留的面积越大 表面越粗糙 残留面积的大小 与进给量 刀尖半径及刀具的主 副偏角有关 切削加工时 积屑瘤时结时落 当脱落时 积屑瘤的碎片粘结在已加工表面上 形成细小毛刺 积屑瘤还可使表面撕裂而形成鳞片状毛刺 此外 对于宽刃刀 定尺寸刀和成形刀 其刀刃本身的表面粗糙度对工件表面粗糙度的影响也很大 2 影响表面粗糙度的物理因素 3 振动对表面质量的影响 1 强迫振动强迫振动是由具有一定频率的周期性变化的外界激振力所引起的一种振动 其特点是 振动频率为外界激振力的频率 不会自行衰减消失 当外界激振力的频率接近或等于工艺系统的固有频率时会引起共振 2 自激振动自激振动是一种在没有外界激振力的情况下所产生的振动 4 减少切削加工表面粗糙度值的措施 1 合理选择刀具几何参数减少刀具的主偏角和副偏角 适当增大刀具的前角 后角和刃倾角 2 合理选择切削用量选择较高的切削速度 减少进给量3 改善工件材料的组织性能4 合理选择刀具材料和提高刃磨质量 2 磨削加工的表面粗糙度 1 磨削加工表面粗糙度的形成 在磨削过程中 是由砂轮上砂粒形成的微刃进行切削 故磨削加工表面是由微刃刻划出的沟槽形成的 单纯的从几何因素考虑 单位面积上的刻痕越多 即通过单位面积的磨粒数多 刻痕的深度越均匀 则表面粗糙度参数值就越小 事实上 在磨削过程中 不仅有几何因素 而且还伴随着塑性变形的影响 另外 磨粒大多数是负前角 切削刃又不锐利 其所切削的厚度一般只有0 02mm左右 所以有的磨粒在磨削过程中只是在被加工表面挤压而过 未切除工件的材料 加工表面经多次挤压可反复出现塑性变形 由于磨削时的温度比较高 将加剧塑性变形 使加工表面变得粗糙 2 影响磨削加工表面粗糙度的主要因素 1 砂轮的粒度磨粒越细 砂轮单位面积上的磨粒就越多 磨削表面上的刻痕就越细 越均匀 表面粗糙度参数值就越小 但磨粒太细 磨削深度就很小 同时砂轮易堵塞 生产率低 2 砂轮硬度砂轮应具有一定的硬度 用以保持砂轮表面形状有一定工作期 砂轮的硬度太高 磨粒钝化后 不能及时脱落 如果继续磨削时 则会加剧表面的挤压而加大塑性变形 甚至使表面烧伤 3 减少磨削加工表面粗糙度值的措施 1 提高砂轮线速度2 选择适当粒度的砂轮3 精细修整砂轮的工作表面4 减少磨削深度和工件线速度 3 砂轮的修整修整砂轮除了使砂轮有正确的几何形状之外 更重要的是使砂轮工作表面形成锐利的徽刃 使砂轮有良好的磨削性能 5 3 3影响加工表面的物理力学性能的因素 由于表面分析测试技术的不断发展 人们对加工表面的质量也有了更为深入 更为全面的了解 表面层的材料在加工时也会产生物理 机械性质的变化 有些情况下还会产生化学性质的变化 该层总称为加工变质层 1 加工表面层的冷作硬化 1 形成表面冷作硬化的原因切削力的作用 塑性变形 晶格畸变 晶粒纤维化 表面强化硬化程度取决于塑性变性时力的大小 变形速度的快慢和切削温度的高低 2 影响冷作硬化的主要因素刀具几何参数 切削用量和工件材料 2 加工表面层的金相组织变化 1 形成表面金相组织的变化的原因当切削温度超过工件加工表面材料的相变温度时 使表