机械行业加工工艺质量管理分析(PPT 70页).ppt

1 第四章机械加工质量 通常形状误差限制在位置公差内 位置公差限制在尺寸公差内 表面粗糙度波度纹理方向伤痕 划痕 裂纹 砂眼等 加工质量包含的内容 2 一 机械加工精度与加工误差1 加工精度 零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度 符合程度越高 加工精度越高 实际生产中零件不可能与理想的要求完全符合 它受到各种因素的影响 2 加工误差 指加工后的实际几何参数 尺寸 形状和表面间的相互位置 对理想几何参数的偏离程度 从保证产品使用性能分析允许有一定的加工误差 保证产品的使用性能 保证和提高加工精度问题 实际上就是限制和降低加工误差问题 4 1机械加工精度 3 3 两者关系 1 两者从不同角度来评定加工零件的几何参数 加工精度的高低 2 加工精度 尺寸 形状 位置精度 三者关系形状公差限制在位置公差内位置公差限制在尺寸之内尺寸精度高 位置 形状精度高形状精度高 位置 尺寸不一定高 3 加工精度 加工成本 生产率三者关系设计人员 合理规定加工精度工艺人员 依设计要求 生产条件 用适当方法保证提高生产率和降低成本 4 研究加工精度的目的 目的是要弄清各种原始误差的物理 力学本质 以及他们对加工精度影响的规律 掌握控制加工误差的方法 获得预期的加工精度 需要时找出进一步提高加工精度的途径 4 5 原始误差 影响机械加工精度的因素工艺系统的各种误差叫原始误差 5 4 1 4 2 显然 工艺系统原始误差方向不同 对加工精度的影响程度也不同 对加工精度影响最大的方向 称为误差敏感方向 误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向 如图所示车刀加工 6 误差敏感方向 6 1 加工原理误差指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差 二 工艺系统的几何误差 用展成法切削齿轮 刀齿有限 微小折线组成曲线 7 例3 在曲线获曲面的数控加工中 由于数控铣床一般不具有空间插补功能 如曲线的加工是由许多很短的折线段逼近得到 逼近的精度可由每根线段的长度来控制 在三坐标联动的数控铣床上加工区面 实际上是一面一面的空间直线逼近空间曲面 即整个曲面是由大量加工出的小直线来逼近 因此 在曲线或曲面加工中 刀具相对于工件地成形运行是近似的 8 2 机床的几何误差 1 回转精度 机床主轴在回转时实际回转轴线对理想回转轴线的相一致程度 2 回转误差 机床主轴在回转时实际回转轴线对理想回转轴线的漂移 3 误差产生原因 由于主轴部件中轴承 轴颈 轴承座孔等的制造误差和配合质量 润滑条件 以及回转时的动力因素的影响 瞬时回转轴线的空间位置在周期性变化 4 理想回转轴线 客观存在 但无法确定 通常是以平均回转轴线来代替 1 机床主轴回转误差 9 5 主轴回转误差基本形式 径向圆跳动 端面圆跳动 角度摆动 10 6 主轴回转误差对加工精度的影响 主轴径向圆跳动对加工精度的影响 镗孔 考虑最简单的情况 主轴回转中心在y方向上作简谐直线运动 其频率与主轴转速相同 幅值为2e 则刀尖的坐标值为 式中R 刀尖回转半径 主轴转角 显然 上式为一椭圆 它主要影响加工工件的圆度和圆柱度 11 主轴端面圆跳动对车削工件端面的影响 它主要影响工件的的端面形状和轴向尺寸精度 12 主轴角度摆动对镗孔的影响 角度摆动是指瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度作公转 它对工件的形状精度影响很大 如车外圆时 会产生锥度 13 7 影响主轴回转精度的主要因素 滑动轴承 车床类机床 图1 切削力的方向大体不变 主轴经以不同部件与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径的圆度 轴承对于回转误差的影响 14 滚动轴承 内外滚道圆度误差 滚动体形状及尺寸误差 静压轴承 对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用 推力轴承 滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差 镗床类机床 图2 切削力随主轴回转而回转 主轴径总是以固定部位与轴承孔内表面的不同部位接触 因此轴承孔的圆度对主轴回转精度影响最大 15 16 与轴承配合的零件误差的影响 轴承间隙的影响 轴承间隙对回转精度也有影响 如轴承间隙过大 会使主轴工作时油膜厚度增大 油膜承载能力降低 当工作条件 载荷 转速等 变化时 油楔厚度变化较大 主轴轴线漂移量增大 由于轴承内 外圈或轴瓦很薄 受力后容易变形 因此与之相配合的轴颈或箱体支承孔的圆度误差 会使轴承圈或轴瓦发生变形而产生圆度误差 与轴承圈端面配合的零件如轴肩 过渡套 袖承端盖 螺母等的有关端面 如果有平面度误差或与主轴回转轴线不垂直 会使轴承圈滚道倾斜 造成主轴回转轴线的径向 轴向漂移 箱体前后支承孔 主轴前后支承轴颈的同轴度会使轴承内外圈滚道相对倾斜 同样也会引起主轴回转轴线的漂移 17 8 提高主轴回转精度的措施 提高主轴部件的制造精度首先应提高轴承的回转精度 其次是提高箱体支承孔 主轴轴颈和与轴承相配合有关表而的加工精度 此外 还可在装配时先测出滚动轴承及主轴锥孔的径向圆跳动 然后调节径向圆跳动的方位 使误差相互补偿或抵消 以减少轴承误差对主轴回转精度的影响 对滚动轴承进行预紧 消除间隙对滚动轴承适当预紧以消除间隙 甚至产生微量过盈 由于轴承内外圈和滚动体弹性变形的相互制约 既增加了轴承刚度 又对轴承内外圈滚道和滚动体的误差起均化作用 因而可提高主轴的回转精度 18 使主轴回转误差不反映到工件上 误差转移 直接保证工件在加工过程中的回转精度而不依赖于主轴 是保证工件形状精度的最简单而又有效的方法 如采用两固定顶尖支承磨削外圆柱面 在镗床上加工箱体类零件孔 采用前后导向套的镗模 19 2 机床导轨导向误差 1 导轨导向精度及其对加工精度的影响导轨导向精度 机床导轨副的运动件实际运动方向和理想运动方向的符合程度 两者之间的偏差值称为导向误差 导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准 也是运动的基准 它的各项误差直接影响被加工工件的精度 包括 导轨在水平面内的直线度 导轨在垂直面内的直线度 导轨面间的平行度 扭曲 导轨与主轴回转轴线的平行度 或垂直度 20 2 导轨在水平面内的直线度 弯曲 对于车床和外圆磨床由于刀尖相对于工件回转轴线在加工表面径向方向的变化属敏感方向 故其对零件的形状精度影响很大 车床导轨在水平面内有弯曲后 纵向进给中刀具相对工件轴线不能平行 因而工件表面上形成形状误差 当导轨向后凸时 工件产生鼓形误差 当导轨向前凸时 工件产生鞍形误差 21 3 导轨在垂直面内的直线度 弯曲 垂直面内直线度误差对车床的影响较小 可以忽略不计 但对于龙门刨床 龙门铣床及导轨磨床来说 导轨在垂直面内的直线度误差将直接反映到工件上 22 4 导轨面间的平行度 刀架与工件相对位置偏斜 锥度或马鞍形 23 3 机床传动链误差 1 传动链的传动误差是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差 例 用滚齿机加工直齿轮时 要求滚刀和工件之间具有严格的运动关系 即 滚刀转一转 工件转过一个齿 这种运动关系是由刀具与工件的传动链来保证的 当传动链中各传动元件如齿轮 蜗轮 蜗杆 丝杆 螺母等有制造误差 装配误差和磨损时 就会破坏正确的运动关系 是被加工工件产生误差 24 缩短传动链长度提高末端元件的制造精度与安装精度传动比小 尤其是传动链末端传动副的传动比小 因此采用降速传动保证传动精度的重要原则采用校正装置对传动误差进行补偿采用频谱分析方法 找出影响传动精度的误差环节 2 提高传动精度措施 25 三 工艺系统受力变形 由于切削力等引起的工艺系统产生的弹性变形 使刀具和工件在静态下调整好的相互位置 以及切削成形运动所需要的正确几何关系发生变化 从而造成加工误差 工艺系统抵抗弹性变形的能力越强 则加工精度越高 工艺系统抵抗弹性变形的能力 用刚度k来描述 26 1 工艺系统刚度 指工艺系统抵抗其变形的外力的能力 是指工件加工表面在切削力法向分力Fy的作用下 刀具相对工件在该方向位移y的比值 27 组成件的实体刚度 受力产生拉伸 压缩 弯曲变形 特别是薄弱件 楔条 轴套等 影响较大连接表面接触变形 其大小与接触面压强有关 结合面间隙零件表面摩擦力的影响施力方向的影响 测试时只模拟Fy 实际上加工过程中 Fx Fy Fz同时作用 影响机床部件刚度因素 28 刀架部件的楔铁 刚度很差 很容易发生变形 滚动轴承的外圈 壁薄 容易变形 29 部件中各零件的间隙 只要受到较小的力就会产生位移 严重影响部件的刚度 加工中若单向受力 加载后间隙消除 间隙对位移没有影响 但像镗床 铣床等 受力方向经常改变 则间隙将影响刀具相对于零件表面的准确位置 产生较大的加工误差 30 1 切削力作用点位置变化引起工件形状误差 2 工艺系统受力变形对加工精度的影响 31 工件刚度小 腰鼓形工件刚度大 马鞍形 32 2 误差复映规律 切削加工中 由于毛坯本身的误差 形状或位置 使切削深度不断变化 从而引起切削力的变化 促使工艺系统产生相应的变形 因而工件表面上保留了与毛坯表面类似的形状和位置误差 但加工后残留的误差比毛坯误差从数值上大大减少了 这一现象称为 误差复映 33 毛坯误差和加工误差的定量关系 如图 毛坯有圆度误差 g 复映到被加工表面的误差为 g加工时最大切削深度为ap1 最小切削深度为ap2 设工件材料的硬度是均匀的 则在ap1处 切削力Fy1最大 相应的变形y1也最大 在ap2处 切削力Fy2最小 相应的变形y2也最小 34 当车削加工时 xFy 1 则 35 机械加工中 误差复映系数通常小于1 误差复映程度可用误差复映系数来表示 误差复映系数与系统刚度成反比 由上式可得 误差复映系数 表示加工误差与毛坯误差的比例关系 并定量的反映了毛坯误差经加工所减少的程度 36 减少误差复映的方法 K越大 复映系数越小进给量f减少时 可以减小C 则减小增加走刀次数减小毛坯误差值 多次走刀总的的误差复映系数 当加工分几次走刀时 每次的误差复映系数为 37 由于则 多次走刀可以提高加工精度 38 3 夹紧力 重力 传动力和惯性力引起的加工误差 夹紧力影响 例1 薄壁套夹紧变形解决 加开口套 39 例 龙门铣横梁 重力影响 解决 变形补偿 40 41 传动力与惯性力影响 理论上不会产生圆度误差 但会产生圆柱度误差 周期性的力易会引起强迫振动 42 合理的结构设计 设计工艺装备时 尽量减少连接面数目 注意刚度的匹配 防止局部低刚度环节出现 设计基础件 支承件时 合理设计零部件结构和截面形状 提高接触刚度提高机床部件中零件接合表面的接触质量给机床部件预加载荷提高工件定位基准的精度和降低表面粗糙度值 采用辅助支承 中心架 跟刀架 镗杆支承等 4 减少工艺系统受力变形的措施 43 采用合理装夹和加工方式 44 热变形 机械加工过程中 工艺系统会受到各种热的影响而产生温度变形 称为热变形 这种变形将破坏刀具与工件的正确几何关系和运动关系 造成工件的误差 四 工艺系统热变形 对加工精度的影响精密加工和大件加工中 热变形的加工误差占工件总加工误差的40 70 影响加工效率 为减少热变形 需要预热机床 降低切削用量 增加工序 粗 精分开 高精 高效 自动化加工时的热变形问题更加严重 45 1 工艺系统热源 切削热 切削时所作的功几乎全部转变成热 其热量以传导的形式传递 对刀具和工件影响较大 摩擦热 机械零件的摩擦轴承 导轨的摩擦而产生的热 液压传功 电气传功等 都是热源 对机床影响较大 以传导形式传递 其它热 指工艺系统外部的 以对系统传热为主的环境温度和各种辐射热 46 各种热对加工精度的影响切削热 车削时 切屑带走热量可达50 80 传给工件约30 传给刀具约5 铣削 刨削加工 传给工件30 钻削和卧镗 切屑留在孔中 传给工件大于50 磨削时 切屑带走热量4 传导工件84 工件表面温度高 47 摩擦热 使工艺系统局部发热 引起局部温升和变形 破坏系统原有的几何精度 外部热源 大型工件昼夜加工 由于温差引起工艺系统的热变形不一样 照明光 散热器 日光等也会引起机床的局部温度和变形 48 2 机床热变形引起的加工误差 车 铣 钻 镗类机床 主轴箱中的齿轮 轴承磨擦发热 润滑油发热是主要热源 使主轴箱及与之相连部分如床身或立柱的温度升高而产生较的变形 49 龙门刨床 导轨磨床等机床床身热变形是影响加工精度的主要因素 因其床身较长 导轨稍有温差 就会产生较大的弯曲变形 床身上下表面产生温差的原因 不仅是由于工作台运动时导轨摩擦发热所知 环境温度的影响也很大 50 各种磨床热源 液压传动系统和高速回转磨头 并且使用大量的切削液都是磨床的主要热源 变形 砂轮主轴轴承发热 使主轴轴线升高并使砂轮架向工件方向趋近 由于主轴前后轴承温升不同 主轴侧母线还会出现倾斜 液压系统发热使床身各处温升不同 导致床身趋于前倾 举例 平面磨床 热变形受油池安放位置及导轨摩擦发热的影响 利用床身做油池 则床身下部温度高于上部 导轨产生中凹变形 油池移出后 导轨面的摩擦热使导轨上部温度高于下部 导轨产生中凸变形 51 立式平面磨床 主轴承和主电机的发热传到立柱 使立柱内侧温度高于外侧 因而引起立柱的弯曲变形 52 1 热源 切削热 由于刀体小 热重复小 虽然传入刀具热量并不多 但仍会有很高的温升 2 变形规律 1 连接切削曲线12 间断切削曲线23 冷却后的曲线3 3 刀具热变形 53 4 减少工艺系统热变形的主要途径 1 减少发热和隔热 2 强制冷却散热 3 控制温度变化 4 采用合理的结构设计 54 1 内应力 定义 外部作用力去除后工件内存留的应力特点 具有内应力的零件处于一种不稳定状态 它内部的组织有强烈的倾向要恢复到一个稳定的没有应力的状态 即使在常温下 零件也会不断的缓慢地进行这种变化 直到残余应力安全松弛为主 在这一过程中 零件将会翘曲变形 原有的加工精度会逐渐丧失 五 残余应力引起的变形 55 1 毛坯制造和热处理产生的残余应力 原因 在铸 锻 焊 热处理等加工过程中 由于各部分冷热收缩不均匀 以及金相组织的体积变化 使毛坯内部产生相当大的残余应力 例1 下图表示一个内外壁厚相差较大的铸件 浇注后 冷却过程如下 壁A C较薄 散热容易 冷却快 壁B冷却慢 当A C从塑性状态冷却到弹性状态时 B还处于塑性状态 这时A C收缩时B不起阻挡变形的作用 铸件内部不会产生内应力 1 产生残余应力的原因 56 当B冷却到弹性状态时 A C的温度已经降低很多 收缩速度很慢 但B收缩快 所以收到A C的阻碍 壁B受拉应力 A C受压应力 以保持平衡 在C上开一小口 C上压应力消失 在A B内应力作用力 内应力重新分布 达到平衡 工件翘曲 57 例2 机床床身铸件 为提高导轨面的耐磨性 采用局部激冷的工艺使他冷却更快一些 这样可以获得高的硬度 但铸件内应力更大 导轨表面经粗加工刨去一层 引起内应力重新分布 产生弯曲变形 新平衡过程需较长时间 导轨精加工后除去大部分变形 但内部还在变化 合格的导轨面丧失原有的精度 58 2 冷校直带来的残余应力 冷校直方法 在细长轴原有变形的相反方向上加力F 使工件向相反方向弯曲 产生塑性变形 达到校直的目的 细长轴弯曲原因 经轧制的