工艺第4章印机制造工艺系统ppt课件.ppt

印机制造工艺系统 第四章 1 第四章机械加工精度 第一节概述加工精度的概念零件的机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数相符合的程度 获得加工精度的方法获得尺寸精度的机械加工方法试切法调整法定尺寸刀具法自动控制法 2 获得表面形状精度的加工方法轨迹法这种方法依靠刀尖的运动轨迹来获得所要求的几何形状表面 成形法这种方法用成形刀具加工 刀具切削刃在切削基面上投影的形状就是工件加工表面母线的形状 展成法这种方法加工时 刀具与工件应作具有确定速比关系的展成运动 被加工表面是刀刃在展成运动中所形成的包络面 刀刃必须是被加工面的共轭曲线 3 获得表面相互位置精度的加工方法一次安装获得法多次安装获得法直接安装法找正安装法夹具安装法 4 三 影响加工精度的主要因素工艺系统的概念在机械加工时 机床 夹具 刀具和工件就构成了一个完整的系统 称之为工艺系统 5 原始误差 工艺系统的几何误差包括机床 夹具 刀具的制造误差和磨损 机床 夹具和工件的调整和安装误差 加工方法的原理误差 工艺系统受力变形引起的加工误差切削力 传动力 惯性力 夹紧力 重力等使工艺系统发生弹性和塑性变形而引起的加工误差 工艺系统热变形引起的误差机床 刀具和工件热变形引起的误差 6 活塞销孔精镗工序中的原始误差 7 第二节工艺系统的几何误差一 原理误差近似的成形运动轨迹采用刃形近似的刀具近似的传动关系 8 二 机床误差主轴的回转精度 床身导轨在垂直和水平面内的直线度和平行度 主轴轴线对床身导轨的平行度 刀架各溜板移动时 对主轴轴线的平行度和垂直度 主轴到丝杠间的传动链精度 9 主轴回转误差国际生产工程学会 CIRP 统一文件中将回转轴线定义为 回转物体绕之而转动的线段 此线段和回转体固接并一起相对于另一条叫做轴线平均线的线段作轴向的径向的和倾角运动 轴线平均线的线段是固定在不回转的物体上 并处于回转轴线的平均位置上的线段 纯径向跳动纯轴向窜动纯角度摆动 10 主轴回转误差的测量方法将一根精密心棒插入主轴孔 如图在三处进行测量 11 主轴回转误差对加工精度的影响纯径向跳动误差镗削加工 12 车削加工 13 纯角度摆动误差镗削加工 14 纯轴向窜动误差 15 主轴回转误差产生的原因分析轴承精度主轴制造精度 16 轴承精度的影响 17 主轴制造精度的影响 18 导轨误差对机床导轨的精度要求1 在水平面的直线度2 在垂直面内的直线度3 前后导轨的平行度 扭曲 19 龙门刨床 20 传动链误差传动链中传动元件存在的制造误差 装配误差以及长期工作所产生的磨损都会引起传动误差 减少传动链误差对加工精度影响的措施减少传动链中的元件数目 缩短传动链以减少误差来源 提高传动件 特别是末端传动的制造精度和装配精度 采用误差校正机构来提高传动链精度 21 三 刀具与夹具误差刀具误差刀具对加工精度的影响 根据刀具的种类不同而不同1 用定尺寸刀具加工时 刀具的尺寸精度直接影响工件的尺寸精度 2 用成形刀具加工时 刀具的形状精度会直接影响工件的形状精度 3 用展成法加工时 刀具切削刃的几何形状及有关尺寸也会直接影响加工精度 4 对一般刀具来说 其制造精度对工件精度没有直接影响 22 刀具的磨损减少刀具磨损对加工精度影响的措施进行尺寸补偿 降低切削速度 增长刀具寿命 选用耐磨性较高的刀具材料 23 刀具精车时的初始磨损和单位磨损 24 夹具误差夹具误差主要来源于定位元件 引导元件 分度元件及夹具体等重要组成部分的制造和装配误差 夹具主要尺寸的制造公差必须小于工件的相关公差 25 偏心套磨削夹具 26 四 调整误差在机械加工的每一个工序中 总要进行这样或那样的调整工作 由于调整也会带来一些原始误差 即调整误差 试切法调整度量误差加工余量的影响微进给误差按定程机构调整按样件或样板调整 27 第三节工艺系统受力变形引起的加工误差一 工艺系统刚度工艺系统是由机床 夹具 工件组成的加工系统 由材料力学可知 任何一个物体在外力作用下总要产生变形 其变形量y的大小与外力P和物体本身的刚度K有关 一般以作用在物体上的外力P N 与由它所引起在作用力方向上的位移y mm 的比值表示 即 28 细长轴加工的受力变形 29 工艺系统静刚度和动刚度工艺系统静刚度垂直于待加工表面的切削分力Py与工件在Py方向的位移y 变形 之间的比值 工艺系统动刚度某频率下激振力P 与它所引起的相应的振动位移x的比值 30 二 工艺系统静刚度的测定和计算要测定和计算工艺系统的刚度 可以先求出各组成部分 机床 刀具 工件及夹具的刚度 再根据加载位置的具体情况进行总和 工艺系统静强度的测定 31 工艺系统静刚度的计算工艺系统在受力情况下的总变形是工艺系统各个组成部分变形的叠加 32 工件刚度式中 L 工件悬伸长度 mm E 材料弹性模量 N mm2 I 工件端面惯性矩 mm4 33 工件为棒料在顶尖间加工时 当刀尖在中间位置时 产生的变形量可以按简支梁来计算 34 对于机床 夹具和刀架来说 刚度计算很复杂 主要用实验方法测定 35 三 影响机床部件刚度的因素连接表面间的接触变形薄弱零件本身的变形 36 摩擦力的影响间隙的影响施力方向的影响 37 工艺系统刚度对加工精度的影响由于受力点位置的变化而引起工件的形状误差 38 1 在两顶尖间车外圆柱面 39 x L A B Py 短粗工件 40 刀架在切削力作用下的位移为 工艺系统的总位移为 工艺系统的刚度为 41 细长工件 x L A B Py 42 由于切削力大小变化而产生工件的尺寸和几何形状误差 切削分力公式 43 在材料硬度均匀 刀具几何形状 切削条件和进给一定的情况下 44 误差复映由上可看出 毛坯误差按一定比例对应地反映在工件上 这种现象称为毛坯误差的 复映规律 定量地反映了毛坯误差经加工所减小的程度 称之为 误差复映系数 复映系数 总是小于1 当加工过程分为几次走刀进行时 每次走刀的复映系数分别为 1 2 3 则总的复映系数 总 1 2 3 45 结论1 每一件毛坯的形状误差 不论是园度 圆柱度 同轴度 偏心 径向跳动等 平直度误差等都以一定的复映系数复映成工件的加工误差 这是由于切削余量不均匀而引起的 2 工艺系统刚度越高 复映系数越小 3 对大批量生产中 如果采用定尺寸调整法加工 一定要考虑误差复映的影响 46 四 其它作用力的变化对加工精度的影响1 传动力所引起的加工误差 47 2 由惯性力所引起的加工误差 48 3 由夹紧力所引起的加工误差 49 4 重力所引起的加工误差 50 五 减少工艺系统受力变形主要措施1 合理设计机床及夹具的零部件结构 2 提高机床部件或夹具部件的接触刚度 a 减小表面粗糙度及平面度 直线度等形状误差 以增加表面的实际接触面积 b 合理选用两接触面的材料 以及采用表面强化处理的方法提高接触表面的抗压强度 c 施加预紧载荷 使接触表面产生塑性变形 以增大接触面及并提高抗压强度 51 3 采用合理的装夹和支承 提高工艺系统的刚度 a 合理地选择工件的支撑基面 b 适当地增加辅助支撑来提高工件的刚度 4 合理地使用机床 5 合理地安排加工工艺 52 各种截面形状惯性矩比较 53 结论1 空心截面的惯性矩比实心截面的惯性矩大 2 空心截面的外形尺寸越大 惯性矩越大 3 方形截面的抗弯刚度比园形截面好 但抗扭刚度则比园形截面小 4 长方形截面的抗弯强度比正方形截面的大 但抗扭刚度则比正方形截面的小 54 隔板布置对封闭箱形截面刚度的影响 55 A图中调整主轴上的两园螺母 通过后段轴承内环及长套使前端轴承受预紧负荷 B图中拉杆拉紧 锥面可得到预紧载荷 56 图a安装方式 工件受切削力容易产生倾斜变形 图b的安装方式 工件被加工表面靠近支撑面 支撑刚度好 57 图a为车销细长轴用中心架 图b为用跟刀架 图c为用三爪卡盘夹持工件 另加尾顶尖 58 习题练习 1 如图所示的工件 成批生产时用端面B定位加工表面A 以保证尺寸 试标注铣此缺口时的工序尺寸及公差 59 2 某轴套的部分工艺过程为 粗磨内孔到然后渗碳 最后精磨内孔至 单边渗碳层深度要求为 试计算渗碳工序的渗碳深度 3 什么是加工总余量及工序余量 影响工序余量的主要因素有哪些 60 第四节工艺系统热变形引起的加工精度 一 工艺系统的热源 61 二 机床热变形引起的加工误差车床的热源主要来自机床主轴箱中的齿轮 轴承 电机的发热 62 车床的热变形 63 外园磨床的热变形外园磨床的主要热源为砂轮主轴承的发热和液压系统的发热 从而导致砂轮架的位移和导轨的变形 64 大型机床的热变形对于大型机床 如导轨磨床 龙门铣床 立式车床等 除内部热源引起变形之外 环境温度变化也是一个必须重视的因素 65 三 工件热变形引起的加工误差工件均匀受热式中 工件材料的膨胀系数 L 工件在热变形方向的尺寸 t 工件温升 66 工件不均匀受热 67 四 刀具热变形引起的加工误差由于刀具的体积小和热容量小 所以很小的温升 也会引起刀具热变形 并因此造成加工误差 车刀伸长量 的计算公式为 式中 max 车刀达到热平衡时的伸长量 m t 切削时间 s tc 时间常数 s 根据试验tc 180 360 s 68 五 减少工艺系统热变形的主要措施减少热源的发热量设置隔热装置控制温升 均衡温度场设计零件时 注意结构上的对称及合理安排支承的位置控制环境温度保持热平衡 69 第五节工件的内应力所引起的加工误差 一 内应力的概念内应力是指在没有外力作用下或是当外部载荷除去后 仍残存在工件内部的应力 原因 内应力是由于金属内部相邻的宏观组织或相邻的微观组织 发生了不均匀的体积变化而产生的 70 二 内应力的产生1 毛坯制造产生的内应力 71 床身内应力的分布和加工后的变形 72 2 冷校直产生的内应力 73 3 工件切削产生的内应力 74 4 金相组织相变产生内应力由于金相组织的比容不同 马氏体大于屈氏体和奥氏体组织 淬火时 奥氏体转变为马氏体 体积要膨胀 若淬火不均匀 或采用表面淬火 淬过火的马氏体组织要膨胀 受到未淬火组织的限制 便产生压应力 回火时 马氏体转变为屈氏体 屈氏体部分要收缩 受到未转变的马氏体的阻止 欲收缩而不能 则产生残余拉应力 75 三 减少内应力引起变形的措施1 合理设计零件结构 2 合理安排工序 适当增加消除内应力的专门工序 a 高温时效b 低温时效c 振动时效d 自然时效3 采用热校直方法校直零件 76 在车床上加工一批光轴的外园 加工后经度量若整批工件发现有下列几何形状误差 锥形 b 鞍形 c 腰鼓形 d 喇叭形试分别说明可能产生上述误差的各种因素 77 在车床上用三爪卡盘定位夹紧精车加工一薄壁铜套的内孔 若车床的几何精度很高 试分析加工后内孔的尺寸 形状及其与外园同轴度产生误差的主要因素有哪些 78 锥形产生的原因分析 1 车床两顶尖与纵向导轨在水平面不平行 2 车刀的均匀磨损 79 鞍形产生的原因分析 1 车床两顶尖与纵向导轨在垂直面不平行 2 纵向导轨在水平面不直 鞍形 或纵向导轨扭曲 3 加工短而粗工件时 机床导轨沿床身纵向不一致 4 加工大长轴开始时 刀具热伸长为主使工件直径减小 刀具热平衡后 刀具磨损为主使工件直径逐渐增大 80 腰鼓形产生的原因分析 1 加工细长轴时 工件弹性变形引起的 2 纵向导轨在水平面不直 腰鼓形 81 喇叭形产生的原因分析 1 悬臂加工 工件弹性变形引起的 2 车刀的热伸长引起的 3 纵向导轨在水平面内不直 82 解 影响内孔尺寸精度的主要因素为 影响内孔形状精度的主要因素 影响内孔与外园同轴度误差的主要因素为 1 镗刀的调整误差 2 薄壁铜套加工时的热变形 3 镗刀的受力变形 1 工件的夹紧变形 2 加工前工件内孔原有形状误差 3 工件的受力变形 1 三爪卡盘的制造及安装误差 2 加工前内孔对外园的同轴度误差 83 第六节加工误差的综合分析一 原始误差的性质工艺系统的误差是 因 是根源 加工误差是 果 是表现 因此把工艺系统的误差称为原始误差 研究原始误差的物理 力学本质 掌握其基本规律 分析原始误差和加工误差之间的定性与定量关系 是保证和提高零件加工精度的必要的理论基础 原始误差可以分为系统性误差和随机性误差 84 系统性误差1 常值系统性误差原理误差 制造误差 调整误差以及工艺系统的静力变形 这些误差与加工的顺序和时间无关 2 变值系统性误差机床和刀具的热变形 刀具的磨损 这些误差都是随着加工顺序或加工时间而有规律地变化着的 85 随机性误差在顺序加工一批工件 若误差的大小和方向是无规律的变化 时大 时小 时正 时负 这些误差称为随机性误差 毛坯误差 余量大小不一 硬度不匀等 的复映 定位误差 基准面尺寸不一 间隙影响等 夹紧误差 夹紧力大小不一 多次调整的误差 内应力引起的变形误差 86 常值系统性误差的解决方法对于常值系统性误差 可以在查明其大小和方向后 通过相应的调整和检修工艺设备的方法来解决 有时可以人为地用一种常值误差去抵偿本来的常值误差 87 变值系统性误差的解决方法对于变值系统性误差 可以在摸清其变化规律后 通过自动连续补偿 自动周期补偿等方法来解决 随机性误差的解决方法由于随机性误差没有明显的变化规律 很难完全消除 只能对其产生的根源采取适当的措施以缩小其影响 88 二 加工误差的统计分析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 从而提炼出规律性的东西 用以找出解决问题的途径 常用的统计分析方法有分布曲线法和点图法 89 分布曲线法尺寸分散 加工一批工件 由于随机性误差和变值系统性误差的存在 加工尺寸的实际数值是各不相同的 频数 同一尺寸间隔内的零件数量 频率 频数与该批零件总数之比 实际分布曲线图 以零件尺寸为横坐标 以频数 或频率 为纵坐标 将一批加工零件的相关数据按此坐标进行绘制的曲线图 90 例如 检查一批精镗后的活塞销孔直径 图纸规定的尺寸公差为mm 检查件数为100个 将测量所得的数据按尺寸大小分组 每组的尺寸间隔为0 002mm 然后填入表内 表中n是测量的工件数 m是每组的件数 91 绘出其实际分布曲线图 92 分析 1 分散范围小于公差带 即0 012 0 015表明本工序能满足加工精度要求 2 尺寸分散范围中心与公差带中心不重合 表明存在常值统计形误差为27 9979 27 9925 0 0054 将镗刀伸出量缩短0 0054 使尺寸分散范围中心与公差带中心重合 便解决了废品问题 93 正态分布曲线在研究加工误差问题时 我们常常应用数理统计学中一些 理想分布曲线 来近似地代替实际分布曲线 这样做有很大的方便和好处 其中应用最广的便是正态分布曲线 高斯曲线 94 分布曲线的应用1 通过分布曲线可以掌握某道工序随机性误差的分散范围 判断在一定生产条件下出现废品的可能性 2 能够判别出影响加工精度的误差性质 即可区分常值系统性误差和随机性误差 3 根据分布曲线可以提出改进措施 即可作适当的工艺系统调整 将不可修废品变为可修废品 95 非正态分布1 平顶2 不对称3 双峰 96 点图法点图法的要点是 按加工的先后顺序做出尺寸的变化图 以暴露整个加工过程中误差变化变化的全貌 具体方法是按工件的加工顺序定期测量工件的尺寸 以其序号为横坐标 以量得的尺寸为纵坐标 即可得到如图所示的点图 97 点图法的其它形式1 将一批零件按加工顺序每m个分为一组 以横坐标表示分作的顺序 以纵坐标表示零件实际尺寸 或误差值 绘制的点图 2 图 以分组序号为横坐标 以每组零件的平均尺寸为纵坐标 绘出点图 3 R图 以分组序号为横坐标 以每组的极差为纵坐标绘出的点图 98 点图法的作用1 工艺验证 工艺验证的目的是为了确定准备投产的工艺是否保证加工质量要求或对现行工艺进行定期 不定期的检查 查明工艺能力和工艺的稳定性 工艺能力是用工艺能力系数Cp来表示的 它是公差范围和实际的加工误差 分散范围 之比 即 99 根据工艺能力系数Cp的大小 可以将工艺分成五个等级 为特级 说明工艺能力过高 不一定经济 为一级 说明工艺能力足够 可以允许一定的波动 为二级 说明工艺能力勉强 必须密切注意 为三级 说明工艺能力不足 可能出少量不合格品 为四级 说明工艺能力不行 必须加以改进 一般情况下 工艺系统不能低于二级 100 工艺的稳定 从数理统计的原理来说 一个过程 工序 的质量参数的总体分布 其平均值和均方差在整个过程 工序 中若能保持不变 则工艺是稳定的 101 一般组数m取4或5 式中A和D的数值是根据数理统计的原理而定出的 在图上分别画上中心线和控制线 控制线就是用来判断工艺是否稳定的界限线 102 工艺稳定性的判断 1 正常波动点子形成随机波 没有特别的或明显的规划性或顺序性 并且多数点子在中心线附近 少数点子散落在控制线的附近 没有点子越出控制线 这时表示加工过程是稳定的 103 2 异常波动点子波动很大 或中心线上下两侧点子分布不均衡 或有点子越过控制线 这些都表示加工过程是不稳定的 必须注意和检查原因 典型的情况有 a 上升或下降倾向若干点子有连续上升或下降 一般是由缓慢作用的原因造成的 如工艺系统中元件的磨损和温度影响等 104 b 周期波动是一种时间间隔较短的倾向重复出现 一般说是由于时有时无的外来原因造成 如机床几个主轴头的交替使用 不同量具的使用或几个工夹具的交替使用等 105 c 越过控制线是由一个特大或特小数据造成 如机床 刀具的破损 测量上的错误及一些偶然事故的发生