第五章 工件的机械加工质量.ppt

1 第五章工件的机械加工质量 本章要点 机械加工质量的基本概念 影响加工精度的因素 影响表面质量的因素 2 第一节机械加工质量的基本概念 第五章工件的机械加工质量 一 机械加工质量的概念工件的机械加工质量包括两个方面 加工精度及表面质量 3 机械加工精度及加工误差工件加工后各表面的实际几何参数 尺寸 形状及相互位置 与理想值的符合程度称为加工精度 与理想值的偏离程度称为加工误差 加工精度和加工误差是从相反两个方面来描述工件的几何参数的 加工精度高 则加工误差小 反正 加工误差大 则加工精度低 加工精度及加工误差的内容包括尺寸精度 或误差 形状精度 或误差 位置精度 或误差 机械加工表面质量表面几何学特征 指表面微观几何形状 包括表面粗糙度及波度 表面层材质的变化 指在表面层出现的与基体材料组织不同的变质情况 包括冷作硬化 金相组织变化 残余应力 第五章工件的机械加工质量 4 二 获得加工精度的方法及经济加工精度获得尺寸精度的方法试切法 刀具相对工件的位置是通过试切 测量 调整 再试切反复进行而得到 该方法的特点是生产力低 精度取决于工人的水平 因此 适用于单件小批量生产 调整法 工件加工前先调整好刀具与工件在机床上的相对位置 并在加工过程中保持该位置不变 该方法的特点是生产力高 尺寸稳定性好 适用于大批量生产 第五章工件的机械加工质量 5 定尺寸刀具法 利用刀具的尺寸来保证工件尺寸 如孔加工 槽加工等 其特点是工件尺寸精度取决于刀具尺寸精度 自动控制法 利用测量装置 进给装置和控制系统 使工件在加工过程中自动测量 进给 补偿 从而到达要求的尺寸 该方法的特点是加工精度高 生产力高 适用于在自动化机床上加工 获得形状精度的方法轨迹法 利用切削运动刀具刀尖的运动轨迹以形成工件被加工表面形状 成形法 利用成形刀具切削刃的几何形状切削出工件的形状 第五章工件的机械加工质量 6 展成法 利用刀具和工件作展成运动时 切削刃在被加工表面上形成的包络面形成工件加工表面 相切法 利用旋转刀具 如铣刀 切削时 切削刃运动轨迹的包络线形成工件被加工表面 第五章工件的机械加工质量 7 获得位置精度的方法工件加工时获得位置精度主要取决于工件的装夹方法 主要有找正装夹法和专用夹具装夹法 经济精度及经济表面粗糙度指某种加工方法在正常的生产条件下 采用符合质量标准的设备 工艺装备和标准技术等级工人 不延长加工时间 所能达到的加工精度 也包括经济表面粗糙度 可参阅有关手册 不应将其理解为某个确定值 而应理解为一个精度范围 各种经济加工精度不是一成不变的 随着加工技术水平的提高 也随着提高 有关手册 文献所查阅的精度和表面粗糙度是指的经济精度和经济表面粗糙度 第五章工件的机械加工质量 8 一 影响加工精度的原始误差及分类机械加工工艺系统机械加工过程中 由机床 工件 夹具和刀具所组成的封闭系统称为机械加工工艺系统 第五章工件的机械加工质量 第二节影响加工精度的因素 9 工艺系统原始误差 引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差 将工艺系统的误差称为原始误差 原始误差构成 原始误差的分类 第五章工件的机械加工质量 10 二 加工原理误差加工原理误差是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 例如在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件 见图 式中R 球头刀半径 h 允许的残留高度 用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮 用公制丝杆车蜗杆或英制螺纹 采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓 常常可以简化机床结构或刀具形状 或可提高生产率 有时还可得到较高加工精度 故在生产中广泛采用 其前提是原理误差不超过规定精度要求 通常原理误差不超过10 15 工件公差 第五章工件的机械加工质量 11 三 机床几何误差及其对加工精度的影响机床几何误差表现为机床导轨误差 主轴回转误差等 产生的原因是机床本身的制造误差 安装误差及磨损 第五章工件的机械加工质量 机床导轨误差车床导轨在水平面内有直线度误差 x 12 车床导轨在垂直面内有直线度误差 y 第五章工件的机械加工质量 刀尖相对于工件回转轴线在加工表面的切线方向 加工误差非敏感方向 产生位移 位移量等于导轨的直线度误差 刀尖在水平面内的运动轨迹也不是一条直线 造成工件的轴向形状误差 圆柱度误差 13 车床前后导轨扭曲 n 第五章工件的机械加工质量 工作台在运动过程中产生摆动 刀尖运动轨迹为一条空间曲线 产生加工误差 圆柱度误差 例 车床H B 2 3 n影响很大 14 车床纵向导轨与主轴在水平面内有平行度误差 第五章工件的机械加工质量 圆锥形 工件产生圆柱度误差 例 车床导轨与主轴平行度误差 Hx L tan 则 工件直径误差 d 2Hx 2L tan 15 车床纵向导轨与主轴在垂直面内有平行度误差 第五章工件的机械加工质量 鞍形 轴剖面内为双曲线 例 车床导轨与主轴平行度误差 Hy L tan 则 工件直径差 16 车床横向导轨与主轴轴线有垂直度误差 第五章工件的机械加工质量 n f 例 横向导轨与主轴夹角 则 平面度误差 d 2 tan 17 机床主轴回转误差纯轴向窜动纯径向移动纯角度摆动 第五章工件的机械加工质量 18 四 刀具制造误差与磨损定尺寸刀具 钻头 绞刀 键槽铣刀 浮动镗刀块 拉刀等 尺寸 形状误差及磨损直接影响工件的尺寸精度和形状精度 成形刀具和展成刀具形状误差及磨损直接影响工件的形状精度 普通刀具 普通车刀 刨刀 面铣刀 单刃镗刀等 它们的制造误差与加工精度没有直接的关系 但其磨损对工件的尺寸和形状精度有很大的影响 第五章工件的机械加工质量 车刀后刀面磨损对加工尺寸影响 刀具磨损过程 19 第五章工件的机械加工质量 五 夹具制造误差与磨损 定位误差 刀具导向 对刀 误差 夹紧误差 夹具安装误差 1 通常要求定位误差不大于工件相应工序尺寸公差的1 3 2 对刀误差和夹具安装误差之和不大于工件相应工序尺寸公差的1 3 20 六 工艺系统受力 受热变形引起的误差 第五章工件的机械加工质量 工艺系统刚度 工艺系统受力变形引起加工误差 定义 工艺系统刚度是指工艺系统在切削力Ff Fp Fc的综合作用下 加工表面法向方向上的切削分力Fp与刀具在此该方向上的相对位移y的比值 即 式中Js 工艺系统刚度 Fp 吃刀抗力 切削力法向分力 y 工艺系统位移 切削合力作用下的位移 21 式中Js 工艺系统刚度 Jjc 机床刚度 Jjj 夹具刚度 Jdj 刀架刚度 Jg 工件刚度 工艺系统受力变形等于工艺系统各组成部分受力变形之迭加 由此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系 计算公式 工艺系统刚度计算说明 工件 刀架形状简单时 其刚度可用材料力学公式计算 对机床部件 夹具等 其刚度多采用实验方法确定 上式中计算时可适当部分简化 忽略变形小的部分 第五章工件的机械加工质量 22 机床各部件的刚度可通过试验确定 根据工件加工条件可计算出机床的刚度 以车床车削短粗光轴时为例 机床的刚度及其对加工精度的影响 第五章工件的机械加工质量 结论 1 机床的刚度不是一个定值 而是车刀位置的函数 因此 由于工艺系统弹性变形的影响 工件沿轴向的直径将不是一致的 2 可分别求出各特殊位置机床的刚度 如式3 5 3 6 3 7和3 8 其中 一般以刀具位于工件中点处的刚度代表机床的刚度 即 23 工件的刚度及其对加工精度的影响在有的加工条件下 相比工艺系统其它组成部分而言 工件的变形是主要的 此时工件的刚度是影响工件加工精度的主要原因 工件具体的变形情况与其装夹方式有关 工件在车床上用两顶尖装夹 工件在车床上用卡盘装夹 第五章工件的机械加工质量 两顶尖装夹 卡盘装夹 24 薄壁工件在卡盘上装夹薄板工件在工作台上用电磁力装夹 第五章工件的机械加工质量 薄壁工件磨削 25 刀具刚度及其对加工精度的影响在卧式镗床上镗孔时 刀具的刚度对工件加工精度的影响是主要因素 刀具的刚度包括主轴刚度和刀杆刚度 镗床主轴的刚度在各方向是不相等的 当主轴悬伸长度愈大 则刚度愈低 且不同方向的刚度差值愈小 由于镗孔时切削方向是变化的 因此将产生圆度误差 镗孔方式有两种 1 工作台不动 镗杆进给 孔横截面不圆外 轴向截面直径也不一致 2 工作台进给 镗杆悬伸长度不变 孔横向截面不圆 但轴向截面的直径一致 第五章工件的机械加工质量 不同镗孔方式 26 误差复映规律 第五章工件的机械加工质量 以椭圆截面车削为例说明 27 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 由前面公式可得 机械加工中 误差复映系数通常小于1 可通过多次走刀 消除误差复映的影响 以上分析可知 工件毛坯有形状误差或相互位置误差时 加工后会有同类加工误差出现 在成批生产中用调整法加工一批工件时 如毛坯直径大小不一或硬度不均匀 同样会有类似情况发生 第五章工件的机械加工质量 28 提高工艺系统刚度的主要措施提高机床和夹具的刚度合理设计零部件结构和截面形状 尽量减少部件组成的零件数量 以减少总的接触变形 装配时采用预紧措施 第五章工件的机械加工质量 封闭整体箱形结构 29 提高工件加工时的刚度 第五章工件的机械加工质量 专用卡爪 开口过渡环 采用专用卡爪或开口过渡环 使得夹紧力均匀 减小夹紧变形 30 提高刀具加工时的刚度 第五章工件的机械加工质量 孔加工刀具 钻头 铰刀 镗刀 在使用中 通过增设附加支承 钻套 镗套 来提高刀具刚度 31 工艺系统热变形及其对加工精度的影响工艺系统热源 第五章工件的机械加工质量 机床热变形引起的加工误差 特点 体积大 热容量大 温升不高 达到热平衡时间长 结构复杂 温度场和变形不均匀 对加工精度影响显著 机床热变形举例 32 第五章工件的机械加工质量 a 车床受热变形形态 b 温升与变形曲线 a 铣床受热变形形态 c 导轨磨床受热变形形态 33 圆柱类工件热变形 工件均匀受热 5级丝杠累积误差全长 5 m 可见热变形的严重性 式中 L D 长度和直径热变形量 L D 工件原有长度和直径 工件材料线膨胀系数 t 温升 长度 直径 例 长400mm丝杠 加工过程温升1 热伸长量为 工件热变形引起的加工误差 第五章工件的机械加工质量 34 式中 X 变形挠度 L S 工件原有长度和厚度 工件材料线膨胀系数 t 温升 板类工件单面加工时的热变形 工件不均匀受热 此值已大于精密导轨平面度要求 结果 加工时上表面升温 工件向上拱起 磨削时将中凸部分磨平 冷却后工件下凹 例 高600mm 长2000mm的床身 若上表面温升为3 则变形量为 第五章工件的机械加工质量 35 刀具热变形对加工精度影响 体积小 热容量小 达到热平衡时间较短 10 20min 温升高 变形不容忽视 达0 03 0 05mm 刀具热变形特点 变形曲线 式中 热伸长量 max 达到热平衡热伸长量 切削时间 c 时间常数 热伸长量为热平衡热伸长量约63 的时间 常取3 4分钟 第五章工件的机械加工质量 36 减小和控制工艺系统热变形的主要途径 1 从工艺方面合理安排工艺过程 粗 精加工分开 加工前空转机床 保持工艺系统的热平衡 控制环境温度 精密加工应在恒温室进行 施加切削液 2 从机床结构方面采用热对称结构 合理选择装配基准 第五章工件的机械加工质量 加工中心热对称结构立柱 37 3 采取热补偿措施 第五章工件的机械加工质量 38 工件内应力引起的误差概念 工件内应力是工件外部载荷去除后仍残存在工件内部的应力称为内应力 内应力产生的原因毛坯制造和热处理产生的残余应力 冷校直带来的残余应力 切削加工带来的残余应力 内应力的特点内应力是由于材料内部宏观或微观的组织发生不均匀的体积变化而造成 内应力往往处于一种不稳定的平衡状态 在外部因素作用下 内应力重新分配 工件变形 破坏原有的加工精度 第五章工件的机械加工质量 39 第五章工件的机械加工质量 举例 铸件残余应力形成过程 减小残余应力的措施合理设计零件结构 合理安排工艺过程 粗 精加工分开 设立消除内应力专门工序 40 七 总加工误差合成 系统误差 在顺序加工一批工件中 其大小和方向均不改变 或按一定规律变化的加工误差 1 常值系统误差 其大小和方向在一批次加工中均不改变 如加工原理误差 机床 夹具 刀具的制造误差 工艺系统在均匀切削力作用下的受力变形 调整误差 2 变值系统误差 误差大小和方向按一定规律变化 如机床 夹具 刀具在热平衡前的热变形 刀具磨损等因素引起的加工误差 加工误差统计分类 第五章工件的机械加工质量 随机误差 在顺序加工一批工件中 其大小和方向不规律变化的加工误差 注意 随机误差从单个工件看其变化无规律 但从整批工件看符合统计规律 即正态分布 41 第五章工件的机械加工质量 加工误差统计分析方法分布曲线法 将数理统计中分析随机误差的正态分布曲线法用于机械加工误差的分析 1 该方法是通过测量一批加工后的零件的实际尺寸 作出尺寸分布曲线 一般情况下 实际分布曲线符合正态分布 然后根据实际分布曲线相对尺寸公差带的位置和形状分析和计算加工误差的性质和大小 2 对于正态分布曲线 有两个特征参数 所测尺寸的算术平均值和随机变量的均方根偏差 42 第五章工件的机械加工质量 a 0 5 1 2 b 对正态分布曲线的影响 算术平均值决定曲线的位置 标准差决定曲线的形状 结论 43 第五章工件的机械加工质量 应用分布曲线法统计误差分析方法 44 第五章工件的机械加工质量 曲线分布在 范围内的面积 即概率 为1 而分布在z x 范围内的面积 即概率A 可查表3 1 45 在一批零件的加工过程中 依次测量每个零件的加工尺寸 并按顺序记入以零件号为横坐标 零件尺寸为纵坐标的图标中 第五章工件的机械加工质量 分析 上图为在车床上采用调整法加工一批零件轴颈获得的点图 由于加工中刀具磨损比较显著 造成工件直径尺寸增大 出现近似平顶分布 常值系统误差为 s 变值系统误差的变化斜率为tan 随机误差的分布范围为6 点图法 根据实测尺寸 画点图进行分析 46 加工误差合成 第五章工件的机械加工质量 解 1 作尺寸实际分布图和尺寸公差带图 47 查表3 1 有 A 0 9542A 2 0 9542 2 0 4771不合格品率 Q 0 5 0 4771 2 29 合格品率 P 1 2 29 97 71 3 计算合格品率及废品率 第五章工件的机械加工质量 2 分析误差性质及计算误差大小 4 改进措施 提高工序能力 如改换高精度机床 重新调整机床 使公差带中心与分布中心尽可能接近 48 第五章工件的机械加工质量 第三节影响表面质量的因素 一 影响表面粗糙度的因素 刀具结构参数的影响 影响因素 刀尖圆弧半径r 主偏角 r 副偏角 r 进给量f 49 第五章工件的机械加工质量 结论 f减小 r r 减小 r 增大 表面粗糙度值减小 物理因素 积屑瘤 鳞刺 的影响 工件材料因素 积屑瘤的成形与工件材料的塑性和强度 硬度有关 工件材料塑性大 容易形成积屑瘤 工件材料强度 硬度大 积屑瘤高度降低 但当v 2 33m s时 各种材料的强度 硬度的影响差别不大 因此 加工低碳钢时 可先进行正火或回火处理 以降低材料塑性 50 第五章工件的机械加工质量 切削速度影响 积屑瘤的成长与切削速度关系较大 一般在低速和高速切削时 不易形成积屑瘤 而在中速 v 10 50m min 范围内 易产生积屑瘤和鳞刺 表面粗糙度最差 51 第五章工件的机械加工质量 工艺系统振动的影响工艺系统振动使刀具相对工件产生周期性的位移 在加工表面上形成波纹似的痕迹 减小或消除工艺系统振动是降低表面粗糙度的有效措施 振动的种类 强迫振动与自激振动 减小或消除振动的措施 提高工艺系统的刚度 增大系统的阻尼 正确选择刀具和切削用量 采用消振装置 阻尼材料 零件上加阻尼材料 装在车床尾座上的摩擦式减振器 52 表面强化 加工硬化 概念 经切削加工过的表面 其硬度往往比基体硬度高出1 2倍 硬化层深度可达几十微米至几百微米 这种不经热处理造成的表面硬化现象称为加工硬化 影响因素 影响表面强化的因素主要是切削过程中金属发生的塑性变形的结果 塑性变形愈大 则表面强化就愈厉害 另一方面 由于切削热存在 又会产生表面弱化 一般在温度不高的情况下 表面强化占主导地位 第五章工件的机械加工质量 二 影响表面强化和表面残余应力的因素 53 残余应力概念 切削加工后 表面层体积发生变化 使表层产生膨胀或收缩 但受基体阻碍