工艺系统热变形对加工精度的影响ppt课件.ppt

专题4工艺系统热变形对加工精度的影响及误差统计分析 目录 一 概述二 工件热变形对加工精度的影响三 刀具热变形对加工精度的影响四 机床热变形对加工精度的影响五 减少工艺系统热变形对加工精度影响的措施六 误差统计分析附录 误差分析的MATLAB实现 一 概论 概念工艺系统的热源工艺系统的热平衡和温度场 1 概念 在机械加工过程中 工艺系统会受到各种热的影响而产生变形 一般称为热变形 这种变形将破坏刀具与工件的正确几何关系和运动关系 造成工件的加工误差 热变形对加工精度影响比较大 特别是在精密加工和大件加工中 热变形所引起的加工误差通常会占到工件加工总误差的40 70 一 概论 工艺系统热变形不仅影响加工精度 而且还影响加工效率 因为为减少受热变形对加工精度的影响 通常需要 预热机床以获得热平衡 或降低切削用量以减少切削热和摩擦热 或粗加工后停机以待热量散发后再进行精加工 或增加工序 使粗 精加工分开 等等 目前 无论在理论上还是在实践上都有许多问题尚待研究解决 一 概论 2 工艺系统的热源 热的传递方式热总是由高温处向低温处传递的 热的传递方式有三种 传导对流辐射 一 概论 一 概论 热传导 一 概论 热对流 一 概论 热辐射 引起工艺系统变形的热源可分为 内部热源主要指切削热和摩擦热 它们产生于工艺系统内部 其热量主要是以热传导的形式传递的 外部热源主要是指工艺系统外部的 以对流传热为主要形式的环境温度 它与气温变化 通风 空气对流和周围环境等有关 和各种辐射热 包括由阳光 照明 暖气设备等发出的辐射热 一 概论 内部热源 切削热 切削热是切削加工过程中最主要的热源对工件加工精度的影响最为直接在切削 磨削 过程中 消耗于切削层的弹 塑性变形能及刀具 工件和切屑之间摩擦的机械能 绝大部分都转变成了切削热 一 概论 影响切削热传导的因素 切削热Q J 的大小计算式中Pz 主切削力 N v 切削速度 m min t 切削时间 min 影响切削热传导的主要因素 工件 刀具 夹具 机床等的材料的导热性能 以及周围介质的情况 若工件材料热导率大 则由切屑和工件传导的切削热较多 若刀具材料热导率大 则从刀具传出的切削热也会较多 各类切削加工方法热传导情况 车削 切屑所带走的热量最多 可达50 80 切削速度越高 切屑带走热量占总切削热百分比就越大 传给工件热量次之 约30 传给刀具的热量很少 一般不超过5 铣 刨削加工 传给工件热量在总切削热的30 以下钻削和卧式镗孔 大量的切屑滞留在孔中 传给工件的热量就比车削时要高磨削时磨屑小 带走的热量也少 约为4 大部分热量 84 左右 传入工件 使磨削表面的温度高达800 1000 左右 磨削热既影响工件的加工精度 又影响工件的表面质量 内部热源 摩擦热 工艺系统中的摩擦热 主要是机床和液压系统中运动部件产生的 如电动机 轴承 齿轮 丝杠副 导轨副 离合器 液压泵 阀等各运动部分产生的摩擦热 摩擦热比切削热少 但摩擦热在工艺系统中是局部发热 引起局部温升和变形 破坏了系统原有的几何精度 对加工精度也会带来严重影响 一 概论 外部热源 如 需要昼夜连续加工时 昼夜温度不同 引起工艺系统的热变形就不一样 从而影响了加工精度照明灯光 加热器等对机床的热辐射 往往是局部的 日光对机床的照射不仅是局部的 而且不同时间的辐射热量和照射位置也不同 因而会引起机床各部分不同的温升和变形 这在大型 精密加工时尤其不能忽视 一 概论 3 工艺系统的热平衡和温度场 一 概论 工艺系统受各种热源的影响 其温度会逐渐升高 同时 它们也通过各种传热方式向周围散发热量 当单位时间内传入和散发的热量相等时 工艺系统达到了热平衡状态 而工艺系统的热变形也就达到某种程度的稳定 一 概论 物体中各点的温度分布称为温度场 T f x y z t 当物体未达热平衡时 各点温度不仅是坐标位置的函数 也是时间的函数 这种温度场称为不稳态温度场 物体达到热平衡后 各点温度将不再随时间而变化 只是其坐标位置的函数 这种温度场称为稳态温度场 不稳态温度场 一 概论 机床在开始工作的一段时间内 其温度场处于不稳定状态 其精度也是很不稳定的 工作一定时间后 温度才逐渐趋于稳定 其精度也比较稳定 因此 精密加工应在热平衡状态下进行 在生产中 必须注意 二 工件热变形对加工的影响 一 概述 二 工件比较均匀受热 三 工件不均匀受热 一 概述 在工艺系统热变形中 机床热变形最为复杂 工件 刀具的热变形相对来说要简单一些使工件产生热变形的热源 主要是切削热 对于精密零件 周围环境温度和局部受到日光等外部热源的辐射热也不容忽视 二 工件热变形对加工的影响 二 工件热变形对加工的影响 二 工件均匀受热 对于一些形状简单 对称的零件 如轴 套筒等 加工时 如车削 磨削 切削热能较均匀地传入工件 工件热变形量可按下式估算 L L t式中 工件材料的热膨胀系数 单位为1 L 工件在热变形方向的尺寸 单位为mm t 工件温升 单位为 均匀热变形对工件加工精度要求的影响 加工盘类和长度较短的销轴 套类零件时 由于走刀行程很短 可以忽略车削较长工件时 由于温升逐渐增加 工件直径随之逐渐胀大 因而车刀的背吃刀量将随走刀而逐渐增大 工件冷却收缩后外圆表面就会产生圆柱度误差当工件以两顶尖定位 工件受热伸长时 如果顶尖不能轴向位移 则工件受顶尖的压力将产生弯曲变形 对加工精度产生影响 宜采用弹性或液压尾顶尖 二 工件热变形对加工的影响 一般 工件热变形在精加工中影响比较严重 特别是长度长而精度要求很高的零件如 磨削丝杠 若丝杠长度为2m 每磨一次其温度相对于机床母丝杠就升高约3 则丝杠的伸长量为0 07mm 而6级丝杠的螺距累积误差在全长上不允许超过0 02mm 由此可见热变形的严重性 二 工件热变形对加工的影响 三 工件不均匀受热 二 工件热变形对加工的影响 在刨削 铣削 磨削加工平面时 工件单面受热 上下平面间产生温差 导致工件向上凸起 凸起部分被工具切去 加工完毕冷却后 加工表面就产生了中凹 造成了几何形状误差 减少受热引起的误差对加工精度的影响的措施 对于大型精密板类零件 工件单面受热引起的误差对加工精度的影响是很严重的 为了减少这一误差 通常采取的措施是 在切削时使用充分的切削液以减少切削表面的温升 也可采用误差补偿的方法 即在装夹工件时使工件上表面产生微凹的夹紧变形 以此来补偿切削时工件单面受热而拱起的误差 二 工件热变形对加工的影响 三 刀具热变形对加工精度的影响 刀具热变形主要是由切削热引起的 通常传入刀具的热量并不太多 但由于热量集中在切削部分 以及刀体小 热容量小 故仍会有很高的温升 例如车削时 高速钢车刀的工作表面温度可达700 800 而硬质合金刀刃可达1000 以上 一 概述 二 刀具不同切削状态下的变形 连续切削时 刀具的热变形在切削初始阶段增加很快 随后变得较缓慢 经过不长的时间后 约10 20min 便趋于热平衡状态 此后 热变形变化量就非常小 刀具总的热变形量可达0 03 0 05mm 三 刀具热变形对加工精度的影响 间断切削时 由于刀具有短暂的冷却时间 故其热变形曲线具有热胀冷缩双重特性 且总的变形量比连续切削时要小一些J最后趋于稳定在 范围内变动 当切削停止后 刀具温度立即下降 开始冷却较快 以后逐渐减慢 三 刀具热变形对加工精度的影响 加工大型零件 刀具热变形往往造成几何形状误差 如车长轴时 可能由于刀具热伸长而产生锥度 尾座处的直径比主轴箱附近的直径大 为了减小刀具的热变形 应合理选择切削用量和刀具几何参数 并给以充分冷却和润滑 以减少切削热 降低切削温度 三 刀具热变形对加工精度的影响 在生产中 应注意 四 机床热变形对加工精度的影响 1 概念机床在工作过程中 受到内外热源的影响 各部分的温度将逐渐升高 由于各部件的热源不同 分布不均匀 以及机床结构的复杂性 因此不仅各部件的温升不同 而且同一部件不同位置的温升也不相同 形成不均匀的温度场 使机床各部件之间的相互位置发生变化 破坏了机床原有的几何精度而造成加工误差 2 机床热态几何精度 机床空运转时 各运动部件产生的摩擦热基本不变 运转一段时间之后 各部件传入的热量和散失的热量基本相等 即达到热平衡状态 变形趋于稳定 机床达到热平衡状态时的几何精度称为热态几何精度 在机床达到热平衡状态之前 机床几何精度变化不定 对加工精度的影响也变化不定 因此 精密加工应在机床处于热平衡之后进行 四 机床热变形对加工精度的影响 不同机床类型的热变形对加工精度的影响也不相同 车 铣 钻 镗类机床 主轴箱中的齿轮 轴承摩擦发热 润滑油发热是其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大变形 例如车床主轴发热使主轴箱在垂直面内和水平面内发生偏移和倾斜 四 机床热变形对加工精度的影响 四 机床热变形对加工精度的影响 a 车床受热变形形态b 温升与热变形 四 机床热变形对加工精度的影响 四 机床热变形对加工精度的影响 立式铣床受热变形形态 四 机床热变形对加工精度的影响 外圆磨床受热变形形态 四 机床热变形对加工精度的影响 导轨磨床受热变形形态 对于不仅在水平方向上装有刀具 在垂直方向和其它方向上也都可能装有刀具的自动车床 转塔车床 其主轴热位移 无论在垂直方向还是在水平方向 都会造成较大的加工误差 因此在分析机床热变形对加工精度影响时 还应注意分析热位移方向与误差敏感方向的相对角位置关系 对于处在误差敏感方向的热变形 需要特别注意控制 四 机床热变形对加工精度的影响 龙门刨床 导轨磨床等大型机床 它们的床身较长 如导轨面与间稍有温差 就会产生较大的弯曲变形 故床身热变形是影响加工精度的主要因素 四 机床热变形对加工精度的影响 大型机床热变形 五 减少工艺系统热变形对加工精度影响的措施 一 减少热源的发热和隔离热源 二 均衡温度场 三 采用合理的机床部件结构及装配基准 四 加速达到热平衡状态 五 控制环境温度 立式平面磨床采用热空气加热温升较低的立柱后壁 以均衡立柱前后壁的温升 减小立柱的向后倾斜 图中热空气从电动机风扇排出 通过特设的软管引向立柱的后壁空间 采取这种措施后 磨削平面的平面度误差可降到未采取措施前的1 3 1 4 五 减少工艺系统热变形对加工精度影响的措施 三 采用合理的机床部件结构及装配基准 l 采用热对称结构在变速箱中 将轴 轴承 传动齿轮等对称布置 可使箱壁温升均匀 箱体变形减小 五 减少工艺系统热变形对加工精度影响的措施 加工中心机床 在热源影响下 单立柱结构会产生相当大的扭曲变形 而双立柱结构由于左右对称 仅产生垂直方向的热位移 很容易通过调整的方法予以补偿 五 减少工艺系统热变形对加工精度影响的措施 2 合理选择机床零部件的装配基准图3 52表示了车床主轴箱在床身上的两种不同定位方式 由于主轴部件是车床主轴箱的主要热源 故在图a中 主轴轴心线相对于装配基准H而言 主要在Z方向产生热位移 对加工精度影响较小 而在图b中 方向Y的受热变形直接影响刀具与工件的法向相对位置 故造成的加工误差较大 五 减少工艺系统热变形对加工精度影响的措施 四 加速达到热平衡状态 对于精密机床特别是大型机床 达到热平衡的时间较长 为了缩短这个时间 可以在加工前 使机床作高速空运转 或在机床的适当部位设置控制热源 人为地给机床加热 使机床较快地达到热平衡状态 然后进行加工 五 减少工艺系统热变形对加工精度影响的措施 五 控制环境温度 精密机床应安装在恒温车间 其恒温精度一般控制在士l 以内 精密级为土0 5 恒温室平均温度一般为20 冬季可取17 夏季取23 五 减少工艺系统热变形对加工精度影响的措施 实例分析 实例分析 六 加工误差的综合分析 一 加工误差的性质及分类 六 加工误差的综合分析 随机性误差 可采用统计分析法 缩小它们的变动范围 变值系统性误差 查明其大小和方向随时间变化的规律后 采用自动连续补偿或自动周期补偿的方法消除 常值系统性误差 查明其大小和方向后 通过调整消除 不同性质误差的解决途径 六 加工误差的综合分析 二 加工误差的统计分析法 加工误差的统计分析法指以生产现场观察 检测所得的结果为基础 运用数理统计的方法进行归纳 分析和判断 找出产生误差的原因 从而采取相应的措施 误差的统计分析常用2类方法 实际分布图 直方图 理论分布曲线 正态分布曲线 分布图分析法 点图分析法 六 加工误差的综合分析 分布图分析法 1 实际分布图 直方图 加工一批工件 由于各种误差的存在 加工尺寸的实际数值是各不相同的 这种现象称为尺寸分散 以工件尺寸为横坐标 以频数或频率为纵坐标 即可作出该工序工件加工尺寸的实际分布图 直方图 直方图 可以判断生产过程是否稳定 估计生产过程的加工质量及产生废品的可能性 六 加工误差的综合分析 图例 零件尺寸直方图 六 加工误差的综合分析 直方图的作法与步骤 1 收集数据 抽取一个样本 样本容量一般取100件左右 测量各零件的尺寸 并找出xmax和xmin 2 分组 组数过多 分布图会被频数的随即波动所歪曲 组数太少 分布特征将被掩盖 3 确定组距及分组组界 组距 h xmax xmin k 1 第一组上界值 s1 xmin h 2第一组下界值 x1 xmin h 2 4 统计频数分布 将各组的尺寸频数 频率和频率密度填入表中 5 绘制直方图 按表列数据以频率为纵坐标 组距为横坐标画出直方图 六 加工误差的综合分析 取在一次调整下加工出来的轴件200个 经测量 得到最大轴颈为 15 145mm 最小轴颈为 15 015mm 统计每组的工件数 结果如下表 画出实际分布曲线 工件频数分布表 六 加工误差的综合分析 六 加工误差的综合分析 2 理论分布图 正态分布曲线 在分析工件的加工误差时 通常用正态分布曲线代替实际分布曲线 可使问题的研究大大简化 大量实践经验表明 在用调整法加工时 当所取工件数量足够多 且无任何优势误差因素的影响 则所得一批工件尺寸的实际分布曲线便非常接近正态分布曲线 六 加工误差的综合分析 正态分布曲线方程式为 尺寸分布概率密度 工序的标准偏差 工件平均尺寸 分散中心 六 加工误差的综合分析 1 直线以x 左右对称 2 对 正负偏差相等 3 分布曲线与横坐标所围成的面积包括了全部零件数 l00 故其面积等于1 取正态分布曲线的分布范围为土3 占99 73 六 加工误差的综合分析 六 加工误差的综合分析 正态分布曲线的特征参数和 算术平均值 是确定曲线位置的参数 决定一批工件尺寸分散中心的坐标位置 改变时 整个曲线沿 轴平移 但曲线形状不变 值主要由常值系统误差确定 2 工序标准偏差 决定了分布曲线的形状和分散范围 值减小时曲线形状陡峭 尺寸分散的范围小 值增大时曲线形状平坦 尺寸分散的范围大 值主要由随机误差和变值系统误差决定 六 加工误差的综合分析 1 判断加工方法是否合适 工序能力系数 判断工艺能力能否满足加工精度要求 3 分布曲线法的应用 六 加工误差的综合分析 六 加工误差的综合分析 2 估算工序加工的合格率及废品率 令 则有 z 为图中阴影线部分的面积 对于不同z值的 z 可由表查出 z 标准正态分布 Q废品率 0 5 Z 六 加工误差的综合分析 六 加工误差的综合分析 六 加工误差的综合分析 计算简单 能及时提供主动控制信息 可用于稳定过程 也可用于不稳定过程 分布图分析法缺点 1 不能反应误差的变化趋势 很难把随机性误差与变值系统误差区分开来 2 不能及时提供工艺过程精度的信息 事后分析 点图分析法 六 加工误差的综合分析 点图分析法 六 加工误差的综合分析 1 个值点图 依次测量每件尺寸 记入以零件号为横坐标 以尺寸为纵坐标的图表中 能较清楚地揭示出加工过程中误差的性质及其变化趋势 瞬时尺寸分散中心 变值系统误差 六 加工误差的综合分析 2 均值 极差点图 采用顺序小样本 4 6 由小样本均值点图和极差点图组成 横坐标为小样本组序号 小样本组一般为20 30 反映了系统性误差 随机误差及其变化趋势 定期测小样本尺寸 计算均值和极差R 确定中心线和上下控制线 定期描点 六 加工误差的综合分析 图例 六 加工误差的综合分析 均值点图反映了质量指标分布中心 系统误差 的变化 极差点图反映了质量指标分布范围 随机误差 的变化 六 加工误差的综合分析 点子无明显规律性 生产过程稳定的标志 没有点子超出控制线 大部分点子在中线附近波动 小部分点子在控制线附近 六 加工误差的综合分析 79 表中数据为实测尺寸与基本尺寸之差 单位um 实例分析1 80 参考答案 81 3 整理频数分布表 参考答案 82 4 根据数据画直方图 参考答案 83 参考答案 84 参考答案 实例分析2 86 参考答案 87 88 参考答案 一 加工误差的性质及分类 二 加工误差的统计分析法 1 分布图分析法 2 点图分析法 小结 六 加工误差的综合分析 一 随机变量与分布 附录 加工误差分析的MATLAB实现 我们利用MATLAB中的函数来计算正态分布的分布函数 概率密度函数值 做出密度函数曲线 分位数 在MATLAB中计算上述分布函数的命令为 P NORMCDF x mu sigma DefaultvaluesforMUandSIGMAare0and1respectively 例1已知试求 解 normcdf 3 2 0 5 0 9772 normcdf 2 2 0 5 normcdf 1 2 0 5 0 4772 1 计算分布函数与概率密度函数值 2 做出密度函数曲线 求分位数 已知X的均值和标准差及概率p P X x 求x的命令为 X NORMINV P MU SIGMA 例2 X N 1 0 04 p X x 0 6827求x 解 x norminv 0 6827 1 0 2 1 0951 NORMSPEC a b MU SIGMA 用于做出随机变量在区间 a b 上的正态密度曲线 例3 若X N 2 4 作出X在 1 3 上的曲线 解 normspec 1 3 2 2 图形如右图所示 图7 1 二 数据特征 设是取自总体X的一个简单随机样本 在n次抽样以后得到样本的一组观测值我们通过对数据的分析研究可以得到总体X的有关信息 在MATLAB中有专门的函数分析数据特征 如下表所示 例4 已知数据 4593626245425095844337488155056124524349826407425657065936809266531644877346084281153593844527552513781474388824538862659775859755649697515628954771609402960885610292837473677358638699634555570844166061062484120447654564339280246687539790581621724531512577496468499544645764558378765666763217715310851计算该数据特征 解 a 45936262454250958443374881550561245243498264074256570659368092665316448773460842811535938445275525137814743888245388626597758597556496975156289547716094029608856102928374736773586386996345555708441660610624841204476545643392802466875397905816217245315125774964684995446457645583787656667632177153