第五章-机械加工质量分析与控制.ppt

1 第5章机械加工质量分析与控制 本章要点 影响加工误差的因素 影响机械加工表面质量的因素 工艺系统几何误差 工艺系统受力变形 工艺系统热变形 加工误差的统计分析 2 机械制造技术基础 5 1概述Introduction 第5章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 3 5 1 1机械加工误差与机械加工精度 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 加工精度 加工误差 零件加工后实际几何参数与理想几何参数的偏离程度 偏离程度越小精度越高 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 4 表面粗糙度波度纹理方向伤痕 划痕 裂纹 砂眼等 表面几何形状精度 物理力学性能 5 1 2机械加工表面质量及其对零件使用性能的影响 5 5 1 2机械加工表面质量及其对零件使用性能的影响 机械加工表面质量 零件几何形状误差 波度 表面粗糙度 宏观几何形状误差 平面度 圆度等 波长 波高 1000波度 波长 波高 50 1000 且具有周期特性表面粗糙度 波长 波高 50 6 对耐磨性影响 表面粗糙度值 耐疲劳性 适当硬化可提高耐疲劳性 表面粗糙度值 耐蚀性 表面压应力 有利于提高耐蚀性 表面粗糙度值 配合质量 表面粗糙度值 耐磨性 但有一定限度 图5 2 纹理形式与方向 圆弧状 凹坑状较好适当硬化可提高耐磨性 5 1 2机械加工表面质量及其对零件使用性能的影响 7 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 5 1 3机械加工系统的原始误差 8 5 1 4误差敏感方向 图4 4 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 9 5 1 5机械加工精度的获得方法 加工精度获得的方法 1 获的尺寸精度的方法1 试切法 加工 测量 再加工 再测量 2 调整法 将刀具的位置调整好 加工过程中保持位置不变 3 尺寸刀具法 零件的尺寸由刀具的尺寸决定 4 自动控制法 2 获的形状精度的方法1 成形运动法a 轨迹法 b 成形刀具法 c 展成法2 非成形运动法 2 获的位置精度的方法1 一次装夹法2 多次装夹法3 非成形运动法 10 机械制造技术基础 5 2工艺系统原有误差对加工精度的影响及其控制ErrorsofTechnologicalSystemanditsinfluencetomachiningPrecisionandControl 第5章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 11 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 5 2 1原理误差对加工精度的影响及其控制 S步进量R 球头刀半径 h 允许的残留高度 例2 用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮 例1 在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件 图5 4 12 具量误差 读数误差 测量者操作不当造成的误差 定程机构误差 样件或样板误差 图5 5试切法与调整法 5 2 2测量误差对加工精度的影响及其控制 13 夹具误差影响加工位置精度 与夹具有关的影响位置误差因素包括 通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1 3 1 定位误差 2 刀具导向 对刀 误差 3 夹紧误差 4 夹具制造误差 5 夹具安装误差 5 2 3装夹误差与夹具误差对加工精度的影响及其控制 14 定尺寸刀具 钻头 绞刀等 尺寸误差影响加工尺寸误差成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差 刀具调整误差微量进给误差 5 2 4刀具误差与调整误差对加工精度的影响及其控制 图5 7成型刀具加工齿轮 15 机械制造技术基础 第5章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 16 5 3 1回转运动精度 主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移 为便于研究 可将主轴回转误差分解为径向圆跳动 端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式 图4 7 17 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X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 式 4 4 为一椭圆 5 3 1回转运动精度 18 结论 主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差 主轴径向圆跳动对加工精度的影响 车外圆 5 3 1回转运动精度 影响主轴回转精度的主要因素 图5 10影响主轴回转精度的主要因素 19 影响主轴回转精度的主要因素 内外滚道圆度误差 滚动体形状及尺寸误差 滑动轴承 镗床 图5 12 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动 滚动轴承 车床 图5 11 轴径不圆引起车床主轴向跳动 注意其频率特性 静压轴承 对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用 5 3 1回转运动精度 20 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 图5 13 其他因素 轴承孔 轴径圆度误差 轴承孔同轴度误差 轴肩 隔套端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差 装配质量等 5 3 1回转运动精度 主轴端面圆跳动对加工精度的影响 被加工端面不平 与圆柱面不垂直 加工螺纹时 产生螺距周期性误差 主轴倾角摆动对加工精度的影响 与主轴径向跳动影响类似 不仅影响圆度误差 而且影响圆柱度误差 21 导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差 包括 导轨在水平面内的直线度 导轨在垂直面内的直线度 前后导轨平行度 扭曲 导轨与主轴回转轴线的平行度 或垂直度 等 导轨导向误差对加工精度的影响 导轨水平面内的直线度误差 误差敏感方向 影响显著导轨垂直面内的直线度误差 误差非敏感方向 影响小导轨扭曲对加工精度的影响 影响显著 图5 14 5 5 5 3 2直线运动误差 22 影响导轨导向精度的主要因素 机床制造误差机床安装误差导轨磨损 5 3 2直线运动误差 23 导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响 5 3 3成形运动间位置关系精度 24 镗孔工件的直线运动与镗杆的回转轴线不平行的影响 5 3 3成形运动间位置关系精度 图5 16工件的直线运动与镗杆的回转轴线不平行的影响 镗孔时工件的直线运动与镗杆的回转轴线不平行 孔的形状为椭圆形 25 铣刀回转轴线对工作台的直线运动不垂直的影响 5 3 3成形运动间位置关系精度 图5 17端铣刀对称铣削时的平面度误差 26 机床传动误差对加工精度的影响 5 1 以齿轮机床传动链为例 式中 n 传动链末端元件转角误差 kj 第j个传动元件的误差传递系数 表明第j个传动元件对末端元件转角误差影响程度 其数值等于该元件至末端元件的传动比 n 传动链末端元件角速度 j 第j个传动元件转角误差的初相角 5 3 4成形运动间速度关系精度 27 缩短传动链长度提高末端元件的制造精度与安装精度采用降速传动采用频谱分析方法 找出影响传动精度的误差环节对传动误差进行补偿 末端元件转角误差 提高传动精度措施 5 3 4成形运动间速度关系精度 28 对传动误差进行补偿 末端元件转角误差 提高传动精度措施 图5 20丝杠加工误差补偿装置 5 3 4成形运动间速度关系精度 29 机械制造技术基础 5 4加工过程中原始误差对加工精度的影响及其控制GeometricPrecisionsofTechnologicalSystemanditsinfluencetomachiningPrecision 第5章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 30 工艺系统所受外力与变形量之比 5 4 1工艺系统的受力变形对加工精度的影响 式中k 工艺系统刚度 F 工艺系统受的力 X 工艺系统在力的方向上的位移 图5 21车削加工 31 5 2 式中k 工艺系统刚度 kjc 机床刚度 kjj 夹具刚度 kd 刀具刚度 kg 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 5 4 1工艺系统的受力变形对加工精度的影响 32 机床变形引起的加工误差 式中Xjc 机床总变形 Fp 吃刀抗力 ktj 机床前顶尖处刚度 kwz 机床后顶尖处刚度 kdj 机床刀架刚度 L 工件全长 Z 刀尖至工件左端距离 5 3 5 4 1工艺系统的受力变形对加工精度的影响 33 工件加工后成鞍形 图5 23 图5 23机床受力变形引起的加工误差 5 4 工件变形引起的加工误差 式中Xg 工件变形 E 工件材料弹性模量 J 工件截面惯性矩 Fp L Z 含义同前 由于工件变形 使工件加工后成鼓形 图5 24 图5 24工件受力变形引起的加工误差 5 4 1工艺系统的受力变形对加工精度的影响 34 5 5 机床变形和工件变形共同引起的加工误差 工艺系统刚度 5 6 5 4 1工艺系统的受力变形对加工精度的影响 35 式中 g 工件圆度误差 m 毛坯圆度误差 k 工艺系统刚度 误差复映系数 5 7 以椭圆截面车削为例说明 图5 25 由于工艺系统受力变形 使毛坯误差部分反映到工件上 此种现象称为 误差复映 误差复映 5 4 1工艺系统的受力变形对加工精度的影响 36 误差复映系数 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 5 9 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 由式 4 13 可得 5 8 5 4 1工艺系统的受力变形对加工精度的影响 37 夹紧力 重力 传动力和惯性力引起的加工误差 夹紧力影响 a b 图5 26薄壁套夹紧变形 图5 27薄壁工件磨削 例1 薄壁套夹紧变形解决 加开口套 例2 薄壁工件磨削解决 加橡皮垫 5 4 1工艺系统的受力变形对加工精度的影响 38 图5 28龙门铣横梁变形 例 龙门铣横梁 图5 29龙门铣横梁变形转移 图5 30龙门铣横梁变形补偿 重力影响 解决1 重量转移 解决2 变形补偿 5 4 1工艺系统的受力变形对加工精度的影响 39 传动力与惯性力影响 会产生圆柱度误差易会引起强迫振动 5 4 1工艺系统的受力变形对加工精度的影响 40 非线形关系 不完全是弹性变形加载和卸载曲线不重合 所围面积表示克服摩擦和接触塑性变形所作功存在残余变形 反复加载卸载后残余变形 0机床部件刚度比按实体估算值小许多 表明其变形受多种因素影响 5 4 1工艺系统的受力变形对加工精度的影响 41 式中c m 与接触面材料 表面状况有关的系数和指数 p 表面压强 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 5 10 结合面间隙零件表面摩擦力的影响 5 4 1工艺系统的受力变形对加工精度的影响 42 合理设计零部件结构和截面形状提高连接表面接触刚度 表面粗糙度 改进接触质量 予加载荷 采用辅助支承 中心架 跟刀架 镗杆支承等 图5 34支座零件不同安装方法 图5 33转塔车床导向杆 采用合理装夹和加工方式 5 4 1工艺系统的受力变形对加工精度的影响 43 5 4 2工艺系统热变性对加工精度的影响 温度场 工艺系统各部分温度分布热平衡 单位时间内 系统传入的热量与传出的热量相等 系统各部分温度保持在一相对稳定的数值上温度场与热平衡研究 目前以实验研究为主 44 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 图5 35车床受热变形 a 车床受热变形形态 b 温升与变形曲线 5 4 2工艺系统热变性对加工精度的影响 45 立铣 图a 图5 36立式铣床 外圆磨床 导轨磨床受热变形 a 铣床受热变形形态 b 外圆磨床受热变形形态 c 导轨磨床受热变形形态 外圆磨 图b 导轨磨 图c 5 4 2工艺系统热变性对加工精度的影响 46 圆柱类工件热变形 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 5 11 5 12 直径 例 长400mm丝杠 加工过程温升1 热伸长量为 5 4 2工艺系统热变性对加工精度的影响 47 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 5 13 板类工件单面加工时的热变形 图5 37 此值已大于精密导轨平直度要求 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 5 4 2工艺系统热变性对加工精度的影响 48 体积小 热容量小 达到热平衡时间较短温升高 变形不容忽视 达0 03 0 05mm 特点 变形曲线 图5 38 5 14 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 5 4 2工艺系统热变性对加工精度的影响 49 例1 磨床油箱置于床身内 其发热使导轨中凹解决 导轨下加回油槽 例2 立式平面磨床立柱前壁温度高 产生后倾 解决 采用热空气加热立柱后壁 图5 40 图5 40均衡立柱前后壁温度场 减少切削热和磨削热 粗 精加工分开 充分冷却和强制冷却 隔离热源 5 4 2工艺系统热变性对加工精度的影响 50 1 机床磨损对加工精度的影响1 主轴磨损会影响主轴的回转精度 造成工件的圆度误差 2 导轨磨损影响运动部件直线运动精度 造成工件的形状误差 5 4 3工艺系统磨损对加工精度的影响及其控制 2 刀具磨损对加工精度的影响刀具磨损会会造成工件的尺寸误差 3 夹具磨损对加工精度的影响夹具磨损会影响定位精度 造成工件的尺寸误差或位置误差 4 量具磨损对加工精度的影响会影响测量精度 影响试切精度 造成加工误差 采用耐磨合金铸铁 镶钢导轨 贴塑导轨 滚动导轨 导轨表面淬火 合理润滑 正确选用刀具材料 合理选用刀具角度及切削用量 和使用润滑液 提高夹具中易磨损件的耐磨性 及时更换已磨损的元件 1 工艺系统磨损对加工精度的影响 2 减少工艺系统磨损的措施 51 1 工件内应力对加工精度的影响1 毛坯制造及热处理过程中产生的内应力2 工件冷校直产生的内应力3 工件切削产生的内应力 5 4 4工件内应力对加工精度的影响及其控制 2 减少工件残余应力的措施1 合理设计零件2 采取必要的热处理措施3 合理安排机械加工工艺顺序 图5 41铸造产生内应力 图5 42冷校直产生内应力 52 机械制造技术基础 第5章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 53 5 5 1加工误差的统计性质 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 常值系统误差 其大小和方向均不改变 如机床 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 机床 夹具 量具的磨损等因素引起的加工误差 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 54 5 5 1加工误差统计的性质 在顺序加工一批工件中 其大小和方向随机变化的加工误差 随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用而引起的 随机误差服从统计学规律 如毛坯余量或硬度不均 引起切削力的随机变化而造成的加工误差 定位误差 夹紧误差 残余应力引起的变形等 运用数理统计原理和方法 根据被测质量指标的统计性质 对工艺过程进行分析和控制 55 正态分布 式中 和 分别为正态分布随机变量总体平均值和标准差 平均值 0 标准差 1的正态分布称为标准正态分布 记为 x N 0 1 概率密度函数 5 15 5 5 2机械加工误差的分布规律 56 分布函数 5 16 令 将z代入上式 有 则利用上式 可将非标准正态分布转换成标准正态分布进行计算 图5 44 称z为标准化变量 5 5 2机械加工误差的分布规律 57 非正态分布 双峰分布 两次调整下加工的工件或两台机床加工的工件混在一起 图5 45a 平顶分布 工件瞬时尺寸分布呈正态 其算术平均值近似成线性变化 如刀具和砂轮均匀磨损 图5 45b 偏向分布 如工艺系统存在显著的热变形 或试切法加工孔时宁小勿大 加工外圆时宁大勿小 图5 45c 图5 45几种非正态分布 5 5 2机械加工误差的分布规律 58 5 5 2加工误差的统计分析方法 1 采集数据样本容量通常取n 50 2002 确定分组数 组距 组界 组中值 按教材134页表5 2初选分组数k 确定组距d 取整 d d 确定分组数k 确定各组组界 组中值 统计各组频数 5 17 5 18 59 3 计算样本平均值和标准差 4 画直方图 图5 46 5 19 5 20 5 5 2加工误差的统计分析方法 60 判断加工性质 判断是否存在明显变值系统误差 判断是否存在常值系统误差 及常值系统误差的大小 确定工序能力 式中TU TL 公差带上 下限 公差带中心与误差分布中心偏移距离 误差分布的标准差 5 5 2加工误差的统计分析方法 61 y 图5 47工艺能力系数符号含义 x 0 3 3 公差带 T TU TL 5 5 2加工误差的统计分析方法 62 工序能力等级 CP表示工艺过程本身的能力 而工艺能力系数CPK则表示过程满足技术要求的能力 实际上是 过程能力 与 管理能力 的综合 5 5 2加工误差的统计分析方法 63 图5 48单值点图 5 5 2加工误差的统计分析方法 64 工艺过程稳定性点子正常波动 工艺过程稳定 点子异常波动 工艺过程不稳定 稳定性判别 没有点子超出控制限 大部分点子在中心线上下波动 小部分点子靠近控制限 点子变化没有明显规律性 如上升 下降倾向 或周期性波动 同时满足为稳定 5 5 2加工误差的统计分析方法 表示样组平均值 R表示样组极差 图是控制图和R控制图联合使用的统称 65 机械制造技术基础 第5章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 66 5 6 1切削加工表面的形成过程 由于钝圆半径的存在 刀具不能把切削层全部切下来 而留下一薄层 图5 50以加工表面形成过程 67 图5 51车削时残留面积的高度 直线刃车刀 图5 51a 圆弧刃车刀 图5 51b 影响因素 5 6 2机械加工表面粗糙度 68 切削速度影响最大 v 10 50m min范围 易产生积屑瘤和鳞刺 表面粗糙度最差 图5 53 其他影响因素 刀具几何角度 刃磨质量 切削液等 5 6 2机械加工表面粗糙度 69 砂轮速度v Ra 工件速度vw Ra 砂轮纵向进给f Ra 磨削深度ap Ra 光磨次数 Ra 5 6 2机械加工表面粗糙度 70 砂轮粒度 Ra 但要适量砂轮硬度适中 Ra 常取中软砂轮组织适中 Ra 常取中等组织采用超硬砂轮材料 Ra 砂轮精细修整 Ra 工件材料冷却润滑液等 5 6 2机械加工表面粗糙度 71 5 6 3加工表面变质层 切削加工 刀具的影响 0 冷硬程度下降后刀面磨损影响显著 图4 65 刃口钝圆半径越小 硬化层越小 工件材料的影响 材料塑性 冷硬倾向 f 冷硬程度 图4 64 切削用量的影响 切削速度影响复杂 力与热综合作用结果 切削深度影响不大 72 刀具 前角 残余拉应力 刀具磨损 残余应力 工件材料 材料塑性 残余应力 铸铁等脆性材料易产生残余压应力 5 6 3加工表面变质曾 v 残余应力 热应力起主导作用 图4 67 切削用量 f 残余应力 图4 68 切削深度影响不显著 73 磨削速度 冷硬程度 弱化作用加强 工件转速 冷硬程度 纵向进给量影响复杂 磨削深度 冷硬程度 图4 66 磨削用量 砂轮 砂轮粒度 冷硬程度 砂轮硬度 组织影响不显著 工件材料 材料塑性 冷硬倾向 材料导热性 冷硬倾向 6 6 3加工表面变质层 74 合理选择砂轮合理选择磨削用量改善冷却条件 工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时 表层金相组织 显微硬度发生变化 并伴随残余应力产生 同时出现彩色氧化膜 磨削烧伤 磨削表面残余拉应力达到材料强度极限 在表层或表面层下产生微裂纹 裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状 常与烧伤同时出现 图5 58带空气挡板冷却喷嘴 5 6 3加工表面变质曾 75 利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠 在常温状态挤压金属表面 将凸起部分下压下 凹下部分上凸 修正工件表面的微观几何形状 形成压缩残余应力 提高耐疲劳强度 图4 71 利用大量快速运动珠丸打击工件表面 使工件表面产生冷硬层和压应力 疲劳强度 图4 70 喷丸强化 图5 60滚压加工原理图 用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件 例如板弹簧 螺旋弹簧 齿轮 焊缝等 5 6 3加工表面变质曾 76 机械制造技术基础 第5章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 77 5 7 1概述 机械加工过程中振动的危害 影响加工表面粗糙度 振动频率较低时会产生波度影响生产效率加速刀具磨损 易引起崩刃影响机床 夹具的使用寿命产生噪声污染 危害操作者健康 工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后 系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动 由于系统中总存在由阻尼 自由振动将逐渐衰弱 对加工影响不大 78 5 7 2强迫振动及控制措施 强迫振动产生原因 由外界周期性的干扰力 激振力 作用引起强迫振动振源 机外 机内 机外振源均