过程装备制造与检测(化机课程用)教案PPT第章

精品课件 第一篇机器制造工艺 24学时 第一章机械加工质量第二章机械加工工艺规程的制订第三章典型零件的加工第四章装配工艺第五章结构工艺性基础 精品课件 第二章机械加工质量 4学时 2 1机械加工精度及其影响因素分析2 2加工误差的统计分析法与机械加工经济精度2 3机械加工表面质量2 4影响表面质量的因素与采取措施2 5表面强化工艺 精品课件 第一节机械加工精度 一 概述 2 机械加工精度 零件在机械加工后的几何参数 尺寸 几何形状和相互位置 与理想几何参数的符合程度 2 加工误差 理想与现实的差别 反映了加工精度的高低 3 加工精度的图纸体现 尺寸偏差 形位公差4 研究目的 基本概念 2 试切2 调整3 定尺寸刀具法4 自动控制 获得规定加工精度的方法 获得尺寸精度的方法 2 轨迹法2 成形法3 展成法 获得表面形状精度的方法 获得相互位置精度的方法 2 加工后的表面找正法2 夹具保证3 划线 精品课件 影响机械加工精度的因素 工艺系统误差 1 工艺系统的几何误差2 工艺系统力效应产生的误差3 工艺系统热变形产生的误差4 内应力引起的变形误差5 测量误差 机械加工工艺系统 机床 夹具 刀具和工件构成的系统 原始误差 精品课件 二 工艺系统的几何误差 加工方法的原理形误差 机床 夹具和刀具在制造时产生的误差 使用中的调整和磨损误差 1 原理误差 由于采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓而产生的 2 机床的几何误差 机床的制造误差 磨损和安装误差 主轴误差 圆柱面的成形圆柱面拉刀拉削内孔在铣床上用模数铣刀加工渐开线齿轮用齿轮滚刀滚切齿轮 主轴的回转误差 由于各种因素的影响 主轴回转时的实际轴线相对其理想的回转轴发生偏移 该偏移量称为主轴的回转误差 主轴的回转精度 主轴的实际轴线相对其理想的回转轴在误差敏感方向上的最大变动量 主轴的回转误差基本形式 轴向窜动径向跳动倾角摆动 精品课件 导轨误差 影响主轴的回转误差的因素 轴承孔和轴颈表面的几何形状误差 配合面的质量 间隙 油膜的变化 表面的磨损等滑动轴承 工件回转类机床 主轴颈误差直接传给工件 导致工件的圆度误差 轴承孔误差影响小刀具回转类机床 轴承孔的主轴颈圆度误差直接传给工件 主轴颈误差影响小滚动轴承 滚动轴承的精度 轴承配合件的精度 提高主轴的回转精度的途径 设计和制造高精度的主轴部件使回转精度不依赖于机床主轴 导轨的作用 确定主要部件相对位置的基准 部件运动的基准 由若干平面组成 形状误差是垂直面或水平面的直线度误差 导轨的直线度误差引起的加工误差 导轨在水平面内的直线度误差将直接影响到加工精度 导轨在垂直面内的直线度误差影响很小 可以忽略 前后导轨在垂直平面内的平行度误差引起的加工误差 需要控制 机床安装引起的导轨几何精度 导轨的磨损引起的几何精度 精品课件 传动链误差 图2 7滚齿机传动链 减少传动链误差的途径 减少传动链中的元件数 即缩短传动链误差来源 提供传动元件 特别是终端传动元件 的制造和装配精度 减少传动链中的传动间隙 采用校正装置 机床的泛成运动由机床传动系统中有关传动链来实现 传动链的误差将会影响被加工表面的精度 精品课件 定程误差 定义 工作台的位置移动引起的位移偏移量 主要影响尺寸精度和表面间的位置精度 误差来源 机床的进给传动机构和定程装置 减少定程误差的措施 高精度机床 专用测量装置 3 装夹误差和夹具误差 主要影响加工表面间的位置精度 4 刀具误差 刀具误差 主要是刀具的制造和磨损误差对加工精度的影响 刀具不同 影响也不同如 単刃刀具 制造误差对加工精度没有直接影响成形刀具 刀刃的形状误差 装夹误差等直接影响加工精度注意 任何刀具使用后都会磨损 将影响到加工精度 5 调整误差 由于调整不准确带来的误差 调整方式不同 误差来源也不同 精品课件 三 工艺系统的受力变形引起的加工误差 图2 8在顶尖间加工棒料的变形 1 基本概念 定义 在切削过程中 工艺系统在切削力 惯性力 重力 夹紧力等作用下引起的工艺系统变形称为工艺系统受力变形 静刚度K 物体上的作用力F与由此力引起的在作用方向上的变形量Y的比值 柔度W 刚度的倒数 精品课件 图2 9车削时作用在刀具上和工件上的力 工艺系统的刚度越大 柔度越小 工艺系统受力变形越小 引起的加工误差也越小 精品课件 工艺系统的刚度 精品课件 例 精品课件 2 工艺系统受力变形对加工精度的影响 切削力作用点位置不同引起的误差 图2 20工艺系统的位移随施力点位置的变化 工件刚度好时的情况 切削点处的变形量切削点处工艺系统的总变形量切削点处工艺系统的刚度工艺系统变形量主要取决于机床 刀具 夹具根据误差情况得出可能的工件形状两头大 中间小 精品课件 图2 22工艺系统的位移随施力点位置的变化 工件刚度很差时的情况 切削点处工件的变形量 工艺系统变形量工艺系统变形量主要取决于工件变形量的大小根据误差情况得出可能的工件形状两端小 中间大 似腰鼓形 精品课件 一般情况工艺系统变形量主要取决于机床 刀具夹具和工件变形量的大小工艺系统刚度 工艺系统的刚度随切削力作用点位置的不同而不同 加工后工件各截面的尺寸也不同 导致工件的形状误差 如锥度 鼓形和鞍形等 精品课件 误差复映 图2 23毛坯误差的复映 定义 在切削过程中 由于毛坯的形状误差 使工件在的切削深度不断变化 切削深度大时 切削力大 产生的位移也大 反之亦然 导致毛坯的误差仍然部分保留在工件上 这种现象称为误差复映 原因 工件的加工余量和材料硬度不均导致切削力的变化 误差复映系数 1 表示了加工误差与毛坯误差之间的关系 并定量的反映了毛坯误差加工后的减小程度 2 工艺系统刚度越大 复映在工件上的误差越小3 n次走刀后 总的误差复映系数可以下降 1 毛坯的形状误差 只要因切削深度不均引起切削力变化的 都会有一定的误差复映现象 2 一般情况下 通过2 3次走刀后 加工误差都会下降到允许范围 当工艺系统刚度很高时 只需在粗加工时考虑误差的复映情况 工艺系统刚度很低时 误差复映是加工精度的主要影响因素 3 大批量生产时 由于毛坯的误差情况复杂 易导致 尺寸分散 现象 应具体分析 精品课件 其它作用力产生的加工误差 1 传动力的影响 图2 24用单拨销传动时的受力分析 单爪拨盘引起的工件形状误差 在精密零件加工时不容忽视 采取措施 采用双拨盘 使两头产生的传动力相互平衡 精品课件 2 惯性力的影响 3 夹紧力的影响 4 自重的影响 主要影响 主要是离心力的作用 引起工艺系统的受力变形的变化 造成圆柱度误差 采取措施 加配重 降低转速 图2 25套筒夹紧变形误差 图2 26机床部件和工件自重引起的误差 主要影响 产生平面度 圆柱度误差采取措施 调整机床靠模板 调整零件的支撑位置 精品课件 3 减小工艺系统受力变形的途径 提高工艺系统刚度 1 合理设计零部件结构和截面形状 2 改善工艺系统中零件连接面的表面质量 提高接触刚度 具体实施 降低连接面的表面粗糙度和提高几何形状精度 预加载荷 消除配合面的间隙 图2 26铣床主轴部件预加载荷 3 设置辅助支撑 图2 27转塔车床提高刀架刚度 精品课件 图2 27用辅助支撑提高工件刚度 作用 可提高工件和工艺系统的刚度具体实施 装夹时尽量缩短切削力作用点与支撑点位置 4 采用合理的装夹方式和加工方式 精品课件 转移或补偿弹性变形 选择合适工艺参数 选择合适的切削用量及刀具的几何参数 减少由不平衡力引起的惯性力 减小切削力的变化 图2 28弹性补偿 精品课件 四 工艺系统的热变形 1 概述 工艺系统在温度升高的时候会因为变形使相对位置发生改变而影响加工精度 且达到总误差的50 特别是精密加工可到70 工艺系统热变形对精加工和大件加工有重要影响热源切削热是刀具和工件热变形的主要热源 对加工精度的影响尤为直接摩擦热是机床热变形的主要热源二次热源热平衡温度场 稳定温度场 非稳定温度场 精品课件 2 机床热变形对加工精度的影响 机床在工作中受到多种热源的影响 但由于机床的结构和工作条件相差很大 变形形式也是多样的 机床空转的热学特性是精密机床质量的重要指标垂直方向安装的车床车床主轴箱热变形对加工精度影响大批量生产精密零件时 要求在机床热平衡后进行 3 刀具热变形对加工精度的影响 刀具的主要热源是切削热由于刀具的体积和热容量小 一般情况对加工精度影响不明显 但加工细长轴时 其热伸长对加工精度有明显影响 4 工件热变形对加工精度的影响 影响因素 切削热 外部热源 工件的结构和尺寸及材料均匀受热影响尺寸精度 不均匀受热影响形状精度 精品课件 5 减小工艺系统热变形的途径 改进机床结构采用非金属材料作机床零部件强制冷却 控制温升采用人工辅助热源 提高热态加工精度采用热变形自动补偿元件控制环境温度 精品课件 五 工件残余应力引起的变形 工件各部分受热不均或受热后冷却速度不同而引起工件冷态受力较大而引起机械加工带来 1 产生残余应力的主要原因 图2 29铸件因残余应力而引起的变形 图2 20校直而引起残余应力 2 减小残余应力及其引起变形的措施 增设消除残余应力的工序合理设计零件结构合理安排工艺过程 精品课件 第二节加工误差的统计分析法与机械加工经济精度 一 加工误差的种类 二 加工误差的统计分析法 分布曲线法点图法 精品课件 加工孔 再提高一点加工精度 则成本大大增加加工误差即使大幅度增加 成本降低很少则该种加工方法较为经济 图2 34加工误差与加工成本的关系 经济加工精度 是在正常的加工条件下 即采用符合质量标准的设备 工艺装备 使用标准技术等级的工人及不延长加工时间等 所能保证的加工精度 表中数据供参考 三 机械加工经济精度 P251 精品课件 第三节机械加工表面质量 一 表面质量的基本概念 机械加工表面质量是零件加工技术要求的一个重要部分 主要零件的表面质量 对产品的工作性能 可靠性和耐磨性等都有很大影响 特别是工业技术的迅速发展 要求零件在高速 高压 高温和高负荷下工作 对零件的表面质量提出了更高的要求 表面质量 表面的几何特征 零件表面的物理机械性能 表面粗糙度 表面的微观几何形状误差 波度 介于宏观几何形状误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差 加工表面层的塑性变形所引起的表面加工硬化切削和磨削加工等的高温所引起的表面层金相组织的变化切削加工引起的表面层残余应力 精品课件 二 表面质量对零件使用性能的影响 一 对零件耐磨性的影响 磨损 其机理至今尚未清楚 一般认为产生在有相对运动的表面 与摩擦副的材料 润滑和零件的表面质量有密切关系 在有润滑的条件下 零件的磨损一般可分为初期磨损 正常磨损和急剧磨损三个阶段 图2 28磨损过程的三个阶段 图2 29表面粗糙度与初期磨损量的关系 2 在一定条件下摩擦副表面粗糙度参数总是存在某个最佳点 在这一点的初期磨损量为最小 2 表面磨损还与该表面采用的加工方法和成形得到的表面纹理有关 在一般情况下 上下摩擦件的纹理方向与相对运动方向一致时 初期磨损量最小 纹理方向与相对运动方向相垂直时 初期磨损量最大 3 表面加工冷作硬化一般能提高耐磨性 但过高的硬度会使局部金属组织疏松发脆及有细小裂纹出现 在外力作用下 表面层易产生剥落现象而使磨损加剧 精品课件 二 对零件疲劳强度的影响 减小表面粗糙度可以提高零件的疲劳强度加工纹理方向对疲劳强度有显著影响 当纹理方向和相对运动方向相垂直时 疲劳强度将明显降低 表面残余应力对疲劳强度的影响很大 当表面层的残余应力为压应力时 能部分抵消外力产生的拉应力 提高零件的疲劳强度 而当残余应力为拉应力时 则与外力施加的拉应力方向一致 就会助长疲劳裂纹的扩展 从而使疲劳强度降低 表面冷作硬化有助于提高零件的疲劳强度 这是由于硬化层能阻止已有裂纹的扩大和新疲劳裂纹的产生 但冷作硬化也不能过大 否则反而易于产生裂纹 精品课件 四 对配合性质的影响 三 对零件耐腐蚀性能的影响 减小表面粗糙度和波度可提高零件的耐腐蚀能力 零件表面存在残余压应力时 会使零件表面紧密而使腐蚀性物质不易侵人耐腐蚀能力 但残余拉应力则相反 会降低耐腐蚀性 图2 20凹谷处的腐蚀介质堆积 表面微观不平度会引起配合性质和配合精度的改变 零件间为间隙配合时 表面粗糙度过大 将引起初期磨损量增大 使配合间隙变大 配合性质的变化 使运动不稳定或使气压 液压系统的泄漏量增大 当零件间为过盈配合时 表面粗糙度过大 实际过盈量将减少 配合性质改变 降低连接强度 影响配合的可靠性 精品课件 第四节影响表面质量的因素及采取的工艺措施 一 切削加工时对表面粗糙度的影响 一 几何因素 切削层的残留面积 刀具相对于工件作进给运动时 在加工表面上所留下未被切下的面积 叫做切削层的残留面积 切削层残留面积愈大 则表面粗糙度愈高 图2 22切削层的残留面积 采取措施 降低走刀量s减小刀具主偏角副偏角增大刀尖半径r 精品课件 二 物理因素 切削加工后 表而粗糙度的实际轮廓与上述纯几何因素所形成的理想轮廓有较大的差别 这是由于在切削过程中刀具刃口圆角与后面的挤压和摩擦使加工表面发生塑性变形 理想残留面积挤歪或沟纹加深 因而增加了表面粗糙度 积屑瘤 切削过程中的塑性流动及刀具与切屑的外摩擦超过了内摩擦 在刀具 与切屑间很大的压力作用下造成切屑底层与刀具前面发生冷焊的结果 积屑瘤的硬度比工件高 能参与切削 但它在切削过程中是不稳定的 不断地生成 长大 然后粘附在切屑上被带走或留在工件上 使表面粗糙度增大 鳞刺 在比较低的切削速度下切塑性金属时 已加工表面常会出现周期性的鳞片状毛刺 使表面粗糙度等级降低2 4级 在低切削速度下加工塑性材料时 要消除在刀具前面出现积屑瘤 刀瘤 和鳞刺 关键是要减少加工时的塑性变形 采取措施 选择合适的切削速度合理选择加工材料和热处理方法采用合适的刀具材料 角度和提高刃具刃磨质量合理选用冷却润滑液 图2 22积屑瘤对表面的影响 精品课件 三 加工过程中的振动 强迫振动 外界周期性干扰力的作用引起的不衰减的振动 振源有机内振源和机外振源 自激振动是由振动过程本身引起切削力的周期性变化而产生的振动 采取措施 减小和消除振源的激振力 如重新安排工艺过程 转子做平衡试验 提高机床传动元件的制造精度 隔振提高工艺系统的刚度和阻尼提高工艺系统刚度 增强抗振性 采用减振装置 精品课件 精密加工工艺经济加工精度在IT5 7级 表而粗糙度在以下的各种加工工艺方法 精密加工一般用很小的切削深度和走刀量 从半精加工后的工件上切去很薄一层尚有一定误差的表面层 而取得较高的加工精度和表面质量 精密加工的加工质量在很大程度上是由机床保证 如高速精镗 金刚镗 浮动镗 高精度磨削等 光整加工工艺 经济加工精度在IT6以上 表而粗糙度在以下的各种加工工艺方法 光整加工是用粒度很细的磨料对工件表面进行微量切削和挤压 擦光的过程 它不要求机床具有精确的成形运动 加工过程中 尽可能让磨料不走重复的轨迹 使加工表面各点都得到很大随机性的接触条件 以突出它们之间的高点 进行相互修整 使误差还步均化并得以消除 从面得到低粗糙度的表面和高于磨具原始精度的加工精度 如珩磨 研磨等 二 降低表面粗糙度的加工方法 精品课件 三 影响切削加工表面层物理力学性能的因素 定义 在切削过程中 工件表面层由于受到切削力的作用而产生强烈的塑性变形 引起晶格间剪切滑移 晶格严重扭曲拉长 破碎和纤维化 这时 晶粒间的聚合力增加 表面层的强度和硬度增加的现象 称为表面加工硬化 加工硬化程度决定于产生塑性变形的力 变形速度和切削温度 切削力越大 变形越大 硬化程度越高 变形速度越大 塑性形变越不充分 硬化程度就越低 切削温度高 则塑性切削热 持续时间长 则软化作用也大 加工硬化最后取决于硬化和软化的综合效果 影响表面冷作硬化的工艺因素 刀具几何参数 切削用量 工件材料 塑性越大 加工硬化越大 1表面层的冷作硬化 产生表面层残余应力的原因 热塑性变形 冷塑性变形 金属组织变化残余应力是表面质量的重要指标之一 残余应力的分布深度可达2