第四章 机械加工质量分析与控制ppt课件

第4章机械加工质量分析与控制 本章要点 机械加工中的振动 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 机械制造技术基础 第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 4 1概述IntroductiontoMachiningQuality 4 1 1机械加工质量 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 表面粗糙度波度纹理方向伤痕 划痕 裂纹 砂眼等 图4 1加工质量包含的内容 4 1 1机械加工质量 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 零件宏观几何形状误差 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 4 1 2表面质量对零件使用性能的影响 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4 3 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 4 1 3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 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 4 1 4影响加工精度的因素 图4 5原始误差构成 4 1 5研究加工质量的方法 理论方法 运用物理学和力学原理 分析研究某一个或某几个因素对加工精度或表面质量的影响 试验方法 通过试验或测试 确定影响各因素与加工质量指标之间的关系 统计分析方法 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 机械制造技术基础 第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 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 4 2 1加工原理误差 式中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4 6 4 3 4 2 2机床误差 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 4 2 2机床误差 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 图4 9径向跳动对车外圆精度影响 4 2 2机床误差 仍考虑最简单的情况 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 则刀尖运动轨迹接近于正圆 图4 9 思考 主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动 其频率为主轴转速两倍 被车外圆形状如何 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 4 2 2机床误差 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 4 2 2机床误差 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4 11 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动 滚动轴承 车床 图4 10 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 4 2 2机床误差 影响主轴回转精度的主要因素 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4 12 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 4 2 2机床误差 传统测量方法存在问题 主轴回转误差的测量 准确测量方法 包含心轴 锥孔误差在内非运动状态 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4 15 4 5 4 2 2机床误差 导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响 4 2 2机床误差 影响导轨导向精度的主要因素 4 2 2机床误差 机床制造误差机床安装误差导轨磨损 机床传动误差对加工精度的影响 4 6 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 4 2 2机床误差 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 4 2 2机床误差 4 2 3刀具与夹具误差 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 4 2 3刀具与夹具误差 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 4 2 4调整误差 测量误差 试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差 机床进给机构的位移误差 定程机构误差 样件或样板误差 测量有限试件造成的误差 和试切法有关的误差 图4 20试切法与调整法 机械制造技术基础 第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比 4 3 1基本概念 4 7 式中k 工艺系统刚度 Fp 吃刀抗力 X 艺系统位移 切削合力作用下的位移 4 3 1基本概念 4 8 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 机床变形引起的加工误差 4 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 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 4 9 4 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 工件加工后成鞍形 图4 22 图4 22机床受力变形引起的加工误差 5 10 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4 23 图4 23工件受力变形引起的加工误差 4 11 机床变形和工件变形共同引起的加工误差 工艺系统刚度 4 12 4 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 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 4 13 以椭圆截面车削为例说明 图4 24 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 4 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 误差复映 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 4 15 4 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 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 4 14 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4 25薄壁套夹紧变形 图4 26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 4 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 图4 27龙门铣横梁变形 例 龙门铣横梁 图4 28龙门铣横梁变形转移 图4 29龙门铣横梁变形补偿 重力影响 4 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 解决1 重量转移 解决2 变形补偿 传动力与惯性力影响 理论上不会产生圆度误差 但会产生圆柱度误差 易会引起强迫振动 4 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 4 3 3机床部件刚度及其影响因素 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 4 3 3机床部件刚度及其影响因素 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 4 15 结合面间隙零件表面摩擦力的影响 4 3 4减小受力变形对加工精度影响措施 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4 33支座零件不同安装方法 图4 32转塔车床导向杆 采用合理装夹和加工方式 图4 28 4 29 4 56 4 58 4 3 5工件残余应力引起的变形 图4 34铸件残余应力引起变形 图4 35冷校直引起的残余应力 设计合理零件结构粗 精加工分开避免冷校直时效处理 毛坯制造和热处理产生的残余应力 图4 34 冷校直带来的残余应力 图4 35 切削加工带来的残余应力 机械制造技术基础 第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 4 4 1概述 在精密加工和大件加工中 工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约40 70 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 4 4 2机床热变形对加工精度影响 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4 36车床受热变形 a 车床受热变形形态 b 温升与变形曲线 4 4 2机床热变形对加工精度影响 立铣 图a 图4 37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 4 4 3刀具和工件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温升高 变形不容忽视 达0 03 0 05mm 特点 变形曲线 图4 38 4 16 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 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 4 17 4 18 直径 例 长400mm丝杠 加工过程温升1 热伸长量为 4 4 3刀具和工件热变形对加工精度影响 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 19 板类工件单面加工时的热变形 图4 39 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 4 4 3刀具和工件热变形对加工精度影响 4 4 4减小热变形对加工精度影响的措施 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4 41 图4 41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 热对称结构热补偿结构 图4 42 主轴热补偿 图4 42双端面磨床主轴热补偿1 主轴2 壳体3 过渡套筒 合理选择装配基准 图4 43 高速空运转人为加热 恒温人体隔离 4 4 4减小热变形对加工精度影响的措施 机械制造技术基础 第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 4 5 1加工误差的性质 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 4 5 1加工误差的性质 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 4 5 2分布图分析法 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 4 5 2分布图分析法 3 计算样本平均值和标准差 4 画直方图 图4 44 4 20 4 21 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 4 22 4 5 2分布图分析法 分布函数 5 23 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4 45 称z为标准化变量 4 5 2分布图分析法 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4 46a 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4 46b 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4 46c 图4 46几种非正态分布 4 5 2分布图分析法 形位误差的分布 差数模分布 正态分布大于零的部分与小于零的部分对零轴线映射后的迭加 图4 47 如对称度 直线与平面的平行度 相邻周节误差等 瑞利分布 二维正态分布 在只考虑平面向量模情况下转换成为一维分布 图4 48 如同轴度 直线与直线平行度 端面圆跳动误差等 不考虑系统误差 瑞利综合分布 上述误差在考虑系统误差的情况下 其误差分布接近瑞利综合分布 4 5 2分布图分析法 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 4 5 2分布图分析法 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 4 5 2分布图分析法 y 图4 49工艺能力系数符号含义 x 0 3 3 公差带 T TU TL 工序能力等级 4 5 2分布图分析法 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 4 5 3点图分析法 图4 50单值点图 4 5 3点图分析法 图是控制图和R控制图联合使用的统称 R图 A2 D1 D2数值见教材164页表4 6 表示样组平均值 R表示样组极差 图控制限 图 4 5 3点图分析法 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 4 5 4调整尺寸 式中Lt 调整尺寸 LM 平均尺寸 Tt 调整公差 4 28 由图4 52所示关系可得 4 29 样本平均值分布 4 5 4调整尺寸 上式要求过于苛刻 产生不合格品得概率只有0 00036 用2 代替3 得到 此时产生不合格品得概率为0 104 完全可以接受 4 30 机械制造技术基础 第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 4 6 1误差预防 合理采用先进工艺和设备 误差预防指减小原始误差本身或减小原始误差的影响 减小原始误差 转移原始误差 图4 53 误差分组 就地加工 均化原始误差 如研磨加工 易位加工 图4 54 4 6 2误差补偿 在线测量与在线补偿 图4 55 指人为引入附加误差因素 以抵消或减小原始误差的影响 图4 55高压油泵偶件自动配磨装置示意图 图4 56丝扛加工误差补偿装置1 工件2 螺母3 母丝杠4 杠杆5 校正尺6 触头7 校正曲线 4 6 2误差补偿 采用校正装置 图4 56 以弹性变形补偿热变形 图4 57 其他补偿方法 图4 58龙门铣横梁变形补偿 以热变形补偿热变形 图4 59 以几何误差补偿受力变形 图4 58 4 6 2误差补偿 机械制造技术基础 第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 4 7 1切削加工表面粗糙度影响因素 图4 60车削时残留面积的高度 直线刃车刀 图4 60a 4 31 圆弧刃车刀 图4 60b 4 32 影响因素 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 4 7 1切削加工表面粗糙度影响因素 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 4 7 2磨削加工表面粗糙度影响因素 光磨次数 Ra 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 4 7 2磨削加工表面粗糙度影响因素 工件材料冷却润滑液等 机械制造技术基础 第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 4 8 1影响表面冷作硬化的因素 切削加工 f 冷硬程度 图4 64 切削用量影响 刀具影响 r 冷硬程度 其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著 图4 65 工件材料 材料塑性 冷硬倾向 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 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 4 8 1影响表面冷作硬化的因素 4 8 2影响层金属残余应力的因素 v 残余应力 热应力起主导作用 图4 67 切削用量 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 仅讨论切削加工 f 残余应力 图4 68 切削深度影响不显著 4 8 3磨削烧伤与磨削裂纹 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4 69带空气挡板冷却喷嘴 4 8 4表面强化工艺 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4 71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 机械制造技术基础 第4章机械加工质量分析与控制AnalysisandControlofMachiningQuality 4 9 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 4 9 2机械加工过程中强迫振动 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 机外振源均通过地基把振动传给机床 机内 1 回转零部件质量的不平衡2 机床传动件的制造误差和缺陷3 切削过程中的冲击 频率特征 与干扰力的频率相同 或是干扰力频率整倍数幅值特征 与干扰力幅值 工艺系统动态特性有关 当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时 产生共振相角特征 强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个 角 其值与系统的动态特性及干扰力频率有关 4 9 3机械加工过程中自激振动 自激振动的概念 在没有周期性外力作用下 由系统内部激发反馈产生的周期性振动自激振动过程可用传递函数概念说明 图4