第四章 机械加工质量及其控制ppt课件

第四章机械加工质量及其控制,本章提要,机器零件的加工质量是整台机器质量的基础。机器零件的加工质量一般用机械加工精度和加工表面质量两个重要指标表示，它的高低将直接影响整台机器的使用性能和寿命。,内容提纲,4.1,4.2,4.3,4.4,概述机械加工精度的影响因素及控制加工误差的综合分析机械加工表面质量的影响因素及控制机械加工过程中的振动及控制,4.5,第一节概述,机械加工质量包括几何参数方面的质量和表面物理机械参数方面的质量。其中几何参数方面的尺寸精度、宏观几何精度和位置精度属于机械加工精度范畴，而表面物理机械参数方面的质量和微观几何形状精度属于机械加工表面质量范畴。,随着机器速度、负载的增高以及自动化生产的需要，对机器性能的要求也不断提高，因此保证机器零件具有更高的加工精度也越显得重要。我们在实际生产中经常遇到和需要解决的工艺问题，多数也是加工精度问题。研究机械加工精度的目的是研究加工系统中各种误差的物理实质，掌握其变化的基本规律，分析工艺系统中各种误差与加工精度之间的关系，寻求提高加工精度的途径，以保征零件的机械加工质量。零件的机械加工表面质量决定了机器的使用性能和延长使用寿命。机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。,第一节概述,加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数的符合程度。（1）零件的尺寸精度：加工后零件的实际尺寸与零件理想尺寸相符的程度。（2）零件的形状精度：加工后零件的实际形状与零件理想形状相符的程度。（3）零件的位置精度：加工后零件的实际位置与零件理想位置相符的程度。,第一节概述,一、机械加工精度,（一）机械加工精度的概念,加工误差：实际加工不可能做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。加工误差的大小表示了加工精度的高低。生产实际中用控制加工误差的方法来保证加工精度。加工精度和加工误差是从两种观点来评定零件几何参数，所谓保证和提高加工精度问题就是限制和降低加工误差问题。,第一节概述,一、机械加工精度,（一）机械加工精度的概念,获得工件尺寸精度的方法有：试切法、调整法、定尺寸刀具法、自动控制法,1)试切法：调整试切测量计算调整，这样反复几次直到试切尺寸符合要求为止。主要影响因素:测量精度，微进给机构的准确性，刀具的切削性能；可达到很高的精度。,第一节概述,一、机械加工精度,（二）加工精度的获得方法,获得工件尺寸精度的方法有：试切法、调整法、定尺寸刀具法、自动控制法,第一节概述,一、机械加工精度,（二）加工精度的获得方法,2)调整法：首先调整好刀具与工件的相对位置,并要求在一批零件的加工过程中保持这个位置不变。如多刀机床,六角自动车床等。影响因素与试切法相同，有调整精度和调整装置的刚度等。,4)自动控制法:将测量、调整和切削等机构组成一个自动加工系统，工件达到尺寸后，系统自动停止加工。,第一节概述,一、机械加工精度,（二）加工精度的获得方法,3)定尺寸刀具法:用刀具尺寸来保证工件尺寸。,第一节概述,机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的耐磨性、抗腐蚀性、配合质量和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。,二、机械加工表面质量,（一）表面质量的概念,加工表面层沿深度变化示意图,残余拉应力()；残余压应力(),第一节概述,二、机械加工表面质量,（一）表面质量的概念,零件表面质量,表面粗糙度,表面波度,表面物理力学性能的变化,表面微观几何形状误差,表面层冷作硬化,表面层残余应力,表面层金相组织的变化,机械加工表面质量是指经过机械加工后零件表面层所产生的物理机械性能的变化以及表面层微观几何形状误差，又称为表面完整性，主要包括表面层微观几何形状和表面层物理机械性能。,第一节概述,二、机械加工表面质量,（一）表面质量的概念,表面粗糙度：表面微观几何形状误差，其波长与波高的比值在L1/H140的范围内，波距1.33，一级，工艺能力足够，可以允许一定的波动1.33Cp1.00，二级，工艺能力勉强，必须密切注意1.00Cp0.67，三级，工艺能力不足，可能出少量不合格品0.67Cp，四级，工艺能力不行，必须加以改进,第三节加工误差的综合分析,二、加工误差的统计分析法,1.分布曲线法,工艺能力：工艺范围与实际加工误差之比：,【例题】检查一批在卧式镗床上精镗后的活塞销孔直径。图纸规定尺寸与公差为28，抽查件数n100，分组数k6。测量尺寸、分组间隔、频数和频率见左表。求实际分布曲线图、工艺能力及合格率，分析出现废品的原因并提出改进意见。表活塞销孔直径测量结果,解：以组中值xj代替组内零件实际值，绘制实际分布曲线图。分散范围=最大孔径一最小孔径28.0427.9920.012mm；样本平均值（又称尺寸分散范围中心即平均孔径）：,公差范围中心常值系统误差,分布曲线法的实例,第三节加工误差的综合分析,第三节加工误差的综合分析,二、加工误差的统计分析法,1.分布曲线法,均方根误差/样本标准差工艺能力系数，二级工艺能力；废品率：由，查表4-3可得F0.3253；所以实测结果分析：部分工件的尺寸超出了公差范围，有1747的废品（实际分布曲线图中阴影部分；这批工件的分散范围0.012mm比公差带0.015mm小，也就是说实际加工能力比图纸要求的要高：Cp1.11，即6。只是由于有系统0.0054的存在而产生废品。如果能设法将分散中心调整到公差范围中心，工件就完全合格。具体的调整方法是将镗刀的伸出量调短些，以减少镗刀受力变形产生的加工误差。,分布曲线法的实例,第三节加工误差的综合分析,二、加工误差的统计分析法,1.分布曲线法,第三节加工误差的综合分析,二、加工误差的统计分析法,1.分布曲线法,例在两台相同自动车床上加工1000件圆柱销的外圆，直径要求110.02，第一台加工500件，尺寸按正态分布，平均值：x1=11.005，1=0.04，第二台加工500件，尺寸也按正态分布，其平均值x2=11.015，2=0.0025，试分析哪台机床的加工精度高，比较两台机床的废品率。,1)依题意画图。2)比较机床精度61=60.04=0.2462=60.0025=0.015，故第二台精度高。3）求第一台的废品率由图可知，第一台机床加工的圆柱销，其直径全部落在公差带内，故无废品。,第三节加工误差的综合分析,二、加工误差的统计分析法,1.分布曲线法,例在两台相同自动车床上加工1000件圆柱销的外圆，直径要求110.02，第一台加工500件，尺寸按正态分布，平均值：x1=11.005，1=0.04，第二台加工500件，尺寸也按正态分布，其平均值x2=11.015，2=0.0025，试分析哪台机床的加工精度高，比较两台机床的废品率。,4）求第二台的废品率第二台机床加工的圆柱销，有部分落在公差带外，成为可修复费品。由：，查表4-3可以求出：(2)=0.4772故废品率=0.5-0.4772=2.28%,从图可以看出，第二台机床产生的废品主要原因是刀具调整不当，使得一批工件尺寸分布中心偏大于公差带中心，从而产生可修废品。改进的办法是对第二台机床的车刀重新调整，使之再进刀=(11.015-11)/2=0.0075mm为宜。,第三节加工误差的综合分析,二、加工误差的统计分析法,没有考虑加工顺序，无法分清变值系统误差和随机误差；必须待全部工件加工完毕后才能进行测量和处理数据，不能暴露出在加工过程进行中误差变化的规律。,第三节加工误差的综合分析,二、加工误差的统计分析法,1.分布曲线法,分布曲线法的缺陷：,第三节加工误差的综合分析,二、加工误差的统计分析法,2.点图法,点图法：按加工的先后顺序作出尺寸的变化图，以暴露整个加工过程中误差变化的全貌。具体方法：按工件的加工顺序定期测量工件的尺寸，以其序号为横坐标，以量得的尺寸为纵坐标。,第三节加工误差的综合分析,二、加工误差的统计分析法,2.点图法,作法：按工件的加工顺序定期测量工件的尺寸，以其序号为横坐标，以量得的尺寸为纵坐标，则可得到左图所示的点图。,点图法的作用：,第三节加工误差的综合分析,二、加工误差的统计分析法,2.点图法,工序分析从点图中分解出系统性误差和随机性误差并寻找误差的根源。前者可用点图的顺序平均数法，后者可用相关分析法。控制加工质量工艺验证为了确定准备投产的工艺能否保证加工质量要求或对现行的工艺进行定期、不定期的检查，查明工艺能力和工艺的稳定性。,“车工怕细长”采用反向走刀（进给）切削改变进给方向使细长轴在加工过程中受拉力。用大进给量和大主偏角（9093o）车刀在卡盘一端车出一个缩颈：消除坯料本身弯曲而在卡盘强制夹持下引起的轴线弯斜的影响。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（一）直接消除和减少误差法,误差补偿是指人为地制造出一种新的或者利用原有的一种原始误差去抵消另一种原始误差。例如预加载荷精加工磨床床身导轨；用校正机构提高丝杆车床传动链精度。,横向进给机构、操纵箱等部件,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（二）误差补偿法,配重,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（二）误差补偿法,误差转移法的实质是将工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等转移到不影响加工精度的方向去。,由于转塔在使用中经常不断地转来转去，要长期保证六个位置的定位精度是很困难的，所以在一般转塔车床的刀具调整中，都把刀刃的切削基面放在垂直平面内，在生产中成为“立刀”安装法。转塔的转位误差就处于Z的方向上，产生的加工误差y就可以忽略不计。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（三）误差转移法,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（三）误差转移法,误差平均法是利用有密切联系的表面之间的相互比较和相互修正，或者利用互为基准进行加工，以达到很高的加工精度。采用误差平均法可以最大限度地排除机床误差的影响。例如，研磨配合精度要求很高的轴和孔，常用对研的方法，利用误差相互比较、相互消除来达到。所谓对研，就是配偶件的轴和孔互为研具相对研磨。在研磨前有一定的研磨量，其本身的尺寸精度要求不高，在研磨过程中，配合表面相对研擦和磨损的过程，就是两者的误差相互比较和相互修正的过程。再如，三块一组的标准平板，是利用相互对研、配刮的方法加工出来的。因为三个表面能够分别两两密合，只有在都是精确的平面的条件下才有可能。另外还有直尺、角度规、多棱体、标准丝杠等高精度量具和工具，都是利用误差平均法制造出来的。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（四）误差平均法,在加工和装配中，有些精度问题牵涉到很多零部件间的相互关系，相当复杂。如果单纯地提高零件精度来满足设计要求，有时不仅困难，甚至不可能达到。此时，若采用就地加工法，就可解决这种难题。例如，就地加工法的要点是要保证部件什么样的位置关系，就在这样的位置关系上利用一个部件装上刀具去加工另一个部件，又称“自干自”。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（五）“就地加工”法,例如转塔车床加工转塔上的六个刀架安装孔,转塔上六个安装刀具的孔，其轴心线必须保证与机床主轴旋转中心线重合，而六个平面又必须与旋转中心线垂直。如果单独加工转塔上的这些孔和平面，装配时要达到上述要求是困难的，因为其中包含了很复杂的尺寸链关系。因而在实际生产中采用了就地加工法，即在装配之前，这些重要表面不进行精加工，等转塔装配到机床上以后，再在自身机床上对这些空和平面进行精加工。具体方法是在机床主轴上装上镗刀杆和能做径向进给的小刀架，对这些表面进行精加工，便能达到所需要的精度。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（五）“就地加工”法,对变值系统性误差必须采用可变补偿的方法，即所谓的积极控制方法。有三种形式：主动测量：加工过程中随时测量，随时进行误差补偿。偶件自动配磨：以互配件中的一件作为基准去控制另一件的加工精度。积极控制起决定性作用的加工条件：例如精密螺纹磨床的自动恒温控制。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（六）控制误差法,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。,粗糙度的测量方法？,1、切削加工后的表面粗糙度,(样板比较法，光切法，干涉法，触针法等),刀尖圆弧半径r主偏角kr、副偏角kr进给量f,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,1、切削加工后的表面粗糙度,(2)物理力学因素,被加工材料的性能塑性变形的影响切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产生塑性变形。与切削机理有关的物理因素刀瘤和鳞刺的影响,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,1、切削加工后的表面粗糙度,(2)物理力学因素,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,1、切削加工后的表面粗糙度,鳞刺的产生：切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用造成周期性的停留，代替刀具推挤切削层，造成切削层和工件之间出现撕裂现象。,(2)物理力学因素,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,1、切削加工后的表面粗糙度,韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。脆性材料：加工粗糙度接近理论值。加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,1、切削加工后的表面粗糙度,加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响如图所示。积屑瘤和鳞刺仅在低速时产生。切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小；选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。,加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响实线只考虑塑性变形的影响虚线考虑刀瘤和鳞刺的影响,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,1、切削加工后的表面粗糙度,合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。,减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,1、切削加工后的表面粗糙度,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。,磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压，没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,2、磨削加工后的表面粗糙度,(1)砂轮的磨粒,磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。,(2)砂轮修整,砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃。因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,2、磨削加工后的表面粗糙度,砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越小。工件速度对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。工件的速度增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大。砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。,(3)磨削用量,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,2、磨削加工后的表面粗糙度,(4)工件材料,太硬易使磨粒磨钝Ra；太软容易堵塞砂轮Ra；韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落Ra。,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,2、磨削加工后的表面粗糙度,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层冷作硬化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大。,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,影响表面层物理力学性能的主要因素,表面物理力学性能,影响金相组织变化因素,影响显微硬度因素,影响残余应力因素,塑变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化,冷塑性变形热塑性变形金相组织变化,切削热,冷作硬化金相组织变化残余应力,表现形式,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,切削或磨削加工中，表面层金属由于塑性变形使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，引起材料的强化（使表面层金属的硬度和强度提高），这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化或强化。,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,1、工件表面层的冷作硬化,弱化：被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态，只要一有可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化。弱化作用的大小取决于温度的高低、热作用时间的长短和表层金属的强化程度。由于在加工过程中表层金属同时受到变形和热的作用，加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,1、工件表面层的冷作硬化,衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：1）表面层的显微硬度H；2）硬化层深度h；3）硬化程度NN=(H-H0)/H0100式中H0工件原表面层的显微硬度。,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,1、工件表面层的冷作硬化,表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度。力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复程度。,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,1、工件表面层的冷作硬化,刀具几何形状的影响,切削刃r、前角、后面磨损量VB表层金属的塑变加剧冷硬,切削用量的影响,切削速度v温度升高，冷硬恢复；刀具、工件接触时间短，塑变冷硬f切削力塑变冷硬f较小刀具刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多冷硬,工件材料性能的影响,材料塑性冷硬,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,1、工件表面层的冷作硬化,切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升。定义：磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤有三种形式。,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,2、工件表面层的金相组织变化与磨削烧伤,淬火烧伤,回火烧伤,退火烧伤,磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。,磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。,磨削时工件表面温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,2、工件表面层的金相组织变化与磨削烧伤,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,2、工件表面层的金相组织变化与磨削烧伤,磨削烧伤色,1)砂轮转速磨削烧伤2)径向进给量fp磨削烧伤3)轴向进给量fa磨削烧伤4)工件速度vw磨削烧伤,1)磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利磨削力磨削区的温度2)磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承钢、不锈钢)磨削烧伤3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织磨削烧伤,磨削用量,砂轮与工件材料,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,2、工件表面层的金相组织变化与磨削烧伤,采用内冷却法磨削烧伤,改善冷却条件,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,2、工件表面层的金相组织变化与磨削烧伤,加装空气挡板减轻高速旋转的砂轮表面的高压附着气流的作用,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,2、工件表面层的金相组织变化与磨削烧伤,改善冷却条件,采用开槽砂轮间断磨削受热磨削烧伤,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,2、工件表面层的金相组织变化与磨削烧伤,改善冷却条件,定义：机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力，这种应力即为表面层的残余应力。,残余拉应力()；残余压应力(),第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,3、工件表面层的残余应力,机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化的综合结果。切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形，表面层常产生残余压缩应