第6章--机械加工质量..ppt

第六章机械加工质量,61机械加工质量的基本概念62机械加工精度63机械加工表面质量,6.1机械加工质量的基本概念,（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6-1加工质量包含的内容,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、表面粗糙度三者区别,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=501000；且具有周期特性表面粗糙度波长/波高50,尺寸精度的获得方法1）试切法这是一种通过试切工件测量比较调整刀具再试切再调整，直至获得要求的尺寸的方法。单件小批生产2）调整法是按试切好的工件尺寸、标准件或对刀块等调整确定刀具相对工件定位基准的准确位置，并在保持此准确位置不变的条件下，对一批工件进行加工的方法。成批大批量生产3）定尺寸刀具法在加工过程中采用具有一定尺寸的刀具或组合刀具，以保证被加工零件尺寸精度的一种方法。钻头、铰刀、拉刀等4）自动控制法,形状精度的获得方法1）轨迹法此法利用刀具的运动轨迹形成要求的表面几何形状。刀尖的运动轨迹取决于刀具与工件的相对运动，即成形运动。2）成形法此法利用成形刀具代替普通刀具来获得要求的几何形状的表面。3）范成法零件表面的几何形状是在刀具与工件的啮合运动中，由刀刃的包络面形成的。4）相切法,二、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6-3）,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,三、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。,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。,6.2机械加工精度,图4-5原始误差构成,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。,二、影响加工精度的因素,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）,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6-15）,（4-5）,2、机床误差,误差敏感方向,图6-4：,（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。,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,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）。,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6-9径向跳动对车外圆精度影响,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6-9）。,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）,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。,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6-11）轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动,滚动轴承,车床（图6-10）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,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6-12）,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,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。,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。,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,3调整误差（1）试切法加工的调整误差度量误差、加工余量影响和微进给误差加工余量影响打滑微进给误差传动链间隙，爬行，先退后进或轻轻敲击（2）调整法加工的调整误差对刀装置、凸轮、靠模、行程挡块的误差,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工艺系统的受力变形,（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）。,（4-8）,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,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）,工件加工后成鞍形（图6-22）,图6-22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6-23）,图6-23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）,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6-24）,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”,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）,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、残余应力引起的加工误差,夹紧力影响,a）b）图6-25薄壁套夹紧变形,图6-26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,图6-34铸件残余应力引起变形,图6-35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6-34）,冷校直带来的残余应力（图6-35）,切削加工带来的残余应力,5其他原始误差的影响工艺系统热变形机床热变形刀具热变形工件热变形,三、提高加工质量的措施1直接减小或消除原始误差车削细长轴（1）反向进给（6-17b）（2）大进给量和大主偏角，增大Ff。（3）改用具有伸缩性的弹性后顶尖（4）在卡盘一端的工件上车出一个缩颈2补偿或抵消原始误差采取一定措施补偿原始误差，车丝杆，设计误差校正机构及装置。3误差转移法,把影响加工精度的原始误差转移到对误差不敏感的方向或不影响加工精度的方向。六角车床的垂直装刀法，镗箱体孔时采用浮动镗杆。4均分与均化原始误差毛胚误差大，将配件按其误差大小分成n组。5就地加工六角车床中心孔、龙门刨床工作台的加工6主动测量与闭环控制,四、加工误差的综合分析方法,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。,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。,加工误差的分布曲线分析法,例：精镗28-0.015mm（27.985-28）销孔,抽查100件，每组尺寸间隔为0.002mm，分成6组，列表,以中点尺寸值为横坐标，以每组件数m或频率m/n作纵坐标绘图,27.98527.99528.00028.005,分散范围=28.004-27.992=0.012mm分散范围中心（即平均孔径）=mx/n=27.9979mm公差带中心=28-0.015/2=27.9925mm废品率=18%，尺寸为28.000-28.004零件的频率，图中阴影部分原因：尺寸偏大（大部分27.9925），有系统误差系统误差st=|分散范围中心-公差带中心|=27.9979-27.9925=0.0054解决办法：镗刀伸出量调小一点，0.0054mm。,理论分布曲线近似正态分布,概率密度函数,（4-22）,3,x工件尺寸工件平均尺寸（分散范围中心）均方根偏差，n工件总数,特点：中间高，两边低对称性越大，平坦，分散，加工精度低正态分布曲线下面所包含的面积代表了全部工件，即100%，按积分计算在尺寸x到间的工件的频率为图中的阴影面积，可按积分计算，也可查表6-4，由（x-x)/的值直接查出F值。,由表6-4查出x-=3时，F=49.865%,2F=99.73%.即工件在3以外的频率只有0.27%，可以忽略不计。分散范围：3，工件尺寸在3内的占99.73%。,工艺能力系数CpT工件公差带，一般情况下应使T6Cp=T/6Cp1.67为特级，说明工艺能力过高，不一定经济1.67Cp1.33为一级，说明工艺能力足够1.33Cp1.00为二级，工艺能力勉强，必须密切注意加工过程1.00Cp0.67为三级，工艺能力不够，可能出少量不合格品0.67Cp工艺能力不足，必须加以改正,例：在无心磨床上加工销轴，要求外径d=12，抽样后测得=11.974mm,=0.005mm，其符合正态分布，试分析该工序加工质量。解（1）公差带:Amin=12-0.043=11.957Amax=12-0.016=11.984Am=(Amax+Amin)/2=11.9705T=0.027(2)常值系统误差：常=-Am=0.0035随机误差：随=6=60.005=0.030(3)工艺能力系数：Cp=T/6=0.027/0.03=0.9Amin无不合格品dmax=+3=11.985Amax有不合格品（可修复）（5）计算不合格品率查表F1=0.4772P1=0.5-0.4772=0.0228F2=0.5合格品率：F=F1+F2=0.4772+0.5=0.9772=97.72%不合格品率：P=P1=2.28%,(6)若要减少不合格品率，可调整机床，使分散中心与Am重合,Am,F1,F2,P1,-3,+3,T,6,3点图分析法,图是控制图和R控制图联合使用的统称,R图：,表示样组平均值，R表示样组极差R=Xmax-Xmin,图：,图是控制图和R控制图联合使用的统称,R图：,图控制限,图：,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,63机械加工表面质量,一、机械加工表面粗糙度及影响因素1切削加工后的表面粗糙度（1）形成原因几何因素残留面积，最大高度：刀尖圆弧半径为零：Rmax=f/(cotKr+cotKr)刀尖圆弧半径为r：Rmaxf2/8r物理因素脆性材料，塑性材料，刀瘤与鳞刺,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：,（2）影响因素工件材料:最大因素为塑性刀具几何形状、材料、刃磨质量：前角越大，粗糙度越小，增大后角，可降低粗糙度。切削用量：切削速度影响最大，v大，粗糙度减少,2磨削加工后的表面粗糙度（1）磨削砂轮的影响：粒度愈细，粗糙度小；（2）砂轮的修整：砂轮愈光滑，粗糙度愈小（3）砂轮速度：速度越大，粗糙度愈小（4）磨削深度与工件速度：增大磨削深度与工件速度，增大粗糙度。,二、机械加工表面物理机械性能变化1加工表面的冷作硬化塑性变形愈大，硬化程度愈大。刀具的影响：减少前角、增大刃口圆弧半径和后刀面的磨损量，冷硬层深度和硬度随之增大切削用量的影响：v增大，冷硬层深度和硬度减小。,2加工表面金相组织变化热变质层两种金相组织变化：（1）回火烧伤：当磨削淬火钢时，若磨削区温度超过马氏体转变温度（中碳