机械制造基础PPT课件

.,1,第五章,机械制造质量分析与控制,.,2,机械制造质量分析与控制,5.1机床夹具概述5.2工件在夹具中的定位5.3定位误差分析5.4工件在夹具中的夹紧,.,3,5.1机械加工精度,一、加工精度与加工误差,加工精度：是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和相互位置）与理想几何参数的接近程度；实际值愈接近理想值，加工精度就愈高。零件的加工精度包含尺寸精度形状精度和位置精度等三方面的内容。,.,4,5.1机械加工精度,零件加工精度,.尺寸精度.形状精度.位置精度,.尺寸精度：机械加工后零件的直径、长度和表面间距离等尺寸的实际值与理想值的接近程度.形状精度：机械加工后零件几何图形的实际形状与理想形状的接近程度,.,5,5.1机械加工精度,.位置精度：机械加工后零件几何图形的实际位置与理想位置的接近程度公差：加工过程中有很多因素影响加工精度。实际加工不可能把零件做得与理想零件完全一致，总会产生大小不同的偏差。从保证产品的使用性能分析，也没有必要把每个零件都加工得绝对精确,而只要求它在某一规定的范围内变动，这个允许变动的范围，就是公差。,.,6,5.1机械加工精度,制造者的任务就是要使加工误差小于图样上规定的公差。加工误差：零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和相互位置）对理想几何参数的偏离量称为加工误差。保证和提高加工精度的问题，实际上就是控制和减少加工误差的问题。,.,7,5.1机械加工精度,二、加工经济精度加工过程中有很多因素影响零件的加工精度，即使是同一种加工方法在不同的工作条件下所能达到的加工精度也是不相同的。加工经济精度：是指在正常生产条件下（采用符合质量标准的设备。工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间）所能保证的加工精度。,.,8,5.1机械加工精度,每一种加工方法的加工经济精度并不是固定不变的，它将随着工艺技术的发展，设备及工艺装备的改进，以及生产管理水平的不断提高而逐渐提高。,.,9,5.2工艺过程的统计分析,一、概述在实际生产中，影响加工精度的因素很多，工件的加工误差是多因素综合作用的结果，且其中不少因素的作用往往带有随机性。对于一个受多个随机因素综合作用的工艺系统，只有用概率统计的方法分析加工误差，才能得到符合实际的结果。,.,10,5.2工艺过程的统计分析,加工误差的统计分析方法，不仅可以客观评定工艺过程的加工精度，评定工序能力系数，而且还可以用来预测和控制工艺过程的精度。（一）系统性误差与随机性误差加工误差的分类：按照加工误差的性质，加工误差可分为系统性误差和随机性误差。,.,11,5.2工艺过程的统计分析,1系统性误差系统性误差的分类：分为常值性系统误差和变值性系统误差两种。常值性系统误差：在顺序加工一批工件时,加工误差的大小和方向皆不变，此误差称为常值性系统误差；例如原理误差，定尺寸刀具的制造误差等。变值性系统误差：在顺序加工一批工件时，按一定规律变化的加工误差，称为变值性系统误差；例如，当刀具处于正常磨损阶段车外圆时，由于车刀尺寸磨损所引起的误差。,.,12,5.2工艺过程的统计分析,常值性系统误差与加工顺序无关,变值性系统误差与加工顺序有关。对于常值性系统误差，若能掌握其大小和方向，可以通过调整消除；对于变值性系统误差，若能掌握其大小和方向随时间变化的规律，也可通过采取自动补偿措施加以消除。,.,13,5.2工艺过程的统计分析,2随机性误差随机性误差：在顺序加工一批工件时，加工误差的大小和方向都是随机变化的，这些误差称为随机性误差。例如，由于加工余量不均匀、材料硬度不均匀等原因引起的加工误差，工件的装夹误差、测量误差和由于内应力重新分布引起的变形误差等均属随机性误差。可以通过分析随机性误差的统计规律，对工艺过程进行控制。,.,14,5.2工艺过程的统计分析,（二）机械制造中常见的误差分布规律,.,15,5.2工艺过程的统计分析,1正态分布如图a在机械加工中，若同时满足以下三个条件，工件的加工误差就服从正态分布。l）无变值性系统误差（或有但不显著）。2）各随机误差之间是相互独立的。3）在随机误差中没有一个是起主导作用的误差因素。,.,16,5.2工艺过程的统计分析,2平顶分布如图b在影响机械加工的诸多误差因素中，如果刀具尺寸磨损的影响显著，变值性系统误差占主导地位时，工件的尺寸误差将呈现平顶分布。平顶分布曲线可以看成是随着时间而平移的众多正态分布曲线组合的结果。3双峰分布如图c若将两台机床所加工的同一种工件混在一起，由于两台机床的调整尺寸不尽相同，两台机床的精度状态也有差异，工件的尺寸误差呈双峰分布。,.,17,5.2工艺过程的统计分析,4偏态分布如图d采用试切法车削工件外圆或螳内孔时，为避免产生不可修复的废品，操作者主观上有使轴径加工得宁大勿小、使孔径加工得宁小勿大的意向,按照这种加工方式加工得到的一批零件的加工误差呈偏态分布。,.,18,5.3机械加工表面质量,机器零件的破坏，一般都是从表面层开始的，这说明零件的表面质量至关重要，它对产品质量有很大影响。研究表面质量的目的，就是要掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，以便应用这些规律控制加工过程，最终达到提高表面质量、提高产品使用性能的目的。,.,19,5.3机械加工表面质量,一、加工表面质量的概念加工表面质量包含以下两个方面的内容：1表面粗糙度与波度根据加工表面轮廓的特征（波距L与波高H的比值），可将表面轮廓分为以下三种：LH1000：称为宏观几何形状误差，例如圆度误差、圆柱度误差等，它们属于加工精度范畴；LH501000，称为波纹度，它是由机械加工振动引起的；,.,20,5.3机械加工表面质量,LH50，称为微观几何形状误差，亦称表面粗糙度。2表面层材料的物理力学性能和化学性能表面层材料的物理力学性能，包括表面层的冷作硬化、残余应力以及金相组织的变化。,.,21,5.3机械加工表面质量,（1）表面层的冷作硬化冷作硬化：机械加工过程中表面层金属产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，塑性减小，统称为冷作硬化。（2）表面层残余应力表面层残余应力：机械加工过程中由于切削变形和切削热等因素的作用在工件表面层材料中产生的内应力，称为表面层残余应力。,.,22,5.3机械加工表面质量,在铸、锻、焊、热处理等加工过程产生的内应力与这里介绍的表面残余应力的区别在于前者是在整个工件上平衡的应力，它的重新分布会引起工件的变形；后者则是在加工表面材料中平衡的应力，它的重新分布不会引起工件变形，但它对机器零件表面质量有重要影响。,.,23,5.3机械加工表面质量,（3）表面层金相组织变化机械加工过程中，在工件的加工区域，温度会急剧升高，当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。例如磨削淬火钢件时，常会出现回火烧伤、退火烧伤等金相组织变化，将严重影响零件的使用件能。,.,24,5.3机械加工表面质量,二、机械加工表面质量对机器使用性能的影响1表面质量对耐磨性的影响零件的耐磨性不仅与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关，而且还与摩擦副表面质量有关。,.,25,5.3机械加工表面质量,（1）表面粗糙度对耐磨性的影响表面粗糙度值大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰间相互咬合、挤裂，使磨损加剧，表面粗糙度值越大越不耐磨；但表面粗糙度值也不能太小，表面太光滑，因存不住润滑油使接触面间容易发生分子粘接，也会导致磨损加剧。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工况有关，载荷加大时，磨损曲线向上向右位移，最佳粗糙度值也随之右移。,.,26,5.3机械加工表面质量,（2）表面冷作硬化对耐磨性的影响机械加工后的表面，由于冷作硬化使表面层金属的显微硬度提高，可降低磨损。加工表面的冷作硬化，一般能提高耐磨性；但是过度的冷作硬化将使加工表面金属组织变得“疏松”，严重时甚至出现裂纹，使磨损加剧。,.,27,5.3机械加工表面质量,（3）表面纹理对耐磨性的影响在轻载运动副中，两相对运动零件表面的刀纹方向均与运动方向相同时，耐磨性好；两者的刀纹方向均与运动方向垂直时，耐磨性差，这是因为两个摩擦面在相互运动中，切去了妨碍运动的加工痕迹。但在重载时，两相对运动零件表面的刀绞方向均与相对运动方向一致时容易发生咬合，磨损量反而大；两相对运动零件表面的刀纹方向相互垂直，且运动方向平行于下表面的刀绞方向，磨损量较小。,.,28,5.3机械加工表面质量,2表面质量对零件疲劳强度的影响表面粗糙度对零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易产生应力集中，出现疲劳裂纹，加速疲劳破坏。零件上容易产生应力集中的沟槽、圆角等处的表面粗糙度，对疲劳强度的影响更大。,.,29,5.3机械加工表面质量,减小零件的表面粗糙度，可以提高零件的疲劳强度。零件表面存在一定的冷作硬化，可以阻碍表面疲劳裂纹的产生，缓和已有裂纹的扩展，有利于提高疲劳强度；但冷作硬化强度过高时，可能会产生较大的脆性裂纹反而降低疲劳强度。加工表面层如有一层残余压应力产生，可以提高疲劳强度。,.,30,5.3机械加工表面质量,3表面质量对抗腐蚀性能的影响大气中所含的气体和液体与零件接触时会凝聚在零件表面上使表面腐蚀。零件表面粗糙度越大，加工表面与气体、液体接触面积越大，腐蚀作用就越强烈。加工表面的冷作硬化和残余应力，使表层材料处于高能位状态，有促进腐蚀的作用。减小表面粗糙度，控制表面的加工硬化和残余应力，可以提高零件的抗腐蚀性能。,.,31,5.3机械加工表面质量,4表面质量对零件配合性质的影响对于间隙配合，零件表面越粗糙，磨损越大，使配合间隙增大，降低配合精度；对于过盈配合，两零件粗糙表面相配时凸峰被挤平，使有效过盈量减小，将降低过盈配合的连接强度。,.,32,5.3机械加工表面质量,三、加工表面的表面粗糙度切削加工的表面粗糙度值主要取决于切削残留面积的高度。对于刀尖圆弧半径的刀具，工件表面残留面积的高度(如下图a所示),.,33,5.3机械加工表面质量,对于刀尖圆弧半径的刀具，工件表面残留面积的高度（如下图b所示）减小f、及增大，均可减小残留面积的高度H值。,.,34,5.3机械加工表面质量,.,35,5.3机械加工表面质量,切削加工表面粗糙度的实际轮廓形状，一般都与纯几何因素形成的理论轮廓有较大的差别，这是由于切削加工中有塑性变形发生的缘故。加工塑性材料时，切削速度对加工表面粗糙度的影响如图所示。在图示某一切削速度范围内，容易生成积屑瘤，使表面粗糙度增大。加工脆性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响不大。,.,36,5.3机械加工表面质量,切削速度对表面粗糙度的影响,.,37,5.3机械加工表面质量,加工相同材料的工件，晶粒越粗大，切削加工后的表面粗糙度值越大。为减小切削加工后的表面粗糙度值，常在加工前或精加工前对工件进行正火、调质等热处理，目的在于得到均匀细密的晶粒组织，并适当提高材料的硬度。,.,38,5.3机械加工表面质量,适当增大刀具的前角，可以降低被切削材料的塑性变形；降低刀具前刀面和后刀面的表面粗糙度可以抑制积屑瘤的生成；增大刀具后角，可以减少刀具和工件的摩擦；合理选择冷却润滑液，可以减少材料的变形和摩擦，降低切削区的温度；采取上述各项措施均有利于减小加工表面的粗糙度。,.,39,5.3机械加工表面质量,磨削加工表面粗糙度的形成也是由几何因素和表面层材料的塑性变形决定的。表面粗糙度的高度和形状是由起主要作用的某一类因素或是某一个别因素决定的。例如，当所选取的磨削用量不至于在加工表面上产生显著的热现象和塑性变形时，几何因素就可能占优势，对表面粗糙度高度起决定性影响的可能是砂轮的粒度和砂轮的修正用量；与此相反，如果磨削区的塑性变形相当显著时，砂轮粒度等几何因素就不起主要作用，磨削用量可能是影响磨削表面粗糙度的主要因素。,.,40,5.3机械加工表面质量,四、加工表面的物理力学性能（一）表面层材料的冷作硬化1冷作硬化及其评定参数冷作硬化：切削过程中产生的塑性变形，会使表层金属的晶格发生扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，甚至破碎，这些都会使表层金属的硬度和强度提高，这种现象称作冷作硬化，亦称强化。冷作硬化的程度取决于塑性变形的程度。,.,41,5.3机械加工表面质量,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。,.,42,5.3机械加工表面质量,评定冷作硬化的指标是：表层金属的显微硬度HV，硬化层深度h和硬化程度N，N（HVHV。）HV。100，式中HV。为工件内部金属的显微硬度。,.,43,5.3机械加工表面质量,2影响冷作硬化的因素（1）刀具的影响切削刃钝圆半径越大，已加工表面在形成过程中受挤压程度越大，加工硬化也越大；当刀具后刀面的磨损量增大时，后刀面与已加工表面的摩擦随之增大，冷作硬化程度也增加；减小刀具的前角，加工表面层塑性变形增加，切削力增大，冷作硬化程度和深度都将增加。,.,44,5.3机械加工表面质量,（2）切削用量的影响切削速度增大时，刀具对工件的作用时间缩短，塑性变形不充分，随着切削速度的增大和切削温度的升高，冷作硬化程度将会减小。背吃刀量和进给量f增大，塑性变形加剧，冷作硬化加强。（3）加工材料的影响被加工工件材料的硬度愈低、塑性越大时，冷硬现象愈严重。有色金属的再结晶温度低，容易弱化，因此，切削有色合金工件时的冷硬倾向程度要比切削钢件时小。,.,45,5.3机械加工表面质量,（二）表面层材料金相组织变化加工表面温度超过相变温度时，表层金属的金相组织将会发生相变。切削加工时，切削热大部分被切屑带走，因此影响较小，多数情况下，表层金属的金相组织没有质的变化。磨削加工时，切除单位体积材料所需消耗的能量远大于切削加工，磨削加工所消耗的能量绝大部分要转化为热，磨削热传给工件，使加工表面层金属金相组织发生变化。,.,46,5.3机械加工表面质量,磨削淬火钢时，会产生三种不同类型的烧伤：回火烧伤：如果磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变临界温度（碳钢的相变温度为723），这时工件表层金属的金相组织，由原来的马氏体转变为硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体），这种烧伤称为回火烧伤。,.,47,5.3机械加工表面质量,淬火烧伤：如果磨削区温度超过了相变温度，在切削液急冷作用下，使表层金属发生二次淬火，硬度高于原来的回火马氏体，里层金属则由于冷却速度慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织，这种烧伤称为淬火烧伤。退火烧伤：若工件表层温度超过相变温度，而磨削区又没有冷却液进入，表层金属产生退火组织，硬度急剧下降，称之为退火烧伤。,.,48,5.3机械加工表面质量,磨削烧伤严重影响零件的使用性能，必须采取措施加以控制。控制磨削烧伤有两个途径：一是尽可能减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量减少传人工件的热量。采用硬度稍软的砂轮，适当减小磨削深度和磨削速度，适当增加工件的回转速度和轴向进给量，采用高效冷却方式（如高压大流量冷却、喷雾冷却、内冷却）等措施，都可以降低磨削区温度，防止磨削烧伤。,.,49,5.3机械加工表面质量,（三）表面层残余应力1加工表面产生残余应力的原因（1）表层材料比容增大切削过程中加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压与摩擦，产生塑性变形，由于晶粒碎化等原因，表层材料比容增大。由于塑性变形只在表面层产生，表面层金属比容增大，体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层基体材料的阻碍，故表层材料产生残余压应力，里层材料则产生与之相平衡的残余拉应力。,.,50,5.3机械加工表面质量,（2）切削热的影响切削加工中，切削区会有大量的切削热产生，工件表面的温度往往很高。（3）金相组织的变化切削时的高温会使表面层的金相组织发生变化。,.,51,5.3机械加工表面质量,不同的金相组织有不同的密度，亦即具有不同的比容。表面层金属金相组织变化引起的体积变化，必然受到与之相连的基体金属的阻碍，因此就有残余应力产生。当表面层金属体积膨胀时，表层金属产生残余压应力，里层金属产生残余拉应力；当表面层金属体积缩小时，表层金属产生残余拉应力，里层金属产生残余压应力。,.,52,5.3机械加工表面质量,2零件主要工作表面最终加工工序加工方法的选择工件加工最终工序加工方法的选择至关重要，因为最终工序在被加工工件表面上留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。工件加工最终工序加工方法的选择与机器零件的失效形式密切相关。机器零件失效主要有以下三种不同的形式：,.,53,5.3机械加工表面质量,（1）疲劳破坏在交变载荷的作用下，机器零件表面开始出现微观裂纹，之后在拉应力的作用下使裂纹逐渐扩大，最终导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏能力的角度考虑，最终工序应选择能在加工表面（尤其是应力集中区）产生压缩残余应力的加工方法。,.,54,5.3机械加工表面质量,（2）滑动磨损两个零件作相对滑动，滑动面将逐渐磨损。滑动磨损的机理十分复杂，它既有滑动摩擦的机械作用，又有物理化学方面的综合作用（例如粘接磨损，扩散磨损，化学磨损）。（3）滚动磨损两个零件作相对滚动，滚动面会渐渐磨损。滚动磨损主要来自滚动摩擦的机械作用，也有来自粘接、扩散等物理、化学方面的综合作用。,.,55,5.4机械加工过程中的振动,1）刀具相对于工件振动会使加工表面产生波纹，这将严重影响零件的使用性能。2）刀具相对于工件振动，切削截面、切削角度等将随之发生周期性变化，工艺系统将承受动态载荷的作用，刀具易于磨损（有时甚至崩刃），机床的连接特性会受到破坏，严重时甚至使切削加工无法进行。,机械加工过程中产生的振动，是一种十分有害的现象，这是因为：,.,56,5.4机械加工过程中的振动,3）为了避免发生振动或减小振动，有时不得不降低切削用量，致使机床、刀具的工作性能得不到充分发挥，限制了生产效率的提高。综上分析可知，机械加工中的振动对于加工质量和生产效率都有很大影响，须采取措施控制振动。,.,57,5.4机械加工过程中的振动,一、机械加工过程中的强迫振动强迫振动：机械加工过程中的强迫振动是指在外界周期性于扰力的持续作用下，振动系统受迫产生的振动。机械加工过程中的强迫振动与一般机械振动中的强迫振动没有本质上的区别。机械加工过程中的强迫振动的频率与干扰力的频率相同或是其整数倍；当干扰力的频率接近或等于工艺系统某一薄弱环节固有频率时，系统将产生共振。,.,58,5.4机械加工过程中的振动,强迫振动的振源有来自于机床内部的机内振源和来自机床外部的机外振源。机外振源甚多，但它们都是通过地基传给机床的，可以通过加设隔振地基来隔离外部振源，消除其影响。机内振源主要有：机床上的带轮、卡盘或砂轮等高速回转零件因旋转不平衡引起的振动；机床传动机构的缺陷引起的振动；液压传动系统压力脉动引起的振动；由于断续切削引起的振动等。,.,59,5.4机械加工过程中的振动,如果确认机械加工过程中发生的是强迫振动，就要设法查找振源，以便消除振源或减小振源对加工过程的影响。,.,60,5.4机械加工过程中的振动,二、机械加工过程中的自激振动（颤振）1机械加工过程中的自激振动(如图)与强迫振动相比，自激振动具有以下特征：l）机械加工中的自激振动是指在没有周期性外力（相对于切削过程而言）干扰下产生的振动运动。2）自激振动的频率接近于系统某一薄弱振型的固有频率。,.,61,5.4机械加工过程中的振动,机械加工过程中的自激振动,.,62,5.4机械加工过程中的振动,三、自激振动的激振机理1振纹再生原理在刀具进行切削的过程中，若受到一个瞬时的偶然扰动力的作用，刀具与工件便会产生相对振动（属自由振动），振动的幅值将因系统阻尼的存在而逐渐衰减。但该振动会在已加工表面上留下一段振纹。当工件转过一转后，刀具便会在留有振纹的表面上进行切削，切削厚度时大时小，这就有动态切削力产生。如果机床加工系统满足产生自激振动的条件，振动便会进一步发展到持续的振动状态。,.,63,5.4机械加工过程中的振动,再生型切削颤振：这种由于切削厚度变化效应（简称再生效应）而引起的自激振动称为再生型切削颤振。,.,64,5.4机械加工过程中的振动,切削过程一般都是部分地或完全地在有振纹（波纹）的表面上进行的，车削、铣削、刨削、钻削、磨削等均不例外，由振纹再生效应引发的再生型切削颤振是机床切削的主要形态。,.,65,5.4机械加工过程中的振动,产生再生型颤振的条件，一般说，本转（次）切削的振纹与前转（次）切削的振纹总不会完全同步，它们在相位上有一个差值。设本转（次）切削的振动运动为：则上转(次)切削的振动运动为,.,66,5.4机械加工过程中的振动,式中工件转一转的时间；振动源频率；本转（次）切削的振动振幅；上转（次）切削的振动幅值。2振