王振龙-机械加工精度与表面质量(第6章)-201154109.ppt

,机械制造技术基础,第6章机械加工质量的影响因素及控制,FUNDAMENTALSOFMACHINERYMANUFACTURINGTECHNOLOGY,MachiningQualityanditsControl,基本概念,6.1概述,加工变质层的雷德（H.Rether）模型,压缩区塑性变形区。是由切削力造成的结晶组织变化层。此区最外层为纤维化层，是由刀具与切削层间的摩擦挤压造成的，还有切削热造成的表面层的强化或弱化等等，存在着由塑性变形、切削热及金相组织变化引起的残余应力。该层也称应力变质层。,吸附层在最外层。生有氧化膜或化合物并吸收渗进某些气体、液体或固体粒子。,6.1.2机械加工精度的获得方法,一、尺寸精度的获得方法,手工逐步调刀获得所需尺寸,加工前先调整好刀具位置再进行一批加工,尺寸精度由刀具保证（钻头、拉刀）,自动化的试切法,二、形状精度的获得方法,成形刀具法形状精度决定于成形运动和刃形,展成法成形表面通过包络形成,形状精度超过机床成形运动精度时使用如：0级平板的加工,仿形法形状精度决定于靠模的精度,三、位置精度的获得方法,与机床几何精度有关,位置精度要求极高时采用,6.1.3机械加工表面质量对机器使用性能和寿命的影响,（2）影响疲劳强度交变载荷作用时，表面粗糙度、划痕及微裂纹等均会引起应力集中，从而降低疲劳强度。加工表面粗糙度的纹路方向与受力方向垂直时，疲劳强度明显降低。一般加工硬化可提高疲劳强度，但硬化过度则会适得其反。残余应力为压应力时，可部分抵消交变载荷施加的拉压力，阻碍和延缓裂纹的产生或扩大，从而提高疲劳强度；但为拉应力时，则会大大降低疲劳强度。,有些加工方法，如滚压加工，可减小粗糙度值、强化表面层，使表层呈压应力状态，从而防止产生微裂纹，提高疲劳强度。,6.1.3机械加工表面质量对机器使用性能和寿命的影响,（3）影响耐蚀性表面粗糙度值大的表面，腐蚀性物质（气体、液体）容易渗透到表面的凹凸不平处，从而产生化学或电化学作用而被腐蚀。表面微裂纹处容易受腐蚀性气体或液体的侵蚀，如零件表面有残余压应力，则可阻碍微裂纹的扩展，从而在一定程度上提高零件的耐蚀性。,（4）影响配合性质影响配合性质最主要因素是表面粗糙度。对于间隙配合，经初期磨损后，间隙会有所增大，严重时会影响密封性能或导向精度；对于过盈配合，使计算所得过盈量与实际过盈量有所不同，成为过渡配合甚至间隙配合，从而可能影响过盈配合的连接强度。,此外，加工表面质量对运动平稳性和噪音等也有影响。,加工误差与原始误差机械加工工艺系统的概念加工误差加工后每个零件在尺寸、形状、位置方面与理想零件的差值。（几何参数的偏差）,6.2机械加工精度的影响因素及其控制,原始误差由于机床、刀具、量具、夹具和工件组成的工艺系统造成加工误差的因素。,从影响零件加工精度的本质上分（单因素）,从性质上分（多因素）,工件装夹误差（定位、夹紧）除此外：对定、过程,调整误差（更换工件、刀具、夹具、量具时进行调整）,测量误差（测量方法和量具误差）,原理误差（渐开线齿轮、数控插补、英制螺纹）,6.2.3受力、热、磨损、残余应力,6.2机床几何误差,原始误差概念,分析原有误差对零件加工精度的影响及控制：误差敏感方向：加工表面法向原始误差所引起的加工误差最大,误差敏感方向误差非敏感方向,误差的性质,6.3加工误差的统计分析,常值,变值,随机性误差,系统性误差,统计误差概念,工艺系统原有误差对加工精度的影响与控制,一、影响尺寸精度的主要因素与控制,改善测量方法；提高测量精度（激光测距、非接触式测量、激光干涉仪、光删尺）,式中，L为跃进距离；G为工作台重量；0，分别为静、动摩擦系数；K为机构传动刚度。,改进工艺方法（精车、精磨、研磨）减小刀具或磨粒的刃口钝圆半径re。(1/3-1/10)e,(a)减少定位误差；(b)提高进给重复定位精度;(c)提高对尺寸分布中心判断的准确性,3-5nm切削照片,二、影响位置精度的主要因素与控制,采用成形运动法时，位置精度的获得与装夹方式有关,结论：影响位置精度的是机床几何精度,一次装夹：如在龙门铣床、加工中心上加工箱体零件,如用外圆定位在车床上加工齿轮内孔后，再在插床上加工键槽,工件基准面,工件加工面,结论：影响位置精度的是机床几何精度,直接装夹,夹具装夹,非成形运动法：检测精度,结论：影响位置精度的是对刀导引精度、装夹精度,三、影响形状精度的主要因素与控制,机床的制造误差、安装误差以及在使用过程中精度保持性被破坏等原因，都将会产生机床几何误差，进而引起机械加工误差。,6.2.3机床几何误差及其对加工精度的影响与控制,会对零件的加工精度造成影响：主要指形状精度,1.回转运动精度主要取决于机床主轴的回转精度,主轴回转误差的形式,如是滚动轴承：车、铣床影响零件加工精度的主要因素是什么？,影响主轴回转精度的主要因素,（1）径向跳动,（2）轴向窜动滑动轴承主轴的轴向窜动量取决于止推（承载）轴承副中端面与主轴轴线垂直度较高者,影响滚动轴承主轴轴向窜动的主要因素有：滚道与轴线的垂直度滚动体形状误差（轴向间隙变化）尺寸一致性（承载不均而降低刚度）,主轴轴向窜动将会造成什么加工误差？（提示：加工表面）,（3）角度摆动,不仅影响圆度，而且影响圆柱度,固定顶尖定位，修磨顶尖孔；采用无心磨加工无心磨削原理.ppt,KDP晶体专用超精密加工机床,主要取决于主轴前后支承跳动（跳动量、相位等）的综合影响,2.直线运动精度主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不均匀磨损有关。,提高导轨直线运动精度的措施,直线电机驱动液体静压导轨（350UPL）,Nanotech350UPL是单点金刚石切削（SPDT）加工的极品,HIT-1型超精密机床局部图,3.成形运动间位置关系精度,圆柱面成为双曲面,平面成为内凹或外凸,圆柱面成为圆锥面,相互位置关系精度将直接影响工件的形状精度,镗削时：若工件直线进给运动与镗杆回转轴线不平行,铣削时：若端铣刀回转轴线与工作台直线进给运动不垂直,移位加工可使误差从减小至,圆孔成为椭圆孔,平面下凹,KDP晶体专用超精密加工机床,KDP已加工表面检测,光学零件超精密磨削工艺中，中心高位置对零件加工精度的影响。,对零件形状精度的影响,金刚石砂轮修整装置,非球曲面加工后照片,金刚石砂轮修整照片,(a)修整前,(b)修整后,提高相互位置关系精度的措施,TetraformC,使用几何精度高的机床（决定因素）,保证高精度的零部件制造、总装调试和维修,误差检测与补偿（在已有机床上进行）,4.成形运动间速度关系精度-车、磨螺纹以及滚齿、插齿、磨齿等加工，要求各成形运动之间具有准确的速度关系。,影响速度关系精度的因素机床传动链中各传动元件的制造误差、装配误差以及磨损等，都会破坏正确的运动关系，造成工件和刀具运动相对速度的不准确，从而产生加工误差。在降速链中的低速传动件误差的影响最大。,6.2.3加工过程中其它因素对加工精度的影响与控制,1.工艺系统受力变形的影响与控制,工艺系统受力,加工时工件或夹具变形，加工后产生误差,单爪拨动，使受力方向改变，瞬时回转中心变动,运动部件自重引起结构件变形且随运动而不断变化（龙门机床、KDP超精密加工机床）,高速运动过程中由于质量不均引起有关环节变形,接触变形造成测量误差（非接触测量）,力的变化使工艺系统产生复杂变形（细长轴）,KDP晶体专用超精密加工机床,控制或减少工艺系统受力变形的措施,有效减小（切削力）（消极方法，超精加工中出现）,根据变形规律，预置系统的反变形（重力）；调刀量调整,恒力测量装置（测量力）；相对测量，对比抵消变形的影响,有效地提高工艺系统抵抗受力变形的能力,找引起工件产生误差原因,大型非球面光学零件加工机床,工艺系统刚度与加工精度的关系,系统各部刚度不等时在切削力作用下产生的加工误差,车外圆,可推导出,式中,KH、KT、KB分别为机床床头、尾座及刀架部件的实测平均刚度E工件材料的弹性模量J工件截面惯性矩,简化公式,当机床刚度远大于工件刚度时,当工件刚度很高时,细长轴（腰鼓）KHKTK工,短粗轴（马鞍）K工KHKT,切削力变化对加工精度的影响,原因：切削余量不均；工件材质变化等结果：形状误差，尺寸分散,提高工艺系统刚度的主要措施,求法？,2.工艺系统热变形的影响与控制,控制热变形的主要措施,减少热量产生和传入正确使用刀（磨）具、切（磨）削用量；及时刃磨或修整刃具；电机外置、油箱外置（二次热源）；防晒,加强散热能力高效冷却（喷雾冷却、润滑油冷冻降温，液氮，采用冰研磨）,均恒温度场采用热对称和热补偿结构；恒温间（德国）；机床预热（长春）。,改进设计有限元分析、结构优化、CAD,超精密加工过程中，其它误差的影响因素也非常的重要除了前面分析的所有因素之外（环境控制：恒温、恒湿、超净、隔振）,6.2.3工艺系统磨损的影响与控制,6.2.4工件残余应力的影响与控制,工件的残余应力：当外部载荷去除以后，仍残存在工件内部的应力,残余应力的产生,机加力和热表层塑变（晶格扭曲、拉长、比容增大）,毛坯制造冷却快受压（残余压应力）慢者受拉（残余拉应力）（详细之：620）,冷校直局部塑变（丝杠严禁之）,减少或消除残余应力的主要措施,合理设计零件结构,自然时效,大件在室外搁置数天、月小件在车间搁置数小时（粗、精加工之间）,结构对称，壁厚均匀，减小尺寸差,铸、锻、焊件在机械加工前的退火、回火,精度稳定性要求高的零件，淬火后进行冰冷处理,振动时效（激振、敲打）,减少加工塑变,减少加工热；精度高的细长工件，不得冷校直加大余量、多次切削，热校直,6.3加工误差的统计分析,目的：,区分成批生产中不同性质的加工误差，确定系统误差的数值和随机误差的范围，从而找出造成加工误差的主要因素以便采取相应的措施，提高零件的加工精度,6.3.1加工误差的统计性质,6.3.2机械加工误差的分布规律,正态分布,调整法加工时没有某种优势因素的影响,平顶分布,加工过程中有显著的变值系统误差，如刀具磨损,双峰分布,两台机床加工，机床精度不同，刀具调整尺寸不一致,偏态分布,加工过程受到人为干预，如试切法加工时的保全心理，最终形成可修废品。,6.3.3加工误差的统计分析方法,一般情况下，调整法加工后的零件尺寸服从正态分布。其概率密度函数为：,3原则正态分布的随机变量的分散范围是3,6的大小代表了某种加工方法在一定条件下所能达到的加工精度,一般情况下，有,正态分布函数为：,一、分布图法,平均尺寸,常值系统误差,随机误差,对一批零件实验分布曲线与正态分布曲线相符合,基本尺寸xM（理想公差带中心）,一、分布图法,分布曲线的用途,分析系统误差的大小和方向轴和孔的平均尺寸与xM相比，s=0.005mm,分析随机误差因素对加工精度的影响R=6=0.015mm（正态）,分析各误差范围内零件的百分比x/=2，A=0.4772，合格率：0.5+0.4772=97.72%废品率：0.5-0.4772=2.28%,分析减少废品率的有效方法6T，(a)s=0，(b)选用小的机床，亦即6T，肯定有废品轴类：右可修，左不可修孔类：右不可修，左可修,分析工序能力系数,例如：加工200.01mm轴，加工后实测平均尺寸为20.005mm，=0.0025，求其加工误差情况？,二、点图法,（1）逐点点图,在一批零件的加工过程中，依次测量每个零件的加工尺寸，并记入以顺次加工的零件号为横坐标、零件加工尺寸为纵坐标的图表中，便构成了逐点点图。,采用逐点点图分析，可把变值系统误差和随机误差区分开，便于通过误差补偿的方法，消除各种系统误差，使加工精度得到提高。,点图反映工艺过程质量指标分布中心（系统误差）的变化点图则反映工艺过程质量指标分散范围（随机误差）的变化因此，这两个点图必须联合使用。,例：,保证和提高机械加工精度的主要途径,（1）减少或消除原始误差,提高机床成形运动精度和刚度提高夹具的制造、安装精度，减少装夹误差和对定误差提高工件加工时的刚度，减少受力变形（反向切削）减少精密件加工时的热影响，平衡热变形,（2）补偿或抵消原始误差,补偿人为制造反向误差抵消移位法加工,保证和提高机械加工精度的主要途径,（3）转移原始误差,将误差转移到不敏感方向,（4）分化或均化原始误差,分化分组加工，以利于调刀均化研磨,保证和提高机械加工精度的主要途径,6.4机械加工表面质量的影响因素及其控制,机械加工表面质量,6.4.2节,6.4.3节,6.4.1切削加工表面的形成过程,切削层金属经过第、变形区后形成了切屑，经过第变形区则形成已加工表面。,6