课题二十七 机械加工质量分析.ppt

课题二十七机械加工质量分析,【教学目的和要求】了解机械加工质量的相关概念，掌握影响机械加工质量的因素和规律。初步具备能够理论联系实际分析械加工精度和表面质量问题的能力。【教学内容摘要】本课题包括机械加工精度和加工表面质量两方面内容。机械加工精度主要讨论工艺系统各环节中存在的各种原始误差及其对加工精度的影响，以及保证零件加工精度的措施。加工表面质量涉及表面质量的概念、影响表面粗糙度的因素、零件表面变形层物理力学性能及其影响因素。,【教学重点、难点】本课题教学重点是原始误差对加工精度的影响，影响表面质量的工艺因素，保证零件加工精度和提高表面质量的措施。难点是深刻理解相关理论并掌握分析解决加工质量问题的途径和方法。【教学方法和使用教具】讲授法、讨论。【教学时数】8学时【教学内容】,问题一：机械加工精度分析,一、原始误差及其分类在机械加工时，由机床、夹具、刀具和工件构成的系统称为工艺系统。工艺系统各环节中所存在的各种误差称为原始误差。影响原始误差的因素很多，一部分与工艺系统本身的初始状态有关，一部分与切削过程有关，还有一部分与工件加工后的情况有关。一般可将其作下述分类。,原始误差,加工前的误差,加工中的误差,加工后的误差,加工原理误差,工艺系统受力变形,工艺系统热变形,磨损误差,度量误差,内应力引起的变形,调整误差,刀夹具制造误差,定位误差,机床几何误差,二、加工原理误差及其对加工精度的影响,加工原理误差是由于采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓所产生的误差。,例如，常用的齿轮滚刀就有两种误差：一是滚刀刀刃的近似造形原理误差，即由于制造上的困难，采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆；二是由于滚刀刀刃数有限，所切成的齿轮齿形是一条折线，并非理论上的光滑曲线，所以滚切齿轮是一种近似的加工方法。,再如车削模数蜗杆时，由于蜗杆的螺距等于蜗轮的周节（齿距，即），其中m是模数，而是一个无理数，但车床配挂齿轮的齿数是有限的，因此在选择配挂齿轮时，只能将化为近似的分数值计算，这样就会引起刀具相对工件的成形运动不准确，造成螺距误差。但是这种螺距误差可以通过配换合适的齿轮而减小。,三、工艺系统几何误差及其对加工精度的影响,（一）机床的几何误差产生原因：机床的制造、安装和磨损表现方面：主轴回转误差、导轨导向误差和传动链传动误差,主轴回转运动误差的概念及其影响因素主轴回转误差就是主轴的实际回转轴线相对于平均回转轴线（实际回转轴线的对称中心线）的最大变动量。主轴回转误差可分解为三种基本形式：轴向窜动、径向跳动和角度摆动。,1、机床主轴回转误差,影响主轴回转精度的因素,支承主轴轴径的滑动轴承内孔或滚动轴承滚道的圆度误差；滚动轴承内环孔与滚道的同轴度误差；滑动轴承的内孔或滚动轴承滚道的波度；滚动轴承滚子的形状误差和尺寸差；轴承间隙以及切削中的受力变形等。此外，还有轴承定位端面和轴心线垂直度误差、轴承端面之间的平行度误差及锁紧螺母端面跳动等,主轴回转误差对加工精度的影响例：图示为车削外圆表面时发生在不同方向上的相对位移对加工工序尺寸所产生的影响,（RR）2R2Z2展开并整理，得：R=Z2/2R-R2/2R因为R2/2R是R的高阶无穷小量，故可舍去不计，则RZ2/2R。,分析,误差敏感方向对加工精度影响最大的原始误差方向（法向）误差非敏感方向对加工精度影响最小的原始误差方向（切向）,由以上讨论可以知道，在分析原始误差对加工精度的影响时，应主要在误差敏感方向上进行分析,主轴回转误差对加工精度的影响，随加工方法的不同而异,例1,例2,提高主轴回转精度的措施提高主轴部件（特别是轴承）的制造精度滚动轴承可进行预紧消除间隙提高主轴支承轴径、箱体支承孔的加工精度使用中，对主轴部件进行良好的维护保养以及定期维修采取误差转移措施减小机床主轴回转误差对加工精度的影响（如死顶尖）,产生原因：机床导轨的制造误差、安装误差、磨损误差表现方面及对加工精度的影响,2、机床导轨导向误差,导轨在水平面内的直线度误差,导轨在垂直面内的直线度误差,机床两导轨的平行度误差（扭曲）,在机械加工中，对于某些表面的加工，如车螺纹、滚齿和插齿等，为保证工件的精度，要求工件和刀具之间必须有准确的速比关系。这种速比关系的获得取决于机床传动系统中工件与刀具之间的内联系传动链的传动精度。传动精度又取决于传动链中各传动零件的制造和装配精度，以及在使用过程中各传动零件的磨损程度。另外，各传动零件在传动链中的位置不同，对传动链传动精度的影响程度也不同。传动链中末端传动元件的转角误差对传动链传动精度的影响最大，将直接反映到工件的加工精度上。因此，为保证传动链的传动精度，应注意保证传动机构尤其是末端传动件的制造和装配精度，尽量减少传动元件，缩短传动路线或必要时采用附加的校正机构。,3、传动链误差,（二）调整误差1、试切法加工误差来源主要有：（1）测量误差（2）微进给机构的位移误差（“爬行”）（3）最小切削厚度极限,（二）调整误差2、调整法加工调整误差与所用调整方法有关。常用调整方法有：（1）用定程机构调整（2）用样板或样件调整（3）用对刀或导引元件调整,（三）刀具、夹具制造误差及工件定位误差机械加工中常用的刀具有：一般刀具定尺寸刀具成形刀具夹具制造误差一般指定位元件、导向元件及夹具体等零件制造和装配误差。工件的定位误差前已述。,（四）工艺系统磨损误差1、工艺系统磨损对加工精度的影响,工艺系统中机床、夹具、刀具以及量具虽然都会磨损，但其磨损速度和程度对加工精度的影响不同。其中以刀具的磨损速度最快，对加工精度影响最明显，而机床、夹具、量具的磨损比较缓慢，对加工精度影响也不明显,2、减少工艺系统磨损的主要措施（1）对机床的主要表面采用防护装置（2）采取有效的润滑措施（3）提高零部件的耐磨性（4）选用新的耐磨刀具材料（如立方氮化硼）,四、工艺系统受力变形对加工精度的影响,实例：讨论分析误差产生原因,例1,例2,无进给磨削（光磨），磨削时火花继续存在，且先多后少，直至消失,分析结果,工艺系统的受力变形是加工中一项很重要的原始误差。它不仅严重地影响加工精度，而且还影响表面质量，也会限制切削用量和生产率的提高,（一）工艺系统刚度分析工艺系统刚度定义为：工件加工表面法向分力与刀具相对工件在该力方向上的位移的比值1、工件、刀具的刚度,例,2、接触刚度接触刚度不是一个常数，即其变形量与外力之间不是线性关系。影响接触刚度的因素主要有：（1）相互接触表面的几何形状误差和表面粗糙度（2）材料及其硬度,3、机床部件的刚度（1）机床部件刚度的特性外力与变形之间是一种非线性函数关系。,（2）影响机床部件刚度的主要因素1）各接触面的接触变形。2）各薄弱环节零件的变形,3）间隙和摩擦的影响,4、夹具的刚度,（二）工艺系统受力变形对加工精度的影响,1、切削力对加工精度的影响（1）切削力大小的变化对加工精度的影响,切削力大小的变化,几何形状误差,材料硬度不均匀,加工之后工件所具有与加工之前相类似的误差的现象，称为“误差复映”假设加工之前工件（毛坯）所具有的误差为m，加工之后工件所具有的误差为w，令=w/m表示了加工误差与毛坯误差之间的比例关系，即“误差复映”的规律，故称为“误差复映系数”“误差复映”规律是普遍存在的，加工之前工件（毛坯）所具有的各种误差，总是以一定程度复映到加工后的工件上，因此，在加工时，应采取措施减小误差复映，保证加工精度,减小误差复映措施：,提高工艺系统刚度kxt减小毛坯误差m多次走刀,（2）切削力作用点位置的变化对加工精度的影响下面以在两顶尖间车削光轴为例予以分析：1）在两顶尖间车削短而粗的光轴,工件具有腰鼓形圆柱度误差,工件具有马鞍形圆柱度误差,2）在两顶尖间车削细而长的光轴,通过上述分析可知,当工艺系统各处的刚度值不同时，工件产生的形状误差值也不同。工艺系统各处的刚度相差越大，产生的形状误差也越大。由此可以得到结论，从减小形状误差来看，工艺系统各部分刚度不要相差过大。在很多情况下，某一部分刚度过高于其它部分刚度的意义不大。找出刚度薄弱环节加以提高，使其和其它部分的刚度大体接近的办法常称为刚度平衡，这是提高工艺系统刚度，减少加工误差的一个有效途径,2、惯性力、传动力和夹紧力对加工精度的影响（1）惯性力和传动力对加工精度的影响,例,（2）夹紧力对加工精度的影响,例,3、减少工艺系统受力变形的主要工艺措施（1）提高接触刚度措施：改善主要零件接触面的配合质量零部件之间预加载荷（2）提高工件刚度，减少受力变形,（3）提高机床部件刚度，减少受力变形,例,（4）合理装夹工件，减少夹紧变形,例,（4）合理装夹工件，减少夹紧变形,例,五、工艺系统热变形对加工误差的影响,加工精度主要取决于工艺系统的两个性能，即系统的静态-动态力学特性和热学特性。据统计，在精密加工和大件加工当中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的4070,1、工艺系统的热源及热平衡,工艺系统的热源,内部热源,外部热源,摩擦热,切削热,环境温度,热辐射,2、工件热变形对加工精度的影响引起工件热变形的热源主要是切削热，有些大型精密件还受环境温度影响。工件热变形对加工精度的影响可分为四种情况：工件均匀受热尺寸误差工件不均匀受热形状误差工件热变形受阻形状误差工件结构和散热条件不同形状误差,减少切削热粗、精加工工序分开合理选择切削用量和刀具几何参数，以及进行充分冷却等,减少工件热变形对加工精度影响的主要措施,3、刀具的热变形对加工精度的影响连续切削间断切削4、机床热变形对加工精度的影响,5减少工艺系统热变形的工艺措施（1）减少发热和隔热（2）加强散热能力（3）控制温度变化缩短机床预热期，既有利于保证加工精度，又有利于提高生产率。缩短机床预热期有两种方法：加工工件前，让机床先高速空运转，当机床迅速达到热平衡后，再换成工作转速进行加工；在机床的适当部位附设加热源，机床开动初期人为地给机床供热，促使其迅速达到热平衡。,（4）均衡温度场,（5）采取补偿措施,六、工件内应力对加工精度的影响,1、内应力的概念所谓内应力（残余应力）是指当外部的载荷除去以后，仍残存在工件内部的应力。内应力主要是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化而产生的。其外界因素来自热加工和冷加工。,机械加工中一般认为内应力是有害的,具有内应力的工件处于一种不稳定状态中，它内部的组织有强烈的倾向要恢复到一种没有应力的状态。即使在常温下，其内部组织也在不断地发生着变化，直到内应力消失为止。在内应力变化的过程中，零件的形状逐渐地变化，原有的精度也会逐渐地丧失,2、内应力产生的原因及所引起的加工误差（1）毛坯制造中产生的内应力,例,（2）冷校直带来的内应力,例,例,冷校直虽然减少了弯曲，但工件仍处于不稳定状态，如再次加工，又将产生新的弯曲变形。因此，高精度丝杠的加工，不采用冷校直，而是用多次人工时效或热校直、加大毛坯余量等措施，来消除或减小内应力对加工精度的影响,（3）切削加工中产生的内应力,切削时，工件表面层在切削力和切削热的作用下，由于工件各部分产生不同的塑性变形，以及金属组织等变化的影响也会引起内应力。这种内应力的分布情况（应力的大小及方向）由加工时的工艺因素来决定,3、减少或消除内应力的措施（1）合理设计零件结构在零件结构设计中，应尽量缩小零件各部分厚度尺寸之间的差异，以减少铸、锻件毛坯在制造中产生的内应力。（2）采取时效处理自然时效处理、人工时效处理、振动时效处理（3）合理安排工艺过程,七、保证加工精度的工艺措施,1、直接减小误差法这种方法是生产中应用较广的一种方法，它是在查明产生加工误差的原始误差之后，设法对其进行消除或减小。实例：采用“大主偏角反向切削法”车削细长轴，基本上消除了轴向切削力引起的弯曲变形。若辅之以弹簧顶尖，可进一步消除热变形引起的热伸长的危害,2、误差补偿法误差补偿法是人为地造出一种新的误差，去抵消原来工艺系统中固有的原始误差。,实例1：用预加载荷法精加工磨床床身导轨，借以补偿装配后受有关机床部件自重影响而产生的变形，以及热变形造成加工后床身导轨面中凹的加工误差。,实例2：用校正机构提高丝杠车床传动链精度。,3、误差分组法在加工中，上道工序毛坯或工件误差的存在，会造成本工序的加工误差。这种上道工序加工完后工件所存在的加工误差，对本工序的影响主要有两种情况：（1）误差复映引起本工序加工误差扩大。（2）定位误差引起本工序位置误差扩大。,批量较大时，解决这类问题最好是采用分组调整均分误差的办法。这种办法的实质就是把上道工序加工完后工件所存在的加工误差按误差的大小分为n组，每组误差范围就缩小为原来的1/n。然后按各组误差的基本情况分别调整加工,4、误差转移法,误差转移法的实质是转移工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等，使其对加工精度不产生影响。如当机床精度达不到精度要求时，可在工艺上或夹具上想办法，创造条件，使机床的几何误差转移到不影响加工精度的方面去。这种“以粗干精”的方法在“轴类零件加工”和“箱体零件加工”中都有所介绍。如磨削主轴锥孔时，锥孔和轴颈的同轴度，不是靠机床主轴的回转精度来保证，而是靠夹具来保证。当机床主轴与工件或镗刀杆之间采用浮动连接后，机床主轴的原始误差就不再影响加工精度,问题二：机械加工表面质量分析,机械加工表面质量是指零件表面机械加工后的表面状态,主要内容,表面的几何形状特征,表面层物理力学性能,表面粗糙度,表面波度,表面层加工硬化,表面层金相组织的变化,表面层残余应力,机械零件的失效，主要是由于零件的磨损、腐蚀和疲劳等所致。而这些破坏都是从零件表面开始的。由此可见零件表面质量将直接影响零件的工作性能，尤其是可靠性和寿命。因此探讨和研究机械加工表面质量，掌握改善表面质量的措施，对保证产品质量具有重要意义,一、影响切削加工表面粗糙度的工艺因素及改善措施,1、表面粗糙度的形成（1）与刀具几何角度有关的因素几何原因,（2）与被加工材料性质和切削机理有关的因素物理原因切削加工后表面的实际粗糙度与理论粗糙度有较大差别，这是由于在实际切削时，刀具和工件之间产生的切削力和摩擦力使表面层金属产生塑性变形，以及积屑瘤和鳞刺都会使粗糙度值增大。（3）其它原因如切削加工条件的变化，工艺系统的振动等。,2、减小表面粗糙度的措施（1）选择适当的刀具几何参数1）减小刀具的主偏角kr和副偏角kr，增大刀尖圆弧半径r,均可减小切削残留面积，使表面粗糙度值减小。2）适当增大前角和后角，刀具易于切入工件，金属塑性变形随之减小，同时切削力也明显减小，这会有效地减轻工艺系统的振动，从而使加工表面粗糙度值减小。3）增大刃倾角s，实际工作前角也随之增大，对降低表面粗糙度值有利。,（2）合理选择的切削用量1）选择较高的切削速度v,2）适当减小进给量f进给量越大，加工表面残留面积就越大，而且塑性变形也随之增大，这样表面粗糙度值就会增大。因此，减小进给量会有效地减小表面粗糙度值。3）背吃刀量对表面粗糙度的影响不明显，一般可忽略。但背吃刀量过小，如ap0.02mm0.03mm时，刀具对工件的正常切削就难以维持，经常出现挤压和摩擦，从而使表面粗糙值增大。因此，加工时不能选用过小的背吃刀量。,（3）改善工件材料组织性能一般来说，工件材料塑性越大，加工后表面粗糙度值越大。加工脆性材料，表面粗糙度值比较接近理论值。对于同样的材料，金属组织的晶粒越粗大、不均匀，加工后粗糙度值也越大。,因此，工件加工前采用合理的热处理工艺改善材料组织性能，是减小表面粗糙度值的有效途径之一,（4）合理选择刀具材料和提高刃磨质量,刀具材料与刃磨质量对产生积屑瘤、鳞刺等影响较大，因而影响着表面粗糙度。如金刚石车刀对切屑的摩擦系数较小，在切削时不会产生积屑瘤，在同样的切削条件下与其它刀具材料相比较，加工后表面粗糙度值较小,（5）合理选择切削液适当的切削液，常能抑制积屑瘤、鳞刺的生成，减小塑性变形，利于减小表面粗糙度。,除了上述工艺措施外，还可以从加工方法上着手，如采用研磨、珩磨和超精磨等加工方法，都能得到表面粗糙度很细的加工表面,二、影响磨削加工表面粗糙度的工艺因素及改善措施,磨削过程比一般刀具切削加工过程复杂的多，其表面粗糙度的形成也较复杂。单纯从几何因素考虑，磨削是由砂轮上的微刃切削、刻划出的沟槽形成。单位面积上这些沟槽数越多，深度越浅，则表面粗糙度值越小。但事实上，磨削过程中不仅有几何因素，而且也有物理因素（加工表面的塑性变形）和工艺系统的振动等影响因素,减小磨削加工表面粗糙度值的工艺措施主要有：1、提高砂轮线速度,减小磨削加工表面粗糙度值的工艺措施主要有：2、选择适当粒度的砂轮砂轮粒度越细，磨削表面粗糙度值越小。粗粒度的砂轮经过精细修整，可在一个磨粒上修出许多微刃，也能加工出粗糙度值较小的表面。普通砂轮粒度号是880，一般磨削多用4660，精密磨削多用60100,减小磨削加工表面粗糙度值的工艺措施主要有：3、精细修整砂轮工作表面4、减小磨削深度与工件线速度,此外，工件材料硬度、砂轮硬度、冷却润滑液的选择与净化等都是磨削表面粗糙度不容忽视的重要因素,三、影响表面层物理力学性能的工艺因素及改善措施,1、表面层的加工硬化机械加工时，工件加工表面层金属受到切削力的作用，产生塑性变形，使晶体产生剪切滑移，晶格被拉长、扭曲，甚至破碎而引起材料的强化，这时它的硬度和强度都有所提高，这种现象称为加工硬化（也称冷作硬化）。另一方面，机械加工中产生的切削热在一定条件下会使已产生硬化的金属回复到原来的状态，即软化。因此，表面层最后的加工硬化程度取决于硬化速度与软化速度的比率。,影响表面层加工硬化的因素可以从下面三个方面来分析：（1）切削力切削力越大，塑性变形越大，加工硬化越严重。因此，增大进给量f、背吃刀量ap及减小刀具前角0和后角0，都会增大切削力，使加工硬化严重。（2）切削温度切削温度越高，软化作用越大，使硬化程度降低。,（3）切削速度当切削速度很高时，产生的加工硬化较小。因为，刀具与工件接触时间很短，被切金属变形速度很快，会使已加工表面金属塑性变形很不充分。,以上三个方面的影响因素主要是刀具的几何参数、切削用量和被加工材料的力学性能,减小表面加工硬化的措施,（1）合理选择刀具的几何参数。尽量采用较大的前角和后角，并在刃磨时尽可能减小切削刃口圆角半径。（2）使用刀具时，应合理限制其后刀面的磨损程度。（3）合理选择切削用量。采用较高的切削速度、较小的进给量和较小的背吃刀量。（4）合理使用切削液。（5）采用合理的热处理工艺，适当提高被加工材料的硬度。,2、表面金相组织变化与磨削烧伤,切削加工过程中，在加工区由于切削热的作用，加工表面温度会升高。当温度升高到超过金相组织转变的临界点时，就会产生金相组织变化。磨削加工是一种典型的容易产生加工表面金相组织变化（磨削烧伤）的加工方法，这是由于磨削加工