加工精度分析与制造质量.ppt

加工精度分析与制造质量监控技术,重点、难点：,加工精度的概念获得规定加工精度的方法影响机械加工精度的工艺因素加工误差的统计分析表面质量对仪器使用性能的影响影响表面质量的工艺因素切削加工过程的振动,2.1基本概念,加工精度：是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的符合程度。加工误差：指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度。,尺寸精度：指加工后零件的实际尺寸与零件尺寸的公差带中心的符合程度；形状精度：指加工后零件的实际几何形状与理想几何形状的相符合程度；理想的几何形状：绝对平面、绝对圆柱面、绝对圆锥面、绝对渐开面、绝对螺旋面等。,学过的形状公差：直线度（一）、平面度（）、圆度（）、圆柱度（）、线轮廓度（）、面轮廓度（）。位置精度：指加工后零件有关表面之间的实际位置与理想位置的相符合程度。理想位置：绝对的平行、绝对的垂直、绝对同轴和绝对角度。学过的位置公差：平行度（）、垂直度（）、倾斜度（）、同轴度（）、对称度（）、位置度（）、圆跳动（）、全跳动（）。,2.1.2获得规定加工精度的方法,获得尺寸精度的方法试切法：定尺寸刀具法调整法数控加工法,试切法：通过试切测量调整再试切的反复过程来获得尺寸精度的方法。其加工精度取决于测量精度和进刀机构精度。试切法可能达到很高的精度，但它费时效率低，且依赖技工水平。试切法适用于单件、小批生产。,定尺寸刀具法,用具有一定形状和尺寸的刀具加工，使加工表面得到要求的形状和尺寸。加工精度取决于刀具本身的尺寸精度、磨损和刀具安装，适用于各种类型的生产。例如：钻孔、铰孔、拉孔、镗孔和攻丝等。加工精度比较稳定，几乎与工人技术水平无关，生产率较高。,调整法,用择件或首件试切，预先调整好机床、夹具、刀具和工件的相对位置和相互运动关系，再进行加工。加工精度取决于调整精度，适用于成批或大量生产。在应用调整法加工过程中，应根据刀具或砂轮的磨损规律，对机床作定期补充调整，以避免工件尺寸超差。,数控加工法,采用数字控制法加工零件时，只要将刀具用对刀装置安装在一定的位置上，依靠软件输入的信息，通过计算机和数字控制装置，就能使数控机床保证刀具和工件间按预定的相对运动轨迹运动，获得所要求的加工尺寸。适用于各种加工类型的零件加工。,获得形状精度的主要方法,成形运动法非成形运动法,成形运动法,以刀具的刀尖作为一点，相对工件作有规律的切削运动，从而使零件表面获得所要求形状的加工方法。在生产中，为了提高效率，常用刀具整个刃口来代替刀尖。,将成形运动法大致分为以下三类：,i)轨迹法ii)成形法iii)展成法（范成法）,i)轨迹法,让刀具相对于工件作有规律的运动，以其刀尖轨迹获得所要求的表面几何形状。下图所示为车圆锥面。D:加工精度分析与制造质量监控技术加工精度轨迹法.swf,ii)成形法,用成型刀取代普通刀，成型刀的切削刃就是工件外形。下图所示为用成形法车球面。这种方法可以简化机床，提高生产率。精度取决于成形运动的精度，取决于刀刃的形状精度。D:加工精度分析与制造质量监控技术加工精度成型法.swf,iii)展成法（范成法）,利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法称为展成法。展成法所得被加工表面是切削刃和工件作展成运动过程中所形成的包络面，切削刃形状必须是被加工面的共轭曲线。它所获得的精度取决于切削刃的形状和展成运动的精度等。这种方法用于各种齿轮齿廓、花键键齿、蜗轮轮齿的加工，其特点是刀刃的形状与所需表面几何形状不同。例如齿轮加工，刀刃为直线（滚刀、齿条刀），而加工表面为渐开线。展成法形成的渐开线是滚刀与工件按严格速比转动，刀刃的一系列切削位置的包络线。D:加工精度分析与制造质量监控技术加工精度范成法.swf,非成形运动法,定义：通过对加工表面形状的检测，由工人对其进行相应的修整加工，以获得所要求的形状精度。尽管非成形运动法是获得零件表面形状精度的最原始方法，效率相对比较低，但当零件形状精度要求很高（超过现有机床设备所能提供的成形运动精度）时，常采用此方法。例如，0级平板的加工，就是通过三块平板配刮方法来保证其平面度要求的。零件表面形状精度是靠加工过程中对加工表面的积极检验和工人熟练操作技术获得的。到目前为止，对某些复杂的成形表面和形状精度要求很高的表面仍采用非成形运动法。,3.获得位置精度的方法,一次安装法多次安装法,一次安装法,有位置精度要求的零件各有关表面是在工件同一次安装中完成并保证的。例如，轴类零件外圆与端面的垂直度、箱体孔系中各孔之间的平行度、垂直度，同一轴线上各孔的同轴度。,多次安装法,零件有关表面间的位置精度是由加工表面与工件定位基准面之间的位置精度决定的。例如，轴类零件上键槽对外表面的对称度，箱体平面与平面之间的平行度、垂直度等。,i)直接安装法,工件直接安装在机床上，从而保证加工表面与定位基准面之间的位置精度。例如，在车床上加工与外圆同轴的内孔，可用三爪卡盘直接安装工件，如图所示。,找正安装法可分为直接找正安装和划线找正安装两种。(a)直接找正(b)划线找正,直接找正安装是用划针和百分表或通过目测直接在机床上找正工件位置的装夹方法。上图（a）所示是用四爪单动卡盘装夹套筒，先用百分表按工件外圆A进行找正后，再夹紧工件进行外圆B的车削，以保证套筒的A、B圆柱面的同轴度。划线找正安装是用划针根据毛坯或半成品上所划的线为基准找正它在机床上正确位置的一种安装方法。如上图（b）所示的车床床身毛坯，为保证床身各加工面和非加工面的位置尺寸及各加工面的余量，可先在钳工台上划好线，然后在龙门刨床工作台上用可调支承支起床身毛坯，用划针按线找正并夹紧，再对床身底平面进行粗刨。,iii)夹具安装法：通过夹具保证加工表面与定位基准面之间的位置精度，即用夹具上的定位元件使工件获得正确位置的一种方法。这种方法定位迅速、方便，定位精度高、稳定。但专用夹具的制造周期长、费用高，故广泛用于成批、大量生产中。,第二节影响机械加工精度的工艺因素,一、方法误差方法误差：亦即理论误差，是指采用了近似的加工方法进行加工而产生的误差。近似的加工方法包括：近似的刀具轮廓，近似的成形运动，近似的传动方式。,2.以齿轮滚刀加工齿轮为例，分析出这种方法同时存在两种误差。图1-2-1滚切渐开线齿形用阿基米德基本蜗杆或法向齿廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的方法误差。如图1-2-1所示，由于滚刀的切削刃是直线，切出的齿形并非是一条连续的渐开线，而是由折线组成的近似渐开线齿形。,3.存在方法误差的必要性,采用近似的加工原理，在保证一定加工精度的前提下，可以大大简化加工工艺过程，简化机床、刀具等工装结构，降低制造费用，由于简化了机床结构，减少了运动环节及其误差。,二、机床误差,主轴回转误差机床误差包括机床导轨误差机床传动链误差,机床主轴回转误差,轴向窜动误差：主轴实际回转轴线的位置作纯轴向偏移；径向跳动误差：主轴实际回转轴线作纯径向偏移与由主轴轴线角摆动所引起的径向偏移之和。,1.主轴使用滑动轴承时的结构中，影响主轴回转精度的主要因素是主轴轴颈或轴承内径的圆度误差以及它们之间的配合情况。径向跳动的影响i)工件回转类机床（如车床、磨床）上，主轴轴颈的圆度误差对主轴径向跳动影响较大，而轴承内径的圆度误差对主轴径向跳动影响较小，如图1-2-2所示。,因为在这种情形下，切削力（或磨削力）的方向基本不变，主轴在切削力的作用下，主轴颈以不同的部位和轴承内径的某一固定部位相接触，故而主轴轴颈的圆度误差对主轴径向跳动影响较大，而轴承内径的圆度误差对主轴径向跳动影响较小。,ii)刀具回转类机床（如镗床）上，轴承内表面的圆度误差对主轴径向跳动影响较大，而主轴颈圆度误差的影响则不大，如图1-2-3所示,因为在此情形下，切削力方向随着主轴回转而变化，主轴颈在切削力作用下总是以某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，故而轴承内表面的圆度误差对主轴径向跳动影响较大，而主轴颈圆度误差的影响则不大。,轴向窜动的影响,主轴的轴向窜动主要是由主轴轴颈的轴向承载面和主轴箱体孔轴承承载面的精度所引起；并且决定于轴承承载端面和主轴轴颈的轴向承载面这两者中精度较高的一个，只要两者中有一个精度非常高，则主轴的轴向窜动就可以非常小。如图1-2-4所示。,图1-2-4主轴轴颈与轴承的配合情况,2.当机床主轴是使用滚动轴承结构时，主轴回转精度不但取决于滚动轴承本身的精度，而且在很大程度上和配合件的精度有关。对径向跳动的影响因素很多，主要由外圈与箱体孔的配合情况，内圈与主轴轴颈的配合情况，内外圈滚道的圆度、外圈滚道对外圆的同轴度，内圈滚动对内孔的同轴度，以及滚动体的形状精度和尺寸一致性等。,i)内外圈滚道的圆度误差和滚道相对于轴承内孔的偏心引起的径向跳动最大。对工件回转类机床，内圈滚道的精度影响较大；对刀具回转类机床，外圈滚道的精度影响较大。ii)内外圈滚道的波纹度对主轴产生高频的径向跳动，如图1-2-5所示iii)滚动体的形状精度和尺寸一致性也会造成主轴的径向跳动，如图1-2-6所示。,图1-2-5滚动轴承滚道波纹图1-2-6滚动轴承的滚动体对回转精度的影响尺寸差对回转精度的影响,双转跳动,保持架转速约为内环转速的1/2，即每当主轴回转两周，主轴轴线就径向跳动一次，所谓的双转跳动。,对轴向窜动的影响：决定于两个滚道的精度和滚动体的精度（如图1-2-7）图1-2-7滚动体的形状误差和尺寸不一致对轴向窜动的影响,i)两个滚道与轴线的垂直度对主轴轴向窜动的影响与滑动轴承相似主轴的轴向窜动决定于两者中精度较高的一个，如果其中的一个滚道精度非常高，则主轴的轴向窜动量将很小。ii)滚动体的形状误差和尺寸一致性会影响主轴的轴向窜动，其中形状误差会造成轴向间隙的变化，尺寸的不一致会造成少数滚动体承载，刚度降低而易于变形。,3.在转配前后轴承时，不正确的装配方法会引起较大的径向跳动。在下图1-2-8中：图1-2-8不同装配方法引起的不同精度效果,L前后轴承跨距a主轴前支承至测量界面距离ea主轴前支承的跳动量eb主轴后支承的跳动量由图1-2-8（a）可得：,由图1-2-8（b）可得：,欲使,条件为：,由此式可知，为了减小主轴的径向跳动误差，转配时应保证：前后轴承的最大跳动量ea、eb应在同一轴向截面内，且应在同一轴侧；ea1.33，这时加工精度足够工件公差要求，且适宜用“精度图法”和“点图法”来控制加工精度。1.00Cp1.33，工艺系统的加工精度能够满足公差要求，适宜用“点图法”控制加工精度，但当Cp接近于1.00时，要特别注意。,Cp1.00，表示废品在所难免，可用“分布曲线法”分析废品率，合理调整机床使不可修复废品率控制在一定的百分比之内，必要应采取工艺措施，或换用较精密的加工方法，以提高工序的加工精度，使6，来保证加工的精度要求。,第四节机械加工的表面质量,1.加工表面质量：是指零件在加工以后的表层形态。2.表面质量包括：表面层的微观几何形状表面层的物理性质,表面层的微观几何形状,(如图1-4-1)表面粗糙度：加工表面上微小峰谷和间距组成的微观几何形状，波距小于1mm。表面波度：表明微观几何形状特征，波距110mm之间（以、HB表示）图1-4-1表面层的微观几何形状示意图,表面层的物理性质,表面层的冷作硬化：机械加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使表面层的强度和硬度都有所提高的现象。表面层金相组织变化：加工时因表面层温度的影响，会引起金相组织发生变化。如磨削时会出现回火组织和二次淬火组织等，这些变化将改变表层金属的物理机械性能，对产品质量有很大的影响。,表面层残余应力：加工时因切削变形和切削热的影响，在表面层出现冷作硬化的同时，必然还会产生残余应力。,二、表面质量对仪器使用性能的影响,主要可以概括为以下几个方面：耐磨性配合性质疲劳强度耐腐蚀性,三、影响表面质量的工艺因素,影响表面粗糙度的因素加工表面的冷作硬化加工表面金相组织变化加工表面的残余应力,影响表面粗糙度的因素,1、切削加工2、磨削加工,1、切削加工,在用金属切削刀具对零件表面进行加工时，造成加工表面粗糙度的因素有：几何因素物理因素工艺系统的振动,2、磨削加工,磨削加工表面粗糙度的形成，也与加工过程中的几何因素、物理因素等有关。,四、切削加工过程的振动,振动的危害性1.在车、铣、镗加工时，常产生剧烈的振动，振动后果：恶化加工表面质量加剧刀具和机床的磨损缩短机床及刀具的寿命崩刃2.振动时产生的噪音，造成环境污染3.磨削加工时，使加工后的工件表面产生振纹，影响零件的使用性能及寿命,振动类型.自由振动.强迫振动.自激振动据统计，在机床的震动当中,自由振动只占5左右，而强迫振动约占30，自激振动则占65。,自由振动,定义:由一个外界刺激力所引起，当外界刺激力去除后，由于系统中总是存在着阻尼，因而振动将逐渐衰减，这种没有支持振动的变动力的振动，称之为自由振动。,强迫振动,定义:在外界周期性干扰力持续作用下，振动系统被迫产生的振动。支持振动的变动力是由外界产生的，不受振动系统的控制，振动的特性由外界决定。,自激振动,定义:由外界偶然因素刺激而产生振动，支持振动的变动力是在振动过程中产生，并受振动过程的控制，当振动运动停止时，变动力即消失，这种振动称为自激振动。,机械加工表面质量,一零件的表面质量及其对使用性能的影响二影响机械加工表面粗糙度的因素三影响表面物理力学性能的工艺因素四磨削的表面质量五控制表面质量的工艺途径,Chap.3:机械加工表面质量,一、零件的表面质量及其对使用性能的影响,1概述表面质量是指零件加工后的表面层状态表面质量影响零件的工作性能、可靠性、寿命,零件的表面质量及其对使用性能的影响,Moretolearn,表面质量的主要内容：表面层的几何形状特征表面粗糙度：即表面微观几何形状误差表面几何形状：即表面宏观不平度波度：介于宏观几何误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差,零件的表面质量及其对使用性能的影响,Moretolearn,表面层的物理力学性能的变化物理力学性能：表面层塑性变形引起的冷作硬化层深度；表面层硬度的变化；表面层内的残余应力；刀瘤引起的撕裂、折皱等；微观及宏观裂纹；性能（如极限强度等）的变化；重熔金属的沉积层,零件的表面质量及其对使用性能的影响,Moretolearn,金相组织：相变；再结晶；过时效。化学性质：晶间腐蚀和选择性浸蚀；表面脆化（氢脆）,零件的表面质量及其对使用性能的影响,Moretolearn,2表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件耐磨性的影响两零件作相对运动时，接触的凸峰处产生弹性变形、塑性变形、剪切等现象，即产生磨损；磨损达到一定程度，接触面积增大，金属分子间的亲和力使表面咬焊；表面轮廓形状、加工纹路以及吸附层、冷作硬化层等也影响耐磨。,零件的表面质量及其对使用性能的影响,Moretolearn,零件表面层材料的冷作硬化，能提高表面层的硬度，增强表面层的接触刚度，减少摩擦表面间发生弹性和塑性变形的可能性，使金属之间咬合的现象减少，因而增强耐磨性。但硬化过度会降低金属组织的稳定性，使表层金属脆化而脱落，致使磨损加剧。,零件的表面质量及其对使用性能的影响,表面质量对零件疲劳强度的影响表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷引起应力集中而产生疲劳损坏；表面层的残余应力和冷作硬化能提高疲劳强度（故有专门的表面强化工艺：喷丸、滚压）；但硬化过度会降低金属组织的稳定性，使表层金属脆化而脱落或产生裂纹，致使磨损加剧。,零件的表面质量及其对使用性能的影响,表面质量对零件抗腐蚀性能的影响零件表面粗糙的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀或电化学腐蚀；在应力状态下，特别是在拉应力状态下工作，容易出现裂纹，引起晶间破坏，产生应力腐蚀。,零件的表面质量及其对使用性能的影响,表面质量影响零件的配合性质相配零件的配合关系是利用间隙量和过盈量来表示的，由于表面粗糙度的存在，使得有效的间隙或过盈量发生变化，影响配合精度和配合性质；动配合件的磨损改变原来的配合性质，影响动配合的稳定性；粗糙的静配合的实际过盈量比预定的小，静配合的可靠性差。,零件的表面质量及其对使用性能的影响,表面质量对零件其他性能的影响零件的表面质量还将对零件的密封性能、零件的接触刚度、运动的灵活性和发热损失、原有精度等产生影响。,零件的表面质量及其对使用性能的影响,3影响表面质量的因素机械加工表面不可能是理想光滑表面表面层材料加工时会产生物理、化学变化切削力、切削热使表层产生各种变化外界介质的腐蚀等等,零件的表面质量及其对使用性能的影响,二、影响机械加工表面粗糙度的因素,1影响切削加工表面粗糙度的因素几何因素尖刀切削时：带圆角半径的刀切削时：,影响机械加工表面粗糙度的因素,Moretolearn,影响表面粗糙度的几何因素有：刀具的几何形状和几何角度进给量刀刃本身的粗糙度物理因素切削力和摩擦力塑性变形过程中形成的积屑瘤切削过程中工件表面上形成鳞刺,影响机械加工表面粗糙度的因素,Moretolearn,工艺系统的动态因素振动机械振动分为自由振动、强迫振动、自激振动三大类，金属切削过程中，主要是强迫振动和自激振动两种类型振动主要是产生波度、粗糙度而影响零件表面质量,影响机械加工表面粗糙度的因素,2降低表面粗糙度的工艺措施合理选择刀具的几何角度适当增大前角、后角增大刀尖圆弧半径减小主、副偏角改善材料切削性能减小材料塑性（采取正火、调质等方法）细化材料晶粒（热处理）,影响机械加工表面粗糙度的因素,合理选择切削用量合理选择切削速度，避开积屑瘤、鳞刺产生的切削速度区减少进给量切削深度不宜过小正确使用切削液乳化液、硫化油、植物油等性能各有不同，应合理选用,影响机械加工表面粗糙度的因素,采用辅助加工方法常用的有：研磨、珩磨、超精加工等提高工艺系统的精度和刚度主运动和进给运动系统的精度要高系统的刚度和抗振性好受力变形和热变形要小,影响机械加工表面粗糙度的因素,三、影响表面物理力学性能的工艺因素,1表面层的残余应力表面层残余应力的产生当切削过程中表面层组织发生形状变化和组织变化时，在表面层及其与基体材料的交界处就会产生互相平衡的弹性应力，称为表面残余应力,影响表面物理力学性能的工艺因素,残余应力分类：零件整个尺寸范围内平衡的残余应力晶粒范围内平衡的残余应力晶胞间平衡的残余应力残余应力产生的原因冷塑性变形（切削力的作用）热塑性变形（切削热的作用）金相组织变化（切削高温作用下，引起表面层金属发生相变）通常是上述三种原因综合作用的结果,影响表面物理力学性能的工艺因素,2表面层的加工硬化表面冷作硬化现象切削（含磨削）过程中，刀具前面迫使金属受到挤压而产生塑性变形，使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并使晶粒拉长、破碎和纤维化，引起材料强化、硬度提高，这就是冷作硬化现象,影响表面物理力学性能的工艺因素,表面层硬化后的金属性质的具体特点为：晶体形状改变（拉长、破碎）晶体方向改变（塑性变形后形成一定方向，纤维化）变形抵抗力增加（产生冷作硬化）导电性、导磁性、导热性亦有变化表面层产生残余应力决定表面层硬化程度的因素产生塑性变形的力塑性变形的速度塑性变形时的温度,影响表面物理力学性能的工艺因素,影响加工冷作硬化的因素切削用量（主要是切削速度、进给量。切削速度的影响：低速时，塑性变形大，冷硬大；速度增加，冷硬减少；但速度超过100m/min时，冷硬又增加。进给量增大，塑性变形增大，冷硬增加；进给量太小，刀具挤压作用增大，冷硬增加。）,影响表面物理力学性能的工艺因素,Moretolearn,影响表面物理力学性能的工艺因素,刀具（刀具的刃口圆角大和后刀面的磨损严重以及前刀面的粗糙度高，都将使得刀具对工件表面层金属的挤压和摩擦作用增加，因而冷硬程度和深度都增加。）工件材料的影响（工件材料硬度越低，切削时塑性变形越大，冷硬现象越严重。）,四、磨削的表面质量,1磨削加工的特点磨削精度高，通常作为终加工工序磨削过程比切削复杂，一般滑擦、刻划、切削作用是同时进行的磨削速度高，通常v砂=4050m/s，目前甚至高达v砂=80200m/s磨削温度高，磨削点附近的瞬时温度可高达8001000，会引起烧伤和裂纹径向切削力大，会引起机床发生振动和弹性变形,磨削的表面质量,2影响磨削加工表面粗糙度的因素砂轮的线速度：砂轮线速度越高，粗糙度越低工件的线速度：工件线速度越低，粗糙度越低纵向进给量：纵向进给量增加，粗糙度增大光磨次数：光磨次数越多，粗糙度越低,磨削的表面质量,Moretolearn,磨削的表面质量,砂轮性质对粗糙度影响：砂轮的粒度砂轮的硬度砂轮的修整工件材料的影响：工件材料太软、太硬、太韧都不容易降低粗糙度,3磨削表面层的残余应力磨削裂纹问题磨削过程中残余应力的产生磨削加工比切削加工的表面残余应力更为复杂：一方面，磨粒切削刃为负前角，法向切削力一般为切向切削力的23倍（切削加工时只有0.5倍）磨粒对加工表面作用，引起冷塑性变形，产生压应力；另一方面，磨削温度高，易引起热塑性变形，表面出现拉应力,磨削的表面质量,Moretolearn,磨削的表面质量,磨削时，残余应力可能超过材料的强度极限，零件会产生裂纹，有的在外表层，有的在内层下；裂纹方向常与磨削方向垂直，或呈网状；裂纹常与烧伤同现,磨削裂纹产生的原因磨削用量：磨削深度和纵向走刀量大，则塑性变形大，切削温度高，拉应力过大，可能产生裂纹工件材料：含碳量高者易裂纹热处理工序：与淬火方式、速度及操作方法有关,磨削的表面质量,Moretolearn,消除和减少磨削裂纹的措施合理选材正确制订热处理工艺逐渐减小切除量改善散热条件，加强冷却效果，设法降低切削热合理选择砂轮,磨削的表面质量,4磨削表面层金相组织变化磨削烧伤问题磨削过程中的烧伤问题磨削过程中，由于磨削温度很高，而且磨削热有6080%传给工件，当磨削温度超过相变临界点时，则会引起工件表面的金相