第二章加工质量.ppt

第四章机械加工质量,1机械加工质量概述2产生加工误差的主要因素3表面质量的形成及影响因素4加工质量对机器零件使用性能的影响,本章提要,机器零件的加工质量是整台机器质量的基础。机器零件的加工质量一般用机械加工精度和加工表面质量两个重要指标表示，它的高低将直接影响整台机器的使用性能和寿命。本章研究机械加工精度的问题。本章讨论的内容有机械加工精度的基本概念、影响加工精度的因素、加工误差的综合分析及提高加工精度的途径四个方面。,一机械加工质量概述,1.1产品质量的概念产品质量，通常是指产品功能及其可靠性的优劣程度。是人们对产品满意程度的总体评价。机械产品质量，实质上是指机械产品在其全寿命周期表现出的优劣程度。也就是说，机械产品质量本身，已经涵盖了产品的设计、制造、销售、使用、服务、报废全过程。而机械加工质量，则是指零件机械加工的优劣程度。,1.2零件加工质量的构成,1)加工精度:尺寸精度,形状精度,位置精度;2)表面质量:表面粗糙度及波度，表层物理机械性能。见零件加工质量列表,二产生加工误差的主要因素,由机床-夹具-刀具-工件构成一个完整的加工系统，称为工艺系统。工艺系统的各因素，加工过程中可能会以不同的形式、程度反映在工件上，形成加工误差，称为原始误差。产生加工误差的工艺因素可概括为七个方面，即：工艺系统的制造精度与磨损、原理误差、安装误差、工艺系统的受力变形、工艺系统的受热变形、调整误差和度量误差。,加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数的符合程度。1）零件的尺寸精度：加工后零件的实际尺寸与零件理想尺寸相符的程度。2）零件的形状精度：加工后零件的实际形状与零件理想形状相符的程度。3）零件的位置精度：加工后零件的实际位置与零件理想位置相符的程度。,加工精度和加工误差,一、位置精度的获得方法装夹,工件的装夹与获得加工精度的方法,装夹有三种主要的方法：直接装夹、找正装夹、夹具装夹,二、获得工件尺寸精度的方法,获得工件尺寸精度的方法有：试切法、调整法、定尺寸刀具法、自动控制法,三、获得工件形状精度的方法,获得工件形状精度的方法有：轨迹法、成形法、展成法,加工误差：实际加工不可能做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。加工误差的大小表示了加工精度的高低。生产实际中用控制加工误差的方法来保证加工精度。加工精度和加工误差是从两种观点来评定零件几何参数，所谓保证和提高加工精度问题就是限制和降低加工误差问题。,加工精度和加工误差,因素分析法：通过分析、计算或实验、测试等方法，研究某一确定因素对加工精度的影响。一般不考虑其它因素的同时作用，主要是分析各项误差单独的变化规律。统计分析法：运用数理统计方法对生产中一批工件的实测结果进行数据处理，用以控制工艺过程的正常进行。主要是研究各项误差综合的变化规律，只适合于大批、大量的生产条件。,研究机械加工精度的方法,在机械加工中，零件的尺寸、几何形状和表面间相对位置的形成，取决于工件和刀具在切削运动过程中相互位置的关系。零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的系统中进行的。该系统即为工艺系统。工艺系统存在的误差称之为原始误差；原始误差是造成加工误差的根源。原始误差的存在，使工艺系统各组成部分之间的位置关系或速度关系偏离了理想状态，致使加工后的零件产生了加工误差。,影响加工精度的因素及其分析,若原始误差是在加工前已存在，即在无切削负荷的情况下检验的，称为工艺系统静误差；若在有切削负荷情况下产生的则称为工艺系统动误差。,影响加工精度的因素及其分析,原理误差：是指由于采用了近似的成形运动、近似的刀刃形状等原因而产生的加工误差。,测量误差：是工件的测量尺寸与实际尺寸的差值。加工一般精度的零件时，可占工序尺寸公差的1/51/10；加工精密零件时，可占工序尺寸公差的1/3左右。,原始误差,工艺系统静误差,工艺系统动误差,调整误差,机床误差,刀具制造误差,夹具误差,加工原理误差,工件装夹误差,工艺系统受力变形,刀具磨损,残余应力引起变形,测量误差,工艺系统热变形,影响加工精度的因素及其分析,加工前,加工中,加工后,影响加工精度的因素及其分析,4.1机床误差,（一）机床刀轨的直线度1）车床导轨在水平面内直线度误差1:1反映到工件圆柱度误差上；1:2反映到直径误差2）车床导轨在垂直面内直线度误差影响较小,4.1机床误差,（一）机床刀轨的直线度1）车床导轨在水平面内直线度误差1:1反映到工件圆柱度误差上；1:2反映到直径误差,4.1机床误差,（一）机床刀轨的直线度2）车床导轨在垂直面内直线度误差影响较小,4.1机床误差,（二）机床主轴轴线与导轨平行度（1）水平面内不平行，引起加工误差大,工件呈锥体,锥度误差为K=2a/L,例如，平行度误差a=0.03/300mm长度L=50mm的零件,产生直径误差,4.1机床误差,（二）机床主轴轴线与导轨平行度（2）垂直面内不平行，引起加工误差小,工件呈双曲面回转体，半径方向的误差为,4.1机床误差,（三）机床主轴旋转时轴线位置的变化,主轴回转轴线的运动误差可以分解为三种形式：径向圆跳动；端面圆跳动；倾角摆动。,4.1机床误差,径向跳动:主轴回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量。车外圆时它使加工面产生圆度和圆柱度误差。产生径向圆跳动误差的主要原因有：主轴支承轴颈的圆度误差、轴承工作表面的圆度误差等。车削或镗削圆柱面时将会造成圆柱度误差，但对加工精度的影响不同。,主轴径向跳动,4.1机床误差,对于工件回转类机床，如车床、外圆磨床等，因切削力的方向不变，主轴回转时作用在支承上的作用力也不变，此时，主轴的支承轴颈的圆度误差影响较大，而轴承孔圆度误差影响较小。,对于刀具回转类机床，如钻床、铣镗床等，切削力的方向随旋转方向改变，此时，主轴的支承轴颈的圆度误差影响较小，而轴承孔圆度误差影响较大。,4.1机床误差,车、磨类（工件回转）：切削力的方向大体上是不变的，主轴在切削力的作用下，主轴颈以不同部位和轴承内孔的某一固定部位相接触。因此，影响主轴回转精度的，主要是主轴轴颈的圆度和波度，而轴承孔的形状误差影响较小。,4.1机床误差,镗床类（刀具回转）：切削力方向随主轴的回转而回转，主轴颈在切削力作用下总是以其某一固定部位与轴承孔内表面的不同部位接触。因此对主轴回转精度影响较大的是轴承孔的圆度。,4.1机床误差,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B）轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动。,滚动轴承,车床（图A）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。,主轴的端面圆跳动：主轴瞬时回转轴线沿平均回转轴线作直线运动。加工圆柱面：无影响加工端面：左右螺旋面-垂直度误差被加工端面不平，与圆柱面不垂直；加工螺纹：产生螺距周期性误差。,4.1机床误差,4.1机床误差,4.1机床误差,情况一，平面摆动：主轴轴线在某一平面内在平均轴线附近作纯角度摆动。车，圆柱；镗，椭圆柱。情况二，锥角摆动：主轴轴线绕其平均轴线沿圆锥轨迹公转。车，正圆锥；镗；正圆锥。,主轴角度摆动,4.1机床误差,（四）机床导轨的磨损车床前山形导轨比后平导轨磨损严重5倍引起刀尖在水平方向的偏离,使工件半径产生R=y的误差，对加工精度影响较大。,4.2刀具误差,1）刀具制造误差刀具制造误差对加工精度的影响随刀具类型而异。影响较大的刀具类型是：定尺寸刀具（钻、铰刀）；成形刀具（成形车刀、成形铣刀）；展成法加工刀具(插齿刀、滚齿刀)等。,4.2刀具误差,2）刀具的磨损规律及其影响刀具的磨损与工件材料、刀具材料、切削用量等因素有关，但其磨损规律相似，均可分为三个阶段：I.初期磨损阶段刀具磨损较快，切削刃上应力集中，刀后面很快磨损出一狭窄面。II.正常磨损阶段磨损量大小随时间均匀增长，此阶段为刀具工作的有效范围。III.剧烈磨损阶段刀具变钝，切削力增加，温度升高，磨损加剧，加工中应避免使用此阶段。,4.2刀具误差,3）刀具磨损对精度的影响精加工中，刀具磨损引起的误差占加工误差较大比重；刀具的尺寸磨损不仅影响工件的尺寸精度，而且影响工件的形状精度；如车长轴，镗深孔时，刀具磨损会使工件出现锥度；成形刀具磨损会使工件的轮廓发生变化；刀具磨损使刀刃变钝，引起的切削力变大，导致工艺系统的弹性变形，会较刀具本身磨损引起更大的加工误差。,（一）工艺系统的刚度（动、静刚度）在外力作用下(切削力/夹紧力)，工艺系统抵抗变形的能力，称为工艺系统的刚度对加工误差影响最大的是工艺系统沿加工表面法线方向的变形。,4.3工艺系统的变形与工艺系统的刚度,4.3工艺系统的变形与工艺系统的刚度,提高工艺系统刚度的意义：（1）提高系统的加工精度；（2）提高系统抵抗变形与振动的能力；（3）可以提高切削用量，提高生产效率。,机床的刚度决定于各有关部件的刚度，且与刀具所处的位置有关：,（二）机床的刚度及其对加工精度的影响,4.3工艺系统的变形与工艺系统的刚度,（二）机床的刚度及其对加工精度的影响,影响机床刚度的因素：配合零件的接触刚度；机床零件的本身刚度；零件间的间隙；连接件刚度；,工件在两顶尖间加工：呈腰鼓形,工件在卡盘中加工：近锥或双曲面形,工件在卡盘中与后顶尖：带锥度偏腰鼓形,（三）工件的刚度及其对加工精度的影响,（三）工件的刚度及其对加工精度的影响,薄壁工件在卡盘间进行孔加工孔呈梅花形,刀具的刚度与刀具本身及其安装组件有关以镗床为例：1）刀杆悬伸长度不变：横剖面圆度误差,（四）刀具的刚度对加工精度的影响,（四）刀具的刚度对加工精度的影响,2）刀杆悬伸长度逐渐增加：孔横剖面圆度、沿轴向直径均不一致,机械加工中，毛坯的误差（主要为形状和位置误差），会以一定的程度反映到工件上，这就是误差复映。,（五）误差复映规律,原因：由于加工余量和材料硬度的变化会造成切削深度的变化，进而造成切削力的变化。变化的切削力作用在工艺系统上，使它的受力变形也发生相应变化。,（五）误差复映规律,误差复映系数为,CFy径向切削力系数f进给量0.75进给量指数J-工艺系统刚度,注意：1）工艺系统刚度越大，误差复映越小；2）进给量越小，误差复映越小3）随着加工次数增多，误差复映减小4）误差复映系数与材料，刀具几何形状有关,（五）误差复映规律,当工件表面加工精度要求高时，须经多次切削才能达到加工要求。第一次切削的复映系数为1；第二次切削的复映系数为2；则该加工表面总的复映系数为：=123,（五）误差复映规律,由于1，所以经过多次走刀，则可能使毛坯误差复映到工件上的误差减少到公差带允许值的范围内例：一个工艺系统，其误差复映系数为0.25，工件在本工序前的圆度误差0.5mm，为保证本工序0.01mm的形状精度，本工序最少走刀几次？解：0.5(0.25)n0.01解得n=3,工艺系统热的主要来源：切削热，由材料塑性变形、前后刀面摩擦产生，对工件/刀具影响较大；摩擦热和传动热，由机床运动副的摩擦、电动机的温升引起，对机床影响较大；环境热源辐射，对精密加工影响较大。,4.4工艺系统的热变形,机床热变形主要表现为：主轴膨胀伸长，轴线位置变化，床身床体扭曲；,（一）机床热变形引起的误差,工件受热主要来自切削区域；环境温度变化对精密零件/细长件、薄壁件精度有较大影响；均匀温度变化，使工件尺寸变化，不均匀温度变化，使工件形状变化（例如，单面加工薄壁零件，大尺寸齿轮加工）,（二）工件热变形引起的误差,刀具的热源主要来自切削热；,（三）刀具热变形引起的误差,车刀的热变形主要与下列因素有关：1)提高切削用量，会使车刀的热深长量增加；2)车刀热伸长量与刀杆横剖面尺寸近似成反比；3)硬质合金刀片越厚，车刀热伸长量越小；4)车刀的热伸长量与被加工材料的强度极限近似地成正比；5)有冷却液时，车刀的热伸长量可大为减小,（三）刀具热变形引起的误差,内应力总是拉伸应力和压缩应力并存处于平衡状态。当外界条件发生变化，则原来的内应力平衡状态遭到破坏，工件将发生形状变化，形成新的平衡状态内应力重新分布。（1）零件不均匀的加热冷却（铸造）；（2）零件材料金相组织变化（淬火）；（3）表面塑性变形、硬化；,4.5工件内应力（残余应力）,（1）原理误差（滚齿）；（2）测量误差（温度、人为）；（3）调整误差（对刀）；,4.6其它原因,（一）误差的分类:根据误差出现的规律握，加工误差可分为系统误差和随机误差（又称偶然误差）。1）系统误差：误差的大小和方向不变或按一定规律变化。系统误差又可分为常值系统误差和变值系统误差。常值系统误差的数值不变（导轨歪斜）；变值系统误差的大小、方向按一定规律变化。（例，刀具磨损引起工件尺寸变化）,4.7加工误差的统计分析方法,4.7加工误差的统计分析方法,2）随机误差（偶然误差）：误差出现是偶然的，没有明显规律。系统误差可以用代数和进行综合。随机误差不能用代数和形式综合，只能用数理统计方法处理。（二）分布曲线法以每种尺寸工件数与工件总数（样本数）之比为纵坐标；工件实际尺寸为横坐标，得到近似正态分布曲线图。例图,（二）分布曲线法,随机误差引起尺寸分散，常值系统误差x决定分散带中心位置，而变值系统误差如刀具磨损等则使中心位置随着时间按一定规律移动。,（二）分布曲线法,利用正态分布曲线可以分析产品质量；可以判断加工方法是否合适；可以判断废品率的大小，从而指导下一批的生产。(x-x)/=z，则当z=3，即x-x=3时，则2F(z)=0.9973，即当x-x=3时，零件出现的概率已达99.73%，在此尺寸范围之外的零件只占0.27%,正态分布曲线的特点：（例图）1）曲线相对平均尺寸对称；2）中间尺寸多、极限尺寸数极少；3）平均尺寸变动仅使曲线整体位移，对曲线形状无影响；4）参数影响曲线形状。,（二）分布曲线法,1）当公差T6且公差带对平均尺寸对称分布时，则基本不出现废品;否则可能会出废品。2）若公差T6则一定会出废品。3）曲线最高点与公差带中间位置越接近说明加工质量越稳定。4）曲线越陡峭，说明误差分布范围越小，质量越稳定。5）如果分布曲线中心对公差带中心发生了变化，说明出现了常值系统误差。6）分布曲线形状发生了变化，说明出现了偶然性误差，或误差干扰因素。,正态分布曲线的应用（例图）,4.7加工误差的统计分析方法,（三）点图法分布曲线法应用举例,一、表面粗糙度切削加工表面粗糙度形成，主要与以下因素有关：切削的残留痕迹；积屑瘤；鳞刺；机械系统振动（一）切削残留痕迹切削残留痕迹对表面粗糙度的影响很大，造成切削残留痕迹的直接原因是切削加工中一些几何因素的影响。包括：刀具和工件相对运动轨迹，刀具刀刃的几何角度与粗糙度，切削加工参数以及不均匀切削等。（例）,5表面质量的形成及影响因素,5表面质量的形成及影响因素,一、表面粗糙度（一）切削残留痕迹（1）减小进给量f；（2）减小刀具的主、副偏角；（3）增大刀尖圆角半径；都能减小残留面积高度，减小表面粗糙度。但（2）和（3）会增大切削力。例如，宽刃刨刀可获得较小的表面粗糙度。,5表面质量的形成及影响因素一、表面粗糙度（二）积屑瘤的影响,1、积屑瘤及其形成1）形成滞留层：由于高温、高压和摩擦阻力的作用，与前刀面接触的切屑底层流动缓慢，称为滞留层；2）粘附：在一定条件下滞留层停滞不前，脱离切屑粘附在前刀面上形成积屑瘤；3）生长：积屑瘤硬度很高，可代替刀刃切削，并逐渐生长增大；4）破碎：积屑瘤增大到一定程度，外力失去平衡，破碎，一部份被切屑带走，一部分粘附在工件表面。周而复始，重复以上过程。,5表面质量的形成及影响因素一、表面粗糙度（二）积屑瘤的影响,2、积屑瘤的作用1）代替刀刃切削，保护刀刃；2）改变工件法线尺寸；3）加大表面粗糙度。3、影响积屑瘤的因素1）与切削速度有关，过大过小都不易形成积屑瘤；2）和工件材料塑性和硬度有关，塑性大易形成积屑瘤；3）与冷却润滑有关，冷却润滑好不易形成积屑瘤。,5表面质量的形成及影响因素一、表面粗糙度,（三）鳞刺在已加工表面上出现鳞片状毛刺，加大表面粗糙度；在节状、粒状切屑时出现1、切屑分类（1）粒状（2）节状（3）带状2、鳞刺的形成（1）磨拭阶段；（2）导裂阶段；（3）层积阶段；（4）刮成阶段,5表面质量的形成及影响因素一、表面粗糙度,（四）工艺系统振动机械加工中的振动，是指刀具对工件产生周期性位移，使加表面形成波纹似的痕迹。振动影响工件表面波度、生产率、刀具寿命，影响零件的使用寿命，同时产生燥音，污染环境。但是，振动也可利用于更好地切削，如振动磨削、抛光和超声波加工等。1.强迫振动：外界激振力引起，如旋转件偏心、齿轮误差2.自激振动:由切削运动本身引起，切削停止，自己振动停止。,5表面质量的形成及影响因素一、表面粗糙度（四）工艺系统振动,3.减轻或消除自振的措施：（1）提高工艺系统的抗振能力，如提高系统刚度，加固机床地基，机床部件中用泥芯封空腔，合理设计系统固有频率等。（2）正确选择刀具和切削用量；（3）采用殊的消振装置，如各种消振器；（4）减少及消除切削过程中的振动干扰，如消除回转件的不平衡和加工余量不均、材质不均、硬度不均以及非连续表面的存在等。,5表面质量的形成及影响因素,一、表面强化加工过程中，刀具与加工表面产生强烈的挤压和摩擦，表层材料塑性变形严重，使表层显微组织受到破坏，晶格畸变，晶粒在变形方向被拉伸，晶界面增加，晶粒间咬合，使晶粒滑移困难，表面硬度、强度提高，延伸率降低，从而在表面形成硬化层，这种情况称之为表面强化（或冷作硬化）现象。切削温度很高时可能会出现材料再结晶，即表面弱化。塑性变形与切削热同时产生，在切削温度不是很高表面硬化占主导。,5表面质