第5章 机械制造质量分析与控制.ppt

第5章机械制造质量分析与控制,本章要点5.1机械加工精度5.2机械加工工艺系统几何误差的影响分析5.3机械加工工艺系统动态误差的影响分析5.4提高加工精度的途径5.5工艺过程的统计分析,5.1机械加工精度,（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）,表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）,5.1机械加工精度,一、加工精度1.概念,加工精度：零件加工后实际几何参数与理想零件的几何参数（尺寸、形状和表面间的相互位置）符合程度。加工误差：零件的实际几何参数与理想零件几何参数的偏差两者关系：,两者从不同角度来评定加工零件的几何参数。加工精度的高低是由加工误差的小大来表示的，保证和提高加工精度问题，实际上是限制和降低加工误差问题。,5.1机械加工精度,一、加工精度2.获得加工精度的方法(1)获得尺寸精度1)试切法2)调整法3)定尺寸刀具法4)自动控制法,5.1机械加工精度,一、加工精度2.获得加工精度的方法(1)获得尺寸精度(2)获得形状精度1)成形刀具法2)轨迹法3)展成法4)相切法,5.1机械加工精度,一、加工精度2.获得加工精度的方法(1)获得尺寸精度(2)获得形状精度(3)获得相互位置精度的方法1)直接找正法；2)划线找正法；3)夹具定位法。,直接找正法,划线找正法,工件在夹具上装夹（滚齿夹具）,夹具定位法,5.1机械加工精度,一、加工精度1.概念2.获得加工精度的方法3.影响加工精度的因素原始误差的概念:工艺系统的误差称为原始误差。工艺系统的原始误差的分类,工艺系统的原始误差的分类,5.1机械加工精度,一、加工精度1.概念2.获得加工精度的方法3.影响加工精度的因素4.研究加工精度的方法分析计算或实验、测试等统计分析法,5.1机械加工精度,二、表面质量1.加工表面质量的概念零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的耐磨性、抗腐蚀性、配合质量和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。,5.1机械加工精度,二、表面质量(1)表面层的几何形状误差宏观几何形状误差（平面度、圆度等）波长/波高1000波度波长/波高=501000；且具有周期特性表面粗糙度波长/波高50,5.1机械加工精度,(2)表面层的物理力学性能1)表面层冷作硬化(简称冷硬)：在机械加工中,零件表面层产生强烈的冷态塑性变形后,引起的强度和硬度都有所提高的现象。一般情况下表面硬化层的深度可达0.05-0.30mm。2)表面层金相组织的变化：机械加工过程中，由于切削热或磨削热的作用引起工件表面温升过高，表面层金属的金相组织发生变化的现象。3)表面层残余应力：是由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生残余应力。,5.1机械加工精度,一、加工精度二、表面质量1.加工表面质量的概念2.表面质量对机器零件使用性能的影响,2.表面质量对零件使用性能的影响,对耐磨性影响,表面粗糙度值耐疲劳性适当硬化可提高耐疲劳性,表面粗糙度值耐蚀性表面压应力：有利于提高耐蚀性,表面粗糙度值配合质量,表面粗糙度值耐磨性，但有一定限度（图3）,纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好适当硬化可提高耐磨性,5.2机械加工工艺系统几何误差的影响分析,一、机床主轴的回转误差1.主轴回转运动误差的概念与形式主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移。分解：,5.2机械加工工艺系统几何误差的影响分析,一、机床主轴的回转误差1.主轴回转运动误差的概念与形式2.主轴回转运动误差的影响因素（1）滑动轴承（2）滚动轴承内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差,推力轴承,滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差,轴承间隙的影响,影响主轴回转精度的主要因素,轴承间隙过大，使主轴工作时油膜厚度增大当工作条件(载荷、转速等)变化时，油楔厚度变化较大，主轴轴线漂移量增大。,主轴端面圆跳动对加工精度的影响(23微米）,对圆柱面加工没有影响；被加工端面不平，与圆柱面不垂直（如主轴回转一周，端面跳动一次，加工出的端面近似螺旋面）；加工螺纹时，产生螺距周期性误差。,主轴倾角摆动对加工精度的影响,5.2机械加工工艺系统几何误差的影响分析,一、机床主轴的回转误差1.主轴回转运动误差的概念与形式2.主轴回转运动误差的影响因素3.主轴回转精度的测量1)静态测量法传统测量方法2)动态测量法（李沙育图形）,思考题,工厂常用图示方法测量主轴回转精度。这种方法存在什么问题？,1）不能把不同性质的误差区分开来，如测量心轴本身的误差，主轴锥孔误差，锥孔与主轴回转轴线的不同轴误差等。2）不能反映主轴在工作转速下的回转精度。,5.2机械加工工艺系统几何误差的影响分析,一、机床主轴的回转误差1.主轴回转运动误差的概念与形式2.主轴回转运动误差的影响因素3.主轴回转精度的测量4.提高主轴回转精度的措施1)提高主轴部件的制造精度2)对滚动轴承进行预紧3)采用误差转移法,5.2机械加工工艺系统几何误差的影响分析,一、机床主轴的回转误差二、机床导轨误差1.形式及对工件加工精度的影响导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差.,1)导轨在水平面内的直线度误差2)导轨在垂直面内的直线度误差3)导轨的扭曲,导轨水平面内的直线度误差,误差敏感方向,影响显著导轨垂直面内的直线度误差,误差非敏感方向,影响小导轨扭曲对加工精度的影响,影响显著,把加工表面的法向称之为误差的敏感方向。,4)导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度,5.2机械加工工艺系统几何误差的影响分析,一、机床主轴的回转误差二、机床导轨误差1.形式及对工件加工精度的影响2.影响机床导轨误差的因素1)机床制造误差2)机床的安装3)导轨磨损3.提高导轨导向精度的措施1)提高机床导轨、溜板的制造精度及安装精度。2)提高导轨的耐磨性3)机床必须安装正确，地基牢固,5.2机械加工工艺系统几何误差的影响分析,一、机床主轴的回转误差二、机床导轨误差三、刀具的几何误差刀具误差是由于刀具制造误差和刀具磨损引起的。定尺寸刀具；成形刀具；展成刀具；一般刀具任何刀具在切削过程中，都不可避免地要产生磨损，并引起工件尺寸和形状的改变。减少刀具的尺寸磨损的措施刀具材料（新型耐磨）；刀具几何参数；切削用量；正确刃磨；冷却液,5.2机械加工工艺系统几何误差的影响分析,一、机床主轴的回转误差二、机床导轨误差三、刀具的几何误差四、机床传动链误差1.概念：传动链始末两端传动元件间相对运动的误差，一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。,5.2机械加工工艺系统几何误差的影响分析,四、机床传动链误差2.减少的措施缩短传动链；提高传动元件，特别是提高末端传动元件的制造精度和装配精度。按降速比递增的原则分配各传动副的传动比。采用误差校正机构。,5.2机械加工工艺系统几何误差的影响分析,一、机床主轴的回转误差二、机床导轨误差三、刀具的几何误差四、机床传动链误差五、夹具的几何误差,五、夹具的几何误差,夹具误差影响加工位置精度。与夹具有关的影响位置误差因素包括：,夹具设计时，凡影响工件精度的有关技术要求必须给出严格的公差。精加工用夹具一般取工件上相应尺寸公差的l/21/3；粗加工取1/5l/10。,1）定位误差；2）刀具导向（对刀）误差；3）夹紧误差；4）夹具制造误差；5）夹具安装误差,5.3机械加工工艺系统动态误差的影响分析,一、机械加工工艺系统受力变形引起的误差1.基本概念机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降。2.工件刚度3.刀具刚度,4.机床部件刚度,(1)机床部件刚度目前主要用实验方法来测定机床部件刚度(2)影响机床部件刚度的因素1)结合面接触变形2)摩擦力3)低刚度零件4)间隙,车床刀架部件静刚度试验,5.3机械加工工艺系统动态误差的影响分析,一、机械加工工艺系统受力变形引起的误差1.基本概念2.工件刚度3.刀具刚度4.机床部件刚度5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响,5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响,工艺系统受力变形等于工艺系统各组成部分受力变形之迭加。由此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：,5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响,1)由于工艺系统刚度变化引起的误差,工艺系统变形随切削力作用点变化而变化,5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响,1)由于工艺系统刚度变化引起的误差2)由于切削力变化引起的误差,g工件圆度误差；m毛坯圆度误差；k工艺系统刚度；误差复映系数。,以椭圆截面车削为例说明,由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映到工件上，此种现象称为“误差复映”,误差复映,2)由于切削力变化引起的误差,机械加工中，误差复映系数通常小于1。可通过多次走刀，消除误差复映的影响。,误差复映系数误差复映程度可用误差复映系数来表示，误差复映系数与系统刚度成反比。,2)由于切削力变化引起的误差,5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响,1)由于工艺系统刚度变化引起的误差2)由于切削力变化引起的误差3)由于夹紧变形引起的误差,薄壁套夹紧变形,薄壁工件磨削,【例1】薄壁套夹紧变形解决：加开口套,【例2】薄壁工件磨削解决：加橡皮垫,3)由于夹紧变形引起的误差,5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响,1)由于工艺系统刚度变化引起的误差2)由于切削力变化引起的误差3)由于夹紧变形引起的误差4)其它作用力的影响除上述因素外，重力、惯性力、传动力等也会使工艺系统的变形发生变化，引起加工误差。,工件加工后成鞍形,机床受力变形引起的加工误差,由于工件变形，使工件加工后成鼓形,工件受力变形引起的加工误差,4)其它作用力的影响,龙门铣横梁变形,【例】龙门铣横梁,龙门铣横梁变形转移,龙门铣横梁变形补偿,重力影响,解决1：重量转移,解决2：变形补偿,4)其它作用力的影响,传动力与惯性力影响,理论上不会产生圆度误差（但会产生圆柱度误差）易会引起强迫振动,4)其它作用力的影响,5.3机械加工工艺系统动态误差的影响分析,一、机械加工工艺系统受力变形引起的误差1.基本概念2.工件刚度3.刀具刚度4.机床部件刚度5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响6.减小工艺系统受力变形的途径,(1)提高工艺系统刚度1)提高工件和刀具的刚度2)提高机床刚度3)采用合理的装夹方式和加工方式4)提高接触刚度(2)减小切削力及其变化,支座零件不同安装方法,转塔车床导向杆,6.减小工艺系统受力变形的途径,5.3机械加工工艺系统动态误差的影响分析,一、机械加工工艺系统受力变形引起的误差二、工艺系统受热变形引起的误差,二、工艺系统受热变形引起的误差,在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约4070%。,温度场工艺系统各部分温度分布热平衡单位时间内，系统传入的热量与传出的热量相等，系统各部分温度保持在一相对稳定的数值上温度场与热平衡研究目前以实验研究为主,1.机床热变形对加工精度影响,体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著,车床受热变形,a）车床受热变形形态,b）温升与变形曲线,1.机床热变形对加工精度影响,立铣（图a）,立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形,a）铣床受热变形形态,b）外圆磨床受热变形形态,c）导轨磨床受热变形形态,外圆磨（图b）,导轨磨（图c）,刀具和工件热变形对加工精度影响,体积小，热容量小，达到热平衡时间较短温升高，变形不容忽视（达0.030.05mm）,特点,变形曲线（图）,式中热伸长量；max达到热平衡热伸长量；切削时间；c时间常数（热伸长量为热平衡热伸长量约63%的时间，常取34分钟）。,圆柱类工件热变形,5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性,式中L，D长度和直径热变形量；L，D工件原有长度和直径；工件材料线膨胀系数；t温升。,长度：,（4-17）,（4-18）,直径：,例：长400mm丝杠，加工过程温升1，热伸长量为：,2.刀具和工件热变形对加工精度影响,式中X变形挠度；L，S工件原有长度和厚度；工件材料线膨胀系数；t温升。,板类工件单面加工时的热变形（图）,此值已大于精密导轨平直度要求,结果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：,2.刀具和工件热变形对加工精度影响,3.减小热变形对加工精度影响的措施,例1：磨床油箱置于床身内，其发热使导轨中凹解决：导轨下加回油槽,例2：立式平面磨床立柱前壁温度高，产生后倾。解决：采用热空气加热立柱后壁（图）。,图均衡立柱前后壁温度场,减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。充分冷却和强制冷却。隔离热源。,热对称结构热补偿结构（图双端面磨床主轴热补偿）,图双端面磨床主轴热补偿1主轴2壳体3过渡套筒,合理选择装配基准（图支承距影响热变形）,高速空运转人为加热,恒温人体隔离,3.减小热变形对加工精度影响的措施,5.3机械加工工艺系统动态误差的影响分析,一、机械加工工艺系统受力变形引起的误差二、工艺系统受热变形引起的误差三、内应力重新分布引起的误差1.概念2.产生(1)热加工中产生的内应力(2)冷校直带来的内应力(3)切削加工中产生的内应力,5.3机械加工工艺系统动态误差的影响分析,一、机械加工工艺系统受力变形引起的误差二、工艺系统受热变形引起的误差三、内应力重新分布引起的误差1.概念2.产生3.减少或消除残余应力的措施1)合理设计零件结构2)合理安排热处理和时效处理3)合理安排工艺过程,5.4提高加工精度的途径,一、提高加工精度的途径(1)误差减小法,5.4提高加工精度的途径,一、提高加工精度的途径(1)误差减小法(2)误差转移法,5.4提高加工精度的途径,一、提高加工精度的途径(1)误差减小法(2)误差转移法(3)误差分组法(4)误差平均法如研磨加工、易位加工（图）(5)就地加工法,5.4提高加工精度的途径,一、提高加工精度的途径(1)误差减小法(2)误差转移法(3)误差分组法(4)误差平均法(5)就地加工法(6)误差补偿法采用校正装置以弹性变形补偿热变形以几何误差补偿受力变形以热变形补偿热变形,5.4提高加工精度的途径,一、提高加工精度的途径(1)误差减小法(2)误差转移法(3)误差分组法(4)误差平均法(5)就地加工法(6)误差补偿法(7)控制误差法,5.4提高加工精度的途径,一、提高加工精度的途径二、控制加工表面质量的工艺途径1减小表面粗糙度值的工艺措施2减小残余拉应力、防止表面烧伤和裂纹的工艺措施(1)选择合理的磨削用量(2)选择有效的冷却方法3.采用冷压强化工艺4.采用精密和光整加工工艺,5.5工艺过程的统计分析,一、加工误差的分类二、工艺过程的分布图分析三、点图分析法四、调整尺寸,常值系统误差其大小和方向均不改变。如机床、夹具、刀具的制造误差，工艺系统在均匀切削力作用下的受力变形，调整误差，机床、夹具、量具的磨损等因素引起的加工误差。变值系统误差误差大小和方向按一定规律变化。如机床、夹具、刀具在热平衡前的热变形，刀具磨损等因素引起的加工误差。,一、加工误差的分类,在顺序加工一批工件中，其大小和方向随机变化的加工误差。随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用而引起的。随机误差服从统计学规律。如毛坯余量或硬度不均，引起切削力的随机变化而造成的加工误差；定位误差；夹紧误差；残余应力引起的变形等。,运用数理统计原理和方法，根据被测质量指标的统计性质，对工艺过程进行分析和控制。,一、加工误差的分类,1）采集数据样本容量通常取n=502002）确定分组数、组距、组界、组中值初选分组数k；确定组距d：,取整，dd确定分组数k：,确定各组组界、组中值统计各组频数,二、工艺过程的分布图分析,二、分布图分析法,3）计算样本平均值和标准差:,4）画直方图（图4-44）,（4-20）,（4-21）,正态分布,式中和分别为正态分布随机变量总体平均值和标准差。平均值=0，标准差=1的正态分布称为标准正态分布，记为：xN(0,1),概率密度函数,（4-22）,二、分布图分析法,分布函数,（5-23）,令：,将z代入上式，有：,则利用上式，可将非标准正态分布转