仪器制造技术gbi加工精度分析与制造质量监控技术.ppt

2加工精度分析与制造质量监控技术,2.1基本概念2.2影响机械加工精度的工艺因素2.3加工误差分析和加工质量监控2.4机械加工的表面质量,1目录,2.1基本概念,2.1.1精度的基本含义2.1.2获得规定加工精度的方法,2.1.1精度的基本含义,加工精度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。符合程度越高，加工精度越高。一般机械加工精度是在零件工作图上给定的，其包括：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。,加工误差零件实际几何参数与理想几何参数的偏差。公差误差的允许范围。研究加工精度的目的研究加工系统中各种误差的物理实质，将其控制在公差之内，掌握其变化的基本规律，分析工艺系统中各种误差与加工精度之间的关系，寻求提高加工精度的途径，以保征零件的机械加工质量。,2.1.1精度的基本含义,2.1.2获得规定加工精度的方法,获得尺寸精度的方法1）试切法：即试切-测量-再试切-直至测量结果达到图纸给定要求的方法。用于单件小批生产。2）定尺寸刀具法：用刀具的相应尺寸来保证加工表面的尺寸。用于成批大量生产。3）调整法：按零件规定的尺寸预先调整好刀具与工件的相对位置来保证加工表面尺寸的方法。生产率高，刀具制造复杂。4）自动控制法：使用一定的装置(自动测量或数字控制)，在工件达到要求尺寸时，自动停止加工。切削测量补偿调整。,2.1.2获得规定加工精度的方法,获得形状精度的方法1）仿形法：用特定形状的刀具切削工件，例如拉刀拉削花键孔。2）成形运动法：以刀具切削刃作为一点，相对相对工件一定规律的切削运动。,2.1.2获得规定加工精度的方法,3）非成形运动法：依靠加工过程中对工件表面的检验和工人的熟练操作技术保证工件表面的形状精度，例如手工研磨。,2.1.2获得规定加工精度的方法,获得位置精度的方法工件加工表面间的位置精度主要由机床、夹具、刀具的精度保证，定位基准选择尤为重要。“一次安装加工的原则”“基准统一原则”,2.2影响机械加工精度的工艺因素,影响机械加工精度的工艺因素方法误差机床误差夹具误差和磨损刀具误差和磨损工艺系统的受力变形工艺系统的受热变形工件安装、调整、测量的误差工件内应力引起的变形,2.2.1方法误差,方法误差又称原理误差加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。例如：球头刀“行切法”的三坐标数控铣削滚齿加工：利用阿基米德蜗杆代替渐开线蜗杆；滚齿齿面由多段直线段组成。图21,2.2.2机床误差,机床误差主要包括：主轴回转误差机床导轨误差机床传动链误差,2.2.2机床误差,1.主轴回转误差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。为便于研究，可将主轴回转误差分解为径向圆跳动、端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式。,实际上主轴回转误差的三种基本形式是同时存在的,2.2.2机床误差,主轴回转误差对加工精度的影响镗孔加工中，主轴径向圆跳动影响圆度误差考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则得到椭圆截面。,车削时（如图所示），设主轴轴线仍沿Y方向作简谐直线运动，则工件1处切出的半径比在2、4处小一个振幅A，而在工件3处切出的半径则比2、4处大一个振幅A。这样在工件的上述4点直径都相等，在其它各点处的直径误差也甚小，故车削出的工件表面接近于一个真圆。,主轴轴向窜动对加工精度的影响,轴的纯轴向窜动对内、外圆加工没有影响，但加工的端面则与内、外圆面不垂直。在主轴向前窜动的半周中形成右螺旋面，向后窜动的半周中形成左螺旋面（图(a）。加工螺纹时，主轴的轴向窜动将使单个螺距产生周期误差（图(b）。,主轴回转纯角度摆动对加工精度的影响,主轴回转时的纯角摆动，在车削外圆时仍然可以得到一个圆形工件，但工件是一个圆锥体。在镗床上镗孔时，镗出的孔则为椭圆形（如图）。,2.2.2机床误差,影响主轴回转精度的主要因素滑动轴承轴颈圆度误差（工件回转类机床，例如车床）、轴承孔圆度误差（刀具回转类机床，例如镗床）静压轴承对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用滚动轴承内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差其他因素轴承孔同轴度误差；轴肩、隔套端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差；装配质量等,主轴颈、轴承孔圆度误差对加工精度影响,如，在采用滑动轴承结构为主轴的车床上车削外圆时，切削力F的作用方向可认为大体上时不变的，见图，在切削力F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，此时主轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而轴承内径的圆度误差对主轴径向回转精度的影响则不大；,在镗床上镗孔时，由于切削力F的作用方向随着主轴的回转而回转，在切削力F的作用下，主轴总是以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，因此，轴承内表面的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而主轴颈圆度误差的影响则不大。结论分析主轴与主轴承对加工精度的影响时，Fy方向不变找主轴，反之，找主轴承。径向跳动将影响工件的形状精度。,2.2.2机床误差,2.机床导轨误差导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差。包括：导轨在水平面内的直线度，导轨在垂直面内的直线度，前后导轨平行度（扭曲），导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等。,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,以车床为例，若导轨水平面有y的误差，则工件直径将产生2y的误差（图a)若在导轨垂直面内有Z的误差（见图b）即Rz所引起的半径误差远小于Y所引起的，故把工件加工表面法线方向叫做误差的敏感方向。,导轨水平面内的直线度误差,对加工精度影响显著误差敏感方向；导轨垂直面内的直线度误差,对加工精度影响小误差非敏感方向。误差敏感方向：加工中刀具接触工件的法线方向,2.2.2机床误差,2.机床导轨误差导轨扭曲对加工精度的影响,影响显著。,刨床、铣床等平面加工机床，工作台（或滑枕）的直线运动精度直接影响加工表面度，它们的误差敏感方向为垂直方向镗床的误差敏感方向是随主轴回转变化的，故导轨在水平面及垂直面内的直线度误差均直接影响加工精度。普通镗床上镗孔，如果以镗刀杆进给时，那么导轨不直、扭曲或镗杆轴线不平行等误差，都会引起所镗出的孔与其基准的相互互位置误差，不产生孔的形状误差如果工作台进给，导轨不直或扭曲，都会引起所加工的孔的轴线不直。当导轨主轴不平行时，则镗出孔是椭圆形的。,2.2.2机床误差,3.机床传动链误差机床传动链误差对螺纹、齿轮、涡轮加工和精密刻划等加工精度影响很大。例如：车削螺纹、滚切齿轮等加工。提高传动精度的措施缩短传动链长度提高末端元件的制造精度与安装精度对传动误差进行补偿,2.2.3夹具误差和磨损,与夹具有关的影响位置误差因素包括夹具制造误差定位元件和导向元件的磨损夹具安装误差通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1/3。,2.2.4刀具误差和磨损,刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同采用定尺寸刀具（例如钻头、铰刀、键槽铣刀、圆拉刀等）加工时，刀具的尺寸误差和磨损将直接影响工件尺寸精度。采用成形刀具（例如成形车刀、成形铣刀、齿轮模数铣刀、成形砂轮等）加工时，刀具的形状误差和磨损将直接影响工件的形状精度。对于一般刀具（例如车刀、健刀、铣刀等），其制造误差对工件加工精度无直接影响。根据工件材料及加工要求，正确选择刀具材料、几何参数、切削用量，同时选择合适的冷却润滑液。,刀具磨损误差对加工精度的影响刀具在调定后，加工过程中产生磨损，无论是可调刀具还是不可调刀具，对加工精度都有影响。,2.2.4工艺系统的受力变形,工艺系统刚度机械加工中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、惯性力和重力等的作用下，将产生相应变形,使工件产生加工误差。工艺系统在外力作用下产生变形的大小，不仅取决于作用力的大小，还取决于工艺系统的刚度。,2.2.4工艺系统的受力变形,工艺系统刚度在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比静刚度X-R点图出现异常波动(如：点子的波动很大、有连续上升或下降倾向、出现周期性倾向等)时，则应及时查明原因，重新调整，以避免废品的发生。,精度图法图2-19是自动机床加工外圆的精度图图中AB是将各组工件的点连接而成的光滑曲线，它表征瞬间分布中心的变化情况AB两侧的两条虚线表征工件尺寸的瞬间分布范围图中A-B段曲线的趋势表示随时间变化的系统误差的变化情况，曲线先下降而后上升的原因是在加工外圆时，刀具起初受热伸长，使工件直径减小，刀具热平衡后，工件尺寸停止减小，但由于刀具逐渐磨损而使尺寸逐渐增大。由图可见，在第10组取样时，工件尺寸瞬时分布的上限已接近公差上限，如果此时，不调整机床继续加工，到11组取样时，将有相当于Q1的废品率。因此，机床在第10组取样间隔内要调整一次，并更换磨钝了的刀具。,工序能力分析,【例题】检查一批在卧式镗床上精镗后的活塞销孔直径。图纸规定尺寸与公差为mm,抽查件数n100，分组数k6。测量尺寸、分组间隔、频数和频率见表1。求实际分布曲线图、工艺能力及合格率，分析出现废品的原因并提出改进意见。表1活塞销孔直径测且结果,解：以组中值Xj代替组内零件实际值，绘制为实际分布曲线。分散范围=最大孔径一最小孔径28.0427.9920.012mm；样本平均值（又称尺寸分散范围中心即平均孔径）：,公差范围中心常值系统误差,样本标准差工艺能力系数，二级工艺能力；废品率：由，查表可得A(z)=0.3253；所以实测结果分析：部分工件的尺寸超出了公差范围，有1747的废品（实际分布曲线图中阴影部分；这批工件的分散范围0.012mm比公差带0015mm小，也就是说实际加工能力比图纸要求的要高：Cp1.11，即T6。只是由于有系统0.0054的存在而产生废品。如果能设法将分散中心调整到公差范围中心，工件就完全合格。具体的调整方法是将镗刀的伸出量调短些，以减少镗刀受力变形产生的加工误差。,表面质量的基本概念,表面质量是指机器零件加工后表面层的状态。其主要内容有下面两部分：一、表面层的几何形状特征1、表面粗糙度：是加工表面的微观几何形状误差，其波长与波高的比值一般小于40。,2、表面波度：介于宏观几何形状误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差，其波长与波高的比值在40-1000之间。它是由机械加工中的振动引起的。当波长与波高比值大于1000时称为宏观几何形状误差。例如：圆度误差，圆柱度误差等，它们属于加工精度范筹。另外还有.纹理方向：纹理方向是指表面刀纹的方向，它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。伤痕：是加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。例如：砂眼、气孔、裂痕等。,2.4.1.机械加工表面质量的意义,2.4.1.机械加工表面质量的意义,二、表面层的物理机械性能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。,零件表面质量对仪器性能的影响耐磨性：存在一个最佳表面粗糙度。表面粗糙度值过大实际接触面积单位应力峰部之间产生塑性变形、弹性变形和剪切破坏，引起严重磨损。表面粗糙度值过小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。配合性质间隙配合：粗糙度过大，加剧磨损，增大间隙；过盈配合：粗糙度过大，有效过盈量减小，降低配合强度；耐腐蚀性零件表面粗糙度值越大，潮湿空气和腐蚀介质越容易堆积在零件表面四处而发生化学腐蚀，抗腐蚀性能越差。产生残余压应力的表面冷硬能够提高抗腐蚀性能。,2.4.2.零件表面质量对仪器性能的影响,2.4.2.零件表面质量对仪器性能的影响,疲劳强度交变载荷作用下，零件表面微观不平与表面的缺陷一样都会产生应力集中现象，表面粗糙度值越大，应力集中越严重。加工表面的冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，一般可使耐磨性提高。过分冷硬将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，反而使耐磨性下降。表面层残余压应力能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹扩展；残余拉应力易使已加工表面产生裂纹而降低疲劳强度。,2.4.3.影响表面质量的工艺因素,影响表面粗糙度的因素,例1：车削一铸铁零件的外圆表面，若走刀量f=0.5mm/r,车刀刀尖的圆弧半径r=4mm,问能达到的加工表面粗糙度值？答：由于铸铁件加工表面层的塑性变形很小，故加工表面粗糙度主要取决于几何因素引起的刀尖残留面积。Rz=f2/8r=0.52/84=0.0078(mm)例2：高速精镗内孔时，采用锋利的尖刀，刀具的主偏角kr=45,副偏角kr=20，要求加工表面粗糙度Rz=3.2(m)试求：（1）当不考虑工件材料塑性变形对表面粗糙度影响时，计算应采用的走刀量为多少？（2）分析实际加工表面粗糙度与计算求得粗糙度是否相同？为什么？答：（1）f=Rz(cotkr+cotkr)=0.012(mm/r)(2)实际切削加工时，由于物理因素（塑性变形、切削热，积屑瘤等）的参与及系统的振动会改变刀尖残留面积的轮廓形状，并加大表面不平度的平均高度Rz。,2.4.3.影响表面质量的工艺因素,影响表面粗糙度的因素积屑瘤发展过程中，刀具实际前角不断变化，导致切削力的波动而产生振动，影响表面粗糙度。影响积屑瘤形成的主要因素是工件材料和切削速度。,2.4.3.影响表面质量的工艺因素,影响表面粗糙度的因素,2.4.3.影响表面质量的工艺因素,加工表面的冷作硬化冷作硬化产生的原因切削或磨削加工中，表面层金属由于塑性变形使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，引起材料的强化（使表面层金属的硬度和强度提高），这种现象称为冷作硬化。冷作硬化指标硬化程度N，其按下式计算：N=（H-H0)/H0工件原表面层的显微硬度H0表层金属的显微硬度H；硬化层深度h；硬化程度N,影响冷作硬化的因素表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力（例如切削力）和变形速度（例如切削速度）。力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小。切削速度V刀具与工件的作用时间金属的塑性变形硬化层深度和硬度。进给量f的影响：a)进给量f超过一定值时，进给量切削力表层金属的塑性变形冷硬程度。b)进给量f过小切削厚度刀刃圆弧对工件表面层的挤压次数硬化程度。3)工件材料工件材料的硬度、塑性冷硬