五机械加工质量.ppt

机械制造技术课件第五章机械加工质量,机械系,（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）,机械加工质量包括：,第五章机械加工质量,第一节机械加工精度概述一、加工精度与加工误差机械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)与理想几何参数相符合的程度。它们之间的差异称为加工误差。加工误差的大小反映了加工精度的高低。误差越大加工精度越低:误差越小加工精度越高。加工精度包括三个方面:1.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相符合程度。2.形状精度。指加工后零件表面的实际几何形状与理想的几何形状的相符合程度。,第五章机械加工质量,3.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相符合程度。二、获得加工精度的方法1.获得尺寸精度的方法试切法：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。特点：效率低；对工人技术要求高；适合单件小批生产。影响因素：测量精度；机床微进给量机构的准确性；刀具的切削性能。,第五章机械加工质量,调整法：按工件规定的尺寸，预先调整好刀具与工件的相对位置，并要求一批零件加工过程中保持这个相对位置不变。特点：效率较高；对调整工人技术要求高；适合具有一定批量的生产。影响因素：调整精度。调整过程与试切法一致。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。如：钻孔、拉孔、铣槽等。影响因素：主要是刀具本身的尺寸精度、磨损情况和安装误差，其次是切削条件，如：切削热、润滑冷却液、刀瘤等。,第五章机械加工质量,自动控制法：是自动化了的试切法或调整法。用测量装置、进给装置和控制系统组成一个自动加工的循环过程，使加工过程中的测量、补偿、调整和切削等一系列工作自动完成。2.获得几何形状精度方法轨迹法成型法展成法影响因素：主要由机床精度或刀具精度保证的。3.获得相互位置精度的法主要由机床精度、夹具精度和工件安装精度保证的。,第五章机械加工质量,第二节影响机械加工精度的因素机械加工系统（简称工艺系统）由机床、夹具、刀具和工件组成。影响加工精度的原因1.原理误差2.工艺系统的几何误差3.工件装夹误差4.工艺系统受力变形引起的加工误差5.工艺系统受热变形引起的加工误差6.工件内应力重新分布引起的变形7.其他误差，如：测量误差、调整误差等,第五章机械加工质量,一、加工原理误差1.由于采用形状相近的刀具加工所造成的误差用滚刀切削渐开线齿轮用阿基米德螺杆代替渐开线螺杆用模数铣刀加工渐开线齿轮理论上：同一模数不同齿数的齿轮应有相应的模数铣刀实际上：用一把模数铣刀加工同一模数一定齿数范围的齿轮,第五章机械加工质量,2.由于采用近似的加工运动方法所造成的误差用展成法切削齿轮滚刀只能由有限个圆周刀刃构成，不能构成连续的渐开线螺旋面，造成齿轮齿形误差用近似传动比切削螺纹在普通公制丝杠的车床上加工英制螺纹，只能用近似传动比配置挂轮,第五章机械加工质量,二、工艺系统的几何误差1.机床的几何误差主轴回转误差主轴回转误差的概念及影响因素主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。主轴回转误差分解为：a纯径向跳动b轴向窜动c纯角度摆动,第五章机械加工质量,(a)车床类机床;(b)镗床类机床,返回,滑动轴承对主轴回转精度的影响,主轴回转误差的影响因素,第五章机械加工质量,(a)径向跳动误差:(b)轴向窜动误差:(c)角度摆动误差,返回,第五章机械加工质量,返回,车削时纯径向跳动对圆度的影响,主轴回转误差对加工精度的影响,第五章机械加工质量,返回,镗孔时纯径向跳动对孔圆度的影响,主轴回转误差对加工精度的影响,第五章机械加工质量,返回,纯径向跳动在不同方向对加工精度的影响,主轴回转误差对加工精度的影响,第五章机械加工质量,主轴轴向窜动误差对加工精度的影响,主轴回转误差对加工精度的影响,加工螺纹时？产生螺距周期性误差。,第五章机械加工质量,主轴回转误差对加工精度的影响,主轴纯角度摆动误差对加工精度的影响,第五章机械加工质量,提高主轴回转精度的方法a提高主轴及主轴箱体的制造精度。主轴回转精度只有20%决定于轴承精度，而80%取决于主轴及其箱体的精度和装配质量。b设计制造高精度的主轴组件主要提高轴承精度滚动轴承采取预紧措施。轴向施加适当的预加载荷(约为径向载荷的20%30%),消除轴承间隙，使滚动体产生微量弹性变形，可提高刚度、回转精度和使用寿命。采用多油楔动压轴承(限于高速主轴)。采用静压轴承。静压轴承由于是纯液体摩擦，摩擦系数为0.0005，因此，摩擦阻力较小，可以均化主轴颈与轴瓦的制造误差，具有很高的回转精度。高速主轴部件要进行动平衡，以消除激振力。c使回转精度不依赖机床主轴如：外圆磨床等,第五章机械加工质量,导轨误差以车削为例：导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度的影响导轨间的平行度误差对加工精度的影响导轨与主轴回转中心线在水平面内不平行对加工精度的影响导轨与主轴回转中心线在垂直面内不平行对加工精度的影响导轨磨损对加工精度的影响,第五章机械加工质量,返回,车床导轨在水平面内直线度引起的误差,第五章机械加工质量,返回,车床导轨在垂直面内直线度引起的误差,第五章机械加工质量,返回,车床导轨平行度误差,第五章机械加工质量,思考1：镗床上镗孔时，工作台进给（图示），即工件直线进给运动，镗杆旋转运动。导轨在水平面、垂直面内的直线度误差对加工精度有何影响？答：孔径没有误差，有圆柱度误差。轴线不直。因为误差敏感方向不断变化。,第五章机械加工质量,2.若镗杆进给，即镗杆既旋转又移动（图示），导轨误差对加工精度有无影响？答：不会产生孔的形状误差，但会产生孔的位置误差。,第六章机械加工质量,3.刨平面时，导轨误差对加工精度有何影响？答：产生加工表面的直线度误差、平面度误差。4.端铣时，若主轴回转轴线与工件进给方向不垂直，会产生何种加工误差？误差大小？,第五章机械加工质量,传动链误差传动链误差是指传动链始末两端传动元件相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。机床传动链误差是影响表面加工精度的主要原因之一。(螺纹、齿轮加工影响尤为严重）造成传动链误差的主要原因a各传动件的制造误差b装配误差c使用中的磨损,第五章机械加工质量,传动元件误差的传递规律设1为始端传动元件的转角误差（一轴）为末端传动元件转角误差（主轴）i1*i21若：i1*i21则：1被放大若：i1*i21则：1被减小一般采用降速传动，即：i1*i21末端传动元件直接影响传动精度，影响最大,第五章机械加工质量,第五章机械加工质量,减少传动误差的方法a减少传动链中元件数目，减少误差来源b提高传动元件特别是末端元件的制造和安装精度c消除传动链齿轮间的间隙影响末端元件速度不均匀、速比不稳定d采用误差校正机构人为的在传动链中加入一个与机床传动误差大小相等方向相反的误差来抵消传动本身的误差,丝杠加工误差校正装置1.工件2.螺母3.母丝杠4.杠杆5.校正尺6.触头7.校正曲线,第五章机械加工质量,2.刀具误差定尺寸刀具：直接影响零件的尺寸精度。成型刀具：影响零件的几何形状精度。展成法加工：（成型面是刀刃与工件做啮合运动中刀刃的包络面）刀刃的几何形状、有关尺寸影响零件的加工精度。一般刀具：刀具精度对加工精度无直接影响，但刀具几何参数或形状不当影响刀具的磨损及耐用度，因此间接影响零件的加工精度。,第五章机械加工质量,3.调整误差调整法影响调整精度的因素：测量精度、微进给机构精度、样件或对刀块的制作精度及磨损等。一批零件一般只调整一次，但磨损需要调整或更换刀具重新调整，不可能每次调整位置完全相同，应尽量减少调整次数。,第五章机械加工质量,三、工艺系统受力变形引起的误差1.工艺系统刚度静刚度：产生单位变形所需的静力。动刚度：在某段频率范围内，产生单位振幅所需的激振力幅值。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：,第五章机械加工质量,机床部件刚度及其特点用实验法测量刀具部件刚度曲线(在径向（Fp)加载卸载),第五章机械加工质量,第五章机械加工质量,第五章机械加工质量,部件刚度曲线a力和变形不是线性关系，即每一瞬间刚度不同，说明部件不纯粹是弹性变形。b加载曲线与卸载曲线不重合，说明有一定能量损失。主要是克服部件内各零件的摩擦力和接触塑性变形所做的功。c卸载后变形恢复不到原点，说明产生了不能恢复的残余变形。d多次加载后变形恢复，说明残余变形消失。,第五章机械加工质量,部件刚度确定实验说明部件刚度小于单个零件刚度。a实验法b三向静载测定法部件刚度用平均刚度计算，即连接刚度曲线前后两个端点直线的斜率。,1-半圆弓形体:2-加力螺杆:3-测力环:4-百分表底座:5-水平对刀块:6-高度对刀块:7-固定销:8-活动销:9-固定套:10-固定螺钉:11-座套筒:12-后顶尖:13-夹紧螺钉:14-可转刀头:15-刀杆,第五章机械加工质量,影响部件刚度的因素a连接表面的接触变形b部件中薄弱零件本身的变形c摩擦的影响d间隙的影响,第五章机械加工质量,2.工艺系统刚度对加工精度的影响细长轴车削时受力变形,工件变形引起的加工误差,第五章机械加工质量,切削力作用点位置变化引起工件形状误差,车床变形引起的加工误差,第五章机械加工质量,误差复映规律由于毛坯的形状误差或材料硬度不均匀，使切削力发生变化，变化的切削力使工艺系统产生相应的变形，使工件表面保留了与毛坯相类似的形状和位置误差。,第五章机械加工质量,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。,复映系数；g工件误差；m毛坯误差；Fy/Fz0.4;Cp与材料刀具有关系数；S走刀量；K工艺系统刚度机械加工中，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。,CpS0.75/K,第五章机械加工质量,例：车削一钢轴，503，Cp191，S1mm/r,v100m/min,0.4,K2000公斤力/mm。一次切削，求加工后的最大误差？若分两次切削，设S20.251mm/r，求加工后的最大误差？,第五章机械加工质量,夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差,薄壁套夹紧变形解决：加开口套,第五章机械加工质量,薄壁工件磨削解决：加橡皮垫,龙门铣横梁变形,龙门铣横梁,龙门铣横梁变形补偿,解决1：重量转移,解决2：变形补偿,龙门铣横梁变形转移,第五章机械加工质量,3.减小工艺系统受力变形的途径提高工艺系统刚度设计机械制造装备时应切实保证关键零部件的刚度提高接触刚度采用合理的装夹方式和加工方法减小切削力及其变化改善毛坯制造工艺，减小加工余量，适当增大前角和后角，改善工件材料的切削性能等均可减小切削力。,第五章机械加工质量,四、残余应力引起的变形1.毛坯制造和热处理产生的残余应力,铸件残余应力引起变形,第五章机械加工质量,2.切削加工带来的残余应力冷塑性变形热塑性变形,第五章机械加工质量,3.冷校直带来的残余应力,第五章机械加工质量,3.冷校直带来的残余应力,冷校直引起的残余应力,第五章机械加工质量,4.金相组织变化带来的内应力5.减小残余应力措施设计合理零件结构粗、精加工分开避免冷校直时效处理,练习2.在卧式镗床上加工箱体孔，若只考虑镗杆刚度的影响，试分析图中四种镗孔方式加工后孔的几何形状。工作台送进；镗杆送进，没有后支承；镗杆送进，有后支承；在镗模上加工。,练习1.在三台车床上车轴，试分析出现a)、b)、c)三种误差的主要原因？,第五章机械加工质量,练习3.分析磨削外圆时，如图示，若磨床前后顶尖不等高，工件将产生何种形状误差？,第五章机械加工质量,练习4.设已知一工艺系统的误差复映系数为025，工件在本工序前有椭圆度045mm，若本工序形状精度规定允差001mm，问至少走刀几次方能使形状精度合格？,五、工艺系统热变形及其对加工精度的影响1.概述工艺系统热变形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%。工艺系统热源,第五章机械加工质量,第五章机械加工质量,温度场与工艺系统热平衡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,第五章机械加工质量,2.机床热变形对加工精度影响机床热变形特点体积大，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热变形,a）车床受热变形形态,b）温升与变形曲线,第五章机械加工质量,其他机床热变形,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,第五章机械加工质量,3.刀具热变形特点体积小，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）变形曲线,式中热伸长量；max达到热平衡热伸量；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，取34分钟）。,第五章机械加工质量,4.工件热变形圆柱类工件热变形长度：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。,例：长400mm丝杠，加工过程温升1，热伸长量为：,直径：,5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性。,第五章机械加工质量,板类工件单面加工时的热变形,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。,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。,第五章机械加工质量,例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：,此值已大于精密导轨平直度要求。思考：铰长孔时易产生什么样的形状误差？,第五章机械加工质量,5.减小热变形对加工精度影响的措施减少热源发热和隔离热源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。均衡温度场,均衡立柱前后壁温度场,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。,采用合理结构热对称结构热补偿结构合理选择装配基准加速达到热平衡高速空运转人为加热控制环境温度恒温人体隔离,双端面磨床主轴热补偿1主轴2壳体3过渡套筒,第五章机械加工质量,第五章机械加工质量,第三节保证和提高加工精度的途径一、直接消除或减少误差,二、补偿或抵消误差,龙门铣横梁变形补偿,丝扛加工误差补偿,第五章机械加工质量,三、误差转移,龙门铣横梁变形转移,第五章机械加工质量,四、误差分组把原始误差按其大小均分为n组，每组毛坯误差范围就缩小为原来的1/n，然后按各组分别调整加工。五、“就地加工”六、误差平均利用有密切联系的表面相互比较，相互检查从对比中找出差异，然后进行相互修正或互为基准加工，使工件被加工表面的误差不断缩小和均化。在生产中，许多精密基准件(如平板、直尺、角度规、端齿分度盘等)都是利用误差平均法加工出来的。七、加工中的积极控制,第五章机械加工质量,第四节加工误差的统计分析一、概述1.系统性误差与随机性误差系统误差:在顺次加工一批工件中，其大小和方向均不改变，或按一定规律变化的加工误差。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。随机误差：在顺次加工一批工件时，加工误差的大小和方向都是随机变化的误差。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。,第五章机械加工质量,2.机械制造中常见的误差分布规律正态分布：平顶分布：工件瞬时尺寸分布呈正态，其算术平均值近似成线性变化（如刀具和砂轮均匀磨损）双峰分布：两次调整下加工的工件或两台机床加工的工件混在一起偏态分布：如工艺系统存在显著的热变形，或试切法加工孔时宁小勿大，加工外圆时宁大勿小,第五章机械加工质量,第五章机械加工质量,3.加工误差的综合系统误差按代数法相加，随机误差用平方和的平方根相加。二、加工误差的统计分析1.分布曲线法样本和样本含量：按调整法成批加工某种零件，随机抽取一定数量进行测量，抽取的这批零件称为样本，样本的总件数称样本含量。N表示。频数：逐个测量样本的实际尺寸，并按一定的尺寸间隔分组，每组的零件数称频数。频率频数N分布密度频率尺寸间隔,第五章机械加工质量,直方图作法,第五章机械加工质量,实验分布曲线,第五章机械加工质量,返回,理论分布曲线,0,x,y,-总体平均值，即,-均方根偏差，即,第五章机械加工质量,曲线以分布中心为对称轴对称分布。只影响分布曲线的位置，反映常值系统误差的影响；影响分布曲线的形状，反映随机性误差对加工过程的影响。分布曲线与横坐标轴所包含的面积等于1，99.73%的零件出现在范围内。我们认为所有零件都分布在此范围内。,第五章机械加工质量,返回,影响分布曲线位置,影响分布曲线形状,第五章机械加工质量,用标准正态分布曲线分析随机误差,0,y,x,X,3,3,第五章机械加工质量,例：有一批小轴，其直径尺寸为18-0.0350mm,测得后得=17.975mm,=0.01mm,属正态分布，求合格率、废品率，并分析废品的特性及减少废品的可能性。解：1.画图2.把合格率分为A、B两部分计算,A,B,17.975,17.965,18,17.945,18.005,可修复废品,不可修复废品,第五章机械加工质量,ZA=XA/=(17.975-17.965）/0.1=1ZB=XB/=(18-17.975)/0.01=2.5查表：（ZA）=0.3413；（ZB)=0.4938则合格率：（ZA）+（ZB)=0.3413+0.4938=83.51%废品率：1-0.8351=16.49%可修复废品：0.5-（ZB)=0.62%不可修复废品：0.5-（ZA）=0.1587=15.87%,第五章机械加工质量,练习1.有一批零件，其内孔尺寸为70+0.030mm，属正态分布。试求尺寸在70+0.03+0.01mm之间的概率。练习2.在自动机床上车削一批小轴，尺寸为30-0.120mm,据测其尺寸符合正态分布。其=0.02mm,又与公差中心不重合，偏左0.03mm,试求该批零件的废品情况。,第五章机械加工质量,练习1,第五章机械加工质量,练习2.解：Z=（-0.09+0.12）/0.02=1.5查表：（Z）=0.4332废品率：0.5-（Z）=6.68%为不可修复废品。,x,-0.06,-0.09,-0.03,-0.15,-0.12,0,公差中心,废品,第五章机械加工质量,练习3.在磨床上加工销轴，要求外径，抽样后测得，尺寸分布符合正态分布，试分析该工序的加工质量。,解：1.绘制正态分布曲线图，标注实际与设计尺寸范围。2.计算工艺能力系数。,3.判定不合格品范围。,4.计算不合格品概率。,5.减少废品的措施。,第五章机械加工质量,练习4.在车床上加工一批工件的孔，经测量实际尺寸小于要求的尺寸而必须返修工件占22.4%，大于要求的尺寸而不能返修的工件数占1.4%。若孔的直径公差T=0.2mm，整批工件服从正态分布，试确定该工序的标准偏差，并判断车刀的调整误差是多少？,第五章机械加工质量,分布曲线法应用,1、判别加工误差的性质,2、确定各种加工方法能达到的经济加工精度,3、判定工序能力及其等级,4、估算不合格品率，并采取措施减少或消除不合格品,第五章机械加工质量,分布曲线法的缺点不能反映出零件加工的先后顺序，不能把规律性变化的系统误差从随机误差中区分出来一批零件加工完成才能绘制分布曲线，因此不能在加工过程中提供控制工艺过程的资料。2.点图法（简介）,第五章机械加工质量,点图分析法,图是控制图和R控制图联合使用的统称,R图：,表示样组平均值，R表示样组极差,图控制限,图：,-R图：,点图分析法,工艺过程稳定性点子正常波动工艺过程稳定；点子异常波动工艺过程不稳定,稳定性判别没有点子超出控制限大部分点子在中心线上下波动，小部分点子靠近控制限点子变化没有明显规律性（如上升、下降倾向，或周期性波动）同时满足为稳定,第五章机械加工质量,第五节机械加工表面质量一、加工表面质量的概念1表面粗