第一章-加工质量控制基础ppt课件

1、机械加工 机械加工 质量控制与检测 加工精度 表面质量 加工工艺控制 郑州城市学院,2,第1 章 加工质量控制基础,1.1 零件的使用性能与加工质量 1.2 零件加工过程质量控制的影响因素 1.3 加工过程质量控制措施 1.4 几种典型零件的加工质量控制,3,1.1 零件的加工质量与使用性能,机械产品组成： 零件、组件、部件、机构等组成机器。机器的性能、寿命、可靠度等取决于零件质量（机器的加工和装配调试）。 零件的加工缺陷直接影响零件的耐磨性、疲劳强度、抗腐蚀性、配合精度等使用性能，还会引起应力集中、应力腐蚀，从而加速零件的失效。 产品的配合性能、耐磨损性、抗腐蚀性和抗疲劳破坏能力等使用性能都

2、与零件的加工质量有关,1.1.1 零件使用性能（质量） 性能分类：功能性能和使用性能 使用性能：是指产品在一定条件下，实现预定目的或者规定用途的能力。任何产品都具有其特定的使用目的或者用途。功能性能；产品规定功能或者规定用途要求。 符合性质量：标准规定的，能够检验 二者关系：功能性能规定是前提，使用性能实现是保证（统称为可靠性，可行性介绍,4,5,为保证产品正常发挥其功能，具有良好的使用性能，需保证零件的加工质量，对加工工艺过程进行控制。 工艺？ 工艺过程,6,工艺：就是制造产品的方法。 生产过程：是指将原材料转变为成品的全过程. 工艺过程：在生产过程中，凡是改变生产对象的形状、尺寸、相对位置

3、和性质等，使其成为成品或半成品的过程称为工艺过程。 机械加工：常温加工和加热加工及介于两者之间的加工。. 机械加工工艺过程：采用机械加工的方法，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程,7,1.1.2 零件的加工质量,加工质量（基础）保证产品的功能要求和使用性能。加工质量有哪些要求？ 零件的加工质量包括零件的加工精度和表面质量两个方面的内容,波度：介于宏观几何形状误差与微观表面粗糙度之间的几何形状误差,9,加工质量包含两方面内容：加工精度（影响功能发挥）和表面质量（影响使用性能） 1.加工精度：加工精度实质是指零件加工后的尺寸、形状、位置等实际几何参数与公称

4、几何参数相符合的程度。实际参数与公称参数之间的偏离程度称为误差；误差越大，精度越低，零件的加工质量越差。在规定值（公差）之内合格。 公差、误差和精度的关系,国家标准规定：常用的分为20级，分别用IT01、IT0、IT1、IT2IT18表示。数字越大，精度越低。常用IT5-IT13精度 高 精 度：IT5、IT6 通常由磨削加工获得。 中等精度：IT7-IT10 通常由精车、铣、刨获得。 低 精 度：IT11-IT13 通常由粗车、铣、刨、钻等加工方法获得,几何公差,形成：机械零件由几何要素组成,零件加工后，不仅存在尺寸误差,而且还会产生形状.方向和位置误差,其表面、轴线、中心对称平面等的实际形

5、状和位置相对于所要求的理想形状和位置，存在着误差，这种误差称为形状和位置误差，简称几何误差。形状位置精度用等级公差表示。 影响；产品的使用性能和互换性.如由于间隙不均加剧磨损或影响强度.位置不对影响装配（互换性）等,所以正确确定几何公差是机械产品精度设计的重要内容之一. 设计依据是产品使用要求和相关标准.制造依据产品标准,几何公差的特征符号,公差带的主要形状,形状公差： （1）平面度公差带 公差带为间距等于公差值t的两平行平面所限定的区域,2）圆度公差带 公差带为在给定横截面内，半径差等于公差值t的两同心圆所限定的区域,3）圆柱度公差带 公差带为半径差等于公差值t的两同轴线 圆柱面所限定的区域

6、,方向公差： （1）平行度公差带 面对面平行度公差带:公差带为间距等于公差值t且平行于基准平面的两平行平面所限定的区域,2）垂直度公差带 面对面垂直度公差带:公差带为间距等于公差值t且垂直于基准平面的两平行平面所限定的区域,3）线对面垂直度公差带 在任意方向上，公差带为直径等于公差值t且轴线垂直于基准平面的圆柱面所限定的区域,4）圆跳动公差(径向.轴向.斜向,23,加工质量影响装配质量（互换性）和功能的发挥。 加工零件的质量控制内容包括：在零件加工过程中的质量控制工艺措施和加工内容完成后的检验测量。 零件质量控制加工工艺和检测的控制,24,2. 表面质量：指机械加工后零件表面层的微观几何结构及

7、表层金属材料性质发生变化的情况。它是零件加工后表面层状态完整性的表征。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。极薄（几微米几十微米），总存在一定的微观几何形状的偏差，表面层的物理力学性能也发生变化。但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。 表面几何形状特征:（表面粗糙度和表面波度） 表面物理力学状态（表面加工硬化、表面金相组织和表面残余应力,25,表面的几何形状特征： 加工表面的微观几何特征主要包括表面粗糙度和表面波度两部分组成。表面粗糙度是指加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性，它是一种微观几何形状

8、误差，也称为微观不平度。 表面粗糙度应与形状误差（宏观几何形状误差）和表面波度区别开。通常，波距小于 1mm 的属于表面粗糙度，波距在 1-10mm 的属于表面波度，波距大于 10mm 的属于形状误差 工作表面: Ra 3.2-0.4um， 非工作表面：Ra 12.5-3.2um以上,26,27,产生原因： 切削加工时，由于振动，刀痕及刀具与零件之间的摩擦，在制造的零件表面不可避免的产生一些微小的峰谷。零件表面上这些微小的峰谷的高低程度就称为表面粗糙度。粗加工后的表面用肉眼就能看到，精加工后的表面用放大镜或显微镜仍能观察到。 从相反概念的角度表面粗糙度也可以称为表面光洁度,28,表面物理力学状

9、态（表面加工硬化、表面金相组织和表面残余应力）：加工前后状态变化。 物质组成：分子-原子-晶格（原子排列形式），晶格排列不同决定材料性能不同。 表面加工硬化：机械加工中产生的塑性变形使表层晶格扭曲、畸变、挤紧、晶粒间产生滑移，表层材料硬度、强度增加的现象冷作硬化。变形越大加工硬化越严重。（加工过程材料硬化热处理晶格恢复,29,表面金相组织：加工过程中加工区域（表层）温度达到或超过工件材料相变温度时，金相组织会发生变化，其金属性能发生变化。 残余应力：机械加工中工件冷（热）态塑性变形和金相组织变化（切削力和切削热的作用）的综合结果。表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平

10、衡的力，使其性能不稳定。这种应力即为表面层的残余应力（内应力）。 工件内应力：外部载荷去除后仍残存在工件内部的应力为内应力；内应力往往处于一种不稳定的平衡状态。在外部因素作用下，内应力重新分配工件变形，破坏原有的加工精度,30,零件的加工精度影响规定功能的发挥，如汽车刹车、转向；拖拉机耕地、提升等和装配性能（互换性） 零件的使用性能主要包括零件的装配性能、耐磨性、抗疲劳强度、耐腐蚀性，零件的加工质量会对它们产生直接的影响。 主要影响见下,表面粗糙度对耐磨性的影响 一般说表面粗糙度值越小，零件耐磨性越好。但表面粗糙度值太小，紧密接触的两个光滑表面之间润滑油不易储存，容易发生分子粘接，磨损反而增加

11、。 表面加工硬化对耐磨性的影响 表面层的加工硬化使摩擦副表面层金属的硬度提高，所以一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度越高，耐磨性就越高，这是因为过度的加工硬化将会引起裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降,1）零件的表面质量对耐磨性的影响,2）零件的表面质量对抗疲劳强度的影响,表面粗糙度对抗疲劳强度的影响 表面粗糙度值越大，应力集中越严重，越容易形成和扩展疲劳裂纹。 表面层残余应力对抗疲劳强度的影响 表面层残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲 劳破坏；而表面层残余压应力能够阻止疲劳裂纹 的扩展，延缓疲劳破坏的产生。 表面加工硬化对抗疲劳强度的影响 加工硬化可以在零件表面形成一个冷硬层能够防止裂

12、纹产生并阻止已有裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。但是如果冷硬层过深过硬，反而容易产生疲劳裂纹,3）零件的表面质量对耐蚀性能的影响,表面粗糙度值越大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就越多，渗透和腐蚀作用就越强烈。因此，零件的表面粗糙度值越大，耐蚀性能就越差。 表面层的残余拉应力会降低零件的耐蚀性而残余压应力则能增强零件的耐蚀性,4）零件的表面质量对配合精度的影响,对于间隙配合表面粗糙度值大（精度低）会使磨损加大，使实际间隙增大，破坏了要求的配合性质。对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，使实际过盈量减小，降低了配合件之间的连接强度,零件表面质量,粗糙度太大、太小都不耐磨,适度冷硬能提高耐磨性

13、,对疲劳强度的影响,对耐磨性的影响,对耐腐蚀性能的影响,对工作精度的影响,粗糙度越大，疲劳强度越差,适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度,粗糙度越大、工作精度降低,残余应力越大，工作精度降低,粗糙度越大，耐腐蚀性越差,压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性,机械加工表面质量的影响,36,产品质量零件加工（装配）质量工艺检测的控制 对加工零件的质量控制内容包括：在零件加工过程中的质量控制工艺措施和加工内容完成后的检验测量,37,1.2 零件加工过程质量控制的影响因素,工艺过程决定了零件的质量，如何控制，要求是什么？有哪些影响因素？ 穿插（机加加工视频）和车削示意图 1.加工工艺系统：由机床、

14、夹具、刀具和工件组成。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。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。 加工工艺系统的误差是工件产生加工误差的根源，系统的误差决定了零件的精度,38,39,原始误差：加工工艺系统的误差是工件产生加工误差的根源，我们把工艺系统的各种误差称之为原始误差。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 原始误差如下表： 控制原始误差是确保加工质量（包括加工精度和表面质量）有效措施之一,原始误差,工艺系统静误差,工艺系统动误差,调整误差,

15、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,加工前,加工中,加工后,41,加工误差产生的原因,加工前的误差 理论误差、装夹误差、机床制造、安装误差及刀具误差、夹具误差、调整误差。 加工中的误差 工艺系统受力变形、工艺系统受热变形、刀具磨损、测量误差、残余应力引起的变形。 控制方法与措施： 试切法、调整法、定尺寸刀具法、自动控制法、误差转移法、误差分组法,42,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,原理误差：是指由于采用

16、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。 车削螺纹，齿轮加工，齿轮滚刀，模数铣刀等,机械加工中，采用近似的成形运动或近似的刀刃形状进行加工，虽然会由此产生一定的原理误差，但却可以简化机床结构和减少刀具数，只要加工误差能够控制在允许的制造公差范围内，就可采用近似加工方法,44,1.3 加工质量控制措施,控制原始误差是确保加工质量（包括加工精度和表面质量）有效措施之一。 以车加工（图示）为例分别讨论。 补充知识： 工艺系统各部分介绍、刀具、三要素、受力和受热变形特点、成型原理。 常用的术语： 积屑瘤、复映误差等,工程制图,1.机床和工艺系统介绍（三爪卡盘、刀架、跟刀架和尾座等）(

17、插入视频,CA6140车床外形图,2.刀具组成,麻花钻,螺纹刀具(梳刀,盘形铣刀,3.金属的切削原理,金属的切削过程是被切削金属层在刀具切削刃和前刀面的挤压作用下而产生剪切、滑移变形的过程。切削金属时，切削层金属受到刀具的挤压开始产生弹性变形，随着刀具的推进，应力、应变逐渐加大，当应力达到材料的屈服强度时产生塑性变形，刀具再切入，当应力达到材料的抗拉强度时，金属层被挤裂而形成切屑,滑移变形区 、前刀面摩擦变形区 、后刀面摩擦变形区,4.车削表面的形成,51,5.切削三要素：切削用量是指切削速度、进给量和背吃刀量的总称，一般叫做切削三要素。在切削加工中，需要根据不同的工件材料、刀具材料和其他技术

18、、经济要求来选择适宜的切削用量。其分别定义如下 切削速度c：刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度（切削的主运动采用回转运动）。当转速n一定时，刀具切削刃各点的切削速度不同，确定切削用量时应取最大的切削速度，如外圆车削时应取待加工表面的切削速度；钻头钻孔应取钻头外径的切削速度。米/分,52,进给量（进给速度、走刀量）f ：进给速度是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移，符号用f，单位mm/r（毫米/转） 背吃刀量（单边吃刀深度）：背吃刀量为工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离，符号ap，单位为mm。它表示切削刃切入工件的深度,6、工艺系统受力变形对加工精度影响,在切削力

19、、传动力、惯性力、夹紧力以及重力等的作用下，工艺系统将产生相应的变形（弹性变形和塑性变形）和振动。这种变形和振动，会破坏刀具和工件之间的成型运动、位置关系及速度关系，还影响切削运动的稳定性，从而造成各种加工误差。 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。 工艺系统抵抗弹性变形的能力越强，则加工精度越高，工艺系统抵抗弹性变形的能力，叫刚性,1）刚性引起的（让刀）变形： 如车削刚性较差的工件，工件在切削力的作用下会发生变形，加工出的工件出现两头细中间粗的腰鼓形；若工件刚性很好而机床刚性很差，由机床变形引起的“让刀”现象使车出的工件呈两头大，中间小的鞍形。

20、由此可见，工艺系统受力变形是加工中一项很重要的误差来源，它严重地影响工件的加工精度,工件刚度小-腰鼓形 工艺系统刚性差-马鞍形,工艺系统刚度： 指工艺系统抵抗其变形的外力的能力。是指工件加工表面在切削力法向(径向)分力Fy的作用下，刀具相对工件在该方向位移y的比值,2)误差复映规律,切削加工中，由于毛坯本身的误差（形状或位置）使切削深度不断变化，从而引起切削力的变化，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，因而工件表面上保留了与毛坯表面类似的形状和位置误差，但加工后残留的误差比毛坯误差从数值上大大减少了，这一现象称为“误差复映” 措施：进给量f减少，增加走刀次数，减小毛坯误

21、差值,毛坯误差和加工误差的定量关系,如图： 毛坯有圆度误差g ，复映到被加工表面的误差为g 加工时最大切削深度为ap1，最小切削深度为ap2，设工件材料的硬度是均匀的，则在ap1处，切削力Fy1最大，相应的变形y1也最大，在ap2处，切削力Fy2最小，相应的变形y2也最小,合理的结构设计： 设计工艺装备时，尽量减少连接面数目，注意刚度的匹配，防止局部低刚度环节出现，设计基础件、支承件时，合理设计零部件结构和截面形状。 提高接触刚度 提高机床部件中零件接合表面的接触质量 给机床部件预加载荷，提高工件定位基准的精度和降低表面粗糙度。 采用辅助支承（中心架，跟刀架，镗杆支承等,减少工艺系统受力变形的

22、措施,热变形：机械加工过程中，工艺系统会受到各种热的影响而产生温度变形，称为热变形。这种变形将破坏刀具与工件的正确几何关系和运动关系，造成工件的误差,7.工艺系统热变形,对加工精度的影响 精密加工和大件加工中，热变形的加工误差占工件总加工误差的40%70%。 影响加工效率，为减少热变形，需要预热机床、降低切削用量，增加工序（粗、精分开,工艺系统热源,切削热： 切削时所作的功几乎全部转变成热，其热量以传导的形式传递，对刀具和工件影响较大,摩擦热： 机械零件的摩擦轴承、导轨的摩擦而产生的热，液压传功、电气传功等，都是热源，对机床影响较大，以传导形式传递,其它热： 指工艺系统外部的，以对系统传热为主

23、的环境温度和各种辐射热,在切削区施加充分的冷却液； 提高切削速度和进给速度，传入工件的热量减小； 精加工前有充分时间间隙，得到足够的冷却； 及时刃磨和修正砂轮，减少切削热； 使工件在夹紧状态下有伸缩的自由（弹簧后顶尖，气动后顶尖,64,在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，常在切削刃口附近黏结一块很硬（约为工件材料硬度的23.5倍）的金属堆积物，这就是积屑瘤,积屑瘤的形成原因主要是由于切削加工时，在一定的温度和压力作用下，切屑与刀具前面发生强烈摩擦，致使切屑底层金属流动速度降低而形成滞流层。如果温度和压力合适，滞流层就与前刀面黏结而留在刀具前面上。由于黏结层经过塑性变形硬度提高，连续流动

24、的切屑在黏结层上流动时，又会形成新的滞留层，使黏结层在前一层的基础上积聚，这样一层又一层地堆积，黏结层愈来愈大，最后形成积屑瘤,8.金属的切削积屑瘤形成及其影响,65,当积屑瘤生成时或生成后，在外力、震动等的作用下，会局部断裂或脱落。另外，当切削温度超过工件材料的再结晶温度时，由于加工硬化消失，金属软化，积屑瘤也会脱落和消失。由此可见，产生积屑瘤的决定因素是切削温度，形成积屑瘤的必要条件是加工硬化和黏结,积屑瘤对加工的影响 增大已加工表面粗糙度。 积屑瘤周期性增大脱落，可随切屑排出或残留在已加工面形成鳞片状毛刺。 影响刀具耐用度。积屑瘤未脱落时，起保护刀刃和减小前刀面磨损的作用，脱落时可能粘连刀具材料一起剥落而加快刀具失效,降低进给量f，增大前角，前刀面光滑均可减小切屑和前刀面的接触与摩擦，避免积屑瘤形成。 合理使用切削液，可减小摩擦，降低温升，避免或减少积屑瘤,机床的几何误差: 机床主轴回转误差,回转精度：机床主轴在回转时实际回转轴线对理想回转轴线的相一致程度。 回转误差：机床