new机械制造技术基础(第7章).ppt
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1、1,第七章 机械制造质量 分析及控制,教学基本要求:,能正确综合应用力学、物理学等基础科学知识分析加工误差产生的原因,从而找出控制加工误差的方法。,能正确运用统计学方法对加工误差进行统计分析,并根据加工误差的统计特征,确定出加工误差的变化规律及可能采取的控制方法。,2,能正确分析影响机械加工表面质量的因素,掌握这些因素对加工表面质量的影响规律;,了解机械加工中强迫振动和自激振动的特征及其识别方法,了解自激振动产生的机理以及消除和减弱振动的方法。,教学基本要求:,3,波纹度,几何精度,表面层物理机械性能,表层材料的冷作硬化表层材料的金相组织变化表层材料的残余应力,制造质量,质量:用户对产品的满意
2、程度,设计质量、制造质量、服务质量,质量的含义,微观几何形状精度,宏观几何形状精度,圆度、圆柱度、直线度、平面度等,图示,第7章 机械制造质量分析及控制,(表面粗糙度),4,(形状误差位置公差尺寸公差),表面粗糙度波度,加工精度,表面质量,表面物理机械性能的变化,制造质量,制造质量研究的内容,5,7.2.1 机械加工精度概述,加工精度与加工误差,加工精度:零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状及各表面相互位置)与理想几何参数的符合程度。,加工误差:零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的偏离程度。,符合程度越高,加工精度就越高。,加工误差的大小反映了加工精度的高低。,加工误差越小,加工精度越高。
3、,7.2 机械加工精度,6,2、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,反复进行到工件尺寸达到规定要求为止,调整法:先调整好刀具和工件在机床上的相对位置,并在一批零件的加工过程中保持这个位置不变,以保证工件被加工尺寸,定尺寸刀具法:通过刀具的相应尺寸保证加工表面的尺寸精度,7,自动控制法:将测量、进给装置和控制系统组成一个自动加工系统,通过自动测量和数字控制装置,在达到尺寸精度后自动停止加工,主动测量法:边加工边测量加工尺寸,8,刀尖轨迹法:通过刀尖运动的轨迹来获得形状精度的方法仿形法:刀具依照仿形装置进给获得工件形状精度的方法成形法:利用成形刀具对工件加
4、工获得形状精度的方法展成法:利用工件和刀具的展成切削运动进行加工的方法,(2)获得形状精度的方法,9,直接找正定位法:用划针或百分表直接在机床上找正工件位置划线找正定位法:先按零件图在毛坯上划好线,再以所的划线为基准找正它在机床的位置夹具定位法:在机床上安装好夹具,工件放在夹具中定位机床控制法:利用机床的相对位置精度保证位置精度,(3)获得位置精度的方法,10,机械加工时,由机床、夹具、刀具和工件构成的一个完整的系统。,由于工艺系统本身的结构和状态以及加工过程中的物理力学现象而产生的各种误差。工艺系统误差。,工艺系统:,原始误差:,3.影响加工精度的因素,原始误差与加工精度的关系,工艺系统原始
5、误差方向不同,对加工精度的影响程度也不同。,示例,11,误差敏感方向影响加工精度最大的那个方向(即通过刀刃的加工表面的法向)。,当原始误差方向恰为加工表面法线方向时,引起的加工误差为最大;,当原始误差的方向恰为加工表面的切线方向 时,引起的加工误差为最小;,当原始误差的方向与误差敏感方向一致时,对加工精度的影响最大。,原始误差与加工精度的关系,12,原始误差,工艺系统的制造误差(几何误差),原始误差的来源,13,机床的几何误差,机床制造磨损安装,主轴回转误差导轨误差传动链误差,7.2.2 工艺系统的几何误差,(1).主轴回转误差,主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线的变动量。,2)将动力或运动传
6、递给工件或刀具。,主轴各瞬时实际回转轴线的平均位置,主轴回转误差的分解:,径向圆跳动、端面圆跳动和角度摆动三种基本型式,主轴的功用:,1)装夹工件、刀具或夹具的基准;,定义:,理想回转轴线:,15,端面圆跳动,主轴轴肩端面的平面度及其与回转轴线有垂直度误差;轴承承载端面与回转轴线有垂直度误差。,车端面可以引起所加工端面的垂直度、平面度误差和轴向尺寸精度误差;加工螺纹产生螺距误差。,端面圆跳动对加工精度的影响:,图示,端面圆跳动的产生原因,主轴实际回转轴线沿平均回转轴线的方向作纯轴向蹿动,16,径向圆跳动产生的原因,加工方式不同,主轴各段轴颈的同轴度误差;,轴承误差(圆度);,轴承之间的同轴度误
7、差、,主轴轴颈误差(圆度);,主轴挠度,影响也不同,主轴实际回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量,径向圆跳动,17,滑动轴承,工件回转型(车削):切削力作用方向是不变的,主轴轴颈的圆度误差将在回转过程中引起轴线位置产生瞬时变化,对主轴径向回转精度影响较大;,轴承内孔径的圆度误差对主轴径向回转精度影响较小。,18,轴承的内孔圆度误差将使主轴在回转的过程中产生径向跳动,引起镗孔的圆度误差;主轴轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较小。,刀具回转型:切削力作用方向是变化的,19,车削加工:工件回转,刀具移动,假设主轴轴线沿X轴作简谐运动:x=Acos,X2+Y2=R2+A2Sin2 车削出的工件
8、表面接近于一个真圆。,车削加工时,径向跳动对工件的圆度影响很小;但与定位基准有同轴度误差,并产生圆柱度误差。,径向圆跳动对加工精度的影响:,20,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A。,镗削加工:镗刀回转,工件不转,X=Acos(t),当镗刀转过一个角时(位置1),刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分别计算得:X=(A+R)cos Y=Rsin。,图示,将上两式平方相加得:X2/(A+R)2+Y2/R2=1,镗出的孔为椭圆形,21,主轴径向回转误差可以引起工件的圆度误差和圆柱度误差;,径向圆跳动对加工精度的影响:,22,产生角度摆动的原因,角度摆动,
9、主轴实际回转轴线相对于平均回转轴线成倾斜一个角度作摆动,角度摆动可视为径向圆跳动与轴向窜动的综合。凡引起径向圆跳动与轴向窜动的因素均会影响主轴的角度摆动。,23,角度摆动对加工精度的影响:,车削加工时工件每一横截面内的圆度误差很小,但轴平面有圆柱度误差(锥度)。车外圆:得到圆形工件,但产生圆柱度误差(锥体)车端面:产生平面度误差 镗孔时,由于主轴的纯角度摆动使得主轴回转轴线与工作台导轨不平行,使镗出的孔呈椭圆形,24,提高主轴回转精度的措施,(5)对滚动轴承进行预紧,以消除间隙。,(1)提高主轴及箱体的制造精度;,(2)选用高精度轴承;,(3)提高主轴部件装配精度;,(4)对高速主轴部件要进行
10、动平衡;,(2)机床导轨误差,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的平行度(扭曲),机床导轨精度要求:,确定各主要部件位置关系的基准;是实现直线运动的主要部件。,导轨的功用:,导轨的制造和装配精度:影响直线运动的主要因素 直接影响工件的加工精度。,导轨在水平面内的直线度误差,导轨误差对加工精度的影响,当导轨在水平面内的直线度误差为y时,引起工件在半径方向的误差为:R=y,车、磨削外圆时,为误差敏感方向,对加工精度影响最大;,导轨向外凸,导轨向内凹,工件产生腰鼓形误差;,工件产生鞍形误差;,铣削、刨削平面时,为误差非敏感方向,对加工精度影响最小。,(以卧式车床为例),(图75),
11、导轨在垂直面内的直线度误差,床身导轨在垂直面内有直线度误差,会引起刀尖产生切向位移Z,造成工件在半径方向产生的误差为:RZ2/D,设:Z=Y=0.1mm,D=40mm,则由于水平面内原始误差而产生的加工误差:R=Y=0.1mm,由于垂直面内原始误差产生的加工误差:R Z2/D=0.00025mm,图7-7,28,对平面磨床,龙门刨床及铣床等,误差敏感方向为加工表面的法线方向,导轨在垂直面内的直线度误差会引起工件相对于砂轮(刀具)产生法向位移,其误差将直接反映到被加工工件上,造成形状误差。,结论:,龙门刨床导轨垂直面内直线度误差 1刨刀 2工件 3工作台 4床身导轨,原始误差引起工件相对于刀具产
12、生相对位移,若产生在加工表面法向方向(误差敏感方向),对加工精度有直接影响;产生在加工表面切向方向(误差非敏感方向),可忽略不计。,前后导轨平行度误差的影响,床身前后导轨有平行度误差(扭曲)时,会使车床溜板在沿床身移动时发生偏斜,从而使刀尖相对工件产生偏移,使工件产生形状误差(鼓形、鞍形、锥度)。,从几何关系中可得出:y(H/B)一般车床H2B/3,外圆磨床HB,因此该项原始误差对加工精度的影响很大。,车床前后导轨扭曲的最终结果反映在工件上,将产生加工误差y。,31,机床制造精度;导轨磨损:使用过程中的磨损及磨损不均匀(2班制工作9个月0.03mm);机床安装质量(重型机床因自重导轨下沉23m
13、m),导轨误差产生原因,32,讨论,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。,33,提高导轨精度的措施,提高机床导轨、溜板的制造精度及安装精度采用耐磨合金铸铁导轨、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨等采用静压导轨,利用压力油或压力空气的均化作用,可有效提高工作台的直线运动精度和精度保持性。,34,在车螺纹、插齿、滚齿等加工时,刀具与工件之间有严格的传动比要求。要满足这一要求,机床内联系传动链的误差必须控制在允许的范围内。,(3)机床传动链误差,定义:,传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。,传动链末端元件产生的转角误差。,表示:,影响:,滚、
14、插、磨(展成法磨齿)齿轮等加工齿距精度,车、磨、铣螺纹螺距精度,35,举例:以滚齿机为例加以说明,若滚刀上的齿轮Z1有转角误差,造成工作台的转角误差 为:,若传动链中第i个元件有转角误差,该元件造成工作台的转角误差 为:,图示,36,kj该元件至工作台之间的传动比误差传递系数,kj1(升速传动),误差被放大,kj1(降速传动),误差被缩小,总误差:,37,减少传动环节,缩短传动链,以减少误差来源。提高传动元件,特别是提高末端传动元件(如车床丝杠螺母副、滚齿机分度蜗轮)的制造精度和装配精度。传动链中按降速比递增的原则分配各传动副的传动比。传动链末端传动副的降速传动比越大,则传动链中其余各传动元件
15、误差对传动精度的影响就越小。采用误差校正机构。其实质是测出传动误差,在原传动链中人为地加入一个误差,其大小与传动链本身的误差相等且方向相反,从而使之相互抵消。,提高传动链精度的措施,图 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,使工件相对于刀具和机床具有正确的位置。,夹具的作用:,2.夹具误差与装夹误差,夹具误差主要是指夹具的定位元件、导向元件及夹具体等零件的加工与装配误差,夹具误差影响工件的尺寸精度与位置精度,1夹具的制造精度 2夹具的磨损,影响因素:,夹具的公差选取:精加工时取工件公差的1/21/3;粗加工时取工件公差的1/51/10。,41,3.
16、刀具误差,刀具的尺寸误差影响工件的尺寸误差。,刀具的形状误差影响被加工面的形状误差,刀具的制造精度影响加工精度,展成法刀具(如齿轮滚刀、插齿刀等),定尺寸刀具(如钻头、铰刀、圆孔拉刀等),成形刀具(如成形车刀、成形铣刀、盘形齿轮铣刀等),刀刃的几何形状及有关尺寸精度会直接影响齿轮加工精度,42,刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差,刀具的磨损影响加工精度,图例 车刀的尺寸磨损,图例 车刀磨损过程,43,提高措施,提高制造精度,正确刃磨刀具;正确选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量;采用冷却润滑液;采用误差补偿装置。,44,一批工件采用调整法加工时因定位不准确而引起的 尺寸或位置的最大变动量。,调
17、整法-按试切好的工件或标准样件或对刀装置等,调整刀具相对于工件加工表面的位置,并在加工过程中保持这一位置,从而获得零件所要求的尺寸精度。调整法多用于成批、大量生产。,组成:基准不重合误差、基准位置误差,7.2.3 定位误差(略),定义:,45,基准不重合误差,设计基准:设计时确定某一表面的尺寸、位置所依 据的基准。,工艺基准:工艺过程中采用的基准。,1)工序基准:确定本工序被加工表面加 工后的尺寸、位置所依据的基准。2)定位基准:加工中用作定位的基准。3)测量基准:测量时所采用的基准.4)装配基准:装配时用来确定零件或部件在机器中的相对位置所采用的基准.,基准:,基准,确定加工对象上几何要素间
18、几何关系所依据的那些点、线、面称为基准。,工艺基准,46,定位基准与设计基准不一致所引起的定位误差,称基准不重合误差,用B表示。,基准不重合误差,定位基准相对于设计基准在加工尺寸方向上的最大变动量,基准不重合误差B=,48,定位基准面和定位元件本身制造得不准确或定位副间的配合间隙所引起的工件最大位置变动量,称基准位置误差(定位副制造不准确误差),用W表示。,定位副制造不准确误差,49,50,工艺系统:机床、夹具、工件、刀具,外力:切削力、传动力、惯性力、夹紧力、重力,产生加工误差,破坏了刀具、工件间相对位置,7.2.4 工艺系统受力变形引起的误差,图 受力变形对工件精度的影响 a)车长轴 b)
19、磨内孔,系统刚性影响工件的加工精度,52,定义:垂直作用于工件加工表面(误差敏感方向)的径向力Fp与工艺系统在该方向上的变形系的比值,即k系统Fp/系,工艺系统刚度,工艺系统整体抵抗其变形的能力。,工艺系统的刚度是由组成工艺系统各部件的刚度决定的。工艺系统的总变形量为:,工艺系统刚度的一般式为:,工件刚度,工件受力变形,变形量按材料力学公式计算,刀具刚度,刀具受力变形,变形量按材料力学公式计算,(1)工件、刀具的刚度,例如:装夹在卡盘中的棒料以及压紧在车床刀架上的车刀刚度,可按悬臂梁受力变形的公式计算,机床部件的刚度问题就比较复杂,通过实验来测定。,1 机床部件刚度,(2)机床部件、夹具部件的
20、刚度,4)部件的实际刚度远比按实体结构的估计值小。,特点:,2)加载曲线与卸载曲线不重合。,3)加载曲线与卸载曲线不封闭。,1)变形与载荷呈非线性关系。,60,(1)由于工艺系统刚度变化引起的误差,切削力作用点位置变化引起的加工误差,机床变形引起的加工误差,工艺系统刚度主要取决于机床刚度,当刀具切削到工件的任意位置 C时,工艺系统的总变形系统为:系统x+刀架,工艺系统刚度对加工精度的影响,变形大小随刀具在x方向位置变化,使车出的工件呈抛物线形状,1理想的工件形状;2k头k尾时车出的工件形状,通过推证可知工艺系统在工件切削点处的变形量为:,可以看出:系统=f(x),是一个二次抛物线方程,=min
21、,p,p,由式7-11计算得:x=0、x=l、x=l/2、x=时,工艺系统变形大小如表7-1所示,【例7-1】经测试某车床的k主=300000N/mm,k尾=56600 N/mm,k刀架=30000 N/mm,在加工长度为的刚性轴时,径向切削分力,计算该轴加工后的圆柱度误差。,系max系min,圆柱度误差:,63,考虑工件变形引起的加工误差,式中 y工 工件变形;E 工件材料弹性模量;J 工件截面惯性矩;,工艺系统的总变形量为:,工艺系统的刚度为:,64,(2)由于切削力变化引起的误差,在加工过程中,由于工件加工余量或材料硬度不均匀,都会引起径向力Fp的变化,从而使工艺系统受力变形不一致而产生
22、加工误差。,以车削工件外圆为例,图7-13 毛坯形状误差的复映,若毛坯存在的椭圆形状,由于毛坯存在的圆度误差:毛=ap1 ap2,引起了工件产生圆度误差工=y1 y2,65,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,误差复映系数:,工艺系统的刚度越大,复映系数越小,毛坯误差复映到工件上去的部分就越少。,若经过n次走刀加工后,则误差复映为 工=12n毛,总的误差复映系数,例 具有偏心量e=1.5mm的短阶梯轴装夹在车床三爪卡盘中分两次走刀粗车小头外圆,设两次走刀的复映系数均为=0.1,试估算加工后阶梯轴的偏心量是多大?,工1=毛,第一次走刀偏心量为:,
23、工2=工1=2毛=0.121.5=0.015mm,第二次走刀偏心量为:,68,毛坯的各种形状误差(圆度、圆柱度、同轴度、平面度等)都会以一定的复映系数,复映成工件的加工误差。毛坯材料的不均匀,HB有变化,同样会引起径向力的变化,产生加工误差。增加走刀次数,可减小误差复映,提高加工精度,但生产率降低了。提高工艺系统刚度,对减小误差复映系数具有重要意义。,结论:,69,减少工艺系统受力变形的途径,(1)提高工艺系统刚度,提高工件和刀具的刚度,提高机床部件的刚度。,采用合理的装夹方式和加工方式,(2)减少切削力及其变化,合理选择刀具材料和几何角度,改善工件材料的切削加工性和余量的均匀性,提高接触刚度
24、。,70,工艺系统热变形的现象工艺系统受热升温而使工件、刀具及机床的许多部分会因温度升高而产生复杂变形改变工件、刀具、机床间的相互位置破坏刀具与工件间相互运动的正确性改变已调整好的加工尺寸引起切削深度和切削力改变破坏传动链的精度,7.2.5 工艺系统受热变形引起的误差,71,工艺系统的热源,热源,切削热,摩擦热,外部热源,内部热源,环境温度,热辐射,7.2.5 工艺系统受热变形引起的误差,派生热,72,对加工精度的影响最直接也最大,内部热源,切削热:,在切削(磨削)过程中,消耗于切削的弹、塑性变形能及刀具、工件和切屑之间摩擦的机械能,绝大部分都转变成了切削热。,车削:传给工件的热量约在30%左
25、右铣、刨:小于30%钻孔、卧式镗孔:约在50%左右磨削:多达80%以上,温度高达8001000,摩擦热和能量损耗,运动副:(如齿轮副、轴承副、导轨副、螺母丝杠副、离合器等)相对运动摩擦产生的热;,动力源:(如电动机、液压系统等)工作时的能量 损耗而发热。,派生热源,工艺系统的部分热量通过切屑、切削液、润滑液等带到机床其它部位,使系统产生热变形。,74,外部热源,来自工艺系统外部,以辐射为传递形式的辐射热(如阳光、灯光照明、取暖设备、人体温度等)工艺系统局部受热变形影响加工精度。,环境温度,以对流传递为主要传递形式的环境温度的变化(如气温的变化、人造冷热风,地基温度的变化等)工艺系统受热不均影响
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