第3章-机械加工质量分析及控制-机械制造工艺学-教学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 机械加工质量分析及控制,影响加工精度的因素及其控制,价格误差的综合分析,影响表面质量的因素及其控制,机械加工中振动的基本知识,机械加工质量包括两个指标,:,加工精度,表面质量,直接影响整台机械的使用性能和寿命，本章研究机械加工精度和表面质量问题。,第一节 概述,一、加工精度和表面质量的概念,1,、加工精度,加工精度指零件加工后实际的几何参数（尺寸、形状、相互位置）与理想零件的几何参数的,符合程度,。,加工精度由尺寸精度、形状精度和位置精度组成。,加工精度的高低用,加工误差,的大小来衡量。,2,、表面质量,零件表面的几何特征，表面层的物理、力学性能。,加工表面的几何特,征,加工表面层的物理力学性能变化,表面层材料在加工时会产生物理、力学和化学性质的变化。,表面层划分：,吸附层,压缩层,基本材料,表面层的物理力学性能发生了如下变化,:,表面层的冷作硬化（塑性变形引起晶体滑移、晶格扭曲等）,表面层残余应力的形成（切削变形和切削热的影响）,表面层金相组织的变化（切削热引起）,切削区温度升高到金相组织变化的临界点时，工件,表面层就会产生金相组织变化。特别是磨削时，切削区温度高达,8001000C,，极易产生金相组织变化或烧伤现象，同时还伴随产生残余应力。,2,、形状精度的获得方法,轨迹法 利用刀具的运动轨迹形成要求的表面几何形状。获得的形状精度取决于刀具与工件成形运动的精度。,成形法：利用成形刀具代替普通刀具来获得要求的几何形状的表面，获得的表面形状精度，既取决于刀刃的形状精度，又有赖于机床成形运动的精度。,3,、位置精度的获得方法,一次装夹获得法：,当零件上有相互位置精度要求的各表面是在,同一次装夹中加工出来,的时候，表面相互位置精度是,由机床有关部分的相互位置精度来保证的。,多次装夹法：,当零件上有相互位置精度要求的各表面被安排在,不同的安装中加工时,，零件表面的相互,位置精度主要取决于安装精度,。,一般磨损分三个阶段：初期磨损阶段；正常磨损阶段；急剧磨损阶段。,（,3,）表面粗糙度对初期磨损量有直接影响，在一定工作情况下，摩擦副表面有一,最佳粗糙度值,，过大或过小的粗糙度会使初期磨损量增大，使总的耐磨时间缩短。,重载,轻载,3,、对零件抗腐蚀性的影响,当零件在潮湿的空气中或在腐蚀性介质中工作时，会发生化学腐蚀或电化学腐蚀。由于粗糙表面的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀，或在两种材料表面粗糙度凸峰间容易产生电化学作用而引起电化学腐蚀。所以减小表面粗糙度可以提高零件的抗腐蚀性。,4,、对零件疲劳强度的影响,在交变载荷作用下，零件上的应力集中区容易产生和发展成裂纹，导致疲劳破坏。表面粗糙度大将大大降低零件的疲劳强度。,5,、对零件接触刚度的影响,表面粗糙度越小，则接触刚度越高。故减小表面粗糙度是提高接触刚度的一个最有效的措施。,6,、对零件的密封性和摩擦系数也有很大影响。,粗糙度小则密封性好，摩擦系数小。,第二节 影响加工精度的主要因素及其控制,由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统,存在,各种误差,，这些误差会在不同的具体条件下，以不同的程度反映到加工零件上去，而造成,加工误差,。这种造成加工误差的工艺系统的,原有误差,，称为,原始误差。,造成加工误差的原始误差：,加工原理误差,工件装夹误差,调整误差,测量误差,工艺系统的静误差,工艺系统的动误差,滚齿用的齿轮滚刀，采用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线蜗杆，而产生刀刃齿廓近似误差。,二、工件装夹误差（定位和夹紧）,定位基准不是设计基准而产生的,定位误差,；,夹紧力过大而产生的,夹紧误差,。,三,、,调整误差,加工前对机床、刀具、夹具进行调整而产生的误差。,四、测量误差,加工完毕对工件进行测量时，由于测量方法和量具本身的误差而产生测量误差。,（一）机床误差,1,、主轴回转误差,机床主轴是用来装夹工件或刀具的基准件，并传递切削运动和动力。,其,回转精度,主要,影响,被加工零件的,几何形状精度、位置精度和表面粗糙度。,（,1,）主轴回转误差的基本形式,纯轴向窜动,纯径向跳动,纯倾角摆动以及它们的组合,车外圆,正圆，有同轴度误差,镗孔,椭圆,主轴径向圆跳动对加工精度的影响,主轴轴向窜动对加工精度的影响,对外圆与内孔的形状精度没有影响，而对端面与内、外圆垂直度有一定的影响。,主轴倾角摆动对加工精度的影响,倾角摆动不仅影响加工表面的,圆度误差，,而且影响加工表面的,圆柱度误差,。,（,3,）影响主轴回转精度的主要因素,主轴回转误差与轴承的误差、轴承间隙、与轴承配合零件的误差及主轴转速等多种因素有关。,滑动轴承误差对主轴回转精度的影响,主轴采用滑动轴承时，轴承误差主要来源于,主轴轴径和轴承孔的圆度和波度。,滚动轴承误差对主轴回转精度的影响,主轴采用滚动轴承时，,滚动轴承内圈、外圈和滚动体本身的几何精度,将影响主轴回转精度,与轴承相配合零件的制造精度和装配质量对主轴精度的影响,（,4,）提高主轴回转精度的措施,提高主轴部件的设计与制造精度,对滚动轴承进行预紧（,消除间隙，增加刚度,）,采用误差转移法,问：车床加工外圆与磨床加工外圆，哪种加工 零件的圆度好？,包括镗床镗孔。,2,、导轨导向误差,机床导轨的,导向精度,是指导轨副的,运动件实际运动方向与理想运动方向的符合程度,，两者之间的,偏差值为导向误差。,导轨在水平面的直线度（,a,）,导轨在垂直面的直线度（,b,）,前后导轨在垂直面的平行度（,c,）,以上这些误差必将引起刀具与工件在误差敏感方向的相对位移，从而引起被加工零件的误差。,误差敏感方向：对加工精度影响最大的方向,举例：车床水平导轨和垂直导轨对加工工件直径尺寸的影响,垂直导轨的误差比为水平导轨误差影响大，对圆柱度的影响大。,影响导轨导向误差的因素,机床制造误差,包括导轨的制造误差、溜板的制造误差以及导轨的装配误差等,机床安装误差,安装不正确引起的导轨误差往往远,大于制造误差。机床安装时应有良好的基础，并应严,格进行测量和校正，而且在使用期间还应定期进行复,校和调整。,导轨磨损,由于使用程度不同或受力不均，机床使,用一段时间后，导轨沿全长上各段的磨损量不等，并,且在同一截面上各导轨面的磨损量也不相等。引起床,鞍在水平面和垂直面内发生位移，且有倾斜，从而造,成刀具位置误差。,为提高导轨的导向精度，机床设计制造时，应从,结构、材料、加工工艺,等方面采取措施，提高制造精度；机床安装时，应校正好水平和保证地基质量；使用时，要注意调整导轨配合间隙，同时保证良好的润滑和防护。,3,、传动链的传动误差,加工螺纹、齿轮、蜗轮等成形表面时，刀具和工件之间的精确运动关系是由机床的传动系统来保证的，它是影响加工精度的主要因素。,传动链的传动误差指内联系的传动链中,首末,两端传动元件之间相对运动误差。,差动轮系的传动比,直齿为,1,减少传动链传动误差的措施,缩短传动链长度，减少传动件数目,采用降速传动链,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,采用误差补偿的方法（,测量出传动链中误差值，认为加入一个方向相反的误差）,（二）刀具误差,刀具误差包括刀具制造误差、安装误差和磨损。,（,1,）,一般刀具,（车刀、镗刀和刨刀等）其制造误差,对工件加工精度没有直接影响，但刀具几何参数和,形状将影响刀具的耐用度，因此间接影响加工精度。,（,2,）,定尺寸刀具,（钻头、铰刀和拉刀等）其制造误,差将直接影响工件加工精度。,（,3,）,成形刀具,（成形车刀或成形铣刀）其制造误差将直接影响工件的形状精度。,（,4,）,刀具磨损,将影响工件加工精度。如加工一根长轴时，车刀磨损将使轴产生锥度。,调整法加工,时刀具磨损将使,一批工件产生尺寸分散。,（,5,）,成形刀具的磨损,将引起被加工表面的,形状误差,。,（三）夹具误差,影响工件加工表面的位置精度和尺寸精度。,六、工艺系统的,动误差,工艺系统,在加工过程中由于受切削力、切削热、摩擦等原因而产生的原始误差，称为动误差。,（一）工艺系统,受力变形,引起的误差,1,、引起加工误差的原因,切削加工时，由,机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统,在切削力、夹紧力及重力的作用下，将产生相应的,变形和振动,。这种变形将破坏刀具和工件在静态下调整好的相互位置，并会使切削成形运动所需要的正确几何关系发生变化，而造成加工误差。,图示为“径向切入”磨削,若工作台往复运动，则很复杂,a,）主轴变形,b,）主轴、尾架变形,c,）工件变形,2,、影响机床零部件变形因素：,联接表面间的接触变形,零件表面间摩擦力的影响,薄弱零件的变形,接合面的间隙,顺铣,逆铣,3,、,工艺系统刚度对加工精度的影响,切削力作用点位置变化引起的工件形状误差,4.,车床没有变形，工件变形，加工后的形状如何？,工艺系统含：,机床、刀具、夹具、工件,切削力大小变化引起的加工误差,误差复映,夹紧力和重力等对加工精度的影响,夹紧力影响：,重力影响：,仿形车床上加工尺寸大的光轴,4,、减小工艺系统受力变形的措施,采取适当的工艺措施减小载荷及其变化,采取措施提高工艺系统刚度,合理设计零部件结构,提高联接表面的接触刚度,采取合理的装夹方式、加工方式,举例如下,采用导套,转塔车床提高刀架刚度,采用导杆辅助支承轴,另：,镗床镗孔时提高镗杆刚度的措施,（二）工件残余应力引起的误差,残余应力又称内应力，指在没有外力作用下，或去除外力后仍残存在工件内部的应力。零件中的残余应力往往处于一种不稳定的平衡状态，在外界某种因素的影响下，它会使内部很容易失去原有的平衡，并达到新平衡。在这一过程中，内应力重新分布，导致工件变形产生，从而破坏零件原有的精度。,1,、残余应力产生的原因,毛坯制造和热处理中的残余应力,分析：,冷却过程：是由从塑性状态转变到弹性状态得过程，即液态到固态过程。,冷校直带来的残余应力,切削加工带来的残余应力,切削加工中，工件表面在切削力、切削热作用下会产生残余应力,2,、减小残余应力的措施,增加时效处理工序,合理安排工艺过程,合理设计零件结构,（三）工艺系统热变形引起的加工误差,机械加工中，工艺系统受到各种热源作用，使各个组成部分产生复杂变形，称为,热变形,。它将破坏工件与刀具间正确的几何关系和运动关系，造成工件加工误差,如：精密平面磨床轴承（动压轴承，热变形“抱轴”现象）,1,、工艺系统热源,切削热,摩擦热,环境温度和辐射,2,、温度场与工艺系统热平衡,温度场：,工艺系统各部分的温度分布。,工艺系统热平衡：,工艺系统开始工作时，受到热源的作用温度会逐渐升高，处于一种不稳定状态，同时又通过各种传热方式向周围介质散发热量。当工件、机床、刀具的温度达到某一数值时，单位时间内散出的热量与热源传入的热量趋于相等，这时工艺系统就达到了热平衡状态。,在热平衡状态下，,工艺系统各部分的温度保持在一相对固定的数值上，不再随时间变化，形成稳定的温度场，此时工艺系统各部分的热变形也相应地趋于稳定。,3,、热变形对加工精度的影响,机床热变形的影响,刀具热变形的影响,工件热变形的影响,4,、减少热变形对加工精度的,影响,减少热源的发热和隔离热源,均衡温度场,采用合理的机床结构,控制环境温度，加速达到热平衡状态。,七、保证和提高加工精度的工艺措施,预防误差,误差补偿,龙门铣床横梁自重的影响，产生向下的弯曲变形，生产中通过刮研横梁导轨，按照变形曲线使导轨面产生一个向上凸的变形，从而抵消铣头自重产生的向下弯曲变形，保证机床的精度。,第四节 影响表面质量的因素及其控制,影响切削加工表面质量因素主要有,:,几何因素,物理因素,机械加工振动,一、影响表面粗糙度的因素及其控制,切削加工表面粗糙度取决于切削,残留面积的高度,，切削,表面塑性变形及积屑瘤,。,1,、影响切削残留面积高度的因素,理论和实践均证明，减小主偏角，副偏角及进给量，增大刀具圆弧半径,能够降低切削残留面积高度,。,2,、影响切削表面积屑瘤和鳞刺的因素,加工塑性材料时，低速切削易产生积屑瘤或鳞刺，高速切削时表面粗糙度值下降。,脆性材料比塑性材料容易达到表面粗糙度要求，对同一种材料，金相组织越大，切削加工后的表面粗糙度值就越大。,合理选择切削液，适当增大刀具法前角，提高刀具刃磨质量等均能有效减小加工表面粗糙度值,二、影响表面物理力学性能的因素及其控制,1,、表面层的冷作硬化,影响切削加工表面冷作硬化的因素,切削用量的影响,刀具几何形状的影响,工件材料性能的影响,2,、表层金属金相组织的变化,机械加工中，在工件的加工区及其邻近的区域，温度会急剧升高，当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。,第五节 机械加工中振动的基本知识,一、机械加工中的振动分类,自由振动：,由切削力突然变化、冲击引起，一般可,迅速衰减，危害较小；,强迫振动：,在外界周期力作用下产生，维持一定振,幅，系统受迫产生的振动，危害大；,自激振动：,由系统内部激发反馈产生的周期性振动，,危害大。,二、机械加工中的强迫振动,机内振源：,机床旋转件的不平衡；机床传动机构的缺,陷；往复运动部件的惯性力及切削过程中,的冲击。,机外振源：,可通过隔振地基消除,三、机械加工中的自激振动（颤振）,产生原因非常复杂,自激振动的产生：,无周期外力，由系统内部激发反馈产生的周期振动，其振动频率与系统固有频率接近。只开机不切削，工艺系统无自激振动。,产生自激振动的几种学说：,1,、,再生,自激振动原理,切削和磨削加工过程中，受到一个,偶然的瞬时扰动,，会发生相对振动（自由振动），其会,因阻尼存在逐渐衰减,。但由于,此振动会在表面上留下一段振纹,，当再次对有表面振纹的表面进行切削时，则,切削厚度就会波动，产生交变力，,一旦工艺系统满足产生自激振动条件，便会发生颤振,自激振动,2.,振型耦合原理：,这种学说认为：刀具切削时产生振动，,当振出时所做的正功大于切入时所做的负功,，就会有能量输入，振动得以维持。由于振动系统在主振模态相互耦合、相互关联而产生的自激振动，称为振型耦合型颤振。,四、抑制机械加工振动的措施,1,、消除或减弱产生强迫振动的的条件,减小机内产生干扰力的幅值,适当调整振源的频率,采取隔振措施,2,、消除或减弱产生自激振动的的条件,合理选择切削用量和刀具几何角度,改变刀具结构,3,、改善工艺系统的动态特性,提高工艺系统的刚度,增加系统阻尼,4,、采用各种减振装置,动力减振器：利用附加质量的动力作用抵消激振力,摩擦减振器：利用摩擦阻尼消耗振动能量,冲击减振器：利用质量反复冲击壳体消耗振动能量,本 章 结 束,谢 谢！,