机械制造基础课件第五章:机械加工质量分析与控制.ppt
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1、,机械制造技术基础,第5章 机械加工质量分析与控制,本章要点,机械加工中的振动,影响加工误差的因素,影响机械加工表面质量的因素,工艺系统几何误差,工艺系统受力变形,工艺系统热变形,加工误差的统计分析,5.1 概述,(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),加工精度,表面质量,图4-1 加工质量包含的内容,第5章 机械加工质量分析与控制,第5章 机械加工质量,机械加工精度的获得方法 1. 尺寸精度的获得方法 (1)试切法 (2)调整法 (3)定尺寸刀具法 (4)自动控制法,第5章 机械加工质量,试切法车削轴,第5章 机械
2、加工质量,用定尺寸刀具法加工的例子,第5章 机械加工质量,2. 形状精度的获得方法 (1)成形运动法 轨迹法 仿形法 成形刀具法(成形法) 展成法 (2)非成形运动法,第5章 机械加工质量,车锥孔,第5章 机械加工质量,仿形车削,第5章 机械加工质量,成形车削,第5章 机械加工质量,展成法加工齿轮,第5章 机械加工质量,3. 位置精度的获得方法 (1)一次装夹法 (2)多次装夹法 (3)非成形运动法, 加工精度:零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度。 零件宏观几何形状误差、波度、表面粗糙度,宏观几何形状误差(平面度、圆度等)波长/波高1000 波度 波长/波高=501000;且具有周期
3、特性 表面粗糙度 波长/波高50,第5章 机械加工质量分析与控制,5.1.1 机械加工质量,5.1.2 表面质量对零件使用性能的影响,对耐磨性影响,表面粗糙度值 耐疲劳性 适当硬化可提高耐疲劳性,表面粗糙度值耐蚀性 表面压应力:有利于提高耐蚀性,表面粗糙度值 配合质量,表面粗糙度值耐磨性,但有一定限度(图4-3),纹理形式与方向:圆弧状、凹坑状较好 适当硬化可提高耐磨性,第5章 机械加工质量分析与控制,5.1.3 误差敏感方向,图4-4:,(4-1),(4-2),显然:,工艺系统原始误差方向不同,对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向,称为误差敏感方向。 误差敏感方向一般为已加工
4、表面过切削点的法线方向。,第5章 机械加工质量分析与控制,引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差,将工艺系统的误差称为原始误差。,5.1.4 影响加工精度的因素,图4-5 原始误差构成,第5章 机械加工质量分析与控制,5.1.5 研究加工质量的方法, 理论方法:运用物理学和力学原理,分析研究某一个或某几个因素对加工精度或表面质量的影响。 试验方法:通过试验或测试,确定影响各因素与加工质量指标之间的关系。, 统计分析方法:运用数理统计原理和方法,根据被测质量指标的统计性质,对工艺过程进行分析和控制。,第5章 机械加工质量分析与控制,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
5、而产生的误差。,5.2.1 加工原理误差,式中 R 球头刀半径; h 允许的残留高度。,例2:用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮,例1:在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件(图4-6),(4-3),5.2 工艺系统几何精度对加工精度的影响,第5章 机械加工质量分析与控制,5.2.2 机床误差,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(图4-7)。,第5章 机械加工质量分析与控制, 主轴回转误差对加工精度的影响, 主轴径向圆跳动对加工精度的影响(镗孔),考虑最简单的情况,主轴回转中心在X方向上作简谐直线
6、运动,其频率与主轴转速相同,幅值为2e。则刀尖的坐标值为:,式中 R 刀尖回转半径; 主轴转角。,显然,式(4-4)为一椭圆。,第5章 机械加工质量分析与控制,图4-9 径向跳动对车外圆精度影响,仍考虑最简单的情况,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。则刀尖运动轨迹接近于正圆(图4-9)。, 思考:主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动,其频率为主轴转速两倍,被车外圆形状如何?,结论:主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差, 主轴径向圆跳动对加工精度的影响(车外圆),第5章 机械加工质量分析与控制, 主轴端面圆跳动对加工精度的影响,被加工端面不平,与圆柱面不垂直;
7、 加工螺纹时,产生螺距周期性误差。, 主轴倾角摆动对加工精度的影响,与主轴径向跳动影响类似,不仅影响圆度误差,而且影响圆柱度误差。,第5章 机械加工质量分析与控制, 影响主轴回转精度的主要因素,内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差, 滑动轴承,镗床(图4-11) 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动, 滚动轴承,车床(图4-10) 轴径不圆引起车床主轴向跳动(注意其频率特性),静压轴承 对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用,第5章 机械加工质量分析与控制, 影响主轴回转精度的主要因素, 推力轴承,滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差(图4-12), 其他因素,轴承孔、轴径圆度误差;轴承孔同轴度误
8、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,第5章 机械加工质量分析与控制, 传统测量方法存在问题:, 主轴回转误差的测量, 准确测量方法,包含心轴、锥孔误差在内 非运动状态。,第5章 机械加工质量分析与控制,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。, 导轨导向误差对加工精度的影响,导轨水平面内的直线度误差,误差敏感方向,影响显著 导轨垂直面内的直线度误差,误差非敏感方向,影响小 导轨扭曲对加工精度的影响,影响显著(图4-15),(4-5),第5章
9、 机械加工质量分析与控制,导轨误差,第5章 机械加工质量分析与控制,导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响,第5章 机械加工质量分析与控制, 影响导轨导向精度的主要因素,机床制造误差 机床安装误差 导轨磨损,第5章 机械加工质量分析与控制, 机床传动误差对加工精度的影响,(4-6),以齿轮机床传动链为例:,式中 n 传动链末端元件转角误差; kj 第j 个传动元件的误差传递系数,表明第j个传动元件对末端元件转角误差影响程度,其数值等于该元件至末端元件的传动比; n 传动链末端元件角速度; j 第j 个传动元件转角误差的初相角。,第5章 机械加工质量分析与控制,缩短传动链长度 提高末端元件的
10、制造精度与安装精度 采用降速传动 采用频谱分析方法,找出影响传动精度的误差环节 对传动误差进行补偿,末端元件转角误差, 提高传动精度措施,第5章 机械加工质量分析与控制,5.2.3 刀具与夹具误差,定尺寸刀具(钻头、绞刀等)尺寸误差影响加工尺寸误差 成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差 刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差,第5章 机械加工质量分析与控制,夹具误差影响加工位置精度。 与夹具有关的影响位置误差因素包括:,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。,1)定位误差; 2)刀具导向(对刀)误差; 3)夹紧误差; 4)夹具制造误差; 5)夹具安装误差; ,第5章 机械
11、加工质量分析与控制,5.2.4 调整误差,测量误差。 试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差。 机床进给机构的位移误差。,定程机构误差。 样件或样板误差。 测量有限试件造成的误差。 和试切法有关的误差。,图4-20 试切法与调整法,第5章 机械加工质量分析与控制,在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比,5.3 工艺系统受力变形对加工精度的影响 5.3.1 基本概念,(4-7),式中 k工艺系统刚度; Fp吃刀抗力; X 艺系统位移(切削合力作用下的位移)。,第5章 机械加工质量分析与控制,(4-8),式中 k 工艺系统刚度; kjc 机床刚度; kjj 夹具刚度; kd 刀具刚度;
12、 kg 工件刚度。,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5章 机械加工质量分析与控制, 机床变形引起的加工误差,5.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响,式中 Xjc 机床总变形; Fp 吃刀抗力; ktj 机床前顶尖处刚度; kwz 机床后顶尖处刚度; kdj 机床刀架刚度; L 工件全长; Z 刀尖至工件左端距离。,(4-9),第5章 机械加工质量分析与控制,工件加工后成鞍形(图4-22),图4-22 机床受力变形引起的加工误差,(5-10), 工件变形引起的加工误差,式中 Xg 工件变形; E 工件材料弹性模
13、量; J 工件截面惯性矩; Fp,L,Z 含义同前。,由于工件变形,使工件加工后成鼓形(图4-23),图4-23 工件受力变形引起的加工误差,第5章 机械加工质量分析与控制,(4-11), 机床变形和工件变形共同引起的加工误差,工艺系统刚度,(4-12),第5章 机械加工质量分析与控制,式中 g 工件圆度误差; m 毛坯圆度误差; k 工艺系统刚度; 误差复映系数。,(4-13),以椭圆截面车削为例说明(图4-24),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,第5章 机械加工质量分析与控制,误差复映系数,机械加工中,误差复映系数通常小于1。可通过多次
14、走刀,消除误差复映的影响。,(4-15),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。由式(4-13)可得:,(4-14),第5章 机械加工质量分析与控制,夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差, 夹紧力影响,a) b) 图4-25 薄壁套夹紧变形,图4-26 薄壁工件磨削,【例1】薄壁套夹紧变形 解决:加开口套,【例2】薄壁工件磨削 解决:加橡皮垫,第5章 机械加工质量分析与控制,图4-27 龙门铣横梁变形,【例】龙门铣横梁,图4-28 龙门铣横梁变形转移,图4-29 龙门铣横梁变形补偿, 重力影响,解决1:重量转移,解决2:变形补偿,第5章 机械加工质量分析与控制
15、, 传动力与惯性力影响,理论上不会产生圆度误差(但会产生圆柱度误差) 易会引起强迫振动,第5章 机械加工质量分析与控制,5.3.3 机床部件刚度及其影响因素,非线形关系,不完全是弹性变形 加载和卸载曲线不重合,所围面积表示克服摩擦和接触塑性变形所作功 存在残余变形,反复加载卸载后残余变形0 机床部件刚度比按实体估算值小许多,表明其变形受多种因素影响,第5章 机械加工质量分析与控制,式中 c, m与接触面材料、表面 状况有关的系数和指数; p 表面压强。,组成件的实体刚度 受力产生拉伸、压缩、弯曲变形;特别是薄弱件(楔条、轴套等)影响较大 连接表面接触变形 其大小与接触面压强有关,(4-15),
16、结合面间隙 零件表面摩擦力的影响,第5章 机械加工质量分析与控制,5.3.4 减小受力变形对加工精度影响措施,合理设计零部件结构和截面形状 提高连接表面接触刚度(表面粗糙度,改进接触质量,予加载荷) 采用辅助支承(中心架,跟刀架,镗杆支承等),图4-33 支座零件不同安装方法,图4-32 转塔车床导向杆,采用合理装夹和加工方式,图4-28,4-29,4-56, 4-58,第5章 机械加工质量分析与控制,5.3.5 工件残余应力引起的变形,图4-34 铸件残余应力引起变形,图4-35 冷校直引起的残余应力,设计合理零件结构 粗、精加工分开 避免冷校直 时效处理,毛坯制造和热处理产生的残余应力(图
17、4-34),冷校直带来的残余应力(图4-35),切削加工带来的残余应力,第5章 机械加工质量分析与控制,5.4.1 概述,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%。,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,5.4 工艺系统热变形及其对加工精度的影响,第5章 机械加工质量分析与控制,5.4.2 机床热变形对加工精度影响,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,图4-36 车床受热变形,a)
18、 车床受热变形形态,b) 温升与变形曲线,第5章 机械加工质量分析与控制,立铣(图a),图4-37 立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形,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,外圆磨(图b),导轨磨(图c),第5章 机械加工质量分析与控制,4.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响,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0.03 0.05mm), 特点, 变形曲线(图4-38),(4-16),式中 热伸长量; max 达到热平衡热伸长量; 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,常取34分钟)。,第5章 机械
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- 机械制造 基础 课件 第五 机械 加工 质量 分析 控制
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