机械制造技术基础-4机械加工质量-2014-05-14.ppt
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1、1,第4章 机械加工质量,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,2,机械制造技术基础,第4章 机械加工质量 Analysis and Control of Machining Quality,4.1 机械加工质量概述 Introduction to Machining Quality,4.1 机械加工质量概述,3,(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),图4-1 加工质量包含的内容,4.1 机械加工质量概述,4
2、, 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;且具有周期特性 表面粗糙度 波长/波高50,4.1.1 机械加工误差与机械加工精度,加工精度及加工误差 零件加工后实际几何参数(尺寸、形状和各表面间相互位置)与理想几何参数(形状、位置无误差,尺寸位于零件图纸规定的公差带中心)的 符合 程度 加工精度 不符合 程度 加工误差,符合程度高,加工精度高; 加工精度高,加工误差小。,形状误差应限制在形状公差之内; 位置误差应限制在位置公差范围之内。,5,4.1.2
3、机械加工表面质量对零件使用性能的影响,机械加工质量的内涵,机械加工后,零件一定深度表面层的物理力学性质等方面的质量与基体相比发生的变化,称加工变质层,6,4.1.2 机械加工表面质量对零件使用性能的影响,加工变质层的构成情况,7,4.1.2 机械加工表面质量对零件使用性能的影响,8,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),适当硬化可提高耐磨性,4.1.3 机械加工工艺系统的原始误差,9,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
4、误差。,4.1.4 误差敏感方向,10,图4-5:,(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表面过切削点的法线方向。,4.1.5 研究加工精度的获得方法,尺寸精度的获得方法 (1)试切法 试切+测量+调整 效率低,对操作者水平要求高 单件、小批生产或高精度零件加工 (2)调整法 试切好工件/标准样件+对刀装置(成批、大量生产) (3)尺寸刀具法 零件加工表面尺寸由刀具确定,孔(钻、扩、铰);键槽(键槽铣刀);成形刀具(成型表面) (4)自动控制法 数控加工(尺寸测量装置+进给机构
5、+控制装置加工过程中的尺寸测量+刀具补偿调整)(试切法的自动化),11,4.1.5 研究加工精度的获得方法,形状精度的获得方法 (1)成形运动法:刀具相对于工件有规律的切削成形运动 例:轨迹法、展成法、相切法和成形刀具法 (2)非成形运动法:通过表面形状检验,人工修整加工,12,4.1.5 研究加工精度的获得方法,位置精度的获得方法 (1)一次装夹获得法 零件表面的位置精度在一次装夹中由刀具相对于工件的成形运动位置关系保证; (2)多次装夹获得法 通过刀具相对工件的成形运动与工件定位基准面之间的位置关系来保证零件表面的位置精度 (3)非成形运动法 人工修整,反复检测、加工,13,14,机械制造
6、技术基础,第4章 机械加工质量 Analysis and Control of Machining Quality,4.2.1 原理误差,15,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而产生的误差。,式中 R 球头刀半径; h 允许的残留高度。,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),16,4.2.2 量具误差与测量误差,计量器具误差: 示值误差 示值稳定性 回程误差 灵敏度 测量误差 测量者的视力 判断能力 测量经验,4.2.3 装夹误差与夹具误差,17,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
7、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; ,18,4.2.4 刀具误差与调整误差,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4-8 刀具的调整,4.2.5 机床几何误差,19,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跳动、轴向串动和角度摆动三种基本型式(图4-10)。,20, 主轴回转误差对加工精度的影响, 主轴径向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方向上作简谐直线运动,其频率与主
8、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。,4.2.5 机床几何误差,21,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)。,结论:主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差, 主轴径向跳动对加工精度的影响(车外圆),4.2.5 机床几何误差,22, 主轴轴向串动对加工精度的影响,被加工端面不平,与圆柱面不垂直; 加工螺纹时,产生螺距周期性误差。, 主轴角度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
9、,而且影响圆柱度误差。,4.2.5 机床几何误差,23, 影响主轴回转精度的主要因素,镗床(图4-11) 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动,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),4.2.5 机床几何误差,24, 影响主轴回转精度的主要因素, 推力轴承(轴向串动),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,4.2.5 机床几何误差,25,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
10、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4-13),(4-5),4.2.5 机床几何误差,26,导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响,4.2.5 机床几何误差,27, 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,4.2.5 机床几何误差,28, 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
11、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。,4.2.5 机床几何误差,29,缩短传动链长度 提高末端元件的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, 提高传动精度措施,4.2.5 机床几何误差,30,机械制造技术基础,第4章 机械加工质量 Analysis and Control of Machining Quality,4.3.1 工艺系统受力变形,31,在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比,(4-7),式中
12、k工艺系统刚度; Fp吃刀抗力; X 工艺系统位移 (切削合力作用下的位移),32,(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; 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:,4.3.1 工艺系统受力变形,4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响,33, 机床变形引起的加工误差,工件加工后成鞍形(图4-22), 工件变形引起的加工误差,由于工件变形,使工件加工后成鼓形(图4-23),4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响,34,式中 g 工件圆度误差; m
13、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,4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响,35,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),4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响,36,夹紧力、重力引起的加工误差, 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,
14、【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,4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响,37,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,4.3.3 减小受力变形对加工精度影响措施,38,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,4.3.4 工件残余应力引起的变形,39,图4
15、-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,40,机械制造技术基础,第4章 机械加工质量分析与控制 Analysis and Control of Machining Quality,4.4.1 概述,41,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
16、平衡研究目前以实验研究为主,4.4.2 机床热变形对加工精度影响,42,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) 车床受热变形形态,b) 温升与变形曲线,4.4.2 机床热变形对加工精度影响,43,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),4.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响,44,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,
17、 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)。,4.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响,45, 圆柱类工件热变形,5级丝杠累积误差全长5m,可见热变形的严重性,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。,长度:,(4-17),(4-18),直径:,例:长400mm丝杠,加工过程温升1,热伸长量为:,4.4.3 刀具和工件热变形对加工精度影响,46,式中 X 变形挠度; L,S 工件原有长度和厚度; 工件材料线膨
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