机械制造质量分析与控制(3).ppt
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1、第5章 机械制造质量分析与控制,Quality Analysis and Quality Control for Machine Manufacturing,主要学习内容,5.1机械加工精度 5.2加工误差的统计分析 5.3机械加工表面质量 5.4机械加工过程中的振动及其控制,优质、高产、低消耗,产品技术性能好、使用寿命长,这是机械制造企业的基本要求。而质量则是最根本的问题。,机械加工质量包含两个方面的内容: 加工精度宏观几何参数 加工表面质量微观几何参数和表面物理-机械性能等方面的参数,(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、
2、砂眼等),加工质量包含的内容,加 工 质 量,微观几何形状误差、波度、宏观几何形状误差,5.1 机械加工精度 Machining precision,5.1.1 基本概念 5.1.2 工艺系统的几何误差 5.1.3 工艺系统受力变形产生的误差 5.1.4 工艺系统受热变形引起的误差 5.1.5 内应力重新分布引起的误差 5.1.6 提高加工精度的措施,5.1.1 基本概念,零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。 理想几何参数:对于尺寸而言,是图样上尺寸的公差带中心 对于形状和位置而言,则是绝对正确的形状和位。, 加工精度, 加工误差,零件加工后的实际几何参数(尺
3、寸、形状和位置)与理想几何参数的偏离程度。,加工精度是由零件图样或工艺文件以公差T给定的; 制造者的任务就是要使T时,保证加工精度; 加工精度和加工误差均有三个方面的内容,即尺寸精度(误差)、形状精度(误差)和位置精度(误差) 加工精度和加工误差是评定零件几何参数准确程度的两种不同概念。加工误差的大小表示了加工精度的高低,加工误差是加工精度的度量。 生产实际中用控制加工误差的方法来保证加工精度。,加工经济精度:在正常加工条件下(采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人,不延长加工时间)所能保证的加工精度。,加工成本与加工误差之间的关系, 获得尺寸精度的方法, 试切法 通过试切测量调
4、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 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, 获得位置精度的方法, 位置精度:平行度、垂直度、同轴度等 一次装夹获得位置精度 一次装夹将有位置精度要求的各个表面加工完成机床控制法 多次装夹获得法 工件经多次装夹后,零件有关表面的相互位置精度是由加工表面与定位基准面的位置精度来保证的夹具定位法, 获得形状精度的方法
5、, 刀尖轨迹法 通过刀尖运动的轨迹来获得形状精度的方法(包括仿形加工,加工精度主要取决于成形运动的精度)。如:车削外圆和内孔 成形法 利用成形刀具对工件加工获得形状精度的方法(加工精度取决于刀具切削刃的形状精度和刀具的装夹精度)。如:成形铣齿轮 展成法 利用工件和刀具的展成切削运动进行加工的方法(加工精度主要取决于机床展成运动的传动链精度和刀具的制造精度)。如:滚切齿轮,工艺系统 机械加工过程中,机床、刀具、夹具和工件组成的完整系统。 原始误差 工艺系统的误差称为原始误差。包括几何误差,定位误差,加工原理误差、调整误差、测量误差,以及加工过程中工艺系统的受力变形、受热变形、内应力重新分布等引起
6、的误差。是影响加工精度的根源。,影响加工精度的因素,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。,原始误差的组成:几何误差、定位误差、工艺系统加工原理误差、调整误差、测量误差、工艺系统受力变形引起的误差、工艺系统受热变形引起的误差、内应力重新分布引起的误差,活塞销孔精镗工序中的各种原始误差, 由于定位基准不是设计基准而产生的定位误差 由于夹紧力过大而产生的夹紧误差属工件装夹误差 机床制造或使用中的磨损产生的导轨误差属于机床误差 调整刀具与工件之间位置而产生的对刀误差属调整误差 由于切削热、摩擦热等因素的影响而产生的机床热变形属于工
7、艺系统热变形 加工过程中的刀具磨损 加工完毕测量工序尺寸时,由于测量方法和量具本身的误差而产生的测量误差 ,5.1.2 工艺系统几何误差(机床、刀具、夹具几何误差),机床几何误差是指在无切削负荷下,来自机床本身制造误差、安装误差和使用过程中的磨损,主要包括主轴回转误差、导轨误差、传动链误差。,主轴回转误差,机床主轴回转时,理想情况下回转轴线的空间位置是固定不变的,即它的瞬时速度为零。而实际主轴系统中存在着各种影响因素,使主轴回转轴线的位置发生变化。将主轴实际回转轴线对理想回转轴线漂移在误差敏感方向上的最大变动量称为主轴回转误差。,机床几何误差,6.1.5 误差敏感方向,显然:,工艺系统原始误差
8、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。, 主轴回转误差的基本形式, 径向跳动 实际回转轴线始终平行于理想回转轴线,沿主轴的径向跳动。 轴向窜动(端面跳动) 实际回转轴线始终沿理想回转轴线方向窜动。 角度摆动 实际回转轴线与理想回转轴线始终成一倾角作摆动,且交点位置不变。, 主轴回转误差对加工精度的影响, 主轴径向圆跳动对镗孔加工精度的影响,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。则刀尖的坐标值为:,式中 R 刀尖回转半径; 主轴转角。,显然,上式为一椭
9、圆方程。,结论:椭圆孔,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。,结论:主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差, 主轴径向圆跳动对车外圆加工精度的影响,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; 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。,机床主轴回转误差产生的加工误差, 影响主轴回转精度的主要因素, 主轴轴颈与支承座孔的圆度误差,波度和同轴度、止推面或轴肩与回转轴线的垂直度误差。 滑动轴承
10、轴颈和轴承孔的圆度、波度和同轴度、端面与回转轴线的垂直度;或滚动轴承滚道的圆度、波度、滚动体的圆度误差和尺寸误差,滚道与轴承内孔的同轴度误差;轴承间隙及止推滚动轴承的滚道与回转轴线的垂直度误差等。 装配质量。,镗床 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动,车床 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, 机床导轨几何误差,机床导轨是机床主要部件的相对位置及运动的基准,导轨误差将直接影响加工精度。,导轨误差指的是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误差 导轨在垂直面内的直线度误差 前后导轨平行度(扭曲)误差 导轨与主
11、轴回转轴线的平行度(或垂直度)误差等, 导轨在水平面内的直线度误差,对于卧式车床、外圆磨床等:此方向是误差敏感方向,因此对加工误差的影响显著。 对于平面磨床、尤门刨床等:此方向不是误差敏感方向,对加工误差的影响很小。, 导轨在垂直面内的直线度误差,对于卧式车床、外圆磨床等:此方向不是误差敏感方向,对加工误差的影响很小。 对于平面磨床、尤门刨床等:此方向是误差敏感方向,因此对加工误差的影响显著。, 前后导轨的平行度误差(扭曲),卧式车床或外圆磨床的前后导轨存在平行度误差(扭曲)时,刀具和工件之间的相对位置发生了变化,因此会对工件的形状误差产生显著的影响。, 导轨与主轴回转轴线的平行度误差,若车床
12、导轨与主轴回转轴线在水平面内有平行度误差,车内外圆柱面时会产生锥度;若在垂直面内有平行度误差,则车出的内外圆柱面成双曲线回转体,但误差的方向为非误差敏感方向;车端面时引起平面度误差。, 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, 机床传动链误差,传动链误差是指机床内联系传动链始末两端传动元件之间相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。,卧式车床主运动传动系统图,车床车圆柱螺纹的传动链,Y3180型滚齿机的传动链,K误差传递系数, 提高传动链传动精度的措施, 缩短传动链长度 采用降速传动 提高端元件的制造精度与安装精度 对传动误差进行补偿 采用频谱分析方法
13、,找出影响传动精度的误差环节, 刀具几何误差,一般刀具的制造误差,对加工精度没有直接影响 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,刀具的尺寸磨损与切削路程的关系,刀具的尺寸磨损量是在被加工 表面的发现方向上测量的,刀具的磨损分为: 初期磨损阶段 正常磨损阶段 急剧磨损阶段,正确地选用刀具材料,合理地选用刀具几何参数和切削用量, 正确地刃磨刀具,采用合适的冷却润滑液等,均可有效地减少刀具的尺寸磨损。必要时还可采用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿, 夹具几何误差, 夹具误差影响加工位置和尺寸精度。 与夹具
14、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。,定位误差; 刀具导向(对刀)误差; 夹紧误差; 夹具制造误差; 夹具安装误差; ,f,c,d,加工原理误差,加工中由于采用了近似的成形运动、近似的刀具轮廓和近似的加工方法而产生的原始误差称为原理误差。,例: 用尖车刀车外圆,成形运动不是光滑的圆柱面,而是一个螺旋面 用齿轮滚刀加工齿轮时,滚刀也是采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线蜗杆 在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件,为了获得规定的加工表面,要求切削刃完全符合理论曲线的形状,刀具和工件之间必须作相对准确的切削运动。往往为简化机床或刀具的设计与
15、制造,降低生产成本,提高生产率和方便使用而采用了近似的加工原理,但原理误差一般不应超过相应公差的10%15%。,调整误差,主要包括机床的调整、夹具的调整、刀具的调整等。,试切法, 测量误差 加工余量所带来的误差 微进给误差,调整法, 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,5.1.3 工艺系统受力变形产生的误差,工艺系统受力变形不但影响工件的加工精度,而且还影响表面质量,限制切削用量和生产率的提高。 机械加工过程中,工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、重力和惯性力等外力作用下,会产生变形,破坏刀具和零件之间的正确位置关系,使零件产生加工误差。,车削细长轴 切入式
16、磨内孔, 工艺系统的刚度,工艺系统抵抗外力使其变形的能力称为工艺系统的刚度。即在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比。刚度的倒数称为柔度。,刚度有静刚度、动刚度之分。 一般情况下,工艺系统的动刚度与静刚度成正比,因此以下仅针对静刚度进行分析讨论,即搞清工艺系统受力变形的最基本机理。 静刚度是工艺系统本身的属性,在线性范围内可认为与外力无关。,柔度,刚度,工艺系统由机床、刀具、夹具和工件四部分组成。它们在切削力作用下都会产生不同程度的变形,工艺系统受力总变形为各个组成部分变形之和,即:,由于,因此有,或,整个工艺系统的刚度比其中刚度最小的那个环节的刚度还要小。,工件、刀具刚度,按材料力
17、学中有关公式近似计算。如镗内孔时刀杆及装夹在卡盘中的细长轴,按悬臂梁受力变形计算其变形量。,机床部件刚度,机床部件由夹具及除工件和刀具以外的与加工过程有关的零件组成。其受力变形与各零件间的接触刚度和部件刚度有关;其刚度一般主要用实验方法测定。,机床部件刚度的测定,如车床部件静刚度的测定法,是在车床不工作状态下,模拟切削时的受力情况,对车床施加静载荷,然后测出车床各部件在不同静载荷下的变形的一种简单的测定方法。,实验 通过加力器向心轴加力FP ,由此引起的主轴箱、尾座和刀架的变形量可由千分表读出,各部件刚度分别计算如下:,将载荷和变形量绘制成实验刚度曲线,车床刀架部件刚度曲线,影响机床部件刚度的
18、因素,连接表面接触变形的影响 低刚度零件的影响 间隙的影响 摩擦力的影响,特点 变形与载荷不成线性关系。 卸载曲线落后于加载曲线。 初次卸载后曲线不回到原点,反复加载卸载后,卸载曲线终点逐渐与加载曲线起点重合。 实际测得的机床部件刚度远比同尺寸单个实体零件的刚度小。, 工艺系统刚度对加工精度的影响, 机床变形引起的加工误差,加工后工件为鞍形, 切削力作用点位置变化引起工件形状误差,工艺系统变形量:, 工件变形引起的加工误差, 机床变形和工件变形共同引起的加工误差,工艺系统总刚度, 切削力大小变化引起的加工误差,以椭圆截面车削为例说明:,毛坯形状误差的复映,误差复映系数,误差复映系数与系统刚度成
19、反比。 误差复映系数通常小于1。 可通过多次走刀,减小误差复映的影响。,误差复映程度可用误差复映系数来表示:,误差复映现象 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”。, 夹紧力产生的加工误差,a) b) 薄壁套夹紧变形,例:薄壁套夹紧变形,解决方案:加开口套、使用专用卡爪,薄壁工件磨削,例:薄壁工件磨削,解决方案:加橡皮垫,龙门铣横梁变形,重力 如龙门铣横梁,龙门铣横梁变形转移,龙门铣横梁变形补偿,惯性力和重力产生的加工误差,解决方案1:变形转移,解决方案2:变形补偿,惯性力 旋转的零件、夹具和工件产生的离心惯性力,可引起工件集合轴线的回转误差和工艺系统振动,
20、造成加工误差。,解决方案:反向加配重,传动力产生的加工误差 在工件旋转类机床上加工时,如车、磨轴类零件,传动力的方向随工件的转动在不断变化,它在工件直径方向上的分力与背向切削力 不总是同向,因而造成工艺系统受力变形发生变化,从而引起加工误差。, 减小工艺系统受力变形的措施, 合理设计零部件结构和截面形状 提高连接表面接触刚度 提高工件和刀具的刚度 采用辅助支承(中心架,跟刀架,镗杆支承等),支座零件不同安装方法,转塔车床导向杆, 提高工艺系统刚度, 采用合理装夹和加工方式, 减小载荷及其变化, 变形转移、补偿、校正,5.1.4 工艺系统热变形引起的误差,机械加工过程中,工艺系统在各种热源的影响
21、下,产生复杂的变形,破坏了工件与刀具相对位置和相对运动的准确性,引起加工误差。 据统计,在精密加工和大件加工中,由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%70%。工艺系统的热变形不仅严重地影响加工精度,而且还影响加工效率的提高。, 工艺系统的热源,车削车削热分配示意图, 工件的热变形,工件热变形的热源主要是切削热,对有些大型件、精密件,环境温度也有很大的影响。传入工件的热量越多、工件的质量越小则热变形越大。, 工件受热均匀圆柱类工件热变形,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:,直径:,5级丝杠累积误差全长5m,可见热变
22、形的严重性。,例:长400mm丝杠,加工过程温升1,热伸长量为:, 工件受热不均匀 板类工件单面加工时的热变形,此值已大于精密导轨平直度要求。,结果:加工时上表面升温,工件向上拱起,磨削时将中凸部分磨平,冷却后工件下凹。 例:高600mm,长2000mm的床身,若上表面温升为3,则变形量为:, 机床的热变形,由于机床结构复杂,热源分布不均,加之达到热平衡的时间较长,使其各部分的受热变形不均,从而会破坏原有的相互位置精度,造成工件的加工误差。 对于车、铣、钻、镗类机床,主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热和润滑油发热是其主要热源,使主轴箱及与之相连部分(如床身或立柱)的温度升高而产生较大变形。 龙门刨床
23、、导轨磨床等大型机床由于它们的床身较长,如果导轨面与底面间有温差,就会产生较大的弯曲变形,从而影响加工精度。,车床受热变形,a) 车床受热变形形态,b) 温升与变形曲线,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, 刀具的热变形,刀具热变形的热源是切削热。传给刀具的切削热虽然很少,但刀具质量小,热容量小,所以仍会有很高的温升,引起刀具的热伸长而产生工件的加工误差。 某些工件加工时刀具连续工作时间较长,随着切削时间的增加,刀具逐渐受热伸长,使加工后的工件产生圆柱度误差或端面的平面度误差。 在成批生产小型工件时每个工件切削的时间较
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