机械加工质量及其控制概述.ppt

第四章机械加工质量及其控制,本章提要,机械产品质量取决于零件的加工质量和产品的装配质量，机器零件的加工质量是整台机器质量的基础。机器零件的加工质量一般用机械加工精度和加工表面质量两个重要指标表示，它的高低将直接影响整台机器的使用性能和寿命。机械产品加工的首要任务，就是保证零件的机械加工质量要求。本章重点讨论影响机械加工精度和表面质量的因素及其控制方法。,内容提纲,4.1,4.2,4.3,4.4,概述机械加工精度的影响因素及控制加工误差的综合分析机械加工表面质量的影响因素及控制机械加工过程中的振动及控制,4.5,第一节概述,机械加工质量包括几何参数方面的质量和表面物理机械参数方面的质量。其中几何参数方面的尺寸精度、宏观几何精度和位置精度属于机械加工精度范畴，而表面物理机械参数方面的质量和微观几何形状精度属于机械加工表面质量范畴。,实际生产中经常遇到和需要解决的工艺问题，多数是加工精度问题。研究机械加工精度的目的是研究加工系统中各种误差的物理实质，掌握其变化的基本规律，分析工艺系统中各种误差与加工精度之间的关系，寻求提高加工精度的途径，以保征零件的机械加工质量。零件的机械加工表面质量决定了机器的使用性能和延长使用寿命。机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。,第一节概述,加工精度是指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。（1）零件的尺寸精度：加工后零件的实际尺寸与零件理想尺寸相符的程度。（2）零件的形状精度：加工后零件的实际形状与零件理想形状相符的程度。（3）零件的位置精度：加工后零件的实际位置与零件理想位置相符的程度。,第一节概述,一、机械加工精度,（一）机械加工精度的概念,加工误差：实际加工不可能做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。加工误差的大小表示了加工精度的高低。生产实际中用控制加工误差的方法来保证加工精度。加工精度和加工误差是从两种观点来评定零件几何参数，所谓保证和提高加工精度问题就是限制和降低加工误差问题。,第一节概述,一、机械加工精度,（一）机械加工精度的概念,试切法调整法定尺寸刀具法自动控制法,第一节概述,一、机械加工精度,（二）加工精度的获得方法,零件表面质量,表面粗糙度,表面波度,表面物理力学性能的变化,表面微观几何形状误差,表面层冷作硬化,表面层残余应力,表面层金相组织的变化,机械加工表面质量是指经过机械加工后零件表面层所产生的物理机械性能的变化以及表面层微观几何形状误差，又称为表面完整性，主要包括表面层微观几何形状和表面层物理机械性能。,第一节概述,二、机械加工表面质量,（一）表面质量的概念,零件表面质量,粗糙度太大、太小都不耐磨,适度冷硬能提高耐磨性,对疲劳强度的影响,对耐磨性的影响,对耐腐蚀性能的影响,对工作精度的影响,粗糙度越大，疲劳强度越差,适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度,粗糙度越大、工作精度降低,残余应力越大，工作精度降低,粗糙度越大，耐腐蚀性越差,压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性,第一节概述,二、机械加工表面质量,在机械加工中，零件的尺寸、几何形状和表面间相对位置的形成，取决于工件和刀具在切削运动过程中相互位置的关系。零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的系统中进行的。该系统即为工艺系统。工艺系统存在的误差称之为原始误差；原始误差是造成加工误差的根源。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。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,若原始误差是在加工前已存在，即在无切削负荷的情况下检验的，称为工艺系统静误差；若在有切削负荷情况下产生的则称为工艺系统动误差。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,原理误差：是指由于采用了近似的成形运动、近似的刀刃形状等原因而产生的加工误差。车削螺纹，齿轮加工，齿轮滚刀，模数铣刀等,机械加工中，采用近似的成形运动或近似的刀刃形状进行加工，虽然会由此产生一定的原理误差，但却可以简化机床结构和减少刀具数，只要加工误差能够控制在允许的制造公差范围内，就可采用近似加工方法。,原始误差,工艺系统静误差,工艺系统动误差,调整误差,机床误差,刀具制造误差,夹具误差,加工原理误差,工件装夹误差,工艺系统受力变形,刀具磨损,残余应力引起变形,测量误差,工艺系统热变形,第二节机械加工精度的影响因素及控制,加工前,加工中,加工后,第二节机械加工精度的影响因素及控制,一、工艺系统几何误差对加工精度的影响,工艺系统的几何误差主要是指机床、夹具、刀具本身在制造时所产生的误差、使用中的调整误差和磨损误差以及工件的定位误差等，这些原始误差将不同程度地反映到被加工工件上，形成零件的加工误差。,加工中，刀具相对于工件的成形运动，通常都是通过机床完成的。工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床误差来源有：机床本身的制造、磨损和安装。机床制造误差中对工件加工精度影响较大的误差有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,一、工艺系统几何误差对加工精度的影响,（一）机床的几何误差,理论上机床主轴回转时，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。主轴回转误差：主轴实际回转轴线对理想回转轴线的最大位置变动量。主轴回转误差分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动三种不同形式的误差。,（1）主轴回转误差,第二节机械加工精度的影响因素及控制,一、工艺系统几何误差对加工精度的影响,（一）机床的几何误差,（1）主轴回转误差,第二节机械加工精度的影响因素及控制,一、工艺系统几何误差对加工精度的影响,（一）机床的几何误差,（1）主轴回转误差,第二节机械加工精度的影响因素及控制,一、工艺系统几何误差对加工精度的影响,（一）机床的几何误差,1）导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响,导轨是机床中确定各主要部件相对位置关系的基准，也是运动的基准。,（2）导轨误差,第二节机械加工精度的影响因素及控制,一、工艺系统几何误差对加工精度的影响,（一）机床的几何误差,导轨在水平面内有直线度误差y时，在导轨全长上刀具相对于工件的正确位置将产生y的偏移量，使工件半径产生R=y的误差。导轨在水平面内的直线度误差将直接反映在被加工工件表面的法线方向(误差敏感方向)上，对加工精度的影响最大。误差的敏感方向：加工误差对加工精度影响最大的方向，为误差的敏感方向。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；而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，通常可以忽略。,1）导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响,（2）导轨误差,第二节机械加工精度的影响因素及控制,一、工艺系统几何误差对加工精度的影响,（一）机床的几何误差,2）导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度的影响,导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度影响很小，一般可忽略不计。,（2）导轨误差,第二节机械加工精度的影响因素及控制,一、工艺系统几何误差对加工精度的影响,（一）机床的几何误差,3）导轨间的平行度误差对加工精度的影响,（2）导轨误差,第二节机械加工精度的影响因素及控制,一、工艺系统几何误差对加工精度的影响,（一）机床的几何误差,传动链误差：是指传动链始末两端传动元件相对运动的误差。对于某些表面的加工，如车螺纹、滚齿和插齿等，为了保证工件的精度，要求工件和刀具间的运动必须有准确的速比关系。当传动链中的各传动元件（如齿轮、蜗轮、蜗杆等）存在制造误差、装配误差和磨损，会破坏正确运动关系，影响刀具与工件间相对运动的正确性使工件产生误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。机床传动链误差是影响表面加工精度的主要原因之一。提高传动元件的制造精度和装配精度，减少传动件数，均可减小传动链误差。,（3）传动链误差,第二节机械加工精度的影响因素及控制,一、工艺系统几何误差对加工精度的影响,（一）机床的几何误差,第二节机械加工精度的影响因素及控制,一、工艺系统几何误差对加工精度的影响,（二）工艺系统其他几何误差,（1）刀具误差,（2）夹具误差,（3）测量误差,（4）调整误差,第二节机械加工精度的影响因素及控制,二、工艺系统受力变形对加工精度影响,在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力等的作用下，工艺系统将产生相应的变形（弹性变形和塑性变形）和振动。这种变形和振动，会破坏刀具和工件之间的成型运动和位置关系和速度关系，还影响切削运动的稳定性，从而造成各种加工误差。工艺系统的受力变形通常是弹性变形，一般说来，工艺系统抵抗弹性变形的能力越强，加工精度越高。,机械加工中，工艺系统在外力的作用下，将产生相应变形,使工件产生加工误差。工艺系统在外力作用下产生变形的大小，不仅取决于作用力的大小，还取决于工艺系统的刚度。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,二、工艺系统受力变形对加工精度影响,（一）工艺系统刚度,工艺系统刚度:误差敏感方向上的切削力Fp与工艺系统在该方向上的变形y的比值，称为工工艺系统刚度KxKx=Fp/y(N/mm)工艺系统在某一位置受力作用产生的变形量y应为工艺系统各组成环节在此位置受该力作用产生的变形量的代数和，即：y系y机床y刀具y夹具y工件,第二节机械加工精度的影响因素及控制,二、工艺系统受力变形对加工精度影响,工艺系统在某一位置受力作用产生的变形量y应为工艺系统各组成环节在此位置受该力作用产生的变形量的代数和，即：y系统y机床y刀具y夹具y工件而k系统=Fp/y系统，k机床=Fp/y机床，k刀具=Fp/y刀具，k夹具=Fp/y夹具，k工件=Fp/y工件,k系统,工艺系统刚度主要取决于薄弱环节的刚度,（一）工艺系统刚度,1受力点位置发生变化引起的工件形状误差,第二节机械加工精度的影响因素及控制,二、工艺系统受力变形对加工精度影响,（二）工艺系统刚度对加工精度的影响,例：若在车床顶尖间加工刚度低的细长杆，则工艺系统的位移取决于工件的变形，其刚度为：在车床顶尖间加工刚度很高的短粗光轴，则工艺系统的总位移取决于机床头/尾座和刀架(包括刀具)的位移。,k系统,1受力点位置发生变化引起的工件形状误差,第二节机械加工精度的影响因素及控制,二、工艺系统受力变形对加工精度影响,（二）工艺系统刚度对加工精度的影响,车削具有锥形误差的毛坯，加工表面上必然有锥形误差；待加工表面上有什么样的误差，加工表面上必然也有同样性质的误差。由于工艺系统变形的存在，工件加工前的误差前将以类似的形状反映到加工后的工件，造成加工后误差后，这种现象称为误差复映现象。,2误差复映现象,第二节机械加工精度的影响因素及控制,二、工艺系统受力变形对加工精度影响,（二）工艺系统刚度对加工精度的影响,原因：由于加工余量和材料硬度的变化会造成切削深度的变化，进而造成切削力的变化。变化的切削力作用在工艺系统上，使它的受力变形也发生相应变化。,有圆度误差的毛坯加工,2误差复映现象,第二节机械加工精度的影响因素及控制,二、工艺系统受力变形对加工精度影响,（二）工艺系统刚度对加工精度的影响,误差复映系数：加工前后误差之比值，称为误差复映系数，它代表误差复映的程度。误差复映系数与k系成反比，表明工艺系统刚度愈大，误差复映系数愈小，加工后复映到工件上的误差值就愈小。,CFy径向切削力系数f进给量YFZ进给量指数,2误差复映现象,第二节机械加工精度的影响因素及控制,二、工艺系统受力变形对加工精度影响,（二）工艺系统刚度对加工精度的影响,当工件表面加工精度要求高时，须经多次切削才能达到加工要求。第一次切削的复映系数为1；第二次切削的复映系数为2；则该加工表面总的复映系数为：=123因每个复映系数均小于1，故总的复映系数将是一个很小的数值。误差复映规律：工件加工后的误差与加工前相对应，其形状误差相似，这种误差随着走刀次数的增加而减少。如果我们知道某加工工序的复映系数，就可以通过测量待加工表面的误差统计值来估算加工后工件的误差统计值。,2误差复映现象,第二节机械加工精度的影响因素及控制,二、工艺系统受力变形对加工精度影响,（二）工艺系统刚度对加工精度的影响,惯性力的影响,3工艺系统中其他作用力变化产生的加工误差,第二节机械加工精度的影响因素及控制,二、工艺系统受力变形对加工精度影响,（二）工艺系统刚度对加工精度的影响,夹紧力的影响,重力的影响,（1）提高工艺系统中零件间的配合表面质量，以提高接触刚度。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,二、工艺系统受力变形对加工精度影响,（三）减小工艺系统受力变形的措施,（2）设置辅助支承提高部件刚度。,（3）当工件刚度成为产生加工误差的薄弱环节时，缩短切削力作用点和支承点的距离以提高工件的刚度。,工艺系统在热作用下产生的局部变形，会破坏刀具与工件的正确位置关系，使工件产生加工误差。热变形对加工精度影响较大，特别是在精密加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差通常会占到工件加工总误差的4070。随着高精度、高效率及自动化加工技术的发展，工艺系统热变形问题日益突出。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,三、工艺系统受热变形对加工精度的影响,1切削热,第二节机械加工精度的影响因素及控制,三、工艺系统受热变形对加工精度的影响,（一）工艺系统的热源,2摩擦热和动力装置能量损耗发出的热3外部热源,减少机床热变性对加工精度影响的措施1）结构措施（1）采用热对称结构（2）使热变形发生在无害于加工精度的方向上（3）合理安排支撑的位置（4）采取措施散热冷却减少发热量（5）均衡关键零件的温升，避免弯曲变形（6）隔离热源,第二节机械加工精度的影响因素及控制,三、工艺系统受热变形对加工精度的影响,（二）工艺系统热变形对加工精度的影响,1机床热变形对加工精度的影响,减少机床热变性对加工精度影响的措施2）工艺措施（1）在安装机床的区域内保持恒定的环境温度（2）将精密机床安排在恒温室中使用（3）机床达到热平衡后再进行加工,第二节机械加工精度的影响因素及控制,三、工艺系统受热变形对加工精度的影响,（二）工艺系统热变形对加工精度的影响,1机床热变形对加工精度的影响,措施:1）减少刀具伸出长度；2）采用冷却润滑液：3）改进刀具角度4）合理选用切削用量,第二节机械加工精度的影响因素及控制,三、工艺系统受热变形对加工精度的影响,（二）工艺系统热变形对加工精度的影响,2刀具热变形对加工精度的影响,第二节机械加工精度的影响因素及控制,三、工艺系统受热变形对加工精度的影响,（二）工艺系统热变形对加工精度的影响,3工件热变形对加工精度的影响,在切削区施加充分的冷却液；提高切削速度和进给速度，使传入工件的热量减小；精加工前有充分时间间隙，得到足够的冷却；及时刃磨和修正砂轮，减少切削热；使工件在夹紧状态下有伸缩的自由（弹簧后顶尖，气动后顶尖）,“车工怕细长”采用反向走刀（进给）切削改变进给方向使细长轴在加工过程中受拉力。用大进给量和大主偏角（9093o）车刀在卡盘一端车出一个缩颈：消除坯料本身弯曲而在卡盘强制夹持下引起的轴线弯斜的影响。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（一）直接消除和减少误差法,误差补偿是指人为地制造出一种新的或者利用原有的一种原始误差去抵消另一种原始误差。,横向进给机构、操纵箱等部件,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（二）误差补偿法,配重,误差转移法的实质是将工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等转移到不影响加工精度的方向去。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（三）误差转移法,误差分组法是利用有密切联系的表面之间的相互比较和相互检查，从中找出它们之间的差异；然后再进行相互修正加工或者利用互为基准进行加工，使被加工表面原有的误差不断缩小和平均化，以达到很高的加工精度。采用误差平均法可以最大限度地排除机床误差的影响。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（四）误差分组法,在加工和装配中，有些精度问题牵涉到很多零部件间的相互关系，相当复杂。如果单纯地提高零件精度来满足设计要求，有时不仅困难，甚至不可能达到。此时，若采用就地加工法，就可解决这种难题。例如，就地加工法的要点是要保证部件什么样的位置关系，就在这样的位置关系上利用一个部件装上刀具去加工另一个部件，又称“自干自”。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（五）“就地加工”法,对变值系统性误差必须采用可变补偿的方法，即所谓的积极控制方法。有三种形式：主动测量：加工过程中随时测量，随时进行误差补偿。偶件自动配磨：以互配件中的一件作为基准去控制另一件的加工精度。积极控制起决定性作用的加工条件：例如精密螺纹磨床的自动恒温控制。,第二节机械加工精度的影响因素及控制,四、保证和提高加工精度的途径,（六）控制误差法,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,一、表面粗糙度的影响因素,在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层冷作硬化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大。,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,影响表面层物理力学性能的主要因素,表面物理力学性能,影响金相组织变化因素,影响显微硬度因素,影响残余应力因素,塑变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化,冷塑性变形热塑性变形金相组织变化,切削热,冷作硬化金相组织变化残余应力,表现形式,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,二、表面层物理机械性能的影响因素,对零件使用性能危害甚大的残余拉应力、磨削烧伤和磨削裂纹均起因于磨削热，所以如何降低磨削热并减少其影响是生产上的一项重要问题。解决的原则：一是减少磨削热的发生，二是加速磨削热的传出。,提高表面质量的工艺途径大致可以分为两类：一类是用低效率、高成本的加工方法，寻求各工艺参数的优化组合，以减小表面粗糙度；另一类是着重改善工件表面的物理力学性能，以提高其表面质量。,第四节机械加工表面质量的影响因素及控制,三、保证和提高加工表面质量的途径,机械加工过程中产生的振动，也和其它的机械振动一样，按其产生的原因可分为自由振动、强迫振动和自激振动三大类。,第五节机械加工过程中的振动及控制,机械加工振动,自激振动,自由振动,强迫振动,当系统受到初始干扰力激励破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。由于总存在阻尼，自由振动将逐渐衰减。(占5%),系统在周期性激振力(干扰力)持续作用下产生的振动，称为强迫振动。强迫振动的稳态过程是谐振动，只要有激振力存在振动系统就不会被阻尼衰减掉。(占30%),在没有周期性干扰力作用的情况下，由振动系统本身产生的交变力所激发和维持的振动，称为自激振动。切削过程中产生的自激振动也称为颤振。(占65%),第五节机械加工过程中的振动及控制,1）强迫振动是由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动本身也不能使激振力变化。2）强迫振动的振动频率与外界激振力的频率相同，而与系统的固有频率无关。3）强迫振动振幅的大小与干扰力、系统刚度及阻尼系数有关：干扰力越大，系统刚度和阻尼系数越小，则振幅越大。当干扰力的频率与系统的固有频率相近或相等时，振幅达最大值，即出现“共振”现象。,强迫振动的特征,第五节机械加工过程中的振动及控制,一、机械加工过程中的强迫振动,减小激振力调整振源频率提高工艺系统的刚度和阻尼采取隔振措施采用减振装置。,减小强迫振动的措施,第五节机械加工过程中的振动及控制,一、机械加工过程中的强迫振动,由强迫振动的特征可知，强迫振动的频率总是与干扰力的频率相等或是它的倍数，我们可以根据强迫振动的这个规律去查找强迫振动的振源。,机械加工过程中强迫振动振源的查找方法,第五节机械加工过程中的振动及控制,一、机械加工过程中的强迫振动,自激振动：机械加工过程中，在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动，称为自激振动；在金属切削过程中的自激振动一般称为切削颤振，简称颤振。,自激振动的特征,第五节机械加工过程中的振动及控制,二、机械加工过程中的自激振动,它由振动过程本身引起切削力周期性变化，从不具备交变特性的能源中周期获得能量，使振动得以维持。,自激振动由振动系统本身参数决定，与强迫振动显著不同。自由振动受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动不会因阻尼存在而衰减。,自激振动的频率接近于系统的固有频率，即颤振频率取决于振动系统的固有特性。这与自由振动相似，而与强迫振动根本不同,自激振动特点,不衰减的振动,f自=f固,取决于一周期获得的能量,取决于切削过程本身,自激振动的特征,第五节机械加工过程中的振动及控制,二、机械加工过程中的自激振动,自激振动的特征,第五节机械加工过程中的振动及控制,二、机械加工过程中的自激振动,自激振动系统维持稳定振动的条件是：在一个振动周期内，从能源输入到系统的能量(E+)等于系统阻尼所消耗的能量(E-)。如果吸收能量大于消耗能量，则振动会不断加强；如果吸收能量小于消耗能量，则振动将不断衰减而被抑制。在一个振动周期内，若振动系统获得的能量E+等于系统消耗的能量E-，则自激振动是以A0为振幅的稳定的等幅振动。当振幅为A1时，振动系统每一振动周期从电动机获得的能量E+大于振动所消耗的能量E-，则振幅将不断增大，直至增大到振幅A0时为止；反之，当振幅为A2时，振动系统每一振动周期从电动机获得的能量E+小于振动所消耗的能量E-，则振幅会不断减小，直至减小到振幅A0时为止。,在稳定的切削过程中，刀架系统因材料的硬点，加工余量不均匀，或其它原因的冲击等，受到偶然的扰动。刀架系统因此产生了一次自由振动，并在被加工表面留下相应的振纹。当工件转过一转后，刀具要在留有振纹的表面上切削，因切削厚度发生了变化，所以引起了切削力周期性的变化，产生动态切削力。将这种由于切削厚度的变化而引起的自激振动，称为“再生颤振”