机械制造质量分析与控制.ppt

机械制造质量分析与控制,知识点：加工精度，表面质量；机械加工系统几何误差：机床主轴的回转运动误差，机床导轨误差，机床传动链误差，夹具与定位误差，工艺系统的其他几何误差；工艺系统受力变形影响分析，工艺系统的热变形影响分析，工艺系统内应力影响分析，机械加工中的振动；提高加工精度的途径，提高表面质量的途径；制造过程质量统计分析：加工误差的性质，分布图分析法，点图分析法。重点：加工精度，表面质量，主轴回转运动误差，机床导轨误差，机床传动链误差，夹具与定位误差，工艺系统受力变形，加工误差的性质，分布图分析法。难点：夹具与定位误差，工艺系统受力变形，分布图分析法。,天马行空官方博客：,第五章机械制造质量分析与控制,优质、高产、低消耗是企业发展的必由之路。优质就是高的产品质量。高产就是生产效率高。低消耗就是成本低。产品的质量与零件的加工质量、产品的装配质量密切相关，而零件的加工质量是保证产品质量的基础。它包括零件的加工精度和表面质量两方面。零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度。,5-1加工质量加工精度和表面质量,一加工精度,1.加工精度与加工误差,加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状及各表面相互位置等参数）与理想几何参数的符合程度。符合程度越高，加工精度就越高。反之，越低。,加工误差是指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，所以，加工误差的大小反映了加工精度的高低。,理想几何参数：表面绝对平面、圆柱面等；位置绝对平行、垂直、同轴等；尺寸位于公差带中心。,实际加工时不可能也没有必要把零件做得与理想零件完全一致，而总会有一定的偏差，即加工误差。只要这些误差在规定的范围内，即能满足机器使用性能的要求。,例如，为保证轴颈的直径尺寸精度，则轴颈的圆度误差不应超出直径的尺寸公差。,零件的的加工精度包括：尺寸精度、形状精度相互位置精度，,三者之间是既有区别又有联系的。通常，形状公差应限制在位置公差之内，而位置误差又要限制在尺寸公差之内。,当尺寸精度要求高时，相应的位置、形状精度也要求高。但形状精度要求高时，相应的位置精度和尺寸精度有时不一定要求高，这要根据零件的功能要求来决定。,2.获得加工精度的方法,1）试切法试切、测量、调整、再试切效率低，单件小批2）调整法调整好，加工中不变成批大量3）定尺寸刀具法刀具尺寸来保证加工尺寸生产率4）自动控制法自动切削、自动测量、自动补偿调整,（1）获得尺寸精度的方法,1）成形刀具法用成形刀具加工工件的成形表面。2）轨迹法靠刀具与工件的相对运动轨迹来获得工件形状。3）展成法用刀具与工件作展成切削运动，其包络线形成工件形状。,(2)获得形状精度的方法,直接找正法，划线找正法、夹具定位法。,（3）获得相互位置精度的方法,天马行空官方博客：,3.影响加工精度的因素（即原始误差）,工艺系统由机床、夹具、刀具和工件等组成的统一体。工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。,加工原理误差调整误差加工前的误差工件装夹误差工艺系统静误差机床误差刀具误差夹具误差工艺系统受力变形加工中的误差工艺系统热变形工艺系统动误差刀具磨损加工后的误差内应力引起的变形测量误差,原始误差,原始误差产生加工误差的根源，它包括：,是在掌握各种原始误差对加工精度影响规律的基础上，分析工件加工中所出现的误差可能是哪一种或哪几种主要原始误差所引起的，并找出原始误差与加工误差之间的影响关系，通过估算来确定工件加工误差的大小，再通过试验测试来加以验证。,是对具体加工条件下得到的几何参数进行实际测量，然后运用数理统计学方法对这些测试数据进行分析处理，找出工件加工误差的规律和性质，进而控制加工质量。,4、研究机械加工精度的方法,天马行空官方博客：,二表面质量,1.加工表面质量的概念零件加工后表面层的状态。,（1）表面层的几何形状误差1）表面粗糙度表面的微观几何形状误差2）波度介于宏观与微观几何形状误差之间的周期性几何形状误差。,图5.1表面粗糙度和波度,（2）表面层的物理力学性能表面层金属的冷作硬化表面层金属金相组织的变化表面层金属的残余应力,2、表面质量对零件使用性能的影响,（1）表面质量对零件耐磨性的影响,图5.3表面粗糙度与初期磨损量的关系,图4.2零件表面的磨损曲线,表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如5.3所示。表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。,1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响,天马行空官方博客：,2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响,加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。,1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。,2）表面层物理性能对零件耐疲劳性的影响适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。,（3）表面质量对零件耐腐蚀性的影响,（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性的影响零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。（2）表面层物理性能对零件耐腐蚀性的影响零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。,（4）表面质量对零件配合质量的影响,1）表面粗糙度对零件配合质量的影响表面粗糙度较大，则降低了配合精度。对于间隙配合，表面粗糙度值越大，磨损越大，使配合间隙很快增大，从而改变原有的配合性质，降低配合精度。对于过盈配合，表面粗糙度越大，两表面相配合时表面凸峰易被挤掉，会使实际过盈量减少，降低了连接强度。2）表面残余应力对零件工作精度的影响表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。,表面质量对零件使用性能的影响,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,对耐磨性影响,对耐腐蚀性能的影响,对配合质量的影响,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,5-2机械加工工艺系统几何误差的影响分析,机械加工工艺系统的几何误差（组成）,机床夹具刀具,原理误差是指由于采用了近似的加工方法、近似的成形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。,制造误差安装误差磨损,来源,一机床主轴的回转运动误差,机床误差由机床的制造误差、安装误差和使用中的磨损引起的。主轴回转误差对加工精度影响较大的有：导轨误差传动链误差,1.主轴回转运动误差的概念与形式,主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线（一般用平均回转轴线来代替）产生的变动量。,主轴回转误差的基本形式见图5.5主轴回转误差的基本形式,端面圆跳动轴向窜动径向圆跳动角度摆动,实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。由于主轴实际回转轴线在空间的位置是在不断变化的，由上述三种运动所产生的位移（即误差）是一个瞬时值。主轴回转误差直接影响被加工零件的形状、位置精度和表面粗糙度。,2.主轴回转运动误差的影响因素,主轴支承轴颈的误差、轴承的误差、轴承的间隙、箱体支承孔的误差与轴承相配合零件的误差及主轴刚度和热变形等,不同类型机床，影响因素不同工件回转类机床（如车床）主轴的支承轴颈的圆度误差影响较大轴承孔圆度误差影响较小刀具回转类机床（如镗床）主轴支承轴颈的圆度误差影响较小轴承孔的圆度误差影响较大,图5.6两类主轴回转误差的影响,1、主轴的径向圆跳动对车削和镗削加工精度的影响：镗出的孔为椭圆形主轴的纯径向跳动对车削加工工件的圆度影响很小。,2、主轴的端面圆跳动对内、外圆的加工精度没有影响，但加工端面时，会使加工的端面与内外圆轴线产生垂直度误差。主轴每转一周，要沿轴向窜动一次，使得切出的端面产生平面度误差。当加工螺纹时，会产生螺距误差。,主轴轴向窜动对端面加工精度的影响,3、主轴角度摆动对加工精度的影响，取决于不同的加工内容。车削加工时工件每一横截面内的圆度误差很小，但轴平面有圆柱度误差（锥度）。车外圆：得到圆形工件，但产生圆柱度误差（锥体）车端面：产生平面度误差镗孔时，由于主轴的角度摆动使得主轴回转轴线与工作台导轨不平行，使镗出的孔呈椭圆形，,主轴角度摆动对镗孔精度的影响,3.主轴回转精度的测量,（1）静态测量法千分表测量见图57主轴回转精度的静态测量法（2）动态测量法传感器测量见图58主轴回转精度的动态测量法,4.提高主轴回转精度的措施,1）提高主轴制造精度高精度的滚动轴承、多油楔动压轴承和静压轴承箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合零件2）滚动轴承预紧消除间隙，产生微量过盈3）误差转移法外圆磨床固定顶尖支承工件,二机床导轨误差,床身导轨既是机床主要部件的装配基准，又是保证刀具与工件间导向精度的基准。因此，导轨导向误差直接影响工件的加工精度。,1机床导轨误差的形式及对工件加工精度的影响,1）导轨在水平面内的直线度误差,图5.9磨床导轨在水平面内的直线度误差,如图，磨床导轨在x方向存在误差。磨削外圆时工件沿砂轮法线方向产生位移，引起工件在半径方向上的误差。当磨削长外圆柱表面时，造成工件的圆柱度误差。,1）导轨在水平面内直线度误差的影响,当导轨在水平面内的直线度误差为y时,引起工件在半径方向的误差为（如图）：R=y,由此可见：床身导轨在水平面内如果有直线度误差，使工件在纵向截面和横向截面内分别产生形状误差和尺寸误差。,当导轨向后凸出时，工件上产生鞍形加工误差；当导轨向前凸出时，工件上产生鼓形加工误差。,Y,Y,o,D,R,水平面,导轨水平面内直线度,图导轨在水平面内直线度误差,2）导轨在垂直面内的直线度误差,图5.10磨床导轨在垂直面内的直线度误差,如图，法线方向引起误差最大，切线方向上误差极小，可忽略不计,床身导轨在垂直面内有直线度误差（如图），会引起刀尖产生切向位移Z，造成工件在半径方向产生的误差为：RZ2/d,2）导轨在垂直面内直线度误差的影响,设：Z=Y=0.01mm，R=50mm，则由于法向原始误差而产生的加工误差R=Y=0.01mm,由于切向原始误差产生的加工误差RZ2/d=0.000001mm此值完全可以忽略不计。由于Z2数值很小，因此该误差对工件的尺寸精度和形状精度影响甚小。,垂直平面,导轨垂直面直线度,Z,d,R,Z,图导轨在垂直面内直线度误差,R,d/2,对平面磨床，龙门刨床及铣床等，导轨在垂直面内的直线度误差会引起工件相对于砂轮（刀具）产生法向位移，其误差将直接反映到被加工工件上，造成形状误差。,原始误差引起工件相对于刀具产生相对位移，若产生在加工表面法向方向（误差敏感方向），对加工精度有直接影响；产生在加工表面切向方向（误差非敏感方向），可忽略不计。,结论：,图龙门刨床导轨垂直面内直线度误差1刨刀2工件3工作台4床身导轨,3）导轨扭曲前后导轨平行度误差的影响,床身前后导轨有平行度误差（扭曲）时，会使车床溜板在沿床身移动时发生偏斜，从而使刀尖相对工件产生偏移，使工件产生形状误差（鼓形、鞍形、锥度）。,图5。11车床导轨扭曲对工件形状精度影响,车床前后导轨扭曲的最终结果反映在工件上，于是产生了加工误差y。从几何关系中可得出：R=yH/B一般车床H2B/3，外圆磨床HB，因此该项原始误差对加工精度的影响很大。,4）导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度,若导轨与机床主轴回转轴线不平行或不垂直，则会引起工件的几何形状误差，如车床导轨与机床主轴回转轴线：水平面内锥度垂直面内形状误差（马鞍形）,讨论：1、若镗杆进给，即镗杆既旋转又移动，导轨误差对加工精度有无影响？,答：不会产生孔的形状误差，但会产生孔的位置误差。,2、镗床上镗孔时，工作台进给，即工件直线进给运动，镗杆旋转运动。导轨在水平面、垂直面内的直线度误差对加工精度有何影响？,答：孔径没有误差，有圆柱度误差。轴线不直。因为误差敏感方向不断变化。,3、刨平面时，导轨误差对加工精度有何影响？答：产生加工表面的直线度误差、平面度误差。4、若刨削刚性很差的薄板时，会产生何种加工误差？答：无形状误差，但有尺寸误差。,2.机床导轨误差的影响因素,机床制造误差：导轨、溜板的制造误差、机床的装配误差机床的安装：安装不正确或地基不牢固，往往远大于制造误差导轨磨损：使用程度不同及受力不均，全长上各段的磨损量不等,1）提高机床导轨、溜板的制造精度及安装精度2）提高导轨耐磨性采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨、静压导轨、导轨表面淬火等措施，以延长导轨寿命3）机床安装正确，地基牢固严格测量、校正。定期复校和调整,3.提高导轨导向精度的措施,三机床传动链误差,1传动链误差的概念,在车螺纹、插齿、滚齿等加工时，刀具与工件之间有严格的传动比要求。要满足这一要求，机床内联系传动链的误差必须控制在允许的范围内。,传动链误差：指内联系传动链中首末两端传动元件间相对运动的误差。,式中g工件转角；d滚刀转角ic差动轮系的传动比，在滚切直齿时，ic=1if分度挂轮传动比，if=传动链中各传动元件误差累积传动链传动误差。,图5.12滚齿机的传动链,图车螺纹的传动误差示意图S工件导程；T丝杠导程；Z1Z8各齿轮齿数,车螺纹时，要求主轴与传动丝杠的转速比恒定（图示），即,若齿轮Z1有转角误差1，造成Z2的转角误差为：,12i121,Z111n=i1n1,Z222n=i2n2,Znnnn=innn,在任一时刻，各齿轮的转角误差反映到丝杠的总误差为：,传到丝杠上的转角误差为1n，即：,2减少传动链传动误差的措施,(1)减少传动环节，缩短传动链(2)提高传动件，特别是末端传动件的制造精度装配精度(3)尽可能采用降速运动，且传动比最小的一级传动件应在最后。末端传动副大降速比精密滚齿机分度蜗轮齿数1000齿(4)采用误差校正机构人为加入一误差，大小相等且方向相反，相互抵消,图丝杠加工误差校正装置1工件2螺母3母丝杠4杠杆5校正尺6触头7校正曲线,高精度丝杠车床常采用的机械式校正机构，,采用机械式的校正装置只能校正机构的静态误差。如果要校正机床静态及动态传动误差，则需采用计算机控制的传动误差补偿装置。,四夹具与定位误差分析,1.夹具的误差分析,图5.14工件在夹具中时影响加工精度的主要因素,工件在夹具上定位不一致定位误差D。刀具与对刀导向元件的位置不准确对刀误差T。夹具在机床安装不准确安装误差T。定位元件、对刀导向元件及安装基面三者位置不准确制造误差Z加工方法误差GD,2.定位误差分析,（1）产生定位误差的原因,1）基准不重合误差B工序基准与定位基准不重合，工序基准相对于定位,基准在加工尺寸方向上的最大变动范围B,2）基准位移误差Y尺寸方向上的最大变动范围，Y,图5.16基准位移误差,定位误差D基准不重合误差和基准位移误差，引起工序基准相对于刀具在加工尺寸方向上的最大变动范围，D,2.定位误差的计算方法,1）合成法根据定位误差产生的原因，定位误差应时基准不重合误差与基准位移误差的合成。,Y0、B=0时，则D=YB0、Y=0时，则D=BY0、B0时，判断相关性：若工序基准不在定位基面上，B与Y不相关，则,若工序基准在定位基面上，B与Y相关，判断方向性：,若工序基准和定位接触点在定位基准的异侧，方向相同，,若工序基准和定位接触点在定位基准的同侧，方向相反，,见例1和例2,2）极限位置法,直接求工序基准相对于刀具的最大变动范围,3）分析计算法（微分法）：建立数学公式，求全微分用微小增量代替微分，微小增量尺寸误差,(3)各种定位方法的基准位移误差,平面定位一般Y=0,孔销定位,单方向位移，,任意方向位移，Y=Xmax=,图5.20孔销定位,V形块定位,水平方向，Y=0,垂直方向，Y=,图5.21V块定位的误差分析,A）加工尺寸为B2，B=0，故D=Y=,B）加工尺寸标B1，B=；Y=,判断相关性：工序基准在定位基面上，相关。判断方向性：工序基准和定位接触点在定位基准的同侧，方向相反。,=,C）加工尺寸为B3，B=；Y=。,判断相关性：工序基准在定位基面上，相关。判断方向性：工序基准和定位接触点在定位基准的异侧，方向相同。,=,一面两销定位,支承板、圆柱销、菱形销O1孔与圆柱销最大间隙O2孔与菱形销最大间隙,基准的直线位移误差,单方向位移，；任意方向位移，=。,图5.22一面两销的定位误差分析,基准角位移误差,任意方向移动转动时，最大转角误差为=,单向转动，转角误差为=,【例】求加工尺寸A的定位误差。,图5.23工件铣450平面的定位示意图,解,横向上基准重合；纵向上基准不重合，且夹角为45,平面定位，一般，横向上定心夹紧，,【例】钻铰凸轮上的两小孔（），,图5.24凸轮加工定位简图,定位方式如图所示。定位销直径为，,求加工尺寸1000.lmm的定位误差。,解：基准重合，,孔销定位，单方向位移，夹角3015，,T/3=0.2/30.067,【例】圆环工件，外圆，内孔，内外圆同轴度0.02,欲钻小孔5，保证尺寸360.1mm,定位方案：图5.25b,以定位销定位（轴线垂直安放）图5.25c,以圆定位套定位（轴线垂直安放）,图5.25圆环工件钻小孔定位示意图,试比较两定位方案的定位误差。,解：方案：工序基准为外圆下母线，定位基准为内孔中心，基准不重合B=D/2+=0.015+0.02=0.035孔销配合，任意方向位移，Y=Xmax=0.035mm基准不重合误差和基准位移误差不相关D=Y+B=0.07mmT/3=0.067mm。,方案：工序基准为外圆下母线，定位基准为外圆中心，基准不重合B=D/2=0.015mm；孔销配合，任意方向位移，Y=Xmax=0.06工序基准在定位基面上相关，判断方向性。很难判断,改用极限法计算直接求工序基准的最大位移量D=Xmax=0.06mmT/3=0.06mm。方案好,【例】一面两孔定位钻小孔5，圆柱销为，菱形销为，试求加工尺寸的定位误差。,图5.26一面两销定位示意图,解：尺寸500.15mm基准不重合，B=0.06mm孔销配合，任意方向位移，Y=X1max=0.041mm两者不相关，D=Y+B=0.101mmT/3=0.1mm。,尺寸600.15mm基准重合，B=0；一面两孔，X1max=0.041mm；X2max=0.068mm，任意转动。Y=2（+）=2（）=0.104mmT/3=0.1mm。,3.减少夹具及定位误差的措施,(1)提高夹具的精度提高定位元件、对刀元件及配合表面及夹具体与机床连接表面的制造精度，提高夹具的装配精度；提高夹具的安装精度调整刀具与夹具位置，提高对刀精度,(2)减少定位误差基准重合，基准误差小的定位方式（如定心夹紧装置等）提高定位面与定位件加工精度，减少间隙，减少基准位移误差,(3)减少夹具的磨损提高夹具易磨件（如钻套、定位销等）的耐磨性。对易磨损件设置成可换装置，当磨损到一定程度时须及时更换,如普通车刀、单刃镗刀和面铣刀等）的制造误差对加工精度没有直接影响，但磨损后对工件尺寸或形状精度有一定影响,定尺寸刀具（如钻头、铰刀、圆孔拉刀等）的尺寸误差直接影响被加工工件的尺寸精度。刀具的安装和使用不当，也会影响加工精度。,成形刀具（如成形车刀、成形铣刀、盘形齿轮铣刀等）的误差主要影响被加工面的形状精度,展成法刀具（如齿轮滚刀、插齿刀等）加工齿轮时，刀刃的几何形状及有关尺寸精度会直接影响齿轮加工精度,5.2.5工艺系统其它几何误差,（由于刀具制造误差和刀具磨损）,刀具的磨损：除了对切削性能、加工表面的质量影响外，直接影响加工精度。如车长外圆时，产生锥形的圆柱度误差,调整法加工时，刀具和砂轮的磨损会扩大工件的尺寸分散范围。,图例车刀的尺寸磨损,图例车刀磨损过程,措施：刀具材料，新材料，合理几何参数和切削用量，刃磨刀具，冷却润滑液大批量补偿装置对刀具磨损自动补偿,2、测量误差,大批量生产时常采用行程挡块、靠模、凸轮作为定程机构，其制造精度和调整精度产生调整误差,样件、样板的制造精度和安装精度、对刀精度产生调整误差,测量误差进给机构位移误差（爬行现象）加工余量的影响（余量很小时，刀刃打滑）,影响工件在机床上占有正确的加工位置,5-3机械加工系统动态误差的影响分析,一工艺系统受力变形影响分析,1.工艺系统刚度的概念,工艺系统受力变形现象,(1)基本概念,破坏了刀具、工件间相对位置,图受力变形对工件精度的影响a)车长轴b）磨内孔,由此看来，为了保证和提高工件的加工精度，就必须深入研究并控制以至消除工艺系统及其有关组成部分的变形。,工艺系统刚度：,加工表面法向方向上切削力与在总切削力的综合作用下，工艺系统的法向变形的比值。,工艺系统的总变形量：,工艺系统刚度：,即工艺系统刚度的倒数等于系统各环节刚度的倒数之和,若已知工艺系统各组成部分的刚度（即环节刚度），就可以求出工艺系统的刚度。,（2）工件、刀具的刚度,当工件、刀具的形状比较简单时，其刚度可由材料力学中的有关公式进行近似计算。,悬臂梁受力变形：,简支梁受力变形：,L工件（刀具）长度(mm)；E材料的弹性模量(N/mm2)，对于钢，E=2*105N/mm2I工件（刀具）的截面惯性矩（mm4）；y1外力作用在梁端点的最大位移（mm）；y2外力作用在梁中点的最大位移（mm）.,（3）机床部件、夹具部件的刚度,图5.28车床刀架部件静刚度曲线,特点：刚度曲线非直线力和变形不成线性关系，不单纯弹性变形加载与卸载曲线不重合两曲线间的包容面积代表循环中消耗的能量，即消耗在接触变形、摩擦和塑性变形等所作的功卸载后曲线不能回到原点存在间隙和残余变形。反复加载卸载趋于稳定，残余变形接近于零。部件的实际刚度远比按实体结构的估计值小。,（4）影响部件刚度的因素,1）连接表面间的接触变形,图5.29两零件结合面间的接触情况,2）部件中薄弱零件的影响,图5。30机床部件刚度的薄弱环节,3）间隙的影响,4）摩擦力的影响,（5）机床部件刚度的测定,(1)单向静载测定法,图单向静载测定车床刚度1短轴2、3、6千分表4测力环5螺旋加力器,单向加载时车床刚度测定示意图。主轴部件、尾座及刀架的变形可分别从千分表2、3和6读出。这种方法测得的y方向位移是背向力Fp作用下引起的变形。,(2)三向静载测定法(3)工作状态测定法,2工艺系统的受力变形,（1）切削力作用点位置变化引起的加工误差,1)机床的变形此时工艺系统刚度主要取决于机床刚度,头架受力FA，变形；尾座受力FB，变形；刀架受力Fy，变形。,图5.34工艺系统变形随切削力作用点变化而变化,工件轴线的位移为,机床总的变形为,由刚度定义有,当X=L2时，工艺系统刚度倒数的为：,设车床头架刚度6104N/mm，尾座刚度5104N/mm，刀架刚度4104N/mm，径向切削力300N，工件长600mm，则沿工件长度上系统位移量：,工件产生两端粗、中间细的马鞍形圆柱度误差，误差值为2（0.0135-0.0103）=0.0064mm。,2)工件的变形,车削细长轴，简支梁公式,工件产生两端细、中间粗的腰鼓形圆柱度误差。设工件30600mm，钢弹性模量E=2105Nmm2，径向切削力300N，,工件产生的腰鼓形圆柱度误差值为2（0.17-0）=0.34mm,3)工艺系统的总变形,=+,2、切削力大小变化引起的加工误差,在加工过程中，由于工件加工余量或材料硬度不均匀，都会引起切削力的变化，从而使工艺系统受力变形不一致而产生加工误差。,图5.35毛坯形状误差复映,如图所示，以车削短圆柱工件外圆为例。由于毛坯存在的圆度误差m=ap1-ap2引起了工件产生圆度误差w=y1-y2且m越大，w越大，这种由于工艺系统受力变形的变化而使毛坯椭圆形状误差复映到加工后工件表面的现象称为“误差复映”。,设工艺系统的刚度为Kxt，则工件圆度误差；w=y1-y2=1/Kxt(Fp1-Fp2),一般取=0.4；,令=g/m,则,误差复映系数总误差复映系数,增加走刀次数,可减小误差复映,提高加工精度,但生产率降低了。提高工艺系统刚度，对减小误差复映系数具有重要意义。毛坯的各种形状误差（圆度、圆柱度、同轴度、平面度等）都会以一定的复映系数，复映成工件的加工误差。毛坯材料的不均匀，HB有变化，同样会引起背向力的变化，产生加工误差，分析方法同误差复映规律。,（3）工艺系统中其它作用力引起的加工误差,1）夹紧力的影响,图5.36套筒夹紧变形的误差,图5。37薄片工件的磨削毛坯翘曲b)电磁工件台吸紧c)磨后松开，工件翘曲d)磨削凸面e)磨削凹面f)磨后松开，工件平,2）重力的影响,图5。38自重引起的加工误差,3）惯性力的影响,在高速切削时，如果工艺系统中有不平衡的高速旋转的构件存在，就会产生离心力。它和传动力一样，在工件的每一转中不断变更方向，引起工件几何轴线作上述相同形式的摆角运动，故理论上讲也不会造成工件园度误差。但是要注意的是当不平衡质量的离心力大于切削力时，车床主轴轴颈和轴承内孔表面的接触点就会不断地变化，轴承孔地园度误差将传给工件地回转轴心。因此可采用配重平衡的方法来消除这种影响，必要时亦可适当降低主轴转速，以减小离心力的影响。,图5.39惯性力引起的加工误差,4）传动力的影响,在车床或磨床类机床上加工轴类零件时，常用单爪拨盘带动工件旋转，如图所示。,图5.40传动力产生的加工误差,在拨盘的每一转中，传动力的方向是变化的，有时与切削力同向，有时与切削力反向，造成与惯性力相似的加工误差。因此，精密零件加工应采用双爪拨盘或柔性系统连接装置带动工件旋转。,通过提高导轨等结合面的刮研质量、形状精度并降低表面粗糙度，都能增加接触面积，有效地提高接触刚度。预加载荷，也可增大接触刚度,加工细长轴时，采用中心架或跟刀架来提高工件的刚度。采用导套、导杆等辅助支承来加强刀架的刚度。,对刚性较差的工件选择合适的夹紧方法，能减小夹紧变形，提高加工精度,采用塑料滑动导轨，其摩擦特性好，有效防止低速爬行，运行平稳，定位精度高，具有良好的耐磨性、减振性和工艺性。此外，还有滚动导轨和静压导轨。,（1）提高接触刚度,（2）提高零部件刚度减小受力变形,（3）合理安装工件减小夹紧变形,4减少摩擦防止微量进给时的“爬行”,（四）、减小工艺系统受力变形的措施,（5）合理使用机床,（6）合理安排工艺，粗精分开,（7）转移或补偿弹性变形,减少工艺系统受力变形,二工艺系统的热变形影响分析,1.工艺系统的热源,工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形，从而破坏工件与刀具间正确的相对位置，造成加工误差。,据统计，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。实现数控加工后，加工误差不能再由人工进行补偿，全靠机床自动控制，因此热变形的影响就显得特别重要。工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的一个重大研究课题。,电机、轴承、齿轮、油泵等,工件、刀具、切屑、切削液,气温、室温变化、热、冷风等,热源,日光、照明、暖气、体温等,切削热：车削：切屑5080，工件30，刀具5钻孔：工件超过50；磨削：工件84,2、工件热变形对加工精度的影响,工件均匀受热,对于一些形状简单、对称的零件，如轴、套筒等，加工时（如车削、磨削）切削热能较均匀地传入工件，工件热变形量可按下式估算：,L=Lt式中工件材料的热膨胀系数，单位为1/；L工件在热变形方向的尺寸，单位为mm；t工件温升，单位为。,例如：在磨削400mm长的丝杠螺纹时，每磨一次温度升高1，则被磨丝杠将伸长L=1.1710-54001mm=0.0047mm而5级丝杠的螺距累积误差在400mm长度上不允许超过5m左右。因此，热变形对工件加工精度影响很大。,工件不均匀受热,在刨削、铣削、磨削加工平面时，工件单面受热，上下平面间产生温差，导致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生了中凹，造成了几何形状误差。,工件凸起量f可按图例所示图形进行估算。由于中心角很小，其中性层的长度可近似认为等于原长L，则f=L/2tan(/4）L/8且（R+H）-R=tL=tL/H所以ftL2/8H,图例薄板磨削时的弯曲变形,3、刀具热变形对加工精度的影响,刀具热变形主要是由切削热引起的。切削加工时虽然大部分切削热被切屑带走，传入刀具的热量并不多，但由于刀具体积小，热容量小，导致刀具切削部分的温升急剧升高，刀具热变形对加工精度的影响比较显著。,图车刀热变形曲线1刀具加热至热平衡时间2刀具加热至热平衡时间0刀具间断切削至热平衡时间,图示为车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线。曲线A车刀连续工作时的热伸长曲线；曲线B切削停止后，车刀温度下降曲线；曲线C传动作间断切削的热变形切削。,车外圆时，车刀热变形会使工件产生圆柱度误差（喇叭口）。加工内孔又如何？,4、机床热变形对加工精度的影响,机床热变形会使机床的静态几何精度发生变化而影响加工精度，其中主轴部件、床身、导轨、立柱、工作台等部件的热变形，对加工精度影响最大。,各类机床其结构、工作条件及热源形式均不相同，因此机床各部件的温升和热变形情况是不一样的。,车、铣、钻、镗类机床,主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热、润滑油发热。,龙门刨床、牛头刨床、立式车床类机床导轨副的摩擦热,各种磨床砂轮主轴轴承的发热和液压系统的发热,5、减少工艺系统热变形的主要途径,1减少发热和隔离热源,1)采用热对称结构2)合理选择机床零部件的安装基准(图),寻求各部件热变形的规律建立热变形位移数字模型并存入计算机中进行实时补偿,加工前使机床高速空转，达到热平衡时再切削加工,1）减小温差；2）均衡关键件的温升，避免弯曲变形（如图所示）,恒温车间、使用门帘、取暖装置均匀布置；恒温精度一般控制在1以内，精密级较高的机床为0.5。恒温室平均温度一般为20，在夏季取23，在冬季可取17,2均衡温度场,3改进机床布局和结构设计,4保持工艺系统的热平衡,5控制环境温度,6.热位移补偿,图采用隔热罩减少热变形,图用热空气均衡立柱前后壁的温度场,图车床上主轴箱两种结构的热位移,三工艺系统的内应力影响分析,残余应力指在没有外部载荷的情况下，存在于工件内部的应力，又称内应力。,产生原因残余应力是由金属内部的相邻宏观或微观组织发生了不均匀的体积变化而产生的，促使这种变化的因素主要来自热加工或冷加工。,残余应力对零件的影响影响,存在残余应力的零件，始终处于一种不稳定状态，其内部组织有要恢复到一种新的稳定的没有内应力状态的倾向。在内应力变化的过程中，零件产生相应的变形，原有的加工精度受到破坏。用这些零件装配成机器，在机器使用中也会逐渐产生变形，从而影响整台机器的质量。,在铸造、锻造、焊接及热处理过程中，由于工件各部分冷却收缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，在毛坯内部就会产生残余应力。(图5。47）,1、毛坯制造中产生的内应力,毛坯的结构越复杂，各部分壁厚越不均匀以及散热条件相差越大，毛坯内部产生的残余应力就越大。,具有残余应力的毛坯，其内部应力暂时处于相对平衡状态，虽在短期内看不出有什么变化，但当加工时切去某些表面部分后，这种平衡就被打破，内应力重新分布，并建立一种新的平衡状态，工件明显地出现变形。,图5。47铸件残余应力引起的变形,图5。47所示为一个内外壁厚相差较大的铸件，在浇铸后的冷却过程中产生残余应力的情况。,2、冷校直带来的内应力,现象,原因,在外力F的作用下，工件内部的应力重新分布，如图5。48b所示，在轴心线以上的部分产生压应力（用负号表示），在轴心线以下的部分产生拉应力（用正号表示）。在轴心线和两条虚线之间，是弹性变形区域，在虚线以外是塑性变形区域。,冷校直工艺方法是在一些长棒料或细长零件弯曲的反方向施加外力F以达到校直目的，如图5。48a所示。,影响,措施,当外力F去除后，弹性变形本可完全恢复，但因塑性变形部分的阻止而恢复不了，使残余应力重新分布而达到平衡，如图5。48c所示。,对精度要求较高的细长轴（如精密丝杠），不允许采用冷校直来减小弯曲变形，而采用加大毛坯余量，经过多次切削和时效处理来消除内应力，或采用热校直。,图5。48冷校直引起的内应力,3、切削加工中引起的残余应力,工件在切削加工时，其表面层在切削力和切削热的作用下，会产生不同程度的塑性变形，引起体积改变，从而产生残余应力。这种残余应力的分布情况由加工时的工艺因素决定。,内部有残余应力的工件在切去表面的一层金属后，残余应力要重新分布，从而引起工件的变形。在拟定工艺规程时，要将加工划分为粗、精等不同阶段进行，以使粗加工后内应力重新分布所产生的变形在精加工阶段去除。对质量和体积均很大的笨重零件，即使在同一台重型机床进行粗精加工也应该在粗加工后将被夹紧的工作松开，使之有充足时间重新分布内应力，在使其充分变形后，然后重新夹紧进行精加工。,毛坯制造热处理,1合理设计零件结构应尽量简化结构，减小零件各部分尺寸差异，以减少铸锻件毛坯在制造中产生的残余应力。,2增加消除残余应力的专门工序对铸、锻、焊接件进行退火或回火；工件淬火后进行回火；对精度要求高的零件在粗加工或半精加工后进行时效处理（自然、人工、振动时效处理）,四机械加工中的振动,振动会在工件加工表面出现振纹，降低了工件的加工精度和表面质量；振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损；振动使机床连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床丧失精度；强烈的振动及伴随而来的噪声，还会污染环境，危害操作者的身心健康。为减小加工过程中的振动，有时不得不降低切削用量，使机械加工生产率降低。,振动对机械加工的影响,机械加工中振动的种类及其主要特点,机械加工振动,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35%),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%),1.机械加工中的强迫振动,一种在工艺系统内部或外部周期性的干扰力（激振力）作用下引起的振动。,（1）强迫振动产生的原因,内部振源旋转件不平衡、机床传动机构缺陷、断续切削、往复运动部件的惯性力引起的振动等,外部振源由其他机床、打桩机等通过地基传来的振动。,1）强迫振动是在外界周期性干扰力作用下产生的，振动本身并不能引起干扰力的变化。,（2）强迫振动的主要特点,2）频率等于外界干扰力的频率或其整数倍。,3）振幅与外界干扰力大小、系统刚度及阻尼有关特别取决于干扰力与系统固有频率的比值当等于或接近于1时，振幅最大“共振”。,（3）减少强迫振动的措施和途径,4）隔振防振地基、设置弹簧或橡皮垫片等,5）采用减振器和阻尼器,1）减小或消除激振力平衡回转件、提高传动稳定性,2）提高工艺系统的刚度及增大阻尼。,3）调整振源频率，远离固有频率，以避免共振。,2.机械加工中的自激振动,（1）自激振动的概念,没有周期性外力作用下，系统本身产生和维持的振动,（2）自激振动的特点1）激振力是由振动本身产生和控制的，切削运动一停止，振动也停止可通过改变工艺参数来限制自激振动2）频率等于或接近等于系统的固有频率3）振幅取决于系统所获得的能量与所消耗的能量的比值与系统的刚度及阻尼系数有关,图5.49电铃的工作原理,图5.50电铃的自激振动系统,（3）自激振动的激振机理（学说）,1）再生原理,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。重叠使切削深度变化，引起切削力周期性变化再生自激振动,a）相位角=0b）相位角滞后c）相位角超前,图5.53再生自激振动示意图,再生自激振动的必要条件后一转振纹在相位上滞后于前一转振纹。,2）振型耦合原理坐标联系原理。,图5.54两个自由度的耦合振动模型a）切削模型b）动力学模型,前半周刀尖从ABC作切入运动，平均切深较小，切削力较小后半周刀尖从CDA作切出运动，平均切深较大，切削力较大。正功大于负功,系统的自激振动与系统的参数有关k1、k2、，当k1k2，00时，系统最易产生自激振动,4控制自激振动的途径,抑制自激振动途径,V=2060m/min自振f自振；保证Ra时f,提高机床抗振性提高刀具抗振性（采用消振刀具）提高工件安装刚性,根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振型的刚度比及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，抑制自激振动。（削扁镗杆试验）,前角、主偏角自振后角自振；但太小时自振,抑制再生颤振方法用于工艺系统刚性较好的场合。,图5.56削扁镗杆镗孔示意图,图5.57干摩擦阻尼器,图5.59用于镗刀杆的动力吸振器,图冲击式吸振器1自由质量2弹簧3螺钉,5-4提高加工质量的途径,1.直接减少或消除误差法查明产生加工误差的主要因素后，设法对其直接进行消除或减弱，如细长轴加工用跟刀架会导致工件弯曲变形，现采用反拉法切削工件受拉不受压不会因偏心压缩而产生弯曲变形,一.提高加工精度的途径,图反拉法切削细长轴a)正向进给b)反向进给,细长轴车削，用中心架，提高工件刚度近8倍；跟刀架，工件刚度更高。大主偏角车刀，后弹簧活动顶尖，反向大进给量切削,2.误差转移法,误差转移法就是把原始误差从误差敏感方向转移到误差的非敏感方向。例如图5.61，转塔车床的转位刀架采用“立刀”安装法;图5.61所示为利用镗模进行镗孔，主轴与镗杆浮动联接。,图5.61转塔车床刀架转位误差的转移a)普通安装b)立刀安装,3、误差分组法,误差分组法是把毛坯或上工序加工的工件尺寸经测量按大小分为n组，每组尺寸误差就缩减为原来的1/n。然后按各组的误差范围分别调整刀具位置，使整批工件的尺寸分散范围大大缩小。,4、误差补偿法,误差补偿法是人为地造出一种新的原始误差，去抵消原来工艺系统中存在的原始误差，尽量使两者大小相等、方向相反而达到使误差抵消得尽可能彻底的目的。如图精密螺纹、精密齿轮加工用校正机构预加载荷的方法精加工床身导轨,图螺纹加工校正机构1工件2丝杠螺母3车床丝杠4杠杆5校正尺6滚柱7工作尺面,图通过导轨凸起补偿横梁变形,5.就地加工法,全部零件按经济精度制造，然后装配成部件或产品，且各零部件之间具有工作时要求的相对位置，最后以一个表面为基准加工另一个有位置精度要求的表面，实现最终精加工，这就是“就地加工”法，也称自身加工修配法。如转塔车床在自身主轴上装镗刀孔和端面进行精加工；自刨自；自磨自。,6、误差平均法,误差平均法就是利用有密切联系的表面之间的相互比较和相互修正或者利用互为基准进行加工，以达到很高的加工精度。配合精度要求很高的轴和孔研磨精密标准平板利用三块平板相互对研，配刮,7.控制误差法,控制误差法是在加工循环中，利用测量装置连续地测量出工件的实际尺寸精度，随时给刀具以附加的补偿量，控制刀具和工件间的相对位置，直至实际值与调定值的差不超过预定的公差为止。如现代机械加工中的自动测量和自动补偿。,二提高表面质量的途径,1.减小表面粗糙度值的工艺措施,机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。,切削加工：表面粗糙度残留面积的高度措施采取增大刀尖圆弧半径、减小主偏角、副偏角、减小进给量也能有效地减少残留面积，但会使生产率降低。积屑瘤、鳞刺影响加工表面粗糙度的物理因素。措施采用较高