数控产品质量分析与质量控制

1、25/31编号：_商丘科技职业学院毕业论文（设计）题目 数控产品质量分析与操纵 系 不 机电工程系 专 业 数控技术 学生姓名 杜春鸽 成 绩 指导教师 黄胜银 2010年12月数控产品质量分析与操纵摘要：机械零件的加工质量直接关系到机械产品的最终质量，在制定零件加工工艺规程时，必须充分考虑零件的加工质量，必须认真分析加工过程中可能出现的质量问题并找出缘故，提出改进措施以保证加工质量。另外，编程时刀具的走刀路线，刀具材料的选择及几何参数的选择，以及夹具、机床、对刀和操作工的水平都可阻碍产品的质量。机械加工质量指标包括两方面的参数：一方面是宏观几何参数即机械加工精度；另一方面是微观几何参数和表面

2、物理力学性能等方面的参数即机械加工表面质量。研究对这两方面参数的阻碍对加工产品的质量有着重要的现实意义。关键词 加工精度 加工表面质量 数控编程目录 TOC o 1-3 u 摘要 PAGEREF _Toc279219024 h I绪论 PAGEREF _Toc279219025 h 1一、机械加工精度 PAGEREF _Toc279219026 h 11.1概述 PAGEREF _Toc279219027 h 11.2阻碍加工精度的因素及其分析 PAGEREF _Toc279219028 h 21.3保证和提高加工精度的要紧途径 PAGEREF _Toc279219029 h 3二、机械加工表

3、面质量 PAGEREF _Toc279219030 h 42.1概述 PAGEREF _Toc279219031 h 42.2对阻碍机械加工表面质量的分析 PAGEREF _Toc279219032 h 42.2.1阻碍加工表面粗糙度的因素 PAGEREF _Toc279219033 h 42.2.2阻碍冷作硬化的工艺因素 PAGEREF _Toc279219034 h 52.2.4阻碍金相组织变化的工艺因素 PAGEREF _Toc279219035 h 52.3保证和提高加工表面质量的途径 PAGEREF _Toc279219036 h 62.3.1降低加工表面粗糙度 PAGEREF _T

4、oc279219037 h 62.3.2降低加工表面冷作硬化 PAGEREF _Toc279219038 h 72.3.3降低残余应力 PAGEREF _Toc279219039 h 72.3.4降低金相组织变化 PAGEREF _Toc279219040 h 7三、数控产品加工应该着重考虑的因素 PAGEREF _Toc279219041 h 73.1概述 PAGEREF _Toc279219042 h 73.2产品加工中加工路线的问题 PAGEREF _Toc279219043 h 83.3加工过程中对刀、夹具、刀具补偿和刀具材料选择的问题 PAGEREF _Toc279219044 h

5、93.3.1对刀 PAGEREF _Toc279219045 h 93.3.2夹具 PAGEREF _Toc279219046 h 93.3.3刀具补偿 PAGEREF _Toc279219047 h 93.3.4刀具材料的选择 PAGEREF _Toc279219048 h 9结论 PAGEREF _Toc279219049 h 10参考文献 PAGEREF _Toc279219050 h 11绪论随着现代化经济社会的进展和进步，我国经济的快速增长，使社会对产品的质量、使用功能和寿命的要求越来越高，尤其对产品质量的要求甚高，因此企业必须不断提高产品的质量，提高其使用效能和使用寿命，最大限度地

6、消灭废品，减少次品，提高产品合格率，以便最大限度节约材料和减少人力消耗。数控技术是现代化机械加工的重要基础和关键技术，应用数控机床可大大提高生产率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加柔性、实现对各种复杂周密零件的自动化加工，但在加工过程中，会由于某些缘故而产生不可同意的误差，致使零件报废，因此对阻碍数控产品加工质量的误差因素进行分析并采取相应的改进措施具有重要的现实意义，在此论文中仅是简要的分析。本论文要紧探讨三方面内容：机械加工精度的问题包括对其进行概述、阻碍加工精度的因素以及对其分析和提高的方法途径。机械加工表面质量的阻碍和提高加工表面途径措施。阐述编程对产品质量的阻碍要紧涉及加工路线、对刀

7、、夹具等问题 。一、机械加工精度1.1概述1、加工精度的概念 所谓的加工精度，是指零件在加工后的几何参数（尺寸大小、几何形状、表面间的相对位置）的实际值与理论值相符合的程度。符合程度越高，加工精度也越高；反之则加工精度越低。机械加工精度包括尺寸精度、形状精度、位置精度三项内容，三者既有区不也有联系。（1）尺寸精度 尺寸精度是指用来限制加工表面与其基准间的尺寸误差不超过一定范围的尺寸公差要求。（2）形状精度 形状精度是指用来限制加工表面宏观几何形状误差，如圆度、圆柱度、平面度、直线度等，不超过一定范围的几何形状公差要求。（3）位置精度 位置精度是指用来限制加工表面与其基准之间的相互位置误差，如平

8、行度、垂直度、同轴度、位置度等，不超过一定范围的相互位置公差要求。它们的公差值大小顺序为尺寸公差大于位置公差，位置公差大于形状公差。2、获得加工精度的方法（1）获得尺寸精度的方法 在机械加工中获得尺寸精度的方法有试切法、调整法、定尺寸刀具法、自动操纵法和主动测量法五种。（2）获得几何形状精度的方法 在机械加工中获得几何精度的方法有轨迹法、成形法、仿形法和展成法四种。（3）获得位置精度的方法 工件的位置精度取决于工件的安装（定位和夹紧）方式及其精度。获得位置精度的方法有找正安装法、夹具安装法和机床操纵法三种。1.2阻碍加工精度的因素及其分析在机械加工过程中，机床、夹具、刀具和工件组成一个完整的系

9、统，称为工艺系统。工件的加工精度问题也就涉及整个工艺系统的精度问题。下面对工艺系统中各类原始误差分不进行浅析。 阻碍原始误差的简图如图1所示。 图11）加工原理误差 加工原理误差是指采纳了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。这种近似的加工方法可简化工艺过程及机床和刀具的设计和制造，提高生产率，降低成本，然而由此带来的原理误差必须操纵在同意的范围内。2）工艺系统的几何误差 （1）机床几何误差 机床几何误差包括机床本身各部件的制造误差、安装误差和使用过程中的磨损引起的误差。其中对加工阻碍最大有主轴回转误差、机床导轨误差以及传动链误差。（2）刀具制造误差与磨损 刀具制造误差对加工精度

10、的阻碍，依照刀具种类不同而异。但都可直接阻碍到工件的尺寸和形状精度。任何刀具在切削过程中都不可幸免地要产生磨损，并由此引起工件的尺寸和形状误差。（3）夹具的制造误差与磨损 夹具的制造误差与磨损包括三个方面：定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等的制造误差。夹具装配后，定位元件、刀具导向元件、分度机构等元件表面间的相对尺寸误差。夹具在使用过程中，定位元件和刀具导向元件表面的磨损。（4）工件的安装误差、调整误差以及度量误差 工件的安装误差是由定位误差、夹紧误差和夹具误差等三项组成；调整误差是由于每道工序都要进行各种各样的调整工作而引起的误差；度量误差是由于精读测量仪器分辨不出或测量方法失当而引

11、起的误差。3）工艺系统受力变形对加工精度的阻碍 工艺系统受力变形对加工精度的阻碍可归纳为三种形式：受力点位置变化产生的形状误差。切削力变化引起加工误差。其他作用力引起的加工误差，如传动力、惯性力、重力、夹紧力等。4）工艺系统热变形对加工精度的阻碍 工艺系统的热变形包括机床、工件、刀具热变形对加工精度的阻碍，以及环境温度变化对加工精度的阻碍。5）工件内应力对加工精度的阻碍 工件内应力对加工精度的阻碍属于加工后的误差，它是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化，从而引起工件的弯曲变形。 在实际生产中，阻碍加工精度是错综复杂的。关于某些加工误差问题，不能仅用单因素分析法解决，而需要用概率统计的方法进

12、行综合分析，找出产生加工误差的缘故，并加以消除。如系统误差的常值系统误差和变值系统误差，分不用调整方向和自动连续补偿来消除或解决。关于随机误差，则采纳数据统计的方法来解决。1.3保证和提高加工精度的要紧途径1）直接减少或消除误差 这种方法是在查明产生误差的要紧因素后，设法对其直接消除或减弱其阻碍，在生产中有着广泛应用。如采纳反向进给的切削方式；采纳大进给量和93的大主偏角；在工件卡盘夹持的一端车出一个缩颈。2）误差补偿法 误差补偿法是人为地制造一种大小相等、方向相反的误差，去抵消工艺系统固有的原始误差，或者利用一种原始误差去抵消另一种原始误差，从而达到提高加工精度的目的。3）误差转移法 工艺系

13、统的原始误差，能够在一定的条件下能转移到误差的非敏感方向上，或不阻碍加工精度的方向上。如此在不减小原始误差的情况下，仍然能够获得较高的加工精度。4）误差分组法 为了提高一批零件的加工精度，有时可采取分化原始误差的方法，立即原始误差分组处理，从而提高零件的加工精度，常用于加工精度不易提高的状况。5）就地加工法 在加工和装配中，有些精度问题牵涉专门多零部件间的相互关系，假如纯地提高零件精度来满足设计要求，不仅为加工带来困难，而且有时不可能达到，现在，就可采纳就地加工法来解决此类问题。要点是：要保证部件间什么样的位置关系，就在如此的位置关系上，用一个部件装上刀具去加工另一个部件，这是一种达到精度的简

14、捷方法。6）误差平均法 误差平均法又称为原始误差法，是利用有紧密联系的表面间的相互比较和相互修正，使被加工表面的原始误差不断缩小和平均化的过程，常常用来排除机床误差带来的阻碍。二、机械加工表面质量2.1概述零件机械加工表面质量是指零件在机械加工后表面层的微观几何形状误差和力学物理性能。任何机械加工所获得的零件表面，都不是绝对理想的表面。通过对加工表面的测试和分析讲明，零件机械加工后表面层的几何形状特征存在着表面粗糙度、表面波度、表面加工纹理等微观几何形状误差以及伤痕等缺陷；零件表面层在加工过程中还会产生加工冷作硬化、金相组织变化及残余应力等物理力学性能的现象。上述种种因素综合作用的结果，直接阻

15、碍了零件的使用寿命及可靠性，从而阻碍产品质量和使用性能。研究加工表面质量的目的确实是要掌握机械加工过程中各种因素对表面质量的阻碍规律，并通过这些规律操纵加工过程，提高零件的加工表面质量，最终提高产品对零件耐磨性、抗疲劳强度、耐腐蚀性能等的使用性能。2.2对阻碍机械加工表面质量的分析2.2.1阻碍加工表面粗糙度的因素 机械加工时，表面粗糙度形成的缘故要紧有几何因素，物理因素，机床、刀具和工艺系统的震动。1）几何因素 在理想的切削条件下，刀具相对工件作进给运动时，在加工表面遗留下来的切削层残留面积形成的理论粗糙度。2）物理因素 在切削时，刀具的刃口角及刀具后刀面引起的挤压变形与摩擦使金属材料发生塑

16、性变形，增大了表面粗糙度，另外，在切削过程中出现的刀瘤与鳞刺，会使表面粗糙度严峻地恶化，在加工塑性材料（如低碳钢、不锈钢、铝合金等）时，常是阻碍粗糙度的因素。3）机械加工中的震动 机械加工中的震动使刀具与工件之间产生相对位移，严峻破坏了工件和刀具之间的正常的运动轨迹，震动不仅恶化加工表面质量，缩短了刀具和机床的使用寿命，而且震动严峻时加工无法进行。2.2.2阻碍冷作硬化的工艺因素加工硬化是由于切削力的作用，使被加工表面产生塑性变形，加工表面层晶格剪切滑移、晶粒拉长和破裂，阻碍金属进一步变形，造成加工表面层材料强化和硬度增减的现象。表面层的硬化程度除了与产生塑性变形的力有关外，还与变形速度以及变

17、形时的温度有关。2.2.3阻碍残余应力的工艺因素1）冷塑变形的阻碍 在机械加工过程中，因切削力的作用使工件表面受到强烈的塑性变形，尤其是切削刀具对已加工表面的挤压和摩擦，使表面层产生冷态塑性变形，表面体积趋向增大，但受基体金属的牵制而产生了残余压力，与里层残余应力相平衡。2）热塑变形的阻碍 切削加工时，表面层受到切削热的作用使局部温度远高于里层，因此表面层金属产生热膨胀变形也大于里层。当切削过程结束时，表层温度下降较快，故收缩变形也大于里层。由于受到里层的限制，因此工件表面产生残余拉应力。切削温度越高，则残余拉应力越大，甚至出现烈纹。3）金相组织的阻碍 在机械加工过程中产生的高温会引起表面层的

18、相变。由于不同的金相组织有不同的密度，表面层金相变化的结果造成了体积的变化。表面层体积膨胀时，因为受到基体的限制，产生压应力，反之则产生拉应力。2.2.4阻碍金相组织变化的工艺因素在切削加工过程中，务必会产生切削热，切削热若未被及时带走，则会引起加工表面温度升高，阻碍工件表面层的金相组织，尤其在磨削加工中更为严峻。2.3保证和提高加工表面质量的途径2.3.1降低加工表面粗糙度1）切削用量切削速度 关于塑性材料，采纳低速或高速切削均可不能产生积屑瘤，因此对加工表面粗糙度的阻碍较小；关于脆性材料，是由于脆性挤裂碎裂而成，与切削速度的关系专门小。进给量 可能会由于切屑与刀具前刀面的摩擦以及后刀面与已

19、加工表面的摩擦加剧而增大工件表面粗糙度，减小进给量可改善这种状况。背吃刀量 对表面粗糙度的阻碍特不小，不考虑。2）刀具几何角度和刃磨质量前角 适当增大前角，刀具易与切入工件，使切屑变形和摩擦减小，由此引起的切削力小，切削热少，也减轻工艺系统的震动，故加工表面粗糙度值小。后角 当前角一定时，后角越大，刀具切削刃钝圆半径越小，切削刃越锐利，同时增大后角还能减小后刀面与已加工表面间的摩擦和挤压，有利于减小加工表面粗糙度值。然而也要注意后角不能太大，否则产生切削振动，反而会使加工表面粗糙度值增加。刃倾角 刃倾角增大，前角也随之增大，因此表面粗糙度降低。主偏角和副偏角 减小主偏角和副偏角，能够减小已加工

20、表面的残留面积高度，从而减小已加工表面粗糙度，副偏角对理论粗糙度阻碍更大。刀具的刃磨质量 刀具的刃磨质量越锐利，刃口平刃性越好，切出工件表面粗糙度值也越小。 3）被加工材料的阻碍为了减小加工表面粗糙度值，常在切削加工前对材料进行调质或正火处理，如关于低碳钢，为了提高其切削时的硬度，防止黏刀，阻碍加工表面质量通常是采纳正火处理；关于高碳刚、合金刚则采纳退火处理来降低其硬度。以获得均匀细密的晶粒组织，以便于切削。它们通常安排在粗加工之前。4）切削液 切削液的冷却和润滑作用能减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，使切削区金属表面的塑性变形程度下降，抑制鳞刺和积屑瘤的产生，可大大减小加工的表面粗糙

21、度值。2.3.2降低加工表面冷作硬化1）切削用量 切削速度专门高，变形速度专门快，塑性变形不充分，硬化程度减小；进给量减小，切削厚度减小，切削力和材料的塑性变形都随之减小，硬化现象降低。2）刀具参数 刀具前角增大，切削力减小，塑性变形减小，硬化程度就越小。3）加工材料 被加工材料的硬度越高，塑性越好，则切削时的塑性变形越小，冷硬现象降低。2.3.3降低残余应力 工件经机械加工后，其表面层均存在残余应力。残余压应力可提高工件表面的耐磨性和疲劳强度，而残余拉应力则使耐磨性和疲劳强度降低。进行时效处理即可降低残余应力带来的阻碍。2.3.4降低金相组织变化 合理使用切削液，从而减少因切削带来的高温，从

22、而降低表面层的金相组织变化。三、数控产品加工应该着重考虑的因素3.1概述 数控编程确实是指从零件图样到获得数控加工程序的全部工作过程。1）分析零件图样和进行工艺处理在数控机床上加工零件，零件图是操作者的原始资料。对零件图样规定的技术特点、几何形状、尺寸及工艺要求进行分析，确定加工方案，选择合适的数控机床，选择、设计刀具和夹具，确定合理的走刀路线，选择合理的切削用量。在确定工艺过程中，应充分考虑数控机床的所有功能，做到加工路线短、走刀次数少、换刀次数少等。2）数值计算依照零件的形状、尺寸和走刀路线，计算出零件轮廓线上各几何元素的起点、终点和圆弧的圆心坐标。若数控系统没有刀补功能，则应计算刀心轨迹

23、。当用直线圆弧来逼近非圆曲线时，应计算曲线上各节点的坐标值。若尺寸带有上下偏差时，通常编程时应取尺寸的平均值。3）编写程序依照工艺过程的先后顺序，用机床规定的代码和程序格式编写零件加工程序单，编写员应对数控机床的性能、程序代码特不熟悉，才能编写出正确合理的零件加工程序。4）程序输入目前常用的方法是通过操作面板上的键盘直接将程序输入数控机床，或插入存储卡输入，或采纳微机存储加工程序，通过串行接口RS-232将加工程序传入数控装置或计算机直接数据（DNC）通信接口，能够边传送边加工。5）程序校核和首件试切通过数控机床的图形模拟功能，可进行图样模拟加工，检查刀具轨迹是否正确。由于只能大致检查出刀具运

24、行轨迹的正确性，而且检验不出对刀误差和因某些计算机误差引起的加工误差及加工精度，因此还要进行首件试切。3.2产品加工中加工路线的问题1）划分加工时期 工件在粗加工时期因切削用量大，产生较大切削力和切削热，以及加工时所受较大的夹紧力，它们共同作用引起工件的变形，如不分时期连续进行粗精加工，上述变形来不及恢复，将阻碍加工精度，因此需要分开。粗精加工分开后，一方面各时期之间的时刻间隙相当于自然时效，有利于内应力的消除；另一方面可不能破坏已加工表面质量。2）具体加工安排为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀连续加工。刀具的进退刀路线要尽量幸免在轮廓处停刀或垂直切入切出工件，

25、以免留下刀痕（切削力发生突然变化而造成弹性变形），在车削和铣削零件时，应尽量幸免径向切入或切出，应该切向切入切出，如此加工的表面粗糙度较小。铣削轮廓的走刀方式应采纳单方向走刀方式、环形走刀方式，如此充分保证了加工的表面质量。铣削平面时应尽量采纳顺铣，以便减小振动，从而降低加工表面粗糙度。数控铣床在反向运动时会出现反向间隙，假如在走刀路线中将反向间隙带入，就会阻碍刀具的定位精度，增加工件的定位误差，应该在编程中加以重视。在一次装夹中应先安排对工件刚性破坏较小的走刀路线，对横截面小的细长零件或薄板零件进行加工时，应采纳分几次走刀加工，直至最后尺寸，或对称去除余量法安排走刀路线。3.3加工过程中对刀

26、、夹具、刀具补偿和刀具材料选择的问题3.3.1对刀 对刀的差不多方法有手动对刀、机外对刀仪对刀、ATC对刀和自动对刀。手动对刀 是通过试切工件来实现，采纳“试切测量调整（补偿）”的对刀模式，占用机床时刻较多，但方法简单，成本低，适合经济型数控机床。机外对刀仪对刀 把刀预先在机床不处校对好，使之装上机床就能使用，可节约时刻，从而可提高数控车床的利用率，精度高，然而刀具必须连同刀架一起进行，另外成本高，结构复杂，换刀难。ATC 对刀 是在机床上利用对刀显微镜自动地计算出车刀长度的一种换刀方法。该对刀方法装卸对刀镜以及对刀过程依旧用手动操作和目视，故产生一定的对刀误差。自动对刀 是利用CNC装置通过

27、刀尖检测系统来实现的，刀尖以设定的速度连续向接触式传感器接近，当刀尖与传感器接触并发出信号，数控系统立即记下该瞬间的坐标值，并自动修正刀具补偿值，可实现不停顿加工，对刀效率高，误差小，适合高档机床。3.3.2夹具夹具起到定位和夹紧的作用，在机械加工过程中起到重要的作用，因此夹具的定位要可靠，定位元件应具有较高的定位精度，定位部件应便于排屑，无积屑积留；关于刚性小的工件，应保证最小的夹紧变形，如使夹紧点靠近支承点，幸免把夹紧力作用在工件的中空区域等，以减小因夹紧变形对加工精度的阻碍，另外还要尽可能提高夹具的制造精度，减小配合间隙以减小基准位移误差。要尽量幸免工序基准和定位精准不重合而带来的基准不重合误差。3.3.3刀具补偿刀具补偿是用来修正程序规定的值与刀具实际切削成形值之差。包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常使用刀具补偿有B功能刀具补偿和C功能刀具补偿，由于在使用B功能刀具补偿时常常会产生少切或过切的现象，因此通常采纳C功能刀具补偿。3.3.4刀具材料的选择 常用的刀具材料有高速钢和硬质合金，此外还有陶瓷、立方氮化硼、聚晶金刚