第五章 工件的機械加工質(zhì)量.ppt

1、1,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,本章要點,機械加工質(zhì)量的基本概念,影響加工精度的因素,影響表面質(zhì)量的因素,2,第一節(jié) 機械加工質(zhì)量的基本概念,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,一、機械加工質(zhì)量的概念 工件的機械加工質(zhì)量包括兩個方面：加工精度及表面質(zhì)量。,3,機械加工精度及加工誤差 工件加工后各表面的實際幾何參數(shù)（尺寸、形狀及相互位置）與理 想值的符合程度稱為加工精度，與理想值的偏離程度稱為加工誤差。 加工精度和加工誤差是從相反兩個方面來描述工件的幾何參數(shù)的， 加工精度高，則加工誤差??；反正，加工誤差大，則加工精度低。 加工精度及加工誤差的內(nèi)容包括尺寸精度（或誤差）、形狀精度（或誤差）、位置精度（或誤

2、差）。 機械加工表面質(zhì)量 表面幾何學特征，指表面微觀幾何形狀，包括表面粗糙度及波度。 表面層材質(zhì)的變化，指在表面層出現(xiàn)的與基體材料組織不同的變質(zhì)情況，包括冷作硬化、金相組織變化、殘余應力。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,4,二、獲得加工精度的方法及經(jīng)濟加工精度 獲得尺寸精度的方法 試切法刀具相對工件的位置是通過試切、測量、調(diào)整、再試切反復進行而得到。該方法的特點是生產(chǎn)力低，精度取決于工人的水平，因此，適用于單件小批量生產(chǎn)。 調(diào)整法工件加工前先調(diào)整好刀 具與工件在機床上的相對位置，并 在加工過程中保持該位置不變。該 方法的特點是生產(chǎn)力高，尺寸穩(wěn)定 性好，適用于大批量生產(chǎn)。,第五章 工件的機械加工質(zhì)

3、量,5,定尺寸刀具法利用刀具的尺寸來保證工件尺寸，如孔加工、槽加工等。其特點是工件尺寸精度取決于刀具尺寸精度。 自動控制法利用測量裝置、進給裝置和控制系統(tǒng)，使工件在加工過程中自動測量、進給、補償，從而到達要求的尺寸。該方法的特點是加工精度高，生產(chǎn)力高，適用于在自動化機床上加工。 獲得形狀精度的方法 軌跡法利用切削運動刀具刀尖的運動軌跡以形成工件被加工表面形狀。 成形法利用成形刀具切削刃的幾何形狀切削出工件的形狀。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,6,展成法利用刀具和工件作展成運動時，切削刃在被加工表面上形成的包絡面形成工件加工表面。 相切法利用旋轉(zhuǎn)刀具（如銑刀）切削時，切削刃運動軌跡的包絡線形成工

4、件被加工表面。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,7,獲得位置精度的方法 工件加工時獲得位置精度主要取決于工件的裝夾方法，主要有找正 裝夾法和專用夾具裝夾法。 經(jīng)濟精度及經(jīng)濟表面粗糙度 指某種加工方法在正常的生產(chǎn)條件下（采用符合質(zhì)量標準的設備、工 藝裝備和標準技術(shù)等級工人，不延長加工時間）所能達到的加工精度， 也包括經(jīng)濟表面粗糙度?？蓞㈤営嘘P(guān)手冊。 不應將其理解為某個確定值，而應理解為一個精度范圍。 各種經(jīng)濟加工精度不是一成不變的，隨著加工技術(shù)水平的提高，也隨著提高。 有關(guān)手冊、文獻所查閱的精度和表面粗糙度是指的經(jīng)濟精度和經(jīng)濟表面粗糙度。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,8,一、影響加工精度的原始誤差及

5、分類 機械加工工藝系統(tǒng) 機械加工過程中，由機床、工件、夾具和刀具所組成的封閉系統(tǒng)稱為機 械加工工藝系統(tǒng)。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,第二節(jié) 影響加工精度的因素,9,工藝系統(tǒng)原始誤差引起加工誤差的根本原因是工藝系統(tǒng)存在著誤差，將工藝系統(tǒng)的誤差稱為原始誤差。,原始誤差構(gòu)成,原始誤差的分類,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,10,二、加工原理誤差 加工原理誤差是指采用了近似的成型運動或近似的刀刃輪廓進行加工而產(chǎn)生的誤差。,例如在數(shù)控銑床上采用球頭刀銑削復雜形面零件（見圖）。,式中 R 球頭刀半徑； h 允許的殘留高度。,用阿基米德蝸桿滾刀滾切漸開線齒輪。 用公制絲桿車蝸桿或英制螺紋。,采用了近似的成型運

6、動或近似的刀刃輪廓，常常可以簡化機床結(jié)構(gòu)或刀具形狀，或可提高生產(chǎn)率，有時還可得到較高加工精度。故在生產(chǎn)中廣泛采用，其前提是原理誤差不超過規(guī)定精度要求（通常原理誤差不超過1015工件公差）。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,11,三、機床幾何誤差及其對加工精度的影響 機床幾何誤差表現(xiàn)為機床導軌誤差、主軸回轉(zhuǎn)誤差等，產(chǎn)生的原因是 機床本身的制造誤差、安裝誤差及磨損。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,機床導軌誤差 車床導軌在水平面內(nèi)有直線度誤差x,12,車床導軌在垂直面內(nèi)有直線度誤差y,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,刀尖相對于工件回轉(zhuǎn)軸線在加工表面的切線方向（加工誤差非敏感方向）產(chǎn)生位移，位移量等于導軌的直線

7、度誤差；,刀尖在水平面內(nèi)的運動軌跡也不是一條直線，造成工件的軸向形狀誤差（圓柱度誤差）。,13,車床前后導軌扭曲n,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,工作臺在運動過程中產(chǎn)生擺動。,刀尖運動軌跡為一條空間曲線，產(chǎn)生加工誤差（圓柱度誤差）。,例：車床H/B=2/3，n影響很大。,14,車床縱向?qū)к壟c主軸在水平面內(nèi)有平行度誤差,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,圓錐形,工件產(chǎn)生圓柱度誤差,例：車床導軌與主軸平行度誤差： Hx=Ltan() 則，工件直徑誤差： d=2Hx=2Ltan(),15,車床縱向?qū)к壟c主軸在垂直面內(nèi)有平行度誤差,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,鞍形（軸剖面內(nèi)為雙曲線）,例：車床導軌與主軸平行度

8、誤差：Hy=Ltan() 則，工件直徑差：,16,車床橫向?qū)к壟c主軸軸線有垂直度誤差,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,n,f,例：橫向?qū)к壟c主軸夾角： 則，平面度誤差：=(d/2)tan(),17,機床主軸回轉(zhuǎn)誤差 純軸向竄動 純徑向移動 純角度擺動,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,18,四、刀具制造誤差與磨損 定尺寸刀具（鉆頭、絞刀、鍵槽銑刀、浮動鏜刀塊、拉刀等）尺寸、形狀誤差及磨損直接影響工件的尺寸精度和形狀精度。 成形刀具和展成刀具形狀誤差及磨損直接影響工件的形狀精度。 普通刀具（普通車刀、刨刀、面銑刀、單刃鏜刀等），它們的制造誤差與加工精度沒有直接的關(guān)系，但其磨損對工件的尺寸和形狀精度有很大的

9、影響。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,車刀后刀面磨損對加工尺寸影響,刀具磨損過程,19,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,五、夾具制造誤差與磨損,定位誤差； 刀具導向（對刀）誤差； 夾緊誤差； 夾具安裝誤差；,（1）通常要求定位誤差不大于工件相應工序尺寸公差的1/3。 （2）對刀誤差和夾具安裝誤差之和不大于工件相應工序尺寸公差的1/3。,20,六、工藝系統(tǒng)受力、受熱變形引起的誤差,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,工藝系統(tǒng)剛度,工藝系統(tǒng)受力變形引起加工誤差,定義：工藝系統(tǒng)剛度是指工藝系統(tǒng)在切削力Ff、 Fp、 Fc的綜合作用下 ，加工表面法向方向上的切削分力Fp與刀具在此該方向上的相對位移y 的比值，即：,

10、式中 Js工藝系統(tǒng)剛度； Fp吃刀抗力（切削力法向分力）； y工藝系統(tǒng)位移（切削合力作用下的位移）。,21,式中 Js 工藝系統(tǒng)剛度； Jjc 機床剛度； Jjj 夾具剛度； Jdj 刀架剛度； Jg 工件剛度。,工藝系統(tǒng)受力變形等于工藝系統(tǒng)各組成部分受力變形之迭加。由此可導出工藝系統(tǒng)剛度與工藝系統(tǒng)各組成部分剛度之間的關(guān)系：,計算公式,工藝系統(tǒng)剛度計算說明:,工件、刀架形狀簡單時，其剛度可用材料力學公式計算。 對機床部件、夾具等，其剛度多采用實驗方法確定。 上式中計算時可適當部分簡化（忽略變形小的部分）。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,22,機床各部件的剛度可通過試驗確定，根據(jù)工件加工條件可計算

11、出機床的剛度，以車床車削短粗光軸時為例。,機床的剛度及其對加工精度的影響,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,結(jié)論：（1）機床的剛度不是一個定值，而是車刀位置的函數(shù)。因此，由于工藝系統(tǒng)彈性變形的影響，工件沿軸向的直徑將不是一致的。（2）可分別求出各特殊位置機床的剛度，如式3-5、3-6、3-7和3-8。其中，一般以刀具位于工件中點處的剛度代表機床的剛度，即：,23,工件的剛度及其對加工精度的影響 在有的加工條件下，相比工藝系統(tǒng)其它組成部分而言，工件的變形 是主要的，此時工件的剛度是影響工件加工精度的主要原因。工件具體 的變形情況與其裝夾方式有關(guān)。 工件在車床上用兩頂尖裝夾。 工件在車床上用卡盤裝夾。,

12、第五章 工件的機械加工質(zhì)量,兩頂尖裝夾,卡盤裝夾,24,薄壁工件在卡盤上裝夾 薄板工件在工作臺上用電磁力裝夾,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,薄壁工件磨削,25,刀具剛度及其對加工精度的影響 在臥式鏜床上鏜孔時，刀具的剛度對工件加工精度的影響是主要因素。 刀具的剛度包括主軸剛度和刀桿剛度。 鏜床主軸的剛度在各方向是不相等的，當主軸懸伸長度愈大，則剛度愈低，且不同方向的剛度差值愈小。由于鏜孔時切削方向是變化的，因此將產(chǎn)生圓度誤差。 鏜孔方式有兩種： （1）工作臺不動，鏜桿進給， 孔橫截面不圓外，軸向截面直徑 也不一致。 （2）工作臺進給，鏜桿懸伸長 度不變，孔橫向截面不圓，但 軸向截面的直徑一致。,

13、第五章 工件的機械加工質(zhì)量,不同鏜孔方式,26,誤差復映規(guī)律,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,以橢圓截面車削為例說明：,27,誤差復映程度可用誤差復映系數(shù)來表示，誤差復映系數(shù)與系統(tǒng)剛度成反比。由前面公式可得：,機械加工中，誤差復映系數(shù)通常小于1?？赏ㄟ^多次走刀，消除誤差復映的影響。,以上分析可知，工件毛坯有形狀誤差或相互位置誤差時，加工后會有同類加工誤差出現(xiàn)。在成批生產(chǎn)中用調(diào)整法加工一批工件時，如毛坯直徑大小不一或硬度不均勻，同樣會有類似情況發(fā)生。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,28,提高工藝系統(tǒng)剛度的主要措施 提高機床和夾具的剛度 合理設計零部件結(jié)構(gòu)和截面形狀。 盡量減少部件組成的零件數(shù)量，以減少

14、總的接觸變形。 裝配時采用預緊措施。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,封閉整體箱形結(jié)構(gòu),29,提高工件加工時的剛度,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,專用卡爪,開口過渡環(huán),采用專用卡爪或開口過渡環(huán)，使得夾緊力均勻，減小夾緊變形,30,提高刀具加工時的剛度,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,孔加工刀具（鉆頭、鉸刀、鏜刀）在使用中，通過增設附加支承（鉆 套、鏜套）來提高刀具剛度。,31,工藝系統(tǒng)熱變形及其對加工精度的影響 工藝系統(tǒng)熱源,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,機床熱變形引起的加工誤差,特點： 體積大，熱容量大，溫升不高，達到熱平衡時間長。 結(jié)構(gòu)復雜，溫度場和變形不均勻，對加工精度影響顯著。,機床熱變形舉例：,

15、32,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,a） 車床受熱變形形態(tài),b） 溫升與變形曲線,a）銑床受熱變形形態(tài),c）導軌磨床受熱變形形態(tài),33,圓柱類工件熱變形（工件均勻受熱）,5級絲杠累積誤差全長5m，可見熱變形的嚴重性。,式中 L， D 長度和直徑熱變形量； L，D 工件原有長度和直徑； 工件材料線膨脹系數(shù)； t 溫升。,長度：,直徑：,例：長400mm絲杠，加工過程溫升1，熱伸長量為：,工件熱變形引起的加工誤差,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,34,式中 X 變形撓度； L，S 工件原有長度和厚度； 工件材料線膨脹系數(shù)； t 溫升。,板類工件單面加工時的熱變形 （工件不均勻受熱）,此值已大于精密導軌平

16、面度要求。,結(jié)果：加工時上表面升溫，工件向上拱起，磨削時將中凸部分磨平，冷卻后工件下凹。 例：高600mm，長2000mm的床身，若上表面溫升為3，則變形量為：,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,35,刀具熱變形對加工精度影響,體積小，熱容量小，達到熱平衡時間較短（10 20min）。 溫升高，變形不容忽視（達0.03 0.05mm）。,刀具熱變形特點：,變形曲線：,式中 熱伸長量； max 達到熱平衡熱伸長量； 切削時間； c 時間常數(shù)（熱伸長量為熱平衡熱伸長量約63%的時間，常取34分鐘）。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,36,減小和控制工藝系統(tǒng)熱變形的主要途徑 （1）從工藝方面 合理安排工藝過程

17、，粗、精加工分開。 加工前空轉(zhuǎn)機床，保持工藝系統(tǒng)的熱平衡。 控制環(huán)境溫度，精密加工應在恒溫室進行。 施加切削液。 （2）從機床結(jié)構(gòu)方面 采用熱對稱結(jié)構(gòu)。 合理選擇裝配基準,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,加工中心熱對稱結(jié)構(gòu)立柱,37,（3）采取熱補償措施,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,38,工件內(nèi)應力引起的誤差 概念工件內(nèi)應力是工件外部載荷去除后仍殘存在工件內(nèi)部的應力稱為內(nèi)應力。 內(nèi)應力產(chǎn)生的原因 毛坯制造和熱處理產(chǎn)生的殘余應力。 冷校直帶來的殘余應力。 切削加工帶來的殘余應力。 內(nèi)應力的特點 內(nèi)應力是由于材料內(nèi)部宏觀或微觀的組織發(fā)生不均勻的體積變化而造成。 內(nèi)應力往往處于一種不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。在外

18、部因素作用下，內(nèi)應力重新分配，工件變形，破壞原有的加工精度。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,39,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,舉例：鑄件殘余應力形成過程：,減小殘余應力的措施 合理設計零件結(jié)構(gòu)。 合理安排工藝過程，粗、精加工分開。 設立消除內(nèi)應力專門工序。,40,七、總加工誤差合成,系統(tǒng)誤差在順序加工一批工件中，其大小和方向均不改變，或按 一定規(guī)律變化的加工誤差。,（1）常值系統(tǒng)誤差其大小和方向在一批次加工中均不改變。如加工原理誤差，機床、夾具、刀具的制造誤差，工藝系統(tǒng)在均勻切削力作用下的受力變形，調(diào)整誤差。 （2）變值系統(tǒng)誤差誤差大小和方向按一定規(guī)律變化。如機床、夾具、刀具在熱平衡前的熱變形，

19、刀具磨損等因素引起的加工誤差。,加工誤差統(tǒng)計分類,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,隨機誤差在順序加工一批工件中，其大小和方向不規(guī)律變化的加 工誤差。,注意：隨機誤差從單個工件看其變化無規(guī)律，但從整批工件看符合統(tǒng)計規(guī) 律，即正態(tài)分布。,41,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,加工誤差統(tǒng)計分析方法 分布曲線法將數(shù)理統(tǒng)計中分析隨機誤差的正態(tài)分布曲線法用于機械加工誤差的分析。 （1）該方法是通過測量一批加工后的零件的實際尺寸，作出尺寸分布曲線，一般情況下，實際分布曲線符合正態(tài)分布。然后根據(jù)實際分布曲線相對尺寸公差帶的位置和形狀分析和計算加工誤差的性質(zhì)和大小。,（2）對于正態(tài)分布曲線，有兩個特征參數(shù)：所測尺寸的算

20、術(shù)平均值 和隨機變量的均方根偏差 。,42,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,a）,=0.5,=1,=2,b）,， 對正態(tài)分布曲線的影響,算術(shù)平均值 決定曲線的位置，標準差 決定曲線的形狀。,結(jié)論：,43,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,應用分布曲線法統(tǒng)計誤差分析方法,44,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,曲線分布在范圍內(nèi)的面積（即概率）為1，而分布在z=x/范圍內(nèi)的面積（即概率A）可查表3-1。,45,在一批零件的加工過程中，依次測量每個零件的加工尺寸，并按順序 記入以零件號為橫坐標、零件尺寸為縱坐標的圖標中。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,分析：上圖為在車床上采用調(diào)整法加工一批零件軸頸獲得的點圖。 由于加

21、工中刀具磨損比較顯著，造成工件直徑尺寸增大，出現(xiàn)近似平頂分布。 常值系統(tǒng)誤差為s。 變值系統(tǒng)誤差的變化斜率為tan。 隨機誤差的分布范圍為6。,點圖法根據(jù)實測尺寸，畫點圖進行分析。,46,加工誤差合成,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,【解】,1）作尺寸實際分布圖和尺寸公差帶圖,47,查表3-1，有：A=0.9542 A/2=0.9542/2=0.4771 不合格品率：Q=0.5-0.4771=2.29% 合格品率：P=1-2.29%=97.71%,3）計算合格品率及廢品率,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,2）分析誤差性質(zhì)及計算誤差大小,4）改進措施： 提高工序能力（如改換高精度機床）。 重新調(diào)整機床，

22、使公差帶中心與分布中心盡可能接近。,48,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,第三節(jié) 影響表面質(zhì)量的因素,一、影響表面粗糙度的因素,刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,影響因素：刀尖圓弧半徑 r、主偏角r、副偏角r 、進給量 f。,49,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,結(jié)論：f 減小， r 、 r 減小 ，r增大，表面粗糙度值減小。,物理因素（積屑瘤、鱗刺）的影響,工件材料因素：積屑瘤的成形與工件材料的塑性和強度、硬度有關(guān)。工 件材料塑性大，容易形成積屑瘤，工件材料強度、硬度大，積屑瘤高度 降低。但當v2.33m/s時，各種材料的強度、硬度的影響差別不大。因 此，加工低碳鋼時，可先進行正火或回火處理，以降低材料塑性。,5

23、0,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,切削速度影響：積屑瘤的成長與切削速度關(guān)系較大，一般在低速和 高速切削時，不易形成積屑瘤，而在中速（v = 1050m/min）范 圍內(nèi)，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，表面粗糙度最差。,51,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,工藝系統(tǒng)振動的影響 工藝系統(tǒng)振動使刀具相對工件產(chǎn)生周期性的位移，在加工表面上形成波紋似的痕跡。減小或消除工藝系統(tǒng)振動是降低表面粗糙度的有效措施。 振動的種類：強迫振動與自激振動。 減小或消除振動的措施：提高工藝系統(tǒng)的剛度；增大系統(tǒng)的阻尼；正確 選擇刀具和切削用量；采用消振裝置。,阻尼材料,零件上加阻尼材料,裝在車床尾座上的摩擦式減振器,52,表面強化（加工硬化） 概念：經(jīng)切削加工過的表面，其硬度往往比基體硬度高出12倍，硬化層深度可達幾十微米至幾百微米。這種不經(jīng)熱處理造成的表面硬化現(xiàn)象稱為加工硬化。 影響因素：影響表面強化的因素主要是切削過程中金屬發(fā)生的塑性變形的結(jié)果，塑性變形愈大，則表面強化就愈厲害。另一方面，由于切削熱存在，又會產(chǎn)生表面弱化。一般在溫度不高的情況下，表面強化占主導地位。,第五章 工件的機械加工質(zhì)量,二、影響表面強化和表面殘余應力的因素,53,殘余應力 概念：切削加工后，表面層體積發(fā)生變化，使表層產(chǎn)生膨脹或收縮，但受基體阻礙，從而在表