机械加工质量及控制（PPT122页)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,机械制造技术基础,第5章 机械加工质量及其控制,FUNDAMENTALS OF,MACHINERY MANUFACTURING TECHNOLOGY,Machining Quality and its Control,1,5.1,概述,5.1.1 机械加工质量的含义,表面（微观）形貌,加工变质层,零件质量,装配质量,机械产品质量,材料，金相组织 (材质),加工精度，波纹度 ，表面粗糙度 (几何),加工精度,表面质量,尺寸精度,形状精度,位置精度,机械加工质量,2,加工精度及其发展,车、铣,磨,CNC机床,研磨，工具磨,光学磨，金刚石车、磨,金刚石超精车、磨，电解加工,衍射光栅刻线机,电子束，离子束，X射线,分子束生长，离子注,扫描隧道技术,3,激光反射镜平面度提高到,30nm,，表面粗糙度 降低到,10nm,，反射率将提高到,99.8%,以上。否则，寿命将大大缩短,磁头与磁盘间的飞行高度在,50nm,以下，若进一步降低将使存储容量呈指数倍增长,1kg,精密陀螺转子的偏心增加0.5,nm,，将引起,100m,的射程误差和,50m,的轨道误差,4,5,机械加工精度的各项指标既有区别，又有联系。,一般情况下,，形状精度要求高于尺寸精度，位置精度要求也高于尺寸精度。,精密和超精密加工技术,机械加工的技术重点 大型工件的加工技术,特殊材料的加工技术,尺寸公差,位置公差,形状公差,表面粗糙度值,6,5.1.2 机械加工精度的获得方法,1尺寸精度的获得方法,手工逐步调刀获得所需尺寸,加工前先调整好刀具位置再进行一批加工,尺寸精度由刀具保证 （钻头、拉刀）,自动化的试切法,试切法,调整法,定尺寸刀具法,自动控制法,2形状精度的获得方法,成形运动法,非成形运动法,仿形法 靠模,展成法 成形表面通过包络形成,轨迹法 车、刨、磨,形状精度超过机床成形运动精度时使用,成形刀具法 成形运动和刃形,7,3位置精度的获得方法,直接装夹 效率高，精度低,找正装夹 高精度，小批,夹具装夹 效率高，精度可满足要求,一次装夹法,多次装夹法,非成形运动法,与机床几何精度有关,位置精度要求极高时采用,与检测精度密切相关,8,5.1.3 机械加工表面质量及其对机器使用性能的影响,表面（微观）形貌,表面层物理机械,性能（ 加工变质层）,机械加工表面质量,表面粗糙度,表面波纹度,塑性变形引起的冷作硬化,切（磨）削热引起的金相组织变化,力（热）产生的残余应力,1. 机械加工表面质量的含义,9,2.,机械加工表面质量对机器使用性能的影响,（1）影响耐磨性 粗糙度值大，实际接触面积小，接触,应力大，易磨损，耐磨性差。,粗糙度值,越小，实际接触面积越大，耐磨性较好。,若粗糙度值过小，可能增加制造成本，且可能破坏润滑油膜，造成干摩擦。,加工表面硬化,到一定程度能使耐磨性有所提高，但硬化过度反会使结晶组织出现过度变形，甚至产生裂纹或剥落，使磨损加剧，使耐磨性降低 。,10,（2）影响疲劳强度,交变载荷作用时，,表面粗糙度,、,划痕及微裂纹,等均会引起应力集中，从而降低疲劳强度。,加工表面粗糙度的,纹路方向,与受力方向垂直时，疲劳强度明显降低。,一般加工硬化可提高疲劳强度，但硬化过度则会适得其反。,残余应力为,压应力,时，可部分抵消交变载荷施加的拉压力，阻碍和延缓裂纹的产生或扩大，从而提高疲劳强度；但为,拉应力,时，则会大大降低疲劳强度。,有些加工方法，如,滚压加工,，可减小粗糙度值、强化表面层，使表层呈压应力状态，从而防止产生微裂纹，提高疲劳强度。,11,（3）影响耐蚀性,表面粗糙度值大的表面，腐蚀性物质（气体、液体）容易渗透到表面的,凹凸不平,处，从而产生,化学,或,电化学,作用而被腐蚀。,表面微裂纹,处容易受腐蚀性气体或液体的侵蚀，如零件表面有,残余压应力,，则可阻碍微裂纹的扩展，从而在一定程度上提高零件的耐蚀性。,12,（4）影响配合性质,影响配合性质最主要因素是表面粗糙度。对于间隙配合，经初期磨损后，间隙会有所增大，严重时会影响密封性能或导向精度；对于过盈配合，使计算所得过盈量与实际过盈量有所不同，成为过渡配合甚至间隙配合，从而可能影响过盈配合的连接强度。,此外，加工表面质量对,零件接触刚度,、,运动平稳性,和,噪音,等也有影响。,13,加工误差与原始误差,加工误差加工后每个零件在尺寸、形状、位置方面与理想零件的差值。,（几何参数的偏差）,5.2 机械加工精度的影响因素及控制措施,原始误差由于机床、刀具、量具、夹具和工件组成的工艺系统造成加工误差的因素。,5.2.1 机械加工工艺系统原始误差,14,常值,系统性误差,误差的性质 变值,随机性误差,误差敏感方向：加工表面法向原始误差引起的加工误差最大,误差敏感方向,误差非敏感方向,15,原 始 误 差,机床,夹具,刀具,工件（毛坯）,工艺系统静误差,加工过程中产生的误差,受力变形 热变形 刀具磨损 残余应力变形,工件装夹误差,调整误差 （更换工件、刀具、夹具、量具时调整）,测量误差 （测量方法和量具误差）,原理误差 （阿线滚刀滚切渐开线齿轮、数控插补）,原 有 误 差,16,用模数铣刀铣齿轮时的齿形误差,17,5.2.2 工艺系统原有误差对加工精度的影响与控制,一、影响尺寸精度的主要因素与控制,改善测量方法；提高测量精度,式中，,L,为跃进距离；G为工作台重量；,0,，,分别为静、动摩擦系数；,K,为机构传动刚度。,改进工艺方法（精车、精磨、研磨）,减小刀具或磨粒的刃口钝圆半径,r,e,试切测量精度：,微量进给精度：,微薄切削层的极限厚度：,定位调整精度:,减少定位误差；提高进给重复定位精度,提高对尺寸分布中心判断的准确性,18,二、,影响形状精度的主要因素与控制,非成形运动法 足够的检测精度,保证形状精度的条件,成形运动法,基本成形运动 （回转、直线）,相互位置关系 （几何关系）,速度关系 （运动关系）,均准确,19,机械制造新技术：,数控,（,Numerical Control,NC,）,技术,加工中心,（,MC,）,工业机器人,（,Industrial Robot,）,技术,自适应控制机床,（Adaptive Control Machine Tools）,计算机辅助制造,（,Computer Aided Manufacturing,CAM,）,计算机数控机床,（,Computerized Numerical Control,CNC,）,20,机械制造新技术：,可变制造系统,柔性制造单元,数字化制造,无人化机械制造厂,现阶段：,互联网技术的迅猛发展（e-制造、网络控制、分子开关）,工业生产追求更大的投入产出经济效益,智能制造（IMT）、并行工程（CE）、精节生产（LP） 敏捷制造（AM）、 绿色制造、柔性制造（FMS）、虚拟制造、超精加工（KDP晶体）、纳米技术、,分子自组装技术（化学、生物）,生物加工的纯铜微齿轮,21,三、,影响位置精度的主要因素与控制,刀具切削成形面,刀具切削成形面,相互重（接）合的表面之间,有精度关系的表面之间,工件加工面,工件加工面,位置精度要求,机床几何精度,一次装夹：,如在龙门铣床、加工中心上加工箱体零件,采用成形运动法时，位置精度的获得与装夹方式有关,22,直接装夹：,如用外圆定位在车床上加工齿轮内孔后，再在插,床上加工键槽,工件基准面,机床安装面,工件加工面,刀具切削成形面,位置精度要求,刀具切削成形面,工件加工面,位置精度要求,机床几何精度,机床几何精度,23,找正装夹：,如在车床上加工与外圆同轴度要求很高的内孔,工件基准面,机床安装面,刀具切削成形面,工件加工面,位置精度要求,机床几何精度,可调支承,找正精度,刀具切削成形面,工件加工面,位置精度要求,机床几何精度,找正精度,24,夹具装夹：,非成形运动法：,检测精度,工件基准面,机床安装面,刀具切削成形面,工件加工面,位置精度要求,机床几何精度,夹具安装面,对刀导引精度,（找正精度）,夹具定位面,夹具安装精度,夹具制造精度,装夹精度,刀具切削成形面,工件加工面,位置精度要求,机床几何精度,对刀导引精度,（找正精度）,25,机床的制造误差、安装误差以及在使用过程中精度保持性被破坏等原因，都将会产生,机床几何误差,，进而引起机械加工误差。,四、机床几何误差的影响与控制,机床几何精度,回转运动精度,直线运动精度,成形运动之间的位置精度,传动（速度关系）精度,26,（1） 机床回转运动精度,主要取决于机床主轴的回转精度,主轴回转误差的形式,机床主轴回转精度的高低主要以在规定测量截面内主轴一转或数转内诸瞬时回转中心的平均位置的变化范围来衡量。,瞬时回转中心,1） 主轴回转误差的主要形式,27,以滑动轴承为例,车床：主轴受力方向不变，故,轴径形状,精度影响最大;轴孔、,前后轴径以及轴承孔的同轴度、配合精度、装配精度,等也有影响。,镗床：主轴受力方向不断改变，故主要取决于,主轴轴承孔,的形,状精度。,主轴径向跳动将会造成什么加工误差？,2） 影响主轴回转精度的主要因素,径向跳动,28,轴向窜动,滑动轴承主轴,的轴向窜动量取决于止推（承载）轴承副中端面与主轴轴线垂直度较高者,影响,滚动轴承主轴,轴向窜动的主要因素有：,滚道与轴线的垂直度,滚动体形状误差（轴向间隙变化）,尺寸一致性（承载不均而降低刚度）,主轴轴向窜动将会造成什么加工误差？,29, 角度摆动,主要取决于主轴前后支承跳动（跳动量、相位等）的综合影响,3）提高回转运动精度的措施,不仅影响圆度，而且影响圆柱度,镗模；固定顶尖定位，修磨顶尖孔；采用无心磨加工,用精密滚动轴承并加预载，消除间隙、提高刚度,改进滑动轴承结构（短三瓦自位轴承）,使用液、气静压轴承，刚度高、精度高、工艺性好,隔离主轴回转误差的影响：,提高主轴回转精度：,30,（2） 机床直线运动精度,主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不均匀磨损有关。,以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化，且影响轴向形状：,1）导轨误差形式及其影响,y,y,导轨在铅垂面内的直线度,y,可忽略不计,31,（2） 机床直线运动精度,主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不均匀磨损有关。,以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化，且影响轴向形状：,1）导轨误差形式及其影响,x,x,导轨在水平面内的,直线度,x,误差敏感方向,32,（2） 机床直线运动精度,主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不均匀磨损有关。,以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化，且影响轴向形状：,1）导轨误差形式及其影响,x,双导轨间在铅垂方向,的平行度,n,33,（2） 机床直线运动精度,主要取决于机床导轨的导向精度，也和导轨装配质量和不均匀磨损有关。,以车床为例，导轨误差可能引起工件的截面尺寸变化，且影响轴向形状：,1）导轨误差形式及其影响,导轨在水平面内的,直线度,x,导轨在铅垂面内的,直线度,y,双导轨间在铅垂方向,的平行度,n,误差敏感方向,可忽略不计,在平面磨床上加工时情况又如何？,34,2）提高导轨直线运动精度的措施,合理的导轨形状和组合形式,改善制造精度、接触精度和精度保持性,采用静压导轨,90,o,双三角导轨,适当加长工作台,配磨、刮研 耐磨损,均化作用 防磨损,35,（3）成形运动之间的相互关系精度, 成形运动间,位置关系的影响与控制,圆柱面成为双曲面,平面成为,内凹或外凸,圆柱面成为圆锥面,车削时,：,刀具直线运动与工件回转轴线不垂直,刀具与工件回转轴线在空间交错不平行,刀具与工件回转轴线在,zx,面内不平行,d -,d,36,镗削时,：,若工件直线进给运动与镗杆回转轴线不平行,铣削时,：,若端铣刀回转轴线与工作台直线进给运动不垂直,移位加工可使误差从,减小至,移位方向,圆孔成为椭圆孔,平面下凹,37,提高,成形运动间,相互位置关系精度的措施,使用几何精度高的机床（决定因素）,保证高精度的零部件制造、总装调试和维修,误差检测与补偿,38,成形运动间速度关系的影响与控制,车、磨螺纹以及滚齿、插齿、磨齿等加工，要求各成形运动之间具有准确的速度关系,滚齿机,速度关系误差对加工精度的影响,各传动件传动误差对工件精度影响的总和为：,39,影响,速度关系精度的因素,机床传动链中各传动元件的,制造误差,、,装配误差,以及,磨损,等，都会破坏正确的运动关系，造成工件和刀具运动相对速度的不准确，从而产生加工误差。,在,降速链中的低速传动件误差的影响最大。,提高成形运动间速度关系精度的措施,尽量减少传动件数目，缩短传动链长度,采用降速传动,保证高精度的传动零部件制造、总装调试和维修,传动误差检测与补偿,40,题1：,套筒零件如图所示。本工序为最后工序，欲在,这批工件上铣键槽，定位方案见图示。定位元,件为水平放置的带台肩心轴，心轴直径,试求：,1所给定位方案的定位误差，并判断能否满足加,工要求；,2若所给定位方案不,能满足要求，试通,过分析计算给出合,理方案。,41,1,4,采用什么定位元件？,42,题2：车床上车削轴类零件的外圆,A,和台肩面,B,，如图。经测发现,A面,有圆柱度误差，,B,对,A,有垂直度误差。如果仅考虑机床几何误差的影响，试分析产生以上误差的主要原因。,43,题3：在平面磨床上用端面砂轮磨削平板工件，为改善切削条件，减少砂轮与工件的接触面积，常将砂轮倾斜一个角度如图 。若 ，试分析磨削后的平面形状并计算平面度误差，提出改善加工形状精度的工艺方法。,44,题4：,在铣床上用夹具装夹加工一批轴件上的键槽，如图示。已知铣床工作台面与导轨的平行度误差为0.05/300，夹具两定位V形块夹角 ，交点A的连线与夹具体底面的平行度误差为0.01/150，阶梯轴工件两端轴径尺寸为 ，试分析计算在只考虑上述因素影响时，加工后的键槽底面对 下母线之间的平行度误差，并估算最大值（不考虑两轴颈与 外圆的同轴度误差）。,45,5.2.3 机械加工过程因素的影响与控制,1. 工艺系统受力变形的影响与控制,工艺系统受力,破坏成形运动精度,引起加工误差,加工时工件或夹具变形，加工后产生误差,单爪拨动,，使主轴受力方向改变，瞬时回转中心变动,运动部件自重引起结构件变形且随运动而不断变化,高速运动过程中由于质量不均引起有关环节变形,接触变形造成测量误差,夹紧力,传动力,重力,惯性力,测量力,切削力,力的变化使工艺系统产生复杂变形,46,控制或减少工艺系统受力变形的措施,有效减小切削力,根据变形规律，预置系统的反变形；调刀量调整,恒力测量装置；相对测量，对比抵消变形的影响,减小切削用量,补偿部件变形,恒定测量力,提高系统刚度,有效地提高工艺系统抵抗受力变形的能力,47,（1）工艺系统刚度及其对加工精度的影响, 工艺系统刚度,工艺系统在受力时抵抗变形的能力,工艺系统变形,的特点,在加工误差敏感方向对加工精度影响最大,与受力的大小往往并不呈现线性关系,工艺系统刚度,K,s,：,加工误差敏感方向,上工艺系统受力,F,n,与变形量（或位移量）,n,之比,48, 工艺系统刚度对加工精度的影响,a） 各部刚度不等时在切削力作用下产生的加工误差,车外圆,可推导出,式中,K,H,、,K,T,、,K,B,分别为床头、尾座及刀架部件的实测平均刚度,E,工件材料的弹性模量,I,工件截面惯性矩,49,简 化 公 式,当工件刚度很高时,加工盘类工件时,工艺系统刚度随着受力点在工件轴线方向上的位置不同而变化，使车出的工件在各截面上直径尺寸不同，产生了形状和尺寸误差。,50,b）切削力变化时对加工精度的影响,原因： 切削余量不均，工件材质变化等,结果： 形状误差，尺寸分散,误差复映现象,工件加工前的误差,B,以类似的形式反映到加工后的工件上去，造成加工后的误差,W,。,误差复映系数,式中,C,F,p,工件材料切削条件对背向力,的影响系数,f,进给量,y,F,p,进给量对背向力的影响指数,51,减少误差复映影响的主要措施,多次走刀,提高工艺系统刚度,52,（2） 提高工艺系统刚度的主要措施, 提高工件在加工时的刚度或减小其变形,合理选择工件的加工和装夹方式,薄壁件均匀夹紧；细长件,用跟刀架、中心架，反向进给切削, 提高刀具在加工时的刚度,改善刀具材料、结构； 热处理； 钻套、镗套；,对称刃口抵消切削分力, 提高机床及夹具的刚度,合理设计结构，刚度平衡；尽量减少零件数，提高接合面形状精度，降低表面粗糙度值，减少接触变形；可靠预紧,53,题5,：假设工件刚度极大，且车床床头刚度大于 尾座刚度，试分析图示三种加工情况，各会产生何种形状误差。,54,题6：试分析在车床上加工一批工件的外圆柱面,产生图示三种形状误差的主要原因。,55,2. 工艺系统热变形的影响与控制,热源,内部热源,外部热源,摩擦热 （运动副）,转化热 （电动机，动力能耗）,加工热 （切削热、磨削热）,环境温度 （室温、地基温度）,辐射热 （阳光、取暖设备、人体）,（1）工艺系统的热源,56,（2）工艺系统热变形对加工精度的影响,（特别是精密件、大型件的加工）,机床 破坏原有的冷态几何精度，造成加工误差,工件 冷却后尺寸改变；局部受热不均而变形,刀具 加工过程中热伸长引起加工尺寸变化,精密加工时也要考虑夹具、量具热变形带来的误差,57,（3）控制工艺系统热变形的主要措施,减少热量产生和传入 正确使用刀（磨）具、切（磨）削,用量；及时刃磨或修整刃具；电机,外置、油箱外置；防晒,加强散热能力 高效冷却（喷雾冷却、润滑油,冷冻降温）,均恒温度场 采用热对称和热补偿结构；恒温间；,机床预热,改进设计 有限元分析、结构优化、CAD,精密加工机床的热变形补偿系统,58,3. 工艺系统磨损的影响与控制,（1）工艺系统磨损对加工精度的影响,机床零部件 破坏原有成形运动精度造成工件的形状,和位置误差,夹具 带来装夹误差、对刀导引误差,刀具和磨具 使批生产工件尺寸的分散性增大,造成尺寸和形状误差（大零件、成形刀具加工）,量具 引起测量误差,59,（2） 减少工艺系统磨损的主要措施,合理设计机床结构 静压结构，易损表面防护,提高零部件耐磨性 耐磨材料（合金铸铁、镶钢、贴塑）,热处理， 合理润滑，及时更换已磨损件,正确使用刀具 刀具材料（陶瓷、金刚石），刀具参数,切削用量（尤其是,V,）， 刃口形式（宽刃）,冷却润滑,60,4. 工件残余应力的影响与控制,工件的残余应力： 当外部载荷去除以后，仍残存在工件,内部的应力,（1） 残余应力的产生,机加力和热 表层塑变（晶格扭曲、,拉长、比容增大）,毛坯制造,冷校直 局部塑变,61,（2） 减少或消除残余应力的主要措施,合理设计零件结构,时效处理,自然时效,大件在室外搁置数天、月,小件在车间搁置数小时（粗、精加工之间）,结构对称，壁厚均匀，减小尺寸差,人工时效,铸、锻、焊件在机械加工前的退火、回火,精度稳定性要求高的零件，淬火后进行冰冷处理,振动时效（激振、敲打）,减少加工塑变,减少加工热；精度高的细长工件，不得冷校直,加大余量、多次切削，热校直,62,5.3 加工误差的统计分析,目的：,区分,成批生产,中不同性质的加工误差，确定,系统误差,的,数值和,随机误差,的范围，从而找出造成加工误差的主要因素,以便采取相应的措施，提高零件的加工精度。,系统误差,在相同的工艺条件下加工一批工件，所产生的大小和,方向不变（,常值,），或按加工顺序有规律的变化（,变值,）,的加工误差,随机误差,在相同的工艺条件下加工一批工件，所产生的大小和,方向不同，且无规律变化的加工误差,5.3.1 加工误差的统计性质,63,5.3.2,机械加工误差的分布规律,正态分布,调整法加工时没有某种优势因素的影响,平顶分布,加工过程中有显著的变值系统误差，如刀具磨损,双峰分布,两台机床或两次调整加工，精度不同，调整尺寸,不一致,偏态分布,加工过程受到人为干预，如试切法加工时的保全心理,在显著热变形至达到热平衡期间进行加工,64,5.3.3,加工误差的统计分析方法,统计分析方法,点图分析法,分布曲线法,1 分布曲线法,通过测量一批零件加工后的实际尺寸，做出尺寸分布曲线，,然后按照此曲线来判断该加工方法所产生的加工误差。,一般情况下，调整法加工后的零件,尺寸服从正态分布。其概率密度函数为：,65,3,原则 正态分布的随机变量的分散范围是,3,6,的大小代表了某种加工方法在一定条件下所能达到的精密度,一般情况下，有,正态分布函数为：,令：,则有,表5.1,不同 值的分布曲线,不同 值的正态分布曲线,66,加工实测平均尺寸,常值系统误差,随机误差,对一批零件,实验分布曲线,与,正态分布曲线,相符合,设计要求基本尺寸,任一零件的尺寸可表示为：,x,R,=6,x,s,x,M,T,x,min,x,max,i,x,i,y,67,分布曲线的用途,分析系统误差的大小和方向,分析随机误差因素对加工精度,的影响,分析各尺寸范围内零件的百,分比, 分析减少废品率的有效方法, 预估产生废品的可能性, 分析工序能力等级,查表5.2,68, 分析系统误差的大小和方向,分析随机误差因素对加工精度的影响,分析各尺寸范围内零件的百分比,分析减少废品率的有效方法,预估产生废品的可能性,例：,加工一批,20,0.01,mm 小轴，加工后实测平均尺寸为,20,.005,mm，,属正态分布,=0.0025 mm， 试分析其加工误差情况。,R,=6,x,M,x,y,x,s,T,x,解:,画出尺寸分布图,分析工序能力系数,s/2=0.0025 mm,轴平均尺寸偏大，,s=0.005 mm,R,= 6, = 0.015 mm,由,6, T,，,则必有废品,虽本题,6, T,，,但由于,s 存在，仍有废品率。,由,x,/,=2，,查表得,A=0.4772,。 故本序加工的,废品率：,0.5-0.4772=2.28%,从尺寸分布情况看，这些废品为可修复废品。,工序能力足够（表,5.2）,消除系统误差，,s = 0，则无废品。 进刀,69,2. 点图分析法,（1）单值点图,在一批零件的加工过程中，依次测量每个零件的加工尺寸，并记入以顺次加工的零件号为横坐标、零件加工尺寸为纵坐标的图表中，便构成了单值点图。,由图例可见，,刀具磨损引起轴颈加工尺寸的变值系统误差；,尺寸分布近似为平顶分布，实际上随机误差,采用单值点图分析，可把变值系统误差和随机误差区分开，便于通过误差补偿的方法，消除各种系统误差，使加工精度得到提高。,70,（2）,图,点图反映工艺过程质量指标分布中心（变值系统误差）变化,点图则反映工艺过程质量指标分散范围（随机误差）的变化,两个点图必须联合使用,例：,71,保证和提高机械加工精度的主要途径,（1） 减少或消除原始误差,提高机床成形运动精度和刚度,提高夹具的制造、安装精度，减少装夹误差和对定误差,提高工件加工时的刚度，减少受力变形 （反向切削）,减少精密件加工时的热影响，平衡热变形,72,（2）补偿或抵消原始误差,补偿人为制造反向误差,抵消移位法加工,（3）转移原始误差,将误差转移到不敏感方向 转移原始误差对加工的影响,73,（4）分化或均化原始误差,分化分组加工，以利于调刀,均化研磨,74,题7：,加工一批小轴，其直径要求为 ，加工后尺寸接近正态分布，测量得一批工件直径尺寸的算术平均值 ，均方根差 。试计算不合格品率，并分析不合格品产生的可能原因，指出减少不合格品的措施。,可解得：,不合格品率为,16.49%,可能原因及相应措施：,对刀不准,需准确调刀,消除系统误差；减少不可修复废品,2.,工序能力差,需减小,改善工艺条件,提示：,75,5.4 机械加工表面质量的影响因素及其控制,由前已知：,表面（微观）形貌,表面层物理机械,性能（ 加工变质层）,机械加工表面质量,表面粗糙度,表面波纹度,塑性变形引起的冷作硬化,切（磨）削热引起的金相组织变化,力（热）产生的残余应力,轮廓算术平均偏差,R,a,微观不平度10点高度,R,z,直线波纹度平均波幅,W,z,圆周波纹度平均波幅,W,z,76,5.4.1 切削加工表面的形成过程,切削层金属经过第、变形区后形成了切屑，经过第变形区则形成了已加工表面。,分流点,O,以下的金属经严重的,挤压摩擦产生塑变,，脱离后刀面后，因深处基体的的弹性变形产生弹性恢复,h,，并留在加工表面上。,刀具刃口钝圆半径,r,n,后刀面磨损宽度,VB,使第区变形复杂化,在,VB,和,CD,段与后刀面接触而使,塑变加剧,，甚至可引起表层的非晶质化、纤维化及加工硬化。,77,5.4.2 机械加工表面粗糙度,及其降低的工艺措施,一、切削加工,刀具,操作者,环境,冷却润滑,工件,机床,夹具,切削用量,材料,表面粗糙度,几何角度,安装情况,材料,组织,刚性,精度,刚性,精度,功率,运动平稳性,刚性,切削速度,进给量,背吃刀量,种类,用量,供给方式,质量,振动,温度,技术水平,精神状态,78,H,H,理论粗糙度,（1）切削加工表面粗糙度的成因,79,积屑瘤的影响,积屑瘤对表面质量的影响,h,D,过切量造成深浅、宽窄不均的犁沟，增大了表面粗糙度,积屑瘤周期性生成与脱落,碎片镶嵌在已加工表面上，影响工件的表面质量,高硬度积屑瘤脱落,造成刀具的粘结磨损，增大了加工表面粗糙度,80,鳞刺的影响,切削加工表面在切削速度方向产生的鱼鳞片状毛刺,其特点是晶粒与基体材料的晶粒相互交错，无分界线,鳞刺的产生条件,刀具材料,高速钢、硬质合金、陶瓷刀具,工件材料,低（中）碳钢、铬钢、不锈钢、铝合金、紫铜,等塑性金属,切削条件,切削速度,v,c,中等，甚至很低,时,鳞刺对表面质量的影响,增大了表面粗糙度值，成为塑性金属材料精加工的一大障碍,81,切削机理的变化,单元切屑周期性断裂向切削表面以下深入，在加工表面上留下,挤裂,痕迹波浪形,崩碎,切屑形成过程中，从主切削刃处开始的裂纹在接近主应力方向斜着向下延伸，发生断裂，造成加工表面的凸凹不平,切削刃两侧的工件材料被挤压后因没有侧面的约束力而产生,隆起,，也会使表面粗糙度值加大,82,切削颤振,机床主轴回转精度不高、导轨形状误差引起的运动机构跳动，材料不均匀及切屑不连续等造成切削力波动，均会使刀具与工件间的相对位置产生变化，从而使切削厚度、宽度发生变化。,这些变化的不稳定因素会引起加工系统的自激振动，使相对位置变化的振幅加大，导致背吃刀量变化，造成表面粗糙度值加大。,切削刃损坏及,刀具边界磨损,83,（2）切削加工表面粗糙度的控制,改善工件材料的切削性能,调质后加工，降低塑性，提高硬度，可抑制积屑瘤和鳞刺,选择合理的切削速度，避开积屑瘤生长区,减少,f,，减小R,max,，避免刀屑粘结，抑制积屑瘤和鳞刺生长,采用有效的冷却润滑液，减小摩擦，抑制积屑瘤和鳞刺生长,避免工艺系统的振动,工件方面,切削条件,刀具方面,合理选择刀具角度，适当减小,r,、,r,或增大,r,，以减小R,max,增大,，使塑性变形减小，以利于抑制积屑瘤和鳞刺,采用宽刃刀具，或带直线修光刃的刀具,提高刃磨质量，减小刀面粗糙度，磨损超值要及时换刀,减小刀具和工件之间的摩擦系数，控制粘结、积屑瘤、鳞刺,84,二、磨削加工,适当加大砂轮粒度号，增大砂轮单位面积的砂粒数,m,适当提高砂轮速度,v,c,或,降低工件速度,v,w,，即,增大,v,c,/,v,w,比值，减少塑变,合理使用直径较大的砂轮（加大,R,t,）,加大砂轮宽度,B,，,减小轴向进给量,f,a,，使,B,/,f,a,比值增大,减小径向进给量,f,r,或磨削深度,a,p,（,甚至无进给光磨）,提高砂轮修整质量，保持 锋利度和微刃口等高性,金刚石砂轮电解在线修锐,ELID (,EL,ectrolytic,I,n-process,D,ressing ),选择合适的砂轮硬度、磨削液及其浇注方法,减小磨削表面粗糙度值的措施,85,三、超精研、研磨、珩磨及抛光,加工用参数为压强,，不是磨削背吃刀量（磨削深度）,自为基准加工,，主要是降低表面粗糙度，很难提高加工精度；只有用精密定型研磨工具时，才能提高工件的形状精度；不需要机床有非常精确的成形运动；,加工余量是前序公差的几分之一,，原理上讲只要等于上序的,R,z,特点：,超精研,影响加工表面粗糙度的因素,主要是,磨条压强和切削角，,还有,磨条的振频、振幅，工作速度，磨条粒度，磨条纵向进给量，冷却液等。,加工表面粗糙度可达R,z,0.05,86,研磨,湿式研 加研磨剂（磨粒加煤油、机,油、油酸等），以滚动切削,为主，,Rz 0.1,干式研 磨粒固定在研具上，滑,动切削，,Rz 0.05,抛光研 湿式研后进行。磨粒硬度低，,细小，加上研磨剂的化学作,用，可使表面粗糙度进一步,降低,87,主要用于加工内孔表面，可达,Rz 0.43.2,，甚至,Rz 0.1,珩磨,也可用于外圆表面的加工,88,用软研具打光已精加工过的表面，去除前序留下的痕迹；或为获得光亮美观的表面，提高疲劳强度。,机械抛光,用帆布、毛毡或皮带，加入磨料（氧化铬、,氧化铁等）也可用配制的抛光研磨膏，在打,磨过程中去除金属层,液体抛光,用含磨料的磨削液高速喷磨，击平凸峰,抛光,此外，还有电解抛光、化学抛光等非传统加工方法。,89,5.4.3 加工表面变质层,1.,冷作硬化,（1）冷作硬化的产生及其影响,冷作硬化是经过切削或磨削加工所造成的表面硬化现象。,经过上述几次变形，使得金属晶格发生扭曲，晶粒被拉长、破碎，使位错运动困难，阻碍了金属的进一步塑变，而使金属强化，硬度显著提高。,加工时切削层及其以下层的金属塑性变形,受刀具刃口钝圆的挤压产生附加塑性变形,基体材料的弹性恢复，使已加工表面与刀,具后刀面接触摩擦而再次产生变形,受力变形,冷作硬化使表面的耐磨性提高，脆性增加，冲击韧性降低，也给后续加工带来困难，增加刀具磨损，减少刀具寿命。,90,切削温度的影响,当切削温度低于相变点时，表层将被弱化，,硬度将降低；若温度高于时将产生相变。,加工表面的硬度将是这些强化、弱化及相变综合作用的结果：,当塑性变形为主时，表面要产生硬化；,当切削温度起主导作用时，要由相变情况而定。,加工硬化通常用硬化程度,H,和硬化层深度,h,d,来衡量:,硬化程度 ,H,为,式中,H,0,基体的显微硬度,，HV,H,硬化层显微硬度，,HV,硬化层深度,h,d,是指加工硬化层深入基体的距离，以,m,计 表,5.4,91,（2）影响加工硬化的因素及控制措施,材料硬度越低，塑性增大， ,H,和,h,d,越大,使用性能好的切削液，可改善工件的切削加工性,工件方面,切削条件,刀具方面,选择较大的,，,减少切削变形，使,H,和,h,d,均减小,选择较大的,，减少后刀面的摩擦，使加工硬化减小,减小刃口钝圆半径,r,n,，减小挤压摩擦，使硬化层深度减小,适当控制后刀面磨损VB,提高刃磨质量，减小硬化,合理选择切削用量，可减轻加工硬化,选较高的切削速度,v,c,和较小的,f,切削深度的影响不大,92,残余应力,（,1,）机械加工中残余应力的产生,局部高温塑性变形 使表层产生残余,拉应力,，,严重时出现裂纹,局部冷态塑性变形 切削时，表层产生拉伸冷,态塑变形，将使表层产生,残余,拉应力,；反之，产生,残余,压应力,局部金相组织变化 马氏体转变为其它组织，表,层体积欲减小，受到基体拉,伸，产生残余,拉应力,93,由正变为负时，可使表层残余拉应力逐渐减小；,前角为较大负值且切削用量合适时，可得残余压应力,VB,值增大，切削温度升高，使加工表面呈残余拉应力，同时使残余拉应力层深度加大,塑性越大，切削加工后产生的残余拉应力越大,脆性材料的加工表面易产生残余压应力,v,c,增大，热应力为主，使残余应力增大，但深度减小,f,增加，残余拉应力增大，但压应力将向里层移动,p,对残余应力的影响不显著,（2）影响残余应力的因素及控制措施,刀具前角,0,刀具后刀面磨损,工件材料,切削条件,94,3. 磨削烧伤与裂纹及其控制措施,磨削工件时，当工件表面层温度达到或超过金属材料的相变温度时，表层金属材料的金相组织将发生变化，表层显微硬度也相应变化，并伴随有残余应力产生，甚至出现微裂纹，同时出现彩色氧化膜，这种现象称磨削烧伤。,（1）磨削烧伤,95,马氏体转变温度 , 相变温度时急冷，表层出现二次淬火，硬度提高；内层产生过回火组织，硬度降低,未用磨削液，, 相变温度时慢冷，出现退火，硬度降低,96,磨削的高温在工件表面层引起热应力和金相组织相变带来的体积应力，且多呈现为,残余拉应力,。,如果这种拉应力超过了工件材料的抗拉强度极限时，工件磨削表面就会产生裂纹磨削裂纹。,（2）磨削裂纹,磨削淬火钢、渗碳钢及硬质合金工件时，常常在垂直于磨削的方向上产生微小龟裂，严重时发展成,龟壳状微裂纹,。有的裂纹不在工件的外表面，而是在表面层下，用肉眼根本无法发现。,97,在零件的制造过程中，一方面要设法避免裂纹的产生，另一方面要采用适宜的检验方法来检查工件的表面质量。,磨削裂纹的方向常与磨削方向垂直或呈网状，并且与烧伤同时出现。,磨削裂纹降低零件疲劳强度，甚至早期出现低应力脆性断裂。,98,（3）减轻磨削烧伤、裂纹的途径,减少热量的产生,加速热量的传出,选择合理的磨削用量,减小磨削深度,a,p,，直至进行无进给光磨,增大进给量,f,，减少砂轮和工件表面的接触时间,以免升温。为保证加工表面粗糙度，可用宽砂轮。,增加工件速度,v,w,，减少接触时间，使传到工件上的热量相对减少。为防止表面粗糙度增大，可同时增加砂轮速度,v,c,高速磨削，且可有效地避免磨削烧伤。,99, 提高冷却效果,采用高压大流量法 提高冷却、冲洗效果,安装带空气挡板的喷嘴 使磨削液顺利喷注到磨削区,采用磨削液雾化法或内冷却法 进一步增强冷却效果,100, 正确选用砂轮,正确选用磨料、结合剂、粒度、硬度与组织等,开槽砂轮, 选用新结构和新工艺,改进砂轮修整工艺,101,4. 表面强化工艺,利用表面层的冷作硬化和残余压应力，提高零件的抗疲劳强度和使用寿命。,涨孔,滚柱滚压,单滚珠滚压,钢球挤压,多滚珠滚压,喷丸,102,5.5 机械加工过程中的振动及控制,机械加工中的,振动类型,自由振动,5%,强迫振动,30%,自激振动,65%,5.5.1 概述,切削力突变（切入时），外力冲击,受周期干扰力（地基、电机、齿轮啮合、回转件不平衡、多刃多齿刀具）,系统自身引起的交变切削力作用，加强和维持了自身振动,103,振动的危害,表面质量下降 （振纹）,降低机床、夹具、刀具寿命 （联接松动，崩刃、,磨损）,限制生产率的提高 （切削用量不能提高）,环境污染 （噪音）,104,超精密车床,实现了镜面加工,扫描隧道显微技术,（Scanning Tunnel Microscope , STM）,实现了原子搬迁,需要精密的隔振环境,105,4,3,2,1,7,6,5,金刚石刀具研磨装置示意图,The lapping setup for diamond tool,1：空气隔振垫 2：电机 3：空气静压轴承 4：配重 5：装夹系统,6：单晶金刚石 7：高磷铸铁研磨盘,金刚石刀具研磨技术,106,隔振前金刚石刀具前刀面AFM形貌,The rake face AFM topography of lapped diamond tool without air vibration isolators,a）水平方向,b）垂直方向,隔振前机床正常工作的振动情况,The amplitude and frequency of lapping machine without air vibration isolators,残留在前刀面的研磨痕迹明显，都为纳米尺度的塑性沟槽，表面波纹度相对较大，其表面粗糙度值为 Ra 2.4 nm,水平方向振幅为43.4,m,垂直方向振幅为184.6,m,隔振前,107,a）水平方向,隔振后机床正常工作的振动情况,The amplitude and frequency of lapping machine with air vibration isolators,b）垂直方向,隔振后金刚石刀具前刀面AFM形貌,The rake face AFM topography of lapped diamond tool with air vibration isolators,研磨后残留在前刀面的塑性沟槽已模糊不清，表面相对比较平整，其表面粗糙度值为,Ra 1.0 nm,水平方向振幅为25.7,m,垂直方向振幅为108.8,m,隔振后,108,强迫振源,机外振源 通过地基传给工艺系统,机内振源,电机振动（转子、磁力不平衡）,回转零件不平衡（卡盘、砂轮、刀盘、工件等）,传动件振动 （齿轮啮合、皮带接头、轴承误差）,往复件惯性力（牛头刨床滑枕的运动）,切削冲击（断续切削、带槽工件、材料不均）,5.5.2,强迫振动及控制,109,查找振源的方法,工件表面振纹,振动信号分析,车回转零件,刨平面零件,频谱分析,其中：,f,振动频率， Hz,n,主轴转数， rpm,m,振纹数，个,v,切削速度， m/min,l,振纹波长， mm,110,消除与控制强迫振动的措施,减小或消除,振源激振力,减小冲击切削振动,改变机床转速,增加刀具齿数,减小切削力（用量选择）,刀具设计（不等齿距端铣）,回转件动平衡,采用隔振装置吸收振源能量，隔离或减少外界振动对加工的干扰,提高工艺系统刚度，增加系统阻尼，使系统固有频率避开共振区,采用减振器和阻尼器，消耗振动能量,111,5.5.3,自激振动及其控制,因切削过程中交变切削力所产生的自激振动频率较高，通常又称颤振。它严重地影响机械加工表面质量和生产率。,（1）再生自激振动机理,切削过程中的偶然干扰使加工系统产生了振动，并在加工表面上留下振纹。当第二次走刀时，刀具就将在有振纹的表面上切削，使得切削厚度发生变化，导致切削力作周期性地变化，这种效应称,再生效应,。由此产生的自激振动称,再生自激振动,。,能量抵消,能量抵消,消耗能量,获得能量,振动,112,（2）振型耦合自激振动机理,实际生产中，机械加工系统一般是具有不同刚度和阻尼的弹簧系统，具有不同方向性的各弹簧系统复合在一起，满足一定的组合条件就会产生自激振动，这种复合在一起的自激振动机理称振型耦合自激振动机理。,车床刀架振动系统,刀尖沿椭圆轨迹,abcd,作顺时针方向运动时，因,x,1,为低刚度主轴，且位于切削力,F,与法向,X,的夹角,之内，切入半周期内（,abc,）的平均切削厚度比切出半周期（,cda,）的小，系统有能量获得，使振动得以维持。,k,1,=,k,2,无振动,k,1,k,2,无振动,k,1,铸铁,钢,铸铁 加 薄壁封砂,结合面摩擦阻尼 活动面：调整间隙，施加预紧,固定面：加工方法，表面粗糙度,120, 采用阻尼减振装置,）利用摩擦阻尼消耗振动能量,（摩擦减振器）,121,）,利用附加质量随系统振动平衡干扰力以减振,（动力减振器）,122,