[精选]汽车制造工艺学722994

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,7,章机械加工质量分析,1,2,3,3,7. 1,机械加工质量的基本概念,7. 2,工艺系统几何误差与控制,7. 3,工艺系统受力变形误差及其控制,返回,3,4,7. 4,工艺系统热变形误差与控制,3,5,7.,5,影响表面质量的因素及其控制,7. 1,机械加工质量的基本概念,汽车产品制造质量包括零件制造质量和装配质量两方面内容，零件机械加工质量是保证产品质量的基础。机械加工质量包括加工几何精度与表面加工质量。加工几何精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。表面质量包括表面几何形状精度和缺陷层等，如,图,7,一,1,所示,零件加工精度是指零件实际几何参数与设计几何参数的接近程度。加工误差是指零件实际几何参数与偏离设计几何参数的数值大小。加工精度用公差等级衡量，其等级数越低则精度越高。加工误差用数值表示，误差值越大则精度越低。,一般情况下，零件加工精度越高时，加工成本相对越高，生产效率则越低。,加工精度包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度。三者关系如下,:,表面形状误差二尺寸公差伊,(,30% 50%),表面位置误差“尺寸公差,x ( 65%,一,85 % ),。由此可知，形状公差应该限制在位置公差之内,;,位置公差应限制在尺寸公差之内。尺寸精度越高时，形状和位置精度越高。,下一页,返回,7. 1,机械加工质量的基本概念,表面质量指零件表面的几何特征和表面层的物理、力学性能。表面的几何特征包括表面粗糙度和波度。物理力学性能包括塑性变形、组织变化和表层金属中的残余内应力。,1.,加工表面几何形状,机械加工后的表面几何形状总是以“峰”“谷”交替形式出现。,表面粗糙度是指加工表面的微观几何形状误差。国家标准规定,:,表面粗糙度用在一定长度内,(,称为基本长度,),轮廓的算术平均偏差值,Ra,或轮廓最大高度,R:,作为评定指标。,表面波度是介于宏观几何形状与微观几何形状误差之间的周期性几何形状误差。,LlH =50,-,1 000,，则称为表面波度。表面波度通常是由加工过程中工艺系统的低频振动所引起的。,上一页,下一页,返回,7. 1机械加工质量的基本概念,2.加工表面层物理力学性能变化,材料的表面层在加工时会产生物理、力学和化学性质的变化，常常在最外层生成氧化膜或其他化合物并吸收、渗进气体粒子，此称之为吸附层。,在加工过程中由切削力造成的材料表面为压缩区，将形成塑性变形区域，厚度约在几十至几百微米之内，并随加工方法的不同而改变。压缩区上部为纤维层，由被加工材料与刀具间的摩擦所造成。另外，切削热也会使材料表层产生如同淬火、回火一样的相变以及晶粒大小的改变等。,上一页,下一页,返回,7. 1机械加工质量的基本概念,表面层的物理力学性能不同于基体，其主要表现为以下三方面,:,(1)表层发生冷作硬化,其表层产生冷作硬化的原因在于工件在机械加工过程中，表层受力产生塑性变形，使其内部晶体发生剪切滑移，晶格扭曲、晶粒拉长或破碎甚至纤维化，使表层材料的强度和硬度提高，这种现象称为表面冷作硬化。,(2)表层形成残余应力,在切削特别是在磨削加工中，由于切削变形和切削热的影响，导致材料表层与内部基体材料间因热胀冷缩不同而处于相互牵制、平衡的弹性应力状态，从而形成残余应力。,(3)表层金相组织的可能变化,在机械加工特别是磨削加工中，由于切削热的集中，使得材料表面产生高温，促使其发生不同程度的金相组织和性能改变。,上一页,下一页,返回,7. 1机械加工质量的基本概念,工件、刀具、机床和夹具四要素组成了机械加工工艺系统。机械加工工艺系统中产生的误差称为原始误差。工艺系统误差来源于机械制造系统。机械制造系统的组成包括施行方法、机械实体和切削过程三大部分。,1.按时间顺序产生的原始误差,(1)加工前误差,加工前误差包括原理误差、加工误差(装夹误差、调整误差)、机床误差、工装误差和毛坯误差。,上一页,下一页,返回,7. 1机械加工质量的基本概念,(2)加工过程误差,加工过程误差包括工艺系统受力变形误差、工艺系统热变形误差和刀具磨损误差。,(3)加工后误差,加工后误差包括内应力变形和测量误差。,2.按影响因素分类的工艺系统误差,工艺系统几何误差。,工艺系统受力变形误差。,工艺系统热变形误差。,下节按以上三个方面，逐一展开分析讨论工艺系统的误差以及应该采取的对应措施,上一页,返回,7. 2工艺系统几何误差与控制,加工原理误差是指采用近似成形运动或近似刀刃轮廓进行加工而产生的误差。实际上绝大多数加工均采用近似成形运动与近似刀刃轮廓。如,图,7 -2,所示，滚刀滚切渐开线齿面时的齿形误差就是加工原理误差，这是因为滚刀是由有限个非光滑渐开线切削刃所包络而形成的近似刀刃轮廓。用三坐标数控铣床加工复杂曲面时，采用的也是近似刀具轮廓，其所形成的误差亦属于加工原理误差。,采用近似成形运动或近似刀刃轮廓的好处是能够简化机床结构或刀具形状，提高生产效率。当加工误差不超过10%一15%公差值时，一般可满足生产要求。有时因机床结构或刀具形状的简化可使近似加工的精度比使用准确切削刃轮廓及准确成形运动进行加工所得到的精度还要高。因此，在生产中，存在一定加工原理误差的加工方法仍在广泛使用。,下一页,返回,7. 2工艺系统几何误差与控制,在零件加工的每一道工序中对机床、夹具和刀具进行调整，,1.试切调整法,试切调整法的工作顺序是:寸一比较，按差值重复上述过程,切削整个表面，如,图7一3,所示。,2.按定程机构调整，为了获得被加工表面的合格形状、尺寸和位置精度，必须但采用任何调整方法及使用任何调整工具都难免带来一些原始误差，这就是调整误差。,初调刀具位置一试切一测量尺，当达到所要求的尺寸后，再定程机构包括行程挡块、靠模和凸轮等;调整块备有限位块、对刀块限位块可保证工件定位准确和刀具位移准确;用对刀块对刀调整，将使刀具与工件处于相对理想位置，如,图7 -4,所示。钻套也属于一种限位块，钻套可确定钻头的位置，如,图7一5,所示,上一页,下一页,返回,7. 2工艺系统几何误差与控制,3.按样件或样板调整,在大批大量生产中常采用多刀加工，往往通过样件来调整切削刃间的相对位置。,4.在线调整,在线调整实际上包括在线测量工件尺寸并及时调整刀具进给量。这种方法适用于高精度零件加工。测量、调整和切削等机构可以综合为相互联系、协调的自动化系统，如,图7 -6所,示。,必须指出，采用任何调整方法及使用任何调整工具都难免带来一些原始误差。比如，用试切法调整会存在测量误差、进给机构的位移误差以及受到最小极限切削厚度的影响;用调整法调整将必然存在定程机构误差，样板或样件调整时的样板或样件的误差等。,表7一1,集中了调整误差来源及形成因素,上一页,下一页,返回,7. 2工艺系统几何误差与控制,7. 2. 3主轴回转误差,1.主轴误差分解,机床主轴回转运动误差，即主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移，如,图7 -7,所示其误差形式可以分解为径向跳动、轴向窜动和角度摆动三种，如,图7一8,所示,实际上，主轴回转误差的三种基本形式一般将同时存在。,2.主轴误差原因,产生主轴径向误差的原因主要来自主轴误差和轴承误差。主轴误差包括主轴径的圆度误差和同轴度误差。轴承误差主要指轴承孔的圆度误差。,上一页,下一页,返回,7. 2,工艺系统几何误差与控制,当主轴采用滑动轴承支承时，主轴轴径和轴承孔双方的圆度误差将对主轴回转精度产生直接影响。对于工件回转类机床，在切削力,F,作用下主轴会出现径向偏移，其将以不同的部位和轴承内孔某一部位相接触。此时主轴形状误差突出为影响回转精度的主要因素，而轴承内孔的圆度误差对主轴回转精度却没有任何影响。,图,图,7 -9,(,a),所示为车床主轴不圆度影响回转精度的情况，,图,7 -9,(,a),中戈为径向跳动量。,对于刀具回转类机床，切削力的方向随主轴回转而变化，主轴轴径以某一固定位置与轴承孔的不同位置相接触。这时，轴承孔的形状精度突出为影响回转精度的主要因素。图,7 -9 (b),表示锁床轴承孔不圆度影响回转精度的情况。,另外，主轴可能会出现轴向窜动，其主要是由主轴承载轴肩与轴线的垂直度误差所引起的。,上一页,下一页,返回,7. 2工艺系统几何误差与控制,3.主轴回转误差的影响,在分析主轴回转误差对加工精度的影响时，首先要注意到主轴回转误差在不同方向上的影响是不同的。分析主轴回转误差对加工精度的影响时，应着重分析误差敏感方向的影响。,各种原始误差的大小和方向各不相同。因此，不同方向的原始误差对加工精度的影响互不相同。当原始误差与加工精度两者方向一致时，原始误差对加工精度的影响最大，两者一致的方向称为敏感方向，而敏感方向险哈是切削平面的法线方向。在敏感方向上，原始误差将以1: 1的比例转变成加工误差。,上一页,下一页,返回,7. 2,工艺系统几何误差与控制,在除敏感方向以外的其他方向上，原始误差的影响都将不同程度地减小。以卧式车床上车外圆为例，如,图,7,一,10,所示，当存在某种原始误差而使车刀在水平方向偏离正确位置,R,时，在工件直径方向所产生的加工误差应为,:,当车刀在垂直方向偏离正确位置,y,时，由,图,7,一,11,中三角形可知,:,展开后略去二阶微量,(OR),2,，则在工件直径方向产生的,加工误差为,:,上一页,下一页,返回,7. 2工艺系统几何误差与控制,敏感方向随机床类型而异，因此，敏感方向可分为固定和变化两种类型。如在车床上加工，因刀具固定，使得切削平面固定不变，此为敏感方向固定情况。而在锁床上加工，因锁刀回转，切削平面旋转，故敏感方向为变化型，从而对这类机床的主轴回转精度要求更高。,表7 -2,列出了常用机床的敏感方向。实际上，各类机床主轴回转误差对加工精度影响的结果是:机床主轴径向跳动会使工件,产生圆度误差若锁孔时锁杆做水平简谐运动，则锁刀轨迹就是椭圆，如,图7 -12,所示 主轴轴向窜动会形成下列误差:加工端平面时，会造成被加工平面与圆柱面不垂直;加工螺纹时，会产生小周期螺距误差。,在锁床上锁孔时，锁杆角度摆动会锁削出椭圆柱面来,上一页,下一页,返回,7. 2工艺系统几何误差与控制,4.提高主轴精度措施,根据前面分析，首先要求主轴前轴承选用精度、刚度较高的轴承，并对滚动轴承进行预紧。当采用滑动轴承时，则应采用静压轴承。其次是提高主轴箱体支承孔、主轴轴颈等与轴承配合相关表面的加工精度。再者，为了使主轴回转误差不影响工件，还可采取一些相应措施，如采用死顶尖磨削外圆，只要保证定位中心孔的形状与位置精度，即可加工出高精度的外圆柱面,上一页,下一页,返回,7. 2,工艺系统几何误差与控制,7. 2. 4,机床导轨误差,机床导轨副是实现导轨直线运动的主要部件，其制造和装配精度是影响轨迹直线运动精度的主要因素。导轨误差会对零件的加工精度产生直接影响。如,图,7,一,13,所示，车床导轨,见图,7,一,13 (a),水平误差,y,将使工件,见图,7,一,13 (b),出现半径误差,R,。当磨削长外圆柱表面时，磨床导轨将引起工件的圆柱度误差。,导轨在垂直面内直线度误差对加工精度的影响。导轨在垂直方向上的,误差将使平面磨床、龙门刨床、铣床等产生法向位移，其误差直接反映到工件的加工表面,(,误差敏感方向,),上体现为水平面上,的形状误差。导轨在垂直面内直线度误差对车床影响较小。,从,图,7,一,14,可看出，当导轨在垂直面内直线度存在误差,:,时，反映到工件半径方向上的误差为,R,，而反映出的加工误差则可以忽略不计。根据关系式,:,上一页,下一页,返回,7. 2,工艺系统几何误差与控制,所以此值完全可以忽略不计。,机床导轨面间平行度误差的影响。如,图,7,一,15,所示，车床两导轨的平行度产生误差,(,扭曲,),，使鞍座出现横向倾斜，刀具相应发生位移，因而引起工件形状误差。由图,7,一,15,可知,:,机床导轨对主轴轴心线平行度误差的影响。当在车床类或磨床类机床上加工工件时，如果导轨与主轴轴心线不平行，则会引起工件的几何形状误差。例如车床导轨与主轴轴心线在水平面内不平行，会使工件的外圆柱表面产生锥度,;,在垂直面内不平行时，会使工件加工成马鞍形。,上一页,下一页,返回,7. 2,工艺系统几何误差与控制,7. 2. 5,机床传动误差,对于某些加工方法，为保证工件的精度，要求工件和刀具间必须保持准确的传动关系。如车削螺纹时，要求工件旋转一周，刀具直线移动一个导程。机床传动时必须保持,持,S = iT,为恒值。其中，,S,为工件导程，,T,为丝杠导程，,i,为齿轮传动比。所以车床丝杠导程和各齿轮的制造误差都必将引起工件螺纹导程的误差。为了减少机床传动误差对加工精度的影响，可以采用如下措施。,1.,减少传动链中的环节，缩短传动链,因为传动链的传动误差等于组成传动链各传动件传递误差之和。例如在车床上加工较高精度螺纹时，不经过进给箱，而用交换齿轮直接传动给丝杠，以缩短传动链长度，减少传动链的传动误差。,上一页,下一页,返回,7. 2工艺系统几何误差与控制,2.采用降速传动链,由前面分析可知，传动比小，传动元件误差对传动精度的影响就小，而传动链末端传动元件的误差对传动精度影响最大。因此，采用降速传动是保证传动精度的重要原则。对于螺纹或丝杠加工机床，为保证降速传动，机床传动丝杠的导程应大于工件螺纹导程。对于齿轮加工机床，分度蜗轮的齿数一般很大，其,目的是得到大的降速传动比。,3.提高传动副特别是末端传动副的制造和装配精度，消除传动间隙传动链中各传动件的加工、装配误差对传动精度均有影响，其中最后的传动件的误差影响最大。如滚齿机上切出的齿轮的齿距误差及,齿距累积误差大部分是由分度蜗轮副引起的。所以滚齿机上分度蜗轮副的精度等级应比被加工的齿轮精度高1一2级。,4.采用误差补偿,在采用误差补偿时，先用测量仪器测出传动误差，然后根据该测量值在原传动链中人为地,加入一个误差，其大小与传动链本身的误差相等而方向相反，使之相互抵消。该方法称为误差补偿。,图,7一16,所示为精密丝杠螺距误差补偿装置,上一页,下一页,返回,7. 2工艺系统几何误差与控制,7. 2. 6刀具几何误差,刀具误差包括刀具的制造、磨损和安装误差等。机械加工中常用的刀具有一般刀具、定尺寸刀具和成形刀具。一般刀具如普通车刀、单刃锁刀、平面铣刀等的制造误差，对加工精度没有直接影响。但当刀具与工件的相对位置调整好以后，在加工过程中，刀具的磨损将会增加加工误差。定尺寸刀具如钻头、铰刀、拉刀、槽铣刀等的制造误差及磨损误差，均直接影响工件的加工尺寸精度。成形刀具，如成形车刀、成形铣刀、齿轮刀具等的制造和磨损误差，主要影响被加工工件的形状精度。,7. 2. 7夹具几何误差,夹具误差主要是指定位误差、夹紧误差、夹具安装误差、对刀误差以及夹具的磨损等。,上一页,下一页,返回,7. 2工艺系统几何误差与控制,7. 2. 8测量误差,测量结果与被测真值之差，称为测量误差。测量误差来源于测量方法和测量装置误差也会因温度、湿度、气压、振动、照明、尘埃与电磁场等环境变化而引起。工件在加工中进行的测量和加工后的测量，总会产生测量误差。 为了减少测量误差，提高检验效率，降低工人的技术要求，,在汽车生产中大量采用专用量具、检具来测量零件。如图7一17所示的光滑极限量规即为一种专用量具。专用量具和检具是针对具体零件尺寸而制造的，大多数只用来判断零件是否合格而实际不反映真值。只有某些特殊需要的专用量具和检具，需要通过专业设计和制造来反映真值。专用量具、检具包括光滑极限量规、高度和深度量规、圆锥规、花键规、样板及综合检验夹具等。,上一页,返回,7. 3工艺系统受力变形误差及其控制,7. 3. 1概述,由机床、夹具、刀具、工件组成的工艺系统，受切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力等的作用，会相应因各种力的作用而产生变形。这种变形将破坏工艺系统各组元间已调整好的正确位置关系，从而形成加工误差之 例如，车削细长轴时，工件在切削力作用下会发,生弯曲变形，使之加工后产生腰鼓形的圆柱度误差，如,图7一18,(a)所示;又如，在内圆磨床上用横向切人磨孔时，由于磨头主轴弯曲变形，使得所磨出的孔会出现带有锥度的圆柱度误差，如图7一18 (b) 所示。,从材料力学中得知，任何一个物体在受力后总要产生一定的变形，人们常把作用力F与其引起在作用力方向上的变形量Y的比值，称为物体的刚度k下面我们就来讨论工艺系统受力变形对误差的影响与控制。,下一页,返回,7. 3工艺系统受力变形误差及其控制,7. 3. 2对工艺系统刚度的认识,机械加工工艺系统是一个弹性系统。弹性系统在外力作用下产生的变形位移的大小取决于外力大小和系统抵抗外力的能力。工艺系统抵抗外力使其变形的能力称为工艺系统的刚度。工艺系统的刚度用切削力和在该力方向上所引起的刀具与工件间相对变形位移的比值来表示。由于切削力有三个分力，在切削加工中对加工精度影响最大的是刀刃沿加工表面的法线方向(Y方向上)的分力，因此，计算工艺系统刚度时，通常只考虑此方向上的切削分力Fv和变形位移量yk=FYy,即(7一4),上一页,下一页,返回,7. 3工艺系统受力变形误差及其控制,1.车床刀架刚度变形曲线,众所周知，机床部件由许多零件组成。机床部件的刚度，即其抵抗外力使其变形的能力，迄今尚无合适的简易计算方法，主要用实验方法来测定。,图7一19,所示为车床刀架刚度变形曲线。分析图7一19中实验曲线，可以总结出机床刀架刚度具有以下特点:,变形与载荷不成线性关系。,加载曲线和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线。两曲线间所包容的面积就是加载和卸载循环中所损耗的能量。该能量消耗于摩擦力所做的功和接触变形功。,第一次卸载后，变形恢复不到第一次加载的起点，这说明存在有残余变形。经多次加载、卸载后，加载曲线起点才和卸载曲线终点重合，残余变形才逐渐减小到零。,机床部件的实际刚度远比我们按实体估算的要小。,上一页,下一页,返回,7. 3,工艺系统受力变形误差及其控制,2.,工艺系统刚度对加工精度的影响,(1),刀架刚度的影响,在加工过程中，由于工件加工余量发生改变将引起切削力变化，所以刀架后移会产生加工误差。 若毛坯存在有椭圆形状误差。如,图,7,一,20,所示，令毛坯椭圆长轴方向上吃刀量为,ap,1,，短轴方向吃刀量为,ap,2,。,由于椭圆长轴、短轴两方向吃刀量和切削力不同，故刀架后移也不同。设对应于,ap,1,，产生的让y,2,对应于,ap,2,产生的让刀为y,2,，则加工出来的工件必然存在一定的椭圆形状误差。由于毛坯存在圆度误差 ，故将引起工件的圆度误差为 ，且,毛,越大， ,工,越大。这种现象称为加工过程中的毛坯误差复映现象。,上一页,下一页,返回,7. 3,工艺系统受力变形误差及其控制,(2),工件刚度的影响,图,7 -21,所示为车床上车削细长杆，此时工件发生弯曲，影响加工精度由此，加工中一般采取加装跟刀架、活顶尖和改变走刀方向的措施来提高加工精度。,3.,提高工艺系统刚度措施,合理设计零部件结构。在设计零部件结构时，应尽量减少连接面数口，并防止有局部低刚度环节出现。对于基础件、支撑件，应合理选择零件结构和截面形状，以提高机床部件中零件间的接合刚度。必要时，应给机床部件预加反向载荷等。采用辅助支撑。例如，在加工细长轴时，工件的刚性差，采用中心架或跟刀架，或采用中间驱动方式，有助于提高工件的刚度。,上一页,下一页,返回,7. 3工艺系统受力变形误差及其控制,如,图7 -22,(a)所示曲轴车床采用中间驱动而不是端头驱动，明显缩短了驱动部位与被加工轴颈距离，降低了对刚度的要求。图7一22 (b)所示为六角车床采用导套和导杆辅助支撑副提高刀架刚度措施。 采用合理的装夹和加工方式。例如，在卧式铣床上铣削角铁形零件，如按图7一22 (c)左所示装夹和加工方式，则工件刚度较低;如改用图7一22 ( c)右所示装夹和加工方式，则工件刚度明显提高。加工箱体零件时，粗加工采用短定位销，精加工采用长定位销，以消除定位孔磨损的影响，如图7一22 ( d )所示。加工汽车凸轮轴则采用托轮增加刚性，如722所示。,上一页,下一页,返回,7. 3,工艺系统受力变形误差及其控制,减小载荷及其变化。为了提高工艺系统刚度，建议采取适当的工艺措施来减小工艺系统中的载荷和变化。首先应该合理选择刀具几何参数，例如增大前角、让主偏角接近,90,0,等,;,其次是控制切削用量，如适当减少进给量和背吃刀量，以减小切削力，相应减小受力变形,;,再者，将毛坯分组，使加工中的各组毛坯余量相对均匀，这样能减少切削力的变化，从而能够减小复映误差,上一页,返回,7. 4,工艺系统热变形误差与控制,7. 4. 1,工艺系统热源,工件、刀具等的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总误差的,40%,一,70%,引起工艺系统热变形的热源可分为内部热源和外部热源两大类。,1.,内部热源,内部热源包括切削热和摩擦热。,在切削过程中，消耗于切削的弹、塑性变形能及刀具、工件和切屑之间摩擦的机械能，绝大部分都转变成了切削热。在车削加工中，切屑所带走的热量可达,50%,一,80 %,，传给工件的热量约为,30%,，传给刀具的热量不超过,5%,。,下一页,返回,7. 4工艺系统热变形误差与控制,工艺系统中的摩擦热主要是由机床运动部件产生的，如电动机、轴承、齿轮、丝杠副、导轨副、离合器、液压泵和阀等。尽管摩擦热比切削热少，但其在工艺系统中是局部发热，会引起局部温升和变形，破坏了系统原有的几何精度，对加工精度也会带来严重影响。,2.外部热源,外部热源的热辐射包括照明灯光、加热器等对机床的热辐射，同时也不容忽视周围环境温度，如不同昼夜温度对机床热变形的影响。控制外部热源的热辐射影响对于大型和精密加工尤为重要。,上一页,下一页,返回,7. 4,工艺系统热变形误差与控制,7. 4. 2,工艺系统热变形引起的误差,1.,机床热变形对加工精度的影响,一般机床的体积较大，热容量大，虽温升不高，但其变形量却不容忽视。机床结构较复杂，其达到热平衡所需的时间较长，各部分的受热变形不均，会破坏原有的相互位置精度，造成工件的加工误差。,机床结构和工作条件不同，机床热变形的热源和变形形式也不尽相同。对于车、铣、钻、锁类机床，其主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热和润滑油发热是其主要热源，因而使得主轴箱及与之相连部分，如床身或立柱的温度升高而产生较大变形。车床主轴发热使主轴箱在垂直面与水平面内发生偏移和倾斜，如,图,7,一,23,( a),所示。图,7,一,23 ( b ),所示为车床主轴温升、位移随运转时间变化而变化的情况。由图,7 - 23,可见，,Y,方向的位移量远大于,X,方向的位移量，由于,Y,方向是误差非敏感方向，故对加工精度影响较小。,上一页,下一页,返回,7. 4,工艺系统热变形误差与控制,2.,刀具热变形所引起的误差,尽管在切削加工中传入刀具的热量很少，但由于刀具的尺寸和热容量小，故仍有相当程度的温升，从而引起刀具的热伸长并造成加工误差。例如车削时高速钢车刀的工作表面温度可达,700,一,800 ,，硬质合金车刀可达,1 000 ,，刀具伸长量可达,0. 03,一,0.,0,Smm,图,7 - 24,所示为车刀热伸长量与切削时间的关系。在车刀连续切削的情况下，切削开始时，刀具的温升和热伸长较快，随后趋于缓和，经,30min,逐步达到热平衡。当切削停止时，刀具温度开始下降较快，以后逐渐减缓。,刀具断续加工时，变形趋于零。如加工一批短小轴件，在加工过程中机床、工件、刀具趋于热平衡。,上一页,下一页,返回,7. 4,工艺系统热变形误差与控制,在连续冷却条件下经,20min,后温度趋于室温，变形趋于零,3.,工件热变形引起的误差,(1),工件均匀受热图一些简单的均匀受热工件，如车、磨轴类件的外圆，待加工后冷却到室温时其长度和直径将有所收缩，由此而产生尺寸误差,差,L,，,L,可用简单的热伸长公式进行估算，即,:,(2),工件非均匀受热,工件受热不均会引起内部产生热应力和外部变形。如磨削零件的单一表面，由于工件单面受热会产生向上翘曲变形,y,，加工冷却后将形成中凹的形状误差,y,.,如,图,7,一,25,( a),所示。,y,的量值可根据图,7 - 25 ( b),所示几何关系得出如下下件中凹形状误差,y,的关系式，即,:,上一页,下一页,返回,7. 4工艺系统热变形误差与控制,由式(7 -7)可知，工件的长度L越大，厚度H越小，则中凹形状误差y,就越大。在铣削或刨削薄板零件平面时，也有类似情况发生。为减小由工件热变形带来的加工误差，在工件长度L和厚度H基本一定的前提下，应重点控制好工件上下表面温差t。,(3)控制工艺系统热变形的主要措施,为了有效地控制工艺系统的热变形，主要措施是采用高效的冷却方式，加强其散热能力，以加速系统热量的散发，如喷雾冷却、冷冻机强制冷却等。,图7一26,所示为坐标锁床的主轴箱用恒温喷油循环强制冷却的实验结果。当不采用强制冷却时，机床运转6h后，主轴与工作台之间在垂直方向会发生190N,m的位移(见图7一26中曲线1)，而且机床尚未达到热平衡。当采用强制冷却后，上述热变形位移减少到15 N,m ,见图7 - 26中曲线2)，可见强制冷却的效果是非常显著的。,上一页,下一页,返回,7. 4工艺系统热变形误差与控制,控制工艺系统热变形的另一依据是减少热量产生和,传入。其措施是合理选用切削和磨削用量、正确使用刀具和砂轮、及时刃磨刀具和修整砂轮等，以免产生过多的加工热。从机床的结构和润滑方式上考虑，要注意减少运动部件之间的摩擦，减少液压传动系统的发热，隔离电动机、齿轮变速箱、油池、磨头,(见,图7一27,)等热源，使系统的发热及其对加工精度的影响得以有效控制。均衡温度场。在机床设计时，采用热对称结构和热补偿结构，使机床各部分受热均匀,热变形方向和大小趋于一致，或使热变形方向为加工误差非敏感方向，以减小工艺系统热变形对加工精度的影响。,图7一28,所示为平面磨床所采用的均衡温度场的示意图。该机床油池位于床身底部，油池发热会使床身产生中凹达0. 364mm。经改进，在导轨下配置油沟，,导入热油循环,.使床身上下温差大大减小.热变形量也随之减小,上一页,下一页,返回,7. 4工艺系统热变形误差与控制,图7一29,所示的立式平面磨床采用热空气加热温升较低的立柱后壁，以均衡立柱前后壁的温升，减小立柱的向后倾斜。图7一29中热空气从电动机风扇排出，通过特设软管引向立柱后壁空间。采用该措施后，磨削平面的平面度误差可降到未采取措施前的1 /4一1 /3。,缩小发热零件长度。如,图7一30,所示为外圆磨床横向进给机构示意图，图7一30 (b)中对螺母位置进行改进，缩小了丝杠热变形长度，使得热变形引起的丝杠的螺距累积误差减小，因而砂轮的定位精度较高。,对发热零部件拟采用热对称结构。如,图7一31,所示，在传统牛头刨床滑枕截面结构内，由于导轨面的高速滑动，导致摩擦生热，使滑枕上冷下热，产生弯曲变形。如果将导轨布置在截面中间，滑枕截面上下对称，显然可以减小导轨面的弯曲变形控制环境温度，安排精密加工在恒温室内进行。,上一页,下一页,返回,7. 4,工艺系统热变形误差与控制,7. 4. 3,内应力引起的误差,零件在没有外加载荷的条件下，仍然残存在工件内部的应力称内应力或残余应力。工件在铸造、锻造及切削加工后，内部常常会存在各种内应力,(,也称热应力,),。零件内应力的重新分布不仅影响零件的加工精度，而且对装配精度也有很大的影响。内应力存在于工件内部，且其存在和分布情况相当复杂，下面作一些定性分析。,1.,毛坯的内应力,铸、锻、焊等毛坯在生产过程中，由于各部分结构厚薄不均，导致冷却速度与热胀冷缩不均匀而相互牵制，形成内应力。一般规律是厚处,(,缓冷部位,),产生拉应力，相连薄处,(,快冷部位,),产生压应力，变形将朝向减小内应力的方向弯曲。,图,7,一,32,所示为车床床身，在铸造时，床身导轨表面及床腿面冷却速度较快，中间部分冷却速度较慢，因此形成了上、下表层出现压应力、中间部分,(,导轨截面主体,),处于拉应力的状态。,上一页,下一页,返回,7. 4工艺系统热变形误差与控制,2.冷校直引起的内应力,细长的轴类零件，如发动机凸轮轴等在加工和运输中很容易产生弯曲变形。数轴类零件在装配前需要安排冷校直工序。这种方法简单方便，但会带来内应力变形而影响零件加工精度。因此，大多，引起工件,图7一33,所示为冷校直时引起内应力的情况。在弯曲的轴类零件中部施加压力F，使其产生反弯曲，此时，轴的上层受压，下层受拉，外层为塑变区，内层为弹变区得适当，新分布，在去除外力后，塑变区的变形将保留下来，而弹变区的变形将全部恢复如果外力加，内应力重工件弯曲得以校直。但是，如果变形控制不当，则会引起工件重新变形而影响零件加工精度。,上一页,返回,7.5影响表面质量的因素及其控制,机械零件的破坏一般总是从表面层开始，而产品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取决于零件表面层的质量。研究机械加工表面质量的,目的就是为了掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，以便运用这些规律来控制加工过程，达到改善表面质量、提高产品使用性能的目的。,7. 5. 1加工表面粗糙度影响因素及改进,1.加工表面的表面粗糙度,切削加工表面的表面粗糙度主要取决于切削残留面积的高度，并与切削表面塑性变形及积屑瘤的产生有关。,(1)切削残留面积,由于刀具切削刃的几何形状、几何参数、进给运动及切削刃本身的表面粗糙度等原因，未能将被加工表面上的材料层完全干净地去除掉，在已加工表面上遗留下残留面积，残留面积的高度便构成了表面粗糙度Rz,下一页,返回,7.5影响表面质量的因素及其控制,(2)切削表面塑性变形和积屑瘤,图7一35,所示为加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响。如图7一35所示，切削速度:处于30一SOm/min时，表面粗糙度值最大，这是因为此时容易产生积屑瘤或鳞刺。鳞刺是指切削加工表面在切削速度方向产生的鱼鳞片状的毛刺。,积屑瘤和鳞刺均会使表面粗糙度值加大。当切削速度超过100m/min时，表面粗糙度值反而下降并趋于稳定。,结论:选择低速宽刀精切和高速精切，往往可以得到较小的表面粗糙度值。,上一页,下一页,返回,7.5影响表面质量的因素及其控制,一般来讲，材料韧性越大或塑性变形趋势越大，被加工表面的表面粗糙度就越大切削脆性材料比切削塑性材料容易达到表面粗糙度的要求。对于同样的材料，金相组织越粗大，切削加工后的表面粗糙度值也越大。为减小切削加工后的表面粗糙度值，常在精加工前进行调质处理(淬火+高温回火)，,目的在于得到均匀细密的晶粒组织和较高的硬度。,此外，合理选择切削液、适当增大刀具法前角和提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小加工表面粗糙度值,上一页,下一页,返回,7.5影响表面质量的因素及其控制,2.磨削加工的衣面粗糙度,(1)磨削用量对粗糙度的影响,磨削时，砂轮的速度越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数就越多，因而工件表面的表面粗糙度值就越小，如,图7一36,(a)所示。,工件速度对表面粗糙度的影响刚好与砂轮速度的影响相反。增大工件速度时，单位时间内通过被磨表面的磨粒数减少，表面粗糙度值将增加，如图7一36 (b)所示。,磨削深度(背吃刀量)增大，表层塑性变形将随之增大，被磨表面粗糙度值也会增大，如图7一36 (c)所示。,另外，砂轮的纵向进给减小，工件表面的每个部位被砂轮重复磨削的次数增加，被磨表面的表面粗糙度值将减小。,上一页,下一页,返回,7.5影响表面质量的因素及其控制,(2)砂轮结构对表面粗糙度的影响,砂轮结构中，砂轮粒度越细，磨削的表面粗糙度值越小。但磨粒太细时，砂轮易被磨屑堵塞，若导热情况不好，反而会在加工表面产生烧伤等现象，使表面粗糙度值增大。因此，砂轮粒度常取为46一60号 砂轮硬度的影响。砂轮太硬，磨粒不易脱落，磨钝了的磨粒不能及时被新磨粒替代，会使表面粗糙度值增大;砂轮太软，磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会使表面粗糙度值增大。因此，常选用中软砂轮。,砂轮修整。砂轮修整对工件表面粗糙度也有重要影响。精细修整过的砂轮可有效减小被磨工件的表面粗糙度值。,上一页,下一页,返回,7.5,影响表面质量的因素及其控制,7. 5. 2,影响表层力学性能因素及改进,1.,表面冷作硬化,工件加工时，由于受到切削力和切削热的作用，表面金属层的力学物理性能会产生很大变化，如表层金属的显微硬度发生变化。,评定硬化组织的指标有三项,:,表层金属的显微硬度,HV,、硬化层深度,h,和硬化程度,N,。,式中，,HV,o,工件表面硬化层内层金属的显微硬度。,各种加工方式对钢件表面的硬化程度与硬化深度的影响见,表,7,-,3,上一页,下一页,返回,7.5影响表面质量的因素及其控制,影响加工硬化的主要因素有切削用量、刀具几何参数及磨损和工件材料等。,(1)切削用量的影响,当加大进给量时，表层金属的显微硬度通常将随之增大。这是因为随着进给量的增大，切削力增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬程度也会相应增加，如,图7一37,所示。,背吃刀量对表层金属冷作硬化的影响不大，但对于磨床，磨削深度越深，对冷硬影响越大，如,图7一38,所示,上一页,下一页,返回,7.5,影响表面质量的因素及其控制,(2),刀具的影响,刀具前角,y,越大，切削变形越小，加工硬化程度和硬化层深度均相应减小 。,如,图,7,一,39,所示，刀具后刀面磨损宽度,VB,从,Omm,增大到,0. 3 mm,，显微硬度由,330HV,增大到,340HV,，这是由于磨损宽度加大后，刀具后刀面与被加工工件的摩擦加剧，塑性变形增大，导致表面冷硬增大。然而，当磨损宽度继续加大时，摩擦热急剧增大，弱化趋势凸显，表层金属的显微硬度反而逐渐下降，直至稳定在某一个水平,(3),工件材料的影响,众所周知，工件材料硬度越低用的低碳、中碳或合金结构钢而言严重。塑性增加，加工硬化程度和硬化层深度越大。,上一页,下一页,返回,7.5,影响表面质量的因素及其控制,就汽车岸由于其塑性变形能力强，所以在机械加工中其表面硬科,2.,材料的金相组织变化,(1),磨削烧伤,磨削工件时，当其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部分相变，表层显微硬度也会相应变化，并伴随有残余应力产生，甚至出现微裂纹，还会出现彩色氧化膜，这种现象称为磨削烧伤。,(2),磨削裂纹,一般情况下，磨削表面多呈残余拉应力。磨削淬火钢、渗碳钢及硬质合金工件时，常常沿垂直于磨削的方向产生微小龟裂，严重时发展成龟壳状微裂纹，且有的裂纹不在工件外表面而是在表面层下，用肉眼根本无法发现。,上一页,下一页,返回,7.5,影响表面质量的因素及其控制,裂纹常与磨削方向垂直或呈网状，并且与烧伤同时出现。其危害是降低零件的疲劳强度，甚至出现早期低应力断裂。,(3),磨削烧伤改进措施,1),正确选择砂轮,对于导热性差的材料如不锈钢，为避免产生烧伤，应选择较软的砂轮，并选择具有一定弹性的结合剂,(,如橡胶结合剂，树脂结合剂等,),。这样有助于避免磨削烧伤现象的产生。,2),合理选择磨削用量,从减轻烧伤而同时又尽可能地保持较高的生产率考虑，在选择磨削用量时，应选用较大的工件速度,:,、和较小的磨削深度。,上一页,下一页,返回,7.5影响表面质量的因素及其控制,3)改善冷却条件,建议安装带空气挡板的喷嘴，此法可以减轻高速回转砂轮表面处的高压附着气流作用，使磨削液能顺利喷注到磨削区，如,图7一40,所示。,4)可考虑采用内冷却砂轮,内冷却砂轮的工作原理如,图7 -41,所示。经过严格过滤的磨削液由锥形套经空心主轴法兰套引人砂轮的中心腔内，由于离心力的作用，磨削液经由砂轮内部有径向小孔的薄壁套的孔隙甩出，直接浇注到磨削区。,上一页,下一页,返回,7.5影响表面质量的因素及其控制,3.表面金属残余应力,(1)切削用量的影响,切削用量三要素中的切削速度和进给量对残余应力的影响较大。因为切削速度增加，切削温度升高，此时由切削温度引起的热应力逐渐起主导作用，故随着切削速度增加，残余应力将增大，但残余应力层深度减小;进给量增加，残余拉应力也会相应增大，但压应力将向里层移动;背吃刀量对残余应力的影响并不显著。,上一页,下一页,返回,7.5影响表面质量的因素及其控制,(2)刀具的影响,刀具几何参数中对残余应力影响最大的是刀具前角。当前角由正变为负时，表层残余拉应力逐渐减小。这是因为刀具对加工表面的挤压与摩擦作用加大，从而使残余拉应力减小。,当刀具前角为较大负值且切削用量合适时，甚至可得到残余压应力。,刀具后刀面磨损值增大，使后刀面与加工表面摩擦加大，切削温度升高，由热应力引起的残余应力的影响增强，此时加工表面呈残余拉应力状态，使残余拉应力层深度加大。,(3)工件材料,工件材料塑性越大，切削加工后产生的残余拉应力越大，如奥氏体不锈钢等。切削灰铸铁等脆性材料时，加工表面易产生残余压应力，原因在于刀具的后刀面挤压与摩擦使得表面产生拉伸变形，待与刀具后刀面脱离接触后将通过里层的弹性恢复作用使得表层呈残余压应力状态。,上一页,返回,图,7 -1,加工质量包含的内容,返回,图,7,一,2,滚切包络线,返回,图,7,一,3,试切法,返回,图,7,一,4,对刀块调整,返回,返回,图,7,一,6,挂表在线调整,返回,表,7,一,1,调整误差,返回,图,7 -7,回转轴线的漂移,返回,图,7,一,8,主轴误差三种形式,返回,图,7,一,9,机床主轴误差,返回,图,7-10,刀具安装引起的误差,返回,表,7 -2,常用机床敏感方向,返回,图,7,一,11,误差分析,返回,图,7,一,12,膛杆水平振动时膛孔为椭圆,返回,图,7 -13,导轨水平误差引起工件半径误差,返回,图,7,一,14,车床导轨垂直度误差对工件精度的影响,返回,图,7,一,15,车床导轨扭曲对工件误差影响,返回,图,7,一,16,精密丝杠螺距误差补偿装置,返回,图,7,一,18,受力变形对误差影响,返回,图,7 -19,车床刀架刚度变形曲线,返回,图,7,一,20,误差复映现象,返回,图,7,一,21,工件刚度的影响及措施,返回,图,7,一,22,提高工件刚度措施,返回,图,7,一,23,车床主轴温升与变形,返回,图,7 - 24,刀具热变形曲线,返回,图,7,一,25,薄壁零件热变形,返回,图,7 - 26,膛床强制冷却曲线图,返回,图,7,一,27,磨床隔离热源,返回,图,7 -28,磨床热油循环油沟,返回,图,7,一,29,均衡温度场,返回,图,7 - 30,缩小丝杠变形长度图,返回,图,7,一,31,包,d,床滑枕改进后的热对称结构,返回,图,7 -32,车床导轨面切削后引起变形,返回,图,7 - 33,冷校直时引起内应力,返回,图,7,一,35,高粗糙度值的切削速度范围,返回,图,7,一,36,磨削用量与表面粗糙度关系,返回,表,7,一,3,钢件表面的硬化程度,N,与硬化深度,h,返回,图,7,一,37.f,和,v,的影响,返回,图,7,一,38,磨削深度的影响,返回,图,7,一,39,刀具磨损宽度的影响,返回,图,7,一,40,带空气挡板的喷嘴,返回,图,7 -41,内冷却砂轮,返回,演讲完毕，谢谢观看！,