机械加工质量分析与控制.ppt

机械加工精度 机械加工质量分析与控制 产品质量是企业的生命线按现代质量观它包括设计质量 制造质量和服务质量零件制造质量是保证产品质量的基础 一 加工精度的基本概念加工质量指标分加工精度和加工表面质量加工精度指零件加工后实际几何参数 尺寸 形状和位置 与理想几何参数相符的程度 符合程度愈高 加工精度愈高 实际值与理想值之差称为加工误差 零件的加工精度包括尺寸精度 形状精度 位置精度通常尺寸精度要求高 形位精度要求也越高 常用加工误差的大小来评价加工精度的高低加工误差越小 加工精度越高 获得加工精度的方法 1 获得尺寸精度的方法1 试切法用于单件小批生产2 调整法用于成批大量生产3 定尺寸刀具法生产率高 刀具制造复杂4 自动控制法切削测量补偿调整 2 获得形状精度的方法1 轨迹法利用刀尖运动轨迹形成工件表面形状2 成形刀具法由刀刃的形状形成工件表面形状3 展成法由切削刃包络面形成工件表面形状 3 获得相互位置精度的方法主要由机床精度 夹具精度和工件的装夹精度来保证 二 影响加工精度的因素 1 原始误差零件加工的误差是由于工件与刀具在切削过程中相互位置发生变动而造成 工件和刀具安装在夹具和机床上 工件 刀具 夹具 机床构成了一个完整的工艺系统 工艺系统的种种误差 是造成零件加工误差的根源 故称之为原始误差 原始误差 加工前误差 加工中误差 加工后误差 调整误差 机床误差 刀具制造误差 夹具误差 加工原理误差 工件装夹误差 工艺系统受力变形 刀具磨损 残余应力引起变形 测量误差 工艺系统热变形 工艺系统的几何误差 1 加工原理误差近似的成形运动或刃形所产生的误差 多为形状误差 2 机床的误差1 主轴回转误差 主轴回转误差概念主轴回转时实际回转轴线与理想回转轴线的偏移量三种基本形式 a 纯径向跳动b 轴向窜动c 纯角度摆动 影响主轴回转精度的主要因素轴承本身误差 轴承间隙 轴承间同轴度误差 各段轴颈 轴孔的同轴度误差主轴系统的刚度和热变形等 但它们对主轴回转精度的影响大小随加工方式而不同 主轴采用滑动轴承的车床类 主轴受力方向一定 主轴颈圆度误差影响较大 轴承内径圆度误差没影响 镗床主轴受力随镗刀旋转方向不断变化轴承孔误差影响大 滚动轴承结构复杂 影响主轴精度因素也较复杂 除轴承本身精度外 与配合件精度有很大关系如主轴轴颈 支承座孔等精度 产生轴向窜动主要原因是主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差 主轴不同形式的回转误差引起的加工误差不同车床上加工外圆内孔时 主轴径向跳动引起工件圆度和圆柱度误差 对工件端面无影响 轴向窜动对圆柱表面影响不大 对端面垂直度平面度影响大 车削螺纹时会造成导程的周期性误差 纯角度摆动会造成车削外圆或内孔的锥度误差 在镗孔时 会镗出的孔为椭圆形 纯角度摆动会造成车削外圆或内孔的锥度误差 在镗孔时 若工件进给会使镗出的孔为椭圆形 提高主轴及支承座孔的加工精度 选用高精度轴承 提高主轴部件装配精度 预紧和平衡等 提高主轴回转精度 2 机床导轨误差导轨精度要求主要有以下三方面 在水平面内的直线度 以卧式车床为例 1将直接反映在工件加工表面法线方向 误差敏感方向 上 误差 R 1 对加工精度影响最大 刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差 在垂直面内的直线度 对工件的尺寸和形状误差影响比 1小得多 对卧式车床 R 22 D若设 2 0 1mm D 40mm 则 R 0 00025mm 影响可忽略不计 而对平面磨床 龙门刨床误差将直接反映在工件上 导轨在垂直面内的直线度的特殊情况为斜坡状 加工的工件轴向形状为鞍形 前后导轨的平行度 扭曲 卧式车床或外圆磨床若前后导轨存在平行度误差时 刀具和工件之间相对位置发生变化 刀尖运动轨迹是一条空间曲线 使工件产生形状误差 若扭曲误差为 3 工件误差 R H B 3 一般车床H B 2 3 外圆磨床H B 1 误差对加工精度影响很大 除导轨制造误差外 导轨的不均匀磨损和安装质量 也是造成导轨误差的重要因素 导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一 可采用耐磨合金铸铁 镶钢导轨 贴塑导轨 滚动导轨导轨表面淬火等措施 机床传动链误差指机床内传动链始末两端的传动元件间相对运动的误差 一般用传动链末端元件的转角误差来衡量 产生的原因是传动链中各传动元件的制造误差 装配误差及磨损等 若传动齿轮i在某一时刻产生转角误差为 i 则它所造成传动链末端元件的转角误差 wi Ki iKi为该轴到末端元件的总传动比 称为误差传递系数 若Ki大于1则误差被扩大 反之 若Ki小于1误差被缩小 各传动件对工件精度影响的总和为 wi Ki i 减少传动链误差的措施 尽可能缩短传动链 减少传动元件数目 尽量采用降速传动 误差被缩小 提高传动元件 特别是末端元件的制造和装配精度 消除传动间隙 采用误差补偿机构或自动补偿装置 3 刀具的几何误差包括刀具切削部 装夹部的制造误差及刀具安装误差 定尺寸刀具刀具尺寸精度直接影响工件尺寸精度 成形刀具刀具形状精度直接影响工件形状精度 展成刀具刀刃形状精度会影响工件加工精度 一般刀具制造精度对工件加工精度无直接影响 4 夹具的几何误差包括夹具制造误差 安装误差及磨损对工件尺寸精度和位置精度影响很大 5 定位误差包括基准不重合误差 定位副制造不准确误差直接影响工件的尺寸精度和位置精度 6 调整误差在工序的调整工作中所存在的误差即调整误差一次调整后存在的误差对这一批零件的影响是不变的 但大批量加工中存在多次调整 不可能每次完全相同 对全部零件来说 每次调整误差为偶然性误差 机床调整误差可理解为零件尺寸分布曲线中心的最大偏移量 加工中不产生废品的条件 fb t T 3 工艺系统的受力变形 1 基本概念 2 零件刚度若零件刚度相对于机床 刀具 夹具来说比较低 其变形对加工精度影响比较大 最大变形量按材料力学公式估算 长轴两顶尖装夹按简支梁计算 三爪卡盘装夹按悬臂梁计算 1 工艺系统刚度工艺系统抵抗变形的能力可用工艺系统刚度k系来描述 垂直作用于工件加工表面的径向切削分力Fy与工艺系统在该方向上的变形y之间的比值 称为工艺系统刚度k系k系 Fy y柔度w 1 k 3 刀具刚度外圆刀具在加工表面法线方向上的刚度很大变形可忽略 镗小孔刀杆刚度很差 变形对加工精度影响很大 刀杆变形按材料力学公式估算 4 机床部件刚度机床部件刚度机床结构形状复杂 刚度计算主要通过实验方法来测定 变形与载荷不成线性关系 加载与卸载曲线不重合 有残余变形存在 实际刚度比估算的小 5 工艺系统受力变形及其对加工精度的影响1 工艺系统的变形总变形y系 y机 y夹 y刀 y工k系 Fy y系 k机 Fy y机 k夹 Fy y夹 k刀 Fy y刀 k工 Fy y工所以 k系 1 1 k机 1 k夹 1 k刀 1 k工 工艺系统刚度比刚度最小环节的刚度还要差 2 工艺系统受力变形对加工精度的影响 切削力位置的变化对加工精度的影响设刀具工件刚度很大总变形y系 y刀架 yx 设刀具工件刚度很大总变形y系 y刀架 yxy主 FA k主 Fy l x lk主 y尾 FB k尾 Fyx lk尾 y系 y刀架 yx Fy当x 0时 y系 当x l时 y系 当x k尾l k主 k尾 时 y系min Fy 若工件刚性较差应考虑其变形 按简支梁计算y工 y系 y刀架 yx y工 讨论 1 在x处工件半径Rx R y刀架 yx y工半径误差 R Rx R y刀架 yx y工 y系 2 一次走刀中若y系为常量 不会造成工件形状误差和尺寸不一 3 若工件刚性大l D 5 可不考虑y工 y系是x的二次函数圆柱度误差 ymax ymin 4 若工件为细长轴刚性很差 系统变形主要是工件变形 当x l 2时 y工max Fyl3 48EI 切削力大小变化对加工精度的影响 毛 ap1 ap2 工 y1 y2误差复映系数 工 毛Fy CyfyapxHBSn Capx CapFy1 C ap1 y1 Cap1Fy2 C ap2 y2 Cap2 工 y1 y2 Fy1 Fy2 k系 Cap1 Cap2 k系 工 毛 C ap1 ap2 k系 ap1 ap2 C k系 工 毛 C k系 总是小于1 有修正误差的能力多次进给 1 2 3 2 k系越大 就越小 复映到工件上的误差越小3 C减小 就越小 应采取减小Fy的措施 讨论 夹紧变形对加工精度的影响 工件刚性差 薄件 圆环 装夹不当会产生受力变形 机床部件 工件重量对加工精度的影响 其它作用力对加工精度的影响传动力 拨杆 离心力改变方向会使工艺系统产生相应变形 3 减少工艺系统受力变形的途径 减小切削力及其变化 提高系统中零件的配合质量 缩短切削力作用点和支撑点的距离 设置辅助支承提高部件刚度 4 工艺系统的热变形 工艺系统在各种热源的影响下会产生很复杂的变形 导致工件产生加工误差 1 工艺系统的热源1 内部热源包括切削热 摩擦热和派生热源 2 外部热源包括环境温度 辐射热 2 工件热变形对加工精度的影响1 工件均匀受热车镗轴套类零件圆柱面 长度及径向受热变形 若在受热时测量达到规定尺寸 冷却后尺寸变小 可能出现尺寸超差 2 工件不均匀受热铣 刨 磨平面等 工件单面受热产生弯曲变形磨削细长轴时工件温生逐渐增加 3 刀具热变形对加工精度的影响 主要是主轴部件 床身导轨及两者相对位置的热变形 4 机床热变形对加工精度的影响 5 热变形的控制 1 减少发热和采取隔热 2 强制冷却 均衡温度场 3 从结构上采取措施减少热变形 4 控制环境温度 5 工件内应力引起的变形 内应力产生的原因及消除措施1 铸锻焊 热处理等因工件壁厚不均热胀冷缩不均及金相组织变化等导致体积变化 毛坯产生内应力 处于暂时平衡状态 切削时平衡状态被打破 2 冷校直产生的内应力可在热处理后进行时效处理来消除残余应力 常用人工时效 振动时效和天然时效等方法 工件若产生内应力处于不稳定状态会逐渐变形 三 加工误差的统计分析 1 1 加工误差的分类 1 系统误差常值系统误差 原理机床刀夹量具制造调整误差变值系统误差 机床刀具热变形 刀具磨损2 随机误差 误差复映定位夹紧操作误差内应力变形 对系统误差可循其规律加以调整或补偿来消除对随机误差只能缩小其变动范围无法完全消除 2 正态分布 1 正态分布的数学模型 特征参数和特殊点正态分布曲线方程两个特征参数 算术平均值x和标准偏差 正态分布的特殊点 处概率密度函数有最大值 x x 处为拐点 2 标准正态分布 0 1实际生产中为非标准正态分布需转换令z x 即图中阴影面积可利用概率密度积分表计算 3 工件尺寸在某区间内的概率 工件尺寸落在 3 范围内的概率为99 73 若尺寸分布中心与公差中心重合 不产生废品的条件是 T 6 Q废 0 5 x 若中心不重合存在常值系统误差 系 T 6 系 2 工艺过程的分布图分析 1 工艺过程的稳定性指均值和标准差稳定不变的性能 取决于变值系统误差 2 工艺过程分布图分析制作分布图了解质量指标分布 加工能力 是否有废品1 样本容量的确定通常取n 50 2002 样本数据整理与计算剔除异常数据 确定尺寸分散范围R 尺寸间隔数j 区间宽度 x3 绘制实际分布图纵坐标为频数 同间隔尺寸工件数目 5 工艺过程分布图分析 判断加工误差性质系统误差 随机误差 确定工序能力及等级工序能力系数Cp指满足加工精度的程度Cp T 6 确定不合格率 2 分布图分析法特点1 采用大样本 较接近实际地反映工艺过程总体 2 能将常值系统误差从误差中区分开 3 在全部样本加工后绘出曲线 不能反映先后顺序 不能将变值系统误差从误差中区分开 4 不能及时提供工艺过程精度的信息 事后分析 5 计算复杂 只适合工艺过程稳定的场合 点图分析法计算简单 能及时提供主动控制信息 可用于稳定过程 也可用于不稳定过程 3 工艺过程的点图分析 1 逐点点图依次测量每件尺寸记入横坐标为零件号纵为尺寸的图表中 2 均值 极差点图采用顺序小样本 4 6 由小样本均值点图和极差点图组成 横坐标为小样本组序号 具体作法如下 定期测小样本尺寸 计算均值和极差R R xmax xmin 确定中心线和R小样本组20 30 确定上下控制线ES EI UCL LCL 定期描点 均值点图上下控制线的确定 极差点图上下控制线的确定 均值点图反映了质量指标分布中心 系统误差 的变化 极差点图反映了质量指标分布范围 随机误差 的变化 3 均值 极差点图分析生产过程稳定的标志 没有点子超出控制线 大部分点在中线附近波动 小部分点在控制线附近 点子无明显规律性 生产过程不稳定的标志 点子超出控制线或密集在控制线附近 连续 点以上出现在中线一侧 明显规律性 如上升或下降倾向 点子有周期性波动 根据点子分布情况及时查找原因采取措施1 若极差R未超控制线 说明加工中瞬时尺寸分布较稳定 2 若均值有点超出控制线 甚至超出公差界限 说明存在某种占优势的系统误差 过程不稳定 若点图缓慢上升 可能是系统热变形 若点图缓慢下降 可能是刀具磨损 3 采取措施消除系统误差后 随机误差成主要因素 分析其原因 控制尺寸分散范围 四 提高加工精度的途径 1 消除或减小原始误差 如加工细长轴时易产生弯曲和振动 增大主偏角减小背向力 使用跟刀架或中心架增加工件刚度 但在进给力作用下 会因 压杆失稳 而被压弯 在切削热的作用下 工件会变长 也将产生变形 采取措施 采用反向进给的切削方法 使用弹性的尾座顶尖 2 转移原始误差 如镗孔时镗杆与主轴采用浮动连接 使用镗模将机床误差转移到新装置上加以控制 转塔刀架的转位误差转移到误差不敏感方向 3 误差分组法 4 误差补偿法 如精密孔轴配合将公差扩大加工再测量分组装配 上道工序误差太大 将工件分组再分别调整加工 利用原有误差或制造误差来抵消原始误差 如龙门铣床因铣削头自重产生下凹变形 刮研横梁导轨使上凸 加工曲轴时前后刀架同时切削 径向力方向相反 精磨磨床床身导轨预加载荷 用配重代替工作时的部件 5 就地加工 自干自 6 自动测量补偿 恒温控制等 机床零件装到工作位置上再精加工 消除误差影响 如牛头刨 龙门刨工作台面装配在自身机床上进行 自刨自 精加工 以保证对滑枕 横梁的平行度 平面磨床工作台面在装配后作 自磨自 精加工 在机床上修正卡盘平面的平直度 卡爪的同轴度