王振龙-机械加工精度与表面质量第6章

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1、,机械制造技术基础,第6章 机械加工质量的影响因素及控制,FUNDAMENTALS OF MACHINERY MANUFACTURING TECHNOLOGY,Machining Quality and its Control,基本概念,6.1 概 述,加工变质层的雷德（H.Rether）模型,压缩区塑性变形区。是由切削力造成的结晶组织变化层。 此区最外层为纤维化层，是由刀具与切削层间的摩擦挤压 造成的，还有切削热造成的表面层的强化或弱化等等，存在着 由塑性变形、切削热及金相组织变化引起的残余应力。该层也 称应力变质层。,吸附层在最外层。生有氧化膜或化合物并吸收渗进某些气体、液体或 固体粒子。

2、,6.1.2 机械加工精度的获得方法,一、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,二、形状精度的获得方法,成形刀具法 形状精度决定于成形运动和刃形,展成法 成形表面通过包络形成,形状精度超过机床成形运动精度时使用 如：0级平板的加工,仿形法 形状精度决定于靠模的精度,三、位置精度的获得方法,与机床几何精度有关,位置精度要求极高时采用,6.1.3机械加工表面质量对机器使用性能和寿命的影响,（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

3、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。,6.1.3机械加工表面质量对机器使用性能和寿命的影响,（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

4、阻碍微裂纹的扩展，从而在一定程度上提高零件的耐蚀性。,（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，加工表面质量对运动平稳性和噪音等也有影响。,加工误差与原始误差 机械加工工艺系统的概念 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）,6.2 机械加工精度的影响因素及其控制,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。,从影

5、响零件加工精度的本质上分（单因素）,从性质上分（多因素）,工件装夹误差（定位、夹紧）除此外：对定、过程,调整误差 （更换工件、刀具、夹具、量具时进行调整）,测量误差 （测量方法和量具误差）,原理误差（渐开线齿轮、数控插补、英制螺纹）,6.2.3 受力、热、磨损、残余应力,6.2 机床几何误差,原始误差概念,分析原有误差对零件加工精度的影响及控制： 误差敏感方向：加工表面法向原始误差所引起的加工误差最大,误差敏感方向 误差非敏感方向,误差的性质,6.3 加工误差的 统计分析,常值,变值,随机性误差,系统性误差,统计误差概念,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

6、,改善测量方法；提高测量精度（激光测距、 非接触式测量、激光干涉仪、光删尺）,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re 。(1/3-1/10) e,(a) 减少定位误差；(b) 提高进给重复定位精度; (c) 提高对尺寸分布中心判断的准确性,二、影响位置精度的主要因素与控制,采用成形运动法时，位置精度的获得与装夹方式有关,结论：影响位置精度的是机床几何精度,一次装夹： 如在龙门铣床、加工中心上加工箱体零件,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,

7、工件加工面,结论：影响位置精度的是机床几何精度,直接装夹,夹具装夹,非成形运动法：检测精度,结论：影响位置精度的是对刀导引精度、装夹精度,三、影响形状精度的主要因素与控制,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。,6.2.3 机床几何误差及其对加工精度的影响与控制,会对零件的加工精度造成影响：主要指形状精度,1. 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,如是滚动轴承： 车、铣床影响零件加工精度的主要因素是什么？,影响主轴回转精度的主要因素,（1）径向跳动,（2）轴向窜动 滑动轴承主轴的轴向窜动量取决于

8、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？（提示：加工表面）,（3）角度摆动,不仅影响圆度，而且影响圆柱度,固定顶尖定位，修磨顶尖孔；采用无心磨加工无心磨削原理.ppt,主要取决于主轴前后支承跳动（跳动量、相位等）的综合影响,2. 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。,提高导轨直线运动精度的措施,直线电机驱动液体静压导轨（350UPL）,Nanotech 350UPL 是单点金刚石切削（S

9、PDT）加工的极品,HIT-1型超精密机床局部图,3. 成形运动间位置关系精度,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,相互位置关系精度将直接影响工件的形状精度,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,圆孔成为椭圆孔,平面下凹,光学零件超精密磨削工艺中，中心高位置对零件加工精度的影响。,对零件形状精度的影响,金刚石砂轮修整装置,非球曲面加工后照片,金刚石砂轮修整照片,(a) 修整前,(b) 修整后,提高相互位置关系精度的措施,Tetraform C,使用几何精度高的机床（决定因素）,保

10、证高精度的零部件制造、总装调试和维修,误差检测与补偿（在已有机床上进行）,4. 成形运动间速度关系精度 - 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。,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。,6.2.3 加工过程中其它因素对加工精度的影响与控制,1. 工艺系统受力变形的影响与控制,工艺系统受力,加工时工件或夹具变形，加工后产生误差,单爪拨动，使受力方向改变，瞬时回转中心变动,运动部件自重引起结构件变形且随

11、运动而不断变化（龙门机床、KDP超精密加工机床）,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（非接触测量）,力的变化使工艺系统产生复杂变形（细长轴）,控制或减少工艺系统受力变形的措施,有效减小（切削力） （消极方法，超精加工中出现）,根据变形规律，预置系统的反变形（重力） ；调刀量调整,恒力测量装置（测量力）；相对测量，对比抵消变形的影响,有效地提高工艺系统抵抗受力变形的能力,找引起工件产生误差原因,工艺系统刚度与加工精度的关系, 系统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,KH 、KT 、KB 分别为机床床头、尾座及刀架部件的实测平均刚度 E

12、 工件材料的弹性模量 J 工件截面惯性矩,简 化 公 式,当机床刚度远大于工件刚度时,当工件刚度很高时,细长轴（腰鼓）KHKTK工,短粗轴（马鞍） K工KH KT, 切削力变化对加工精度的影响,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,提高工艺系统刚度的主要措施,求法？,2. 工艺系统热变形的影响与控制,控制热变形的主要措施,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（二次 热源）；防晒,加强散热能力 高效冷却（喷雾冷却、润滑油冷冻降温，液氮， 采用冰研磨）,均恒温度场 采用热对称和热补偿结构；恒温间（德国）； 机

13、床预热（长春）。,改进设计 有限元分析、结构优化、CAD,超精密加工过程中，其它误差的影响因素也非常的重要 除了前面分析的所有因素之外 （环境控制：恒温、恒湿、超净、隔振）,6.2.3 工艺系统磨损的影响与控制,6.2.4 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,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 冷却快受压（残余压应力） 慢者受拉（残余拉应力） （详细之：620）,冷校直 局部塑变（丝杠严禁之）,减少或消除残余应力的主要措施,合理设计零件结构,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

14、加工之间）,结构对称，壁厚均匀，减小尺寸差,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,6.3 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,6.3.1 加工误差的统计性质,6.3.2 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

15、加工，机床精度不同，刀具调整尺寸不一致,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，最终形成可修废品。,6.3.3 加工误差的统计分析方法,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：, 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加工精度,一般情况下，有,正态分布函数为：,一、 分布图法,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,基本尺寸xM（理想公差带中心）,一、 分布图法,分布曲线的用途, 分析系统误差的大小和方向 轴和孔的平均尺寸与xM相比， s=0.005mm,分析随机误差因素对加工精度的影响 R=6 =0.015mm（正态）,分析各误差范围内零件的百分比 x/=2，A=0.4772， 合格率：0.5+0.4772=97.72% 废品率：0.5-0.4772=2.28%,分析减少废品率的有效方法 6 T， (a) s=0，(b) 选用小的机床，亦即6 T,预估产生废品的可能性 6 T，肯定有废品 轴类：右可修，左不可修 孔类：右不可修，左可修, 分析工序能力系数,例如：加工 20