機(jī)械加工質(zhì)量及控制

1 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 第5章機(jī)械加工質(zhì)量及其控制 FUNDAMENTALSOFMACHINERYMANUFACTURINGTECHNOLOGY MachiningQualityanditsControl 2 5 1概述5 1 1機(jī)械加工質(zhì)量的含義 機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量 機(jī)械加工質(zhì)量 3 加工精度及其發(fā)展 4 激光反射鏡平面度提高到30nm 表面粗糙度降低到10nm 反射率將提高到99 8 以上 否則 壽命將大大縮短 磁頭與磁盤間的飛行高度在50nm以下 若進(jìn)一步降低將使存儲(chǔ)容量呈指數(shù)倍增長(zhǎng) 1kg精密陀螺轉(zhuǎn)子的偏心增加0 5nm 將引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差 5 6 機(jī)械加工精度的各項(xiàng)指標(biāo)既有區(qū)別 又有聯(lián)系 一般情況下 形狀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術(shù)機(jī)械加工的技術(shù)重點(diǎn)大型工件的加工技術(shù)特殊材料的加工技術(shù) 尺寸公差 位置公差 形狀公差 表面粗糙度值 7 5 1 2機(jī)械加工精度的獲得方法 1 尺寸精度的獲得方法 手工逐步調(diào)刀獲得所需尺寸 加工前先調(diào)整好刀具位置再進(jìn)行一批加工 尺寸精度由刀具保證 鉆頭 拉刀 自動(dòng)化的試切法 試切法 調(diào)整法 定尺寸刀具法 自動(dòng)控制法 8 3 位置精度的獲得方法 與機(jī)床幾何精度有關(guān) 位置精度要求極高時(shí)采用與檢測(cè)精度密切相關(guān) 9 5 1 3機(jī)械加工表面質(zhì)量及其對(duì)機(jī)器使用性能的影響 表面 微觀 形貌表面層物理機(jī)械性能 加工變質(zhì)層 機(jī)械加工表面質(zhì)量 表面粗糙度表面波紋度 塑性變形引起的冷作硬化切 磨 削熱引起的金相組織變化力 熱 產(chǎn)生的殘余應(yīng)力 1 機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義 10 2 機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)機(jī)器使用性能的影響 1 影響耐磨性粗糙度值大 實(shí)際接觸面積小 接觸應(yīng)力大 易磨損 耐磨性差 粗糙度值越小 實(shí)際接觸面積越大 耐磨性較好 若粗糙度值過小 可能增加制造成本 且可能破壞潤(rùn)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 但硬化過度反會(huì)使結(jié)晶組織出現(xiàn)過度變形 甚至產(chǎn)生裂紋或剝落 使磨損加劇 使耐磨性降低 11 2 影響疲勞強(qiáng)度交變載荷作用時(shí) 表面粗糙度 劃痕及微裂紋等均會(huì)引起應(yīng)力集中 從而降低疲勞強(qiáng)度 加工表面粗糙度的紋路方向與受力方向垂直時(shí) 疲勞強(qiáng)度明顯降低 一般加工硬化可提高疲勞強(qiáng)度 但硬化過度則會(huì)適得其反 殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí) 可部分抵消交變載荷施加的拉壓力 阻礙和延緩裂紋的產(chǎn)生或擴(kuò)大 從而提高疲勞強(qiáng)度 但為拉應(yīng)力時(shí) 則會(huì)大大降低疲勞強(qiáng)度 有些加工方法 如滾壓加工 可減小粗糙度值 強(qiáng)化表面層 使表層呈壓應(yīng)力狀態(tài) 從而防止產(chǎn)生微裂紋 提高疲勞強(qiáng)度 12 3 影響耐蝕性表面粗糙度值大的表面 腐蝕性物質(zhì) 氣體 液體 容易滲透到表面的凹凸不平處 從而產(chǎn)生化學(xué)或電化學(xué)作用而被腐蝕 表面微裂紋處容易受腐蝕性氣體或液體的侵蝕 如零件表面有殘余壓應(yīng)力 則可阻礙微裂紋的擴(kuò)展 從而在一定程度上提高零件的耐蝕性 13 4 影響配合性質(zhì)影響配合性質(zhì)最主要因素是表面粗糙度 對(duì)于間隙配合 經(jīng)初期磨損后 間隙會(huì)有所增大 嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響密封性能或?qū)蚓?對(duì)于過盈配合 使計(jì)算所得過盈量與實(shí)際過盈量有所不同 成為過渡配合甚至間隙配合 從而可能影響過盈配合的連接強(qiáng)度 此外 加工表面質(zhì)量對(duì)零件接觸剛度 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和噪音等也有影響 14 加工誤差與原始誤差加工誤差 加工后每個(gè)零件在尺寸 形狀 位置方面與理想零件的差值 幾何參數(shù)的偏差 5 2機(jī)械加工精度的影響因素及控制措施 原始誤差 由于機(jī)床 刀具 量具 夾具和工件組成的工藝系統(tǒng)造成加工誤差的因素 5 2 1機(jī)械加工工藝系統(tǒng)原始誤差 15 誤差敏感方向 加工表面法向 原始誤差引起的加工誤差最大 誤差敏感方向誤差非敏感方向 16 原始誤差 機(jī)床夾具刀具工件 毛坯 工藝系統(tǒng)靜誤差 加工過程中產(chǎn)生的誤差 受力變形熱變形刀具磨損殘余應(yīng)力變形 工件裝夾誤差 調(diào)整誤差 更換工件 刀具 夾具 量具時(shí)調(diào)整 測(cè)量誤差 測(cè)量方法和量具誤差 原理誤差 阿線滾刀滾切漸開線齒輪 數(shù)控插補(bǔ) 17 用模數(shù)銑刀銑齒輪時(shí)的齒形誤差 18 5 2 2工藝系統(tǒng)原有誤差對(duì)加工精度的影響與控制 一 影響尺寸精度的主要因素與控制 改善測(cè)量方法 提高測(cè)量精度 式中 L為躍進(jìn)距離 G為工作臺(tái)重量 0 分別為靜 動(dòng)摩擦系數(shù) K為機(jī)構(gòu)傳動(dòng)剛度 改進(jìn)工藝方法 精車 精磨 研磨 減小刀具或磨粒的刃口鈍圓半徑re 19 二 影響形狀精度的主要因素與控制 非成形運(yùn)動(dòng)法足夠的檢測(cè)精度 保證形狀精度的條件 成形運(yùn)動(dòng)法 基本成形運(yùn)動(dòng) 回轉(zhuǎn) 直線 相互位置關(guān)系 幾何關(guān)系 速度關(guān)系 運(yùn)動(dòng)關(guān)系 均準(zhǔn)確 20 機(jī)械制造新技術(shù) 數(shù)控 NumericalControl NC 技術(shù)加工中心 MC 工業(yè)機(jī)器人 IndustrialRobot 技術(shù)自適應(yīng)控制機(jī)床 AdaptiveControlMachineTools 計(jì)算機(jī)輔助制造 ComputerAidedManufacturing CAM 計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床 ComputerizedNumericalControl CNC 21 機(jī)械制造新技術(shù) 可變制造系統(tǒng)柔性制造單元數(shù)字化制造無人化機(jī)械制造廠 現(xiàn)階段 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展 e 制造 網(wǎng)絡(luò)控制 分子開關(guān) 工業(yè)生產(chǎn)追求更大的投入產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)效益智能制造 IMT 并行工程 CE 精節(jié)生產(chǎn) LP 敏捷制造 AM 綠色制造 柔性制造 FMS 虛擬制造 超精加工 KDP晶體 納米技術(shù) 分子自組裝技術(shù) 化學(xué) 生物 生物加工的純銅微齒輪 22 三 影響位置精度的主要因素與控制 采用成形運(yùn)動(dòng)法時(shí) 位置精度的獲得與裝夾方式有關(guān) 23 直接裝夾 如用外圓定位在車床上加工齒輪內(nèi)孔后 再在插床上加工鍵槽 工件基準(zhǔn)面 工件加工面 位置精度要求 工件加工面 位置精度要求 機(jī)床幾何精度 機(jī)床幾何精度 24 找正裝夾 如在車床上加工與外圓同軸度要求很高的內(nèi)孔 工件基準(zhǔn)面 機(jī)床安裝面 刀具切削成形面 工件加工面 位置精度要求 機(jī)床幾何精度 可調(diào)支承 找正精度 刀具切削成形面 工件加工面 位置精度要求 機(jī)床幾何精度 找正精度 25 夾具裝夾 非成形運(yùn)動(dòng)法 檢測(cè)精度 工件基準(zhǔn)面 機(jī)床安裝面 刀具切削成形面 工件加工面 位置精度要求 機(jī)床幾何精度 夾具安裝面 對(duì)刀導(dǎo)引精度 找正精度 夾具定位面 夾具安裝精度 夾具制造精度 裝夾精度 刀具切削成形面 工件加工面 位置精度要求 機(jī)床幾何精度 對(duì)刀導(dǎo)引精度 找正精度 26 機(jī)床的制造誤差 安裝誤差以及在使用過程中精度保持性被破壞等原因 都將會(huì)產(chǎn)生機(jī)床幾何誤差 進(jìn)而引起機(jī)械加工誤差 四 機(jī)床幾何誤差的影響與控制 27 1 機(jī)床回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)精度主要取決于機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度 主軸回轉(zhuǎn)誤差的形式 1 主軸回轉(zhuǎn)誤差的主要形式 28 以滑動(dòng)軸承為例車床 主軸受力方向不變 故軸徑形狀精度影響最大 軸孔 前后軸徑以及軸承孔的同軸度 配合精度 裝配精度等也有影響 鏜床 主軸受力方向不斷改變 故主要取決于主軸軸承孔的形狀精度 主軸徑向跳動(dòng)將會(huì)造成什么加工誤差 2 影響主軸回轉(zhuǎn)精度的主要因素 徑向跳動(dòng) 29 軸向竄動(dòng)滑動(dòng)軸承主軸的軸向竄動(dòng)量取決于止推 承載 軸承副中端面與主軸軸線垂直度較高者 影響滾動(dòng)軸承主軸軸向竄動(dòng)的主要因素有 滾道與軸線的垂直度滾動(dòng)體形狀誤差 軸向間隙變化 尺寸一致性 承載不均而降低剛度 主軸軸向竄動(dòng)將會(huì)造成什么加工誤差 30 角度擺動(dòng)主要取決于主軸前后支承跳動(dòng) 跳動(dòng)量 相位等 的綜合影響 3 提高回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)精度的措施 不僅影響圓度 而且影響圓柱度 鏜模 固定頂尖定位 修磨頂尖孔 采用無心磨加工 用精密滾動(dòng)軸承并加預(yù)載 消除間隙 提高剛度改進(jìn)滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu) 短三瓦自位軸承 使用液 氣靜壓軸承 剛度高 精度高 工藝性好 31 2 機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)精度主要取決于機(jī)床導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度 也和導(dǎo)軌裝配質(zhì)量和不均勻磨損有關(guān) 以車床為例 導(dǎo)軌誤差可能引起工件的截面尺寸變化 且影響軸向形狀 1 導(dǎo)軌誤差形式及其影響 32 2 機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)精度主要取決于機(jī)床導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度 也和導(dǎo)軌裝配質(zhì)量和不均勻磨損有關(guān) 以車床為例 導(dǎo)軌誤差可能引起工件的截面尺寸變化 且影響軸向形狀 1 導(dǎo)軌誤差形式及其影響 導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度 x 誤差敏感方向 33 2 機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)精度主要取決于機(jī)床導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度 也和導(dǎo)軌裝配質(zhì)量和不均勻磨損有關(guān) 以車床為例 導(dǎo)軌誤差可能引起工件的截面尺寸變化 且影響軸向形狀 1 導(dǎo)軌誤差形式及其影響 雙導(dǎo)軌間在鉛垂方向的平行度 n 34 2 機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)精度主要取決于機(jī)床導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度 也和導(dǎo)軌裝配質(zhì)量和不均勻磨損有關(guān) 以車床為例 導(dǎo)軌誤差可能引起工件的截面尺寸變化 且影響軸向形狀 1 導(dǎo)軌誤差形式及其影響 導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度 x 導(dǎo)軌在鉛垂面內(nèi)的直線度 y 雙導(dǎo)軌間在鉛垂方向的平行度 n 誤差敏感方向 可忽略不計(jì) 在平面磨床上加工時(shí)情況又如何 35 2 提高導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)精度的措施 36 3 成形運(yùn)動(dòng)之間的相互關(guān)系精度 成形運(yùn)動(dòng)間位置關(guān)系的影響與控制 圓柱面成為雙曲面 平面成為內(nèi)凹或外凸 圓柱面成為圓錐面 37 銑削時(shí) 若端銑刀回轉(zhuǎn)軸線與工作臺(tái)直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)不垂直 移位加工可使誤差從 減小至 圓孔成為橢圓孔 平面下凹 38 提高成形運(yùn)動(dòng)間相互位置關(guān)系精度的措施使用幾何精度高的機(jī)床 決定因素 保證高精度的零部件制造 總裝調(diào)試和維修誤差檢測(cè)與補(bǔ)償 39 成形運(yùn)動(dòng)間速度關(guān)系的影響與控制車 磨螺紋以及滾齒 插齒 磨齒等加工 要求各成形運(yùn)動(dòng)之間具有準(zhǔn)確的速度關(guān)系 滾齒機(jī) 速度關(guān)系誤差對(duì)加工精度的影響 各傳動(dòng)件傳動(dòng)誤差對(duì)工件精度影響的總和為 40 影響速度關(guān)系精度的因素機(jī)床傳動(dòng)鏈中各傳動(dòng)元件的制造誤差 裝配誤差以及磨損等 都會(huì)破壞正確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系 造成工件和刀具運(yùn)動(dòng)相對(duì)速度的不準(zhǔn)確 從而產(chǎn)生加工誤差 在降速鏈中的低速傳動(dòng)件誤差的影響最大 41 題1 套筒零件如圖所示 本工序?yàn)樽詈蠊ば?欲在這批工件上銑鍵槽 定位方案見圖示 定位元件為水平放置的帶臺(tái)肩心軸 心軸直徑試求 1 所給定位方案的定位誤差 并判斷能否滿足加工要求 2 若所給定位方案不能滿足要求 試通過分析計(jì)算給出合理方案 42 采用什么定位元件 43 題2 車床上車削軸類零件的外圓A和臺(tái)肩面B 如圖 經(jīng)測(cè)發(fā)現(xiàn)A面有圓柱度誤差 B對(duì)A有垂直度誤差 如果僅考慮機(jī)床幾何誤差的影響 試分析產(chǎn)生以上誤差的主要原因 44 題3 在平面磨床上用端面砂輪磨削平板工件 為改善切削條件 減少砂輪與工件的接觸面積 常將砂輪傾斜一個(gè)角度如圖 若 試分析磨削后的平面形狀并計(jì)算平面度誤差 提出改善加工形狀精度的工藝方法 45 題4 在銑床上用夾具裝夾加工一批軸件上的鍵槽 如圖示 已知銑床工作臺(tái)面與導(dǎo)軌的平行度誤差為0 05 300 夾具兩定位V形塊夾角 交點(diǎn)A的連線與夾具體底面的平行度誤差為0 01 150 階梯軸工件兩端軸徑尺寸為 試分析計(jì)算在只考慮上述因素影響時(shí) 加工后的鍵槽底面對(duì)下母線之間的平行度誤差 并估算最大值 不考慮兩軸頸與外圓的同軸度誤差 46 5 2 3機(jī)械加工過程因素的影響與控制 1 工藝系統(tǒng)受力變形的影響與控制 加工時(shí)工件或夾具變形 加工后產(chǎn)生誤差 單爪撥動(dòng) 使主軸受力方向改變 瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心變動(dòng) 運(yùn)動(dòng)部件自重引起結(jié)構(gòu)件變形且隨運(yùn)動(dòng)而不斷變化 高速運(yùn)動(dòng)過程中由于質(zhì)量不均引起有關(guān)環(huán)節(jié)變形 接觸變形造成測(cè)量誤差 力的變化使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)雜變形 47 控制或減少工藝系統(tǒng)受力變形的措施 有效減小切削力 根據(jù)變形規(guī)律 預(yù)置系統(tǒng)的反變形 調(diào)刀量調(diào)整 恒力測(cè)量裝置 相對(duì)測(cè)量 對(duì)比抵消變形的影響 有效地提高工藝系統(tǒng)抵抗受力變形的能力 48 1 工藝系統(tǒng)剛度及其對(duì)加工精度的影響 工藝系統(tǒng)剛度 工藝系統(tǒng)在受力時(shí)抵抗變形的能力 49 工藝系統(tǒng)剛度對(duì)加工精度的影響 a 各部剛度不等時(shí)在切削力作用下產(chǎn)生的加工誤差 車外圓 可推導(dǎo)出 式中 KH KT KB 分別為床頭 尾座及刀架部件的實(shí)測(cè)平均剛度E 工件材料的彈性模量I 工件截面慣性矩 50 簡(jiǎn)化公式 當(dāng)工件剛度很高時(shí) 加工盤類工件時(shí) 工藝系統(tǒng)剛度隨著受力點(diǎn)在工件軸線方向上的位置不同而變化 使車出的工件在各截面上直徑尺寸不同 產(chǎn)生了形狀和尺寸誤差 51 b 切削力變化時(shí)對(duì)加工精度的影響 原因 切削余量不均 工件材質(zhì)變化等結(jié)果 形狀誤差 尺寸分散 52 減少誤差復(fù)映影響的主要措施 多次走刀 提高工藝系統(tǒng)剛度 53 2 提高工藝系統(tǒng)剛度的主要措施 提高工件在加工時(shí)的剛度或減小其變形 合理選擇工件的加工和裝夾方式薄壁件均勻夾緊 細(xì)長(zhǎng)件 用跟刀架 中心架 反向進(jìn)給切削 提高刀具在加工時(shí)的剛度 改善刀具材料 結(jié)構(gòu) 熱處理 鉆套 鏜套 對(duì)稱刃口抵消切削分力 提高機(jī)床及夾具的剛度 合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 剛度平衡 盡量減少零件數(shù) 提高接合面形狀精度 降低表面粗糙度值 減少接觸變形 可靠預(yù)緊 54 題5 假設(shè)工件剛度極大 且車床床頭剛度大于尾座剛度 試分析圖示三種加工情況 各會(huì)產(chǎn)生何種形狀誤差 55 題6 試分析在車床上加工一批工件的外圓柱面產(chǎn)生圖示三種形狀誤差的主要原因 56 2 工藝系統(tǒng)熱變形的影響與控制 熱源 內(nèi)部熱源 外部熱源 摩擦熱 運(yùn)動(dòng)副 轉(zhuǎn)化熱 電動(dòng)機(jī) 動(dòng)力能耗 加工熱 切削熱 磨削熱 環(huán)境溫度 室溫 地基溫度 輻射熱 陽光 取暖設(shè)備 人體 1 工藝系統(tǒng)的熱源 57 2 工藝系統(tǒng)熱變形對(duì)加工精度的影響 特別是精密件 大型件的加工 機(jī)床破壞原有的冷態(tài)幾何精度 造成加工誤差 工件冷卻后尺寸改變 局部受熱不均而變形 刀具加工過程中熱伸長(zhǎng)引起加工尺寸變化 精密加工時(shí)也要考慮夾具 量具熱變形帶來的誤差 58 3 控制工藝系統(tǒng)熱變形的主要措施 減少熱量產(chǎn)生和傳入正確使用刀 磨 具 切 磨 削用量 及時(shí)刃磨或修整刃具 電機(jī)外置 油箱外置 防曬 加強(qiáng)散熱能力高效冷卻 噴霧冷卻 潤(rùn)滑油冷凍降溫 均恒溫度場(chǎng)采用熱對(duì)稱和熱補(bǔ)償結(jié)構(gòu) 恒溫間 機(jī)床預(yù)熱 改進(jìn)設(shè)計(jì)有限元分析 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 CAD精密加工機(jī)床的熱變形補(bǔ)償系統(tǒng) 59 3 工藝系統(tǒng)磨損的影響與控制 1 工藝系統(tǒng)磨損對(duì)加工精度的影響 機(jī)床零部件破壞原有成形運(yùn)動(dòng)精度造成工件的形狀和位置誤差 夾具帶來裝夾誤差 對(duì)刀導(dǎo)引誤差 刀具和磨具使批生產(chǎn)工件尺寸的分散性增大造成尺寸和形狀誤差 大零件 成形刀具加工 量具引起測(cè)量誤差 60 2 減少工藝系統(tǒng)磨損的主要措施 合理設(shè)計(jì)機(jī)床結(jié)構(gòu)靜壓結(jié)構(gòu) 易損表面防護(hù) 提高零部件耐磨性耐磨材料 合金鑄鐵 鑲鋼 貼塑 熱處理 合理潤(rùn)滑 及時(shí)更換已磨損件 正確使用刀具刀具材料 陶瓷 金剛石 刀具參數(shù)切削用量 尤其是V 刃口形式 寬刃 冷卻潤(rùn)滑 61 4 工件殘余應(yīng)力的影響與控制 工件的殘余應(yīng)力 當(dāng)外部載荷去除以后 仍殘存在工件內(nèi)部的應(yīng)力 1 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生 機(jī)加力和熱表層塑變 晶格扭曲 拉長(zhǎng) 比容增大 毛坯制造 冷校直局部塑變 62 2 減少或消除殘余應(yīng)力的主要措施 大件在室外擱置數(shù)天 月小件在車間擱置數(shù)小時(shí) 粗 精加工之間 結(jié)構(gòu)對(duì)稱 壁厚均勻 減小尺寸差 鑄 鍛 焊件在機(jī)械加工前的退火 回火 精度穩(wěn)定性要求高的零件 淬火后進(jìn)行冰冷處理 振動(dòng)時(shí)效 激振 敲打 減少加工塑變 減少加工熱 精度高的細(xì)長(zhǎng)工件 不得冷校直加大余量 多次切削 熱校直 63 5 3加工誤差的統(tǒng)計(jì)分析 目的 區(qū)分成批生產(chǎn)中不同性質(zhì)的加工誤差 確定系統(tǒng)誤差的數(shù)值和隨機(jī)誤差的范圍 從而找出造成加工誤差的主要因素以便采取相應(yīng)的措施 提高零件的加工精度 5 3 1加工誤差的統(tǒng)計(jì)性質(zhì) 64 5 3 2機(jī)械加工誤差的分布規(guī)律 正態(tài)分布 調(diào)整法加工時(shí)沒有某種優(yōu)勢(shì)因素的影響 平頂分布 加工過程中有顯著的變值系統(tǒng)誤差 如刀具磨損 雙峰分布 兩臺(tái)機(jī)床或兩次調(diào)整加工 精度不同 調(diào)整尺寸不一致 偏態(tài)分布 加工過程受到人為干預(yù) 如試切法加工時(shí)的保全心理在顯著熱變形至達(dá)到熱平衡期間進(jìn)行加工 65 5 3 3加工誤差的統(tǒng)計(jì)分析方法 一般情況下 調(diào)整法加工后的零件尺寸服從正態(tài)分布 其概率密度函數(shù)為 66 3 原則正態(tài)分布的隨機(jī)變量的分散范圍是 3 6 的大小代表了某種加工方法在一定條件下所能達(dá)到的精密度 一般情況下 有 正態(tài)分布函數(shù)為 表5 1 不同值的分布曲線 不同值的正態(tài)分布曲線 67 加工實(shí)測(cè)平均尺寸 常值系統(tǒng)誤差 隨機(jī)誤差 對(duì)一批零件實(shí)驗(yàn)分布曲線與正態(tài)分布曲線相符合 設(shè)計(jì)要求基本尺寸 任一零件的尺寸可表示為 68 分布曲線的用途 分析系統(tǒng)誤差的大小和方向 分析隨機(jī)誤差因素對(duì)加工精度的影響 分析各尺寸范圍內(nèi)零件的百分比 分析減少?gòu)U品率的有效方法 預(yù)估產(chǎn)生廢品的可能性 69 分析系統(tǒng)誤差的大小和方向 分析隨機(jī)誤差因素對(duì)加工精度的影響 分析各尺寸范圍內(nèi)零件的百分比 分析減少?gòu)U品率的有效方法 預(yù)估產(chǎn)生廢品的可能性 例 加工一批 20 0 01mm小軸 加工后實(shí)測(cè)平均尺寸為 20 005mm 屬正態(tài)分布 0 0025mm 試分析其加工誤差情況 解 畫出尺寸分布圖 分析工序能力系數(shù) s 2 0 0025mm 軸平均尺寸偏大 s 0 005mm R 6 0 015mm由6 T知 本序加工有足夠精密度 由xi 值查表5 1進(jìn)一步計(jì)算 若6 T 則必有廢品雖本題6 T 但由于 s存在 仍有廢品率 由x 2 查表得A 0 4772 故本序加工的廢品率 0 5 0 4772 2 28 從尺寸分布情況看 這些廢品為可修復(fù)廢品 工序能力足夠 表5 2 消除系統(tǒng)誤差 s 0 則無廢品 進(jìn)刀 70 2 點(diǎn)圖分析法 1 單值點(diǎn)圖 在一批零件的加工過程中 依次測(cè)量每個(gè)零件的加工尺寸 并記入以順次加工的零件號(hào)為橫坐標(biāo) 零件加工尺寸為縱坐標(biāo)的圖表中 便構(gòu)成了單值點(diǎn)圖 采用單值點(diǎn)圖分析 可把變值系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差區(qū)分開 便于通過誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?消除各種系統(tǒng)誤差 使加工精度得到提高 71 點(diǎn)圖反映工藝過程質(zhì)量指標(biāo)分布中心 變值系統(tǒng)誤差 變化點(diǎn)圖則反映工藝過程質(zhì)量指標(biāo)分散范圍 隨機(jī)誤差 的變化兩個(gè)點(diǎn)圖必須聯(lián)合使用 例 72 保證和提高機(jī)械加工精度的主要途徑 1 減少或消除原始誤差 提高機(jī)床成形運(yùn)動(dòng)精度和剛度提高夾具的制造 安裝精度 減少裝夾誤差和對(duì)定誤差提高工件加工時(shí)的剛度 減少受力變形 反向切削 減少精密件加工時(shí)的熱影響 平衡熱變形 73 2 補(bǔ)償或抵消原始誤差 補(bǔ)償 人為制造反向誤差抵消 移位法加工 3 轉(zhuǎn)移原始誤差 將誤差轉(zhuǎn)移到不敏感方向轉(zhuǎn)移原始誤差對(duì)加工的影響 74 4 分化或均化原始誤差 分化 分組加工 以利于調(diào)刀均化 研磨 75 題7 加工一批小軸 其直徑要求為 加工后尺寸接近正態(tài)分布 測(cè)量得一批工件直徑尺寸的算術(shù)平均值 均方根差 試計(jì)算不合格品率 并分析不合格品產(chǎn)生的可能原因 指出減少不合格品的措施 可解得 不合格品率為16 49 可能原因及相應(yīng)措施 對(duì)刀不準(zhǔn) 需準(zhǔn)確調(diào)刀消除系統(tǒng)誤差 減少不可修復(fù)廢品2 工序能力差 需減小 改善工藝條件 提示 76 5 4機(jī)械加工表面質(zhì)量的影響因素及其控制 由前已知 表面 微觀 形貌表面層物理機(jī)械性能 加工變質(zhì)層 機(jī)械加工表面質(zhì)量 表面粗糙度表面波紋度 塑性變形引起的冷作硬化切 磨 削熱引起的金相組織變化力 熱 產(chǎn)生的殘余應(yīng)力 輪廓算術(shù)平均偏差Ra微觀不平度10點(diǎn)高度Rz 直線波紋度平均波幅Wz圓周波紋度平均波幅Wz 77 5 4 1切削加工表面的形成過程 切削層金屬經(jīng)過第 變形區(qū)后形成了切屑 經(jīng)過第 變形區(qū)則形成了已加工表面 分流點(diǎn)O以下的金屬經(jīng)嚴(yán)重的擠壓摩擦產(chǎn)生塑變 脫離后刀面后 因深處基體的的彈性變形產(chǎn)生彈性恢復(fù) h 并留在加工表面上 在VB和CD段與后刀面接觸而使塑變加劇 甚至可引起表層的非晶質(zhì)化 纖維化及加工硬化 78 5 4 2機(jī)械加工表面粗糙度及其降低的工藝措施 一 切削加工 79 H H 理論粗糙度 1 切削加工表面粗糙度的成因 80 積屑瘤的影響 積屑瘤對(duì)表面質(zhì)量的影響 hD過切量造成深淺 寬窄不均的犁溝 增大了表面粗糙度 積屑瘤周期性生成與脫落碎片鑲嵌在已加工表面上 影響工件的表面質(zhì)量 高硬度積屑瘤脫落造成刀具的粘結(jié)磨損 增大了加工表面粗糙度 81 鱗刺的影響 切削加工表面在切削速度方向產(chǎn)生的魚鱗片狀毛刺其特點(diǎn)是晶粒與基體材料的晶粒相互交錯(cuò) 無分界線 82 切削機(jī)理的變化 單元切屑周期性斷裂向切削表面以下深入 在加工表面上留下擠裂痕跡 波浪形 崩碎切屑形成過程中 從主切削刃處開始的裂紋在接近主應(yīng)力方向斜著向下延伸 發(fā)生斷裂 造成加工表面的凸凹不平 切削刃兩側(cè)的工件材料被擠壓后因沒有側(cè)面的約束力而產(chǎn)生隆起 也會(huì)使表面粗糙度值加大 83 切削顫振 機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度不高 導(dǎo)軌形狀誤差引起的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)跳動(dòng) 材料不均勻及切屑不連續(xù)等造成切削力波動(dòng) 均會(huì)使刀具與工件間的相對(duì)位置產(chǎn)生變化 從而使切削厚度 寬度發(fā)生變化 這些變化的不穩(wěn)定因素會(huì)引起加工系統(tǒng)的自激振動(dòng) 使相對(duì)位置變化的振幅加大 導(dǎo)致背吃刀量變化 造成表面粗糙度值加大 切削刃損壞及刀具邊界磨損 84 2 切削加工表面粗糙度的控制 改善工件材料的切削性能調(diào)質(zhì)后加工 降低塑性 提高硬度 可抑制積屑瘤和鱗刺 選擇合理的切削速度 避開積屑瘤生長(zhǎng)區(qū)減少f 減小Rmax 避免刀屑粘結(jié) 抑制積屑瘤和鱗刺生長(zhǎng)采用有效的冷卻潤(rùn)滑液 減小摩擦 抑制積屑瘤和鱗刺生長(zhǎng)避免工藝系統(tǒng)的振動(dòng) 合理選擇刀具角度 適當(dāng)減小 r r或增大r 以減小Rmax增大 使塑性變形減小 以利于抑制積屑瘤和鱗刺采用寬刃刀具 或帶直線修光刃的刀具提高刃磨質(zhì)量 減小刀面粗糙度 磨損超值要及時(shí)換刀減小刀具和工件之間的摩擦系數(shù) 控制粘結(jié) 積屑瘤 鱗刺 85 二 磨削加工 適當(dāng)加大砂輪粒度號(hào) 增大砂輪單位面積的砂粒數(shù)m適當(dāng)提高砂輪速度vc或降低工件速度vw 即增大vc vw比值 減少塑變合理使用直徑較大的砂輪 加大Rt 加大砂輪寬度B 減小軸向進(jìn)給量fa 使B fa比值增大減小徑向進(jìn)給量fr或磨削深度ap 甚至無進(jìn)給光磨 提高砂輪修整質(zhì)量 保持鋒利度和微刃口等高性金剛石砂輪電解在線修銳ELID ELectrolyticIn processDressing 選擇合適的砂輪硬度 磨削液及其澆注方法 減小磨削表面粗糙度值的措施 86 三 超精研 研磨 珩磨及拋光 加工用參數(shù)為壓強(qiáng) 不是磨削背吃刀量 磨削深度 自為基準(zhǔn)加工 主要是降低表面粗糙度 很難提高加工精度 只有用精密定型研磨工具時(shí) 才能提高工件的形狀精度 不需要機(jī)床有非常精確的成形運(yùn)動(dòng) 加工余量是前序公差的幾分之一 原理上講只要等于上序的Rz 特點(diǎn) 超精研 87 研磨 88 主要用于加工內(nèi)孔表面 可達(dá)Rz0 4 3 2 甚至Rz0 1 珩磨 也可用于外圓表面的加工 89 用軟研具打光已精加工過的表面 去除前序留下的痕跡 或?yàn)楂@得光亮美觀的表面 提高疲勞強(qiáng)度 機(jī)械拋光用帆布 毛氈或皮帶 加入磨料 氧化鉻 氧化鐵等 也可用配制的拋光研磨膏 在打磨過程中去除金屬層液體拋光用含磨料的磨削液高速噴磨 擊平凸峰 拋光 此外 還有電解拋光 化學(xué)拋光等非傳統(tǒng)加工方法 90 5 4 3加工表面變質(zhì)層 1 冷作硬化 1 冷作硬化的產(chǎn)生及其影響冷作硬化是經(jīng)過切削或磨削加工所造成的表面硬化現(xiàn)象 經(jīng)過上述幾次變形 使得金屬晶格發(fā)生扭曲 晶粒被拉長(zhǎng) 破碎 使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難 阻礙了金屬的進(jìn)一步塑變 而使金屬?gòu)?qiáng)化 硬度顯著提高 冷作硬化使表面的耐磨性提高 脆性增加 沖擊韌性降低 也給后續(xù)加工帶來困難 增加刀具磨損 減少刀具壽命 91 切削溫度的影響當(dāng)切削溫度低于相變點(diǎn)時(shí) 表層將被弱化 硬度將降低 若溫度高于時(shí)將產(chǎn)生相變 加工表面的硬度將是這些強(qiáng)化 弱化及相變綜合作用的結(jié)果 當(dāng)塑性變形為主時(shí) 表面要產(chǎn)生硬化 當(dāng)切削溫度起主導(dǎo)作用時(shí) 要由相變情況而定 92 2 影響加工硬化的因素及控制措施 材料硬度越低 塑性增大 H和 hd越大使用性能好的切削液 可改善工件的切削加工性 選擇較大的 減少切削變形 使 H和 hd均減小選擇較大的 減少后刀面的摩擦 使加工硬化減小減小刃口鈍圓半徑rn 減小擠壓摩擦 使硬化層深度減小適當(dāng)控制后刀面磨損VB提高刃磨質(zhì)量 減小硬化 合理選擇切削用量 可減輕加工硬化選較高的切削速度vc和較小的f切削深度的影響不大 93 殘余應(yīng)力 1 機(jī)械加工中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生 局部高溫塑性變形使表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力 嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)裂紋局部冷態(tài)塑性變形切削時(shí) 表層產(chǎn)生拉伸冷態(tài)塑變形 將使表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力 反之 產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力局部金相組織變化馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織 表層體積欲減小 受到基體拉伸 產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力 94 由正變?yōu)樨?fù)時(shí) 可使表層殘余拉應(yīng)力逐漸減小 前角為較大負(fù)值且切削用量合適時(shí) 可得殘余壓應(yīng)力 VB值增大 切削溫度升高 使加工表面呈殘余拉應(yīng)力 同時(shí)使殘余拉應(yīng)力層深度加大 塑性越大 切削加工后產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力越大脆性材料的加工表面易產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力 vc增大 熱應(yīng)力為主 使殘余應(yīng)力增大 但深度減小f增加 殘余拉應(yīng)力增大 但壓應(yīng)力將向里層移動(dòng) p對(duì)殘余應(yīng)力的影響不顯著 2 影響殘余應(yīng)力的因素及控制措施 95 3 磨削燒傷與裂紋及其控制措施 磨削工件時(shí) 當(dāng)工件表面層溫度達(dá)到或超過金屬材料的相變溫度時(shí) 表層金屬材料的金相組織將發(fā)生變化 表層顯微硬度也相應(yīng)變化 并伴隨有殘余應(yīng)力產(chǎn)生 甚至出現(xiàn)微裂紋 同時(shí)出現(xiàn)彩色氧化膜 這種現(xiàn)象稱磨削燒傷 1 磨削燒傷 96 馬氏體轉(zhuǎn)變溫度 相變溫度馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鸾M織 索氏體或屈氏體 磨削淬火鋼時(shí) 由于磨削區(qū)溫度的不同 可能產(chǎn)生三種燒傷 回火燒傷 淬火燒傷 退火燒傷 相變溫度時(shí)急冷 表層出現(xiàn)二次淬火 硬度提高 內(nèi)層產(chǎn)生過回火組織 硬度降低 未用磨削液 相變溫度時(shí)慢冷 出現(xiàn)退火 硬度降低 97 磨削的高溫在工件表面層引起熱應(yīng)力和金相組織相變帶來的體積應(yīng)力 且多呈現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力 如果這種拉應(yīng)力超過了工件材料的抗拉強(qiáng)度極限時(shí) 工件磨削表面就會(huì)產(chǎn)生裂紋 磨削裂紋 2 磨削裂紋 磨削淬火鋼 滲碳鋼及硬質(zhì)合金工件時(shí) 常常在垂直于磨削的方向上產(chǎn)生微小龜裂 嚴(yán)重時(shí)發(fā)展成龜殼狀微裂紋 有的裂紋不在工件的外表面 而是在表面層下 用肉眼根本無法發(fā)現(xiàn) 98 在零件的制造過程中 一方面要設(shè)法避免裂紋的產(chǎn)生 另一方面要采用適宜的檢驗(yàn)方法來檢查工件的表面質(zhì)量 磨削裂紋的方向常與磨削方向垂直或呈網(wǎng)狀 并且與燒傷同時(shí)出現(xiàn) 磨削裂紋降低零件疲勞強(qiáng)度 甚至早期出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂 99 3 減輕磨削燒傷 裂紋的途徑 減少熱量的產(chǎn)生加速熱量的傳出 選擇合理的磨削用量 減小磨削深度ap 直至進(jìn)行無進(jìn)給光磨增大進(jìn)給量f 減少砂輪和工件表面的接觸時(shí)間 以免升溫 為保證加工表面粗糙度 可用寬砂輪 增加工件速度vw 減少接觸時(shí)間 使傳到工件上的熱量相對(duì)減少 為防止表面粗糙度增大 可同時(shí)增加砂輪速度vc 高速磨削 且可有效地避免磨削燒傷 100 提高冷卻效果 采用高壓大流量法提高冷卻 沖洗效果安裝帶空氣擋板的噴嘴使磨削液順利噴注到磨削區(qū)采用磨削液霧化法或內(nèi)冷卻法進(jìn)一步增強(qiáng)冷卻效果 101 正確選用砂輪 正確選用磨料 結(jié)合劑 粒度 硬度與組織等 開槽砂輪 選用新結(jié)構(gòu)和新工藝 改進(jìn)砂輪修整工藝 102 4 表面強(qiáng)化工藝 利用表面層的冷作硬化和殘余壓應(yīng)力 提高零件的抗疲勞強(qiáng)度和使用壽命 漲孔 滾柱滾壓 單滾珠滾壓 鋼球擠壓 多滾珠滾壓 噴丸 103 5 5機(jī)械加工過程中的振動(dòng)及控制 機(jī)械加工中的振動(dòng)類型 5 5 1概述 切削力突變 切入時(shí) 外力沖擊 受周期干擾力 地基 電機(jī) 齒輪嚙合 回轉(zhuǎn)件不平衡 多刃多齒刀具 系統(tǒng)自身引起的交變切削力作用 加強(qiáng)和維持了自身振動(dòng) 104 振動(dòng)的危害 表面質(zhì)量下降 振紋 降低機(jī)床 夾具 刀具壽命 聯(lián)接松動(dòng) 崩刃 磨損 限制生產(chǎn)率的提高 切削用量不能提高 環(huán)境污染 噪音 105 超精密車床實(shí)現(xiàn)了鏡面加工 掃描隧道顯微技術(shù) ScanningTunnelMicroscope STM 實(shí)現(xiàn)了原子搬遷 需要精密的隔振環(huán)境 106 金剛石刀具研磨裝置示意圖Thelappingsetupfordiamondtool1 空氣隔振墊2 電機(jī)3 空氣靜壓軸承4 配重5 裝夾系統(tǒng)6 單晶金剛石7 高磷鑄鐵研磨盤 金剛石刀具研磨技術(shù) 107 隔振前金剛石刀具前刀面AFM形貌TherakefaceAFMtopographyoflappeddiamondtoolwithoutairvibrationisolators a 水平方向 b 垂直方向 隔振前機(jī)床正常工作的振動(dòng)情況Theamplitudeandfrequencyoflappingmachinewithoutairvibrationisolators 殘留在前刀面的研磨痕跡明顯 都為納米尺度的塑性溝槽 表面波紋度相對(duì)較大 其表面粗糙度值為Ra2 4nm 108 隔振后金剛石刀具前刀面AFM形貌TherakefaceAFMtopographyoflappeddiamondtoolwithairvibrationisolators 研磨后殘留在前刀面的塑性溝槽已模糊不清 表面相對(duì)比較平整 其表面粗糙度值為Ra1