第六章机械加工质量课件.ppt
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- 第六 机械 加工 质量 课件
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1、机械加工质量机械加工质量6.1.1加工精度的概念加工精度的概念 加工质量主要指机械加工精度和表面质量。加工精度是指零件在加工后的实际几何参数(尺寸、几何形状和表面相互位置)与理想零件的几何参数相符合的程度。其符合程度愈高,则加工精度愈高,反之,愈低。实际加工时不可能也没有必要把零件做得与理想零件完全一致,而总会有一定的偏差,即加工误差。只要这些误差在规定的范围内,即能满足机器使用性能的要求。加工误差是指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度,所以,加工误差的大小反映了加工精度的高低。6.1.2表面质量的概念表面质量的概念 表面质量是指零件表面几何特征和物理力学性能。它主要有如下两方面
2、内容:6.1.3表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响一、表面质量对零件耐磨性的影响(1)表面粗糙度对零件耐磨性的影响 表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关,载荷加大时,磨损曲线向上、向右移动,最佳表面粗糙度值也随之右移。二、表面质量对零件疲劳强度的影响二、表面质量对零件疲劳强度的影响(1)表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度越大,抗疲劳破坏的能力越差。对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下,表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中,产生疲劳裂纹。表面粗糙度值越小,表面缺陷越少,工件耐疲劳性越好;反之,加工表面越粗糙,表面
3、的纹痕越深,纹底半径越小,其抗疲劳破坏的能力越差。(2)表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响 适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。残余应力有拉应力和压应力之分,残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度 残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力,延缓疲劳裂纹的扩展,从而提高零件的疲劳强度。三、表面质量对零件耐腐蚀性能的影响三、表面质量对零件耐腐蚀性能的影响(1)表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面越粗糙,越容易积聚腐蚀性物质,凹谷越深,渗透与腐蚀作用越强烈。因此减小零件表面粗糙度,可以提高零件的耐腐蚀性能。(2)表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 零件
4、表面残余压应力使零件表面紧密,腐蚀性物质不易进入,可增强零件的耐腐蚀性,而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。(3)表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响:如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度;对滑动零件,可降低其摩擦系数,从而减少发热和功率损失。四、表面质量对零件工作精度的影响四、表面质量对零件工作精度的影响(1)表面粗糙度对零件配合精度的影响 表面粗糙度较大,则降低了配合精度。(2)表面残余应力对零件工作精度的影响 表面层有较大的残余应力,就会影响它们精度的稳定性。6.2.1影响加工精度和表面质量的因素 机械加工中,机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统在完成任何一个加工过
5、程中,都将有许多原始误差影响零件的加工精度。它们是机床的几何误差,包括微量进给误差、成形运动误差及磨损误差;工件的安装误差;测量误差以及加工中各种力和切削热所引起的误差等。这些误差可分为两部分:一部分与工艺系统本身的结构和状态有关;一部分与切削过程有关。按照这些误差的性质将其归纳为四个方面。工艺系统的几何误差。包括加工方法的原理误差、机床的几何误差、调整误差、刀具和夹具的制造误差、工件的安装误差以及工艺系统磨损所引起的误差。工艺系统受力变形所引起的误差。工艺系统热变形所引起的误差。工件内应力所引起的误差。包括零件的毛坯制造和切削加工中的内应力引起的误差。6.2.1.1工艺系统的几何误差一、原理
6、误差原理误差是指由于采用了近似的加工方法、近似的成原理误差是指由于采用了近似的加工方法、近似的成形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。例如滚齿用的齿轮滚刀,就有两种误差,一是为了制造例如滚齿用的齿轮滚刀,就有两种误差,一是为了制造方便,采用阿基米德蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的方便,采用阿基米德蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造形误差;二是由于滚刀切削刃数有限,刀刃齿廓近似造形误差;二是由于滚刀切削刃数有限,切削是不连续的,因而滚切出的齿轮齿形不是光滑的渐切削是不连续的,因而滚切出的齿轮齿形不是光滑的渐开线,而是折线。开线,而是折线。成形车刀、成形铣
7、刀也采用了近似的刀具轮廓。成形车刀、成形铣刀也采用了近似的刀具轮廓。采用近似的成形运动和刀具刃形,不但可以简化机床采用近似的成形运动和刀具刃形,不但可以简化机床或刀具的结构,而且能提高生产效率和加工的经济效益。或刀具的结构,而且能提高生产效率和加工的经济效益。二、机床的几何误差机床几何误差组成1、主轴回转误差(1)机床主轴回转误差的概念)机床主轴回转误差的概念主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线(一般用平主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线(一般用平均回转轴线来代替)产生的偏移量。均回转轴线来代替)产生的偏移量。实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成
8、。由于主轴实际回转轴线在空间的位置是在不断变化的,由于主轴实际回转轴线在空间的位置是在不断变化的,由上述三种运动所产生的位移(即误差)是一个瞬时由上述三种运动所产生的位移(即误差)是一个瞬时值。值。主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响 镗削加工:镗刀回转,工件不转镗削加工:镗刀回转,工件不转 假设由于主轴的纯径向跳动而使轴线在假设由于主轴的纯径向跳动而使轴线在y坐标方向作简谐坐标方向作简谐运动,其频率与主轴转速相同,简谐幅值为运动,其频率与主轴转速相同,简谐幅值为A;则则:Y=Acos (t)且主轴中心偏移最大(等于且主轴中心偏移最大(等于A)时
9、,镗刀尖正好通过水平)时,镗刀尖正好通过水平位置位置1处。处。当镗刀转过一个当镗刀转过一个角时(位置角时(位置1),刀尖轨迹的水平分量),刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分别计算得:和垂直分量分别计算得:y=Acos+Rcos=(A+R)cosZ=Rsin将上两式平方相加得将上两式平方相加得:表明此时镗出的孔为椭圆形。表明此时镗出的孔为椭圆形。1)(2222RZARy镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响 车床加工:工件回转,刀具移动车床加工:工件回转,刀具移动假设主轴轴线沿假设主轴轴线沿y轴作简谐运动,在工件的轴作简谐运动,在工件的1处(主处(主轴中心偏移最大之处)切出
10、的半径比在工件的轴中心偏移最大之处)切出的半径比在工件的2、4处切处切出的半径小一个幅值出的半径小一个幅值A;在工件的;在工件的3处切出的半径比在处切出的半径比在工件的工件的2、4处切出的半径大一个幅值处切出的半径大一个幅值A。这样,上述四点工件的直径都相等,其它各点直径这样,上述四点工件的直径都相等,其它各点直径误差也很小,所以车削出的工件表面接近于一个真圆。误差也很小,所以车削出的工件表面接近于一个真圆。Y2+Z2=R2+A2Sin2由此可见,主轴的纯径向跳动对车削加工工件的圆由此可见,主轴的纯径向跳动对车削加工工件的圆度影响很小。度影响很小。车削时纯径向跳动对加工精度的影响车削时纯径向跳
11、动对加工精度的影响轴向窜动对车、镗削加工精度的影响轴向窜动对车、镗削加工精度的影响主轴的轴向窜动对内、外圆的加工精度没有主轴的轴向窜动对内、外圆的加工精度没有影响,但加工端面时,会使加工的端面与内外圆影响,但加工端面时,会使加工的端面与内外圆轴线产生垂直度误差。轴线产生垂直度误差。主轴每转一周,要沿轴向窜动一次,使得切主轴每转一周,要沿轴向窜动一次,使得切出的端面产生平面度误差(出的端面产生平面度误差(图图)。当加工螺纹时,)。当加工螺纹时,会产生螺距误差。会产生螺距误差。主轴轴向窜动对端面加工精度的影响主轴轴向窜动对端面加工精度的影响角度摆动对车、镗削加工精度的影响角度摆动对车、镗削加工精度
12、的影响主轴纯角度摆动对加工精度的影响,取决于主轴纯角度摆动对加工精度的影响,取决于不同的加工内容。不同的加工内容。车削加工时工件每一横截面内的圆度误差很车削加工时工件每一横截面内的圆度误差很小,但轴平面有圆柱度误差(锥度)。小,但轴平面有圆柱度误差(锥度)。车外圆:车外圆:得到圆形工件,但产生圆柱度误差得到圆形工件,但产生圆柱度误差(锥体)(锥体)车端面:车端面:产生平面度误差产生平面度误差镗孔时镗孔时,由于主轴的纯角度摆动,由于主轴的纯角度摆动 使得主轴回转使得主轴回转轴线与工作台导轨不平行,轴线与工作台导轨不平行,使镗出的孔呈椭圆形,使镗出的孔呈椭圆形,如如图图所示。所示。主轴纯角度摆动对
13、镗孔精度的影响主轴纯角度摆动对镗孔精度的影响2、机床导轨误差、机床导轨误差 机床导轨是机床中确定某些主要部件相对位置的基准,也机床导轨是机床中确定某些主要部件相对位置的基准,也是某些主要部件的运动基准。是某些主要部件的运动基准。现以卧式车床为例,说明导轨误差是怎样影响工件现以卧式车床为例,说明导轨误差是怎样影响工件的加工精度的。的加工精度的。(1 1)导轨在水平面内直线度误差的影响)导轨在水平面内直线度误差的影响 当导轨在水平面内的直线度误差为当导轨在水平面内的直线度误差为y时时(图)(图),引起工件在半径方向的误差为:引起工件在半径方向的误差为:R=y由此可见:床身导轨在水平面内如果有直线由
14、此可见:床身导轨在水平面内如果有直线度误差,使工件在纵向截面和横向截面内分别产度误差,使工件在纵向截面和横向截面内分别产生形状误差和尺寸误差。生形状误差和尺寸误差。当导轨向后凸出时,工件上产生鞍形加工误差;当导轨向后凸出时,工件上产生鞍形加工误差;当导轨向前凸出时,工件上产生鼓形加工误差。当导轨向前凸出时,工件上产生鼓形加工误差。(2)导轨在垂直面内直线度误差导轨在垂直面内直线度误差222)(RZRR导轨在垂直面内直线度误差的影响导轨在垂直面内直线度误差的影响床身导轨在垂直面内有直线度误差,会引起刀尖产生床身导轨在垂直面内有直线度误差,会引起刀尖产生切向位移切向位移Z,造成工件在半径方向产生的
15、误差为:,造成工件在半径方向产生的误差为:设:设:Z=Y=0.01mm,R=50mm,则由于法向原始误差而产生的加工误差则由于法向原始误差而产生的加工误差 R=Y=0.01mm,由于切向原始误差产生的加工误差由于切向原始误差产生的加工误差 R=0.000001mm 此值完全可以忽略不计,因此该误差对工件的尺寸此值完全可以忽略不计,因此该误差对工件的尺寸精度和形状精度影响甚小。精度和形状精度影响甚小。RZR22结论:结论:原始误差引起工件相对于刀具产生相对位移,若产生在加工表面法向方向(误差敏感方向),对加工精度有直接影响;产生在加工表面切向方向(误差非敏感方向),可忽略不计。(3 3)前后导轨
16、平行度误差的影响)前后导轨平行度误差的影响床身前后导轨有平行度误差(扭曲)时,会使车床溜板在沿床身移动时发生偏斜,从而使刀尖相对工件产生偏移,使工件产生形状误差(鼓形、鞍形、锥度)。3 3、机床传动链误差、机床传动链误差在车螺纹、插齿、滚齿等加工时,刀具与工件之间有严格的传动比要求。要满足这一要求,机床内联系传动链的误差必须控制在允许的范围内。三、调整误差 机械加工中存在着很多工艺系统的调整问题,由于任何一次调整工作不可能绝对准确,所以存在误差。这种误差称为调整误差。引起调整误差的因素很多,例如调整时所用的刻度盘、行程机构的精度以及与他们配合使用的离合器、电器开关、控制开关等的灵敏度。四、刀具
17、夹具的制造误差及工件的安装误差 机械加工中常用的刀具有:一般刀具、定尺寸刀具及成形刀具。一般刀具(如车刀、镗刀、铣刀等)的制造误差对加工精度没有直接的影响。定尺寸刀具(如钻头、绞刀、拉刀及槽铣等)的尺寸误差直接影响被加工零件的尺寸精度。同时刀具的工作条件,如机床主轴的跳动因刀具安装不当引起的径向或端面圆跳动等都会使加工面的尺寸扩大。成形刀具(如成形刀、成形铣刀以及齿轮滚刀等)的误差主要影响被加工面的形状精度。夹具的制造误差一般是指定位元件、导向元件及夹具体等零件的加工和装配误差。工件的安装误差,包括工件的定位误差和夹紧误差。五、工艺系统磨损所引起的误差 机床在长期使用中,由于各部件的结构、工作
18、条件和维护情况等各方面的不同,形成各表面间不同程度的磨损。这些磨损必将扩大机床的原始误差,影响零件的各项加工精度。夹具和量具使用中的磨损,将会引起工件的定位误差和测量误差。刀具的磨损,会直接影响刀具相对被加工表面的位置,造成一批零件的尺寸误差。长的轴类零件,由于刀具的磨损还会造成形状误差。6.2.1.2工艺系统受力变形引起的加工误差一、工艺系统的刚度1.工艺系统刚度的概念yFKY工艺系统刚度 在机械加工过程中,工艺系统的刚度是加工表面法向所受的外力与该方向上位移的比值。工艺系统的刚度,是以系统中各个环节的刚度来进行计算的。工艺系统的刚度,是以系统中各个环节的刚度来进行计算的。11111cjdg
19、KKKKK2.机床部件刚度特点 机床结构复杂,组成的零机床结构复杂,组成的零部件多,各零部件之间有部件多,各零部件之间有不同的联接和运动方式,不同的联接和运动方式,因而机床部件的刚度问题因而机床部件的刚度问题就比较复杂。它的计算至就比较复杂。它的计算至今还没有合适的方法,需今还没有合适的方法,需要通过实验来测定。要通过实验来测定。图图为单向加载时车床为单向加载时车床刚度测定示意图。主轴部刚度测定示意图。主轴部件、尾座及刀架的变形可件、尾座及刀架的变形可分别从千分表分别从千分表2、3和和6读出。读出。这种方法测得的这种方法测得的y方方向位移是背向力向位移是背向力Fp作用下作用下引起的变形。引起的
20、变形。图图 单向静载测定车床刚度单向静载测定车床刚度 1心轴心轴 2、3、6千分表千分表 4测力环测力环 5螺旋加力器螺旋加力器 车床刀架部件的刚度曲线一次加载一次加载 二次加载二次加载 三次加载三次加载(1 1)机床部件刚度的特点)机床部件刚度的特点 1)背向力背向力Fp与刀架变形与刀架变形ydj不是线性关系。不是线性关系。2)加载曲线与卸载曲线不重合。加载曲线与卸载曲线不重合。3)加载曲线与卸载曲线不封闭(卸载后加载曲线与卸载曲线不封闭(卸载后 由于存在残余变形,曲线回不到原点)。由于存在残余变形,曲线回不到原点)。4)部件的实际刚度远比按实体结构的估计)部件的实际刚度远比按实体结构的估计
21、 值小。值小。(2 2)影响机床部件刚度的因素)影响机床部件刚度的因素 连接表面间的接触变形(连接表面间的接触变形(图示图示)薄弱零件本身的影响(薄弱零件本身的影响(图图)接合面间的间隙接合面间的间隙 接合面间摩擦力的影响接合面间摩擦力的影响两零件结合面间的接触情况两零件结合面间的接触情况机床部件刚度的薄弱环节a)溜板中的楔铁溜板中的楔铁 b)轴承套轴承套二、工艺系统受力变形对加工精度的影响1、切削力作用位置变化引起的加工误差、切削力作用位置变化引起的加工误差工艺系统受力变形随切削位置而变化根据材料力学的挠度计算公式,其切削点工件的变形量为:从上式的计算结果和车削的实际情况都可证实,切削后的工
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