機械製造技術教程_4機械加工質量分析

tags: 機械加工 機械製造    時間:2014-03-07 13:58:40
機械製造技術教程_4機械加工質量分析簡介
機器的質量取決於零件的加工質量和機器的裝配質量,零件機械加工質量包含零件機械加工后表面幾何方面的質量和材料性能方面的質量兩大部分。 幾何方面的質量是指零件的幾何形狀方面的誤差,它包括宏觀……
機械製造技術教程_4機械加工質量分析正文

機器的質量取決於零件的加工質量和機器的裝配質量,零件機械加工質量包含零件機械加工后表面幾何方面的質量和材料性能方面的質量兩大部分。

幾何方面的質量是指零件的幾何形狀方面的誤差,它包括宏觀幾何形狀誤差和微觀幾何形狀誤差。宏觀幾何形狀誤差包括尺寸誤差、幾何形狀誤差和相互位置誤差,通稱為機械加工誤差;微觀幾何形狀誤差是指微觀幾何形狀的不平度,或稱表面粗糙度。在機械加工中,由於振動等原因還會產生一種介於宏觀幾何形狀誤差和微觀表面粗糙度之間的周期性幾何形狀誤差,常用波度表示。

材料性能方面的質量是指機械加工后零件一定深度表面層的物理力學性能等方面的質量發生了變化(與材料基體相比),一般稱之為加工變質層。

4.1    機械加工精度

4.1.1    加工精度的基本概念

機械加工精度是指零件加工后的實際幾何參數(尺寸、形狀和位置)與理想幾何參數相符合程度。它們之間的差異稱為加工誤差。加工誤差的大小反映了加工精度的高低。誤差越大加工精度越底;反之,誤差越小加工精度越高。

加工精度包括三個方面:

1、 尺寸精度:指加工后零件的實際尺寸與零件尺寸的公差帶中心的相符合程度。

2、      形狀精度:指加工后的零件表面的實際幾何形狀與理想的幾何形狀的相符合程度。

3、 位置精度:指加工后零件有關表面之間的實際位置與理想位置相符合程度。

4.1.2    獲得加工精度的方法

1.獲得尺寸精度的方法

工件在加工時,其尺寸精度的獲得方式有下列四種:

(1)試切法 即依靠試切工件、測量、調整刀具,再試切直至所要求的精度。

(2)調整法 先按試切法調整好刀具相對於機床或夾具的位置,然後再成批加工工件。

(3)定尺寸法 用一定的形狀和尺寸的刀具(或組合刀具)來保證工件的加工形狀和尺寸精度。如鑽孔,鉸孔,拉孔,攻絲和鏜孔。定尺寸法加工精度比較穩定,對工人的技術水平要求不高,生產率高,在各種生產類型中廣泛應用。

(4)自動控制法 這種方法是由測量裝置、進給裝置和控制系統等組成自動控制加工系統,使加工過程的尺寸測量、刀具補償調整和切削加工以及機床停車等一系列工作自動完成,自動達到所要求的尺寸精度。

如在數控機床上加工時,將數控加工程序輸入到CNC裝置中,由CNC裝置發出的指令信號,通過伺服驅動機構使機床工作,檢測裝置進行自動測量和比較,輸出反饋信號使工作台補充位移,最終達到零件規定的形狀和尺寸精度。

獲得形狀精度的方法

工件在加工時,其形狀精度的獲得方法有下列三種:

(1)軌跡法 這種方法是依靠刀具與工件的相對運動軌跡來獲得工件形狀的。如利用工件的迴轉和車刀按靠模作的曲線運動來車削成形表面等。

(2)成形法 為了提高生產率,簡化機床結構,常採用成形刀具來代替通用刀具。此時,機床的某些成形運動就被成形刀具的刃形所代替。如用成形車刀車曲面等。

(3)展成法 各種齒形的加工常採用此法。如滾齒時,滾刀與工件保持一定的速比關係,而工件的齒形則是由一系列刀齒的包絡線所形成的。

2.得位置精度的方法

獲得位置精度的方法有兩種:一是根據工件加工過的表面進行找正的方法;二是用夾具安裝工件,工件的位置精度由夾具來保證。

4.1.3    影響加工精度的原始誤差

   在機械加工中,機床、夾具、工件和刀具構成了一個完整的系統,稱為工藝系統。由於工藝系統本身的結構和狀態、操作過程以及加工過程中的物理力學現象而產生刀具和工件之間的相對位置關係發生偏移所產生的誤差稱為原始誤差,從而影響零件加工精度。一部分原始誤差與工藝系統本身的初始狀態有關;一

 

部分原始誤差與切削過程有關。這兩部分誤差又受環境條件、操作者技術水平等因素的影響。

1、 與工藝系統本身初始狀態有關的原始誤差

(1)原理誤差 即加工方法原理上存在的誤差。

(2)工藝系統幾何誤差 它可歸納為兩類:

①工件與刀具的相對位置在靜態下已存在的誤差,如刀具和夾具製造誤差,調整誤差以及安裝誤差;

②工件與刀具的相對位置在運動狀態下存在的誤差,如機床的主軸迴轉運動誤差,導軌的導向誤差,傳動鏈的傳動誤差等。

2、 與切削過程有關的原始誤差

(1)工藝系統力效應引起的變形,如工藝系統受力變形、工件內應力的產生和消失而引起的變形等。

(2)工藝系統熱效應引起的變形,如機床、刀具、工件的熱變形等。

4.1.4   加工原理誤差

加工原理誤差是由於採用了近似的加工運動方式或者近似的刀具輪廓而產生的誤差。因為它在加工原理上存在誤差,故稱原理誤差。原理誤差在允許範圍內是可行的。

1.採用近似的加工運動造成的誤差

在許多場合,為了得到要求的工件表面,必須在工件或刀具的運動之間建立一定的聯繫。從理論上講,應採用完全準確的運動聯繫。但是,採用理論上完全準確的加工原理有時使機床或夾具極為複雜,致使製造困難,反而難以達到較高的加工精度,有時甚至是不可能做到的。如在車削或磨削模數螺紋時,由於

其導程t=πm,式中有π這個無理因子,在用配換齒輪來得到導程數值時,就存在原理誤差。

2.採用近似的刀具輪廓造成的誤差

用成形刀具加工複雜的曲面時,要使刀具刃口做得完全符合理論曲線的輪廓,有時非常困難,往往採用圓弧、直線等簡單近似的線型代替理論曲線。如用滾刀滾切漸開線齒輪時,為了滾刀的製造方便,多用阿基米德基本蝸桿或法向直廓基本蝸桿來代替漸開線基本蝸桿,從而產生了加工原理誤差。

  4.1.5    機床的幾何誤差

   機床是工藝系統中重要的組成部分,機床的製造誤差、安裝誤差、使用中的磨損都直接影響工件的加工精度。這裡著重分析對工件加工精度影響較大的主軸迴轉運動誤差、導軌導向誤差和傳動鏈傳動誤差。

1.主軸迴轉運動誤差

(1)主軸迴轉精度的概念

主軸迴轉時,在理想狀態下,主軸迴轉軸線在空間的位置應是穩定不變的,但是,由於主軸、軸承、箱體的製造和裝配誤差以及受靜力、動力作用引起的變形、溫升熱變形等,主軸迴轉軸線瞬時都在變化(漂移)。通常以各瞬時迴轉軸線的平均位置作為平均軸線來代替理想軸線。主軸迴轉精度是指主軸的實際迴轉軸線與平均迴轉軸線相符合的程度,它們的差異就稱為主軸迴轉運動誤差。主軸迴轉運動誤差可分解為三種形式:軸向竄動、純徑向跳動和純角度擺動。如圖4—1所示。

                       

               圖4—1  主軸迴轉精度誤差

a) 純軸向竄動   b) 純徑向跳動   c) 純角擺動

(2)影響主軸迴轉精度的主要因素

實踐和理論分析表明,影響主軸迴轉精度的主要因素有主軸的誤差、軸承的誤差、床頭箱體主軸孔的誤差以及與軸承配合零件的誤差等。當採用滑動軸承時,影響主軸迴轉精度的因素有:主軸頸和軸瓦內孔的圓度誤差以及軸頸和軸瓦內孔的配合精度。對於車床類機床,軸瓦內孔的圓度誤差對加工誤差影響很小。因為切削力方向不變,迴轉的主軸軸頸總是與軸瓦內孔的某固定部分接觸,因而軸瓦內孔的圓度誤差幾乎對主軸迴轉運動誤差影響為零。如圖4—2a所示。

 

4—2  滑動軸承對主軸迴轉精度的影響

a) 車床類   b) 鏜床類

對於鏜床類機床,因為切削力方向是變化的,軸瓦的內孔總是與主軸頸的某一固定部分接觸。因而,軸瓦內孔的圓度誤差對主軸迴轉精度影響較大,主軸軸頸的圓度誤差對主軸迴轉精度影響較小。如圖4—2b所示。

採用滾動軸承的主軸部分影響主軸迴轉精度的因素很多,如內圈與主軸頸的配合精度,外圈與箱體孔配合精度,外圈、內圈滾道的圓度誤差,內圈孔與滾道的同軸度,以及滾動體的形狀精度和尺寸精度。

床頭箱體的軸承孔不圓,使外圈滾道變形;主軸軸頸不圓,使軸承內圈滾道變形,都會產生主軸迴轉誤差。主軸前後軸頸之間,床頭箱體的前後軸承孔之間存在同軸度誤差,會使滾動軸承內外圈相對傾斜,主軸產生徑向跳動和端面跳動。此外,主軸上的定位軸套、鎖緊螺母端面的跳動等也會影響主軸的迴轉精度。

(3) 提高主軸迴轉精度的措施

①提高主軸、箱體的製造精度 主軸迴轉精度只有20%決定於軸承精度,而80%取決於主軸和箱體的精度和裝配質量。

②高速主軸部件要進行動平衡,以消除激振力。

③滾動軸承採用預緊 軸向施加適當的預載入荷(約為徑向載荷的20%—30%),消除軸承間隙,使滾動體產生微量彈性變形,可提高剛度、迴轉精度和使用壽命。

④採用多油楔動壓軸承(限於高速主軸) 上海機床廠生產的MGB1432高精度半自動外圓磨床採用三塊瓦式三油楔動壓軸承,軸心漂移量可控制在1μm以下。

⑤採用靜壓軸承 靜壓軸承由於是純液體摩擦,摩擦係數為0.0005,因此,摩擦阻力較小,可以均化主軸頸與軸瓦的製造誤差,具有很高的迴轉精度。

⑥採用固定頂尖結構 如果磨床前頂尖固定,不隨主軸迴轉,則工件圓度只和一對頂尖及工件頂尖孔的精度有關,而與主軸迴轉精度關係很小。主軸迴轉只起傳遞動力帶動工件轉動的作用。

2. 導軌的導向誤差

導軌在機床中起導向和承載作用。它既是確定機床主要部件相對位置的基準,也是運動的基準。導軌的各項誤差直接影響工件的加工質量。

(1)水平面內導軌直線度的影響 由於車床的誤差敏感方向在水平面(Y方向),所以這項誤差對加工精度影響極大。導軌誤差為ΔY,引起尺寸誤差Δd=2ΔY。當導軌形狀有誤差時,造成圓柱度誤差,如當導軌中部向前凸出時,工件產生鞍形(中凹形);當導軌中部向後凸出時,工件產生鼓形(中凸形)。

(2)垂直面內導軌直線度的影響 對車床來說,垂直面內(Z方向)不是誤差的敏感方向,但也會產生直徑方向誤差。

3.傳動鏈傳動誤差

 切削過程中,工件表面的成形運動,是通過一系列的傳動機構來實現的。傳動機構的傳動元件有齒輪、絲桿、螺母、蝸輪及蝸桿等。這些傳動元件由於其加工、裝配和使用過程中磨損而產生誤差,這些誤差就構成了傳動鏈的傳動誤差。傳動機構越多,傳動路線越長,則傳動誤差越大。為了減小這一誤差,除了提高傳動機構的製造精度和安裝精度外,還可採用縮短傳動路線或附加校正裝置。

4.1.6    刀具、夾具的製造誤差及磨損

一般刀具(如車刀、鏜刀及銑刀等)的製造誤差,對加工精度沒有直接的影響

定尺寸刀具(如鑽頭、鉸刀、拉刀及槽銑刀等)的尺寸誤差,直接影響被加工零件的尺寸精度。同時刀具的工作條件,如機床主軸的跳動或因刀具安裝不當引起徑向或端面跳動等,都會影響加工面的尺寸。

成形刀(成形刀、成形銑刀以及齒輪滾刀等)的誤差,主要影響被加工面的形狀精度。

夾具的製造誤差一般指定位元件、導向元件及夾具體等零件的加工和裝配誤差。這些誤差對被加工零件的精度影響較大。所以在設計和製造夾具時,凡影響零件加工精度的尺寸都控制較嚴。

 

刀具的磨損會直接影響刀具相對被加工表面的位置,造成被加工零件的尺寸誤差;夾具的磨損會引起工件的定位誤差。所以,在加工工程中,上述兩種磨損均應引起足夠的重視。

4.1.7    工藝系統受力變形引起的加工誤差

工藝系統在切削力、傳動力、慣性力、夾緊力以及重力的作用下,產生相應的變形和振動,將會破壞刀具和工件之間的成形運動的位置關係和速度關係,影響切削運動的穩定性,從而產生各種加工誤差和表面粗糙度。

圖4—3  車削細長軸時受力變形產生的加工誤差

1.切削過程中受力點位置變化引起的加工誤差。

切削過程中,工藝系統的剛度隨切削力著力點位置的變化而變化,引起系統變形的差異,使零件產生加工誤差。

   (1)在兩頂尖車削粗而短的光軸時,由於工件剛度較大,在切削力作用下的變形,相對機床、夾具和刀具的變形要小得多,故可忽略不計。此時,工藝系統的總變形完全取決於機床頭、尾架(包括頂尖)和刀架(包括刀具)的變形。工件產生的誤差為雙曲線圓柱度誤差。

   (2)在兩頂尖間車削細長軸時,由於工件細長,剛度小,在切削力作用下,其變形大大超過機床、夾具和刀具的受力變形。因此,機床、夾具結合刀具承受力變形可忽略去不計,工藝系統的變形完全取決於工件的變形。加工中當車刀處於如圖4—3所示的位置時,工件的軸線將會產生彎曲變形,根據材料力學的計算公式可得其變形量為y=Fy/3EI=(L-x)2x2/L。由式中可以看出,車刀車至x=L/2處時工件產生的變形最大,工件呈中間粗、兩頭細的腰鼓形。

2.切削力大小變化引起的加工誤差——誤差復映

工件的毛坯外形雖然具有粗略的零件形狀,但它在尺寸、形狀以及表面層材料硬度上都有較大的誤差。毛坯的這些誤差在加工時使切削深度不斷發生變化,從而導致切削力的變化,進而引起工藝系統產生相應的變形,使得零件在加工后還保留與毛坯表面類似的形狀或尺寸誤差。當然工件表面殘留的誤差比毛坯表面誤差要小得多。這種現象稱為“誤差復映規律”,所引起的加工誤差稱為“復映誤差”。

除切削力外,傳動力、慣性重力、夾緊力等其它作用力也會使工藝系統的變形發生變化,從而引起加工誤差,影響加工質量。

 3. 減小工藝系統受力變形的措施

減小工藝系統受力變形,不僅可以提高零件的加工精度,而且有利於提高生產率。因此,生產中必須採取有力措施,減小工藝系統受力變形。

(1) 提高工藝系統各部分的剛度

①提高工件加工時的剛度

有些工件因其自身剛度很差,加工中將產生變形而引起加工誤差,因此必須設法提高工件自身剛度。

例如車削細長軸時,為提高細長軸剛度,可採用如下措施:

●減小工件支承長度  為此常採用跟刀架或中心架及其他支承架。

●減小工件所受法向切削力  通常可採取增大前角、主偏角選為90°以及適當減小進給量和切削深度等措施減小

●採用反向走刀法 使工件從原來的軸向受壓變為軸向受拉。

②提高工件安裝時的夾緊剛度

對薄壁件,夾緊時應選擇適當的夾緊方法和夾緊部位,否則會產生很大的形狀誤差。

如圖4—4所示的薄板工件。由於工件本身有形狀誤差,用電磁吸盤吸緊時,工件產生彈性變形,磨削后鬆開工件,因彈性恢復工件表面仍有形狀誤差(翹曲)。解決辦法是在工件和電磁吸盤之間墊入一薄橡皮(0.5mm以下)。當吸緊時,橡皮被壓縮,工件變形減小,經幾次反覆磨削逐漸修正工件的翹曲,將工件磨平。

③提高機床部件的剛度

機床部件的剛度在工藝系統中佔有很大的比重,在機械加工時常用一些輔助裝置提高其剛度。如圖4—5a所示為六角車床上提高刀架剛度的裝置。該裝置的導向加強桿與

 

圖4—5  提高刀架剛度的裝置

輔助支承套或裝於主軸孔內的導套配合,從而使刀架剛度大大提高,如圖5—5b所示。

(2)提高接觸剛度

由於部件的接觸剛度遠遠低於實體零件本身的剛度,因此,提高接觸剛度是提高工藝系統剛度的關鍵,常用的方法有:

①改善工藝系統主要零件接觸面的配合質量 如機床導軌副、錐體與錐孔、頂尖與頂尖等配合面採用刮研與研磨,以提高配合表面的形狀精度,降低表面粗糙度。

②預載入荷 由於配合表面的接觸剛度隨所受載的增大而不斷增大,所以對機床部件的各配合表面施加預緊載荷不僅可以消除配合間隙,而且還可以使接觸表面之間產生預變形,從而大大提高了連接表面的接觸剛度。例如為了提高主軸部件的剛度,常常對機床主軸軸承進行預緊等。

  4.1.8    工藝系統受熱變形引起的加工誤差

機械加工中,工藝系統在各種熱源的作用下產生一定的熱變形。由於工藝系統熱源分佈的不均勻性及各環節結構、材料的不同,使工藝系統各部分的變形產生差異,從而破壞了刀具與工件的準確位置及運動關係,產生加工誤差。尤其對於精密加工,熱變形引起的加工誤差佔總加工誤差的一半以上。因此,在近代精密自動化加工中,控制熱變形對加工精密的影響已成為一項重要的任務和研究課題。

1.工藝系統的熱源

加工過程中,工藝系統的熱源主要有兩大類:內部熱源和外部熱源

(1)內部熱源

內部熱源來自切削過程,主要包括:

①切削熱 切削過程中,切削金屬層的彈性、塑性變形及刀具、工件、切屑間摩擦消耗的能量絕大多數轉化為切削熱。這些熱能量以不同的比例傳給工件、刀具、切屑及周圍的介質。

②摩擦熱 機床中的各種運動副,如導軌副、齒輪副、絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副、摩擦離合器等,在相對運動時因摩擦而產生熱量。機床的各種動力源如液壓系統、電機、馬達等,工作時也要產生能量損耗而發熱。這些熱量是機床熱變形的主要熱源。

③派生熱源 切削中的部分切削熱由切屑、切削液傳給機床床身,摩擦熱由潤滑油傳給機床各處,從而使機床產生熱變形。這部分熱源稱為派生熱源。此外也是重要的派生熱源。

(2)外部熱源

外部熱源主要來自於外部環境。

①環境溫度 一般來說,工作地周圍環境隨氣溫而變化,而且不同位置處的溫度也各不相同,這種環境溫度的差異有時也會影響加工精度。如加工大型精密件往往需要較長餓時間(有時甚至需要幾個晝夜)。由於晝夜溫差使工藝系統熱變形不均勻,從而產生加工誤差。

②熱輻射 陽光、照明燈、暖氣設備及人體等。

2.工藝系統的熱平衡

                       圖4—6  溫度和時間曲線

工藝系統受各種熱源影響,其溫度逐步上升。但同時,它們也通過各種傳熱方式向周圍散發熱量。當單位時間內傳入和散發的熱量相等時,則認為工藝系統達到熱平衡。圖4—6所示為一般機床的溫度和時間曲線。由圖可見,機床溫度變化比較緩慢。機床開始后一段時間(約2—6小時)里,溫升才逐漸趨於穩定。當機床各點溫度都達到穩定值時,則被認為處於熱平衡,此時的溫度場,是比較穩定的溫度場,其熱變形也相應地趨於穩定。此時引起的加工誤差是有規律的。

當機床處於平衡之前的預熱期,溫度隨時間而升高,其熱變形將隨溫度的升高而變化,故對加工精度的影響比較大。因此,精密加工應在熱平衡之後進行。

3.機床熱變形引起的加工誤差

圖4—7  車床的熱變形

由於機床的結構和工作條件差別很大,因此引起熱變形的主要熱源也不大相同,大致分為以下三種:

 

(1)主要熱源來自機床的主傳動系統 如普通機床、六角機床、銑床、卧式鏜床、坐標鏜床等。

(2)主要熱源來自機床導軌的摩擦 如龍門刨床、立式車床等。

(3)主要熱源來自液壓系統 如各種液壓機床。

熱源的熱量,一部分傳給周圍介質,一部分傳給熱源近處的機床零部件和刀具,以致產生熱變形,影響加工精度。由於機床各部分的體積較大,熱容量也大,因而機床熱變形進行得緩慢,如車床主軸箱一般不高於60。實踐表明,車床                     

部件中受熱最多而變形最大的是主軸箱,其它部分如刀架、尾座等溫升不高,熱變形較小。

圖4—7所示的虛線表示車床的熱變形。可以看出,車床主軸前軸承的溫升最高。對加工精度影響最大的因素是主軸軸線的抬高和傾斜。實踐表明主軸抬高是主軸軸承溫度升高而引起主軸箱變形的結果,它約佔總抬高量的70%。由床身熱變形所引起的抬高量一般小於30%。影響主軸傾斜的主要原因是床身的受熱 彎曲,它約佔總傾斜量的75%。主軸前後軸承的溫差所引起的主軸傾斜只佔25%。

4.刀具熱變形及對加工精度的影響

切削過程中,一部分切削熱傳給刀具,儘管這部分熱量很少(高速車削時只佔1—2%),但由於刀體較小,熱容量較小,因此,刀具的溫度仍然很高,高速鋼車刀的工作表面溫度可達700—800。刀具受熱伸長量一般情況下可達到0.03—0.05mm.。從而產生加工誤差,影響加工精度。

(1)刀具連續工作時的熱變形引起的加工誤差

當刀具連續工作時,如車削長軸或在立式車床車大端面,傳給刀具的切削熱隨時間不斷增加,刀具產生熱變形而逐漸伸長,工件產生圓度誤差或平面度誤差。

(2)刀具間歇工作

當採用調整法加工一批短軸零件時,由於每個工件切削時間較短,刀具的受熱與冷卻間歇進行,故刀具的熱伸長比較緩慢。

總的來說,刀具能夠迅速達到熱平衡,刀具的磨損又能與刀具的受熱伸長進行部分地補償,故刀具熱變形對加工質量影響並不顯著。

5.工件熱變形引起的加工誤差

(1)工件均勻受熱

當加工比較簡單的軸、套、盤類零件的內外圓表面時,切削熱比較均勻地傳給工件,工件產生均勻熱變形。

加工盤類零件或較短的軸套類零件,由於加工行程較短,可以近似認為沿工件軸向方向的溫升相等。因此,加工出的工件只產生徑向尺寸誤差而不產生形位誤差。若工件精度要求不高,則可忽略熱變形的影響。對於較長工件(如長軸)的加工,開始走刀時,工件溫度較低,變形較小。隨著切削的進行,工件溫度逐漸升高,直徑逐漸增大,因此工件表面被切去的金屬層厚度越來越大,冷卻后不僅產生徑向尺寸誤差,而且還會產生圓柱度誤差。若該長軸(尤其是細長軸)工件用兩頂尖裝夾,且后頂尖固定鎖緊,則加工中工件的軸向熱伸長使工件產生彎曲並可能引起切削不穩。因此,加工細長軸時,工人經常車一刀後轉一下后頂尖,再車下一刀,或后頂尖改用彈簧頂尖,目的是消除工件熱應力和彎曲變形。

對於軸向精度要求較高的工件(如精密絲杠),其熱變形引起的軸向伸長將產生螺距誤差。因此,加工精密絲杠時必須採用有效冷卻措施,減少工件的熱伸長。

(2)工件不均勻受熱

當工件進行銑、刨、磨等平面的加工時,工件單側受熱,上下表面溫升不等,從而導致工件向上凸起,中間切去的材料較多。冷卻后被加工表面呈凹形。這種現象對於加工薄片類零件尤為突出。

為了減小工件不均勻變形對加工精度的影響,應採取有效的冷卻措施,減小切削表面溫升。

6.控制溫度變化,均恆溫度場

由於工藝系統溫度變化,引起工藝系統熱變形變化,從而產生加工誤差,並且具有隨機性。因而

 

,必須採取措施控制工藝系統溫度變化,保持溫度穩定。使熱變形產生的加工誤差具有規律性,便於採取相應措施給予補償。

對於床身較長的導軌磨床,為了均衡導軌面的熱伸長,可利用機床潤滑系統回油的餘熱來提高床身下部的溫度,使床身上下表面的溫差減小,變形均勻。

4.1.9    工件殘餘應力引起的誤差

1. 基本概念

殘餘應力、也稱內應力,是指當外部載荷去掉以後仍存留在工件內部的應力。殘餘應力是由於金屬內部組織發生了不均勻的體積變化而產生的。其外界因素來自熱加工和冷加工。

圖4—8  冷校直引起的殘餘應力

具有內應力的工件,是處在一種不穩定狀態之中,它內部的組織有強烈的恢復到沒有內應力穩定狀態的傾向。即使在常溫下工件的內部組織也在不斷發生變化,直到內應力完全消失為止。在這一過程中,工件的形狀逐漸改變(如翹曲變形)從而喪失其原有精度。如果把存在內應力的工件裝配到機器中,則會因其在使用中的變形而破壞整台機器的精度。

2.殘餘應力產生的原因

(1)毛坯製造中產生的殘餘應力

在鑄、鍛、焊及熱處理等加工過程中,由於工件各部分熱脹冷縮不均勻以及金相組織轉變時的體積變化,使毛坯內部產生了相當大的殘餘應力。毛坯的結構愈複雜,各部分壁厚愈不均勻,散熱條件差別愈大,毛坯內部產生的殘餘應力也愈大。具有殘餘應力的毛坯在短時間內還看不出有什麼變化,殘餘應力暫時處於相對平衡的狀態,但當切去一層金屬后,就打破了這種平衡,殘餘應力重新分佈,工件就明顯地出現了變形。

(2)冷校直產生的殘餘應力           

一些剛度較差、容易變形的工件(如絲杠等),通常採用冷校直的辦法修正其變形。如圖4—8所示,當工件中部受到載荷F作用時,工件內部產生應力,其軸心線以上產生壓應力,軸心線以下產生拉應力(圖4—8b),而且兩條虛線之間為彈性變形區,虛線之外為塑性變形區。當去掉外力后,工件的彈性恢復受到塑性變形區的阻礙,致使殘餘應力重新分佈(圖4—8c)。由此可見,工件經冷校直后內部產生殘餘應力,處於不穩定狀態,若再進行切削加工,工件將重新發生彎曲。

(3)切削加工中產生的殘餘應力

工件切削加工時,在各種力和熱的作用下,其各部分將產生不同程度的塑性變形及金相組織變化,從而產生殘餘應力,引起工件變形。

實踐證明,在加工過程中切去表面一層金屬后,所引起殘餘應力的重新分佈 ,變形最為強烈。因此,粗加工后,應將被夾緊的工件鬆開使之有時間使殘餘應力重新分佈。否則,在繼續加工時,工件處於彈性應力狀態下,而在加工完成後,必然要逐漸產生變形,致使破壞最終工序所得到精度。因而機械加工中常採用粗精加工分開以消除殘餘應力對加工精度的影響。

3. 減少或消除殘餘應力的措施

(1)採取時效處理

自然時效處理,主要是在毛坯製造之後,或粗、精加工之間 ,讓工件停留一段時間,利用溫度的自然變化,經過多次熱脹冷縮,使工件的晶體內部或晶界之間產生了微觀滑移,從而達到減少或消除殘餘應力的目的。這種過程對大型精密件(如床身、箱體等)需要很長時間,往往影響產品的製造周期,所以除特別精密件外,一般較少採用。

人工時效處理,這是目前使用最廣的一種方法。它是將工件放在爐內加熱到一定溫度,使工件金屬原子獲得大量熱能來加速它的運動,並保溫一段時間達到原子組織重新排列,再隨爐冷卻。以達到消除殘餘應力的目的。這種方法對大型件就需要一套很大的設備,其投資和能源消耗都較大。

振動時效處理,這是消除殘餘應力、減少變形以及保持工件尺寸穩定的一種新方法。可用於鑄造件、鍛件、焊接件以及有色金屬件等。它是以激振的

 

形式將機械能加到含有大量殘餘應力的工件內,引起工件金屬內部晶格錯位蠕變,使金屬的結構狀態穩定,以減少和消除工件的內應力。操作時,將激振器牢固地夾持在工件的適當位置上,根據工件的固有頻率調節激振器的頻率,直到達到共振狀態,再根據工件尺寸及殘餘應力調整激振力,使工件在一定的振動強度下,保持幾分鐘甚至幾十分鐘的振動,這樣,不需龐大的設備,經濟簡便,效率高。

(2)合理安排工藝路線

對於精密零件,粗、精加工分開。對於大型零件,由於粗、精加工一般安排在一個工序內進行,故粗加工后先將工件鬆開,使其自由變形,再以較小的夾緊力夾緊工件進行精加工。對於焊接件焊接前,工件必須經過預熱以減小溫差,減小殘餘應力。

(3)合理設計零件結構

設計零件結構時,應注意簡化零件結構,提高其剛度,減小壁厚差,如果是焊接結構時,則應使焊縫均勻,以減小殘餘應力。

   4.1.10   提高加工精度的工藝措施

保證和提高加工精度的方法,大致可概括為以下幾種:減少誤差法、誤差補償法、誤差分組法、誤差轉移法,就地加工法以及誤差平均法等。

1.減少誤差法

這種方法是生產中應用較廣的一種方法,它是在查明產生加工誤差的主要因素之後,設法消除或減少。

例如細長軸的車削,現在採用了“大走刀反向車削法”,基本消除了軸向切削力引起的彎曲變形。若輔之以彈簧頂尖,則可進一步消除熱變形引起的熱伸長的危害。

再如薄片磨削中,由於採用了彈性加壓和樹脂膠合以加強工件剛度的辦法,使工件在自由狀態下得到固定,解決了薄片零件加工平面度不易保證的難題。

    2. 誤差補償法或誤差抵消法

誤差補償法,是人為地造出一種新的誤差,去抵銷原來工藝系統中固有的原始誤差。當原始誤差是負值時人為的誤差就取正值,反之,取負值,盡量使兩者大小相等方向相反。或者利用一種原始誤差去抵銷另一種原始誤差,也是盡量使兩者大小相等,方向相反,從而達到減少加工誤差,提高加工精度的目的。

如用預載入荷法精加工磨床床身導軌,藉以補償裝配后受部件自重而產生的變形。磨床床身是一個狹長結構,剛性比較差。雖然在加工時床身導軌的各項精度都能達到:但裝上橫向進給機構、操縱箱以後,往往發現導軌精度超差。這是因為這些部件的自重引起床身變形的緣故。為此,某些磨床廠在加工床身導軌時採取用“配重”代替部件重量,或者先將該部件裝好再磨削的辦法,是加工、裝配和使用條件一致。以保持導軌高的精度。

 3. 誤差分組法

在加工中,由於上道工序“毛坯”誤差存在,造成了本工序的加工誤差。由於工件材料性能改變,或者上道工序的工藝改變(如毛坯精化后,把原來的切削加工工序取消),引起毛坯誤差發生較大的變化,這種毛坯誤差的變化,對本工序的影響主要有兩種情況:

(1)誤差復映,引起本工序誤差;

(2)定位誤差擴大,引起本工序誤差。

解決這個問題,最好是採用分組調整均分誤差的辦法。這種辦法的實質就是把毛坯按誤差的大小分n組,每組毛坯誤差範圍就縮小為原來的。然後按各組分別調整加工。

例如,某廠生產Y7520W齒輪磨床交換齒輪時,產生了剃齒時心軸與工件定位孔的配合問題。配合間隙大了,剃后的工件產生較大的幾何偏心,反映在齒圈徑向跳動超差。同時剃齒時也容易產生振動,引起齒面波度,使齒輪工作時噪音較大。因此,必須設法限制配合間隙,保證工件孔和心軸間的同軸度要求。由於工件的孔已是IT6級精度,不宜再提高。為此,採用了多檔尺寸的心軸,對工件孔進行分組選配,減少由於間隙而產生的定位誤差,從而提高了加工精度。

 4. 誤差轉移法

誤差轉移法實質上是轉移工藝系統的幾何誤差、受

 

力變形和熱變形等。

誤差轉移的實例很多。如當機床精度達不到零件加工要求時,常常不是一味提高機床精度,而是在工藝上或夾具上想辦法,創造條件,使機床的幾何誤差轉移到不影響加工精度的方面去。如磨削主軸錐孔保證其和軸頸的同軸度,不是靠機床主軸的迴轉精度來保證,而是靠夾具保證。當機床主軸與工件主軸之間用浮動聯接以後,機床主軸的原始誤差就被轉移掉了。在箱體的孔系加工中,介紹過用坐標法在普通鏜床上保證孔系的加工精度。其要點就是採用了精密量棒、內徑千分尺和百分表等進行精密定位。這樣,鏜床上因絲杠、刻度盤和刻線尺而產生的誤差就不反映到工件的定位精度上去了。

 5. “就地加工”法

在加工和裝配中有些精度問題,牽扯到零、部件間的相互關係,相當複雜,如果一味地提高零、部件本身精度,有時不僅困難,甚至不可能,若採用“就地加工”的方法,就可能很方便地解決了看起來非常困難的精度問題。

例如,六角車床製造中,轉塔上六個安裝刀架的大孔,其軸心線必須保證和主軸旋轉中心線重合,而六個面又必須和主軸中心線垂直。如果把轉塔作為單獨零件,加工出這些表面后再裝配,要想達到上述兩項要求是很困難的,因包含了很複雜的尺寸鏈關係。因而實際生產中採用了“就地加工”法。這些表面在裝配前不進行精加工,等它裝配到機床上以後,再加工六個大孔及端面。

 6. 誤差平均法

對配合精度要求很高的軸和孔,常採用研磨方法來達到。研具本身並不要求具有高精度,但它卻能在和工件相對運動過程中對工件進行微量切削,最終達到很高的精度。這種工件和研具表面間的相對摩擦和磨損的過程也是誤差不斷減少的過程,此即稱為“誤差平均法”。

如內燃機進排氣閥門與閥座的配合的最終加工、船用氣、液閥座間配合的最終加工,常用“誤差平均”法消除配合間隙。

利用“誤差平均”法製造精密零件,在機械行業中由來已久,在沒有精密機床的時代,用“三塊平板合研”的“誤差平均法”刮研製造出號稱原始平面的精密平板,平面度達幾個微米。象平板一類的基準工具,如直尺、角度規、多稜體、分度盤及標準絲杠等高精度量具和工具,當今還採用“誤差平均法”來製造。

4.2    機械加工表面質量

 4.2.1  表面質量的基本概念

機器零件的加工質量,除了加工精度外,還包括零件在加工后的表面質量。表面質量的好壞對零件的使用性能和壽命影響很大。機械加工表面質量包括與以下兩個方面的內容:

1.表面層的幾何形狀特性

(1)表面粗糙度 它是指加工表面的微觀幾何形狀誤差,在圖4—9a中表示輪廓算術平均偏差。表面粗糙度通常是由機械加工中切削刀具的運動軌跡所形成。

(2)表面波度 它是介於宏觀幾何形狀誤差與微觀幾何形狀誤差之間的周期性幾何形狀誤差。圖4—9b中,A表示波度的高度。表面波度通常是由於加工過程中工藝系統的低頻振動所造成。

2.表面層物理機械性能

表面層物理機械性能主要是指下列三個方面:

⑴表面層冷作硬化 表面冷作硬化是由於機械加工時,工件表面層金屬受到切削力的作用,產生強烈的塑性變形,使金屬的晶格被拉長、扭曲,甚至破壞而引起的。其結果引起材料的強化,表面硬度提高,塑性降低,物理機械性能發生變化。另一方面,機械加工中產生的切削熱在一定條件下會使金屬在塑性變形中產生回復現象(已強化的金屬回復到正常狀態),使金屬失去冷作硬化中所得到的物理機械性能,因此,機械加工表面層的冷硬,是強化作用與回復作用綜合結果。

⑵表面層金相組織的變化 對於一般的切削加工,切削熱大部分被切屑帶走,加工表面溫

 

升不高,故對工件表面層的金相組織的影響不甚嚴重。而磨削時,磨粒在高速(一般是35m/s)下以很大的負前角切削薄層金屬,在工件表面引起很大的摩擦和塑性變形,其單位切削功率消耗遠遠大於一般切削加工。由於消耗的功率大部分轉化為磨削熱,其中約80%的熱量將傳給工件,所以磨削是一種典型的容易產生加工表面金相組織變化(磨削燒傷)的加工方法。

磨削燒傷分為回火燒傷、淬火燒傷和退火燒傷,它們的特徵是在工件表面呈現燒傷色,不同的燒傷色表明表面層具有不同的溫度與不同的燒傷深度。

表面層燒傷將使零件的物理機械性能大為降低,使用壽命也可能成倍下降,因此工藝上必須採取措施,避免燒傷的出現。


⑶表面層殘餘應力 表面層殘餘應力是指工件經機械加工后,由於表面層組織發生形狀或組織變化導致在表面層與基體材料的交界處產生互相平衡的內部應力。表面殘餘壓應力可提高工件表面的耐磨性和疲勞強度,而殘餘拉應力則降低工件表面的耐磨性和疲勞強度,且當拉應力值超過工件材料的疲勞強度極限值時,會使工件表面產生裂紋,加速工件損壞。

4.2.2  表面質量對零件使用性能的影響

1.表面質量對零件耐磨性的影響

零件的使用壽命常常是由耐磨性決定的,而零件的耐磨性不僅和材料及熱處理有關,而且還與零件接觸表面的粗糙度有關,若兩接觸表面產生相對運動時,則最初只在部分凸峰處接觸,因此實際接觸面積比理論接觸面積小得多,從而使得單位面積上的壓力很大。當其超過材料的屈服點時,就會使凸峰部分產生塑性變形甚至被折斷或因接觸面的滑移而迅速磨損,這就是零件表面的初期磨損階段(如圖4—10中第Ⅰ階段)。以後隨接觸面積的增大,單位面積上的壓力減小,磨損減慢,進入正常磨損階段(如圖4—10中第Ⅱ階段)。此階段零件的耐磨性最好,持續的時間也較長。最後,由於凸峰被磨平,粗糙度值變得非常小,不利於潤滑油的貯存,且使接觸表面之間的分子親和力增大,甚至發生分子粘合,使摩擦阻力增大,從而進入急劇磨損階段(如圖4—10中第Ⅲ階段)。零件表面層的冷作硬化或經淬硬,可提高零件的耐磨性。

2.表面質量對零件疲勞強度的影響

零件由於疲勞而破壞都是從表面開始的,因此表面層的粗糙度對零件的疲勞強度影響很大。在交變載荷作用下,由於表面上微觀不平的凹谷處,容易形成應力集中,產生和加劇疲勞裂紋以致疲勞損壞。實驗證明,表面粗糙度值從0.02降到0.2,其疲勞強度下降約為25%。

零件表面的冷硬層,有助於提高疲勞強度。因為強化過的表面冷硬層具有阻礙裂紋繼續擴大和新裂紋產生的能力。此外,當表面層具有殘餘壓應力時,能使疲勞強度提高;當表面層具有殘餘拉應力時,則使疲勞強度進一步降低。

3.表面質量對零件耐腐蝕性的影響

零件的耐腐蝕性在很大程度上取決於表面粗糙度。表面粗糙度值越大,越容易積聚腐蝕性物質,凹谷越深,滲透與腐蝕作用越強烈。故減小表面粗糙度值,可提高零件的耐蝕性。此外,殘餘壓應力使零件表面緊密腐蝕性物質不易進入,可增強零件的耐蝕性。

4.表面質量對配合性質的影響

在間隙配合中,如果配合表面粗糙,則在初期磨損階段由於配合表面迅速磨損,使配合間隙增大,改變了配合性質。在過盈配合中,如果配合表面粗糙,則裝配后表面的凸峰將被擠壓,而使有效過盈量減少,降低了配合強度。

4.2.3    影響表面粗糙度的因素

機械加工時,表面粗糙度形成原因大致歸納為兩個方面:一是刀刃與工件相對運動軌跡所形成的表面粗糙度——幾何因素;二是與被加工材料性質及切削機理有關的因素——物理因素。

1. 切削加工中影響表面粗糙度的因素

(1)幾何因素

切削加工時,由於刀具切削刃的形狀

 

和進給量的影響,不可能把余量完全切除,而在工作表面上留下一定的殘餘面積,殘留面積高度愈大,表面愈粗糙。殘留面積高度

與進給量、刀具主偏角等有關。

(2)物理因素

切削加工時,影響表面粗糙度的物理因素主要表現為:

(1)積屑瘤

用中等或較低的切削速度(一般)切削塑性材料時,易於產生積屑瘤。合理選擇切削量,採用潤滑性能優良的切削液,都能抑制積屑瘤產生,降低表面粗糙度。

(2)刀具表面對工件表面的擠壓與摩擦

在切削過程中,刀具切削刃總有一定的鈍圓半徑,因此在整個切削厚度內會有一薄層金屬無法切去,這層金屬與刀刃接觸的瞬間,先受到劇烈的擠壓而變形,當通過刀刃后又立即彈性恢復與后刀面強烈摩擦,再次受到一次拉伸變形,這樣往往在已加工表面上形成鱗片狀的細裂紋(稱為鱗刺)而使表面粗糙度值增大。降低刀具前、后刀面的表面粗糙度,保持刀具鋒利及充分施加潤滑液,可減小摩擦,有利於降低工件表面粗糙度。

(3)工件材料性質

切削脆性金屬材料,往往出現微粒崩碎現象,在加工表面上留下麻點,使表面粗糙度值增大。降低切削用量並使用切削液有利與降低表面粗糙度。切削塑性材料時,往往擠壓變形而產生金屬的撕裂和積屑瘤現象,增大了表面粗糙度。此外,被加工材料的金相組織對加工表面粗糙度也有較大的影響。實驗證明,在低速切削時,片狀珠光體組織較粒狀珠光體能獲得較低的表面粗糙度;在中速切削時,粒狀珠光體組織則比片狀珠光體好;高速切削時,工件材料性能對錶面粗糙度的影響較小。加工前如對工件材料調質處理,降低材料的塑性,也有利於降低表面粗糙度。

  2. 磨削加工中影響表面粗糙度的因素

磨削加工是由砂輪的微刃切削形成的加工表面,單位面積上刻痕越多,且刻痕細密均勻,則表面粗糙度越細。磨削加工中影響表面粗糙度的因素有:

(1)磨削用量

砂輪速度對錶面粗糙度的影響較大,大時,參與切削的磨粒數增多,可以增加工件單位面積上的刻痕數,同時高速磨削時工件表面塑性變形不充分,因而提高有利於降低表面粗糙度。

磨削深度與進給速度增大時,將使工件表面塑性變形加劇,因而使表面粗糙度值增大。為了提高磨削效率,通常在開始磨削時採用較大的磨削深度,而後採用小的磨削深度或光磨,以減小表面粗糙度值。

(2)砂輪

砂輪的粒度愈細,單位面積上的磨粒數多,使加工表面刻痕磨粒數多,使加工表面刻痕細密,則表面粗糙度值愈小。但粒度過細,容易堵塞砂輪而使工件表面塑性變形增加,影響表面粗糙度。

砂輪硬度應適宜,使磨粒在磨鈍后及時脫落,露出新的磨粒來繼續切削,即具有良好的“自礪性”,工件就能獲得較細的表面粗糙度。

砂輪應及時修整,以去除已鈍化的磨粒,保證砂輪具有等高微刃,砂輪上的切削微刃越多,其等高性越好,磨出的表面越細。

(3)工件材料

工件材料的硬度、塑性、韌性和導熱性能等對錶面粗糙度有顯著影響,工件材料太硬時,磨粒易鈍化;太軟時上易堵塞;韌性大和導熱性差的材料,使磨粒早期崩落而破壞了微刃的等高性,因此均使表面粗糙度值增大。

(4)冷卻潤滑液

磨削冷卻潤滑液對減少磨削力、溫度及砂輪磨損等都有良好的效果。正確選用冷卻液有利於減小表面粗糙度值。

 4.2.4   影響表面層物理機械性能的因素


1.影響表面層冷作硬化的因素

(1)切削用量

①切削速度  隨著切削速度的增大,被加工金屬塑性變形減小,同時由於切削溫度上升使回復作用加強,因此冷硬程度下降。當切削速度高於100m/min時,由於切削熱的作用時間減小,回復作用降低,故冷硬程度反而有所增加。

②進給量  進給量增大使切削厚度增大,切削力增大,工件表面層金屬的塑性變化增大,故冷硬程度增加

 

(2)刀具

①刀具刃口圓弧半徑  刀具刃口圓弧半徑增大,表面層金屬的塑性變形加劇,導致冷硬程度增大。

②刀具后刀面磨損寬度VB 一般地說隨後刀面磨損寬度VB的增大,刀具后刀面與工作表面摩擦加劇,塑性變形增大,導致表面層冷硬程度增大。但當磨損寬度超過一定值時,摩擦熱急劇增大,從而使得櫻花的表面得以回復,所以顯微硬度並不繼續隨VB的增大而增高。

③前角  前角增大,可減小加工表面的變形,故冷硬程度減小。實驗表明,當前角在±15°範圍內變化時,對錶面冷硬程度的影響很小,前角小於-20°時,表面層的冷硬程度將急劇增大。

刀具后角、主偏角、副偏角及刀尖圓角半徑等對錶面層冷硬程度影響不大。

(3)工件材料

工件材料的塑性越大,加工表面層的冷硬程度越嚴重,碳鋼中含碳量越高,強度越高,其冷硬程度越小。

有色金屬熔點較低,容易回復,故冷硬程度要比結構鋼小得多。

2. 影響加工表面的金相組織變化的因素

加工表面金相組織產生變化主要發生在磨削加工中,故以下討論影響磨削表面金相組織變化的因素。

(1)磨削用量

① 磨削深度  當磨削深度增加時,無論是工件表面溫度 ,還是表面層下不同深度的溫度,都隨之升高,故燒傷的可能性增大。

② 縱向進給量  縱向進給量增大,熱作用時間減少,使金相組織來不及變化,磨削燒傷減輕。但大時,加工表面的粗糙度增大,一般可採用寬砂輪來彌補。

③工件線速度  工件速度增大,雖使發熱量增大,但熱作用時間減少,故對磨削燒傷影響不大。提高工件速度會導致工件表面更為粗糙。為了彌補這一缺陷而又能保持高的生產率,一般可提高砂輪速度。

(2)砂輪的選擇

若砂輪的粒度越細、硬度越高、自礪性差,則磨削溫度也增高。砂輪組織太緊密時磨削堵塞砂輪,易出現燒傷。

砂輪結合劑最好採用具有一定彈性材料,磨削力增大時,砂輪磨粒能產生一定的彈性退讓,使切削深度減小,避免燒傷。

(3)工件材料

工件材料對磨削區溫度的影響主要取決於它的硬度、強度、韌性和導熱係數。

工件的強度、硬度越高或韌性越大,磨削時磨削力越大,功率消耗也大,造成表面層溫度增高,因而容易造成磨削燒傷。

導熱性能較差的材料,如軸承鋼、高速鋼以及鎳鉻鋼等,受熱后更易磨削燒傷。

(4)冷卻潤滑

採用切削液帶走磨削區熱量可以避免燒傷。但是磨削時,由於砂輪轉速較高,在其周圍表面會產生一層強氣流,用一般冷卻方法,切削液很難進入磨削區。目前採用的比較有效的冷卻方法有內冷卻法、噴射法和含油砂輪等。

 3.影響加工表面的殘餘應力的因素

切削加工的殘餘應力與冷作硬化及熱塑性變形密切相關。凡是影響冷作硬化及熱塑性變形的因素如工件材料、刀具幾何參數、切削用量等都將影響表面殘餘應力,其中影響最大的是刀具前角和切削速度。

 

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