哈工大机械制造技术基础第六章陈明君

机械制造技术基础机械制造及自动化系主讲人：陈明君第4章机械加工质量及其控制FUNDAMENTALSOFMACHINERYMANUFACTURINGTECHNOLOGYMachiningQualityanditsControl4.1概述信息时代知识经济知识社会知识产业机械工程（制造业）生产资料生产设备生产技术生产管理国防装备社会财富生活资料1885年汽车德国奔驰1903年飞机美国莱特兄弟1903年火箭俄国齐奥尔科夫斯基1927年黑白电视美国贝尔电话1937年喷气发动机英国惠特尔1946年计算机美国莫切利与埃克特1951年数控机床MIT1957年人造卫星苏联1971年微处理器芯片Intel公司1977年载人航天飞机美国海斯•富勒顿1986年扫描隧道显微镜日本工业技术院1992年掌上电脑Apple公司推动世界进步的重要机电产品国外制造业的争夺马克思说：“各个经济时代的区别，不在于产品什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造业——我们生存的基础，应该重新认识它的重要性及其价值。怎么办？美国政府总结经验：“制造技术”——国家的重大关键技术措施：1994年——25亿美元——先进制造技术希望：1997——2000年建立100个以上的全国性先进制造技术中心目标：重新夺回市场。工业发达国家约60的社会财富和约45的国民经济收入是由制造业创造的。美国68的财富来源于制造业。70年代左右：美国发展的重点——尖端技术和军用技术日、德两国：先一步以务实的方式大力促进制造业的发展结果：近20年来美国制造技术领先地位被动摇，机床制造业失去53的国内市场。（美国的发明技术，日本的产品，日本人赚钱）中国经济发展50年走过了西方200年的路高速发展令世人瞩目我们有理由为建国以来的成就而自豪，但无资格自满我们更应肩负起富民强国的责任制造业的中心在亚洲亚洲制造业的中心在中国中国制造业我们的机械工程学科我国最早建立的一级学科之一国家“211工程”重点建设学科首批“长江学者”设岗单位首批一级学科博士学位授权点2001年获选两个全国重点学科2002年全国一级学科整体水平评估第二表面（微观）形貌加工变质层4.1.1基本概念（书中4.1.1与4.1.3）零件质量装配质量机械产品质量材料，金相组织(材质)加工精度，波纹度，表面粗糙度(几何)加工精度表面质量尺寸精度形状精度位置精度零件加工质量零件加工的实现机械加工工艺过程第四章第五章第六章加工精度、表面质量及其发展车、铣磨CNC机床研磨，工具磨光学磨，金刚石车、磨金刚石超精车、磨，电解加工衍射光栅刻线机电子束，离子束，X射线分子束生长，离子注扫描隧道技术埃11nm激光反射镜平面度提高到30nm，表面粗糙度降低到10nm，反射率将提高到99.8%以上。否则，寿命将大大缩短磁头与磁盘间的飞行高度在50nm以下，若进一步降低将使存储容量呈指数倍增长1kg精密陀螺转子的偏心增加0.5nm，将引起100m的射程误差和50m的轨道误差现代超精密机械对精密的要求细微与纳米加工技术可达水平机械制造新技术：数控（NumericalControl—NC）技术加工中心（MC）工业机器人（IndustrialRobot）技术自适应控制机床（AdaptiveControlMachineTools）计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing－CAM）计算机数控机床（ComputerizedNumericalControl－CNC）机械制造新技术：可变制造系统柔性制造单元数字化制造（初期，国内：熊有伦院士）无人化机械制造厂现阶段：互联网技术的迅猛发展（e-制造、网络控制、分子开关）工业生产追求更大的投入产出经济效益例如：智能制造（IMT）、并行工程（CE）、精节生产（LP）敏捷制造（AM）、绿色制造、柔性制造（FMS）、虚拟制造、超精加工（KDP晶体）、纳米技术、分子自组装技术（化学、生物）机械加工精度的各项指标既有区别，又有联系。一般情况下，形状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术机械加工的技术重点大型工件的加工技术特殊材料的加工技术尺寸公差位置公差形状公差表面粗糙度。基本概念表面（微观）形貌加工变质层机械加工表面质量表面粗糙度表面波纹度轮廓算术平均偏差Ra微观不平度10点高度Rz直线波纹度平均波幅Wz圆周波纹度平均波幅Wz塑性变形引起的冷作硬化切（磨）削热引起的金相组织变化力（热）产生的残余应力最为常用的是：Ra及rms研究热点之一基本概念加工变质层的雷德（H.Rether）模型p.116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。亚表层机械加工表面质量对机器使用性能和寿命的影响p.117-（1）影响耐磨性粗糙度值大，实际接触面积小，接触应力大，易磨损，耐磨性差。粗糙度值越小，实际接触面积越大，耐磨性较好。若粗糙度值过小，可能增加制造成本，且可能破坏润滑油膜，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，但硬化过度反会使结晶组织出现过度变形，甚至产生裂纹或剥落，使磨损加剧，使耐磨性降低。Why?（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。机械加工表面质量对机器使用性能和寿命的影响p.117-（3）影响耐蚀性p.117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p.118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。4.1.2机械加工精度的获得方法p.115一、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）自动化的试切法试切法调整法尺寸刀具法自动控制法二、形状精度的获得方法成形运动法非成形运动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轨迹法车、刨、磨形状精度超过机床成形运动精度时使用如：0级平板的加工三、位置精度的获得方法p.115直接装夹效率高，精度低找正装夹高精度，小批夹具装夹效率高，精度可满足要求一次装夹法多次装夹法非成形运动法与机床几何精度有关位置精度要求极高时采用（机床不能满足要求）加工误差与原始误差p.118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）4.2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。误差分类原始误差：统计误差：从影响零件加工精度的本质上分（单因素）从性质上分（多因素）原始误差原有误差机床夹具(制造误差)刀具(制造、安装)工件(毛坯)工艺系统静误差加工过程中产生的误差受力变形热变形工艺系统磨损残余应力变形工件装夹误差（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）4.4受力、热、磨损、残余应力4.3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XR022RYRp.118误差的性质4.5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ZX12fyXYxRxRxRyRy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p.120-122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）KGL)(0式中，L为跃进距离；G为工作台重量；μ0，μ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试切测量精度：微量进给精度：控制刀具或工件微量进给（会出现：爬行现象）微薄切削层的极限厚度：定位调整精度:(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刀具调整精度.pptℯ温诗铸井川直哉二、影响形状精度的主要因素与控制基本成形运动（回转、直线）成形运动法相互位置关系（几何关系）均准确保证形状精度(针对于机床)速度关系（运动关系）的条件（怎样保证）非成形运动法足够的检测精度(机床无法满足)4.3节三、影响位置精度的主要因素与控制刀具切削成形面刀具切削成形面相互重（接）合的表面之间有精度关系的表面之间工件加工面工件加工面位置精度要求机床几何精度采用成形运动法时，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机床安装面工件加工面刀具切削成形面位置精度要求刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度机床几何精度结论：影响位置精度的是机床几何精度直接装夹如在车床上加工与外圆同轴度要求很高的内孔工件基准面机床安装面刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度可调支承找正精度刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度找正精度结论：影响位置精度的是找正精度找正装夹夹具装夹非成形运动法：检测精度工件基准面机床安装面刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度夹具安装面对刀导引精度（找正精度）夹具定位面夹具安装精度夹具制造精度装夹精度刀具切削成形面工件加工面位置精度要求机床几何精度对刀导引精度（找正精度）结论：影响位置精度的是对刀导引精度、装夹精度机床的制造误差、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。4.3机床几何误差及其对加工精度的影响与控制机床几何精度回转运动精度直线运动精度成形运动之间的位置精度传动（速度关系）精度p.125-会对零件的加工精度造成影响：主要指形状精度运动本身及相互关系均要准确，否则研究机床几何精度对面形精度影响及控制的必要性•1.卫星系统：航天相机，探测器SiC轻质反射镜尺寸：300-500mm;数量：70～80块/年;面形精度：优于λ/40;表面粗糙度；Ra1nm;尺寸：Φ300-500mm;数量：每年100块以上；面形精度：优于λ/20;表面粗糙度：Ra5nm；2.航空相机，导弹复合导引头研究机床几何精度对面形精度影响及控制的必要性目前只能依靠国外加工3.神舟飞船太阳模拟器尺寸:500mm左右;数量:150块;面形精度：3μm左右；表面粗糙度：Ra10nm;研究机床几何精度对面形精度影响及控制的必要性惯性约束聚变点火工程——国家新能源战略的重要组成部分中国神光－Ⅲ原型装置美国NIF原理图尺寸：410×410mm2;数量：20000多块(2020年前);面形精度：优于λ/20-λ/40;表面粗糙度；Ra5nm;4.惯性约束聚变点火工程研究机床