机械加工工艺技术专业培训.pptx
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1、机械加工工艺2023.10一、生产质量操作基础知识 批量生产后现场的质量检控批量生产后现场的质量检控和持续改善手段是什么?和持续改善手段是什么?ISO9000的质量观点从根本上,质量应当是由消费者来定义-一件高质量的产品是指消费者认为具有高质量的产品;数据是质量管理中最重要的信息,是质量管理的基础,包括以下几个方面:总体:提供数据的原始集团,或研究对象的全体;样本:从总体中抽取的一局部个体所构成的集合;样品:组成样本的每一个个体;样本容量:样本中所含样品的数量;质量操作工具-操作图操作图是一些带有统计结果确定的操作上限和下限(UCL和LCL)的趋势图;通过测绘样本数据,可以记录这些样本点的波动
2、情况,如果这些样本点落在操作上下限以外,则说明过程“失控”;过程上下限以外的样本点通常是由于一些特殊的原因或者是例外造成的。只有当这些特殊的原因被消除后,该过程才能被认为是“受控”。受控标准:操作点不超过操作界限;操作图上点的排列分布无缺陷;如表列:有10个子组(按要求应当是25组或更多),每个子组记录5个零件测量数据(要求至少35个),每一组分别有平均数 和级差 R.同时可以算出平均级差 和过程平均 Cpk是通过CPU和CPL计算出能力指数Cpk,其取两者中小的数值,Cpk值一般要大于1.33,大于1.67时可以认为生产过 程 非 常 稳 定。在统计数据的基础上,计算操作上下限,包括均值的上
3、下限和极差的上下操作限:根据子组中样本数量不同,常量的选择按照表规定进行:n2345678910D43.272.572.282.112.001.921.861.821.78D3*0.080.140.180.22d21.131.692.062.332.532.72.852.973.08A21.881.020.730.580.480.420.370.340.31Figure 6:Control Chart for AveragesFigure 7:Control Chart for Ranges数据点在要求的控制范围之外数据点在要求的控制范围之外 数据在控制极限之内,但连续有数据在控制极限之内,但
4、连续有7 7个点在中线之下个点在中线之下或中线之上或中线之上 连续连续7 7个点上升或下降个点上升或下降 一般来讲,要想稳定控制产品,需要保证一般来讲,要想稳定控制产品,需要保证2/32/3以上以上产品尺寸集中在产品尺寸集中在1/31/3带宽内;带宽内;过程能力指数过程能力指数Cpk 监控监控长期行为长期行为 Cpk Cpk主要用于周期性的过程评价,反映的是稳定状主要用于周期性的过程评价,反映的是稳定状态下的实际加工能力,影响因素包括操作者、设备、态下的实际加工能力,影响因素包括操作者、设备、原材料、工艺方法和生产环境等,是日常生产过程原材料、工艺方法和生产环境等,是日常生产过程中操作产品质量
5、和生产持续改善的重要手段。其用中操作产品质量和生产持续改善的重要手段。其用于评价的数据要考虑子组大小、子组频率和子组数于评价的数据要考虑子组大小、子组频率和子组数大小,它的方差计算为大小,它的方差计算为 =/d2,其中其中 为为子组级差的均值,子组级差的均值,d2d2是随样本容量变化的常数;是随样本容量变化的常数;CpkCpk为为CPUCPU、CPLCPL小者,用于能力评价小者,用于能力评价可见:CP反映的是数据分布的情况,而CPK同时反映了数据的分布情况和中心位置;如图:上面的统计分析表示CP和CPK都大于1,数据分布小于公差带;而且平均值位于公差带的中间位置;下面的统计图所显示的CP值和上
6、面的是一样的,但CPK会小于1,其数据分布已经延出上限范围;Figure 14:Cp is the Same for Both DistributionsCPKCPK为为1 1,整个数值统计扩展区域正好等于加工零件的工艺要求;数,整个数值统计扩展区域正好等于加工零件的工艺要求;数据的平均值正好在工件要求的中间值;据的平均值正好在工件要求的中间值;CPKCPK大于大于1 1,整个数值统计扩展区域小于加工零件的,整个数值统计扩展区域小于加工零件的公差要求;数据的平均值正好在工件要求的中间值;公差要求;数据的平均值正好在工件要求的中间值;过程性能指数Ppk-短期行为:在在 三大汽车公司制定的三大汽车
7、公司制定的QS-9000标准中提出的,用于实时过程能力研究和标准中提出的,用于实时过程能力研究和初始过程能力评估,比较适用于带有验收的场合,其评价的数据为一段时间内初始过程能力评估,比较适用于带有验收的场合,其评价的数据为一段时间内的连续采集样本:的连续采集样本:抽检样本尺寸均值:抽检样本尺寸均值:方差:方差:Ppk1Ppk1=Ppk2Ppk2=其中:其中:.为零件的实际检测尺寸,样本单元为零件的实际检测尺寸,样本单元n n一般取一般取5050件;件;USLUSL和和LSLLSL为为该该尺尺寸寸加加工工精精度度要要求求的的上上下下极极限限尺尺寸寸;取取上上述述两两个个PpkPpk值值中中的的较
8、较小小值值用用做评价;做评价;注:设备验收时通常采用的注:设备验收时通常采用的cmkcmk值和值和PpkPpk值的算法是相同的,但是在应用过程中尽量防止其他加工因素的影响值的算法是相同的,但是在应用过程中尽量防止其他加工因素的影响设备验收案例设备验收案例80%的质量问题是由20%的原因所引起的:不要试图确定所有存在的质量问题,而是要找出一小局部有最大影响的引起问题的原因。零件的加工误差是怎样产生的零件的加工误差是怎样产生的?机床的误差机床的误差 加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的,因此,工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床制造误差对工件加工精度影响较大的有:主轴回
9、转误差;主轴回转误差;导轨误差;导轨误差;传动链误差;传动链误差;机床的磨损将使机床工作精度下降。机床的磨损将使机床工作精度下降。主轴回转误差主轴回转误差:机床主轴是装夹工件或刀具的基准,并将运动和动力传给工件或刀具,主轴回转误差将直接影响被加工工件的精度。主轴回转误差是指主轴各瞬间的实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。它可分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动三种基本形式。1 1)产生主轴径向回转误差的主要原因有:)产生主轴径向回转误差的主要原因有:主轴几段轴颈的同轴度误差、轴承本身的各种误差、轴承之间的同轴度误差、主轴绕度等。它们对主轴径向回转精度的影响大小随加工方式的不同而不同。2 2
10、)产生轴向窜动的主要原因)产生轴向窜动的主要原因是主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。适当提高主轴及箱体的制造精度,选用高精度的轴承,提高主轴部件的装配精度,对高速主轴部件进行平衡,对滚动轴承进行预紧等,均可提高机床主轴的回转精度。车削加工中由于切削力方向固定,主轴回转误差重要取决于主轴的圆度 镗削加工,由于切削力F的作用方向随着主轴的回转而回转,在切削力F的作用下,主轴总是以其轴颈某一固定部位与轴承内外表的不同部位接触,因此,轴承内外表的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大,而主轴颈圆度误差的影响则不大导轨误差导轨误差 导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准,也是机床运
11、动的基准。车床导轨的精度要求主要有以下三个方面:在水平面内的直线度;在垂直面内的直线度;前后导轨的平行度(扭曲)。卧式车床导轨在水平面内的直线度误差1将直接反映在被加工工件外表的法线方向(加工误差的敏感方向)上,对加工精度的影响最大。卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差2可引起被加工工件的形状误差和尺寸误差。但2对加工精度的影响要比1小得多。导轨存在平行度误差(扭曲)时,刀架运动时会产生摆动,刀尖的运动轨迹是一条空间曲线,使工件产生形状误差。传动链误差传动链误差 传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。例如在齿轮加工设备中,刀具和工件直接的啮合
12、运动依靠两者之间的传动链保证,当出现传动链误差室,会反映在零件的分齿精度上;刀具的误差刀具的误差 刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。采用定尺寸刀具、成形刀具、展成刀具加工时,刀具的制造误差会直接影响工件的加工精度;而对一般刀具(如车刀等),其制造误差对工件加工精度无直接影响。任何刀具在切削过程中,都不可防止地要产生磨损,并由此引起工件尺寸和形状地改变。正确地选用刀具材料和选用新型耐磨地刀具材料,合理地选用刀具几何参数和切削用量,正确地刃磨刀具,正确地采用冷却液等,均可有效地减少刀具的尺寸磨损。必要时还可采用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿。.夹具的误差夹具的误差 夹具的作用是使
13、工件相对刀具和机床具有正确的位置,因此夹具的制造误差对工件的加工精度(特别使位置精度)有很大影响。如图钻床夹具中,钻套轴心线f至夹具定位平面c间的距离误差,影响工件孔a至底面B尺寸L的精度;钻套轴心线f至夹具定位平面c间的平行度误差,影响工件孔轴心线a至底面B的平行度;夹具定位平面c与夹具体底面d底的垂直度误差,影响工件孔轴心线a与底面B间的尺寸精度和平行度;钻套孔的直径误差亦将影响工件孔a至底面B的尺寸精度和平行度。定位误差定位误差定位误差由基准不重合误差和定位副制造不准确误差造成。a).基准不重合误差 在零件图上用来确定某一外表尺寸、位置所依据的基准称为设计基准。在工序图上用来确定本工序被
14、加工外表加工后的尺寸、位置所依据的基准称为工序基准。一般情况下,工序基准应与设计基准重合。b).定位副制造不准确误差 工件在夹具中的正确位置是由夹具上的定位元件来确定的。夹具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得绝对准确,它们得实际尺寸(或位置)都允许在分别规定得公差范围内变动。同时,工件上的定位基准面也会有制造误差。工件定位面与夹具定位元件共同构成定位副,由于定位副制造得不准确和定位副间的配合间隙引起的工件最大位置变动量,称为定位副制造不准确误差。基准不重合误差的方向和定位副制造不准确误差的方向可能不相同,定位误差取为基准不重合误差和定位副制造不准确误差的矢量和。工艺系统受力变形引起的误差工艺系
15、统受力变形引起的误差 机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下,会产生相应的变形,这种变形会破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置,使工件的加工精度下降。减小工艺系统受力变形的途径 工艺系统刚度的论述可知,假设要减少工艺系统变形,就应提高工艺系统刚度,减少切削力并压缩它们的变动幅值。主要方面包括:l提高工艺系统刚度 l提高工件和刀具的刚度l提高机床刚度l采用合理的装夹方式和加工方式l减小切削力及其变化l合理地选择刀具材料,增大前角和主偏角,对工件材料进行合理的热处理以改善材料地加工性能等,都可使切削力减小。工艺系统受热变形引起的误差工艺系统受热变形引起的误差 工艺系统热变
16、形对加工精度的影响比较大,特别是在精密加工和大件加工中,由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%70%。机床、刀具和工件受到各种热源的作用,温度会逐渐升高,同时它们也通过各种传热方式向周围的物质和空间散发热量。当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时,工艺系统就到达了热平衡状态。减小工艺系统热变形的途径:l减少发热和隔热 l改善散热条件 l均衡温度场 l改进机床结构 l加快温度场的平衡 l操作环境温度内应力重新分布引起的误差内应力重新分布引起的误差 细长轴零件经过车削以后,棒料在轧制中产生的内应力要重新分布,产生弯曲,如右图示。冷校直就是在原有变形的相反方向加力F,使工件向反方向弯曲
17、,产生塑性变形,以到达校直的目的。在F力作用下,工件内部的应力分布如图b所示。当外力F去除以后,弹性变形局部本来可以完成恢复而消失,但因素心变形局部恢复不了,内外层金属就起了互相牵制的作用,产生了新的内应力平衡状态,如图c所示,所以说,冷校直后的工件虽然减少了弯曲,但是依然处于不稳定状态,还会产生新的弯曲变形。工件上一旦产生内应力之后,就会使工件金属处于一种高能位的不稳定状态,它本能地要向低能位的稳定状态转化,并伴随有变形发生,从而使工件丧失原有的加工精度。减小内应力变形误差的途径减小内应力变形误差的途径改进零件结构设计零件时,尽量做到壁厚均匀,结构对称,以减少内应力的产生。合理安排分布加工余
18、量和优化切削参数,减小加工剩余应力;增设消除内应力的热处理工序 合理安排工艺过程粗加工和精加工宜分阶段进行,使工件在粗加工后有一定的时间来松弛内应力。二、现生产加工工艺二、现生产加工工艺柔性化的生产制造过程目前汽车零件的生产中,加工过程所采用的设备通常是在能够实现多目前汽车零件的生产中,加工过程所采用的设备通常是在能够实现多功能加工、数字化操作、灵活多变、可实现高效率、高精度加工的数控功能加工、数字化操作、灵活多变、可实现高效率、高精度加工的数控设备上完成,包括加工中心、数控车床及车铣复合加工中心、数控齿轮设备上完成,包括加工中心、数控车床及车铣复合加工中心、数控齿轮加工设备;加工设备;除了常
19、规加工方式除了常规加工方式,对于孔、凹槽以及常用于车削或螺纹切削的外对于孔、凹槽以及常用于车削或螺纹切削的外表,铣削也有其日益增长的竞争力,通过可转位刀片、整体硬质合金技表,铣削也有其日益增长的竞争力,通过可转位刀片、整体硬质合金技术的应用,生产效率、可靠性和质量一致性得以大大提高;术的应用,生产效率、可靠性和质量一致性得以大大提高;长齿厂红旗世纪星轿车的变速器壳体在2001年新引进的瑞士DIXI200三工位加工中心(二台约1100万人民币)上完成,设备具备60 把的刀库,机械手自动换刀,生产精度满足设计要求,生产一致性好,CPK可达1.67,全部工序可以在一台设备上集中完成,生产节拍约30m
20、in/件两台设备同时生产;能够保证现行的生产节拍;变速器厂的壳体生产线现生产应用的开展方向:现生产应用的开展方向:柔性化生产的迅速崛起、关键加工环节高精度专用加工设备相辅相成:柔性化生产的迅速崛起、关键加工环节高精度专用加工设备相辅相成:加工中心适合与柔性生产线的模块化组建,可实现对系统设备的分阶段投资,有利于提高投资的经济效益,并能够实现灵活换型生产。充分利用设备功能复合化和多轴联动的特点,提高装夹技术,在一次装充分利用设备功能复合化和多轴联动的特点,提高装夹技术,在一次装夹中完成多个外表加工,在保证位置精度的前提下,提高生产效率夹中完成多个外表加工,在保证位置精度的前提下,提高生产效率加工
21、与检测相结合,实现快速对刀、加工过程检测和刀具补偿;加工与检测相结合,实现快速对刀、加工过程检测和刀具补偿;在现有设备机床上,开展高速加工技术研究汽车更新换代的速度明显加快,产品市场寿命进一步缩短。与此同时,汽车变型品种逐渐增多,投产批量日益减少。为满足全球市场的不同个性化需求,多品种柔性生产越来越成为竞争的决定因素,设备的生产效率和柔性已成为选择设备的主要因素;近年来,高速加工中心的结构、驱动和技术性能有了长足的开展和提高。在结构和驱动方式上经历了从滚珠丝杆立柱移动式到直线电机框中框结构的二代开展。高速切削和高速进给的应用使加工的基本时间变得越来越短。例如:铣削深度14.1mm的M6螺孔仅需
22、1.2s;现代高速加工中心已成功的将原本是相互矛盾的柔性和生产率融合到了一起。相继出现由高速加工中心组成的柔性生产线,由于它具有高生产率、高加工柔性和能力柔性,既能满足当前多品种的加工任务,也能通过调整或扩充设备来适应未来的加工任务,这种柔性生产线正越来越多地被汽车工业所采用。通常认为高速切削的切削速度比常规切削速度高通常认为高速切削的切削速度比常规切削速度高510倍以上。基本特征是主倍以上。基本特征是主轴转速高,机床主轴的转速可到达轴转速高,机床主轴的转速可到达10000r/min20000r/min。切削速度高,切削。切削速度高,切削速度可到达速度可到达 1008000 m/min。进给速
23、度高,进给速度可到达。进给速度高,进给速度可到达1590m/min。特点:特点:切削力随着切削速度的提高而下降;切削力随着切削速度的提高而下降;切削产生的热量绝大局部被切削产生的热量绝大局部被切屑代走;切屑代走;加工外表质量提高;加工外表质量提高;在高速切削范围内机床的激振频率远离工艺在高速切削范围内机床的激振频率远离工艺系统的固有频率范围。系统的固有频率范围。不同加工工艺对应的高速切削线速度范围加工工艺高速切削速度(m/min)车削7007000铣削3006000钻削2001100拉削3075铰削20500因此:因此:有利于使用小直径刀具;有利于加工薄壁零件和脆性材料;有利于加工较大零件;可
24、替代其他加工工艺(如磨削),获得显著的经济效益。传统切削工艺很难加工的工件材料(如镍基合金、钛合金、纤维增强塑料等)在高速切削条件下将变得易于切削,这有利于设计新材料的选用。切削速度要到达800012000m/min。进给速度要到达1590m/min。刀具耐用度要到达3001000min。切削温度要承受8001200。高速加工工艺实现的主要问题应对:高速加工工艺实现的主要问题应对:1 1、高高速速加加工工中中随随着着切切削削速速度度的的提提高高,刀刀具具寿寿命会下降问题的应对:命会下降问题的应对:高速切削刀具满足的条件:高速切削刀具满足的条件:硬质合金刀具:硬质合金刀具:硬质合金刀具应用的最为
25、广泛,开展的也很快,硬质合金刀具有良好的综合切削性能,用于高速切削刀具的硬质合金材料主要是质量优良的细颗粒、超细颗粒的材料结构,其强度可到达3000N/mm24000N/mm,红硬性可到达800-900。由于采用先进的成形工艺、烧结技术、纳米技术、超细技术,硬质合金刀具近几年不断涌现出新的牌号,使硬质合金刀具更具有切削的针对性。涂层刀具涂层刀具:涂层刀具基体:高速钢、硬质合金涂层刀具材料:TiN、TiC、TiCN、TiA、AlCrN、石涂层和、CBN涂层涂层刀具技术:复合涂层,多元涂层,纳米涂层涂层刀具应用:钻头、铰刀、丝锥、滚刀、拉刀、剃刀、插刀、硬质合金刀片陶瓷刀具:陶瓷刀具:陶瓷刀具有氧
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