第三章 机械加工精度

第三章 机械加工精度Machining Precision3-1概述 零件的加工质量： 机械加工精度 加工表面质量一、机械加工精度 1、概念 (1)加工精度：零件加工后的实际几何参数(即尺寸、形状和表面间的相互位置)与理想几何参数的符合程度。（由各种因素影响-不可能完全符合.） (2)加工误差：加工后零件的实际几何参数(即尺寸、形状和表面间的相互位置)对理想几何参数的偏离程度。 （零件可以允许有一定的加工误差-保证产品的使用性能,保证和提高加工精度问题-实际上就是限制和降低加工误差问题） （1）加工精度的高低- - 加工误差的大小表示 （2）加工精度(尺寸,形状,位置精度)三者关系 位置公差限制在尺寸公差之内： 尺寸精度高位置精度高 形状公差限制在位置公差内： 位置精度高形状精度高 反之不成立（3）加工精度、加工成本、生产率三者关系 设计人员-合理规定加工精度 工艺人员-依设计要求、生产条件、用适当方法保证高生产率和低 成本. 2. 工艺系统 定义: 在机械加工时,机床、夹具、刀具和工件就构成了一个完整的系统. 工艺系统误差(原始误差)-因 加工误差-果3. 研究加工精度的目的: 弄清各种原始误差的物理、力学本质及对加工精度的影响规律,掌握控制加工误差的方法，找到提高加工精度的途径，得预期的加工精度。二、影响机械加工精度的因素原始误差 几何误差(与工艺系统初始状态有关的原始误差) 原理误差 定位误差 调整误差 刀具误差 夹具误差 工件相对刀具在静止状态下已存在误差 机床主轴回转误差 机床导轨导向误差 机床传动误差工件相对刀具在运动状态下已存在误差 动误差（与工艺过程有关的原始误差） 工艺系统受力变形(包括夹紧变形) 工艺系统受热变形 刀具磨损 测量误差 工件残余应力引起变形三、误差敏感方向 对加工精度影响最大的方向（图3-2）3-2工艺系统的几何精度对加工精度的影响一、加工原理误差采用近似的成形运动 用展成法切削齿轮（刀齿有限,微小折线组成曲线） 三坐标数控铣削复杂形面零件-用球头刀（图3-3）近似的刀刃轮廓 用滚刀切削渐开线齿轮(用阿基米德蜗杆代替渐开线蜗杆，轴向截 面为直线齿形) 用模数铣刀加工渐开线齿轮（用一把模数铣刀加工模数一定齿数 范围的齿轮）二、调整误差1.试切法：误差来源：(1)测量误差.(2)微进给机构的位移误差-爬行现象.(3)切割层太薄-刀刃打滑2.按样件或样板调整：样件或样板本身的制造安装误差及对刀误差3.定程机构误差：行程挡块、靠模、凸轮等机构的制造精度和调整，以及与其配合使用的离合器、电气开关、控制阀等的灵敏度三、机床误差（一） 机床导轨导向误差1.导轨在水平面内的直线度-对径向尺寸影响大（图3-5）2.导轨在垂直面内的直线度-对径向尺寸影响小（图3-5）3.前后导轨在垂直面内的平行度-刀架与工件相对位置偏斜（锥度或马鞍形）（图3-7）（二） 机床主轴回转误差1 主轴回转误差的概念主轴回转误差：实际回转轴线与理想回转轴线的最大变动量主轴回转误差：a、径向跳动；b、 轴向窜动；c、 倾角摆动2 主轴回转误差对加工精度的影响（1）采用滑动轴承（图3-17） 工件回转类机床（车床）：主轴轴颈误差反映到工件上 刀具回转类机床（镗床）：轴承孔内圈表面的圆度误差将反映到工件上（2）采用滚动轴承时 工件回转类机床（车床）：轴承内环外滚道的几何形状误差反映到工件上 刀具回转类机床（镗床）：外环内滚道误差反映到工件上（相当滑动轴承 内圆面） 主轴前后轴承存在偏心-反向偏心-转角 工件回转-产生圆柱度误差 刀具回转-产生圆度误差（3）主轴的轴向窜动：车-端面与圆柱面不垂直（ 图3-14）（三） 机床传动链的传动误差：制造、装配、磨损四夹具的制造误差与磨损定位元件刀具导向元件分度机构，夹具体五刀具的制造误差和磨损1 一般刀具（车刀，铣刀，镗刀，砂轮） 刃口的磨损和钝化影响加工精度2 成形刀具刀刃的形状误差，刃磨，装夹影响3 定尺寸刀具 尺寸误差影响33 工艺系统的受力变形一 基本概念（工艺系统的受力变形是弹性变形，工艺系统抵抗弹性变形的能力越强，则加工精度越高，工艺系统抵抗弹性变形的能力，用刚度k来描述）工艺系统刚度k：指工件加工表面在误差敏感方向的切削分力与在该方向上刀具相对工件位移y的比值即 N/mm y为 Fx , Fy , Fz 同时作用下综合结果二 工艺系统刚度的计算 1 工艺系统刚度的组成（工艺系统在误差敏感方向的变形叠加）已知各组成环节的刚度工艺系统刚度三 工艺系统刚度对加工精度的影响（一） 工艺系统各组成部分的变形及总变形1 机床的变形 条件：两顶尖加工光轴；工件和刀具刚度很大 切削力不变（只考虑机床变形）床头箱与尾架的分力：2. 工件的变形: 条件： 机床, 刀架刚度很大 3、 工艺系统的总变形:（二） 工艺系统变形对加工精度的影响1、 切削力作用点不同位置引起的误差 工件刚度大-马鞍形 车 工件刚度小-腰鼓形 2、 误差的复映（图3-31） 定义：加工余量和材料硬度不均，引起切削力变化造成的加工误差误差复映系数式中 C为常数（硬度均匀、刀具、切削条件、进给量一定时）K为工艺系统的刚度 是小于1的正数，定量反应了毛坯误差经加工后所减小的程度 为工件圆度误差为加工后工件圆度误差3、 其他作用力：传动力，惯性力，夹紧力，本身重力等四 车床部件刚度（一） 机床部件刚度的测定1 静态测定法（图3-38车床刀架的静刚度特性曲线）（1）y-Fy非线形关系（弹塑变形）（2）加-卸载线不重合（摩擦和接触塑变）（3）卸载线不回起始点（残留变形，反复加载残留变形为零）2 工作状态测定法（二） 影响机床部件刚度的因素1、 接触面的表面质量开始表面粗糙度（接触面积小）-弹变和局部塑变-凹形曲线2、 存在刚度差的零件（图3-41）镶条，键等-凹形曲线（非线性）3、 连接件夹紧力的影响螺钉连接，超过预紧力-凸形曲线（非线性）4、 摩擦力的影响：能量消耗-加、卸载线不重合加载-阻碍间隙位移，阻碍变形增加卸载-阻碍间隙位移，阻碍变形减小5、 间隙的影响（图3-40）载荷大于摩擦力-位移-加、卸载点不重合五 减小工艺系统受力变形对加工精度的影响的措施提高系统刚度，减小载荷及变化（一） 提高工艺系统刚度1 结构设计：减少连接面数量，用封闭断面2 提高表面接触刚度提高接触面表面质量，预加载荷-消除间隙3 用合理的装夹和加工方式：中心架，跟刀架（二） 减少载荷及变化刀具几何参数 增大前角 主偏角=900切削用量-减小进给量及背吃刀深度毛坯余量均匀六工件残余应力对加工精度的影响1 毛坯内应力：锻、铸、焊-厚薄不均，冷速不均-内应力2 工件切削内应力表层受摩擦、拉伸、热膨胀3 冷校直残余应力4 热处理34工艺系统的热变形对加工精度的影响一 概述（一） 工艺系统的热源热（高低）-导热传热，对流传热，辐射传热热源 内部： 切削热（主要热源） 产生于工艺系统内部（以热传导方 式传递） 摩擦热 外部：环境温度（气温变化，通风，空气对流和周围环境）-对流 传递的主要形式 各种辐射热（阳光，照明，暖气设备）（二） 工艺系统的热平衡和温度场的概念热平衡-工艺系统单位时间散出的热量与热源传入的热量趋于相等，这时 工艺系统就达到了热平衡。温度场-物体中各点的温度分布成为温度场 不稳定温度场 稳定温度场 不稳定温度场 -各点的温度是坐标和时间的函数 y=f(x, y, t) 稳定温度场-各点的温度只是坐标的函数 y=f(x, y)二 工件热变形对加工精度的影响（一） 工件比较均匀的受热轴，盘，套类件-直径和长度增大（粗加工-冷-精加工）（二） 工件不均匀受热平板类件-翘曲变形三 刀具热变形时对加工精度的影响车刀热变形曲线（图3-46）四 机床热变形对加工精度的影响一般机床主传动功率 切削功率 空载功率精密机床-空载功耗是主要热源车床热源（主轴箱）-主轴提高和倾斜-垂直方向影响大机床热变形的缓慢-加工误差不一致精密加工-热平衡后进行加工五 减少工艺系统热变形对加工精度影响的措施1 减少热源产生的热量低速切削 小切削用量精密加工-冷却2 控制热源的影响：冷却液，恒温空间3 从工艺系统结构本身减少热变形 用对称结构机床 分离内部热源-热源放在机床外 减少运动副的摩擦热工件-避免薄壁，空心等易受热变形的结构刀具-热变形避开误差敏感方向3-5加工误差的统计分析单因素分析法统计数理-误差规律一 加工误差的性质系统性误差 常值系统性误差（加工误差的大小，方向保持不变，与加工时间，加工顺序无关） 加工原理误差 工艺系统的制造与调整误差 工艺系统的静力变形 机床，夹具，量具的磨损 变值系统性误差（加工误差按一定规律变化） 机床，夹具，刀具的热变形 刀具磨损随机误差（误差的大小，方向不规律变化） 毛坯误差的复映 装夹误差 多次调整误差残余应力引起的变形二 分布图分析法（一） 实验分布图（1） 成批加工（调整法）-取样本-样本容量n（样本尺寸或偏差x）（2） 样本极差 (3)样本分组（按大小顺序）（k组表3-2，组距d） 组内零件数量：频数m i式中 j为组序数，正号为组上界，负号为组下界 （3） 该批工件的实验分布图（4） 样本的数字特征 例: (1) 6T 加工精度不足（二） 理论分布曲线1 正态分布（相互独立的大量微小随机变量总和分布为正态分布）正态分布的概率密度正态分布函数:6(3)-代表某种加工方法在一定条件下（如毛坯余量、切削用量、正常的机床、夹具、刀具等）所能达到的加工精度。6T2 非正态分布 两机床加工件混：（1）常值（2）精度不一 刀具磨损显著： 工艺系统热变形显著：曲线不对称 试切法“宁修不废”：（三） 分布图分析法的应用1 辨别加工误差性质正态分布-无变值系统性误差常值系统性误差2 确定工序能力及其等级工序能力-工序在稳定状态时，误差波动幅度（表3-7）3、计算合格品率或不合格品率例：3-4（1） 作分布图（2） 计算 Cp=0.9分布图分析法的缺点（1） 没考虑先后顺序，不能反映误差变化趋势。（2） 不能区别变值与随机误差（3） 加工后绘制，不能及时提供绘制精度的信息三、点图分析法分布图当工艺过程稳定时（、保持不变）点图-分析工艺过程的稳定性(一)单值点图（反映了每个工件尺寸或误差与加工时间的关系）按加工顺序测量工件-平均值曲线oo-每一瞬时的分散中心起始点o -常值系统性误差AA/ BB/-每一瞬时的分散范围（随机误差的影响）CC/ DD/-控制界线EE/ FF/-公差带极限尺寸（二） R图 (小样本)平均值（控制工艺过程质量指标的分布中心）控制图和极差R（控制工艺过程质量指标的分散程度）控制图联合使用的统称3-6保证和提高加工精度的途径一、 误差预防技术（一） 合理采用先进工艺装备 工艺规程，每道工序能力评价 设备（二） 直接减少原始误差法提高工艺系统几何精度，提高刚度，减少变形（三） 误差转移 转移的误差非敏感方向（图3-65）（四） 均分原始误差 按毛坯误差大小分组，按各组调刀（五）均化原始误差让误差重新分布达到整个表面 -研磨二、误差补偿技术