热能与动力机械制造工艺学零件加工余量的确定

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5.5 加工余量的确定,5.5.1. 加工余量的概念,加工余量,从毛坯表面切除的材料层厚度；,工序余量,每道工序切除的材料层厚度。,总余量,Z,0,与,工序余量,Z,i,的关系：,单边余量,对于非对称表面，其加工余量用单边余量,Z,b,表示,Z,b,=,l,a,-,l,b,外圆表面,2,Z,b,=,d,a,-,d,b,，,内孔表面,2,Z,b,=,D,b,-,D,a,双边余量,对于外圆、内孔等对称表面加工余量用双边余量,2,Z,b,表示,Z,max,=,l,a,(,l,b,T,b,)=,Z,b,+,T,b,Z,min,=(,l,a,T,a,),l,b,=,Z,b,T,a,工序余量变动范围,T,z,=,Z,max,Z,min,=,T,b,+,T,a,由于各工序尺寸都有偏差，故实际切除的余量是变化的。,工序余量又分为,公称余量,Z,b,、最大余量,Z,max,、最小余量,Z,min,工序尺寸公差一般按“入体原则”标注。,对于被包容面，,上偏差为0，其最大尺寸 就是基本尺寸。,本工序的,公称余量,Z,b,=,l,a,-,l,b,对于包容尺寸（孔径、槽宽），下偏差为,0,，其最小尺寸,就是基本尺寸。,本工序的,公称余量,Z,b,=,l,b,-,l,a,Z,max,= (,l,b,+,T,b,),l,a,=,Z,b,+,T,b,Z,min,=,l,b,(,l,a,+,T,a,),=,Z,b,T,a,工序余量变动范围,T,z,=,Z,max,Z,min,=,T,b,+,T,a,1）上工序留下的表面粗糙度值,R,a,和表面缺陷,层深度,H,a,本工序必须把上工序留下的表面粗糙度和表面缺陷层,全部切去，因此本工序余量必须包括这两项因素。,2,）上工序的尺寸公差,T,a,上工序加工表面存在形状误差，如平面度、圆柱度、锥度 等，其总和不超过,T,a,，为使本工序能切去这些误差，工序余量应包括,T,a,项。,5.5.2 影响加工余量的因素,3,）,T,a,值没有包括的上工序留下的空间位置误差,e,a,工件上有些形位误差未包括在加工表面工序尺寸公差范围之内,在确定加工余量时，须考虑它们的影响，否则将无法去除上工序留下的表面缺陷层。,4）本工序的装夹误差,b,如果本工序存在装夹误差（定位误差、夹紧误差），,在确定本工序加工余量时还应考虑,b,的影响。,e,a,与,b,都是向量，要用矢量相加所得矢量和的模进,行余量计算。,综上分析，工序余量的最小值可用以下公式计算：,对于单边余量：,对于双边余量：,2,（ 3 ） 加工余量的确定,1）计算法,掌握影响加工余量的各种因素具体数据的条件下，,计算法比较科学，但目前统计资料较少。,2）经验估计法,为避免出现废品，估计余量一般偏大，用于单件小,批生产。,3）查表法,以生产实践和实验研究为基础制成数据表格，查表,并结合实际情况加以修正。查表法确定加工余量，,方法简便，较接近实际，应用广泛。,尺寸链：,由相互联系、按一定顺序首尾相接构成的封 闭尺寸图形叫作尺寸链。,5.6 尺寸链,5.6.1 尺寸链的概念,A,1,和,A,2,是在加工过程中直接获得，尺寸,A,0,是间接保证的，,A,1,、,A,2,和,A,0,构成一个封闭的尺寸组，,都叫尺寸链的环。,环：,构成尺寸链的每一个尺寸，如,A,1,、,A,2,、,A,0,；,环的分类：,组成环：,加工过程中直接获得的尺寸。如,A,1,、,A,2,是组成环；,封闭环（终结环）：,间接获得的尺寸。如,A,0,为封闭环；,组成环的分类：,增环：,它增大将使封闭环随之增大的组成环，如,A,2,为增环；,减环：,它增大反使封闭环随之减小的组成环，如,A,1,为减环。,几个尺寸链术语的基本概念：,同一个尺寸链的各个环用同一个字母表示，如,A,1,、,A,2,、,A,0,，下标1、2、表示组成环的序号,下标,0,表示封闭环。,尺寸链的表示方法：,封闭环、组成环的判断方法：,增、减环的判断方法：,a、,根据定义；,b、,顺着尺寸链的一个方向，向着尺寸线的终端画箭头，则与封闭环同向的组成环为减环（在字母上加,），与封闭环反向的组成环为增环（在字母上加,）。,(1)根据尺寸链的用途不同分为,工艺尺寸链,和,装配尺寸链,工艺尺寸链,由单个零件在加工过程中的相关尺寸组成 的尺寸链；,5.6 尺寸链,5.6.2 尺寸链的分类,(1)根据尺寸链的用途不同分为,工艺尺寸链,和,装配尺寸链,装配尺寸链,由在机器设计和装配过程中各相关零部件间相互联系的尺寸或位置关系所组成的,尺寸链。,5.6,尺寸链,5.6.2 尺寸链的分类,(2)按尺寸链在空间分布的位置关系，分为,线性尺寸链,、,平面尺寸链,(图5.17),和,空间尺寸链,。在尺寸链中，以线性尺寸链,即全部组成环平行于封闭环的尺寸链用得最多,。,5.6 尺寸链,5.6.2 尺寸链的分类,(2)按尺寸链在空间分布的位置关系，分为,线性尺寸链,、,平面尺寸链,(图5.17),和,空间尺寸链,。在尺寸链中，以线性尺寸链,即全部组成环平行于封闭环的尺寸链用得最多,。,5.6 尺寸链,5.6.2 尺寸链的分类,5.6 尺寸链,5.6.2 尺寸链的分类,(3)按尺寸链各环的几何特征，分为,长度尺寸链,和,角度尺寸链,(图5.18)。,5.6 尺寸链,5.6.2 尺寸链的分类,(4)按尺寸链之间的相互联系，分为,独立尺寸链,和,并联尺寸链,(多个尺寸链之间有公共环，图5.19),。,5.6.3,尺寸链计算的基本公式,1 基本计算公式如下：,a)封闭环的基本尺寸等于增环的基本尺寸之和减去减环,的基本尺寸之和，即,b)封闭环的最大极限尺寸等于增环最大极限尺寸之和减,去减环最小极限尺寸之和，即,c)封闭环的最小极限尺寸等于增环最小极限尺寸之和减,去减环最大极限尺寸之和，即,5.6.3.1,极值法(极大极小法),d)封闭环的,上偏差等于增环上偏差之和减去减环下偏差之,和,，即,e)封闭环的,下偏差等于增环下偏差之和减去减环上偏差之,和,，即,f)封闭环的,公差等于各组成环公差之和，,即,g)封闭环的,误差等于各组成环误差之和，,即,h)封闭环的,平均尺寸等于增环,平均尺寸,之和减去减环,平均尺寸,之和,，即,i)封闭环的,中间(平均)偏差等于增环,中间(平均)偏差,之和减去减环,中间(平均)偏差,之和,，即,平均尺寸,A,M,最大尺寸和最小尺寸的平均值。,中间(平均)偏差,B,M,公差带中点(即,平均尺寸,A,M,)偏离基 本尺寸的大小。,封闭环的公差比任何一个组成环的公差都大，应尽量选,择最不重要的尺寸作封闭环。,为减小封闭环公差，应尽量减少组成环数目及其公差。,封闭环公差一定时，减少组成环数目可放大各组成环公差，使其加工容易。,计算尺寸链时，常遇到三种类型的问题：,1）已知全部组成环的极限尺寸，求封闭环基本尺寸及,公差，称为“正计算” ，结果唯一。,2,）已知封闭环的极限尺寸，求各组成环的极限尺寸，称为“反计算” 。通常在制定工艺规程时，由于基准不重合而需要进行的尺寸换算属于这类计算，,结果不唯一，需优化计算,。,3）已知封闭环的极限尺寸和部分组成环的极限尺寸，求其它组成环的极限尺寸，称为“中间计算” 。,5.6.3,尺寸链计算的基本公式,2 解决尺寸链反计算问题的方法,a)按等公差原则分配封闭环公差，即使各组成环公差相等，其大小为,5.6.3.1,极值法(极大极小法),等公差原则计算简单，但当各环加工难易程度、尺寸大小不一样时，规定各组成环公差相等不合理。,b)按等精度原则分配封闭环公差，即使各组成环精度相等，其大小为,等精度原则在工艺上是合理的，但计算较复杂。,5.6.3,尺寸链计算的基本公式,2 解决尺寸链反计算问题的方法,c)利用协调环(相依尺寸)分配封闭环公差(,相依尺寸公差法,)。,协调环,容易加工或容易测量或受限制少的组成环。,协调环的作用,：协调封闭环和其它组成环的关系，以保证这些难加工和不宜改变公差的组成环的公差。,将难加工、尺寸大的组成环，公差取大些。,与设计和工艺工作经验有关。,5.6.3.1,极值法(极大极小法),尺寸链计算的关键：,正确画出尺寸链图，找出封闭环，确定增环和减环,作尺寸链图,按照加工顺序依次画出各工序尺寸及零件,图中要求的尺寸，形成一个封闭的图形。,找封闭环,根据工艺过程，找出间接保证的尺寸,A,0,为,封闭环。, 确定增环和减环,可用以下简便的方法得到：,从封闭环开始，给每一个环画出箭头， 最后再回到封,闭环，像电流一样形成回路。凡箭头方向与封闭环方,向,相反者为增环（如,A,2,），,箭头方向与封闭环方向,相,同者为减环（如,A,1,）。,极值法计算尺寸链举例：,竖式算法,增环，基本尺寸、上下偏差照写；,减环，反号，上下偏差对调。,5.6.3,尺寸链计算的基本公式,极值法解尺寸链的特点：,优点：简单、可靠。,缺点：当封闭环公差较小，环数较多时，组成环公差要求减小=加工困难，成本增加。,在实际生产中，工件的加工尺寸分布符合概率统计规律，即尺寸处于极值的概率小(零件数量少)，处于公差带中部的概率大(,零件数量多,)，尤其是尺寸链中各组成环均出现极值的概率就更小。所以，,封闭环的实际允许公差比按极值法计算出来的公差可放大很多（只有当各组成环的尺寸均处于极值时，才肯定会出现废品）。,所以，采用概率法解尺寸链，可扩大组成环公差加工容易.,5.6.3.2,概率法,5.6.3,尺寸链计算的基本公式,概率法的基本计算公式：,1)各环公差值的计算,尺寸链中的组成环和封闭环都是随机变量。,随机变量的特征数：算术平均值和均方根偏差。,算术平均值 一批零件的尺寸分布中心。,均方根偏差 一批零件实际的尺寸分布相对于算术平均值的偏离（离散）程度。,封闭环的均方根偏差 等于所有组成环的均方根偏差平方和的平方根，即,5.6.3.2,概率法,5.6.3,尺寸链计算的基本公式,概率法的基本计算公式,：,1)各环公差值的计算,当尺寸链中各组成环为正态分布时，封闭环也一定是正态分布。,如果不存在系统误差(机械加工中的原理误差，机床、刀具、夹具、量具的制造误差及调整误差，工艺系统的静力变形、达到热平衡阶段的工艺系统热变形等常值系统误差和刀具的正常磨损、温升阶段的工艺系统热变形等变值系统误差等), 各组成环的分布中心与公差带中心重合。,5.6.3.2,概率法,5.6.3,尺寸链计算的基本公式,概率法的基本计算公式：,1)各环公差值的计算,公差可取为,5.6.3.2,概率法,由此得,封闭环的公差等于所有组成环的公差平方和的平方根，即,5.6.3,尺寸链计算的基本公式,概率法的基本计算公式：,1)各环公差值的计算,由上式可以看出：当各组成环公差相等时，则各组成环的平均公差为,5.6.3.2,概率法,将此公式与用极值法按等公差原则得到的相应公式,比较发现：,若封闭环公差不变，则组成环平均公差可扩大 倍加工容易；,若组成环公差不变，则封闭环平均公差可缩小 倍提高封闭环精度；,当各组成环为非正态分布时，需引入,相对分布系数,k,i,（表明各种尺寸分布曲线相对正态分布曲线的差别见149页表5.11）,i,=,k,i,T,i,/6。在尺寸链中，如果没有一个组成环的尺寸分散过于大于其余各组成环，而且又不是过多偏离正态分布，则组成环数目足够多时，封闭环一定为正态分布，即：,0,=T,0,/6,同样易得：,5.6.3.2,概率法,5.6.3.2 概率法,（2）算术平均值的计算,据概率原理知，封闭环的算术平均值 等于组成环算术平均值的代数和，即：,若各组成环的分布曲线为对称分布，且分布中心与公差带中点（平均尺寸A,M,）重合，则算术平均值就等于平均尺寸。即：,5.6.3.2,概率法,将上式减去基本尺寸，得出,即封闭环的平均偏差等于增环的平均偏差之和与减去减环的平均偏差之和。与极值法相应的式子完全一样。,若各组成环的分布曲线为非对称分布时，算术平均值相对公差带中点（平均尺寸）有一偏移量,，,因,令,则,故,不对称系数，见149页表5.11。,5.6.3.2,概率法,（3）概率法的近似计算,用概率法计算尺寸链，需要知道各组成环的误差分布情况及 和 的数值，如有现场统计资料或成熟的经验统计数据，便可进行计算，当缺乏这些资料时，只能假定的 、 值进行近似计算（假定各环分布曲线是对称分布于公差值的全部范围内，即（ 0）)，并取相同的分布系数平均值 （一般取1.21.7)。因此有：,然后可用算术平均值或中间偏差公式进行概率法近似计算，且组成环越多，准确度就越高,。,5.6.3.2,概率法,5.5.2 尺寸链计算方法,（例）已知一尺寸链，如图151页，各环尺寸为正态分布，废品率为0.27%。求封闭环公差值及公差带分布。,解：因各组成环正态分布，故k,i,=k,M,=1。在尺寸链中，A,0,为封闭环， A,1,、 A,2,为增环， A,3,、 A,4,、 A,5,为减环。各组成环公差为：,T,1,=0.4, T,2,=0.5, T,3,=T,4,=T,5,=0.2;,各组成环的中间偏差：,B,M,A,1,=(0.4+0)/2=0.2,B,M,A,2,=(0.3+(-0.2)/2=0.05,B,M,A,3,=(0.2+0)/2=0.1,B,M,A,4,=(0.1+(-0.1)/2=0,B,M,A,5,=(0+(-0.2)/2=-0.1,封闭环公差为：,封闭环公差带分布为：,即封闭环为：,尺寸偏差分布情况见下页图。,改用极值法计算则为：,确定工序尺寸一般方法,1）确定各工序加工余量；,2）从最终加工工序开始，即从设计尺寸开始，逐次加上（对于被包容面）或减去（对于包容面）每道工序的加工余量，可分别得到各工序的基本尺寸；,3）除最终加工工序取设计尺寸公差外，其余各工序按各自采用的加工方法所对应的加工经济精度确定工序尺寸公差；,4）除最终工序外，其余各工序按“入体原则”标注工序尺寸公差；,5）毛坯余量通常由毛坯图给出，故第1工序余量由计算确定。,表,6-9,主轴孔工序尺寸及公差的确定,工序名称,工序加工余量,工序基本尺寸,加工经济精度（,IT,）,工序尺寸及公差,表面粗糙度,浮动镗刀块镗,0.1,100,7,R,a,0.8,精镗,0.5,（,100-0.1=,）,99.9,8,R,a,1.6,半精镗,2.4,（,99.9-0.5=,）,99.4,10,R,a,3.2,粗镗,5,（,99.4-2.4=,）,97,12,R,a,6.3,毛坯孔,（,97-5=,）,92,5.7 工序尺寸的确定,工序尺寸各工序所达到的尺寸（即工序图上所标注的尺寸）。,5.7 工序尺寸的确定,5.7.1 用计算法确定工序尺寸,（1）经过几道工序加工所形成的表面的工序尺寸计算,例题5.7：一平面经粗加工、精加工和光整加工达零件规定尺寸和公差，求各工序尺寸。由于基准不变，可根据现场经验或查手册确定工序余量及公差后，可按工艺过程的顺序,由后向前,逐步计算。,若查光整加工、精加工、粗加工的基本余量分别为Z,3,、Z,2,、Z,1,，精加工、粗加工和毛坯公差分别为T,2,、T,1,、T,0,，且零件要求尺寸为A,3,、T,3,（光整工序尺寸），则,精加工工序尺寸A,2, A,3, Z,3,；公差T,2,粗加工工序尺寸A,1, A,2, Z,2,；公差T,1,毛坯尺寸 A,0, A,1, Z,1,；公差T,0,铸造和锻造的毛坯都规定双向标注，但当计算毛坯尺寸时只取入体方向的偏差值T,0,（2）工序基准与设计基准不重合而引起的工序尺寸计算,（2）工序基准与设计基准不重合而引起的工序尺寸计算,（2）工序基准与设计基准不重合而引起的工序尺寸计算,（2）工序基准与设计基准不重合而引起的工序尺寸计算,（3）从尚需继续加工表面标注的工序尺寸计算,5.5.3 工序尺寸的确定,（3）从尚需继续加工表面标注的工序尺寸计算,5.5.3 工序尺寸的确定,（3）从尚需继续加工表面标注的工序尺寸计算,5.5.3 工序尺寸的确定,（4）对某表面进行加工，要同时保证多个设计尺寸的工序尺寸计算。,5.7 工序尺寸的确定,（4）对某表面进行加工，要同时保证多个设计尺寸的工序尺寸计算。,5.7 工序尺寸的确定,5.,8,时间定额与,经济分析,5.8.1 时间定额,定义:,在一定生产条件下(生产规模、生产技术、生产组织)，生产一件产品或,完成一道工序,所需消耗的时间(,工序单件时间（定额）,)。,组成,劳动生产率,一个工人在单位时间内制造出合格产品的数量，,或者是一个工人用于单位产品的劳动时间。,经济分析,研究如何用最少的社会消耗、最低的成本生产出合格的产品。,基本时间,：直接改变生产对象的性质，使其成为合格产品或达到工序要求所需时间（包括切入、切出时间）,辅助时间,：为实现工艺过程必须进行的辅助动作时间，如装卸、测量工件、启停机床、改变切削用量及进退刀等,工作地点服务时间,：包括更换刀具、润滑机床、清理切屑、收拾工具等。,休息和生理需要时间：,工人在工作班内，为恢复体力和满足生理需要所需时间,准备终结时间,：如熟悉工艺文件、领取毛坯、安装夹具、调整机床、发送成品等。,单件时间与单件工时定额计算,工序单件时间：,成批生产时的,工序时间定额：,式中,t,B,基本时间,t,A,辅助时间,t,C,工作地点服务时间,t,R,休息和生理需要时间,t,P,准备终结时间,N,批量,5.8.1 时间定额,可以看出,:,批量,N,越大，,t,Q,与,t,S,越接近。,在大量生产时，有：,提高生产效率的工艺途径,缩短基本时间：, 提高切削用量（切削速度、进给量、切削深度等）；, 采用多刀多刃进行加工（如以铣削代替刨削，采用组合刀具等）；, 采用复合工步，使多个表面加工基本时间重合（如多刀加工，多件加工等）。,缩短辅助时间：, 使辅助动作实现机械化和自动化（如采用自动上下料装置、先进夹具等）；, 使辅助时间与基本时间重叠（如采用多位夹具或多位工作台，使工件装卸时间与加工时间重叠；采用在线测量，使测量时间与加工时间重叠等）,5.8.1 时间定额,缩短布置工作地时间：,缩短准备终结时间：,5.8.1 时间定额,主要是减少换刀时间和调刀时间,采用自动换刀装置或快速换刀装置,使用不重磨刀具,采用样板或对刀块对刀,采用新型刀具材料以提高刀具耐用度,在中小批量生产中采用成组工艺和成组夹具,在数控加工中，采用离线编程及加工过程仿真技术,工艺成本(第一类费用)生产成本中与工艺过程直接有关的部分(,70,75,)。,生产成本生产一件产品或一个零件所需费用总和(包括第二类费用)。,通过比较不同工艺方案的生产成本选出最经济的加工方案,5.8.2.1.,工艺成本的组成及计算,可变费用,与零件的年产量有关，包括材料费、工人工资、机床电费、 通用机床通用装备维护折旧费。,不变费用,与零件的年产量无关，包括专用机床专用工艺装备维护折 旧费等。,5.8.2 工艺过程的经济分析,5.8.2.1.,工艺成本的组成及计算,工艺成本为,5.8.2 工艺过程的经济分析,可变费用,V,与零件的年产量有关，包括材料费、工人,工资、机床电费、通用机床通用装备维护折旧费。,不变费用,C,与零件的年产量无关，包括专用机床专用工艺,装备维护折旧费等。,单件的工艺成本：,S,单,=,V,+,C,单件工艺成本又可表示为:,S,单,=,V,+,C,年,/N,产品的全年工艺成本为:,S,=,VN,+,C,年,5.8.2 工艺过程的经济分析,5.8.2.1.,工艺过程经济方案的选择,工艺方案的经济性评比,1）两方案多数工序相同时用计算少数不同工序单件成本来评比,S,t1,=,V,1,+,C,1,/N,S,t2,=,V,2,+,C,2,/N,可直接计算比较或根据,曲线进行比较,N,N,k,时，可选方案2；,N,N,k,时，可选方案 1,2）两方案多数工序不同少数工序相同时以全年工艺成本进行比较,S,1,=,V,1,N,+,C,1,S,2,=,V,2,N,+,C,2,可直接计算比较或根据,曲线进行比较,N,N,k,时，可选方案2；,N,N,k,时，可选方案 1；,N,=,N,k,时，,S,1,=,S,2,，则,N,k,=,V,1,V,2,C,2,C,1,（七）典型零件加工工艺过程分析,1. 轴类零件的加工,一般分为光滑轴、阶梯轴、空心轴和异形轴四类。,加工面主要有内外圆柱面、圆锥面、螺纹、花键、键槽,轴类零件一般在机器中支承传动零件，传递转矩、承,受载荷。对于机床主轴，它把旋转运动和转矩通过主轴,端部的夹具传递给工件或刀具，因此它除了一般轴的要,求，还必须具有很高的回转精度。,(1) 轴类零件的技术要求分析,以,CA6140,型车床主轴为例，主轴跨距较大，采用前后,支承为主，中间支承为辅的三支承结构。,支承轴颈是主轴,部件的装配基准,，直接影响到主轴部件的回转精度。,主轴锥孔轴线,与支承轴颈的公共轴线尽量重合，否则将,影响机床精度，使工件产生同轴度误差。,主轴前端圆锥面和端面,是安装卡盘的定位表面，保证锥,面与支承轴颈轴线同轴，端面与支承轴颈轴线垂直。,主轴螺纹表面中心线,与支承轴颈的同轴度要求，否则引起,主轴的径向圆跳动。,主轴轴向定位面,应与主轴回转轴线垂直，影响工件端面的,平面度及对轴线的垂直度，加工螺纹时会造成螺距误差。,安装传动齿轮的轴颈,，若与支承轴颈不同轴，会造成齿,轮啮合不良；,考虑轴的耐磨性、抗振性、尺寸稳定性，以及在变载荷,作用下所具有的抗疲劳强度等。,(2) 轴类零件材料、毛坯和热处理,一般轴类零件常用45钢，采用正火、调质、淬火等；,中等精度转速较高的轴类，选用40Gr等合金结构钢；,高精度轴用GCr15或65Mn等材料，调质或表面淬火处理；,高速重载轴，用20GrMnTi渗碳钢或38CrMoALA渗氮钢，,经调质和表面氮化；,轴颈表面处于滑动摩擦中，要求较高耐磨性，使用较好轴,瓦材料；采用滚动轴承时轴颈表面要求可较低些。,轴类零件一般以棒料为主，某些大型、结构复杂情况下用,铸件（如曲轴）；重要、高速轴须采用锻件，单件小批量,采用自由锻，大批量宜采用模锻。,(3)工艺过程特点,1） 定位基准,常以设计基准（中心孔）为精基准，加工各阶段反复修,正中心孔不断提高精度，,采用基准重合、重准统一原则,。,空心轴需解决深孔加工和定位问题，常用外圆表面定位,加工内孔，以内孔定位加工外圆。必要时借用锥堵，仍用,顶尖孔定位，如此,内孔、外圆互为基准反复加工,，保证内,孔、外圆的同轴度。,精磨主轴内锥孔头架主轴与工件间采用挠性连接，工件,回转轴线由专用磨夹具决定，不受头架回转误差影响。,2） 深孔加工,为减小零件变形，在调质后进行，采用特殊钻头、,设备和加工方式，解决好导向、排屑和冷却润滑问题。,可采取下列措施：,工件回转，钻头进给，使钻头具有自动定心的能力,采用深孔钻削系统，如内排式深孔钻、枪钻等,工件上预加工导向孔，深度11.5,d,，精度不低于IT7,大量输送一定压力的冷却介质，加快刀具冷却及排屑,3） 细长轴的加工, 工件装在前后顶尖上，紧松适当；亦可装在卡盘和后,顶尖上，采用弹簧顶尖，以免工件热伸长受阻；, 细长轴刚性差，采用大主偏角、大前角、正刃倾角；, 采用中心架或跟刀架，以增加工艺系统刚性；, 采用采用反向车削，使工件轴向受拉；, 轴左端缠一圈钢丝，卡盘夹在钢丝上，避免过定位变形；, 充分使用切削液；,(4),一般传动轴加工工艺过程,各段直径相差不大，批量5件，选60热轧40Gr圆钢料；,主要表面M、N、P、Q的加工顺序为：,粗车调质半精车磨削；,在轴两端加工B型中心孔为,定位精基准面,。,7.1 机械加工精度的基本概念,第,七,章 机械加工精度,产品质量是企业的生命线.,按现代质量观,它包括,设计质量、制造质量和服务质量.,零件制造质量是保证产品质量的基础.,加工质量指标分,加工精度,和,加工表面质量.,加工精度,指零件加工后实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数相符合的程度。符合程度愈高，加工精度愈高。,加工误差,指零件加工后实际几何参数(尺寸、形状和位,置)与理想几何参数的偏离程度。,7.1.1 加工精度与加工误差,常用加工误差的大小来评价加工精度的高低,加工误差越小，加工精度越高,零件的加工精度包括,尺寸精度、形状精度、位置精度,通常尺寸精度要求高形位精度要求也越高,获得加工精度的方法,（1）获得尺寸精度的方法,1）试切法 用于单件小批生产,2）调整法 用于成批大量生产,3）定尺寸刀具法 生产率高，刀具制造复杂,4）自动控制法 切削测量补偿调整,（2）获得形状精度的方法,1）轨迹法 利用刀尖运动轨迹形成工件表面形状,2）成形刀具法 由刀刃的形状形成工件表面形状,3）展成法 由切削刃包络面形成工件表面形状,（3）获得相互位置精度的方法,主要由机床精度、夹具精度和工件的装夹精度来保证,本章学习目的：,了解各种因素对加工精度的影响规律，找出,提高加工精度的途径，以保证零件的加工质量,。,7.1.2,研究加工精度方法,1.因素分析法,采用分析计算或实验、测试等方法，研究某一确定因素对加工精度的影响（,单因素分析法,不考虑其它因素的同时作用）。,2.统计分析法,运用数理统计方法研究各项误差综合的变化规律，只适用大批、大量生产。,7.2 影响加工精度的因素,机械加工工艺系统组成：,工件、刀具、夹具、机床。,原始误差,工艺系统中能直接引起加工误差的因素。,原始误差,是造成零件加工误差的根源。其存在使工艺系统各组成部分之间的相互位置关系或速度关系偏离了理想状态。,根据原始误差产生的时间，,原始误差,可分为,加工前误差、加工中误差和加工后误差,。,工艺系统静误差,在无切削载荷情况下即存在的原始误差（即加工前即存在）。,工艺系统动误差,在有切削负荷情况下产生的原始误差（即在加工过程中产生的）。,原始误差,加工前误差,加工中误差,加工后误差,调整误差,机床误差,刀具制造误差,夹具误差,加工原理误差,工件装夹误差,工艺系统受力变形,刀具磨损,残余应力引起变形,测量误差,工艺系统热变形,7.1.2 误差敏感方向,图,a)：,R,Y,R,R,R,=,X,显然：,工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，称为,误差敏感方向,。,误差敏感方向一般为通过刀刃的加工表面的法线方向。,图7-2 误差敏感方向,Y,R,0,X,a）,Y,R,0,X,b）,误差敏感方向,图,b)：,加工原理加工表面的形成原理。,加工原理误差指由于采用了近似的切削运动或近似的切削刃形状进行加工而产生的加工误差。,7.2.1 加工原理误差,式中,R,球头刀半径；,h,允许的残留高度。,例2：,用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮,例1：,在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件(图7-4),S,R,h,图7-4空间曲面数控加工,（4-3）,加工原理误差,7.2.2.1 主轴回转误差,1）主轴回转误差, 主轴回转误差概念,主轴回转时实际回转轴线与理想回转轴线的偏移量（在误差敏感方向上的最大变动量）。,三种基本形式,：,a.,纯径向跳动 b.纯角度摆动 c.轴向窜动,7.2.2 机床误差,来自机床本身的,制造误差、安装误差与磨损,。,造成主轴回转误差的主要因素（与主轴部件的制造精度有关）,a.,主轴轴颈与支承座孔的圆度误差、波度和同轴度；止推面或轴肩与回转轴线的垂直度误差。,b.,滑动轴承轴颈和轴承孔的圆度、波度和同轴度误差，端面与回转轴线的垂直度误差。滚动轴承滚道的圆度、波度，滚动体的圆度误差和尺寸误差，滚道与轴承内孔的同轴度误差，轴承间隙及止推滚动轴承的滚道与回转轴线的垂直度误差等。,但它们对主轴回转精度的影响大小随加工方式而不同,滚动轴承结构复杂，影响主轴精度因素也较复杂,除轴承本身精度外，与配合件精度有很大关系如主轴轴,颈、支承座孔等精度,主轴采用滑动轴承的车床类，主轴受力方向一定，主轴颈,圆度误差影响较大，轴承内径圆度误差没影响,镗床主轴受力随镗刀旋转方向不断变化轴承孔误差影响大,A,B,7.2.2 机床误差,影响主轴回转精度的主要因素,内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差,图7-8 轴径不圆引起车床主轴径向跳动,滑动轴承,镗床,（图7-9）,轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动,图7-9 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动,滚动轴承,车床,（图7-8）,轴径不圆引起车床主轴向跳动（注意其频率特性）,静压轴承, 对,轴承孔或轴径圆度误差起,均化,作用,图7-5 径向跳动对车外圆精度影响,1,2,3,4,5,6,7,8,7.2.2 机床误差,仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖运动轨迹接近于正圆（图7-7）。,思考：,主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率为主轴转速两倍，被,车外圆形状如何？,结论：,主轴,径向跳动对加工表面的圆度误差影响很小,e,主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）,7.2.2 机床误差,主轴回转误差对加工精度的影响,主轴径向圆跳动对加工精度的影响（镗孔）,考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为：,e,图7-6 径向跳动对镗孔精度影响,式中,R, 刀尖回转半径；, 主轴转角。,显然，上式为一椭圆。,结论：,主轴,径向跳动对加工表面的圆度误差影响较大,产生,轴向窜动主要原因,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。,主轴,不同形式的,回转误差引起的加工误差不同,车床上加工外圆内孔时，,主轴径向跳动,引起工件圆度和,圆柱度误差，对工件端面无影响；,轴向窜动,对圆柱表面影响不大，对端面垂直度平面度影,响大，车削螺纹时会造成导程的周期性误差；,纯角度摆动,会造成车削外圆或内孔的锥度误差；在镗孔,时，若工件进给会使镗出的孔为椭圆形。,提高主轴及支承座孔的加工精度，选用高精度轴承，提高,主轴部件装配精度、预紧和平衡等，提高主轴回转精度。,7.2.2.2,机床导轨误差,导轨精度要求主要有以下三方面：, 在水平面内的直线度,（以卧式车床为例）,1,将直接反映在工件加工表面法线方向（误差敏感方向）,上，误差,R,=,1,，对加工精度影响最大。,刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。,在垂直面内的直线度,对工件的尺寸和形状误差影响比,1,小得多,对卧式车床,R,2,2,/,D,若设,2,=,0.1,mm,D,=40,mm，,则,R,=0.00025,mm，误差非敏感方向,，,影响可忽略不计。 而对平面磨床、龙门刨床误差将直接反映在工件上。,导轨与主轴回转轴线的平行度误差,若车床导轨与主轴回转轴线,在水平面内,存在的平行度误差，车出的内外圆柱面产生锥度。,导轨与主轴回转轴线的平行度误差,若车床导轨与主轴回转轴线,在垂直面内,存在的平行度误差，车出的内外圆柱面成双曲回转体度（误差非敏感方向）。,7.2.2 机床误差,前后导轨的平行度（扭曲）,卧式车床或外圆磨床若前后导轨存在平行度误差时，,刀具和工件之间相对位置发生变化，刀尖运动轨迹是一,条空间曲线，使工件产生形状误差。,若扭曲误差为,3,则工件误差,R,X,(,H,/,B,),3,一般车床,H,/,B,2/3，,外圆磨床,H,/,B,1，,扭曲误差对加工精度影响很大,除导轨制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也,是造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降,的主要原因之一。可采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴,塑导轨、滚动导轨导轨表面淬火等措施。,7.2.2.2 机床导轨误差,7.2.2.3,机床传动链误差,传动链误差,指机床内联系传动链始末两端的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。产生的原因,是传动链中各传动元件的制造误差、装配误差及磨损等。,若传动齿轮,i,在某一时刻产生转角误差为,i,，则它所,造成传动链末端元件的转角误差：,wi,=K,i,i,K,i,为该轴到末端元件的总传动比，称为误差传递系数，,若,K,i,大于1则误差被扩大；反之，若,K,i,小于1误差被缩小。,各传动件对工件精度影响的总和为：,=,wi,=,K,i,i,减少传动链误差的措施：,尽可能缩短传动链，减少传动元件数目；, 尽量,采用降速传动，误差被缩小；,提高传动元件、特别是末端元件的制造和,装配精度；,消除传动间隙；,采用误差补偿机构或自动补偿装置。,（3）,刀具的几何误差,包括刀具切削部、装夹部的制造误差及刀具安装误差,定尺寸刀具,刀具尺寸精度直接影响工件尺寸精度, 成形刀具,刀具形状精度直接影响工件形状精度, 展成刀具,刀刃形状精度会影响工件加工精度, 一般刀具,制造精度对工件加工精度无直接影响,（4）夹具的几何误差,包括夹具制造误差、安装误差及磨损,对工件尺寸精度和位置精度影响很大,（5）定位误差,包括基准不重合误差、定位副制造不准确误差,直接影响工件的尺寸精度和位置精度,（6）调整误差,在工序,的调整工作中所存在的误差即调整误差,一次调整后存在的误差对这一批零件的影响是不变的。,但,大批量加工中存在多次调,整，不可能每次完全相同。,对全部零件来说，每次调整,误差为偶然性误差。机床调,整误差可理解为零件尺寸分,布曲线中心的最大偏移量。,加工中不产生废品的,条件：,fb,+,t,T,7.2.3.工艺系统的受力变形,工艺系统受力变形引起的加工误差实例,工件刚性差（薄件、圆环）装夹不当会产生受力变形,静刚度（或静柔度）,静态条件下考虑和测量的刚度（或柔度)。,注意：,静刚度是工艺系统本身的属性，与外力无关（在线性范围内）。,工艺系统刚度概念,工艺系统抵抗变形的能力可用工艺系统刚度,k,系,来描述。,垂直作用于工件加工表面的径向切削分力,Fy,与工艺系统在该方向上的变形,y,（,由F,x,、F,y,和F,z,共同产生,）,之间的比值，称为工艺系统,刚度,k,系,k,系,= F,y,/ y y = y,Fx,+ y,Fy,+ y,Fz,柔度,w=,1/,k,=,y/F,y,（1）,零件的刚度,若零件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，其变形,对加工精度影响比较大，最大变形量按材料力学公式估算。,长轴两顶尖装夹按简支梁计算（见教材公式（7.9），三爪卡盘装夹按悬臂梁计算（见教材公式（7.10）。,（2）刀具的刚度,外圆刀具在加工表面法线方向上的刚度很大变形可忽略；,镗小孔刀杆刚度很差，变形对加工精度影响很大，刀杆变,形按材料力学公式估算。,（3）机床部件刚度,机床结构形状复杂，刚度计算主要通过实验方法来测定。,机床部件刚度特点：,变形与载荷不成线性关系；,加载与卸载曲线不重合；,有残余变形存在；,实际刚度比估算的小。,影响机床部件刚度的因素,结合面间的接触变形,接触表面间的名义压强的增量与接触变形的增量之比称为,接触刚度。零件表面越粗糙，形状误差越大，材料硬度低，,接触刚度越小。, 低刚度零件本身的变形, 连接表面间的间隙, 接触表面间的摩擦,变形滞后现象, 受力方向及作用力矩,y,是,F,x,、F,y,、F,z,综合结果,（4）工艺系统的刚度,总变形,y,系,= y,机,+ y,夹,+ y,刀,+ y,工,刚度,k,系,= F,y,/ y,系,，,k,机,= F,y,/ y,机,，,k,夹,= F,y,/ y,夹,，,k,刀,= F,y,/ y,刀,，,k,工,= F,y,/ y,工,所以，,k,系,=,1/(1/,k,机,+,1/,k,夹,+,1/,k,刀,+,1/,k,工,),特点1,：,工艺系统刚度比刚度最小环节的刚度还要差。,7.2.3.2 工艺系统受力对加工精度的影响,切削力位置的变化对加工精度的影响,特点2：工艺系统各环节的刚度和整个工艺系统的刚度是随受力点的位置变化而变化的。,讨论：,1. 工艺系统刚度在沿工件轴向的各个位置是不同的（即与,x,有关）。,3. 若工件粗而短（,l,/,D,5）时，工件刚性大，可不考虑,y,工,，工艺系统总变形,Y,系,是完全取决于机床头架、尾架、顶尖、刀架和刀具的变形，是,x,的二次函数。,圆柱度误差,=,Y,max,-,Y,min,2. 若工件为细长轴时，工件刚性很差，系统变形主要是工件变形，当,x,=,l,/2时，,Y,工,max,=,F,y,l,3,/,(48,EI,)；,工件加工后呈,腰鼓形,。,工件加工后呈,鞍形,。, 切削力大小变化对加工精度的影响,毛,=,a,p1,a,p2,工,=,y,1,y,2,误差复映系数,=,工,/,毛,F,y,=C,y,f,y,a,p,x,K,Fy,=C,a,p,x,C,a,p,F,y,1,= C,(,a,p,1,y,1,),F,y,2,= C,(,a,p,2,y,2,),y,1,y,2,=(,F,y,1,-,F,y,2,)/,K,系,=,C,(,a,p,1,a,p,2,)-,(,y,1,y,2,),/,K,系,即有,y,1,y,2,=,C,(,a,p1,a,p2,),/（,K,系,C,）,=,工,/,毛,=,C,/（,K,系,C,）,所以,工,=,毛,=,工,/,毛,=,C,/,（K,系,C）,总是小于1，有修正误差的能力,多次进给,=,1,2,3,2.,K,系,越大，就越小，复映到工件上的误差越小,3.,C,减小， 就越小，应采取减小,F,y,的措施,讨论：,机床部件、工件重量对加工精度的影响,其它作用力,对加工精度的影响,传动力（拨杆）、离心力改变方向会使工艺系,统产生相应变形,减少工艺系统受力变形的途径, 减小切削力及其变化；, 提高系统中零件的配合质量；,缩短切削力作用点和支撑点的距离，设置辅助支承（如车削细长轴时采用跟刀架）提高部件刚度。,7.2.4.工艺系统的热变形,工艺系统在各种热源的影响下会产生很复杂的变形，破坏了工件于刀具相对位置和相对运动的准确性，导致工件产生加工误差,（1）工艺系统的热源,1）内部热源,包括切削热、摩擦热和派生热源,2）外部热源,包括环境温度、辐射热,主要是主轴部件、床身导轨及两者相对位置的热变形,7.2.4.1,机床热变形对加工精度的影响,7.2.4.2,刀具热变形对加工精度的影响,体积小，热容量小，达到热平衡时间较短,温升高，变形不容,忽视（达0.03 0.05mm）,特点,圆柱类工件热变形,5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性。,式中,L,，,D, 长度和直径热变形量；,L,，,D, 工件原有长度和直径；, 工件材料线膨胀系数；,t, 温升。,长度：,（7-17）,（7-18）,直径：,例：长400mm丝杠，加工过程温升1，热伸长量为：,7.2.4 工艺系统热变形对加工精度影响,工件热变形,7.2.4.3,工件热变形对加工精度的影响,1）工件均匀受热,车镗轴套类零件圆柱面，长度及径向受热变形。,若在受热时测量达到规定尺寸，冷却后尺寸变小，,可能出现尺寸超差。,2）工件不均匀受热,铣、刨、磨平面等，工件单面受热产生弯曲变形,磨削细长轴时工件温升逐渐增加,控制工艺系统热变形的措施,（1）减少发热和采取隔热；,（2）强制冷却，均衡温度场；,（3）从结构上采取措施减少热变形；,（4）控制环境温度。,7.2.5 工件残余应力引起的变形,毛坯制造中的铸、锻、焊、热处理等因工件壁厚不均热胀冷缩不均及金相组织变化等导致体积变化，毛坯产生内应力，处于暂时平衡状态，切削时平衡状态被打破。,工件若产生内应力处于不稳定状态会逐渐变形,残余应力来源,毛坯制造和热处理产生的残余应力,7.2.5 工件残余应力引起的变形,工件若产生内应力处于不稳定状态会逐渐变形,残余应力来源,冷校直带来的残余应力,切削加工带来的残余应力,压,拉,加载,压,压,拉,拉,卸载,图7-24 冷校直引起的残余应力,减小残余应力措施,设计合理零件结构,粗、精加工分开,避免冷校直,时效处理（,常用人工时效、振动时效和天然时效等方法,）,振动时效是通过振动，使工件内部残余的内应力和附加的振动应力的矢量和达到超过材料屈服强度的时候，使材料发生微量的塑性变形，从而使材料内部的内应力得以松弛和减轻。,自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，便其缓缓地发生形，从而使残余应力消除或减少;人工时效是将铸件加热到550650进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底。,7.3,加工误差的统计分析,7.3.1 加工误差的分类,按性质，加工误差可分为系统误差和随机误差。,7.3.1.1 系统误差,大小和方向基本保持不变或按零件加工 顺序有规律变化的加工误差。,常值系统误差,大小和方向基本保持不变的加工误差。,如原理误差，机床、刀具、夹具、量具制造和调整误差，工艺系统的静力变形、达到热平衡后的工艺系统热变形误差等。,变值系统误差,按零件加工顺序有规律变化的加工误差。,如温升过程中的工艺系统热变形误差、刀具的正常磨损等。,7.3.1.2 随机误差,大小和方向不规则变化的加工误差。,如定位误差、夹紧误差、内应力变形引起的误差;毛坯余量或硬度不均，引起切削力的随机变化而造成的加工误差等。,随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用的结果。,随机误差符合,统计规律,。,随机误差的特点：,1）在一定的加工条件下，随机误差的数值总在一定范围内波动；,2）绝对值相等的正误差和负误差出现的概率相等；,3）误差绝对值越小出现的概率越大，误差绝对值越大出现的概率越小。,对系统误差可遵循其规律加以调整或补偿来消除；,对随机误差只能缩小其变动范围无法完全消除。,7.3.2,分布曲线法,1）数据采集,抽取样本（样本总数,n,） 测量 记录。,随机误差和变值系统误差的存在 尺寸分散。,2）分组：, 确定分组数：按尺寸大小分成,k,组（,k,值要适当，参考表7.2), 确定组距 (组间隔),X,：,确定各组组界、组中值,各组组界（上下界）：,X,min,+(,j,-1) ,X,X （j=1,2,3，k）,组中值：,X,min,+(j-1) ,X,直方图, 统计各组频数（即各组的零件数量,m,）, 计算各组频率,m/n,或频率密度,m/,(,nX,),3）绘制等宽直方图,横坐标为零件尺寸，纵坐标为频数或频率密度。,4）绘制实际分布曲线,连接直方图中每组的中点（组中值）得到一条折线。,7.3.2 分布曲线法,例：磨削一批轴颈为 的工件，取,n,=100件测量(数据太少，计算不准确，太多，则增加计算分析工作量)，选择测量尺寸尾数，列表如下（单位：m）：,确定组数为,k,，组距,X,、各组组界值和组中值：,取,k,=9,则,X,=（54-16）/9=4.2,取5 m，易算出各组组界值和组中值，并记录整理成频数分布表如下页,7.3.2 分布曲线法,7.3.2 分布曲线法,7.3.2.1,正态分布曲线方程,式中Y正态分布的概率密度；,正态分布曲线的均值；,正态分布曲线的标准偏差（均方根偏差）。,两个特征参数：,均值,和标准偏差,。,概率密度函数,（7-17）,7.3.2,分布曲线法,实际生产中，用样本平均值 和样本标准偏差,S,作为理论均值,和标准偏差,的估算值。,（7-19）,（7-18）, 正态分布曲线对称于直线,X,，在,X,处概率密度函数有最大值 。,7.3.2,分布曲线法,7.3.2.2,正态分布曲线的特性,X=,处有拐点，且。,X,时，曲线趋近X轴。,应用：,尺寸靠近分散中心（均值,）的工件占大部分，尺寸远离分散中心的工件是极少数，且工件尺寸大于,和小于,的频率相等。,正态分布曲线下的面积,A,代表了工件（样本）总数，为100。,7.3.2 分布曲线法,7.3.2.2,正态分布曲线的特性,不变，改变,值,，,正态分布曲线形状不变但沿,X,移动,，即,决定了正态分布曲线的位置。,不变，改变,值,，,正态分布曲线中心位置不变但形状发生变化,，即,决定了正态分布曲线形状。,图7.26(b)改错,应用：,随机误差引起尺寸分散（即决定,的大小），常值系统误差决定尺寸分散带中心位置（即决定均值,的大小），