机械加工精度及其控制

*,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,*,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,*,*,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,*,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,*,*,第二章 机械加工精度及其控制,机器零件的加工质量决定了机器的：,1.,性能,2.,质量,3.,寿命,9/21/2024,1,第一节 概述,零件的加工质量是保证机械产品质量的基础。,尺寸精度,形状精度,位置精度,（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）,表面粗糙度,波度,纹理方向,伤痕,（划痕、裂纹、砂眼等）,加工精度,表面质量,表面几何形状精度,表面缺陷层,表层加工硬化,表层金相组织变化,表层残余应力,加工质量包含的内容,9/21/2024,2,机械加工精度,1,、加工精度：,零件加工后实际几何参数与,理想几何参数,接近程度。符合程度越高，加工精度越高，实际生产中零件不可能与理想的要求完全符合。,2,、加工误差：,指加工后的实际几何参数（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，从保证产品使用性能分析允许有一定的加工误差。,9/21/2024,3,3,、两者关系：,两者从不同角度来评定加工零件的几何参数。加工精度的高低是由加工误差的小大来表示的，保证和提高加工精度问题，实际上是限制和降低加工误差问题。,4,、加工精度的合理制定：,一般加工精度越高则加工成本相对越高，生产效率则相对越低，因此设计人员应根据零件的使用要求，合理规定零件的加工精度，工艺人员则根据设计要求生产条件适当的工艺方法以保证加工误差不超过允许范围，并尽量提高生产率和降低成本,9/21/2024,4,5,、工艺系统：,在机械加工时，机床、刀具，夹具和工件构成一个完整的系统，为工艺系统。,6,、工艺系统误差与加工误差关系：,工艺系统中的种种误差，在不同的具体条件下，以不同的程度和方式反映为加工误差，工艺系统的误差时,”,因,”,是根源；加工误差是,“,果,”,，是表现。,9/21/2024,5,7,、原始误差,：,工艺系统的各种误差叫原始误差。,研究加工精度的目的，就是要弄清各种原始误差的物理，力学本质，以及他们对加工精度影响的规律，掌握控制加工误差的方法，获得预期的加工精度，需要时找出进一步提高加工精度的途径。,9/21/2024,6,影响机械加工精度的原始误差及分类,零件在加工过程中可能出现种种原始误差，他们会引起工艺系统各环节相互位置关系的变化而造成加工误差。分析和产生各种原始误差的因素，积极采取措施，是保证和提高加工精度的关键。,9/21/2024,7,9/21/2024,8,装夹,活塞以止口及其端面为定位基准，在夹具中定位，并用菱形销插入经半精镗的销孔中作周向定位。固定活塞的夹紧力作用在活塞的顶部。由于设计基准（顶面）与定位基准,(,止口端面,),不重合，及定位止口与夹具上凸台、菱形销与销孔的配合间隙会引起定位误差，若夹紧力过大会引起夹紧误差。这两项原始误差统称为工件装夹误差。,9/21/2024,9,调整,装夹工件前后，必须对机床、刀具和夹具进行调整，并在试切几个工件后再进行精确微调，才能使工件和刀具之间保持正确的相对位置。例如本例需进行夹具在工作台上的位置调整，菱形销与主轴同轴度的调整，以及对刀调整等。由于调整不可能绝对精确，因而就会产生调整误差。另外,机床、刀具、夹具本身的制造误差在加工前就已经存在了。这类原始误差称为工艺系统的几何误差。,应该注意的是，即使有夹具，在加工前也要进行一定的位置调整工作，这样才能使得待加工工件和加工刀具之间保持正确的相对位置。,9/21/2024,10,加工,由于在加工过程中产生了切削力、切削热和摩擦，它们将引起工艺系统的受力变形、受热变形和磨损，影响了工件与刀具之间的相对位置，造成加工误差。,这类在加工过程中产生的原始误差称为工艺系统的动误差。,测量,在加工过程中，还必须对工件进行测量，,任何测量方法和量具、量仪也不可能绝对准确，由此产生的误差称为测量误差。,9/21/2024,11,工件相对于刀具静止状态下的误差,原始误差,与工艺系统原始状态有关的原始误差,(,几何误差,),与工艺过程有关的原始误差,(,动误差,),原理误差,定位误差,调整误差,刀具误差,夹具误差,机床误差,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,工件残余应力引起的变形,工件相对于刀具运动状态下的误差,主轴回转误差,导轨导向误差,传动误差,原始误差的分类,12,R,Y,R,R,R,=,y,（,4-1,）,（,4-2,）,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已加工表面过切削点的法线方向。,如图所示车刀加工,误差敏感方向,Y,R,0,y,a,）,Y,R,0,y,b,）,误差敏感方向,13,研究加工精度的方法,运用物理学和力学原理，分析研究某一个或某几个因素对加工精度的影响。,通常分析、计算、测试、实验，得出单因素与加工误差间的关系,。,以生产一批工件的实例结果为基础，运用数理统计方法进行数据处理。用以控制工艺过程的正常进行，当发生质量问题是可以从中判断误差性质，找出误差出现的规律。,1,、单因素分析法,2,、统计分析法,实际生产中，两种方法常常结合应用。先用统计分析法寻找误差的出现规律，初步判断加工误差的可能原因，再适用单因素等分析，试验，以便迅速有效地找出影响加工精度的主要原因。,14,工艺系统的几何精度对加工精度的影响,加工原理误差,调整误差,机床误差,是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差,。,式中,R,球头刀半径；,h,允许的残留高度。,例,1,：,在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件,S,R,h,空间曲面数控加工,一、加工原理误差,16,例,2,：,用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮,采用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造型误差。,由于滚刀刀齿有限，实际加工出的尺形是一条有微小折线组成的曲线，和理论的光滑渐开线有差异。,例,3,：,在曲线获曲面的数控加工中，由于数控铣床一般不具有空间插补功能。如曲线的加工是由许多很短的折线段逼近得到，逼近的精度可由每根线段的长度来控制。在三坐标联动的数控铣床上加工区面，实际上是一面一面的空间直线逼近空间曲面。即整个曲面是由大量加工出的小直线来逼近。因此，在曲线或曲面加工中，刀具相对于工件地成形运行是近似的。,17,二 调整误差,测量误差。,试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差。,机床进给机构的位移误差。,定程机构误差。,样件或样板误差。,测量有限试件造成的误差。,和试切法有关的误差。,a,）,b,）,试切法与调整法,1,、试切法,（图,a,）：,单件小批生产,2,、调整法,（,图,b,）：,大批大量生产,18,三 机床误差,（一）机床导轨导向误差,1,、导轨导向精度及其对加工精度的影响,导轨导向精度,：,机床导轨副的运动件实际运动方向和理想运动方向的符合程度。两者之间的偏差值称为导向误差,。,导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准，也是运动的基准，它的各项误差直接影响被加工工件的精度。,包括：,导轨在水平面内的直线度，,导轨在垂直面内的直线度，,前后导轨平行度（扭曲），,导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等。,19,9/21/2024,20,1,）导轨在水平面内的直线度（弯曲）,对于车床和外圆磨床由于刀尖相对于工件回转轴线在加工表面径向方向的变化属敏感方向，故其对零件的形状精度影响很大。,车床导轨在水平面内有弯曲后，纵向进给中刀具相对工件轴线不能平行。因而工件表面上形成形状误差。当导轨向后凸时工件产生鞍形误差，向前凸时工件产生鼓形误差。,21,2,）,导轨在垂直面内的直线度（弯曲）,垂直面内直线度误差对车床的影响较小，可以忽略不计。但对于龙门刨床、龙门铣床及导轨磨床来说，导轨在垂直面内的直线度误差将直接反映到工件上。,22,3,）前后导轨的平行度（扭曲）,一般：,车床：,磨床：,以车床为例,23,2,、导轨导向精度的影响因素,1,）导轨的制造误差,2,）导轨的安装误差：对长度较长的龙门刨床、龙门铣床和导轨磨床。他们的床身导轨为一细长结构、刚性较差，在本身自重作用下就容易变形，若安装不正确或地基不良，都会造成导轨弯曲变形。,3),导轨的磨损：由于使用程度不同及受力不均，机床使用一段时间后，导轨全长上各段的磨损量不等。并且在同一横截面上个导轨面的磨损量也不相等。,24,3,、提高导轨导向精度的措施,制造误差,机床设计制造时，应从结构、润滑、防护装置、采取措施提高导向精度。,安装误差,机床安装时，应校正好水平和保证地基质量。,磨损误差,使用时，注意调整导轨配合间隙，同时保证良好的润滑和维护。,25,（二）主轴的回转误差,主轴回转误差的基本概念,机床主轴是用来装夹工件或刀具并传递主要切削运动的重要部件。它的回转精度是机床精度的一项很重要指标，主要影响零件加工表面的几何形状精度、位置精度和表面粗糙度。,主轴回转误差对加工精度的影响 机床不同、加工表面不同，主轴回转误差所引起的加工误差也不相同。,26,回转精度：,机床主轴在回转时实际回转轴线对理想回转轴线的相一致程度。,回转误差：,机床主轴在回转时实际回转轴线对理想回转轴线的漂移。,误差产生原因：,由于主轴部件中轴承、轴颈、轴承座孔等的制造误差和配合质量，润滑条件，以及回转时的动力因素的影响。瞬时回转轴线的空间位置在周期性变化。,理想回转轴线：,客观存在，但无法确定，通常是以平均回转轴线来代替。,9/21/2024,27,分类：,b,）端面圆跳动,a,）径向圆跳动,c,）倾角摆动,主轴回转误差基本形式,径向圆跳动,端面圆跳动,倾角摆动,28,主轴端面圆跳动对加工精度的影响,被加工端面不平，与圆柱面不垂直；,加工螺纹时，产生螺距周期性误差。,29,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,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。,30,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。,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,径向跳动影响加工表面的圆度误差,主轴径向圆跳动对加工精度的影响（车外圆）,径向跳动对车外圆精度影响,1,2,3,4,5,6,7,8,e,31,主轴倾角摆动对加工精度的影响,几何轴线相对与平均轴线在空间成一定锥角的圆锥运动。,若沿与平均轴线垂直的各个截面来看，相当于几何轴线绕平均轴心做偏心运动，只是各截面的偏心量不同。因此，无论车削还是镗削都能获得一个正圆柱。,几何轴线在某一平面内作角度摆动,若频率和主轴回转频率一致，沿与平均回转轴线垂直的各个截面看，车削表面是一个圆，整体为一圆柱，镗孔时，在垂直于主轴平均轴线的各个截面内都形成椭圆，整体加工出椭圆柱。,32,A,B,影响主轴回转精度的主要因素,图,1,轴径不圆引起车床主轴径向跳动,滑动轴承,镗床类机床,（图,2,）,切削力随主轴回转而回转，主轴径总是以固定部位与轴承孔内表面的不同部位接触，因此,轴承孔的圆度对主轴回转精度影响最大。,图,2,轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动,车床类机床,（图,1,）,切削力的方向大体不变，主轴经以不同部件与轴承内孔的某一固定部位相接触。因此影响主轴回转精度的主要是主轴轴径的圆度。,1,）轴承误差的影响,33,滚动轴承,内外滚道圆度误差、滚动体形状及尺寸误差,静压轴承,对,轴承孔或轴径圆度误差起,均化,作用,推力轴承,滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差,34,3,）与轴承配合的零件误差的影响,2,）轴承间隙的影响,轴承间隙对回转精度也有影响，如轴承间隙过大，会使主轴工作时油膜厚度增大油膜承载能力降低，当工作条件,(,载荷、转速等,),变化时，油楔厚度变化较大，主轴轴线漂移量增大。,由于轴承内、外圈或轴瓦很薄，受力后容易变形，因此与之相配合的轴颈或箱体支承孔的圆度误差，会使轴承圈或轴瓦发生变形而产生圆度误差。与轴承圈端面配合的零件如轴肩、过渡套、袖承端盖、螺母等的有关端面，如果有平面度误差或与主轴回转轴线不垂直，会使轴承圈滚道倾斜，造成主轴回转轴线的径向、轴向漂移。箱体前后支承孔、主轴前后支承轴颈的同轴度会使轴承内外圈滚道相对倾斜，同样也会引起主轴回转轴线的漂移。,35,4,）主轴转速的影响,由于主轴部件质量不平衡、机床各种随机振动以及回转轴线的不稳定随主轴转速增加而增加，使主轴在某个转速范围内的回转精度较高，超过这个范围时，误差就较大。,5,）主轴系统的径向不等刚度和热变形,主轴系统的刚度，在不同方向上往往不等，当主轴上所受外力方向随主轴回转而变化时，就会因变形不一致而使主轴轴线漂移。,机床工作时，主轴系统的温度将升高，使主轴轴向膨胀和径向位移。由于轴承径向热变形不相等，前后轴承的热变形也不相同，在装卸工件和进行测量时主轴必须停车而使温度发生变化，这些都会引起主轴回转轴线的位置变化和漂移而影响主轴回转精度。,36,提高主轴回转精度的措施,提高主轴部件的制造精度,首先应提高轴承的回转精度其次是提高箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合有关表而的加工精度。此外，还可在装配时先测出滚动轴承及主轴锥孔的径向圆跳动，然后调节径向圆跳动的方位，使误差相互补偿或抵消，以减少轴承误差对主轴回转精度的影响。,对滚动轴承进行预紧，消除间隙,对滚动轴承适当预紧以消除间隙，甚至产生微量过盈由于轴承内外圈和滚动体弹性变形的相互制约，既增加了轴承刚度，又对轴承内外圈滚道和滚动体的误差起均化作用，因而可提高主轴的回转精度。,37,使主轴回转误差不反映到工件上（误差转移）,直接保证工件在加工过程中的回转精度而不依赖于主轴，是保证工件形状精度的最简单而又有效的方法。,如采用两固定顶尖支承磨削外圆柱面。,在镗床上加工箱体类零件孔。采用前后导向套的镗模。,38,（三）机床传动误差,传动链精度（误差）,：,传动链的传动误差是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差，它是螺纹、齿轮、蜗轮及其它按展成原理加工时，影响加工精度的主要因素。,例,.,用滚齿机加工直齿轮时，要求滚刀和工件之间具有严格的运动关系。即：滚刀转一转，工件转过一个齿，这种运动关系是由刀具与工件的传动链来保证的。,当传动链中各传动元件如齿轮、蜗轮、蜗杆、丝杆、螺母等有制造误差，装配误差和磨损时，就会破坏正确的运动关系，是被加工工件产生误差。,39,齿轮机床传动链,z,7,=,z,8,= 16,z,1,= 64,z,n,= 96,z,5,=,z,6,= 23,z,3,=,z,4,= 23,b,z,2,= 16,z,n-1,= 1,i,c,e,f,a,c,d,运动关系,其中,40,齿轮机床传动链,z,7,=,z,8,= 16,z,1,= 64,z,n,= 96,z,5,=,z,6,= 23,z,3,=,z,4,= 23,b,z,2,= 16,z,n-1,= 1,i,c,e,f,a,c,d,以齿轮机床传动链为例：,式中,n,各传动件对工件精度影响的总和。,k,j,第,j,个传动元件的误差传递系数，表明第,j,个传动元件对末端元件转角误差影响程度，其数值等于该元件至末端元件的传动比；,n,传动链末端元件角速度；,j,第,j,个传动元件转角误差的初相角。,41,传动精度测量和信号处理,传动误差的估算核对加工精度的影响,42,缩短传动链长度,提高末端元件的制造精度与安装精度,传动比小，尤其是传动链末端传动副的传动比小，因此,采用降速传动保证传动精度的重要原则,采用校正装置对传动误差进行补偿,采用频谱分析方法，找出影响传动精度的误差环节,末端元件转角误差,提高传动精度措施,43,四、夹具的制造误差和磨损,L,0.05,6,F,7,10,F,7,k,6,20,H,7,g,6,Y,Z,钻,孔的夹具误差对加工精度的影响,1,、夹具误差对加工位置精度影响最大。,2,、与夹具有关的影响位置误差因素包括,通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的,1/3,。,1,）定位误差；,2,）刀具导向（对刀）误差；,3,）夹紧误差；,4,）夹具制造误差；,5,）夹具安装误差；,6,）夹具的磨损,44,五、刀具的制造误差与磨损,1,、定尺寸刀具（钻头、绞刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差,2,、成形刀具（铣刀、成形车刀等）形状误差影响加工形状误差,3,、展成刀具加工时，刀刃形状必须满足加工表面的共轭曲线，刀具形状误差影响加工形状误差,45,4,、刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差,初期磨损,正常磨损,急剧磨损,46,