机械制造工程之机械加工精度

,图11-7 龙门铣横梁变形,【例】,龙门铣横梁,图11-8 龙门铣横梁变形转移,图11-9 龙门铣横梁变形补偿,重力影响,4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响,解决1：,重量转移,解决2：,变形补偿,学海无涯 勤为径,传动力与惯性力影响,理论上不会产生圆度误差（但会产生圆柱度误差）,易会引起强迫振动,4.3.2 工艺系统刚度对加工精度的影响,图11-10 传动力对加工精度的影响,z,l,R,X,Y,F,p,F,c,F,cd,F,cdx,r,a）,O,O,r,0,X,Y,F,p,A,F,cd,r,cd,=F,cd,/k,c,O,F,c,F,c,/k,c,F,p,/k,c,b）,O,学海无涯 勤为径,图11-11 车床刀架变形曲线,X,（,m）,10,20,30,40,50,0,1,2,3,F,（KN）,非线形关系，不完全是弹性变形,加载和卸载曲线不重合，所围面积表示克服摩擦和接触塑性变形所作功,存在残余变形，反复加载卸载后残余变形,0,机床部件刚度比按实体估算值小许多，表明其变形受多种因素影响,机床部件变形曲线,4.3.3 机床部件刚度及其影响,因素,学海无涯 勤为径,合理设计零部件结构和截面形状,提高连接表面接触刚度（表面粗糙度，改进接触质量，予加载荷）,采用辅助支承（中心架，跟刀架，镗杆支承等）,图11-13 支座零件不同安装方法,图11-12 转塔车床导向杆,提高工艺系统刚度,减小载荷及其变化,采用合理装夹和加工方式,变形转移、补偿和校正,学海无涯 勤为径,第,11,章,机械加工质量分析与控制,11.4,工艺系统热变形及其对,加工精度的影响,学海无涯 勤为径,4.4.1 概述,在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约4070%。,温度场,工艺系统各部分温度分布,热平衡,单位时间内，系统传入的热量与传出的热量相等，系统各部分温度保持在一相对稳定的数值上,温 度场与热平衡研究,目前以实验研究为主,工艺系统热源,内部热源,外部热源,切削热,摩擦热,环境热源,辐射热,工艺系统热变形,工艺系统热源,温度场与工艺系统热平衡,学海无涯 勤为径,体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长,结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著,运转时间,/,h,0,1,2,3,4,50,150,100,200,位移,/,m,20,40,60,80,温升,/,Y,X,前轴承温升,图11-16 车床受热变形,a）车床受热变形形态,b）温升与变形曲线,机床热变形特点,车床热变形,学海无涯 勤为径,立铣（图,a）,图11-17 立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形,a）铣床受热变形形态,b）外圆磨床受热变形形态,c）导轨磨床受热变形形态,外圆磨（图,b）,导轨磨（图,c）,其他机床热变形,学海无涯 勤为径,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 0.05,mm）,特点,变形曲线（图4-38）,式中,热伸长量；,max,达到热平衡热伸长量；,切削时间；,c,时间常数（热伸长量为热平衡热伸长量约63%的时间，常取34分钟）。,(min),图4-11 车刀热变形曲线,连续切削升温曲线,冷却曲线,间断切削升温曲线,（,m）,max,b,0,c,0.63,max,刀具热变形,学海无涯 勤为径,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：,直径：,例：长,400,mm,丝杠，加工过程温升,1,，热伸长量为：,工件热变形,学海无涯 勤为径,式中,X,变形挠度；,L,，,S,工件原有长度和厚度；,工件材料线膨胀系数；,t,温升。,板类工件单面加工时的热变形,图11-19 平面加工热变形,X,/,4,L,S,此值已大于精密导轨平直度要求,结果,：,加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。,例,：,高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：,学海无涯 勤为径,11.4.4 减小热变形对加工精度影响的措施,例1,：,磨床油箱置于床身内，其发热使导轨中凹,解决,：,导轨下加回油槽,图11-20 平面磨床补偿油沟,例2,：,立式平面磨床立柱前壁温度高，产生后倾。,解决,：,采用热空气加热立柱后壁（图4-41）。,图11-21 均衡立柱前后壁温度场,减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。,充分冷却和强制冷却。,隔离热源。,减少热源发热和隔离热源,均衡温度场,学海无涯 勤为径,图11-23 支承距影响热变形,L,1,L,2,热对称结构,热补偿结构（图,4-42,，主轴热补偿）,图11-22 双端面磨床主轴热补偿,1主轴 2壳体 3过渡套筒,热伸长方向,合理选择装配基准,高速空运转,人为加热,恒温,人体隔离,采用合理结构,11.4.4 减小热变形对加工精度影响的措施,加速达到热平衡,控制环境温度,学海无涯 勤为径,第,11,章,机械加工质量分析与控制,11.5,加工误差统计分析,学海无涯 勤为径,11.5.1 加工误差的性质,系统误差,在顺序加工一批工件中，其大小和方向均不改变，或按一定规律变化的加工误差。,常值系统误差,其大小和方向均不改变。如机床、夹具、刀具的制造误差，工艺系统在均匀切削力作用下的受力变形，调整误差，机床、夹具、量具的磨损等因素引起的加工误差。,变值系统误差,误差大小和方向按一定规律变化。如机床、夹具、刀具在热平衡前的热变形，刀具磨损等因素引起的加工误差。,加工误差,系统误差,随机误差,常值系统误差,变值系统误差,加工误差统计特性,学海无涯 勤为径,11.5.1 加工误差的性质,在顺序加工一批工件中，其大小和方向随机变化的加工误差。,随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用而引起的。,随机误差服从统计学规律。,如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；定位误差；夹紧误差；残余应力引起的变形等。,随机误差,加工误差的统计分析,运用数理统计原理和方法，根据被测质量指标的统计性质，对工艺过程进行分析和控制。,学海无涯 勤为径,11.5.2 分布图分析法,1）采集数据,样本容量通常取 n=50200,2）确定分组数、组距、组界、组中值,按教材表初选分组数,k,；,直方图,组数过多，分布图会被频数的随即波动所歪曲；组数太少，分布特征将被掩盖。,学海无涯 勤为径,确定组距 d：,取整，,d,d,确定分组数,k,：,确定各组组界、组中值,统计各组频数,学海无涯 勤为径,加工一批工件，由于随机性误差的存在，加工尺寸的实际数值是各不相同的，这种现象称为,尺寸分散,。,在一批零件的加工过程中，测量各零件的加工尺寸，把测得的数据记录下来，按尺寸大小将整批工件进行分组，每一组中的零件尺寸处在一定的间隔范围内。同一尺寸间隔内的零件数量称为,频数,，频数与该批零件总数之比称为,频率,。,以工件尺寸为横坐标，以频数或频率为纵坐标,，即可作出该工序工件加工尺寸的实际分布图,直方图,。,学海无涯 勤为径,4.5.2 分布图分析法,图11-24 直方图,-14.5,-8.55,-3.5,x,y,（频数）,（偏差值）,（平均偏差）,-15,-10,-5,（公差带中心）,（公差带下限）,（公差带上限）,3）计算样本平均值和标准差:,4）画直方图,学海无涯 勤为径,抽取工件100个，经测量：,max,=,28,.004mm，,min,=,27,.992mm，取0.02mm作为尺寸间隔进行分组，统计每组的工件数，将所得的结果列表11-1。,精镗活塞销孔，图纸要求：,下面通过实例来说明直方图的作法：,表 工件频数分布表,学海无涯 勤为径,图443 活塞销孔直径尺寸分布图,学海无涯 勤为径,（2）直方图的观察与分析,直方图作出后，通过观察图形可以判断生产过程是否稳定，估计生产过程的加工质量及产生废品的可能性。,1）尺寸分散范围小于允许公差T，且分布中心与公差带中心重合，则两边都有余地，不会出废品。,2）若工件尺寸分散范围虽然也小于其尺寸公差带T，但两中心不重合（分布中心与公差带中心），此时有超差的可能性，应设法调整分布中心，使直方图两侧均有余地，防止废品产生。,3）若工件尺寸分散范围恰好等于其公差带T，这种情况下稍有不慎就会产生废品，故应采取适当措施减小分散范围。,4）若工件尺寸分散范围大于其公差带T，则必有废品产生，此时应设法减小加工误差或选择其它加工方法。,学海无涯 勤为径,正态分布,式中,和,分别为 正态分布随机变量总体平均值和标准差。,平均值,=0，标准差,=1的正态分布称为标准正态分布，记为,：,x,N(0,1),概率密度函数,（11-22）,y,F,（,z,）,图11-25 正态分布曲线,(,z,=0),x,(,z,),0,z,-,+,11.5.2 分布图分析法,分布曲线,学海无涯 勤为径,分布函数,令：,将,z,代入上式，有：,则利用上式，可将非标准正态分布转换成标准正态分布进行计算。,称,z,为标准化变量,11.5.2 分布图分析法,y,F,（,z,）,图11-25 正态分布曲线,(,z,=0),x,(,z,),0,z,-,+,学海无涯 勤为径,图113 正态分布曲线及其特征,学海无涯 勤为径,（3）正态分布曲线的特点,曲线对称于直线,曲线与x轴围成的面积代表了一批工件的全部，即100%，其相对面积为1。,在3范围内，曲线围成的面积为0.9973。,实际生产中常常认为加工一批工件尺寸全部在3 范围内，即：,正态分布曲线的分散范围为3，工艺上称该原则为6准则。,学海无涯 勤为径,3（或6）的概念在研究加工误差时应用很广。,6的大小代表了某种加工方法在一定的条件（如毛坯余量、机床、夹具、刀具等）下所能达到的加工精度。,所以在一般情况下，应使所选择的加工方法的标准偏差与公差带宽度T之间具有下列关系：,6T,但考虑到系统误差及其它因素的影响，应当使6小于公差带宽度T，才能可靠地保证加工精度。,学海无涯 勤为径,非正态分布,x,y,0,a）双峰分布,双峰分布：,两次调整下加工的工件或两台机床加工的工件混在一起（图,a）,x,y,0,b）平顶分布,x,y,0,c）偏向分布,平顶分布：,工件瞬时尺寸分布呈正态，其算术平均值近似成线性变化（如刀具和砂轮均匀磨损）（图,b）,偏向分布：,如工艺系统存在显著的热变形，或试切法加工孔时宁小勿大，加工外圆时宁大勿小（图,）,图11-26 几种非正态分布,11.5.2 分布图分析法,学海无涯 勤为径,形位误差的分布,差数模分布：,正态分布大于零的部分与小于零的部分对零轴线映射后的迭加，如对称度、直线与平面的平行度、相邻周节误差等,瑞利分布：,二维正态分布，在只考虑平面向量模情况下转换成为一维分布）,如同轴度、直线与直线平行度、端面圆跳动误差等（不考虑系统误差）,x,y,0,图11-27 差数模分布,瑞利综合分布：,上述误差在考虑系统误差的情况下，其误差分布接近瑞利综合分布,图11-28 瑞利分布,x,z,y,0,11.5.2 分布图分析法,学海无涯 勤为径,判断加工性质,判断是否存在明显变值系统误差；,判断是否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小。,确定工序能力,11.5.2 分布图分析法,分布图应用,工序能力,工序能力系数,式中,TU,TL,公差带上、下限；,公差带中心与误差分布中心偏移距离；,误差分布的标准差。,学海无涯 勤为径,4.5.2 分布图分析法,y,图11-29 工艺能力系数符号含义,x,0,3,3,公差带,T,TU,TL,学海无涯 勤为径,工序能力等级,工序能力系数 工序等级 说 明,C,P,1.67 特级 工序能力过高,1.67 C,P,1.33 一级 工序能力足够,1.33 C,P,1.00 二级 工序能力勉强,1.00 C,P,0.67 三级 工序能力不足,0.67 C,P,四级 工序能力很差,表4-2 工序能力等级,11.5.2 分布图分析法,C,P,表示工艺过程