new机械制造技术基础(第7章).ppt

1 第七章机械制造质量分析及控制 教学基本要求 能正确综合应用力学 物理学等基础科学知识分析加工误差产生的原因 从而找出控制加工误差的方法 能正确运用统计学方法对加工误差进行统计分析 并根据加工误差的统计特征 确定出加工误差的变化规律及可能采取的控制方法 2 能正确分析影响机械加工表面质量的因素 掌握这些因素对加工表面质量的影响规律 了解机械加工中强迫振动和自激振动的特征及其识别方法 了解自激振动产生的机理以及消除和减弱振动的方法 教学基本要求 3 波纹度 几何精度 表面层物理机械性能 表层材料的冷作硬化表层材料的金相组织变化表层材料的残余应力 制造质量 质量 用户对产品的满意程度 设计质量 制造质量 服务质量 质量的含义 微观几何形状精度 宏观几何形状精度 圆度 圆柱度 直线度 平面度等 图示 第7章机械制造质量分析及控制 表面粗糙度 4 形状误差 位置公差 尺寸公差 表面粗糙度波度 加工精度 表面质量 表面物理机械性能的变化 制造质量 制造质量研究的内容 5 7 2 1机械加工精度概述 加工精度与加工误差 加工精度 零件加工后的实际几何参数 尺寸 形状及各表面相互位置 与理想几何参数的符合程度 加工误差 零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的偏离程度 符合程度越高 加工精度就越高 加工误差的大小反映了加工精度的高低 加工误差越小 加工精度越高 7 2机械加工精度 6 2 获得加工精度的方法 1 获得尺寸精度的方法 试切法 通过试切 测量 调整 再试切 反复进行到工件尺寸达到规定要求为止 调整法 先调整好刀具和工件在机床上的相对位置 并在一批零件的加工过程中保持这个位置不变 以保证工件被加工尺寸 定尺寸刀具法 通过刀具的相应尺寸保证加工表面的尺寸精度 7 自动控制法 将测量 进给装置和控制系统组成一个自动加工系统 通过自动测量和数字控制装置 在达到尺寸精度后自动停止加工 主动测量法 边加工边测量加工尺寸 8 刀尖轨迹法 通过刀尖运动的轨迹来获得形状精度的方法仿形法 刀具依照仿形装置进给获得工件形状精度的方法成形法 利用成形刀具对工件加工获得形状精度的方法展成法 利用工件和刀具的展成切削运动进行加工的方法 2 获得形状精度的方法 9 直接找正定位法 用划针或百分表直接在机床上找正工件位置划线找正定位法 先按零件图在毛坯上划好线 再以所的划线为基准找正它在机床的位置夹具定位法 在机床上安装好夹具 工件放在夹具中定位机床控制法 利用机床的相对位置精度保证位置精度 3 获得位置精度的方法 10 机械加工时 由机床 夹具 刀具和工件构成的一个完整的系统 由于工艺系统本身的结构和状态以及加工过程中的物理力学现象而产生的各种误差 工艺系统误差 工艺系统 原始误差 3 影响加工精度的因素 原始误差与加工精度的关系 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 示例 11 误差敏感方向 影响加工精度最大的那个方向 即通过刀刃的加工表面的法向 当原始误差方向恰为加工表面法线方向时 引起的加工误差为最大 当原始误差的方向恰为加工表面的切线方向时 引起的加工误差为最小 当原始误差的方向与误差敏感方向一致时 对加工精度的影响最大 原始误差与加工精度的关系 12 原始误差 工艺系统的制造误差 几何误差 原始误差的来源 13 机床的几何误差 机床制造磨损安装 主轴回转误差导轨误差传动链误差 7 2 2工艺系统的几何误差 1 主轴回转误差 主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线的变动量 2 将动力或运动传递给工件或刀具 主轴各瞬时实际回转轴线的平均位置 主轴回转误差的分解 径向圆跳动 端面圆跳动和角度摆动三种基本型式 主轴的功用 1 装夹工件 刀具或夹具的基准 定义 理想回转轴线 15 端面圆跳动 主轴轴肩端面的平面度及其与回转轴线有垂直度误差 轴承承载端面与回转轴线有垂直度误差 车端面 可以引起所加工端面的垂直度 平面度误差和轴向尺寸精度误差 加工螺纹 产生螺距误差 端面圆跳动对加工精度的影响 图示 端面圆跳动的产生原因 主轴实际回转轴线沿平均回转轴线的方向作纯轴向蹿动 16 径向圆跳动产生的原因 加工方式不同 主轴各段轴颈的同轴度误差 轴承误差 圆度 轴承之间的同轴度误差 主轴轴颈误差 圆度 主轴挠度 影响也不同 主轴实际回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量 径向圆跳动 17 滑动轴承 工件回转型 车削 切削力作用方向是不变的 主轴轴颈的圆度误差将在回转过程中引起轴线位置产生瞬时变化 对主轴径向回转精度影响较大 轴承内孔径的圆度误差对主轴径向回转精度影响较小 18 轴承的内孔圆度误差将使主轴在回转的过程中产生径向跳动 引起镗孔的圆度误差 主轴轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较小 刀具回转型 切削力作用方向是变化的 19 车削加工 工件回转 刀具移动 假设主轴轴线沿X轴作简谐运动 x Acos X2 Y2 R2 A2Sin2 车削出的工件表面接近于一个真圆 车削加工时 径向跳动对工件的圆度影响很小 但与定位基准有同轴度误差 并产生圆柱度误差 径向圆跳动对加工精度的影响 20 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A 镗削加工 镗刀回转 工件不转 X Acos t 当镗刀转过一个 角时 位置1 刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分别计算得 X A R cos Y Rsin 图示 将上两式平方相加得 X2 A R 2 Y2 R2 1 镗出的孔为椭圆形 21 主轴径向回转误差可以引起工件的圆度误差和圆柱度误差 径向圆跳动对加工精度的影响 22 产生角度摆动的原因 角度摆动 主轴实际回转轴线相对于平均回转轴线成倾斜一个角度作摆动 角度摆动可视为径向圆跳动与轴向窜动的综合 凡引起径向圆跳动与轴向窜动的因素均会影响主轴的角度摆动 23 角度摆动对加工精度的影响 车削加工时工件每一横截面内的圆度误差很小 但轴平面有圆柱度误差 锥度 车外圆 得到圆形工件 但产生圆柱度误差 锥体 车端面 产生平面度误差镗孔时 由于主轴的纯角度摆动使得主轴回转轴线与工作台导轨不平行 使镗出的孔呈椭圆形 24 提高主轴回转精度的措施 5 对滚动轴承进行预紧 以消除间隙 1 提高主轴及箱体的制造精度 2 选用高精度轴承 3 提高主轴部件装配精度 4 对高速主轴部件要进行动平衡 2 机床导轨误差 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的平行度 扭曲 机床导轨精度要求 确定各主要部件位置关系的基准 是实现直线运动的主要部件 导轨的功用 导轨的制造和装配精度 影响直线运动的主要因素 直接影响工件的加工精度 导轨在水平面内的直线度误差 导轨误差对加工精度的影响 当导轨在水平面内的直线度误差为 y时 引起工件在半径方向的误差为 R y 车 磨削外圆时 为误差敏感方向 对加工精度影响最大 导轨向外凸 导轨向内凹 工件产生腰鼓形误差 工件产生鞍形误差 铣削 刨削平面时 为误差非敏感方向 对加工精度影响最小 以卧式车床为例 图7 5 导轨在垂直面内的直线度误差 床身导轨在垂直面内有直线度误差 会引起刀尖产生切向位移 Z 造成工件在半径方向产生的误差为 R Z2 D 设 Z Y 0 1mm D 40mm 则由于水平面内原始误差而产生的加工误差 R Y 0 1mm 由于垂直面内原始误差产生的加工误差 R Z2 D 0 00025mm 图7 7 28 对平面磨床 龙门刨床及铣床等 误差敏感方向为加工表面的法线方向 导轨在垂直面内的直线度误差会引起工件相对于砂轮 刀具 产生法向位移 其误差将直接反映到被加工工件上 造成形状误差 结论 龙门刨床导轨垂直面内直线度误差1 刨刀2 工件3 工作台4 床身导轨 原始误差引起工件相对于刀具产生相对位移 若产生在加工表面法向方向 误差敏感方向 对加工精度有直接影响 产生在加工表面切向方向 误差非敏感方向 可忽略不计 前后导轨平行度误差的影响 床身前后导轨有平行度误差 扭曲 时 会使车床溜板在沿床身移动时发生偏斜 从而使刀尖相对工件产生偏移 使工件产生形状误差 鼓形 鞍形 锥度 从几何关系中可得出 y H B 一般车床H 2B 3 外圆磨床H B 因此该项原始误差 对加工精度的影响很大 车床前后导轨扭曲的最终结果反映在工件上 将产生加工误差 y 31 机床制造精度 导轨磨损 使用过程中的磨损及磨损不均匀 2班制工作9个月0 03mm 机床安装质量 重型机床因自重导轨下沉2 3mm 导轨误差产生原因 32 讨论 刨平面时 导轨误差对加工精度有何影响 答 产生加工表面的直线度误差 平面度误差 33 提高导轨精度的措施 提高机床导轨 溜板的制造精度及安装精度采用耐磨合金铸铁导轨 镶钢导轨 贴塑导轨 滚动导轨等采用静压导轨 利用压力油或压力空气的均化作用 可有效提高工作台的直线运动精度和精度保持性 34 在车螺纹 插齿 滚齿等加工时 刀具与工件之间有严格的传动比要求 要满足这一要求 机床内联系传动链的误差必须控制在允许的范围内 3 机床传动链误差 定义 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 传动链末端元件产生的转角误差 表示 影响 滚 插 磨 展成法磨齿 齿轮等加工 齿距精度 车 磨 铣螺纹 螺距精度 35 举例 以滚齿机为例加以说明 若滚刀上的齿轮Z1有转角误差 造成工作台的转角误差为 若传动链中第i个元件有转角误差 该元件造成工作台的转角误差为 图示 36 kj 该元件至工作台之间的传动比 误差传递系数 kj 1 升速传动 误差被放大 kj 1 降速传动 误差被缩小 总误差 37 减少传动环节 缩短传动链 以减少误差来源 提高传动元件 特别是提高末端传动元件 如车床丝杠螺母副 滚齿机分度蜗轮 的制造精度和装配精度 传动链中按降速比递增的原则分配各传动副的传动比 传动链末端传动副的降速传动比越大 则传动链中其余各传动元件误差对传动精度的影响就越小 采用误差校正机构 其实质是测出传动误差 在原传动链中人为地加入一个误差 其大小与传动链本身的误差相等且方向相反 从而使之相互抵消 提高传动链精度的措施 图丝杠加工误差校正装置1 工件2 螺母3 母丝杠4 杠杆5 校正尺6 触头7 校正曲线 使工件相对于刀具和机床具有正确的位置 夹具的作用 2 夹具误差与装夹误差 夹具误差主要是指夹具的定位元件 导向元件及夹具体等零件的加工与装配误差 夹具误差影响工件的尺寸精度与位置精度 1 夹具的制造精度2 夹具的磨损 影响因素 夹具的公差选取 精加工时取工件公差的1 2 1 3 粗加工时取工件公差的1 5 1 10 41 3 刀具误差 刀具的尺寸误差影响工件的尺寸误差 刀具的形状误差影响被加工面的形状误差 刀具的制造精度影响加工精度 展成法刀具 如齿轮滚刀 插齿刀等 定尺寸刀具 如钻头 铰刀 圆孔拉刀等 成形刀具 如成形车刀 成形铣刀 盘形齿轮铣刀等 刀刃的几何形状及有关尺寸精度会直接影响齿轮加工精度 42 刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差 刀具的磨损影响加工精度 图例车刀的尺寸磨损 图例车刀磨损过程 43 提高措施 提高制造精度 正确刃磨刀具 正确选择刀具材料 刀具几何参数 切削用量 采用冷却润滑液 采用误差补偿装置 44 一批工件采用调整法加工时因定位不准确而引起的尺寸或位置的最大变动量 调整法 按试切好的工件或标准样件或对刀装置等 调整刀具相对于工件加工表面的位置 并在加工过程中保持这一位置 从而获得零件所要求的尺寸精度 调整法多用于成批 大量生产 组成 基准不重合误差 基准位置误差 7 2 3定位误差 略 定义 45 基准不重合误差 设计基准 设计时确定某一表面的尺寸 位置所依据的基准 工艺基准 工艺过程中采用的基准 1 工序基准 确定本工序被加工表面加工后的尺寸 位置所依据的基准 2 定位基准 加工中用作定位的基准 3 测量基准 测量时所采用的基准 4 装配基准 装配时用来确定零件或部件在机器中的相对位置所采用的基准 基准 基准 确定加工对象上几何要素间几何关系所依据的那些点 线 面称为基准 工艺基准 46 定位基准与设计基准不一致所引起的定位误差 称基准不重合误差 用 B表示 基准不重合误差 定位基准相对于设计基准在加工尺寸方向上的最大变动量 基准不重合误差 B 48 定位基准面和定位元件本身制造得不准确或定位副间的配合间隙所引起的工件最大位置变动量 称基准位置误差 定位副制造不准确误差 用 W表示 定位副制造不准确误差 49 50 工艺系统 机床 夹具 工件 刀具 外力 切削力 传动力 惯性力 夹紧力 重力 产生加工误差 破坏了刀具 工件间相对位置 7 2 4工艺系统受力变形引起的误差 图受力变形对工件精度的影响a 车长轴b 磨内孔 系统刚性影响工件的加工精度 52 定义 垂直作用于工件加工表面 误差敏感方向 的径向力Fp与工艺系统在该方向上的变形 系的比值 即k系统 Fp 系 工艺系统刚度 工艺系统整体抵抗其变形的能力 工艺系统的刚度是由组成工艺系统各部件的刚度决定的 工艺系统的总变形量为 工艺系统刚度的一般式为 工件刚度 工件受力 变形 变形量按材料力学公式计算 刀具刚度 刀具受力 变形 变形量按材料力学公式计算 1 工件 刀具的刚度 例如 装夹在卡盘中的棒料以及压紧在车床刀架上的车刀刚度 可按悬臂梁受力变形的公式计算 机床部件的刚度问题就比较复杂 通过实验来测定 1机床部件刚度 2 机床部件 夹具部件的刚度 4 部件的实际刚度远比按实体结构的估计值小 特点 2 加载曲线与卸载曲线不重合 3 加载曲线与卸载曲线不封闭 1 变形与载荷呈非线性关系 60 1 由于工艺系统刚度变化引起的误差 切削力作用点位置变化引起的加工误差 机床变形引起的加工误差 工艺系统刚度主要取决于机床刚度 当刀具切削到工件的任意位置C时 工艺系统的总变形 系统为 系统 x 刀架 工艺系统刚度对加工精度的影响 变形大小随刀具在x方向位置变化 使车出的工件呈抛物线形状 1 理想的工件形状 2 k头 k尾时车出的工件形状 通过推证可知工艺系统在工件切削点处的变形量为 可以看出 系统 f x 是一个二次抛物线方程 min p p 由式7 11计算得 x 0 x l x l 2 x 时 工艺系统变形大小如表7 1所示 例7 1 经测试某车床的k主 300000N mm k尾 56600N mm k刀架 30000N mm 在加工长度为的刚性轴时 径向切削分力 计算该轴加工后的圆柱度误差 系max 系min 圆柱度误差 63 考虑工件变形引起的加工误差 式中y工 工件变形 E 工件材料弹性模量 J 工件截面惯性矩 工艺系统的总变形量为 工艺系统的刚度为 64 2 由于切削力变化引起的误差 在加工过程中 由于工件加工余量或材料硬度不均匀 都会引起径向力Fp的变化 从而使工艺系统受力变形不一致而产生加工误差 以车削工件外圆为例 图7 13毛坯形状误差的复映 若毛坯存在的椭圆形状 由于毛坯存在的圆度误差 毛 ap1 ap2 引起了工件产生圆度误差 工 y1 y2 65 由于工艺系统受力变形 使毛坯误差部分反映到工件上 此种现象称为 误差复映 误差复映 误差复映系数 工艺系统的刚度越大 复映系数 越小 毛坯误差复映到工件上去的部分就越少 若经过n次走刀加工后 则误差复映为 工 1 2 n 毛 总的误差复映系数 例 具有偏心量e 1 5mm的短阶梯轴装夹在车床三爪卡盘中分两次走刀粗车小头外圆 设两次走刀的复映系数均为 0 1 试估算加工后阶梯轴的偏心量是多大 工1 毛 第一次走刀偏心量为 工2 工1 2 毛 0 12 1 5 0 015mm 第二次走刀偏心量为 68 毛坯的各种形状误差 圆度 圆柱度 同轴度 平面度等 都会以一定的复映系数 复映成工件的加工误差 毛坯材料的不均匀 HB有变化 同样会引起径向力的变化 产生加工误差 增加走刀次数 可减小误差复映 提高加工精度 但生产率降低了 提高工艺系统刚度 对减小误差复映系数具有重要意义 结论 69 减少工艺系统受力变形的途径 1 提高工艺系统刚度 提高工件和刀具的刚度 提高机床部件的刚度 采用合理的装夹方式和加工方式 2 减少切削力及其变化 合理选择刀具材料和几何角度 改善工件材料的切削加工性和余量的均匀性 提高接触刚度 70 工艺系统热变形的现象工艺系统受热升温而使工件 刀具及机床的许多部分会因温度升高而产生复杂变形改变工件 刀具 机床间的相互位置破坏刀具与工件间相互运动的正确性改变已调整好的加工尺寸引起切削深度和切削力改变破坏传动链的精度 7 2 5工艺系统受热变形引起的误差 71 工艺系统的热源 热源 切削热 摩擦热 外部热源 内部热源 环境温度 热辐射 7 2 5工艺系统受热变形引起的误差 派生热 72 对加工精度的影响最直接也最大 内部热源 切削热 在切削 磨削 过程中 消耗于切削的弹 塑性变形能及刀具 工件和切屑之间摩擦的机械能 绝大部分都转变成了切削热 车削 传给工件的热量约在30 左右铣 刨 小于30 钻孔 卧式镗孔 约在50 左右磨削 多达80 以上 温度高达800 1000 摩擦热和能量损耗 运动副 如齿轮副 轴承副 导轨副 螺母丝杠副 离合器等 相对运动摩擦产生的热 动力源 如电动机 液压系统等 工作时的能量损耗而发热 派生热源 工艺系统的部分热量通过切屑 切削液 润滑液等带到机床其它部位 使系统产生热变形 74 外部热源 来自工艺系统外部 以辐射为传递形式的辐射热 如阳光 灯光照明 取暖设备 人体温度等 工艺系统局部受热变形 影响加工精度 环境温度 以对流传递为主要传递形式的环境温度的变化 如气温的变化 人造冷热风 地基温度的变化等 工艺系统受热不均 影响加工精度 辐射热 75 圆柱类工件热变形 5级丝杠累积误差全长 5 m 可见热变形的严重性 长度 直径 例 磨削长400mm丝杠 加工过程温升1 热伸长量为 工件热变形对加工精度的影响 1 工件均匀受热 76 板类工件单面加工时的热变形 此值已大于精密导轨平直度要求 例 高600mm 长2000mm的床身 若上表面温升为3 则变形量为 2 工件不均匀受热 加工时上表面升温 工件向上拱起 结果 磨削时将中凸部分磨平 冷却后工件下凹 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 刀具热变形对加工精度的影响 曲线A 车刀连续工作时的热伸长曲线 曲线B 切削停止后 车刀温度下降曲线 曲线C 刀具作间断切削的热变形切削 车外圆时 车刀热变形会使工件产生圆柱度误差 喇叭口 加工内孔又如何 78 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 图4 26车床的热变形 a 车床受热变形形态 b 温升与变形曲线 车床热变形 图4 26 机床热变形对加工精度的影响 立铣 图a 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 龙门刨床 牛头刨床 立式车床类机床热变形 导轨副的摩擦热 牛头刨床滑枕热变形及结构改进示意图a 原滑枕截面图b 原滑枕热变形示意图c 滑枕热对称结构 1 减少热源发热和隔离热源 减少工艺系统热变形的途径 隔离电机 齿轮变速箱 油池 冷却箱等热源 改善摩擦条件 静压轴承 空气轴承 改善润滑条件 低粘度润滑油 锂基油脂 油雾润滑 采用隔热罩减少热变形 2 改善散热条件 采用风扇 散热片 循环冷却润滑系统等散热措施 对加工中心等贵重精密机床 采用冷冻机对冷却润滑液进行强制冷却 3 均衡温度场 例 立式平面磨床立柱前壁温度高 产生后倾 解决 采用风扇将热空气从立柱后壁排出 使立柱前后壁温度大致相等 热对称结构 图4 27 合理选择装配基准 图4 31 在机床适当部位设置附加的 控制热源 对机床进行预热 4 改进机床结构 车床主轴箱定位面位置对热变形方向的影响 5 加快温度场的平衡 6 控制环境温度 避免日照 暖气的影响 恒温条件 春秋20 夏季23 冬季17 恒温精度 一般级 1 精密级级 0 5 超精密级 0 01 加工前机床高速空运转 尽快达到热平衡 84 基本概念内应力 当外载荷去除后 仍残留在工件内部的应力 内应力的成因 内因 由于金属内部宏观的或者微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的外因 热加工或者冷加工温度变化伴随金相组织变化冷热不均 金相组织变化切削加工 强烈的塑性变形引起表层应力 7 2 6内应力重新分布引起的误差 85 工件中存在的内应力往往处于一种不稳定的平衡状态 在外部某种因素的作用下 很易失去原有的平衡 以达到一种新的较稳定的平衡状态 内应力的重新分布过程中 工件将产生相应的变形 破坏原有的加工精度 影响 86 铸 锻 焊 热处理等工序中由于壁厚不均 冷热不均 金相组织的转变等原因 产生内应力 1 毛坯制造中产生的内应力 内应力的产生 图7 18铸件因残余应力引起的变形 2 冷校直产生的内应力 冷校直工艺方法是在一些长棒料或细长零件弯曲的反方向施加外力F 使工件反方向弯曲 产生塑性变形 以达到校直目的 原因 在外力F的作用下 工件内部的应力重新分布 在轴心线以上的部分产生压应力 用负号表示 在轴心线以下的部分产生拉应力 用正号表示 在轴心线和两条虚线之间 是弹性变形区域 在虚线以外是塑性变形区域 88 影响 当外力F去除后 弹性变形本可完全恢复 但因塑性变形部分的阻止而恢复不了 使残余应力重新分布而达到平衡 如果在后续加工中再切去一层金属 工件内部的应力将重新分布而导致弯曲 因此而产生几何形状误差 对精度要求较高的细长轴 如精密丝杠 不允许采用冷校直来减小弯曲变形 而采用加大毛坯余量 经过多次切削和时效处理来消除内应力 或采用热校直 89 3 切削加工中产生的内应力 工件在进行切削加工时 在切削力和摩擦力的作用下 使表层金属产生塑性变形引起体积改变 从而产生残余应力 内部有残余应力的工件在切去表面的一层金属后 残余应力要重新分布 从而引起工件的变形 在拟定工艺规程时 要将加工划分为粗 精等不同阶段进行 以使粗加工后内应力重新分布所产生的变形在精加工阶段去除 90 2 减少或消除残余应力的措施 粗精分开 先粗后精 1 合理设计零件结构 壁厚均匀 结构对称 以减少铸锻件毛坯在制造中产生的残余应力 2 合理安排热处理和时效处理 铸件 锻件 焊接件在进入机械加工前应进行退火 回火热处理 对于箱体 床身 主轴等重要零件在粗加工或半精加工后进行时效处理 自然 人工 振动时效处理 3 合理安排工艺过程 如细长轴的车削加工 采用中心架 可缩短支撑点间的距离一半 提高工件刚度近八倍 采用跟刀架 可进一步缩短切削力作用点与支撑点的距离 工件刚度更为提高 采用反向进给切削 一端用三爪卡盘夹持 另一端采用可伸缩的活顶尖装夹 采用大进给量和大主偏角车刀 1 直接减少或消除误差法 7 2 7保证和提高机械加工精度的主要途径 主要是在查明影响加工精度的主要原始误差因素之后 设法对其直接进行消除或减小的方法 92 93 2 误差转移法 误差转移法就是把原始误差从误差敏感方向转移到误差的非敏感方向 例如转塔车床的转位刀架采用 立刀 安装法 FLASH FLASH2 94 3 误差分组法 误差分组法是把毛坯或上工序加工的工件尺寸经测量按大小分为n组 每组尺寸误差就缩减为原来的1 n 然后按各组的误差范围分别调整刀具位置 使整批工件的尺寸分散范围大大缩小 在加工中 由于上工序 毛坯 误差的存在 造成了本工序的加工误差 毛坯误差对工序的影响主要有两种情况 误差复映 引起本工序误差的扩大 定位误差变化 引起本工序位置误差扩大 4 就地加工法 全部零件按经济精度制造 然后装配成部件或产品 且各零部件之间具有工作时要求的相对位置 最后以一个表面为基准加工另一个有位置精度要求的表面 实现最终精加工 这就是 就地加工 法 也称自身加工修配法 车床为了保证三爪卡盘卡爪的装夹面与主轴回转轴线同轴 也常采用 就地加工 的方法 对卡爪的装夹面进行就地车削 对于软爪 或就地磨削 需在溜板箱上装磨头 牛头刨床 龙门刨床为了使其工作台面对滑枕 横梁保持平行的位置关系 装配后在自身机床上进行 自刨自 的精加工 车床尾架顶尖孔的轴线要求与主轴轴线重合 采用就地加工 把尾架装配到机床上后进行最终精加工 96 5 误差平均法 对配合精度要求很高的轴和孔 常采用研磨方法来达到 研具本身并不要求具有高精度 但它却能在和工件作相对运动中对工件进行微量切削 最终达到很高的精度 利用有密切联系的表面之间的相互比较和相互修正或者利用互为基准进行加工的过程 称为 误差平均法 97 误差补偿法是人为地造出一种新的原始误差 去抵消原来工艺系统中存在的原始误差 尽量使两者大小相等 方向相反而达到使误差抵消得尽可能彻底的目的 或用一种原始误差去抵消另一种原始误差 6 误差补偿法 7 3加工误差的统计分析 7 3 1概述 掌握加工误差的性质 掌握加工误差的正态分布图分析方法和点图分析方法 1 加工误差的性质 99 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 误差大小和方向按一定规律变化 误差大小和方向均不改变 常值性系统误差 变值性系统误差 如 机床 夹具 量具 刀具的制造误差 工艺系统受力变形 如 一定时间内 机床 夹具 量具的磨损 如 机床 夹具 刀具的受热变形及刀具的磨损 100 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 内应力引起的变形等 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 常值性系统误差 变值性系统误差 随机误差 通过调整消除 通过自动补偿消除 只能缩小范围 无法消除 101 2 机械制造中常见的误差分布规律 无变值系统误差 或有而不显著 1 正态分布 必须满足的条件 在各随机误差中没有一个是起主导作用的 各随机误差是相互独立的 3 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 2 平顶分布 工件瞬时尺寸分布呈正态 可看成是随着时间而平移的众多正态误差分布曲线组合的结果 如刀具和砂轮均匀磨损 4 偏态分布 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4 46几种非正态分布 103 正态分布曲线 1 正态分布的数学模型 特征参数和特殊点 概率密度方程 y 分布曲线的纵坐标 表示工件的分布密度 频率密度 x 分布曲线的横坐标 表示工件的尺寸或误差 7 3 2工艺过程的分布图分析法 104 一批零件的均方根差 n 一批工件的数目 样本数 正态分布曲线的特征参数 算术平均值 分散中心 105 算术平均值 是确定曲线位置的参数 若 改变时 整个曲线沿 轴平移 但曲线形状不变 图7 26 使产生变化的主要原因是 常值系统误差的影响 的大小反映机床调整位置的不同 106 值越大则曲线形状越平坦 尺寸分散范围越大 加工精度越低 影响 的因素 值越小则曲线形状越陡 尺寸分散范围越小 加工精度越高 均方根偏差 决定了分布曲线的形状和分散范围 的大小反映了机床加工精度的高低 图7 26 随机性误差 随机性误差越大则 越大 107 概率密度函数在处有最大值 特殊点 顶点 拐点 2 标准正态分布 0 1的正态分布 标准正态分布 令 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 109 y x 0 分布曲线下所包含的全部面积代表一批加工零件 即100 零件的实际尺寸都在这一分布范围内 工件尺寸在某区间的概率 110 工件尺寸在某区间的概率 对于正态分布曲线来说 分布曲线下所包含面积由下式决定 表7 2标准正态分布概率密度函数积分表 112 正态分布曲线的分散范围为 3 工艺上称该原则为6 准则 在 3 范围内 曲线围成的面积为99 73 工件尺寸在某区间的概率 解 作图进行标准化变换 查表7 2得 偏大不合格品率为 这些不合格品可修复 查表7 2得 偏小不合格品率为 不合格品率为 2 28 0 135 2 415 合格品率为 1 2 415 97 585 废品率为 2 28 这些不合格品不可修复 属于废品 115 是指工艺过程在时间历程上保持特征参数均值和标准差 值稳定不变的性能 2 分布图分析 工艺过程的稳定性 工艺过程不稳定 存在变值性系统误差 若 工艺过程稳定 若 116 1 判别加工误差的性质 分布曲线的应用 2 确定工艺系统能力及其等级 3 估算合格率或不合格率 117 y x 0 3 3 公差带 T xmax xmin 样本容量取为 n 50 200 取 n 100 工艺过程的分布图分析 按加工顺序逐个测量 表7 3 3 异常数据的剔除 1 样本容量的确定 2 样本数据的测量 则xk为异常数据 4 实际分布图的绘制 本例中样本100剔除3个异常数据 直方图 直方图 以工件尺寸为横坐标 以频数或频率为纵坐标 作出该批工件加工尺寸的实验分布图 频数 同一尺寸间隔内的零件数量 例 磨削一批销轴外径为 119 4 实际分布图的绘制 1 确定尺寸间隔数j 参考P320表7 4选取 n 100 所以应初选j 10 x xmax xmin j 2 确定尺寸间隔大小 x xmax xmin j 9 647 9 616 10 0 0031mm 圆整为 x 0 003mm 表7 4 120 3 画实际分布图 4 实际分布图的绘制 确定 各组组界 组中值 统计 各组频数 确定 分组数k j 1 121 5 理论分布图的绘制 频率密度y 最大概率密度 拐点处概率密度值 最大值处的理论频数 两拐点处的理论频数 计算三个特殊点处的频数 122 123 实际分布曲线与正态分布曲线基本相符 说明加工过程中没有 变 平均值与公差带中心重合 说明不存在 常 根据平均值是否与公差带中心重合 来判断是否存在 常 6 工艺过程的分布图分析 1 判别加工误差的性质 平均值与公差带中心不重合 说明存在 常 实际分布曲线不符合正态分布时 如出现的分布曲线呈平顶分布 双峰分布或偏态分布时 说明加工过程中有突出的 变存在 图示 124 2 确定工序能力及其等级 工序能力是指某工序能否稳定地加工出合格产品的能力 把工件尺寸公差T与分散范围6 的比值称为该工序的工序能力系数CP 用以判断生产能力 CP按下式计算 CP T 6 125 根据工艺能力系数的大小 将工艺能力分成5级 本例 126 3 确定不合格品率 dmin 9 65 0 04 9 61mm dmax 9 65 0 9 65mm X 3 9 632 0 021 9 611mm X 3 dmin X 3 9 632 0 021 9 653mm X 3 dmax 127 3 确定不合格品率 不合格品都是尺寸过大不合格产品 可修复 1 采用的大样本 能比较实际的反映总体 2 能区分常值误差 但不能区分变值系统误差 3 具有事后性 不能及时提供过程信息 4 计算较复杂 5 只适用于工艺过程稳定的场合 工艺过程的分布图分析法特点 128 正态分布曲线有以下两大缺陷 只有在工件加工完成后才能分析加工误差 加工过程中不能控制 不能把变值系统误差从随机误差中分离出来 而点图法就可以消除上述缺陷 7 3 3工艺过程的点图分析法 应用分布图分析工艺过程的前提是 工艺过程必须是稳定的 点图分析法所采用的样本是顺序小样本 即每隔一定时间抽取样本容量n 5 10的一个小样本 计算出各小样本的算术平均值和极差R 用点图和R点图联合使用可以在加工过程中观察误差变化的情况 便于及时调整机床 1 点图的基本形式 R xmax xmin X点图它能看出工件尺寸平均值的变化趋势 控制工艺过程质量指标的分布中心 反映了变值性系统误差及其变化趋势 极差R点图它主要用以显示加工过程中尺寸分散范围的变化情况 控制工艺过程质量指标的分散程度 反映了随机性误差及其变化趋势 加工过程分析 1 点与控制线的关系情况 2 大部分点子是否在中心线上 下波动 3 点子是否有明显的规律性变化 均值变化不显著标准差变化不显著 稳定的工艺过程应该具有的特征 2 点图上 下控制线的确定 R图 A2 D1 D2数值见教材325页表7 7 图控制线 图 如图的 R点图所示 极值差R没有超出控制范围 说明加工中的瞬时尺寸分散比较稳定 但点上第11组抽样中的11已超出上控制线 而12还超出了公差带上限 这表明加工误差中存在某种占优势的系统误差 加工过程不稳定 必须停机查找原因 135 3 点图的正常波动与异常波动 只有随机波动 特点是浮动的幅值一般不大 工艺过程稳定 工艺过程中存在某种占优势的误差因素 以至点图上的点子具有明显的上升或下降倾向 或出现幅值很大的波动 工艺系统不稳定 稳定性判别 没有点子超出控制线 大部分点子在中心线上下波动 小部分点子靠近控制线 点子变化没有明显规律性 如上升 下降倾向 或周期性波动 同时满足为稳定 正常波动 异常波动 137 1 样本为顺序小样本 2 能在过程中提供控制资料 3 计算简单 点图分析法的特点 X R点图 根据加工表面轮廓的特征 波距L与波高H的比值 可将几何形状误差分为以下三种 L H 1000 称为宏观几何形状误差 例如圆度误差 圆柱度误差等 它们属于加工精度范畴 L H 50 1000 称为波纹度 它是由机械加工振动引起的 L H 50 称为微观几何形状误差 亦称表面粗糙度 140 根据加工表面轮廓的特征 波距L与波高H的比值 可将几何形状误差分为以下三种 L H 1000 称为宏观几何形状误差 例如圆度误差 圆柱度误差等 它们属于加工精度范畴 L H 50 1000 称为波纹度 它是由机械加工振动引起的 L H 50 称为微观几何形状误差 亦称表面粗糙度 141 根据加工表面轮廓的特征 波距L与波高H的比值 可将几何形状误差分为以下三种 L H 1000 称为宏观几何形状误差 例如圆度误差 圆柱度误差等 它们属于加工精度范畴 L H 50 1000 称为波纹度 它是由机械加工振动引起的 L H 50 称为微观几何形状误差 亦称表面粗糙度 142 见图示 显然 返回 主轴轴向窜动对端面加工精度的影响 A A R Om 1 1 Acos O 2 3 4 O Y Rsin X A R cos 镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响 X Acos t Y Y o D R Y 水平面 导轨水平面内直线度 导轨在水平面内直线度误差 垂直平面 导轨垂直面直线度 Z d R Z2 D Z 导轨在垂直面内直线度误差 R d 2 图丝杠加工误差校正装置1 工件2 螺母3 母丝杠4 杠杆5 校正尺6 触头7 校正曲线 套筒夹紧变形误差 工件 开口过渡环 薄片工件的磨削毛坯翘曲b 电磁工件台吸紧c 磨后松开 工件翘曲d 磨削凸面e 磨削凹面f 磨后松开 工件平直 图机床部件自重引起地横梁变形 牛头刨床滑枕热变形及结构改进示意图a 原滑枕截面图b 原滑枕热变形示意图c 滑枕热对称结构 图7 26对正态分布曲线的影响 表7 3 156 分析积屑瘤产生的原因及其对加工的影响 生产中有效的控制积屑瘤的手段是什么 刀具的正常磨损过程可分为几个阶段 各个阶段的特点是什么 刀具使用时磨损应限制在哪一阶段 从刀具寿命出发时 按什么顺序选择切削用量 从机床动力出发时 按什么顺序选择切削用量 当进给量受到表面粗糙度限制时 有什么办法能增加进给量 而保证表面粗糙度要求 作业 157 2 进给量的选择 半精加工 精加工时 进给量由加工精度和表面粗糙度决定 工件材料 刀尖圆弧半径 切削速度 考虑因素 1 当刀尖圆弧半径较大 副偏角较小时 已加工表面粗糙度较小 可选较大的进给量 2 当切削速度较高时 切削力降低 可适当增大进给量 158 指出图中所示各定位 夹紧方案及结构设计中不正确的地方 并提出改进意见 单项选择题 原始误差是指产生加工误差的 源误差 即 A机床误差B夹具误差C刀具误差D工艺系统误差误差的敏感方向是 A主运动方向B进给运动方向C过刀尖的加工表面的法向D过刀尖的加工表面的切向镗床主轴采用滑动轴承时 影响主轴回转精度的最主要因素是 A轴承孔的圆度误差B主轴轴径的圆度误差C轴径与轴承孔的间隙D切削力的大小为减小传动元件对传动精度的影响 应采用 传动 A升速B降速C等速D变速基准重合原则是指使用被加工表面的 基准作为精基准 A设计B工序C测量D装配 6 加工误差的性质可分为系统性误差和随机性误差 下列 属于随机性误差 A刀具磨损B工件热变性C材料的硬度变化7 影响正态分布曲线的特征值的主要原因是 A随机性误差B常值性系统误差C变值性系统误差