机械加工精度分析.ppt

实验二 机械加工精度分析,中国地质大学（北京） 机械工程实验教学中心 吕战竹,实验二 机械加工精度分析,一、机械加工精度概述 二、工艺系统几何误差 三、调整误差 四、工艺系统受力变形引起的误差 五、工艺系统受热变形引起的误差 六、内应力重新分布引起的误差 七、实验目的与内容,一 、机械加工精度概述,（一）概述 1. 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、形状和位置）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（尺寸、形状和位置）对理想几何参数的偏离程度。,三点注意！,理想几何参数的正确含义 加工精度与加工误差的关系 包含的三个方面内容,（一）概述,2. 原始误差,工艺系统存在着误差是引起加工误差的根本原因，将工艺系统的误差称为原始误差。,包括工艺系统的几何误差、定位误差、受力变形引起的加工误差、受热变形引起的加工误差、内应力重新分布引起的变形以及原理误差、调整误差和测量误差等。,原理误差 工件装夹误差 调整误差 机床误差 夹具误差 刀具制造误差 刀具磨损 工艺系统受力变形 工艺系统受热变形 内应力引起的变形 测量误差,（一）概述,3.误差敏感方向,例：车削外圆时,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加工表面过切削点的法线方向。,二、工艺系统几何误差,1、机床的几何误差,机床、刀具、夹具的几何误差,主轴回转误差、导轨误差、传动链误差,（1）主轴回转误差：主轴各瞬间实际回转轴线对其理想回转轴线的变动量。可分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动三种形式。,1、机床的几何误差,（2）导轨误差,导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差,此外，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。,导轨精度要求包括：在水平面内的直线度；在垂直面内的直线度；前后导轨的平行度（扭曲）；导轨与主轴回转轴线的平行度（或垂直度）等。,1、机床的几何误差,（3）传动链误差,指传动链始末两端传动元件之间相对运动的误差。主要影响刀具与工件之间速比关系的准确性（如螺纹、齿轮加工时），一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。以滚齿机为例,减小传动链误差的措施: 1）尽可能缩短传动链，减少误差源数 2）尽可能降速传动，并使末端传动副采用大的降速比，且要提高末端传动件的精度 3）提高传动元件的制造精度和装夹精度，减小误差源，特别是升速传动元件。 此外，还可采用传动误差补偿装置,42,（5-2）,2、刀具的几何误差,定尺寸刀具的尺寸和形状误差影响加工尺寸和形状精度 成形刀具的形状误差和安装误差影响加工形状精度 展成刀具的尺寸、形状及安装误差影响加工形状精度 一般刀具的制造误差不直接影响加工精度 刀具磨损对加工精度的影响,三个阶段： 初期磨损阶段 正常磨损阶段 急剧磨损阶段,刀具正常磨损量 （5-3）,3、夹具的几何误差,夹具误差影响加工位置精度。 与夹具有关的影响位置误差的因素包括：,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； ,通常取精加工夹具公差为工件上相应尺寸公差的1/21/3，粗加工夹具则取1/51/10 。,三、调整误差,1、试切法调整,调整机床、刀具、夹具的过程中产生的误差,度量误差、加工余量的影响、微进给误差,2、按定程机构调整 3、按样件或样板调整,四、工艺系统受力变形引起的误差,1、基本概念,机械加工工艺系统在力的作用下产生变形，破坏了工件与刀具之间正确的相对位置，产生加工误差。,四、工艺系统受力变形引起的误差,1、基本概念,工艺系统刚度：加工误差敏感方向上工艺系统所受径向切削分力与变形量之比,式中 Fp径向切削分力（ 背向力、吃刀抗力）； y 工艺系统在切削合力作用下的变形。,四、工艺系统受力变形引起的误差,2、工件刚度,工件刚度对加工精度的影响,细长轴加工,四、工艺系统受力变形引起的误差,3、刀具刚度,刀具刚度对加工精度的影响,内孔加工,四、工艺系统受力变形引起的误差,4、机床部件刚度,（1）机床部件刚度及其特点,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变形所作的功 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,四、工艺系统受力变形引起的误差,4、机床部件刚度,（2）影响机床部件刚度的因素,1）结合面接触变形的影响 2）摩擦力的影响 3）低刚度零件的影响 4）间隙的影响,表面粗糙度、宏观几何形状误差、材料硬度、纹理方向。,四、工艺系统受力变形引起的误差,5、工艺系统刚度及其对加工精度的影响,工艺系统刚度的倒数等于各组成部分刚度的倒数之和。,工艺系统受力变形等于工艺系统各组成部分受力变形之迭加：,由此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：,一般情况下，常见工艺系统的低刚度环节如下： 1）对于车床，k头架 k尾架 k刀架；车细长轴时，k工件最小。 2）对于卧式铣床， k升降台 k工作台 k主轴 k刀杆。 3）对于镗床， k镗杆最小。 4）对于内圆磨床， k磨杆最小。,工艺系统刚度对加工精度的影响,（1）由于工艺系统刚度变化引起的误差,即,比较式（5-6）,工艺系统刚度对加工精度的影响,（1）由于工艺系统刚度变化引起的误差,【例5-1】 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 l 的刚性轴时，径向切削分力 Fp400N，试计算该轴加工后的圆柱度误差。,令a = k主/k尾， 则x = l/(1+a)时，y系最小：,工艺系统刚度对加工精度的影响,（1）由于工艺系统刚度变化引起的误差,由于工件变形，使工件加工后成鼓形,式中 E 工件材料的弹性模量； I 工件截面的惯性矩。,工件变形：,工艺系统刚度对加工精度的影响,（1）由于工艺系统刚度变化引起的误差,考虑工件变形时的工艺系统总变形,工艺系统刚度则为,工艺系统刚度对加工精度的影响,（2）由于切削力变化引起的误差,以椭圆车削为例说明,误差复映可用误差复映系数来表示：,误差复映： 由于工艺系统受力变形量的变化，使毛坯误差部分地反映到工件上，此种现象称为“误差复映”,工艺系统刚度对加工精度的影响,（2）由于切削力变化引起的误差,利用误差复映系数可由毛坯误差估算加工后的工件误差,机械加工中，误差复映系数通常小于1，定量地反映了毛坯误差经加工后减小的程度。 可通过多次走刀，消除误差复映的影响。,工艺系统刚度对加工精度的影响,（2）由于切削力变化引起的误差,误差复映概念的推广： 1）每一件毛坯的误差都会因切削余量不均匀而复映 2）工艺系统刚度低的场合，误差复映现象较明显 3）大批量生产中，有必要查明误差复映的大小,工艺系统刚度对加工精度的影响,（3）由于夹紧变形引起的误差,a） b） 图5-21 夹紧力引起的加工误差,五、工艺系统受热变形引起的误差,1、工艺系统的热源,（1）内部热源 1）切削热 2）摩擦热和能量损耗 3）派生热源 （2）外部热源 1）环境温度 2）辐射热,刀具、工件变形,某个关键部位变形,机床其它部位变形,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%。,五、工艺系统受热变形引起的误差,2、工件热变形对加工精度的影响,（1）工件均匀受热（轴类零件处于相对稳定的温度场中）,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； 温升。,长度：,直径：,例：长400mm丝杠，加工过程温升1，热伸长量为：,五、工艺系统受热变形引起的误差,2、工件热变形对加工精度的影响,（2）工件不均匀受热（板类工件单面加工时）,式中 f 工件凸起量（变形挠度） ； L，H 工件原有长度和厚度； 工件材料线膨胀系数； 上下表面之间的温差。,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，冷却后工件上表面下凹。 措施：控制上下表面的温差。,五、工艺系统受热变形引起的误差,3、刀具热变形对加工精度的影响,A连续切削变形曲线 B冷却变形曲线 C间断切削变形曲线,五、工艺系统受热变形引起的误差,4、机床热变形对加工精度的影响,结构复杂，热源分布不均匀，工作条件变化大，机床各部分的温升不同，影响加工精度。,不同类型机床的热变形,五、工艺系统受热变形引起的误差,4、机床热变形对加工精度的影响,五、工艺系统受热变形引起的误差,4、机床热变形对加工精度的影响,六、内应力重新分布引起的误差,1、基本概念,内应力：没有外力作用而存在于零件内部的应力,2、内应力的产生,（1）热加工中内应力的产生,（2）冷校直产生的内应力,六、内应力重新分布引起的误差,3、减小内应力变形误差的途径,（1）改进零件结构 （2）增设消除内应力的热处理工序 （3）合理安排