机械制造工艺学

机械制造工艺学第1页，共72页，2023年，2月20日，星期一3.1概述一、机械加工精度定义：零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状、位置）与理想几何参数的符合程度加工误差：实际几何参数对理想几何参数的偏离程度加工精度、加工误差是评定零件几何参数的不同角度精度：尺寸、形状、位置联系：形状公差限制在位置公差之内，位置公差限制在尺寸公差之内获得：工件和刀具在切削过程中保证正确的相互位置第2页，共72页，2023年，2月20日，星期一工艺系统与原始误差工艺系统：机床、刀具、夹具、工件构成的完整的系统原始误差：工艺系统的误差研究加工精度的目的：弄清各种原始误差的物理、力学本质，及其对加工精度影响，分析各种原始误差对加工精度影响的规律，掌握控制加工误差的方法，提出提高加工精度的途径第3页，共72页，2023年，2月20日，星期一二、影响机械加工精度的因素第4页，共72页，2023年，2月20日，星期一三、误差敏感方向切削加工过程中，由于各种原始误差的影响，会使刀具和工件间的正确几何关系遭到破坏，引起加工误差。各种原始误差的大小和方向各不相同，但加工误差必须在工序尺寸方向度量。不同的原始误差对加工误差的影响不同第5页，共72页，2023年，2月20日，星期一三、误差敏感方向(续)例：车削：原始误差：加工误差：：加工表面法向，加工误差最大：加工表面切向，加工误差最小第6页，共72页，2023年，2月20日，星期一三、误差敏感方向(续)误差敏感方向：对加工精度影响最大的那个方向(通过刀刃的加工表面的法向)称为误差的敏感方向。考虑几种不同的加工方法：车床、刨床、外圆磨削、镗床在分析影响机械加工精度的原始误差，可只考虑误差敏感方向的原始误差的影响。第7页，共72页，2023年，2月20日，星期一四、研究加工精度的方法两种：1、单因素分析法2、统计分析法：实测一批工件，运用数理统计方法处理数据，来判断误差的性质和规律。实际中：两种方法结合使用本章的两大内容。第8页，共72页，2023年，2月20日，星期一2.2工艺系统的几何误差一、加工原理误差采用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第9页，共72页，2023年，2月20日，星期一加工原理误差实例1、三坐标数控铣床加工复杂型面零件，用球头刀采用“行切法”加工2、滚齿：用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线基本蜗杆原理性误差：可行性分析，对零件性能的影响程度简化机床结构或刀具。第10页，共72页，2023年，2月20日，星期一二、机床的几何误差机床的制造误差、安装误差与磨损都影响零件的加工精度。本小节主要介绍：机床主轴回转精度机床导轨导向精度传动链运动精度 对零件加工精度的影响第11页，共72页，2023年，2月20日，星期一(一)、机床主轴回转误差1、基本概念理想回转中心：主轴任一截面上在主轴回转时速度始终为0的那一点。理想回转中心实际上不存在->瞬时回转中心；瞬时回转轴线主轴回转误差：主轴瞬时回转轴线相对其平均回转轴线（瞬时回转轴线的对称中心）在规定测量平面内的变动量。基本形式：径向圆跳动、端面圆跳动、角度摆动第12页，共72页，2023年，2月20日，星期一（一）、机床主轴回转误差(续)基本形式：径向圆跳动、端面圆跳动、角度摆动径向圆跳动：影响圆柱面的精度端面圆跳动：影响端面形状和轴向尺寸精度；加工螺纹时，影响螺距精度角度摆动：影响圆柱面与端面加工精度实际的主轴回转误差是这三种误差的综合，周期性的合成运动。交点位置固定不变第13页，共72页，2023年，2月20日，星期一2、主轴回转误差的影响因素主轴误差、轴承误差、轴承间隙、轴承与孔的配合、主轴系统的径向不等刚度、热变形（润滑、冷却）不同类型机床，影响因素各不相同。工件回转类：切削力方向不变，轴径圆度影响大刀具回转类：切削力方向随旋转方向改变，支承轴径圆度影响大。第14页，共72页，2023年，2月20日，星期一3、主轴回转精度测量(1)1）静态测量：千分表、芯轴等第15页，共72页，2023年，2月20日，星期一3、主轴回转精度测量(2)2)传感器测量：精密测量球、垂直方向两个位移传感器偏心e:无径向跳动,李沙育圆；有径向跳动，非圆：第16页，共72页，2023年，2月20日，星期一4、提高主轴回转精度措施1）提高主轴部件精度：轴承精度、采用高精度的多油楔动压轴承、静压轴承；轴承座孔；主轴本身（主轴轴径）加工精度；液体静压轴承：径向和端面跳动：0.04um空气静压轴承第17页，共72页，2023年，2月20日，星期一4、提高主轴回转精度措施(续)2)滚动轴承适当预紧：消除间隙或产生微量过盈，提高接触刚度，对滚动轴承中的内外圈滚道和滚动体的误差有均化作用3）高速主轴：润滑与冷却，减少热变形；动平衡主轴及安装在主轴上的零部件；4）隔离主轴回转误差：普通车床：装在主轴锥孔中的前顶尖随主轴回转，直接影响工件圆度；磨床：将前顶尖做成固定的，主轴只传递动力，工件圆度只与前后顶尖的精度有关。……第18页，共72页，2023年，2月20日，星期一（二）、机床导轨导向误差1、导轨导向精度导轨精度：机床导轨副运动件与固定件间实际运动方向与理想运动方向的符合程度。导轨：是机床中主要工作部件相互位置的基准和运动基准。第19页，共72页，2023年，2月20日，星期一直线导轨导向精度1）在水平面内的直线度2）在垂直面内的直线度3）前后导轨平行度（扭曲）4）导轨对主轴回转轴线的平行度第20页，共72页，2023年，2月20日，星期一2、导轨导向精度对加工精度的影响(1)需具体分析：导向误差在不同的加工方法和不同的加工对象，产生不同的加工误差（误差敏感方向）车床：第21页，共72页，2023年，2月20日，星期一 当车床导轨与主轴中心线在水平面内有平行度误差时，工件会被车成圆锥体，而不是圆柱体。 车床导轨与主轴中心线在垂直面内有平行度误差时，车出来的工件是双曲面回转体。 在镗床上，误差敏感方向随刀具回转而变化导轨在水平面及垂直面内的直线度误差，均直接影响工件的加工精度。同时，镗床导轨的扭曲，会使所加工的孔产生位置误差。2、导轨导向精度对加工精度的影响(2)第22页，共72页，2023年，2月20日，星期一磨床2、导轨导向精度对加工精度的影响(3)第23页，共72页，2023年，2月20日，星期一扭曲H：车床中心高B：导轨宽度车床：H/B=2/3磨床：H/B=1加工误差不能忽略2、导轨导向精度对加工精度的影响(4)第24页，共72页，2023年，2月20日，星期一 在镗床上，误差敏感方向随刀具回转而变化,导轨在水平面及垂直面内的直线度误差，均直接影响工件的加工精度。同时，镗床导轨的扭曲，会使所加工的孔产生位置误差。ab2、导轨导向精度对加工精度的影响(5)第25页，共72页，2023年，2月20日，星期一3、导轨导向误差产生的原因（1）制造误差（2）主要的是由于机床的安装不良所致；（3）因基础不良或自重下沉，会引起导轨严重的扭曲变形；特别对于长导轨；（4）导轨磨损则是导轨误差的另一重要原因；由于使用程度不同、受力不等，使用一段时期后，不仅导轨全长上各段的磨损量不同在同一横截面上各导轨面上的磨损量也不等。导轨磨损会使溜板在水平面和垂直面内发生位移，且有倾斜。第26页，共72页，2023年，2月20日，星期一4减少导轨误差的措施（1）在机床安装时要有良好的基础，必须进行严格的测量和校正；（2）在机床使用期间应定期复校和调整，以减小机床导轨的扭曲变形；（3）加强机床的日常保养和维护，保持机床的清洁，运动部件要经常加油润滑。第27页，共72页，2023年，2月20日，星期一(三)、机床传动误差1）机床传动误差：螺纹加工或用展成法加工齿轮时，必须保证刀具与工件间严格的运动关系。螺纹：工件一转刀具移动一个螺距齿轮：滚刀一转工件一齿工件和刀具间的运动关系由内联系传动链保证。机床传动误差：指内联系传动链始、末两端传动元件间的相对运动的误差。（运动误差）第28页，共72页，2023年，2月20日，星期一滚齿机传动误差Y3150E传动路线工件转角和刀具转角关系：第29页，共72页，2023年，2月20日，星期一2、误差传递系数假定滚刀转动均匀，可将工件相对滚刀转角误差作为传动误差。设与滚刀相连的齿轮Z1的转角误差为，工件的转角误差为：中间的系数是两末端件间的传动比，称误差传递系数。不同的传动件到工件都有不同的传动比，即有不同的误差传递系数。第30页，共72页，2023年，2月20日，星期一误差传递系数（续）传动链中某传动件到工件的运动关系为： 微分： 代之以转角误差当ki>1时，误差放大；ki<1时，误差缩小不同的传动件的转角误差对传动误差的贡献不同，其中蜗轮的影响最大。蜗轮和蜗杆间采用大的传动比，可以减小传动误差。转角误差：如齿距偏差、切向综合偏差等传动链中所有传动件对传动误差总的影响可叠加计算或用概率法估算。但都不准确。－周期与方向第31页，共72页，2023年，2月20日，星期一3、传动误差测量1）静态测量：精密多面体、经纬仪等2）动态测量：磁栅、光栅等对获得的信号进行处理，如频谱分析，可以获知哪些传动元件对传动误差影响最大。第32页，共72页，2023年，2月20日，星期一4、减少传动误差措施1）尽可能缩短传动链：用电子传动链代替机械传动链、用伺服驱动代替机械驱动2）提高装配精度，减小传动元件装配几何偏心3）提高传动链末端元件制造精度： 重庆机床厂：分度蜗轮制造精度4）在传动链中按降速原则分配各传动副的传动比：滚齿机分度蜗轮齿数大、丝杆磨床中母丝杆的螺距大第33页，共72页，2023年，2月20日，星期一5）误差补偿装置机械校正、自动补偿在传动链中人为地加入一个误差，使它与传动链本身的误差大小相等、方向相反，从而使之相互抵消。滚齿机传动误差微机补偿系统第34页，共72页，2023年，2月20日，星期一(四)、其他几何误差1、刀具误差1）一般刀具：车、镗、铣，调刀保证尺寸，对加工精度无直接影响2）定尺寸刀具：孔加工，钻、铰、键槽铣、镗刀块、孔拉刀；对尺寸直接影响；3）展成刀具：滚刀、插齿刀等4）成型刀具：形状精度直接影响工件形状精度第35页，共72页，2023年，2月20日，星期一(四)、其他几何误差(续)2、工件装夹误差与夹具误差：夹具内容3、测量误差：量具误差、测量时的误差（接触条件、温度、目测方法）第36页，共72页，2023年，2月20日，星期一(四)、其他几何误差(续)4、调整误差

试切法：a、测量误差 b、进给机构位移误差：微量调整刀具位置，进给爬行 c、试切与正式加工切削厚度不同的影响

调整法：以试切为基础，存在试切法中的误差a、行程挡块、靠模、凸轮等设定尺寸的机构的制造精度、刚度，以及与之配合的离合器、控制阀的灵敏度 b、样板或样件：制造、安装、调整精度 c、试切数量不足：误差反映不全面第37页，共72页，2023年，2月20日，星期一2.3工艺系统的受力变形工艺系统在切削、夹紧、传动、重力和惯性等外力的作用下，会发生变形，破坏刀刃与工件间正确的相互位置关系，使工件产生加工误差。 1.工艺系统的刚度 2.工艺系统受力变形对加工 精度的影响 3.影响工艺系统刚度的因素 4.提高工艺系统刚度的措施第38页，共72页，2023年，2月20日，星期一一.工艺系统的刚度静刚度定义：单位变形所需施加的力：作用力与由它所引起的在作用力方向上产生的变形量的比值。第39页，共72页，2023年，2月20日，星期一工艺系统的刚度定义：切削力法向分力Fy，与工件在总切削力作用下刀具相对工件在法向分力向上的位移的比值。注：yxt是总切削力作用的结果，而非仅仅是法向分力Fy的作用结果。第40页，共72页，2023年，2月20日，星期一负刚度可能出现变形方向法向分力向上相反的情况。这时的刚度，称为负刚度。负刚度对加工质量不利，应尽量避免。刨削车削第41页，共72页，2023年，2月20日，星期一工艺系统是由机床、刀具、夹具和工件四者组成的一个整体。在切削力作用下，各部分都将发生变形。将各部分在同一处的法向变形叠加，即得到工艺系统的总变形。工艺系统的总变形根据上述定义，有第42页，共72页，2023年，2月20日，星期一工艺系统刚度分析公式分析：刚度低的环节对总刚度的贡献最大。欲提高工艺系统的总刚度，应从刚度最低的环节出发。工艺系统受力变形对加工精度的影响分析，也应以此为原则。如：车削外圆：细长轴车削，细长轴刚度最低，其他部分变形可忽略不计。箱体镗孔：镗杆悬伸长，属于刚度最低环节，主要分析长镗杆变形的影响。第43页，共72页，2023年，2月20日，星期一工艺系统刚度确定1、当工艺系统比较简单，或某个环节刚度明显较低时，直接用材料力学的有关公式求解.如：车床卡盘中长棒料车削，简化为悬臂梁车床两头顶尖间长棒料车削：E：材料弹性模量，钢－I：截面惯性矩2、实验测定第44页，共72页，2023年，2月20日，星期一二、工艺系统刚度对加工精度影响1）在车床两顶尖间车削粗而短的光轴忽略车刀、工件变形考虑：主轴箱（头架）、尾座（顶尖）、刀架变形1、受力点位置变化引起的形状误差第45页，共72页，2023年，2月20日，星期一机床总变形：由刚度定义：1）在车床两顶尖间车削粗而短的光轴(续)第46页，共72页，2023年，2月20日，星期一1）在车床两顶尖间车削粗而短的光轴(续)存在极值，当，上述数值中，最大值－最小值，为圆柱度误差。实际计算结果：L=600mm,圆柱度误差为0.0033mm。第47页，共72页，2023年，2月20日，星期一当x=0:当x=L/2:当x=L:1）在车床两顶尖间车削粗而短的光轴(续)第48页，共72页，2023年，2月20日，星期一2）在车床两顶尖间车削细长轴主要考虑工件变形，工件变形最大工件呈鼓形第49页，共72页，2023年，2月20日，星期一2、误差复映加工前工件截面为椭圆。按圆调整刀具。在不同位置，切削深度不同，因而切削力不同，由此工艺系统的变形不同。实际切削厚度发生变化，切削深度变化量等于工艺系统的变形量。原来有圆度误差的截面加工完成后，仍存在圆度误差。这种现象称为误差复映。加工前表面加工后表面将工艺系统刚度近似作为常量。分析车削.第50页，共72页，2023年，2月20日，星期一2、误差复映(续)式中，A－径向切削力系数，－系数－与工件材料和刀具角度有关的系数；f－进给量计算：毛坯圆度的最大误差车削后的圆度误差对车削有切削力第51页，共72页，2023年，2月20日，星期一2、误差复映(续)称为误差复映系数。由于总小于，因此为小于1的正数。它定量地反映了毛坯误差加工后减小地程度。目标是使误差复映系数减小：－增大广义系统刚度；－减小径向切削力系数（减少进给量、使用主偏角接近900的车刀等）第52页，共72页，2023年，2月20日，星期一多次走刀：总误差复映系数：多次走刀可提高加工精度，但降低生产率。IT7要求的工件经过2～3次走刀后，毛坯形状误差复映到工件上的误差可减小到允许的范围内。同理，当毛坯有形状误差或位置误差时，加工后仍然有同类的误差。根本原因是工艺系统的受力变形。在成批生产中，用调整法加工会造成 毛坯尺寸不一工件尺寸不一毛坯硬度不均匀工件尺寸分散2、误差复映(续)第53页，共72页，2023年，2月20日，星期一3、其他力引起的加工误差1）夹紧力：工件刚度过低或着力点不当：薄壁套、薄板类零件第54页，共72页，2023年，2月20日，星期一3、其他力引起的加工误差（续）导轨中部使用过程中磨损大，加工时略使中部凸起(0.02).加工时使用夹紧变形使中部凹下，加工后，由于弹性变形恢复，使中部略凸。第55页，共72页，2023年，2月20日，星期一3、其他力引起的加工误差（续）2）重力：自重.龙门铣床、龙门刨床的刀架横梁变形、铣镗床镗杆悬伸过长3）惯性力：高速切削：存在不平衡的旋转件离心力大于切削力：轴承座孔的影响、圆度误差第56页，共72页，2023年，2月20日，星期一三、机床刚度的测定静态测量、动态测量1、静载测定法：单向静载测定测力环螺旋加力器第57页，共72页，2023年，2月20日，星期一机床部件的刚度曲线特点1)变形与作用力不是线性关系，反映刀架变形不仅仅是弹性变形。2）加载与卸载曲线不重合，包容的面积为加载卸载循环中所损失的能量：部件内零件间的摩擦和接触塑性变形作的功。3)卸载后曲线不回到原点：有残留变形。4)部件的实际刚度小于估算刚度。第58页，共72页，2023年，2月20日，星期一三向静载测定模拟实际车削受力：设置Fx、Fy、Fz的比值，从x、y、z三个方向加载，分别测定头架、刀架、尾架变形，计算刚度值。弓形加载器第59页，共72页，2023年，2月20日，星期一2、工作状态测定法芯轴：刚度高，变形忽略、一次进给根据误差复映原理，按接近实际加工状态测定刚度。加工前尺寸：H11,H12H21,H22H31,H32加工后尺寸：h11,h12h21,h22h31,h32123第60页，共72页，2023年，2月20日，星期一2、工作状态测定法（续）根据误差复映原理：由：由加工短而粗的光轴公式：第61页，共72页，2023年，2月20日，星期一2、工作状态测定法（续）缺陷：不能得到完整的刚度特性曲线；随机因素影响结果：材料硬度不均匀第62页，共72页，2023年，2月20日，星期一四、影响机床刚度的因素1、连接表面接触变形的影响零件表面存在宏观和微观的几何形状误差、微观表面粗糙度。实际接触面积：是理论接触面积的极小部分，真正接触的部分是两个表面间的凸峰。作用力施加后，产生接触变形：表面层的弹性变形、局部塑性变形。部件刚度曲线不呈直线，而且与组成的元件相比刚度要低得多。第63页，共72页，2023年，2月20日，星期一机床接触变形接触变形往往大于结构变形导轨接触变形：10um/MPa机床主轴：接触变形占总变形30-40%齿轮箱：3类变形 轴扭曲：30%； 轴弯曲：30%