机械制造工艺学 第三章 机械加工精度.ppt

第三章机械加工精度 第一节 概述 1、机械产品的质量 取决于零部件的加工质量，产品的装配质量 。 2、零件的加工质量 1）几何形状加工精度、表面粗糙度 2）物理性能硬度、强度、韧性、耐磨 性等。 3）化学性能耐磨蚀性能。 4）其它性能 Date 机械加工精度： 尺寸、形状、位置 加工精度与加工误差： 加工的大小，表明加工精度的高低。 加工精度与设计精度、生产效率、加工成本 有关。 加工精度与工艺系统精度（原始误差）。 工艺系统由机床、夹具、刀具、工件组成 的统一体。 设计精度：由零件工作图上的尺寸，形状，位 置公差确定。 Date 二、影响机械加工精度的因素（原始误差分析 ） 原始误差工艺系统偏离理想位置产生的误 差。 1、几何误差工艺系统初始状态的误差（ 加工前） A、静态误差 B、运动误差 2、动（效应）误差切削过程的物理因素 所产生的误差（受力，受热，磨损等）A 加工过程中 B加工后 例：精镗活塞销孔工序的原始误差。（图31 ） Date Date 三、误差敏感方向 在误差敏感方向上系统原始误差对加工精度 的影响最大。 例如：车削外圆时，刀尖在工件法向方向上的 误差，引起最大加工误差R 。 （图32） Date 分析： 当 时， （忽略了 ） 当 时 ， （当很小时，Rmin可忽略） Date 四、研究加工精度的方法 1、单因素分析法：分析某一原始误差对加工 精度的影响。 通过分析计算，测量，实验等方法。 2、统计分析法： 对一批工件测量，并对测量数据进行处理，判 断加工误差的性质，从而找出产生误差的原 因。 3、实际生产中，两种方法结合应用。 Date 第二节 工艺系统的几何精度对加工精度的影 响 一、加工原理误差 1、近似的切削成形运动 例如：数控插补原理：直线或圆弧逼近曲线的 加工，数控铣床上用球头铣刀加工曲面（行 切法）（图33） 2、近似的切削刀形状 例如：滚齿刀具 3、近似的计算 例：模数螺纹的因子 Date 二、调整误差 尺寸精度的获得方法 （一）试切法（如车外圆的5个步骤：开车对 刀；右退出车刀；进刀；走刀切削1-3mm；退 出车刀；测量；按尺寸进刀；走刀切削。） 试切法引起调整误差的因素 1、测量误差：量具，测量方法，使用条件等 。 2、机床进绘机构的位移误差 3、切削状态不同产生的误差。例如：刀尖的 圆角影响。 Date （二）调整法 如车台阶长度时的位置调整 引起调整误差的因素 1、定程机构误差 液压死挡铁0.01(精度高) 电气行程开关0.01（灵敏度） 2、样件或样板误差 3、测量有限试件造成误差 Date （三）其它方法 1、定尺寸刀具法 例如：钻孔，铰孔，浮动镗等 取决于刀具的相关尺寸精度（与刀具制造，安 装，磨损有关） 2、自动控制法 例如：自动或半自动磨床， 取决于自动检测装置精度和自动反馈控制系统 控制精度。 三、机床误差 例如：铣床的精度检验项目有多项 Date （一）机床导轨导向误差（来源于加工，装配 ，安装，磨损，温度等） 1、导向误差（直线度，扭曲度及偏离，平行 ，垂直等） 例车床直线度（图35） 1）在水平面内的直线度 Y （图36a） （设车刀刀夹中心与工件轴或等高） 2）在垂直面内的直线度Z （图36b） Date Date Date 忽略 项 可以忽略 （3）扭曲误差 与机床导轨结构及主轴中心高有关（图37） Date Date （4）导轨与主轴轴线相互位置误差 水平面内平行度误差 车锥度 镗椭圆 垂直内平行度误差 车（度）双曲线 镗椭圆 图3-9 Date （5）减少导轨误差的措施 设计：结构、材料、热处理方式、润滑方式、 防护装置等。 制造：时效处理、表面待火年理、精度工序等 。 调整：调间隙、调水平等。 使用：地基、安装、维护（清洗、防锈、润滑 ） Date 2导轨误差的理论分析方法 滑板在导轨上运动，导向：限制了5个自由度。 坐标系的建立： 直角坐标系： 与导轨固连 通常i轴与主轴平行或垂直 直角坐标系 与滑板固连 直角坐标系 滑板上的参考坐 标系。随滑板平移时，各坐标轴方向始终与导 轨固连各坐标轴方向一致。 Date Date 设：刀具或工件 上的任意点： 若点P随沿j、k平移， 绕坐标ijk转动，角，则P点位 置变化，产生加工误差。 其中： yt ，zt由与i轴的偏离而造成（导轨与 主轴轴线在水平、垂直面内平行度误差）。 由扭曲造成 由垂直面内直线度造成 由水平面内直线度造成 Date （图310），其中 转角误差计算 Date 坐标变换矩阵 记列矩阵： 则： 同理：有 ， 当1旋转、时 有： Date 当、值很小时，近似有： 得： P点的线位移误差（由转角误差引起的）为： Date I单位矩阵 综合xt(进给误差)、yt、z t和转角引起的 成性误差 x处，P点的线性误差为： （线性叠加） 或（改写成方程组的形式） Date 例：导轨误差在车削丝杆时引起螺距误差 坐标设定如图311（纵向x，横向y，垂直于z ） 设：刀刃在中径（d2）上一点A1（x1， y1 ，z1） =（0， ，H） x与P同方向 y工件法向误差 （使中径尺寸增大或减少 ） Date Date z产生刀具沿工件切向误差（ z使工件 相对于刀具瞬间产生角位移误差） （正负为图示刀具位置） Date 综合引起的螺距误差为 （二）机床主轴的回转误差 1基本概念 实际回转轴线对理想轴线的漂移 三种基本形式(图313) 纯经向圆跳动、纯端面圆跳动、纯倾角摆动 Date 主轴回转精度的检验方式（JB2670-82）（机 床检验通则） a 径跳 b 轴向跳动 （倾角摆动通常由径向跳动指标保证如图） Date 2主轴回转精度对加工精度的影响 1）主轴端面纯圆跳动：(图314) （1）车端面近似螺旋面（误差） 垂直度偏角 （2）车螺纹产生螺距周期误差。 Date 2）径内圆跳动产生圆度误差(图3 1517) （1）对镗孔的影响 （图3-15） 设镗刀主轴误差为： h=Acos (频率与主轴转角相同，刀尖到刀 轴中心不变，R为定值，在y方向简谐运动。) 简谐运动方程 加工孔为椭圆，长轴：（A+R），短轴：R Date Date （2）对车削孔的影响（图3-16），刀尖到平 均回转轴线Om 为定值：R 设工件主轴误差： hAcos 沿y方向 ： R=0RA R=Rh RAcos =R+A 任一点： 加工孔近似为圆。 Date 3、影响主轴回转精度的因素 （1）轴承误差 A)滚动轴承：内环，外环滚道，滚动体，保持 架等 圆度误差、波度误差、滚动体尺寸误差等 B)滑动轴承 工件回转类机床（图3-17a） 刀具回转机床 （图3-17b） 工件回转类机床主轴轴径的椭圆误差影响 ： 产生与轴径误差近似的加工误差。 Date Date 工件回转类机床主轴轴承孔的椭圆误差影响： 轴承孔受力点不变 不产生加工误差。 主轴轴承孔的误差影响与之相反。 另：多油楔动压轴承主要为主轴轴径误差 影响 静压轴承较厚的油膜减小了轴径和轴孔的 误差，所以精度较高。 Date 刀具回转类机床主轴轴径的椭圆误差影响： 刀具回转类机床主轴轴径、主轴轴承孔对加工 误差的影响与工件回转类机床相反。 （2） 轴承间隙调整 （3）轴承安装配合件 主轴滚动轴承安装轴径 箱体上的主轴滚动轴承安装孔等 （4）主轴转速 （5）其它因素 Date 4、提高主轴回转精度的措失 （1）提高制造精度（要求精度，成本高） （2）滚动轴承预紧（磨损大，发热） （3）排除主轴回转误差的工艺措失。 例：使用固定顶尖（0.001）适用于低速，轻 载 镗模（图3-19） 刀杆与主轴浮动连接 刀具回转精度由刀杆精度和导套精度确定 。 Date Date Date （三）机床传动链的传动误差 1，传动链精度分析 内联系的传动链中，首末件的相对运动误差。 在用展成法加工螺纹，齿轮，蜗轮时产生加工 误差。 例如：螺纹的螺距误差，齿轮、蜗轮的周节误 差等。 图3-20滚齿轮传动链中，工件转角与滚刀转角 的运动关系为： Date Date 讨论由传动件的周节误差、螺距误差等原始误 差引起的末端件的转角误差。 设：工件的转角误差劲 由第j个传动件误差引起的工件转角误差 。 k j 误差传递系数（k传动件到末商件的 传动比，j 表示工件在传动链中的位置） Date k j 1(升速)，原始误差扩大， k j 实心，封闭开口 所以应减少壁厚，增大轮廓尺寸。 外形尺寸相同：圆形优于方形，方形优于矩形 。 合理布置隔板，筋等。 尽量减少连接层面数目。（普通车床刀架的连 接层面数较多） Date 2、提高连接表面的接触刚度 提高工艺系统刚度最简便，有效的方法。 （1）零件接合面的表面质量（粗糙度，形状 精度） （2）预加载荷消除间隙，产生较大接触 面积。 又例：铣刀杆与主轴轴孔拉杆。 （3）提高工件定位基准面的精度和表面质量 Date 3、合理的工艺方法 （1）合理的安装方法和加工方法（图3-42） （2）增加辅助支承（中心架，跟力架等） （二）减小载荷及其变化 合理的切削刀具（刀具角度：，r ，r等） 合理的切削用量（CP与Fy） 提高毛坯的质量。 Date 六、工件残余应力引起的变形 残余应力（内应力）由金属内部相邻组织 的不均体和变化引起。 （一）毛坯制造和热处理 产生热应力和组织应力， 例如：铸造应力框的应力与变形。 A、C壁较薄，B较厚 A、C先冷，B在热壁状态下产生塑性变形。 B后冷，A、C在冷态下被压缩起弹性变形（不 恢复变形） 所以A、C长度大于B,产生内应力如图。 Date （二）冷校直带来的残余应力 （图344） b）加载时的应力分布：最外处产生塑性变形 c)卸载后：应力平衡（被校直） 表面切削后，（塑变层消除）工件恢复 （三）加削加工 带来的残余应力 1)改善零件结构 2)合理安排工艺 Date 3）热处理工序去除内应力 退火回火 人工时效： 高温时效毛坯，粗加工后 低温时效半精加工后 振动时效 自然时效： 把铸件毛坯在露天自然堆放一年左 右。 Date 第四节 工艺系统热变形对加精度的影响 一概述 （一）热源：内部切削热（由刀具，切屑 ，切削夜工件传出） 摩擦力（电机、液压、齿轮、轴承 、导轨等） 外部：环境 热辐射（阳光加热器等） （二）工艺系统的温度场和热平衡 温度场物体中各点温度随坐标和时间变化 的的分布场。（各点温度是随时间和坐标而 变化的函数）。 Date 热平衡单位时间内热量的散出与输入相等 ，系统各部分温度相对固定，热变形趋于稳 定。 刀具，工件一般不能达到稳定的热平衡 机床应工作在热平衡状态，保持热态几何精 度。（较长时间空转后工作） 稳态温度场各点温度只是坐标位置的函数 ，热平衡时为稳态温度场。 Date 热变形对加工精度的影响 1、 粗加工可忽略 2、 精加工和大件加工热变形产生的误 差达总误差的40%70%。 二、工件热变形的影响 （一）工件均匀受热 按平均线膨涨尺寸计算 或 Date 例题1 磨丝杆=0.07mm 例题2 钻孔=0.021 mm 所以应把粗加工与精加工分开,使工件粗加 工之后充分冷却.(或粗加工后冷却一段时间) (二)工件不均匀受热 例：磨削平面板，工件热变形拱度x（图3-45 ） Date Date 三、刀具热变形 切削热的传散 特点：刀体小，热容量小，温升高，达到热平 衡时间短。 热变形曲线（图3-46） 1、 连续工件（切削） 2、 连续冷却 3、 间歇工作曲线 批量加工时，应合理选择切削和冷却时间， 使误差稳定在范围内。 Date 四、机床热变形对加工精度的影响： 主要热源：主传动系统，导轨付，液压系统。 各类机床的热变形趋势：车床等（图3-47，图 3-48） 五、减少工艺系统热变形对加工精度的影响 设计合理 （一）减少热源的发热和隔热 1、分离热源，2、隔热，3、冷却。 Date Date Date （二）均衡温度场 例：利用液压回油温度或采用热空气加热等方 式。 （图3-50） Date （三）合理的机床部件结构和装配基准（图3- 52） 工艺条件 （四）加速达到热平衡 （五）恒温环境 Date 第五节 加工误差的统计分析 引起加工误差的原因的复杂性。 加工误差综合分析 例：导轨误差 对一批工件进行检验测量，进行数据统计分 析，找出误差的规律， 例：机床的热变形， 刀具磨损等 图3-27 Date 一、加工误差的性质： （一）系统误差 1）常值系统误差一批零件的误差其大小 ， 方向不变。 2）变值系统误差一批零件的误差其大小 ， 方向按一定规律变化。 引起常值系统误差的原因有：原理误差，机 床误差，刀具误差，夹具制造误差等。 例：铰刀直径制造误差产生孔加工误差为定 值。产生变值系统误差的原因有：刀具磨损， 工艺系统热变形等。 Date （二）随机误差 一批工件误差的大小，方向无规律变化。 例：毛坯（余量变化）、定位（组成环尺寸变 化）、夹紧（力变化）产生的加工误差，工件 内应力产生的加工误差也是无规律变化的。 不同误差的解决途径不同。 Date 常值系统误差：可按误差大小方向调零。 例如调整刀具相对位置，调整刀具尺寸等。（ 铰刀直径的调整。） 变值系统误差：按误差规律进行动、静态补 偿，例如螺纹的螺距误差。图3-24 随机误差：提高工艺系统特性，例如：系统 刚度，受力状况，热变形情况等。 二、分布图分析法 （一）实验分布图（直方图，图3-53） Date 样本取样N按统计精度要求，随机抽取N个 （50-200） 分组并按样本含量N分成k组，（表3-2）按 尺寸或偏差大小顺序排列。 组距 各组频数mi和频率 各组频率密度 作图：以工件尺寸为横坐标（组距d），以频数 、 频率或频率密度为纵坐标，绘出直方图 。 Date Date 分析加工精度： 1、工件的工序尺寸及公差带位置（上下偏差 、基本尺寸、平均尺寸等） 2、直方图统计的数学特征。 样本的平均值，即样本尺寸的分散中心。 样本的标准偏差S，反映样本尺寸的分散程 度。 Date 例题：磨削一批轴径的工件。 解：1、n=100，xmax=54，xmin=16 2、取 k=9，得d=4.75，取d=5 各组组界 及各组中心值 3、数据整理（表3-4） 4、绘直方图（3-53图） 5、绘工件尺寸及公差，并计算： =37.3, =8.93 6、分析 1）分布（大多数尺寸居中）。 2）分散范围（分散范围略大于公差值）。 3）分散中心与公差带中心Am基本重合。 Date （二）理论分布曲线 1、正态分布曲线 用调整法加工一批零件，其总和的分布符合正 态分布图354 曲线方程 两个基本参数： 总体的算术平均值 标准差 有限样本时的参数： 用 代替 ， 用 S 代替 ， 、S 有限样本的算术平均值和标准差 Date 曲线特性 1、曲线呈钟形对称分布，x =为对称轴 2、在 x = 处有 （尺寸在附近集中分布） 3、X= 处有拐点 4、x轴为曲线渐近线，远离处的工件是极少数。 5、曲线的位置和形状与曲线参数关系 值确定曲线位置： 不变， 改变曲线沿x轴平移。图3-55a Date 值决定曲线的形状：（ 设不变， 改变） Ymax，曲线陡直凸起。（尺寸分布集 中，加工精度高） Ymax，曲线平坦，（尺寸分散宽，加 工精度低） Date =1 ， =0时,称为标准正态分布. 、取不同值时,通过公式： 变换为标准正态公布. 故可以利用标准正态分布的函数值，求出各 种正态分布的函数值。 区间（，） 公式中：1即代表工件总数100% Date 6、曲线的面积(由曲线方程沿x轴方向积分获得) 区间（x，） 令 则有 对应不同的z值，可求出F（z），F（z）值 见表3-5 Date 7、代表工件的分布 当z=3，即在=3时 2F（z）=99.730.27% 在3以外，0.27%，可以忽略, 一般取正态分布的分散范围3代表工件总数 100%，即3原则。 8、工件的合格率和废品率， 公差宽带度为T，在T内的曲线面积为合格率 ， 超出T的曲线面积为废品率 当与公差带中心A m重合时，则6T时无 废品（废品率0.27%） Date 1、非正态公布 由于加工中的一些特殊因素的影响，分布曲线 有时呈非正态分布， 1） 双峰或多峰多次调整尺寸误差引起 。 2） 平顶刀具磨损 3） 不对称试切法 4） 瑞利分布端跳、经跳 非对称分布时的分散范围T=6/k 非对称分布时的总体分散中心 (表3-6) 偏移： Date Date （三）分布图分析法的应用 1、判断加工误差性质 分散中心。其与公差带中心的偏移， 即代表常值系统误差。（存在变值系统误差 时，曲线呈非正态分布。） 尺寸分散范围。分散范围即代表随机误 差大小。 2、确定工序能力及其等级。 工序能力系统处于稳定工件状态时，加工 误差的正常波动幅度。 Date 工序能力系数Cp Cp= 共分5级，表3-7 Cp1,满足加工精度要求且有余地，太高不经 济。 Cp=1时，刚满足，须注意。 Cp1，有废品，须改进工艺。 一般有Cp不低于二级。 3、估算合格率和不合格率 4、制定各种加工方法的经济加工精度标准。 Date 例题：D=12，实测并统计计算有： 尺寸分布符合正整分布，分析加工精度。 解： 1）作图表示6、 、dM（平均尺寸） 、T（ 公差）及dmax和dmim 2)工序能力系数 Cp=0.91,不足会有废品。 3）不合格率Q 曲线分左右两部分计算。 Date Date Amin（分散范围内最小尺寸）dmin，即在 公差范围内，无废品，右半边在公差带内的 曲线面积为 查F=47.72 不合格率Q=0.5-0.4772=2.28% 3) 改进: 清除系统常值误差 (= dM =0.0035mm) 提高工艺系统的精度、刚度等。 Date 分布图分析法的不足 不能反映误差的变化趋势，不能区分随机误 差和变值系统误差。 例如：刀具均匀磨损产生H，随机误差6 统计后产生6统=6+H 不能在加工过程中提供资料，不便进行实时 控制。