机械制造工艺学PPT电子课件教案-第2章 机械加工精度.ppt

第2章机械加工精度 生产任何一种机械产品 都要求在保证质量的前提下 做到高效率 低消耗 优质 高产 低消耗是企业发展的必由之路 优质就是高的产品质量 高产就是生产效率高 低消耗就是成本低 产品的质量是第一位的 没有质量 高效率 低成本就失去了意义 产品质量是指用户对产品的满意程度 2 产品质量有三层含意 一是产品的设计质量 二是产品的制造质量 三是服务 以往强调较多的往往是制造质量 现代的质量观 主要站在用户的立场上衡量 当今 服务也占据越来越重要的地位 3 制造质量 它主要指产品的制造与设计的符合程度 设计质量 主要反映所设计的产品 与用户 顾客 的期望之间的符合程度 服务主要包括售前的服务 售后的培训 维修 安装等 4 产品的制造质量主要与零件制造质量 产品的装配质量有关 零件的制造质量是保证产品质量的基础 零件的机械制造质量包括零件几何精度和零件表面层的物理机械性能两个方面 5 零件的几何误差包括尺寸误差 几何形状误差和位置误差 几何形状误差又可分为宏观几何形状误差 波度和微观几何形状误差 参见图5 1 图5 1微观几何形状误差 波度与宏观几何形状误差 6 表面粗糙度是加工表面的微观几何形状误差 其波距与波高之比一般小于50 波距与波高之比在50 1000范围内的几何形状误差 称为波度 波距与波高之比大于1000的几何形状误差 称为宏观几何形状误差 7 零件表面层物理机械性能方面的质量主要是指表面层材料的冷作硬化 金相组织的变化 残余应力 机械制造质量分成加工精度和表面质量两个方面来研究 前者包括尺寸精度 宏观几何形状精度和位置精度 后者包括表面粗糙度 波度和表面层材料物理机械性能 8 第一节机械加工精度概述 第二节工艺系统的几何误差 第三节加工误差的综合分析 一 加工精度与加工误差 加工精度是指零件加工后的实际几何参数 尺寸 形状及各表面相互位置等参数 与理想几何参数的符合程度 符合程度越高 加工精度就越高 反之 越低 表面 绝对平面 圆柱面等 位置 绝对平行 垂直 同轴等 尺寸 位于公差带中心 第一节机械加工精度概述 加工误差是指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度 所以 加工误差的大小反映了加工精度的高低 实际加工时不可能也没有必要把零件做得与理想零件完全一致 而总会有一定的偏差 即加工误差 只要这些误差在规定的范围内 即能满足机器使用性能的要求 11 有关加工精度与加工误差的理解 应注意以下几个方面内容 1 理想几何参数 的正确含义即 对于尺寸是图纸规定尺寸的平均值 对于形状和位置 则是绝对正确的形状和位置 如绝对的圆和绝对的平行等等 2 加工精度是由零件图纸或工艺文件以公差T给定的 而加工误差则是零件加工后的实际测得的偏离值 一般说 当 T时 就保证了加工精度 一批零件的加工误差是指一批零件加工后 其几何参数的分散范围 3 零件三个方面的几何参数 就是加工精度和加工误差的三个方面的向容 即 加工精度包括尺寸精度 形状精度和位置精度 在精密加工中 形状精度往往占主导地位 12 3 经济加工精度 由于在加工过程中有很多因素影响加工精度 所以同一种加工方法在不同的工作条件下所能达到的精度是不同的 加工经济精度指的是 在正常加工条件下所能保证的加工精度 某种加工方法的加工经济精度应理解为一个范围 13 加工误差与加工成本C成反比关系 用同一种加工方法 如欲获得较高的精度 成本就要提高 反之亦然 图5 2加工成本与加工误差之间的关系 14 但上述关系只是在一定范围内才比较明显 如图中之AB段 A点左侧之曲线几乎与纵坐标平行 即使成本提高的很多 但精度提高得却很少乃至不能提高 相反 B点右侧曲线几乎与横坐标平行 即使工件精度要求很低 也必须耗费一定的最低成本 二 尺寸 形状和位置精度间的关系 独立原则是处理形位公差和尺寸公差关系的基本原则 即尺寸精度和形位精度按照使用要求分别满足 在一般情况下 尺寸精度高 其形状和位置精度也高 通常 零件的形状误差约占相应尺寸公差的30 50 位置误差约为尺寸公差的65 85 16 一 获得尺寸精度的方法 试切法 调整法 定尺寸刀具法 主动测量法 自动控制法 二 获得形状精度的方法 刀尖轨迹法 仿形法 成形法 展成法 三 获得位置精度的方法 找正装夹 直接找正 夹具装夹 划线找正 三 获得加工精度的方法 17 一 获得尺寸精度的方法 先试切部分加工表面 测量后 适当调整刀具相对工件的位置 再试切 再测量 当被加工尺寸达到要求后 再切削整个待加工面 1 试切法 试切法效率低 精度主要取决于工人技术 用于单件小批生产 18 用具有一定尺寸精度的刀具 如绞刀 扩孔钻 钻头等 来保证被加工工件尺寸精度的方法 如钻孔 2 定尺寸刀具法 定尺寸刀具法生产率较高 操作简便 加工精度较稳定 19 利用机床上的定程装置 对刀装置或预先调整好的刀架 使刀具相对机床或夹具满足位置精度要求 然后加工一批工件 该法需要采用夹具实现装夹 3 调整法 调整法生产效率高 加工精度较稳定 常用于中批以上的生产 调整法铣槽 20 工件达到要求的尺寸时 自动停止加工 又分自动测量和数字控制两种 前者机床上具有自动测量工件尺寸的装置 在达到要求时 停止进刀 后者是根据预先编制好的机床数控程序实现进刀的 4 自动控制法 自动控制法生产率高 加工精度稳定 目前机械加工的发展方向 数控机床自动控制原理框图 21 二 获得形状精度的方法 利用切削运动中刀具刀尖的运动轨迹形成被加工表面的形状 这种加工方法所能达到的精度 主要取决于这种成形运动的精度 1 轨迹法 22 利用成形刀具刀刃的几何形状切出工件的形状 这种方法所能达到的精度 主要取决于刀刃的形状精度和刀具的装夹精度 2 成形法 23 利用刀具和工件作展成切削运动 刀刃在被加工面上的包络面形成的成形表面 这种加工方法所能达到的精度 主要取决于机床展成运动的传动链精度与刀具的制造精度 3 展成法 滚齿法加工齿轮 滚刀刀刃在被切齿轮上形成的包络线即为齿形 滚刀主运动与被切齿轮转速必须符合设定要求 以保证加工精度 24 三 获得位置精度的方法 找正装夹 夹具装夹 划线找正装夹 直接找正装夹 25 划线找正装夹 26 直接找正装夹 四 原始误差 由机床 夹具 刀具和工件组成的机械加工工艺系统的误差是工件产生加工误差的根源 我们把工艺系统的各种误差称之为原始误差 工艺系统的几何误差工艺系统受力变形引起的误差工艺系统热变形引起的误差工件的残余应力引起的误差伺服进给系统位移误差等 原始误差是产生加工误差的根源 它包括 29 一般将工艺系统的原始误差划分为工艺系统静误差和工艺系统动误差 如果按加工工作进程划分为 工艺系统的原始误差又可划分为加工前就存在的 加工进行中产生的和加工后才出现的三类 30 误差敏感方向 工艺系统的原始误差会造成工件与刀刃间的相对位置发生改变 从而引起了加工误差 加工误差的大小 则决定于原始误差的大小和方向 图5 3由引起的加工误差 31 由此可见 原始误差所引起的刀刃与工件间的相对位移 如果产生在加工表面的法线方向 则对加工误差有直接的影响 如果产生在加工表面的切线方向上 就可以忽略不计 我们把加工表面的法向称之为误差的敏感方向 在无特殊说明的情况下 Y向为误差敏感方向 Z向则为误差非敏感方向 32 四 研究机械加工精度的方法 是在掌握各种原始误差对加工精度影响规律的基础上 分析工件加工中所出现的误差可能是哪一种或哪几种主要原始误差所引起的 并找出原始误差与加工误差之间的影响关系 通过估算来确定工件加工误差的大小 再通过试验测试来加以验证 是对具体加工条件下得到的几何参数进行实际测量 然后运用数理统计学方法对这些测试数据进行分析处理 找出工件加工误差的规律和性质 进而控制加工质量 34 对比 分析计算法主要是在对单项原始误差进行分析计算的基础上进行的 统计分析法则是对有关的原始误差进行综合分析的基础上进行的 分析计算法主要是分析各项误差单独的变化规律 统计分析法主要是研究各项误差综合时变化规律 只适用于大批大量的生产条件 35 两种方法常常结合起来应用 可先用统计分析法寻找加工误差产生的规律 初步判断产生加工误差的可能原因 然后运用计算分析法进行分析 试验 找出影响工件加工精度的主要原因 第二节工艺系统的几何误差 一 原理误差 原理误差是指由于采用了近似的加工方法 近似的成形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差 例如滚齿用的齿轮滚刀 就有两种误差 一是为了制造方便 采用阿基米德蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造形误差 二是由于滚刀切削刃数有限 切削是不连续的 因而滚切出的齿轮齿形不是光滑的渐开线 而是折线 成形车刀 成形铣刀也采用了近似的刀具轮廓 采用近似的成形运动和刀具刃形 不但可以简化机床或刀具的结构 而且能提高生产效率和加工的经济效益 二 机床几何误差 加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的 因此 工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度 机床制造误差对工件加工精度影响较大的有 主轴回转误差 导轨误差和传动链误差 39 机床制造磨损安装 主轴回转误差 导轨误差 传动链误差 机床的几何误差组成 机床几何误差 1 机床导轨误差 机床导轨是机床中确定某些主要部件相对位置的基准 也是某些主要部件的运动基准 水平面内的直线度垂直面内的直线度前后导轨的平行度 扭曲 现以卧式车床为例 说明导轨误差是怎样影响工件的加工精度的 1 导轨在水平面内直线度误差的影响 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 图5 9 R y Y Y o D R 水平面 导轨水平面内直线度 图5 9导轨在水平面内直线度误差 43 由此可见 床身导轨在水平面内如果有直线度误差 使工件在纵向截面和横向截面内分别产生形状误差和尺寸误差 加工误差的敏感方向 当导轨向后凸出时 工件上产生鞍形加工误差 当导轨向前凸出时 工件上产生鼓形加工误差 床身导轨在垂直面内有直线度误差 图5 10 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 2 导轨在垂直面内直线度误差的影响 设 Z Y 0 01mm R 50mm 则由于法向原始误差而产生的加工误差 R Y 0 01mm 由于切向原始误差产生的加工误差 R Z2 d 0 000001mm此值完全可以忽略不计 由于 Z2数值很小 因此该误差对工件的尺寸精度和形状精度影响甚小 垂直平面 导轨垂直面直线度 Z d R Z 图5 10导轨在垂直面内直线度误差 R d 2 对平面磨床 龙门刨床及铣床等 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 图 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 结论 图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 3 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 从图5 11可知 车床前后导轨扭曲的最终结果反映在工件上 于是产生了加工误差 y 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 图5 11车床导轨扭曲对工件形状精度影响 49 除了导轨本身的制造误差外 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 导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一 可采用耐磨合金铸铁 镶钢导轨 贴塑导轨 滚动导轨 导轨表面淬火等措施提高导轨的耐磨性 2 机床主轴回转误差 1 机床主轴回转误差的概念 主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线 一般用平均回转轴线来代替 产生的偏移量 轴向窜动纯径向跳动纯角度摆动 实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成 由于主轴实际回转轴线在空间的位置是在不断变化的 由上述三种运动所产生的位移 即误差 是一个瞬时值 51 52 1 轴向窜动轴向窜动是指瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动 如图4 1a所示 它主要影响工件的的端面形状和轴向尺寸精度 2 径向跳动径向跳动是指瞬时回转轴线平行于平均回转轴线的径向运动量 如图4 1b所示 它主要影响加工工件的圆度和圆柱度 3 角度摆动角度摆动是指瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度作公转 如图4 1c所示 它对工件的形状精度影响很大 如车外圆时 会产生锥度 53 主轴回转误差在实际中多表现为漂移 漂移是指主轴回转轴线在每一转内的每一瞬时的变动方位和变动量都是变化的一种现象 产生主轴径向回转误差的主要原因有 主轴几段轴颈的同轴度误差 轴承本身的各种误差 轴承之间的同轴度误差 主轴挠度等 但它们对主轴径向回转精度的影响大小随加工方式的不同而不同 54 55 产生轴向窜动的主要原因是主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差 不同的加工方法 主轴回转误差所引起的加工误差也不同 下面以在镗床上镗孔 车床上车外圆为例来说明主轴回转误差对加工精度的影响 车间所有机床 我们分为 误差敏感方向不变 镗床 车床 加工时误差敏感方向和切削力方向随主轴回转而不断变化 2 主轴回转误差对加工精度的影响 主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响 镗削加工 镗刀回转 工件不转假设由于主轴的纯径向跳动而使轴线在y坐标方向作简谐运动 图5 4 其频率与主轴转速相同 简谐幅值为A 则 Y Acos t 且主轴中心偏移最大 等于A 时 镗刀尖正好通过水平位置1处 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 y Acos Rcos A R cos Z Rsin 将上两式平方相加得 y2 A R 2 Z2 R2 1表明此时镗出的孔为椭圆形 A A R Om 1 1 Acos O 2 3 4 O Rsin A R cos 图5 4镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响 车床加工 工件回转 刀具移动 假设主轴轴线沿y轴作简谐运动 图5 5 在工件的1处 主轴中心偏移最大之处 切出的半径比在工件的2 4处切出的半径小一个幅值A 在工件的3处切出的半径比在工件的2 4处切出的半径大一个幅值A 这样 上述四点工件的直径都相等 其它各点直径误差也很小 所以车削出的工件表面接近于一个真圆 Y2 Z2 R2 A2Sin2 由此可见 主轴的纯径向跳动对车削加工工件的圆度影响很小 图5 5车削时纯径向跳动对加工精度的影响 轴向窜动对车 镗削加工精度的影响 主轴的轴向窜动对内 外圆的加工精度没有影响 但加工端面时 会使加工的端面与内外圆轴线产生垂直度误差 主轴每转一周 要沿轴向窜动一次 使得切出的端面产生平面度误差 图5 6 当加工螺纹时 会产生螺距误差 图5 6主轴轴向窜动对端面加工精度的影响 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 如图5 7所示 主轴纯角度摆动对加工精度的影响 取决于不同的加工内容 图5 7主轴纯角度摆动对镗孔精度的影响 3 提高主轴回转精度的措施 1 提高主轴的轴承精度 2 减少机床主轴回转误差对加工精度的影响 3 对滚动轴承进行预紧 以消除间隙 4 提高主轴箱体支承孔 主轴轴颈和与轴承相配合的零件有关表面的加工精度 生产实际中 从工艺方面采取转移主轴回转误差的措施 消除主轴回转误差对加工精度的影响 也是十分有效的 讨论 镗床上镗孔时 工作台进给 图示 即工件直线进给运动 镗杆旋转运动 导轨在水平面 垂直面内的直线度误差对加工精度有何影响 答 孔径没有误差 有圆柱度误差 轴线不直 因为误差敏感方向不断变化 讨论 若镗杆进给 即镗杆既旋转又移动 图示 导轨误差对加工精度有无影响 答 不会产生孔的形状误差 但会产生孔的位置误差 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 若刨削刚性很差的薄板时 会产生何种加工误差 答 无形状误差 但有尺寸误差 思考题 端铣时 若主轴回转轴线与工件进给方向不垂直 会产生何种加工误差 误差大小 3 机床传动链误差 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 1 机床传动链误差定义 指传动链始末两端执行元件间相对运动的误差 2 机床传动链误差描述 传动链末端元件产生的转角误差 它的大小对车 磨 铣螺纹 滚 插 磨 展成法磨齿 齿轮等加工会影响分度精度 造成加工表面的形状误差 如螺距精度 齿距精度等 例如 车螺纹时 要求主轴与传动丝杠的转速比恒定 图示 即 Z1 Z2 3 驱动丝杠误差的产生 图车螺纹的传动误差示意图S 工件导程 T 丝杠导程 Z1 Z8 各齿轮齿数 若齿轮Z1有转角误差 1 造成Z2的转角误差为 12 i12 1 Z1 1 1n i1n 1 Z2 2 2n i2n 2 Zn n nn inn n 在任一时刻 各齿轮的转角误差反映到丝杠的总误差为 传到丝杠上的转角误差为 1n 即 76 图5 8滚齿机传动系统图 3 减少传动链误差的措施 1 尽量缩短传动链 2 提高传动件的制造和安装精度 尤其是末端零件的精度 3 尽可能采用降速运动 且传动比最小的一级传动件应在最后 4 消除传动链中齿轮副的间隙 5 采用误差校正 补偿 机构 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 如普通车刀 单刃镗刀和面铣刀等 的制造误差对加工精度没有直接影响 但磨损后对工件尺寸或形状精度有一定影响 定尺寸刀具 如钻头 铰刀 圆孔拉刀等 的尺寸误差直接影响被加工工件的尺寸精度 刀具的安装和使用不当 也会影响加工精度 成形刀具 如成形车刀 成形铣刀 盘形齿轮铣刀等 的误差主要影响被加工面的形状精度 展成法刀具 如齿轮滚刀 插齿刀等 加工齿轮时 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 三 工艺系统其它几何误差 刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同 80 1 定尺寸刀具 定尺寸刀具的尺寸和形状误差 将直接影响工件的尺寸和形状精度 定尺寸刀具两侧刀刃刃磨不对称 或安装有几何偏心时 还可能引起加工表面的尺寸扩张 又称正扩切 这类刀具的耐用度较高 在加工批量不大时的磨损量很小 影响可以忽略不计 但在加工余量过小或工件壁厚较薄的情况下 用磨钝了的刀具加工后 工件的加工表面会发生收缩现象 负扩切 对于钝化的钻头上还会使被加工孔的轴线偏斜和孔径扩张 81 2 成形刀具 成形刀具的形状误差将直接决定工件的形状精度 这类刀具的耐用度较高 在加工批量不大时的磨损亦很小 对加工精度的影响可忽略不计 此类刀具因刀具的安装误差所引起的工件形状误差不可忽视 82 3 展成刀具 展成刀具刀刃的形状及有关尺寸 以及其安装 调整不正确时 会影响加工表面的形状精度 在加工批量不大时的磨损很小 可以忽略不计 83 4 一般刀具 一般刀具的制造误差 对工件的加工精度没有直接的影响 因为加工表面的形状主要由机床运动精度来保证 加工表面的尺寸主要由调整决定 普通圆柱铣刀和立铣刀的刀刃形状误差对工件的形状精度有一定影响 但这些刀具制造时较容易保证其刃形精度 故其对加工精度的影响往往可忽略不计 一般刀具耐用度低 在一次调整加工中的磨损量较显著 特别是在加工大型工件 加工持续时间长的情况下更为严重 对工件尺寸及形状精度的影响不可忽视 84 在用调整法车削短小的轴件时 车刀的磨损 对一个工件来说其影响可以忽略不计 但对一批工件来说 工件的直径将逐件增大 使整批工件的尺寸分散范围增大 精细车和精细镗时进给量很小 刀具磨损对加工精度的影响就更大 必须采用高耐用度的刀具 如金刚石刀具等 图例车刀的尺寸磨损 图例车刀磨损过程 86 正确地选用刀具材料和选用新型耐磨的刀具材料 合理地选用刀具几何参数和切削用量 正确地刃磨刀具 正确地采用冷却润滑液等 均可有效地减少刀具尺寸磨损 必要时还可采用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿 2 夹具误差 夹具的作用是使工件相对于刀具和机床具有正确的位置 夹具的制造误差对工件的加工精度 特别是位置精度 有很大影响 图5 10工件在夹具中装夹示意图 88 夹具的误差主要是指 1 定位元件 刀具导向元件 分度机构 夹具体等零件的制造误差 2 夹具装配后 以上各种元件工作面间的相对尺寸误差 3 夹具在使用过程中工作表面的磨损 图例 89 夹具磨损使夹具的误差增大 从而使工件的加工误差也相应增大 必须注意提高夹具易磨损件的耐磨性 磨损到一定限度后须及时予以更换 夹具设计时 凡影响工件精度的有关技术要求必须给出严格的公差 精加工用夹具一般取工件上相应尺寸公差的1 2 1 3 粗加工用夹具一般取工件上相应尺寸公差的1 5 1 10 图例钻孔夹具误差对加工精度的影响 3 测量误差 大批量生产时常采用行程挡块 靠模 凸轮作为定程机构 其制造精度和调整精度产生调整误差 样件 样板的制造精度和安装精度 对刀精度产生调整误差 测量误差进给机构位移误差 爬行现象 加工余量的影响 余量很小时 刀刃打滑 影响工件在机床上占有正确的加工位置 93 调整误差 在活塞加工中 就存在着许多工艺系统的调整问题 例如 机床的调整 夹具的调整 刀具的调整在机械加工的每一个工序中 总是要进行这样或那样的调整工作 由于调整不可能绝对地准确 也就带来了一项原始误差 即调整误差 94 不同的调整方式 有不同的误差来源 1 试切法调整 广泛用在单件 小批生产中 这种调整方式产生调整误差的来源有三个方面 1 度量误差量具本身的误差和使用条件下的误差掺入到测量所得的读数之中 无形中扩大了加工误差 95 2 加工余量的影响切削加工中刀刃所能切掉的最小切屑厚度有一定限度 切屑厚度再小时刀刃就 咬 不住金属而打滑 光起挤压作用 精加工最后所得的工件尺寸要比试切部分的尺寸小些 镗孔时则相反 粗加工试切时情况刚好相反 图5 11试切调整 96 3 微进给误差在试切最后一刀时 总是要调整一下车刀 或砂轮 的径向进给量 这时常会出现进给机构的 爬行 现象 结果刀具的实际径向移动比手轮上转动的刻度数要偏大或偏小些 以致难于控制尺寸的精度 造成了加工误差 减小误差的两种措施 一种是在微量进给以前先退出刀具 然后再快速引进刀具到新的手轮刻度值 中间不加停顿 使进给机构滑动面间不产生摩擦 另一种是轻轻敲击手轮 用振动消除静摩擦 这时的调整误差取决于操作者的操作水平 97 2 按定程机构调整 在大批大量生产中广泛应用行程挡块 靠模 凸轮等机构保证加工精度 这时候 这些机构的制造精度和调整 以及与它们配合使用的离合器 电气开关 控制阀等的灵敏度就成了影响误差的主要因素 98 3 按样件或样板调整 1 在大批大量生产中用多刀加工时 常用专门样件来调整刀刃间的相对位置 2 当工件形状复杂 尺寸和重量都比较大的时候 采用样板对刀 3 在一些铣床夹具上常装有对刀块 专门供铣刀对刀之用 这时样板本身的误差和对刀误差成了调整误差的主要因素 破坏了刀具 工件间相对位置 四 工艺系统受力变形引起的加工误差 工艺系统受力变形现象 图受力变形对工件精度的影响a 车长轴b 磨内孔 由此看来 为了保证和提高工件的加工精度 就必须深入研究并控制以至消除工艺系统及其有关组成部分的变形 102 103 工艺系统中如果工件刚度相对于机床 刀具 夹具来说比较低 在切削力的作用下 工件由于刚性不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大 其最大变形量可按材料力学有关公式估算 外圆车刀在加工表面法线方向上的刚度很大 其变形可以忽略不计 镗直径较小的内孔 刀杆刚度很差 刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响 刀杆变形也可按材料力学有关公式估算 一 工艺系统的刚度 工艺系统整体抵抗其变形的能力 其大小为 背向力Fp 旧标准中为径向切削分力Fy 与工艺系统在该方向上的变形yxt的比值 即kxt Fp yxt 注意 这里变形yxt是总切削力的三个分力Fc Fp Ff 旧标准中为Fz Fy Fx 综合作用的结果 1 工艺系统刚度的概念 若出现变形方向与Fp方向不一致的情况 如Fp与yxt方向相反 工艺系统就处于负刚度状态 刀架系统在Fp力作用下引起同向变形y 图7 15a 在Fc力作用下引起的变形y与Fp方向相反 图7 15b 负刚度现象对保证加工质量是不利的 此时车刀的刀尖将扎入工件 扎刀 的外圆表面 引起刀具的破损和振动 应尽量避免 图车削加工中的负刚度现象 2 系统刚度与环节刚度 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 yxt yjc ydj yjj ygjkxt Fp yxt kjc Fp yjc kdj Fp ydj kjj Fp yjj kgj Fp ygj工艺系统刚度的一般式为 kxt 1 1 kjc 1 kdj 1 kj 1 kgj 4 7 若已知工艺系统各组成部分的刚度 即环节刚度 就可以求出工艺系统的刚度 3 机床部件刚度特点 机床结构复杂 组成的零部件多 各零部件之间有不同的联接和运动方式 因而机床部件的刚度问题就比较复杂 它的计算至今还没有合适的方法 需要通过实验来测定 下图为单向加载时车床刚度测定示意图 主轴部件 尾座及刀架的变形可分别从千分表2 3和6读出 这种方法测得的y方向位移是背向力Fp作用下引起的变形 图单向静载测定车床刚度1 心轴2 3 6 千分表4 测力环5 螺旋加力器 图5 15车床刀架部件的刚度曲线 一次加载 二次加载 三次加载 1 机床部件刚度的特点 1 背向力Fp与刀架变形ydj不是线性关系 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 卸载后由于存在残余变形 曲线回不到原点 4 部件的实际刚度远比按实体结构的估计值小 图5 15是以Fp为纵坐标 刀架变形ydj为横坐标的某车床刀架部件的刚度实测曲线 实验中进行了三次加载 卸载循环 由图可以看出 机床部件的刚度曲线有以下特点 1 结合面接触变形的影响由于零件表面存在宏观几何形状误差和微观几何形状误差 结合面的实际接触面积只是名义接触面积的一小部分 在外力作用下 实际接触区的接触应力很大 产生了较大的接触变形 这就是机床部件刚度不呈直线 机床部件刚度远比同尺寸实体的刚度要低得多的主要原因 也是造成残留变形和多次加载卸载循环后残留变形也趋于稳定的原因之一 2 影响机床部件刚度的因素 两零件结合面间的接触情况 接触刚度 实验研究表明 两个相接触的表面间受力作用时 两表面的接触变形y是表面压强p的递增函数 图 因此 机床部件接合表面间刚度可较确切地用接触刚度来表示 即压强的微分dp与位移的微分dy的比值称为接触刚度kjkj dp dy 113 一般情况下 表面愈粗糙 接触刚度愈小 表面宏观几何形状误差愈大 实际接触面积愈小 接触刚度愈小 材料硬度高 屈服极限也高 塑性变形就小 接触刚度就大 表面纹理方向相同时 接触变形较小 接触刚度就较大 114 2 摩擦力的影响如下图所示 机床部件在经过多次加载卸载之后 卸载曲线回到了加载曲线的起点D 残留变形不再产生 但此时加载曲线与卸载曲线仍不重合 其原因在于机床部件受力变形过程中有摩擦力的作用 加载时摩擦力阻止其变形的增加 卸载时摩擦力阻止其变形的减小 摩擦力总是阻止其变形的变化的 这就是机床部件的变形滞后现象 115 3 低刚度零件的影响在机床部件中 个别薄弱零件对刚度的影响很大 图机床部件刚度的薄弱环节a 溜板中的楔铁b 轴承套 图表面接触变形与压强的关系 117 4 间隙的影响机床部件受力作用 首先消除零件间在受力作用方向上的间隙 会使机床部件产生相应的位移 在加工过程中 如果机床部件的受力方向始终保持不变 机床部件在消除间隙后就会在某一方向与支承件接触 此时间隙对加工精度基本无影响 但如果受力方向经常改变 就要考虑间隙的影响 根据材料力学的挠度计算公式 其切削点工件的变形量为 yw Fp L x 2x2 3EIL 4 18 从上式的计算结果和车削的实际情况都可证实 切削后的工件呈鼓形 其最大直径在通过轴线中点的横截面内 1 工件的刚度及其变形 二 工艺系统受力变形对加工精度的影响 1 切削力作用位置变化引起的加工误差 2 工件短而粗 即此时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 图示 工艺系统的总变形y系统为 yxt yx y刀架通过推证可知工艺系统在工件切削点处的变形量为 y系统 Fp 1 k刀 1 k头 L x x 2 1 k尾 x L 2 5 16 可以看出 y系统 f x 是一个二次抛物线方程 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 图5 20 图5 19工艺系统受力变形随切削位置而变化 图5 20刚度变化造成工件误差1 理想的工件形状 2 k头 k尾时车出的工件形状 3 工艺系统刚度及总变形 综合上述两种情况 工艺系统的总变形量为式 4 16 和式 4 18 的叠加Y系统 Fp 1 k刀架 1 k头 L x x 2 1 k尾 x L 2 L x 2x2 3EIL 工艺系统的刚度为Kxt Fp yxt 1 1 k刀架 1 k头 L x x 2 1 k尾 x L 2 L x 2x2 3EIL 可以看出Kxt f x 由于在工件加工的不同位置 Kxt不同 使加工后工件的径向尺寸不同 从而产生形状误差 在加工过程中 由于工件加工余量或材料硬度不均匀 都会引起背向力的变化 从而使工艺系统受力变形不一致而产生加工误差 以车削短圆柱工件外圆为例 如图5 18所示 由于毛坯存在的圆度误差 m ap1 ap2引起了工件产生圆度误差 w y1 y2且 m越大 w越大 这种由于工艺系统受力变形的变化而使毛坯椭圆形状误差复映到加工后工件表面的现象称为 误差复映 2 切削力大小变化引起的加工误差 误差复映 图5 18毛坯形状误差复映 f ap vc 分别为进给量 背吃刀量和切削速度 式中 与切削条件有关 指数 所以 在一次走刀加工中 切削速度 进给量及其它切削条件设为不变 即 C为常数 在车削加工中 即 由于y1 y2相对ap1 ap2而言数值较小 可忽略不计 即有 所以 由上式可知 工艺系统的刚度kxt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 一般 1 经加工之后工件的误差比加工前的误差减小 经多道工序或多次走刀加工之后 工件的误差就会减小到工件公差所许可的范围内 若经过n次走刀加工后 则误差复映为 w 1 2 n m总的误差复映系数 z 1 2 n 在粗加工时 每次走刀的进给量f一般不变 假设误差复映系数均为 则n次走刀就有 z n 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 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 同样会引起背向力的变化 产生加工误差 分析方法同误差复映规律 讨论 在车床或磨床类机床上加工轴类零件时 常用单爪拨盘带动工件旋转 如图5 21所示 1 由于传动力引起的误差 结论 在单爪拨盘传动下车削出来的工件其截面是一个正园 并不产生圆度加工误差 但在轴平面内产生圆拄度误差 3 切削过程中受力方向变化引起的加工误差 图5 21单爪拨盘传动下工件的受力分析 图5 22单爪拨盘传动下工件的变形分析 2 由于惯性力引起的误差 在高速切削时 如果工艺系统中有不平衡的高速旋转的构件存在 就会产生离心力 它和传动力一样 在工件的每一转中不断变更方向 引起工件几何轴线作上述相同形式的摆角运动 故理论上讲也不会造成工件园度误差 但是要注意的是当不平衡质量的离心力大于切削力时 车床主轴轴颈和轴承内孔表面的接触点就会不断地变化 轴承孔地园度误差将传给工件地回转轴心 因此可采用配重平衡的方法来消除这种影响 必要时亦可适当降低主轴转速 以减小离心力的影响 1 由于机床部件或工件本身重量以及它们在移动中位置变化而引起的加工误差 图 2 由于夹紧力引起的加工误差 图5 23 4 工艺系统其它外力作用引起的加工误差 图机床部件自重引起地横梁变形 图5 23套筒夹紧变形误差 工件 开口过渡环 图5 24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 通过提高导轨等结合面的刮研质量 形状精度并降低表面粗糙度 都能增加接触面积 有效地提高接触刚度 预加载荷 也可增大接触刚度 加工细长轴时 采用中心架或跟刀架来提高工件的刚度 采用导套 导杆等辅助支承来加强刀架的刚度 对刚性较差的工件选择合适的夹紧方法 能减小夹紧变形 提高加工精度 采用塑料滑动导轨 其摩擦特性好 有效防止低速爬行 运行平稳 定位精度高 具有良好的耐磨性 减振性和工艺性 此外 还有滚动导轨和静压导轨 1 提高接触刚度 2 提高零部件刚度减小受力变形 3 合理安装工件减小夹紧变形 4 减少摩擦防止微量进给时的 爬行 5 合理使用机床 6 合理安排工艺 粗精分开 7 转移或补偿弹性变形 减少工艺系统受力变形 5 减小工艺系统受力变形的措施 工艺系统在各种热源作用下 会产生相应的热变形 从而破坏工件与刀具间正确的相对位置 造成加工误差 据统计 由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40 70 工艺系统的热变形不仅严重地影响加工精度 而且还影响加工效率的提高 实现数控加工后 加工误差不能再由人工进行补偿 全靠机床自动控制 因此热变形的影响就显得特别重要 工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的一个重大研究课题 五 工艺系统热变形引起的加工误差 一 概述 1 工艺系统的热源 电机 轴承 齿轮 油泵等 工件 刀具 切屑 切削液 气温 室温变化 热 冷风等 热源 日光 照明 暖气 体温等 2 工艺系统的热平衡 工艺系统受各种热源的影响 其温度会逐渐升高 同时 它们也通过各种传热方式向周围散发热量 当单位时间内传入和散发的热量相等时 工艺系统达到了热平衡状态 而工艺系统的热变形也就达到某种程度的稳定 140 图5 23车削切削热的分配示意图 物体中各点的温度分布称为温度场 T f x y z t 当物体未达热平衡时 各点温度不仅是坐标位置的函数 也是时间的函数 这种温度场称为不稳态温度场 物体达到热平衡后 各点温度将不再随时间而变化 只是其坐标位置的函数 这种温度场称为稳态温度场 142 机床在开始工作的一段时间内 其温度场处于不稳定状态 其精度也是很不稳定的 工作一定时间后 温度才逐渐趋于稳定 其精度也比较稳定 因此 精密加工应在热平衡状态下进行 在生产中 必须注意 机床热变形会使机床的静态几何精度发生变化而影响加工精度 其中主轴部件 床身 导轨 立柱 工作台等部件的热变形 对加工精度影响最大 各类机床其结构 工作条件及热源形式均不相同 因此机床各部件的温升和热变形情况是不一样的 1 车 铣 钻 镗类机床 主轴箱中的齿轮 轴承摩擦发热 润滑油发热 图 二 机床热变形对加工精度的影响 图车床的热变形 2 龙门刨床 牛头刨床 立式车床类机床 导轨副的摩擦热 3 各种磨床 砂轮主轴轴承的发热和液压系统的发热 图例 图例 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 外园磨床的热变形示意图1 床身2 导轨3 工件4 砂轮5 砂轮架6 螺母 149 1 工件均匀受热 对于一些形状简单 对称的零件 如轴 套筒等 加工时 如车削 磨削 切削热能较均匀地传入工件 工件热变形量可按下式估算 L L t式中 工件材料的热膨胀系数 单位为1 L 工件在热变形方向的尺寸 单位为mm t 工件温升 单位为 三 工件热变形对加工精度的影响 实例 在精密丝杆加工中 工件的热伸长会产生螺距的累积误差 在较长的轴类零件加工中 将出现锥度误差 例如 在磨削400mm长的丝杠螺纹时 每磨一次温度升高1 则被磨丝杠将伸长 L 1 17 10 5 400 1mm 0 0047mm而5级丝杠的螺距累积误差在400mm长度上不允许超过5 m左右 因此 热变形对工件加工精度影响很大 2 工件不均匀受热 在刨削 铣削 磨削加工平面时 工件单面受热 上下平面间产生温差 导致工件向上凸起 凸起部分被工具切去 加工完毕冷却后 加工表面就产生了中凹 造成了几何形状误差 工件凸起量f可按图例所示图形进行估算 由于中心角 很小 其中性层的长度可近似认为等于原长L 则f L 2tan 2 L 4且 R H R tL tL H所以f tL2 4H 图例薄板磨削时的弯曲变形 刀具热变形主要是由切削热引起的 切削加工时虽然大部分切削热被切屑带走 传入刀具的热量并不多 但由于刀具体积小 热容量小 导致刀具切削部分的温升急剧升高 刀具热变形对加工精度的影响比较显著 图示为车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线 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 传动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 四 刀具热变形对加工精度的影响 图车刀热变形曲线 1 刀具加热至热平衡时间 2 刀具冷却至热平衡时间 0 刀具间断切削至热平衡时间 1 减少发热和隔离热源 1 采用热对称结构2 合理选择机床零部件的安装基准 图5 35 寻求各部件热变形的规律建立热变形位移数字模型并存入计算机中进行实时补偿 加工前使机床高速空转 达到热平衡时再切削加工 1 减小温差 2 均衡关键件的温升 避免弯曲变形 如图所示 恒温车间 使用门帘 取暖装置均匀布置 恒温精度一般控制在 1 以内 精密级较高的机床为 0 5 恒温室平均温度一般为20 在夏季取23 在冬季可取17 2 均衡温度场 3 改进机床布局和结构设计 4 保持工艺系统的热平衡 5 控制环境温度 6 热位移补偿 五 减少工艺系统热变形的主要途径 图5 31采用隔热罩减少热变形 图5 33用热空气均衡立柱前后壁的温度场 图5 35车床上主轴箱两种结构的热位移 一 内应力的产生及其对加工精度的影响 什么是残余应力 残余应力是指在没有外部载荷的情况下 存在于工件内部的应力 又称内应力 产生原因 残余应力是由金属内部的相邻宏观或微观组织发生了不均匀的体积变化而产生的 促使这种变化的因素主要来自热加工或冷加工 六 工件残余应力引起的加工误差 残余应力对零件的影响影响 存在残余应力的零件 始终处于一种不稳定状态 其内部组织有要恢复到一种新的稳定的没有内应力状态的倾向 在内应力变化的过程中 零件产生相应的变形 原有的加工精度受到破坏 用这些零件装配成机器 在机器使用中也会逐渐产生变形 从而影响整台机器的质量 在铸造 锻造 焊接及热处理过程中 由于工件各部分冷却收缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化 在毛坯内部就会产生残余应力 图5 30 1 毛坯制造中产生的残余应力 毛坯的结构越复杂 各部分壁厚越不均匀以及散热条件相差越大 毛坯内部产生的残余应力就越大 具有残余应力的毛坯 其内部应力暂时处于相对平衡状态 虽在短期内看不出有什么变化 但当加工时切去某些表面部分后 这种平衡就被打破 内应力重新分布 并建立一种新的平衡状态 工件明显地出现变形 图5 30铸件残余应力引起的变形 图7 36所示为一个内外壁厚相差较大的铸件 在浇铸后的冷却过程中产生残余应力的情况 2 冷校直引起的残余应力 现象 原因 在外力F的作用下 工件内部的应力重新分布 如图5 31b所示 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 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以达到校直目的 如图5 31a所示 影响 措施 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 如图5 31c所示 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 图5 31冷校直引起的内应力 2 切削加工中引起的残余应力 工件在切削加工时 其表面层在切削力和切削热的作用下 会产生不同程度的塑性变形 引起体积改变 从而产生残余应力 这种残余应力的分布情况由加工时的工艺因素决定 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 对质量和体积均很大的笨重零件 即使在同一台重型机床进行粗精加工也应该在粗加工后将被夹紧的工作松开 使之有充足时间重新分布内应力 在使其充分变形后 然后重新夹紧进行精加工 毛坯制造热处理 1 合理设计零件结构应尽量简化结构 减小零件各部分尺寸差异 以减少铸锻件毛坯在制造中产生的残余应力 2 增加消除残余应力的专门工序对铸 锻 焊接件进行退火或回火 工件淬火后进行回火 对精度要求高的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 查明产生加工误差的主要因素后 设法对其直接进行消除或减弱 如细长轴加工用跟刀架会导致工件弯曲变形 现采用反拉法切削工件受拉不受压不会因偏心压缩而产生弯曲变形 一 减少误差法 二 误差补偿法 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 如图5 39 图5 40 三 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 七 提高加工精度的工艺措施 图5 38反拉法切削细长轴a 正向进给b 反向进给 图5 39通过导轨凸起补偿横梁变形 图5 40螺纹加工校正机构1 工件2 丝杠螺母3 车床丝杠4 杠杆5 校正尺6 滚柱7 工作尺面 四 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 例如图5 41 转塔车床的转位刀架采用 立刀 安装法 图5 42所示为利用镗模进行镗孔 主轴与镗杆浮动联接 五 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 六 误差均分法 误差均分法就是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 以达到很高的加工精度 图5 41立轴转塔车床刀架转位误差的转移 175 图5 42 第三节加工误差的综合分析 一 加工误差的性质及分类 不同性质误差的解决途径 对随机性误差 从表面上看似乎没有规律 但是应用数理统计的方法可以找出一批工件加工误差的总体规律 查出产生误差的根源 在工艺上采取措施来加以控制 对于变值系统性误差 在查明其大小和