第四章 机械加工精度.ppt

机械制造工艺学 第四章机械加工精度 一 机械加工精度 加工精度 机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数 尺寸 形状和表面间的相互位置 与理想几何参数的符合程度 4 1概述 加工误差 零件的加工精度包含三方面的内容 尺寸精度 位置精度和形状精度 在机械加工时 机床 夹具 刀具和工件就构成了一个完整的系统 称之为工艺系统 把工艺系统的误差称之为原始误差 机械加工误差是指零件加工后的实际几何参数 尺寸 形状和表面间的相互位置 与理想几何参数的不符合程度 三者的关系 形状 位置 尺寸 与加工成本的关系 二 影响机械加工精度的因素 P164图表 1 装夹 2 调整 3 加工 三 误差的敏感方向 把对加工精度影响最大的那个方向称为误差的敏感方向 法线方向 当 0时 R 最大 当 90 时 R 2 2R0最小 四 研究加工精度的方法 研究加工精度的方法有两种 1 单因素分析法 2 统计分析法 4 2工艺系统的几何精度对加工精度的影响 一 加工原理误差 指采用近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差 如 1 数控机床加工曲面 2 滚齿机加工齿轮 二 调整误差 工艺系统的调整有两种基本方式 不同的调整方式有不同的误差来源 由于调整工艺系统而产生的误差 试切法调整 调整法调整 一 试切法调整 1 测量误差 2 机床进给机构的位移误差 爬行 3 试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响 二 调整法 影响试切法调整精度的因素 同样也对调整法有影响 此外 影响调整精度的因素有 1 定程机构误差 2 样件或样板的误差 3 测量有限试件造成的误差 三 机床误差 导轨导向精度是指机床导轨副的运动件实际运动方向与理想运动方向的符合程度 这两者之间的偏差值则称为导向误差 一 机床导轨导向误差 1 导轨导向精度及其对加工精度的影响 主要包括两方面 机床导轨和机床主轴 机床的精度标准中 直线导轨的导向精度一般包括下列主要内容 1 导轨在水平面内的直线度 y 弯曲 2 导轨在垂直面内的直线度 z 弯曲 3 前后导轨的平行度 扭曲 4 导轨对主轴回转轴线的平行度 或垂直度 导轨的直线度 D Ry D Ry Y Rz Z 2 D 导向误差对车削圆柱面精度的影响 R Y H H B 导轨扭曲引起的加工误差 刨床 镗孔 在分析导轨导向误差对加工精度影响时 主要应考虑导轨误差引起刀具与工件在误差敏感方向的相对位移 导轨磨损是造成导轨误差的另一重要原因 影响导轨导向精度的因素还有加工过程中力 热等方面的原因 2 导轨导向误差的理论分析方法 略 主轴回转误差是指主轴实际回转轴线对其理想轴线的漂移 二 机床主轴的回转误差 1 主轴回转误差的基本概念 主轴回转轴线的运动误差有三种基本型式 径向圆跳动 端面圆跳动 倾角摆动 2 主轴回转误差对加工精度的影响 3 影响精度的主要因素 1 轴承误差的影响 分两种情况 刀具回转类机床 镗床 钻床 工件回转类机床 车床 磨床 每类又分两种情况 1 轴承孔不圆2 轴颈不圆 A 工件回转类机床 车床 磨床 B 刀具回转类机床 镗床 钻床 2 轴承间隙的影响 3 与轴承配合零件误差的影响 4 主轴转速的影响 5 主轴系统的径向不等刚度和热变形 结论 对于工件回转类机床 车床 磨床 影响较大的是轴颈对于刀具回转类机床 镗床 钻床 影响较大的是轴承孔 4 提高主轴回转精度的措施 1 提高主轴部件的制造精度 2 对滚动轴承进行预紧 3 使主轴的回转误差不反映到工件上 例如 用顶尖支承磨外圆 用镗模架镗孔 二 机床传动链的传动误差 1 传动链精度分析 传动链的传动误差是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差 滚齿机传动链图 滚刀 工作台 2 传动精度的测量与信号处理 谐波分析法 3 传动误差的估算和对加工精度的影响 略 4 减少传动链传动误差的措施 1 传动件数越少 传动链越短 转角累积误差就越小 因而传动精度就越高 四点 1 2 3 4 2 传动比i小 特别是传动链末端传动副的传动比小 则传动链中期于各传动元件误差对传动精度的影响就越小 因此 采用降速传动 i 1 是保证传动精度的重要原则 3 传动链中各传动件的加工 装配误差对传动精度均有影响 最后的传动件 末端件 的误差影响最大 4 采用校正装置 四 夹具的制造误差与磨损 夹具的误差主要是指 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 1 定位元件 刀具导向元件 分度机构 夹具体等的制造误差 五 刀具的制造误差与磨损 刀具误差对加工精度的影响 根据刀具的种类不同而异 1 采用定尺寸刀具 如钻头 铰刀 键槽铣刀 镗刀块及圆拉刀等 加工时 刀具的尺寸精度直接影响工件的尺寸精度 2 采用成形刀具 如成形车刀 成形铣刀 成形砂轮等 加工时 刀具的形状精度将直接影响工件的形状精度 3 展成刀具 如齿轮滚刀 花键滚刀 插齿刀等 的刀刃形状必须是加工表面的共轭曲线 此刀刃的形状误差会影响加工表面的形状精度 4 对于一般刀具 如车刀 镗刀 铣刀 其制造精度对加工精度无直接影响 但这类刀具的耐用度较低 刀具容易磨损 另外 刀具的磨损也影响加工精度 一 基本概念 工艺系统的受力变形是加工中一项很重要的原始误差 主要是弹性变形 工艺系统刚度 k Fy y N mm 4 3工艺系统的受力变形对加工精度的影响 二 工艺系统刚度的计算 工艺系统的总变形 y yjc yjj yd ygyjc 机床的受力变形yjj 夹具的受力变形yd 刀具的受力变形yg 工件的受力变形 1 k 1 kjc 1 kjj 1 kd 1 kg y F K 当工件 刀具的形状比较简单时 可用材料力学的有关公式计算 L 三 工艺系统刚度对加工精度的影响 一 切削力作用点位置变化引起的工件形状误差 1 机床的变形 假定 工件的刚度很大 只考虑机床上的床头 尾架 刀架的变形 yx ytj x x ywz ytj x L FA Fy L X L FB FyX L 机床总变形yjc yx ydj 床头变形 尾架变形 刀架变形 机床总变形 3 考虑床头 尾架 刀架变形的工件形状 2 工件的变形 假定 机床的刚度很大 只考虑工件上的变形 当X 0或X L时 yg 0 当X L 2时 加工后 工件呈鼓形 3 工艺系统的总变形 当同时考虑机床和工件的变形时 工艺系统的总变形 y yjc yg 工艺系统的刚度 总变形 y yjc yg 圆柱度误差 ymax ymin 二 切削力大小变化引起的加工误差 毛坯误差 m ap1 ap2 加工后工件误差 g y1 y2 误差复映 由于毛坯的误差变化而使被加工的工件产生相应的误差 工艺系统的刚度为k 则工件的圆度误差 y1 y2 Fy1 Fy2 k xFy 1 Fy C ap Fy1 C ap1 Fy2 C ap2 g C ap1 ap2 k C m k g1 1 m g2 2 g1 1 2 m 1 取 C K 误差复映系数 g m 1 由于 1 多次走刀后 总变成一个远小于1的系数 多次走刀可提高加工精度 但也意味着生产率低 结论 2 当工件毛坯有形状误差或相互位置误差 加工后仍然会有同类的加工误差出现 三 夹紧力和重力引起的加工误差 改进措施 薄片工件的磨削 四 传动力和惯性力对加工精度影响 1 传动力影响 2 惯性力的影响 四 机床部件刚度 一 机床部件刚度的测定 1 静态测定法 一次加载 二次加载 三次加载 1 静态测定法 2 工作状态测定法 由刚度曲线知 1 变形与作用力不是线性关系 2 加载与卸载曲线不重合 有能量损失 3 卸载后曲线不回到原点 有残留变形 4 部件的刚度比实体小的多 2 工作状态测定法 依据 误差复映规律 车床刚度的工作状态测定法 H11 H12经一次走刀后 h11 h12 H21 H22经一次走刀后 h21 h22 H31 H32经一次走刀后 h31 h32 1 h11 h12 H11 H12 2 h21 h22 H21 H22 3 h31 h32 H31 H32 三处系统刚度 kxt1 C 1 kxt2 C 2 kxt3 C 3 列方程组 解方程组 二 影响机床部件刚度的因素 1 连接表面间的接触变形 2 零件间摩擦力的影响 3 接合面的间隙 4 薄弱零件本身的变形 五 减小工艺系统受力变形对加工精度影响的措施 在生产实际中 常从两个主要方面采取措施来予以解决 一是提高系统刚度 二是减小载荷及其变化 一 提高工艺系统的刚度 1 合理的结构设计 2 提高连接表面的接触刚度 3 采用合理的装夹和加工方式 两种装夹方法 二 减小载荷及其变化 采取适当的工艺措施 减小切削力如 0 r f ap 六 工件残余应力引起的变形 一 毛坯制造和热处理过程中产生的参与应力 二 冷校直带来的参与应力 三 切削加工带来的残余应力 冷校直引起的残余应力 铸件残余应力引起的变形 4 4工艺系统的热变形对加工精度的影响 一 概述 一 工艺系统的热源 二 工艺系统的热平衡和温度场的概念 外部热源 辐射热 环境温度 热传递 导热传递 对流传递 辐射传递 内部热源 切削热 摩擦热 热平衡 单位时间内产生的热量与散发的热量趋于相等 测温手段 热电偶热敏电阻半导体温度计 红外测温激光全息照像光导纤维 二 工件热变形对加工精度的影响 工艺系统中 机床热源多 热变形最复杂 较难估算 工件 刀具热源简单 切削热 较易估算 工件热变形可以归纳为两种情况来分析 A 工件比较均匀地受热 B 工件不平均受热 一 工件比较均匀地受热 L D 工件原有的长度 直径 mm l 工件材料的线膨胀系数钢 l 1 17 10 5K 1 铸铁 l 1 05 10 5K 1 铜 l 1 7 10 5K 1 t 温升 长度上的热变形量 mm 为 L lL t 直径上的热变形量 mm 为 D lD t 二 工件不平均受热 热变形挠度 X l tL2 8S l 工件材料的线膨胀系数 温度差 t T1 T2 三 刀具热变形对加工精度的影响 四 机床热变形对加工精度的影响 1 机床热平衡状态 热态几何精度2 注意热位移变形与误差敏感方向的位置关系3 注意环境温度4 注意使用切削液 五 减少工艺系统热变形对加工精度影响的措施 一 减少热源的发热和隔离热源 二 均衡温度场 三 采用合理的机床部件结构及装配基准 四 加速达到热平衡状态 五 控制环境温度 例 在车床上加工芯轴时 精车外圆A及肩台面B 再光刀A及B 经检测发现B对A有垂直度误差 A有圆柱度误差 试从机床几何误差影响 分析产生以上误差的原因 解 产生垂直度误差的原因 1 主轴回转轴线的轴向窜动 2 刀架横溜板导轨与主轴不垂直 A面产生圆柱度误差 1 床身导轨在水平面内的直线度误差 2 床身导轨和主轴回转轴线在水平面内不平行 3 床身导轨的扭曲 4 主轴回转轴线的角向摆动 4 5加工误差的统计分析 通过对生产现场中实际加工出的一批工件进行检查测量 运用数理统计的方法加以处理和分析 从中便可发现误差的规律 指导我们找出解决加工精度的途径 属于实验后进行的一种数据处理 统计分析法 一 加工误差的性质 加工误差可分为 系统误差随机误差 一 系统误差 在顺序加工一批工件中 其加工误差的大小和方向都保持不变 或者按一定规律变化 统称为系统误差 前者称常值系统误差 后者称变值系统误差 在顺序加工的一批工件中 其加工误差的大小和方向的变化是属于随机性的 称为随机误差 二 随机误差 原理误差 刀夹机床制造误差 力变形 常热变形 磨损 变 毛坯误差的复映 定位误差 残余应力 二 分布图分析法 一 实验分布图 成批加工某种零件 抽取其中一定数量进行测量 抽取的这批零件称为样本 其件数n叫做样本容量 由于各种误差的影响 加工尺寸或偏差总是在一定范围内变动 称为尺寸分散 亦即随机变量 用x表示 样本尺寸或偏差的最大值xmax与最小值xmin之差 称为极差R 即R xmax xmin 以工件尺寸 或误差 为横坐标 以频数或频率为纵坐标 就可作出这批工件加工尺寸 或误差 的实验分布图 即直方图 同一尺寸或同一误差组的零件数量mi称为频数 频数mi与样本容量n之比称为频率fi 即 将样本尺寸或偏差按大小顺序排列 并将它们分成k组 组距为d d可按此式计算 分组数k 查表2 2 直方图 式中xi 各工件的尺寸 样本的平均值x 表示该样本的尺寸分散中心 它主要决定于调整尺寸的大小 常值系统误差 该样本的两个统计数字特征 样本的标准差s反映了该批工件的尺寸分散程度 它由变值系统误差和随机误差决定 误差大s也大 误差小s也小 为使分布图能代表该工序的加工精度 不受组距和样本容量的影响 纵坐标应改为频率密度 样本的标准差s 例 P72 74 二 理论分布曲线 1 正态分布 0 正态分布曲线的形状如下图所示 其概率密度函数表达式为 2 非正态分布 y 分布的概率密度 x 随机变量 正态分布随机变量总体的算术平均值 正态分布随机变量的标准差 这是曲线的最大值 在最大值左右的曲线是对称的 当x 时 正态分布曲线 2 1 2 1 2 1 2 1 值的作用 如果改变 值 分布曲线将沿横坐标移动而不改变其形状 说明 是表征分布曲线位置的参数 F x 为正态分布曲线上下积分限间包含的面积 它表征了随机变量x落在区间 x 上的概率 总体平均值 0 总体标准差 1的正态分布叫做标准正态分布 任何不同的 与 的正态分布都可以通过坐标变换 标准正态分布 表3 5 P207 对于不同Z值 F Z 3 原则 当z 3 即x 3 由表3 5查得2F 3 0 49865 2 99 73 这说明随机变量x落在 3 范围以内的概率为99 73 落在此范围以外的概率仅为0 27 此值很小 因此可以认为正态分布的随机变量的分散范围是 3 0 27 99 73 6 3 的概念 在研究加工误差时应用很广 是一个重要概念 6 的大小代表了某种加工方法在一定条件下 如毛坯余量 切削用量 正常的机床 夹具 刀具等 下所能达到的加工精度 一般情况下 选择加工方法的标准差 与公差带宽度T之间的关系 6 T 说明 2 非正态分布 T 6 k分布系数k值大小参看P209表3 6 分散范围 双峰曲线平顶分布不对称分布瑞利分布 三 分布图分析法的应用 1 判别加工误差性质 2 确定工序能力及其等级 3 估算合格品率或不合格品率 2 确定工序能力及其等级 工序能力是指处于稳定状态时 加工误差正常波动的幅度 T 工件尺寸公差 根据工序能力系数Cp的大小 可将工序能力分为5级 一般工序能力不应低于二级 即Cp 1 必须指出 Cp 1 只说明该工序的工序能力足够 加工是否会出废品 还要看调整的是否正确 工序能力系数Cp 3 估算合格品率或不合格品率 不合格品率包括 废品率和可返修的不合格品率 现举例说明如下 它可通过分布曲线进行估算 合格品率 不合格品率 1 或100 解 计算工序能力系数CpCp T 6 0 9 计算不合格品率 Q 0 5 F Z 查表Z 2F 2 0 4772 Q 0 5 0 4772 2 28 Z 车削一批轴的外圆 其尺寸要求为 20 0 1mm 若此工序尺寸按正态分布 均方差 0 025mm 公差带中心小于分布曲线中心 其偏移值 0 0 03mm 如图 试指出该批工件的常值系统误差及随机误差 并计算合格率及废品率 例2 已知 0 0 036 6 0 025 0 05 0 03 0 025 0 8 查表F Z F 0 8 0 2881 合格率 0 5 0 2881 78 81 废品率 1 78 81 21 19 解 在车床上车削一批小轴 经测量实际尺寸大于要求的尺寸从而必须返修的小轴数为24 小于要求的尺寸从而不能返修的小轴数为2 若小轴的直径公差T 0 16mm 整批工件的实际尺寸按正态分布 试确定该工序的均方差 并判断车刀的调整误差为多少 例3 解 T 0 16合格率Q1 0 5 0 24 0 26Q2 0 5 0 02 0 48 查表 Z1 0 71 Z2 2 05 Z1 X1 0 08 0 0 71 Z2 X2 0 08 0 2 05 解方程 得 0 06 0 0 04 Z1 Z2 在生产现场测量一批小轴的外圆 计1000件 其最大尺寸Dmax 25 030mm 最小尺寸Dmin 25 000mm 若整批工件尺寸为正态分布 图纸要求该轴的外径为 25 0 025mm 求这批零件的废品有多少件 能否修复 0 005 例4 解 分散范围 6 Dmax Dmin 均方差 Dmax Dmin 6 0 005 中心偏移量 0 25 015 25 010 0 005 Z T 2 0 2查表F 2 0 4772 废品率 0 5 0 4772 0 0228 2 28 废品件数 1000 0 0228 22 8 23 件 例5 解 1 第一台机床的工序精度 第二台机床的工序精度 6 1 6 0 004