机械制造工艺(精度).ppt

机械制造工艺学 教师 马丽心 哈尔滨商业大学轻工学院 一重新认识机械制造业 机械制造是一门有着悠久历史的学科 是国家建设和社会发展的支柱学科之一 机械制造已经不是传统意义上的机械制造 即所谓的机械加工 它是集机械 电子 光学 信息科学 材料科学 生物科学 激光学 管理学等最新成就为一体的一个新兴技术与新兴工业 1 什么是工艺 使事物按照一定的经验 规律 次序和方法进行 是一种人为所规定的事物演变过程 2 机械制造工艺使各种原材料 半成品成为机械产品的过程 它既是构思和想法 又是实际的方法和手段 并落实在由工件 刀具 机床 夹具所构成的工艺系统中 所以它包含和涉及的范围很广 需要多门学科知识的支持 同时又和生产实际联系十分紧密 二本课程研究的对象和任务 3 机械制造工艺学的研究对象 1 研究如何科学地 最优地生产各种机械装备 机械产品的一门技术学科 2 研究在机械制造 机械制造广义包括 铸造 锻 焊 热处理 机械加工 机械装配 中优质 高产 低耗地生产机械装备的原理和方法的科学 即从质量 精度 寿命 劳动生产率 先进的工艺方法和装备 先进的生产组织和管理方法 经济性 通过经济分析或经济论证加以确定 方面控制机械制造 这三方面是企业的核心和灵魂 因此企业制造常以工艺作为突破口 4 工艺与设计 制造的关系 只有掌握工艺知识 才能得到经济 合理 可行的设计方案 才能能保证方便 经济 高效 高质地制造产品 5 本课程的任务 1 掌握工艺的基本理论 掌握机械加工和装配工艺规程制定的原则 步骤和方法 结合具体条件制定出工艺上可行 经济上合理的工艺规程 2 了解影响加工质量的各项因素 学会分析研究加工质量的方法 3 掌握机床夹具设计的原理和方法 4 了解当前制造技术的发展 培养学生具有善于分析 总结实际生产中的先进经验 善于分析地吸收国内外新技术 新工艺和新方法 并应用于解决实际问题的能力 5 培养学生对具体工艺问题进行综合分析和试验的科学方法 并能对具体问题提出保证或改善产品质量 提高生产效率和降低产品成本的工艺路线 三 本课程的特点及学习方法 1课程的特点2学习方法 1 理论联系实际 具体问题具体分析 不能死记 结合实际分析问题 2 钻研基本内容 理解问题的实质和概念 认真对待练习 掌握基本规律 做到举一反三 3 掌握知识的同时 注意能力的培养 现场实践性分析对比性技术测量性结构工艺性 第1章加工精度 1 1 1加工精度与加工质量1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 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 满足使用要求前提下 加工精度愈低愈有利于制造 1 1加工精度概述 2质量内容设计质量 反映用户希望 使用条件 操作习惯 心理 制造质量 1 零件质量 几何方面 尺寸 形状 位置 表面粗糙度 物理方面 材质 强度 刚度 金相组织 表层性能 2 装配质量 各装配间隙与过盈 工作精度 噪声等 3 外观质量 操作舒适 美观 包装 4 环保要求 在现代社会特别强调环境保护 在产品设计 制造以至于产品报废后零部件的拆卸和回收 都要考虑环保的要求 服务质量 有使用 保养说明书 是否实行三包 1 1 2获得加工精度的方法一获得尺寸精度的方法1试切法边加工边测量 直到达到加工精度要求 如图5 1所示 在车床上用试切法车外圆 先在工件上车出3 5mm长 停车测量 补充调刀 合格后自动走刀车完全程 特点1 多次走刀 停车 测量 生产率低 2 加工精度取决于操作者水平 用于单件小批生产 2调整法 定程法 图5 2 先用试切法或用样板 样件 对刀元件等确定刀具 夹具与工件之间的位置 对一批工件进行加工 中间只装夹工件 抽样检测 直到超差时才补充调刀 特点1 安装 加工都简单 生产率高 加工质量易于保证 2 对操作者技术水平要求不高 用于大批量生产 图5 1试切法 图5 2调整法 返回 3定尺寸刀具法采用一定精度的定尺寸刀具进行加工 如采用钻头 扩孔钻 双刃镗刀 图5 3 铰刀 拉刀加工孔 用丝锥 板牙加工螺纹 键槽铣刀加工键槽等等 特点 工件精度取决于刀具本身的精度 4自动获得法 主动测量法 1 自动测量把检测 调整 切削等机构组成一个系统 控制工件尺寸 2 数字控制把进刀量 工作台位移量数字脉冲化 以信号控制切削过程 用于数控机床 图5 4 特点 可与流水线 自动线配合 加工精度与生产率高 图5 3定尺寸刀具法 返回 返回 二获得形状精度的方法1轨迹法 依靠刀具与工件之间的相对运动轨迹获得工件的形状 如车外圆 车锥体 图5 5 刨削 端铣 靠模仿形加工等 2成形法 利用刀具刃口形状获得工件的形状精度 如利用成形车刀车球面 图5 6 利用成形刨刀刨工件的成形面 拉削成形面 切螺纹等 3展成法 利用刀具与工件之间严格的啮合运动形成的包络线形成工件的形状 如滚齿 图5 7 插齿等 图5 5轨迹法车锥体 返回 图5 6用成形车刀车球面 返回 图5 7展成法滚齿 返回 获得位置精度的方法有两种 一次安装法和多次安装法 1一次安装法在一次安装中把位置精度要求高的表面加工出来 图5 8 主要靠机床各部件之间的位置精度来保证 如在一次安装中车削齿坯端面 外圆和内孔 以保证工件端面与孔轴线的垂直度 外圆与孔的同轴度 三获得位置精度的方法 图5 8一次安装法 5 9多次安装法 2多次安装法在多次安装中完成各个表面的加工 如较复杂的箱体加工 往往要经过多道工序的加工 其位置精度要靠机床和夹具共同保证 如图5 9所示 箱体铣轴承孔端面和镗轴承孔两道工序在不同组合机床上进行 必须靠机床和夹具保证位置精度 1 1 3研究加工精度的方法一误差因素分析法利用因果图 鱼刺图 进行测试 分析 计算 找出导致误差主要因素 如图5 10所示 某厂生产车床 加工尾座孔时发现出现锥度超差 为了找出致差原因 列出了可能导致这一误差的所有项目 然后逐个排除 找出原因 二统计分析法利用统计分析原理对测试结果进行处理 找出误差规律 1分布曲线法 图5 11 一批工件加工完后进行测量 利用测量数据作出分布曲线 对加工精度进行分析 求出合格率和废品率及中心偏移量 指导以后加工 2点图法 图5 12 边加工 边间歇抽样检测 以抽样组平均尺寸为纵座标 以组序号为横座标作出工件尺寸的分布点 对工件精度进行分析 平行指导加工过程 可建立无废品系统 图5 10误差因素分析法 返回 返回 返回 1找出主要致差因素后 可按下式进行合成求出系统综合误差 2当各个因素呈现函数关系时可对各误差因素求偏导数 以全微分表示误差的关系 误差合成计算公式 1 1 4加工误差的来源1产品的制造过程加工精度是在生产过程中获得的 误差是在加工过程中形成的 所以致差原因及其对策要到制造过程中去找 图5 13 2十大原始误差在机械加工中 机床 夹具 刀具和工件组成了工艺系统 工艺系统产生的误差称为原始误差 归纳起来可分为十大误差 1加工原理误差 2工件安装误差 3机床制造误差与磨损 4夹具误差 5刀具制造误差与磨损 6工艺系统受力变形 7工艺系统受热变形 8工件内应力引起的变形 9度量误差 10调整误差 下面分别讲解这些误差对加工精度的影响 图5 13产品的制造过程 返回 1 2工艺系统几何误差及原理误差1 2 1原理误差 方法误差 利用近似的加工运动或近似的刀具轮廓进行加工 形成的误差称为原理误差 又称理论误差 理论上完全正确的加工方法 或很难实现 或机床结构复杂 刚度差 制造精度低 或加工效率低 或理论刀具难以制造 精度低 虽然有时机床和刀具符合理论 其加工精度反而比采用近似的还低 所以 只要加工误差不超过零件的公差要求 理论近似的机床和刀具是可用的 例1铣制齿轮 图5 14 用模数铣刀铣齿轮时 因为齿形是基圆半径的函数 同模数 齿数不同 渐开线形状也不一样 即每种模数 每种齿数都应有相对应的铣刀 这是一个排列组合问题 数量大得无法办得到 实际上每种模数用8 15把刀管所有的齿数 必然带来误差 图5 14铣制齿轮 例2滚切齿轮 图5 15 渐开线齿形理想表面为连续的渐开线 但是 由于滚刀刀齿不连续 若连续即为普通蜗杆 无切削能力 使每个刀齿之间总有一定距离 所以齿形实际上是一系列的折线组成的 图5 15滚切齿轮 例3车制蜗杆 图5 16 在车床上车制蜗杆时 机床挂轮比i i1 i2 i3 P T m T 式中 为无理数 不可能有精确值 必然导致工件误差 P 工件蜗杆导程m 蜗轮模数 T 车床丝杆螺距 图5 16车制蜗杆 机床几何误差 1 2 2机床几何误差 机床主轴的回转运动误差 1 主轴回转运动误差的概念 理想回转中心 机床主轴做回转运动时 主轴的各个截面必然有它的回转中心 在主轴的任一截面 主轴回转时若只有一点速度始终为零 则这一点即为理想回转中心 瞬时回转中心 主轴在实际回转过程中 在一个位置或时刻的回转中心 称为瞬时回转中心 主轴各截面瞬时回转中心的连线叫瞬时回转轴线 主轴的回转运动误差 是指主轴的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 变动量越小 主轴回转精度越高 反之越低 端面跳动 轴向漂移 瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动 它主要影响端面形状和轴向尺寸精度 径向跳动 径向漂移 瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动 它主要影响圆柱面的精度 角度摆动 角向漂移 瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度 但其交点位置固定不变的运动 在不同横截面内 轴心运动误差轨迹相似 它影响圆柱面与端面加工精度 注意 实际中常是这几种误差的合成 2 主轴回转运动误差的形式 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 3主轴回转误差对加工精度的影响 车床加工 工件回转 刀具移动 此时 主轴的纯径向跳动对车削加工工件的圆度影响很小 a车削时纯径向跳动对加工精度的影响 主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响 A A R Om 1 1 Acos O 2 3 4 O Rsin A R cos 镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响 镗削加工 镗刀回转 工件不转 镗出的孔为椭圆形 轴向窜动对车 镗削加工精度影响 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 另外主轴每转一周 要沿轴向窜动一次 使得切出的端面产生平面度误差 见上图a 当加工螺纹时 会产生螺距误差 见上图b a主轴轴向窜动对端面加工精度的影响 b螺距误差 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 如下图所示 主轴纯角度摆动对镗孔精度的影响 主轴的误差轴承的误差轴承的间隙与轴承配合零件的误差主轴系统的径向不等刚度和热变形等 4影响主轴回转运动误差的主要因素 对于不同类型的机床 其影响因素也各不相同 5 提高主轴回转精度的措施 1 提高主轴部件的制造精度 提高轴承的回转精度 选用高精度的滚动轴承采用高精度的多油楔动压轴承采用高精度的静压轴承 提高轴承组件的接触刚度 提高箱体支承孔的加工精度主轴轴颈的加工精度与轴承相配合表面的加工精度 常采用两个固定顶尖支承 主轴只起传动作用 工件的回转精度完全取决于顶尖和中心孔的形状误差和同轴度误差 而提高顶尖和中心孔的精度要比提高主轴部件的精度容易且经济得多 如下图 2 对滚动轴承进行预紧 可消除间隙 增加轴承刚度 均化滚动体的误差 3 使主轴的回转精度不反映到工件上 Y Y o D R 水平面 导轨水平面内直线度 图4 9导轨在水平面内直线度误差 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 R y 一机床导轨误差的各种形式 1 导轨在水平面内直线度误差的影响 机床导轨误差 垂直平面 导轨垂直面直线度 Z D R Z 图4 10导轨在垂直面内直线度误差 R D 2 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 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 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 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 车床导轨扭曲对工件形状精度影响 以磨床为例 设机床中心高为H 导轨宽度为B 则扭曲引起工件直径的变化量为 y 磨床H B 水平面不平行垂直面内不平 a 车成锥体b 车成双曲线体 图5 22导轨误差导致的误差 导轨与主轴不平行以车削为例 导轨在水平面不平行 将导致工件车成锥体 导轨在垂直面内不平行 将使工件车成双曲线回转体 见图5 22 1选择合理导轨形状和组合形式机床导轨的形状很多 如矩形 三角形 燕尾形等 导轨的组合形式也很多 如双矩形 双三角形 矩形与三角形等 其中以90 的双三角形导轨的直线运动精度及精度保持性较好 这种导轨的磨损主要在垂直方向上 对一些在垂直方向不敏感的机床如车床 可以长期保持原始精度 二提高机床导轨精度的措施 机床传动链误差一机床的传动链误差的影响在需要保持工件与刀具严格的运动关系的内联系传动中 必须严格控制传动链首末端件的相对运动误差 特别是末端件的精度 如车螺纹 铣螺旋槽 滚齿 插齿等等 都要求保持工件与刀具严格的运动关系 2提高机床导轨的制造精度和配合件接触精度 对于高精度的机床导轨 还要安排刮研 3采用均化误差 防止导轨磨损的静压导轨或贴塑导轨 聚四氟乙烯 消除爬行现象 二提高机床导轨精度的措施 例如 在车床上加工丝杆 若第一齿轮有转角误差 1 试分析对工件螺距误差的影响 见图5 26 解 i Z1 Z2 1 2 n2 n1 5 i4 i3 i2 i1 1T 2 P 5 P T 2 i4 i3 i2 i1 1 二减少传动链误差的措施实际上 各个齿轮和机床丝杆都有误差 为减少传动误差可采取以下措施 1 传动比i 1 即采用降速设计 最大降速比应放在最后 以便减少误差 2 传动链愈短愈好 数控机床之所以精度高 传动链比普通机床短 是其重要原因之一 3 提高传动元件的精度 特别是末端件的精度 4 采用误差补偿机构 人为加入一大小相等 方向相反的误差去抵消它 如校正尺 式中 T 机床丝杆螺距 P 工件螺距误差 i 传动比 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 1 2 3工艺系统其它几何误差 一刀具制造误差对加工精度的影响可调刀具 因磨损后可调整进刀量进行补偿 所以无直接影响 如车刀 刨刀 单刃镗刀等 不可调刀具 定尺寸刀具 如钻头 铰刀 拉刀等 成形刀具 如圆球车刀 模数铣刀等 展成法刀具 如齿轮滚刀 插齿刀等这三类刀具的制造误差对加工精度都有直接影响 二刀具磨损误差对加工精度的影响刀具在调定后 加工过程中产生磨损 无论是可调刀具还是不可调刀具 对加工精度都有影响 特别是可调性单刃刀具 耐用度都比较低 自动化机床在刀具调好后 往往加工成批零件 若不注意 将造成大批废品 刀具误差 夹具误差 制造误差与磨损 夹具的误差主要有 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 例中以钻模套作刀具导引件 引导钻头加工孔 保证两孔的位置精度与孔距精度 若定位销和挡块磨损较大 连杆的位置将发生偏斜 引起钻孔后孔的轴线也偏斜 若钻套磨损较大 孔距误差将增大 轴线也可能偏斜 钻出的孔不平行 结论 在大批量生产中 应严格控制夹具的制造误差与磨损 尤其是定位元件与刀具导引件 夹具的相关公差应取工件公差的1 3 1 5 测量误差 合理选择测量工具与测量方法 合理使用测量工具 尽可能满足阿贝原则 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 调整误差 加工时机床 夹具 刀具 工件的相对位置未调准确而产生的误差 主要产生于调整法加工 1机床上安装夹具 工件 刀具 确定它们与机床的位置 2调整刀具与工件定位基准的距离 3试切工件检查尺寸 反复调整合格 调整误差 破坏了刀具 工件间相对位置 1 3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 受力变形对工件精度的影响a 车长轴b 磨内孔 1 3 1工艺系统的刚度 1 工艺系统刚度的概念 工艺系统整体抵抗其变形的能力 其大小为 作用在物体上的外力Fp与由此引起的该方向上的位移yxt的比值 即kxt Fp yxt 刀架系统在Fp力作用下引起同向变形y 图a 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 在Fc力作用下引起的变形y与Fp方向相反 图b 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 注意 这里变形yxt是总切削力的三个分力Fc Fp Ff综合作用的结果 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 位移 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 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 1 机床部件刚度的特点 1 外力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 车床刀架部件的刚度曲线 一次加载 二次加载 三次加载 图中是以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 2 影响机床部件刚度的因素 连接表面间的接触变形 薄弱零件本身的影响 接合面间的间隙 接合面间摩擦力的影响 机床部件刚度的薄弱环节a 溜板中的楔铁b 轴承套 两零件结合面间的接触情况 1 3 2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 1 车短轴 在车床顶尖间车削粗而短的光轴 由于车刀和工件变形极小 此时 工艺系统的总变形完全取决于主轴箱 尾座 包括顶尖 和刀架的变形 2 车细长轴 在两顶尖间车削细长轴 由于工件细长 刚度小 在切削力作用下其变形大大超过机床 夹具和刀具所产生的变形 因此 机床 夹具和刀具的受力变形可略去不计 工艺系统的变形完全取决于工件的变形 2 切削力大小变化引起的加工误差 误差复映 加工中发现 毛坯横截面若有椭圆形误差 想车成圆形 走一次刀后测量 工件还是椭圆形 毛坯的轴向若为阶梯形 想车成光轴 走一次刀后发现 工件还是阶梯形 毛坯误差依然存在 只不过误差的大小不同 毛坯误差按递减规律传给工件叫毛坯误差复映规律 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 3 切削过程中受力方向变化引起的加工误差 1 由于传动力引起的误差 图单爪拨盘传动下工件的受力分析 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 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 轴承孔的园度误差将传给工件的回转轴心 因此可采用配重平衡的方法来消除这种影响 必要时可适当降低主轴转速 以减小离心力的影响 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 在单爪拨盘传动下车削出来的工件是一个正园柱 不产生加工误差 4 工艺系统其它外力作用引起的加工误差 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 机床部件自重引起地横梁变形 套筒夹紧引起变形误差 工件 开口过渡环 2 由于夹紧力引起的加工误差 薄片工件的磨削a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 铣削连杆端面时 F直接加在杆身上 由于杆身刚度差 夹紧后两头上翘 用铣刀加工平以后 松开工件 弹性恢复 引起两孔端面不平行 夹紧力的作用点选择 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 减小工艺系统受力变形的措施 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 8 减少工艺系统受力变形 1 4工艺系统热变形引起的加工误差 1 4 1概述 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 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 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 1 4 2机床热变形对加工精度的影响 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 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 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 P195 主要热源是砂轮架 头架和液压系统及冷却液 牛头刨床滑枕热变形 升降台铣床 外圆磨床砂轮架的热变形使主轴向工件靠近 热变形使工件轴线与砂轮轴线不平行 图5 50 导致工件产生圆柱度误差 圆台平面磨床易使立柱弯曲 图5 51 导致砂轮主轴与工作台产生垂直度误差 矩台平面磨床易使导轨面上凸 都会导致工件产生平面度误差 大型机床如龙门刨 龙门铣 立式车床 导轨磨床等 不仅其内部热源影响大 环境热的影响也大 因为这类机床的尺寸都很大 稍有温差就会带来较大的变形 4大型机床热变形对加工的影响 1 4 3工件热变形对加工精度的影响 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 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 热变形温度试验机 1 4 4刀具热变形对加工精度的影响 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P197为车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线 A 车刀连续工作时的热伸长曲线 B 切削停止后 车刀温度下降曲线C 间断切削的热变形 1 4 5减少工艺系统热变形的主要途径 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7 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 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 采用隔热罩减少热变形 用热空气均衡立柱前后壁的温度场 工件与刀具的热变形属于系统误差 可经过计算进行补偿和修正 而机床的热变形是较为复杂的 车床上主轴箱两种结构的热位移 1 5工件残余应力引起的加工误差 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 主要来自热加工或冷加工 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 七 提高加工精度的工艺措施 车工怕细长 磨工怕薄片 如细长轴加工采用跟刀架防止工件弯曲变形 采用反拉法切削不限制工件热伸长 改进刀具角度和切削用量 采用大前角和大主偏角 小切深 大进给量98 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7 39 图7 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 图7 38反拉法切削细长轴p212a 正向进给b 反向进给 图7 39通过导轨凸起补偿横梁变形 图7 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 转塔车床的转位刀架采用 立刀 安装法 p214 102 五 就地加工法 机床中有些关键部件其组成零件数较多 装配完后往往精度难以达到要求 若在半精加工时留有一定的加工余量 留待装配后利用机床自己装上刀具加工一下 这就是 就地加工 法 也称自身加工修配法 龙门刨 龙门铣的工作台 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 103 如在横梁上加一附加梁承担铣头重量 变形主要在附加梁上 减少主梁的变形 左图 又如 利用双镗模支承镗孔 使机床主轴的误差不影响工件的加工精度 右图 101 1 3 1加工误差的性质及分类 1 3加工误差的综合分析 加工误差的统计分析法就是以生产现场对工件进行实际测量所得的数据为基础 应用数理统计的方法 分析一批工件的情况 从而找出产生误差的原因以及误差性质 以便提出解决问题的方法 加工一批工件 由于随机性误差的存在 加工尺寸的实际数值是各不相同的 这种现象称为尺寸分散 在一批零件的加工过程中 测量各零件的加工尺寸 把测得的数据记录下来 按尺寸大小将整批工件进行分组 每一组中的零件尺寸处在一定的间隔范围内 同一尺寸间隔内的零件数量称为频数 频数与该批零件总数之比称为频率 以工件尺寸为横坐标 以频数或频率为纵坐标 即可作出该工序工件加工尺寸的实际分布图 直方图 1 实际分布图 直方图 1 3 2加工误差的统计分析方法 在机械加工中 采用的统计分析法主要有分布图分析法和点图分析法 4 统计频数分布 5 绘制直方图 按表列数据以频率密度为纵坐标 组距为横坐标画出直方图 3 确定组距组界及分组 2 分组 将抽取的样本数据分成若干组 1 收集数据 在一定的加工条件下 按一定的抽样方式抽取一个样本 即抽取一批零件 样本容量 抽取零件的个数 一般取100件左右 测量各零件的尺寸 并找出其中的最大值xmin和最小值xmin 1 直方图的作法与步骤 例1在磨床上加工一批销轴 抽检100件以0 002mm为组距分成10组作出分布表 组界为横坐标 频率密度为纵坐标 便可绘出直方图 组界频数频率频率密度 22 2030 030 015 20 18120 120 06 18 16370 370 185 16 14350 350 175 14 12110 110 055 12 1020 020 010 精镗活塞销孔 图纸要求 抽取工件100个 经测量 max 28 0 005mm min 28 0 017mm 最大尺寸与最小尺寸之差即为分散范围 27 955 27 983 0 012mm 12 m 按实测尺寸的大小顺序分成六组 统计每组的工件数 将所得的结果列表 当零件数量增加 分组数增多 直方图变为实际分布曲线 2 直方图的观察与分析 1 尺寸分散范围小于允许公差T 且分布中心与公差带中心重合 则两边都有余地 不会出废品 2 若工件尺寸分散范围虽然也小于其尺寸公差带T 但两中心不重合 分布中心与公差带中心 此时有超差的可能性 应设法调整分布中心 使直方图两侧均有余地 防止废品产生 3 若工件尺寸分散范围恰好等于其公差带T 这种情况下稍有不慎就会产生废品 故应采取适当措施减小分散范围 4 若工件尺寸分散范围大于其公差带T 则必有废品产生 此时应设法减小加工误差或选择其它加工方法 当采用该曲线代表加工尺寸的实际分布曲线时 各参数的意义 y 分布曲线的纵坐标 表示工件的分布密度 频率密度 x 分布曲线的横坐标 表示工件的尺寸或误差 n 一批工件的数目 样本数 工件的平均尺寸 分散中心 一批零件的均方根差 1 正态分布曲线方程 大量实践经验表明 在用调整法加工时 当所取工件数量足够多 且无任何优势误差因素的影响 则所得一批工件尺寸的实际分布曲线便非常接近正态分布曲线 在分析工件的加工误差时 通常用正态分布曲线代替实际分布曲线 可使问题的研究大大简化 曲线技术特征 1 单峰中凸 反映绝对值愈小的误差出现的概率愈大 即工件处于公差带中间的件数多