61机械加工精度.ppt

6机械制造过程质量分析 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 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 它有三层含意 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 产品质量 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 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 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 参见下图 微观几何形状误差 波度与宏观几何形状误差 表面粗糙度是加工表面的微观几何形状误差 其波距 L3 与波高 H3 之比一般小于50 波距 L2 与波高 H2 之比在50 1000范围内的几何形状误差 称为波度 波距 L1 与波高 H1 之比大于1000的几何形状误差 称为宏观几何形状误差 几何形状误差 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 本章将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 6 1机械加工精度 一 概述1 加工精度与加工误差所谓加工精度是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的符合程度 零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度 称为加工误差 只要求满足规定的公差要求即可 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 零件的几何参数指尺寸 几何形状及相互位置 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 2 理想几何参数 的正确含义即 对于尺寸是指尺寸的公差带中心 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 3 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 加工精度和加工误差是从两个不同的角度来评价零件几何参数的同一事物 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 2 加工经济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 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 加工成本与加工误差之间的关系 上述关系只是在一定范围内才比较明显 如图中之AB段 而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 加工精度 尺寸精度 如长度 高度 宽度及直径等 几何形状精度 如圆度 圆柱度 平面度和直线度等 位置精度 如平行度 垂直度和同轴度等 以上三项精度之间是有联系的 一定的尺寸精度必须有相应的形状精度与位置精度 获得加工精度的方法 获得尺寸精度的方法 获得零件形状精度的方法 获得零件相互位置精度的方法 获得尺寸精度的方法 试切法 调整法 定尺寸刀具法 自动获得尺寸法 试切法 通过试切 测量 调整 再试切 如此多次反复来获得尺寸精度 该法耗工时 生产效率低 同时要求操作者有很高的技术水平 该法一般用于单件 小批生产中 调整法 预先按工件规定的尺寸 调整好机床 刀具 夹具与工件的相对位置 并在一批零件的加工过程中始终保持这个加工位置 来保证加工尺寸 此法的加工精度主要决定于调整精度 此法获得的尺寸精度稳定 生产率高 故广泛应用于成批和大量生产中 定尺寸刀具法 直接利用刀具的相应尺寸来保证加工尺寸 如用钻头钻孔 铰刀铰孔 用拉刀 铣刀加工键槽等 加工尺寸精度的高低主要与刀具的制造精度 安装精度和磨损等因素有关 这种加工方法加工精度稳定 生产率也高 自动获得尺寸法 利用测量装置 调整装置和控制系统等组成的自动化加工系统 在加工过程中能自动测量 补偿调整 当工件达到尺寸要求时 能自动退回停止加工 获得零件形状精度的加工方法 轨迹法 成形法 展成法 轨迹法 主要是依靠刀尖与工件的相对运动轨迹来形成被加工表面的形状 如用工件回转 车刀平行于回转轴线的直线运动来车削外圆 此法的形状精度主要决定于成形运动的精度 成形法 利用成形刀具刀刃的几何形状来切削出工件形状 成形法所能达到的精度主要决定于刀具刀刃的形状精度与刀具的安装精度 展成法 利用刀具与工件的展成切削运动 由刀刃在被加工表面上的包络面来形成的成形表面 如用滚刀来加工齿轮 插齿等 展成法所达到的精度高低 主要取决于机床作展成运动的传动链精度与刀具的制造精度 获得零件相互位置精度的方法 一次安装获得法 零件在一次安装中 加工零件有相互位置精度要求的各个表面 从而保证其相互位置精度 多次安装获得法 是指零件的有关表面的相互位置精度是由加工表面与定位基面的位置精度来保证的 影响获得相互位置精度的因素 主要有机床精度 夹具精度 工件的安装精度以及量具的测量精度 工艺系统 在机械加工时 机床 夹具 刀具和工件构成的一完整的加工系统 称为工艺系统 3 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会有各种各样的误差产生 这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式反映为工件的加工误差 工艺系统的误差是 因 是根源 工件的加工误差是 果 是表现 因此 我们把工艺系统的误差称为原始误差 在机械加工时 原始误差能照样 放大或缩小地反映到工件上 使工件加工后产生误差 这种误差称为加工误差 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 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 主要有 工艺系统的几何误差 定位误差 工艺系统的受力变形引起的加工误差 工艺系统的受热变形引起的加工误差 工件内应力重新分布引起的变形以及原理误差 调整误差 测量误差 原始误差 4 研究机械加工精度的方法主要有分析计算法和统计分析法 分析计算法是在掌握各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个或哪几个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 进而通过估算来确定工件的加工误差的大小 再通过试验测试来加以验证 统计分析法 对具体加工条件下加工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 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 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 二 影响加工精度的因素 1 加工原理误差 加工原理误差是由于在机械加工中 采用了近似的加工运动或形状近似的刀具廓形而产生的误差 1 采用了近似的加工运动方法所造成的误差 用展成法切削齿轮 当用滚刀切削齿轮时 是利用展成原理 由于滚刀的刀刃数有限 所切成的齿形 不是光滑的渐开线 而是一条接近于光滑渐开线的折线 故用接近于光滑渐开线的折线来代替理想光滑的渐开线就产生了原理误差 车削或磨削模数蜗杆 其导程t m 其中m是模数 而 是无理数 在选用配换齿轮时 只能将 化成近似的分数来进行计算 采用了近似的传动比 即采用了近似的成形运动 从而产生了原理误差 2 采用了形状近似的刀具所造成的误差 滚齿时 滚刀应由渐开线基本蜗杆来制造 而在生产实际中 为使滚刀制造方便 故采用阿基米德蜗杆来代替 即采用了近似的刀具轮廓 这时用阿基米德滚刀来滚切齿轮 就产生了原理误差 在生产实际中 采用近似的加工运动或近似的刀具进行加工 可以简化机床的结构和刀具的形状 降低制造成本 提高生产率 只要原理误差在规定的技术要求范围之内 是完全允许的 2 工艺系统几何误差 1 机床的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 主轴回转误差机床主轴是工件或刀具的位置基准和运动基准 它的误差直接影响着工件的加工精度 在理想的情况下 当主轴回转时 其回转轴线在空间的位置是固定不动的 但实际上由于存在制造误差和使用中一些因素的影响 使主轴的实际回转轴线对理想回转轴线产生了偏移 这个偏移量就是主轴回转误差 可分解为纯径向圆跳动 纯轴向窜动和纯角度摆动三种基本形式 不同形式的主轴回转误差对加工精度的影响是不同的 同一形式的主轴回转误差对于不同类型的机床其影响也不同 因此 要根据具体情况进行具体分析 机床可分为工件回转类 如车床 磨床 和刀具回转类机床 如镗床 在加工过程中 对工件回转类机床 其切削力的方向不变 而刀具回转类机床 其切削力的方向是周期性地变化的 所以主轴的回转误差对加工精度的影响也不同 纯径向跳动 轴线绕平均轴线作平行的公转运动 在 方向和 方向都有变动 如图所示 其径向跳动 r将使镗床镗出的孔是椭圆的 对于车床上车削外圆时影响很小 其车削的工件截面接近于真圆 对于外圆磨床 由于采用死顶尖 避免了主轴回转误差对工件的影响 而砂轮架主轴的回转误差则会引起工件的棱圆度与波度误差 纯轴向窜动 它是指回转轴线沿平均回转轴线在轴向位置的变化 如图所示 纯轴向窜动对内外圆加工没有影响 但加工端面时会与内 外圆表面不垂直 且端面与轴线的垂直度误差随切削直径的减小而增大 加工螺纹时 轴向窜动会产生螺距周期误差 纯角度摆动 主轴瞬时回转轴线对平均轴线作呈一倾斜角度的公转运动 但其交点位置固定不变 如图所示 角度摆动误差 主要影响工件的形状精度 产生主轴回转误差的原因 纯径向跳动 主要来源于轴承误差 滑动轴承内孔的圆度误差 滚动轴承内外环滚道的圆度误差 波度 轴承滚子尺寸误差 圆度误差 轴承的间隙 主轴轴颈的圆度误差 纯轴向窜动 主要来自主轴上与箱体上的止推端面与轴线不垂直以及有波度误差 止推轴承两滚道与主轴轴线不垂直和波度误差 滚动体的尺寸误差 圆度误差 以及予紧滚动轴承的螺母 垫片等零件的端面与轴线不垂直 或端面与端面间不平行 纯角度摆动 主要是主轴前后轴承分别存在偏心e 和e 而且e 和e 的大小不一 又不在同一方向上 减少主轴回转误差影响的措施 设计与制造高精度的主轴部件 对高速运动的主轴系统进行动平衡 使回转误差不反映到被加工的工件上 即采用工件的定位与运动传递分开的结构 例如磨外圆 工件采用死顶尖 镗箱体上的孔系 采用镗模镗孔 主轴与镗杆采用浮动连接 磨削机床主轴前端的锥孔 工件与机床主轴间用弹性连接 主轴只起传动作用 以减小主轴回转误差对加工精度的影响 导轨误差导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准 也是机床运动的基准 机床导轨的精度要求主要有以下三个方面 在水平面内的直线度 在垂直面内的直线度 前后导轨的平行度 扭曲 卧式车床导轨直线度误差 卧式车床导轨在水平面内的直线度误差将直接反映在被加工工件表面的法线方向 加工误差的敏感方向 上 对加工精度的影响最大 如图 普通车床在水平面内的直线度误差 将使刀尖在水平面内发生位移 Y 引起被加工工件在半径方向上的误差 R Y 即导轨在水平面内的直线度误差将1 1地反映到工件的半径上去 当车削长工件时 将会造成圆柱度误差 如形成锥形 鼓形 鞍形 卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差 见图 可引起被加工工件的形状误差和尺寸误差 但对加工精度的影响要小得多 可忽略不计 卧式车床导轨垂直面内直线度误差对工件加工精度的影响 导轨在垂直面内的直线度误差 将使刀尖沿工件的切向产生 Z的位移 由此引起工件在该处的半径方向上产生相应的误差 R 由图示的直角三角形 OAB可得由于 Z很小 Z2更小 所以一般可忽略不计 误差敏感方向 机床导轨的直线度误差对加工精度的影响 对于不同的机床其影响也不同 这主要决定于刀具与工件的相对位置 如导轨误差引起刀刃与工件的相对位移 若该位移产生在工件已加工表面的法线方向上 则对加工精度有直接影响 如产生在加工表面的切线方向 则对加工精度的影响可忽略不计 误差敏感方向 如图所示的六角车床 导轨在垂直面内的直线度误差将1 1地反映到工件的半径上 而导轨在水平面内的误差影响很小 可以忽略不计 一般把通过切削点的已加工表面的法线方向称为误差敏感方向 六角车床刀具垂直安装 当前后导轨存在平行度误差 扭曲 时 刀架运动时会产生摆动 刀尖的运动轨迹是一条空间曲线 使工件产生形状误差 车床前后导轨在垂直面内不平行 会使溜板在沿床身纵向移动时发生偏斜 从而使刀尖相对工件产生偏移 当导轨倾斜产生的误差为 H时 引起工件半径上的加工误差 R为 R H H B 式中 H为车床中心高 B为车床导轨间的宽度 一般机床H 2 3B 因此 车床前后导轨的平行度误差对加工精度的影响很大 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 传动链误差传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差 一般用传动链末端元件的转角误差来衡量 传动链误差 对于某些加工方式 如加工螺纹 滚齿 插齿 磨齿等 为了保证加工精度 必须要求刀具与工件之间有正确的速比关系 例如车螺纹 要求工件转一转 刀具移动一个导程 用单头滚刀滚齿时 要求滚刀转一转 工件转过一个齿 这种成形运动的速比关系 是由机床传动链来保证的 传动链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 它是齿轮 螺纹 蜗轮及其他展成加工中 影响加工精度的主要因素 传动链误差是由于传动链中传动元件的制造误差 装配误差以及使用过程中磨损引起的 各传动元件在传动链中的位置不同 影响也不同 其中末端元件的误差对传动链的误差影响最大 各传动元件的转角误差将通过传动比反映到工件上 若传动链是升速传动则传动元件的转角误差将扩大 反之降速传动则转角误差将缩小 若某一传动轴上的齿轮在某一时刻产生转角误差 i 则它所造成的传动链末端元件 工作台或工件 的转角误差 wi为 wi Ki i式中Ki为该轴到末端元件的总传动比 也称为误差传递系数 如果Ki大于1 升速传动 则误差被扩大 反之 如果Ki小于1 降速传动 则误差被缩小 提高传动链的传动精度的措施 1 尽可能缩短传动链 减少误差源数n 2 尽可能采用降速传动 尽可能使末端传动副采用大的降速比 末端传动元件应尽可能地制造得精确些 3 提高传动元件的制造精度和装配精度 尽可能地提高传动链中升速传动元件的精度 此外 还可以采用传动误差补偿装置来提高传动链的传动精度 2 刀具的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 1 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 2 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 刀具的安装差所引起的工件形状误差不可忽视 3 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 4 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 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 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 3 夹具的几何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 钻套轴心线f至夹具定位平面c间的距离误差 影响工件孔a至底面B的尺寸L的精度 钻套轴心线f与夹具定位平面c间的平行度误差 影响工件孔轴心线a与底面B的平行度 夹具定位平面c与夹具体底面d的垂直度误差 影响工件孔轴心线a与底面B间的尺寸精度和平行度 钻套孔的直径误差也将影响工件孔a至底面B的尺寸精度和平行度 工件在夹具中装夹示意图 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 三 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 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 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 试切调整 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 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 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 四 工艺系统受力变形引起的误差1 基本概念机械加工工艺系统在切削力 夹紧力 惯性力 重力 传动力等的作用下 会产生相应的变形 从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置 使工件的加工精度下降 例如 在车细长轴时 图a 工件在切削力的作用下会发生变形 使加工出的轴出现中间粗两头细的情况 在内圆磨床上进行切人式磨孔时 图b 由于内圆磨头轴比较细 磨削时因磨头轴受力变形 而使工件孔呈锥形 受力变形对工件精度的影响a 车长轴b 磨内孔 1 工艺系统刚度的基本概念工艺系统抵抗变形的能力 常用刚度来描述 在物理学中 刚度是针对一个物体而言 是加到一个物体上的作用力F N 与该力在作用方向上的变形Y mm 的比值 即K F Y N mm 在机械加工中 工艺系统中的刚度是指垂直于已加工表面上的法向切削分力Fy与在此方向上工件与刀具之间相对位移Y的比值 即 K系统 Fy Y N mm 这里的位移Y不仅仅是Fy所引起的 而是由总切削力F Fx Fy Fz的合力 所产生的 刚度的倒数称为柔度 工艺系统的刚度 根据系统所受载荷的性质不同 可分为静刚度和动刚度两种 由于以上所指的K系统是在静态条件下力与位移的关系 所以K系统称为静刚度 动刚度是以动力学的观点 把工艺系统看作是具有一定质量 弹性和阻尼的机械系统 在动态力的作用下 系统会产生振动 我们把某一频率下产生单位位移振幅所需的激振力 称为动刚度 动刚度主要影响工件已加工表面的微观几何精度 波纹度 表面粗糙度等 而静刚度则主要影响工件的宏观几何精度 由此可见对于静刚度和动刚度的研究是缺一不可的 本节仅限于静刚度的研究 以下把静刚度简称刚度 工艺系统是由机床 刀具 工件 夹具组成的加工系统 所以工艺系统的刚度就决定于机床 刀具 工件和夹具的刚度 工艺系统的受力变形等于机床 刀具 工件和夹具在y方向的变形之和 即 Y系统 Y机床 Y刀具 Y工件 Y夹具 如果已知各组成部分在y方向的位移及作用力Fy 则可求出各组成部分的刚度为 K机床 Fy Y机床 K刀具 Fy Y刀具 K工件 Fy Y工件 K夹具 Fy Y夹具 这样工艺系统的刚度 K系统 Fy Y系统 Fy Y机床 Y刀具 Y工件 Y夹具 1 1 K机床 1 K刀具 1 K工件 1 K夹具 N mm 从上式可知 只要知道工艺系统组成部分的刚度 就可以求出工艺系统的总刚度 工艺系统刚度的特点 在工艺系统中 工件和刀具一般都是简单的构件 其刚度可利用材料力学中的公式直接近似求出 而系统中的机床和夹具结构较为复杂 它们是由许多零部件组成 故难以用一个数学模型来描述 主要是通过实验方法来确定 但是部件的受力变形远比单个实体零件的变形要大得很多 其主要原因有以下几个方面 a 连接表面的接触变形 机械加工后 零件表面存在着几何形状误差 波度及表面粗糙度 所以零件之间连接表面的实际接触面积只是理想接触面积的一部分 而真正处于接触状态的又是其中的个别凸峰 因此在外力的作用下 这些接触点就产生了较大的接触变形 b 薄弱零件本身的变形 在机器或部件中 常采用楔铁 键等零件连接 这些零件结构细长 刚度差 再加上制造时不易做得平直 接触不良 因此在外力作用下很容易发生变形 故使整个系统的刚度变差 c 接合面间的间隙 如果机器或部件中存在间隙 当所加载荷大于零件间的摩擦力时 就会产生位移 严重影响工艺系统的刚度 如果是单向受力 使零件始终靠在一面 那么间隙对加工精度影响很小 如镗床等 切削力的方向是变化的 对加工精度的影响就比较大 2 工件刚度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 3 刀具刚度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 4 机床部件刚度 机床部件刚度机床部件由许多零件组成 刚度迄今尚无合适的简易计算方法 目前主要是用实验方法来测定机床部件刚度 图示静测定法是一种最简单的测定方法 车床部件静刚度的测定 下图是一台车床刀架部件的实测刚度曲线 实验中历经三次加载 卸载过程 车床刀架部件的刚度曲线 分析实验曲线可知机床部件刚度具有以下特点 1 变形与载荷不成线性关系 2 加载曲线和卸载曲线不重合 卸载曲线滞后于加载曲线 两曲线线间所包容的面积就是在加载和卸载循环中所损耗的能量 它消耗于摩擦力所作的功和接触变形功 3 第一次卸载后 变形恢复不到第一次加载的起点 说明有残余变形存在 经多次加载卸载后 加载曲线起点才和卸载曲线终点重合 残余变形才逐渐减小到零 4 机床部件的实际刚度远比我们按实体估算的要小 影响机床部件刚度的因素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 在接触变形中 既有弹性变形 又有塑性变形 经多次加载卸载循环之后 弹性变形成分愈来愈大 塑性变形成分愈来愈小 接触状态逐渐趋于稳定 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 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 2 摩擦力的影响如图所示 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 摩擦力对机床部件刚度的影响 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 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 例如 内圆磨头的轴就是内圆磨头部件刚度的薄弱环节 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 5 工艺系统刚度及其对加工精度的影响在机械加工过程中 机床 夹具 刀具和工件在切削力的作用下 都将分别产生变形 致使刀具和被加工表面的相对位置发生变化 使工件产生加工误差 工艺系统刚度对加工精度的影响主要有以下几种情况 a 力作用点位置变化对加工精度的影响切削过程中 工艺系统刚度随受力点的位置不同 其变形量发生变化 从而引起工件的形状误差 例如 车削夹持在车床两顶尖间粗而短的光轴时 由于工件刚度大 在切削力的作用下工件的变形要比机床 刀具等变形小得多 故可忽略不计 工艺系统的变形主要取决于机床的变形 当刀具从右向左进给时 工艺系统刚度随切削力作用点的位置变化而变化 当刀具位于左右顶尖时 工艺系统刚度较小 当刀具在工件中间处 工艺系统刚度最大 刀具在变形大的地方切去较少的金属层 在变形小的地方切去较多的金属层 使得车出的工件呈两端粗 中间细的鞍形 如果车削夹持在两顶尖间的细长轴 由于工件细长 刚度小 在切削力的作用下 此时机床 刀具 夹具的变形很小 可以忽略不计 工艺系统的变形完全取决于工件的变形 当刀具位于左右顶尖时 工艺系统刚度较大 当刀具在工件中间处 工艺系统刚度最小 同样 刀具在变形大的地方切去较少的金属层 在变形小的地方切去较多的金属层 最后车出的工件呈两端细 中间粗的腰鼓形 由于切削力变化引起的误差在加工过程中 由于工件的加工余量发生变化 工件材质不均等因素引起的切削力变化 使工艺系统变形发生变化 从而产生加工误差 误差复映 如图所示为车削一个有椭圆形误差的毛坯 刀尖调整到要求尺寸的虚线位置 在工件每转一转的过程中 切削深度将发生变化 最大切深为ap1 最小切深为ap2 假设毛坯材料的硬度是均匀的 那么在ap1处的切削力Fy1最大 相应的变形y1也最大 ap2处Fy2最小 y2也最小 这样由于工艺系统受力变形的变化 使毛坯的椭圆度误差就复映到加工后的工件上 这种现象称为 误差复映 由图可知毛坯最大的误差 坯 ap1 ap2车削后工件上最大误差 工 y1 y2而y1 Fy1 K系统 y2 Fy2 K系统由切削原理可知 切削分力Fy CFapf0 75 式中 Fy Fz 一般取 0 4 CF为与工件材料及刀具几何角度有关的系数 则 工 y1 y2 CFf0 75 ap1 ap2 K系统 工 坯 CFf0 75 K系统 C K系统 称为误差复映系数 它定量地反映了毛坯误差经加工后减少的程度 是一个小于 的正数 越小 毛坯复映到工件上的误差也越小 从式中可看出减小C及增大K系统都能使 减小 如果采用一次走刀不能消除误差复映的影响而满足所要求的精度时 则可采用二次或多次走刀 设每次走刀的复映系数为 2 3 n 则总的误差复映系数 总 2 3 n 在粗加工时 每次走刀的进给量f一般不变 因此n次走刀就有 总 n由于误差复映系数 总是小于 经多次走刀后 加工误差也就很快达到允许的范围之内 由以上分析 可以把误差复映的概念 推广到下列几点 1 每一件毛坯的形状误差 不论是圆度 圆柱度 同轴度 垂直度误差等都以一定的复映系数复映成工件的加工误差 这是由于切削余量不均匀引起的 2 在车削的一般情况下 由于工艺系统刚度比较高 复映系数远小于1 在2至3次走刀以后 毛坯误差下降很快 尤其是第二次第三次走刀时的进给量常常是递减的 复映系数也就递减 加工误差的下降更快 所以一般车削时 只有在粗加工时用误差复映规律估算加工误差才有实际意义 如工艺系统刚度低 则需分析 3 在大批量生产中 都是采用定尺寸调整法加工的 即刀具在调整到一定的切深后 就一件件连续加工下去 这样 对于一批尺寸大小有参差的毛坯而言 每件毛坯的加工余量都不一样 由于误差复映的结果 也就造成了一批工件的 尺寸分散 为了保持尺寸分散不超出允许的公差范围 就有必要查明误差复映的大小 由于夹紧变形引起的误差工件在装夹过程中 如果工件刚度较低或夹紧力的方向和施力点选择不当 将引起工件变形 造成相应的加工误差 其它作用力的影响除上述因素外 重力 惯性力 传动力等也会使工艺系统的变形发生变化 引起加工误差 薄壁环装夹在三爪卡盘上镗孔时 夹紧后毛坯孔产生弹性变形 图a 镗孔加工后孔成为圆形 图b 松开三爪卡盘后 由于工件孔壁的弹性恢复使己镗成圆形的孔变成了三角棱圆形孔 图c 为了减小此类误差 可用一开口环夹紧薄壁环 图d 由于夹紧力在薄壁环内均匀分布 故可减小加工误差 夹紧力引起的加工误差a 夹紧后b 镗孔后c 放松后d 加过渡环后夹紧 6 减小工艺系统受力变形的途径由工艺系统刚度的表达式不难看出 若要减小工艺系统变形 就应提高工艺系统刚度 减小切削力并压缩它们的变动幅值 提高工艺系统刚度1 提高工件和刀具的刚度在钻孔加工和镗孔加工中 刀具刚度相对较弱 常用钻套或镗套提高刀具刚度 车削细长轴时工件刚度相对较弱 可设置中心架或跟刀架提高工件刚度 铣削杆叉类工件时在工件刚度薄弱处宜设置辅助支承等 2 提高机床刚度提高配合面的接触刚度 可以大幅度地提高机床刚度 合理设计机床零部件 增大机床零部件的刚度 并防止因个别零件刚度较差而使整个机床刚度下降 合理地调整机床 保持有关部位适当的预紧和合理的间隙等 3 采用合理的装夹方式和加工方式在卧式铣床上铣图示零件的平面 图b所示铣削方式的工艺系统刚度显然要比图a所示铣削方式的高 改变加工和装夹方式提高工艺系统刚度 减小切削力及其变化合理地选择刀具材料 增大前角和主偏角 对工件材料进行合理的热处理以改善材料的加工性能等 都可使切削力减小 切削力的变化将导致工艺系统变形发生变化 使工件产生形位误差 使一批加工工件的加工余量和加工材料性能尽量保持均匀不变 就能使切削力的变动幅度控制在某一许可范围内 五 工艺系统受热变形引起的误差工艺系统热变形对加工精度的影响比较大 特别是在精密加工和大件加工中 机床 刀具和工件受到各种热源的作用 温度会逐渐升高 同时也通过各种传热方式向周围的物质或空间散发热量 当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时 工艺系统就达到了热平衡状态 1 工艺系统的热源引起工艺系统变形的热源可分为内部热源和外部热源两大类 内部热源内部热源来自工艺系统内部 其热量主要是以热传导的形式传递的 内部热源主要包括 1切削热切削热对工件加工精度的影响最为直接 切削热的传导情况随切削条件不同而不同 车削加工中切削热将随着切削速度的不同而按不同的百分比传到工件 刀具和切屑中去 车削切削热的分配示意图 2 摩擦热和能量损耗工艺系统因运动副相对运动所生摩擦热和因动力源工作时的能量损耗而发热 尽管这部分热比切削热少 但它们有时会使工艺系统的某个关键部位产生较大的变形 破坏工艺系统原有的精度 3 派生热源工艺系统内部的部分热量通过切屑 切削液 润滑液等带到机床其它部位 使系统产生热变形 外部热源外部热源来自工艺系统外部 环境温度以对流传递为主要传递形式的环境温度的变化影响工艺系统的受热均匀性 从而影响工件的加工精度 2 辐射热以辐射为传递形式的辐射热 因其对工艺系统辐射的单面性或局部性而使工艺系统的热变形发生变化 从而影响工件的加工精度 2 工件不均匀受热在铣 刨 磨平面时 工件单面受切削热作用 上下表面之间形成温差 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 平面加工时热变形的估算 工件凸起量可按图示图形进行估算 由于上下表面之间温差 t将导致如图所示的弯曲变形 其热变的挠曲度f为 式中 L H 为工件的长度与厚度 mm 由此可见 工件越长 越薄 上下表面之间的温差越大 加工时的受热变形量也越大 例如磨削长2000mm 高600mm的精密平板 顶面与底面的温差 t 24 磨削后热变形产生的挠曲度f 0 023mm 3 刀具热变形对加工精度的影响刀具热变形的热源主要是切削热 切削热传给刀具的比例虽然一般都不很大 但由于刀具尺寸小 热容量小 刀具温升较高 刀头部位的温升更高 它对加工精度的影响是不能忽视的 实验及理论推导表明 车削时车刀的热伸长量与切削时间的关系如图所示 车刀的热变形曲线 连续切削时 刀具受热变形开始比较快 随后较缓慢 经过较短时间 便趋于热平衡状态 间断切削时 由于刀具有短时间的冷却时间 故受热变形的曲线具有热胀冷缩的双重特性 故总的受热变形量比连续切削时要小一些 最后趋于稳定在 1范围内波动 当切削停止后 刀具温度立即下降 开始冷却较快 以后逐渐减慢 加工细长轴时 刀具的热变形可能会使工件产生锥度 一般情况下 刀具的热变形对加工精度的影响不十分明显 4 机床的热变形对加工精度的影响 机床开动后 由于受到热源的影响 机床温度逐渐升高 但机床各部件结构不同 受热情况不同 各处温升也不同 故使机床产生复杂的变形 破坏了机床原有的冷态精度 从而造成了加工误差 由于各类机床的结构 加工方式和热源不同 故对加工精度影响情况也不同 对具体情况应具体分析 车 铣 钻 镗等机床的主要热源是主轴箱 图示车床 主轴箱的温升将使主轴升高 由于主轴前轴承的发热量大于后轴承的发热量 主轴前端将比后端高 由于主轴箱的热量传给床身 床身导轨亦将不均匀地向上抬起 车床的热变形 牛头刨床 龙门刨床 立式车床等机床的工作台与床身导轨间的摩擦