《机械加工精度》PPT课件.ppt

1 第5章机械加工精度 本章要点 影响加工误差的因素 加工误差的综合分析 机械加工精度的概念 获得加工精度的方法 2 机械制造技术基础 第5章机械加工精度AnalysisandControlofMachiningAccuracy 5 1概述IntroductiontoMachiningAccuracy 3 5 1机械加工精度的概念 通常形状误差限制在位置公差内 位置公差限制在尺寸公差内通常尺寸精度要求高形位精度要求也越高 表面粗糙度波度纹理方向伤痕 划痕 裂纹 砂眼等 4 5 1机械加工精度的概念 加工精度 零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度 符合程度愈高 加工精度愈高 加工误差 实际值与理想值之差 常用加工误差的大小来评价加工精度的高低加工误差越小 加工精度越高 5 1 系统误差与随机误差 5 1机械加工精度的概念 从误差是否被人们掌握来分 可分为系统误差和随机误差 又称偶然误差 凡是误差的大小和方向均已掌握 则为系统误差 凡是没有掌握规律的误差 为随机误差 系统误差又可以分为常值系统误差和变值系统误差 常值系统误差的数值是不变的 变值系统误差是误差的大小和方向按一定规律变化 可按线性规律变化 也可按非线性规律变化 2 静态误差与切削状态误差从误差是否与切削状态有关来分 可分为静态误差与切削状态误差 工艺系统在不切削状态下所出现的误差 通常称之为静态误差 工艺系统在切削状态下所出现的误差 通常称之为切削状态误差 6 5 2获得加工精度的方法 1 获得尺寸精度的方法1 试切法用于单件小批生产2 调整法用于成批大量生产3 定尺寸刀具法生产率高 刀具制造复杂4 自动控制法切削测量补偿调整 2 获得形状精度的方法1 轨迹法利用刀尖运动轨迹形成工件表面形状2 成形刀具法由刀刃的形状形成工件表面形状3 展成法由切削刃包络面形成工件表面形状 3 获得相互位置精度的方法主要由机床精度 夹具精度和工件的装夹精度来保证 7 1 获得尺寸精度的方法1 试切法用于单件小批生产 8 1 获得尺寸精度的方法2 调整法用于成批大量生产 9 1 获得尺寸精度的方法2 调整法用于成批大量生产 10 引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差 将工艺系统的误差称为原始误差 5 3影响加工精度的因素 图5 3 0原始误差构成 11 5 3影响加工精度的因素 理论方法 运用物理学和力学原理 分析研究某一个或某几个因素对加工精度或表面质量的影响 试验方法 通过试验或测试 确定影响各因素与加工质量指标之间的关系 统计分析方法 运用数理统计原理和方法 根据被测质量指标的统计性质 对工艺过程进行分析和控制 研究加工质量的方法 12 加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差 5 3 1加工原理误差 式中R 球头刀半径 h 允许的残留高度 例2 用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮 例1 在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件 图5 5 0 13 5 3 2 1机床误差 工艺系统原始误差方向不同 对加工精度的影响程度也不同 对加工精度影响最大的方向 称为误差敏感方向 误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向 图5 6 4 1 4 2 显然 14 5 3 2 1机床误差 主轴回转误差是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移 为便于研究 可将主轴回转误差分解为径向圆跳动 端面圆跳动和倾角摆动三种基本型式 图5 7 15 5 3 2 1机床误差 主轴回转误差对加工精度的影响 主轴径向圆跳动对加工精度的影响 镗孔 考虑最简单的情况 主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动 其频率与主轴转速相同 幅值为2e 则刀尖的坐标值为 式中R 刀尖回转半径 主轴转角 显然 式 5 2 为一椭圆 16 图5 9径向跳动对车外圆精度影响 5 3 2 1机床误差 仍考虑最简单的情况 主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动 其频率与主轴转速相同 幅值为2e 则刀尖运动轨迹接近于正圆 图5 9 思考 主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动 其频率为主轴转速两倍 被车外圆形状如何 结论 主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差 主轴径向圆跳动对加工精度的影响 车外圆 17 5 3 2 1机床误差 主轴端面圆跳动对加工精度的影响 被加工端面不平 与圆柱面不垂直 加工螺纹时 产生螺距周期性误差 主轴倾角摆动对加工精度的影响 与主轴径向跳动影响类似 不仅影响圆度误差 而且影响圆柱度误差 18 5 3 2 1机床误差 影响主轴回转精度的主要因素 内外滚道圆度误差 滚动体形状及尺寸误差 滑动轴承 镗床 图5 11 0 轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动 滚动轴承 车床 图5 10 0 轴径不圆引起车床主轴向跳动 注意其频率特性 静压轴承 对轴承孔或轴径圆度误差起均化作用 19 5 3 2 1机床误差 影响主轴回转精度的主要因素 推力轴承 滚道端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差 图5 12 0 其他因素 轴承孔 轴径圆度误差 轴承孔同轴度误差 轴肩 隔套端面平面度误差及与回转轴线的垂直度误差 装配质量等 20 导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的偏差 包括 导轨在水平面内的直线度 导轨在垂直面内的直线度 前后导轨平行度 扭曲 导轨与主轴回转轴线的平行度 或垂直度 等 导轨导向误差对加工精度的影响 导轨水平面内的直线度误差 误差敏感方向 影响显著导轨垂直面内的直线度误差 误差非敏感方向 影响小导轨扭曲对加工精度的影响 影响显著 图5 6 1 5 3 2 1机床误差 21 导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响 5 3 2 1机床误差 22 影响导轨导向精度的主要因素 5 3 2 1机床误差 机床制造误差机床安装误差导轨磨损 23 机床传动误差对加工精度的影响 以齿轮机床传动链为例 式中 n 传动链末端元件转角误差 kj 第j个传动元件的误差传递系数 表明第j个传动元件对末端元件转角误差影响程度 其数值等于该元件至末端元件的传动比 n 传动链末端元件角速度 j 第j个传动元件转角误差的初相角 5 3 2 1机床误差 24 缩短传动链长度提高末端元件的制造精度与安装精度采用降速传动采用频谱分析方法 找出影响传动精度的误差环节对传动误差进行补偿 末端元件转角误差 提高传动精度措施 5 3 2 1机床误差 25 5 3 2 2刀具与夹具误差 定尺寸刀具 钻头 绞刀等 尺寸误差影响加工尺寸误差成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差 26 5 3 2 2刀具与夹具误差 夹具误差影响加工位置精度 与夹具有关的影响位置误差因素包括 通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1 3 1 定位误差 2 刀具导向 对刀 误差 3 夹紧误差 4 夹具制造误差 5 夹具安装误差 27 5 3 2 3调整误差 测量误差试切时与正式切削时切削厚度不同造成的误差机床进给机构的位移误差 定程机构误差样件或样板误差测量有限试件造成的误差和试切法有关的误差 图4 20试切法与调整法 28 机械制造技术基础 第5章机械加工精度 29 在加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比 5 3 3 1基本概念 式中k 工艺系统刚度 Fp 吃刀抗力 X 工艺系统位移 切削合力作用下的位移 30 5 3 3 1基本概念 式中k 工艺系统刚度 kjc 机床刚度 kjj 夹具刚度 kd 刀具刚度 kg 工件刚度 工艺系统受力变形等于工艺系统各组成部分受力变形之迭加 由此可导出工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系 31 机床变形引起的加工误差 5 3 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 式中Xjc 机床总变形 Fp 吃刀抗力 ktj 机床前顶尖处刚度 kwz 机床后顶尖处刚度 kdj 机床刀架刚度 L 工件全长 Z 刀尖至工件左端距离 32 5 3 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 工件加工后成鞍形 图5 22 0 图5 22 0机床受力变形引起的加工误差 工件变形引起的加工误差 式中Xg 工件变形 E 工件材料弹性模量 J 工件截面惯性矩 Fp L Z 含义同前 由于工件变形 使工件加工后成鼓形 图5 23 0 图5 23 0工件受力变形引起的加工误差 33 机床变形和工件变形共同引起的加工误差 工艺系统刚度 5 3 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 34 式中 g 工件圆度误差 m 毛坯圆度误差 k 工艺系统刚度 误差复映系数 以椭圆截面车削为例说明 图5 22 0 由于工艺系统受力变形 使毛坯误差部分反映到工件上 此种现象称为 误差复映 5 3 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 误差复映 35 误差复映系数 机械加工中 误差复映系数通常小于1 可通过多次走刀 消除误差复映的影响 5 3 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 误差复映程度可用误差复映系数来表示 误差复映系数与系统刚度成反比 36 夹紧力 重力 传动力和惯性力引起的加工误差 夹紧力影响 a b 图5 25 0薄壁套夹紧变形 图5 26 0薄壁工件磨削 例1 薄壁套夹紧变形解决 加开口套 例2 薄壁工件磨削解决 加橡皮垫 5 3 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 37 图5 27 0龙门铣横梁变形 例 龙门铣横梁 图5 28 0龙门铣横梁变形转移 图5 29 0龙门铣横梁变形补偿 重力影响 5 3 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 解决1 重量转移 解决2 变形补偿 38 传动力与惯性力影响 理论上不会产生圆度误差 但会产生圆柱度误差 易会引起强迫振动 5 3 3 2工艺系统刚度对加工精度的影响 39 5 3 3 3机床部件刚度及其影响因素 非线形关系 不完全是弹性变形加载和卸载曲线不重合 所围面积表示克服摩擦和接触塑性变形所作功存在残余变形 反复加载卸载后残余变形 0机床部件刚度比按实体估算值小许多 表明其变形受多种因素影响 40 5 3 33机床部件刚度及其影响因素 式中c m 与接触面材料 表面状况有关的系数和指数 p 表面压强 组成件的实体刚度 受力产生拉伸 压缩 弯曲变形 特别是薄弱件 楔条 轴套等 影响较大连接表面接触变形 其大小与接触面压强有关 结合面间隙零件表面摩擦力的影响 41 5 3 3 4减小受力变形对加工精度影响措施 合理设计零部件结构和截面形状提高连接表面接触刚度 表面粗糙度 改进接触质量 予加载荷 采用辅助支承 中心架 跟刀架 镗杆支承等 图5 33 0支座零件不同安装方法 图5 32 0转塔车床导向杆 采用合理装夹和加工方式 图5 28 0 5 29 0 5 56 0 5 58 0 42 5 3 3 5工件残余应力引起的变形 图5 34 0铸件残余应力引起变形 图5 35 0冷校直引起的残余应力 设计合理零件结构粗 精加工分开避免冷校直时效处理 毛坯制造和热处理产生的残余应力 图5 34 0 冷校直带来的残余应力 图5 35 0 切削加工带来的残余应力 43 机械制造技术基础 第5章机械加工精度 44 5 3 4 1概述 在精密加工和大件加工中 工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约40 70 温度场 工艺系统各部分温度分布热平衡 单位时间内 系统传入的热量与传出的热量相等 系统各部分温度保持在一相对稳定的数值上温度场与热平衡研究 目前以实验研究为主 45 5 3 4 2机床热变形对加工精度影响 体积大 热容量大 温升不高 达到热平衡时间长结构复杂 温度场和变形不均匀 对加工精度影响显著 图5 36 0车床受热变形 a 车床受热变形形态 b 温升与变形曲线 46 5 3 4 2机床热变形对加工精度影响 立铣 图a 图5 37 0立式铣床 外圆磨床 导轨磨床受热变形 a 铣床受热变形形态 b 外圆磨床受热变形形态 c 导轨磨床受热变形形态 外圆磨 图b 导轨磨 图c 47 5 3 4 3刀具和工件热变形对加工精度影响 体积小 热容量小 达到热平衡时间较短温升高 变形不容忽视 达0 03 0 05mm 特点 变形曲线 图5 42 式中 热伸长量 max 达到热平衡热伸长量 切削时间 c 时间常数 热伸长量为热平衡热伸长量约63 的时间 常取3 4分钟 48 圆柱类工件热变形 5级丝杠累积误差全长 5 m 可见热变形的严重性 式中 L D 长度和直径热变形量 L D 工件原有长度和直径 工件材料线膨胀系数 t 温升 长度 直径 例 长400mm丝杠 加工过程温升1 热伸长量为 5 3 4 3刀具和工件热变形对加工精度影响 49 式中 X 变形挠度 L S 工件原有长度和厚度 工件材料线膨胀系数 t 温升 板类工件单面加工时的热变形 图5 39 0 此值已大于精密导轨平直度要求 结果 加工时上表面升温 工件向上拱起 磨削时将中凸部分磨平 冷却后工件下凹 例 高600mm 长2000mm的床身 若上表面温升为3 则变形量为 5 3 4 3刀具和工件热变形对加工精度影响 50 5 3 4 4减小热变形对加工精度影响的措施 例1 磨床油箱置于床身内 其发热使导轨中凹解决 导轨下加回油槽 例2 立式平面磨床立柱前壁温度高 产生后倾 解决 采用热空气加热立柱后壁 图5 41 0 图5 41 0均衡立柱前后壁温度场 减少切削热和磨削热 粗 精加工分开 充分冷却和强制冷却 隔离热源 51 热对称结构热补偿结构 图5 42 0 主轴热补偿 图5 42 0双端面磨床主轴热补偿1 主轴2 壳体3 过渡套筒 合理选择装配基准 图5 43 0 高速空运转人为加热 恒温人体隔离 5 3 4 4减小热变形对加工精度影响的措施 52 机械制造技术基础 第5章机械加工精度 53 5 4 0加工误差的性质 复习 在顺序加工一批工件中 其大小和方向均不改变 或按一定规律变化的加工误差 常值系统误差 其大小和方向均不改变 如机床 夹具 刀具的制造误差 工艺系统在均匀切削力作用下的受力变形 调整误差 机床 夹具 量具的磨损等因素引起的加工误差 变值系统误差 误差大小和方向按一定规律变化 如机床 夹具 刀具在热平衡前的热变形 刀具磨损等因素引起的加工误差 54 5 4 0加工误差的性质 在顺序加工一批工件中 其大小和方向随机变化的加工误差 随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用而引起的 随机误差服从统计规律 如毛坯余量或硬度不均 引起切削力的随机变化而造成的加工误差 定位误差 夹紧误差 残余应力引起的变形等 运用数理统计原理和方法 根据被测质量指标的统计性质 对工艺过程进行分析和控制 55 5 4 1分布图分析法 1 采集数据样本容量通常取n 50 2002 确定分组数 组距 组界 组中值 按教材134页表5 2初选分组数k 确定组距d 取整 d d 确定分组数k 确定各组组界 组中值 统计各组频数 56 5 4 1分布图分析法 3 计算样本平均值和标准差 4 画直方图 图5 44 0 57 正态分布 式中 和 分别为正态分布随机变量总体平均值和标准差 平均值 0 标准差 1的正态分布称为标准正态分布 记为 x N 0 1 概率密度函数 5 19 5 4 1分布图分析法 58 分布函数 令 将z代入上式 有 则利用上式 可将非标准正态分布转换成标准正态分布进行计算 图5 45 称z为标准化变量 5 4 1分布图分析法 59 非正态分布 双峰分布 两次调整下加工的工件或两台机床加工的工件混在一起 图5 46a 平顶分布 工件瞬时尺寸分布呈正态 其算术平均值近似成线性变化 如刀具和砂轮均匀磨损 图5 46b 偏向分布 如工艺系统存在显著的热变形 或试切法加工孔时宁小勿大 加工外圆时宁大勿小 图5 46c 图5 46 0几种非正态分布 5 4 1分布图分析法 60 判断加工性质 判断是否存在明显变值系统误差 判断是否存在常值系统误差 及常值系统误差的大小 确定工序能力 工序能力系数 Cp T 6 5 23 5 4 1分布图分析法 式中TU TL 公差带上 下限 公差带中心与误差分布中心偏移距离 误差分布的标准差 61 5 4 1分布图分析法 y 图5 49工艺能力系数符号含义 x 0 3 3 公差带 T TU TL 62 工序能力等级 5 4 1分布图分析法 CP表示工艺过程本身的能力 而工艺能力系数CPK则表示过程满足技术要求的能力 实际上是 过程能力 与 管理能力 的综合 63 5 4 2点图分析法 图5 49 0单值点图 64 5 4 2点图分析法 图是控制图和R控制图联合使用的统称 R图 A2 D1 D2数值可参见有关资料 表示样组平均值 R表示样组极差 图控制限 图 65 5 4 2点图分析法 工艺过程稳定性点子正常波动 工艺过程稳定 点子异常波动 工艺过程不稳定 稳定性判别 没有点子超出控制限 大部分点子在中心线上下波动 小部分点子靠近控制限 点子变化没有明显规律性 如上升 下降倾向或周期性波动 同时满足为稳定 66 5 4 2调整尺寸 式中Lt 调整尺寸 LM 平均尺寸 Tt 调整公差 由图5 52 0所示关系可得 样本平均值分布 67 4 5 4调整尺寸 上式要求过于苛刻 产生不合格品得概率只有0 00036 用2 代替3 得到 此时产生不合格品得概率为0 104 完全可以接受 68 机械制造技术基础 第5章机械加工精度 69 5 5 1误差预防 合理采用先进工艺和设备 误差预防指减小原始误差本身或减小原始误差的影响 减小原始误差 转移原始误差 图5 53 0 误差分组 就地加工 均化原始误差 如研磨加工 易位加工 图5 54 0 70 5 5 2误差补偿 在线测量与在线补偿 图5 55 0 指人为引入附加误差因素 以抵消或减小原始误差的影响 图5 55 0高压油泵偶件自动配磨装置示意图 71 图5 56 0丝扛加工误差补偿装置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 5 5 2误差补偿 采用校正装置 图5 56 0 72 以弹性变形补偿热变形 图5 57 0 其他补偿方法 图5 58 0龙门铣横梁变形补偿 以热变形补偿热变形 图5 59 0 以几何误差补偿受力变形 图5 58 0 5 5 2误差补偿 73 加工误差综合分析 讨论与示例分析解决加工误差问题的方法和步骤 1 调查2 分析3 测试 1 静测试 2 在加工过程中测定 3 加工试验4 验证 第5章机械加工精度 74 实例1 尾座体孔的镗孔正锥度 头部孔径比尾部大 误差 第5章机械加工精度 75 第5章机械加工精度 76 实例2 连杆小头 衬套 孔金刚镗的位置误差 第5章机械加工精度 77 第5章机械加工精度 78 第5章机械加工精度 产生误差的原因初步分析 79 习题与讨论题1 如习图5 1所示 零件安装在车床三爪卡盘上车孔 内孔车刀安装在刀架上 加工后发现被加工孔出现外大里小的锥度误差 产生该误差的可能原因有 主轴径向跳动 三爪装夹面与主轴回转轴线不同轴 车床纵向导轨与主轴回转轴线不平行 刀杆刚性不足2 在车床上以两顶尖定位车削光轴 车后发现工件中部直径偏大 两头直径偏小 其可能的原因有 工件刚度不足 前后顶尖刚度不足 车床纵向导轨直线度误差 导轨扭曲 第5章机械加工精度 答案1 三爪装夹面与主轴回转轴线不同轴 车床纵向导轨与主轴回转轴线不平行答案2 工件刚度不足 车床纵向导轨直线度误差 80 3 在车床上车削光轴 习图5 2 车后发现工件A处直径比B处直径大 其可能的原因有 刀架刚度不足 尾顶尖刚度不足 导轨扭曲 车床纵向导轨与主轴回转轴线不平行 第5章机械加工精度 4 如习图5 3所示 零