第一章 加工精度分析.ppt

第一章加工精度分析 1 1加工精度概述 1 1 1加工精度与加工质量1加工精度与加工误差2质量内容3制造质量 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1 1所示 2调整法 定程法 图1 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 图1 1试切法 图1 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 如图1 3所示4自动获得法 主动测量法 图1 3定尺寸刀具法 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 图1 4 所示2成形法利用刀具刃口形状获得工件的形状精度 如 图1 5 所示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 图1 6 所示 图1 4轨迹法车锥体 返回 图1 5用成形车刀车球面 返回 图1 6展成法滚齿 返回 三获得位置精度的方法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 主要靠机床各部件之间的位置精度来保证 如图1 7所示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1 8所示 图1 7一次安装法 返回 图1 8多次安装法 返回 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 通过测试 分析 计算 找出导致误差的主要因素 如图1 9所示 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 指导生产 1分布曲线法2点图法 图1 9误差因素分析法 返回 误差合成计算公式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 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1 10 2十大原始误差 1 1 4加工误差的来源 图1 10产品的制造过程 返回 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 1 2工艺系统几何误差及原理误差 例1铣制齿轮 图1 11 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1 11 例2滚切齿轮 图1 12 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1 12 例3车制蜗杆 图1 13 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 不可能得到精确值 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1 13 1 2 2机床误差 1 机床虽然制造精度要求比普通机械高 但仍存在误差 其误差主要来自四个方面 1 制造误差 2 安装调整误差 3 使用磨损 4 受力受热变形 机床误差对加工精度影响较大的有 主轴轴系误差 导轨误差与传动链误差 1 2 2 1主轴轴系误差按误差性质可分为几何偏心和运动偏心 造成几何偏心的原因是 主轴锥孔与轴线不同轴 定心外圆前后不同轴 轴肩支承面与轴线不垂直 轴颈的形状误差 一主轴的径向跳动 例1车床主轴与主轴承为间隙配合 设主轴轴颈有圆度误差为椭圆形 Fy F重 试分析对工件精度的影响 如图1 14分析 Fy方向不变 主轴颈与主轴承贴合点不变 主轴颈各点依次在贴合点与轴承接触 主轴中心在某个范围波动 导致工件误差 大小取决于主轴颈 主轴承形状误差对工件无影响 工件椭圆与主轴相差 2 图1 14车外圆时的主轴颈与主轴承 例2镗床主轴与主轴承为间隙配合 设主轴轴颈有圆度误差 椭圆形 Fy F重 试分析对工件精度的影响 图1 15分析 Fy方向不断变化 主轴颈与主轴承贴合点也不断变化 由于主轴 与镗杆相连 的贴合点不变 其形状误差对加工精度无影响 主轴承形状误差将直接反映到工件上 结论分析主轴与主轴承对加工精度的影响时 Fy方向不变找主轴 反之 找主轴承 径向跳动将影响工件的形状精度 图1 15镗孔时的主轴颈与主轴承 例3试分析车床主轴轴肩与主轴承端面跳动对加工精度的影响分析 主轴轴肩面与主轴承端面两者只要有一个基本无误差 由于轴向预紧力Q的作用 不会发生轴向窜动 图1 16a b 当两者都有误差时会产生轴向窜动 其窜动量的大小等于其中较小的那一个 图1 16c 轴向窜动使工件作往复运动 此误差对车外圆无影响 对车螺纹影响较大 导致螺距误差 其次影响车端面 使端面形成螺旋面 图1 16主轴轴肩与主轴承的端面跳动 1 2 2机床误差 2 1 2 2 2机床导轨误差 1 一机床导轨对加工精度的影响导轨是机床各部件的主要基准 将直接影响到工件的精度 1导轨的直线度以车床为例 若导轨水平面有 y的误差 则工件直径将产生2 y的误差 图1 17a 若在导轨垂直面内有 Z的误差 见图1 17b 返回 图1 17 2导轨与主轴不平行导轨在垂直面内不平行 将使工件车成双曲线回转体 见图1 18 3导轨的扭曲以磨床为例 图1 19 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 磨床H B D 2 R 2 H H B 2 H 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1 18导轨误差导致的误差 返回 图1 19导轨扭曲导致的误差 返回 1 2 2 2机床导轨误差 2 二提高机床导轨精度的措施1选择合理的导轨形状和组合形式 图1 20 2提高机床导轨的制造精度3采用静压导轨或贴塑导轨 如图1 21所示 1 2 2机床误差 3 返回 图1 20 返回 图1 21 1 2 2 3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 二 减少传动链误差的措施 1 2 2机床误差 4 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1 22 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 式中 T 机床丝杆螺距 P 工件螺距误差 i 传动比 返回 图1 22 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 图1 23 等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 图1 24 1 2 3刀具误差 返回 图1 23 图1 24 返回 以车削外圆为例 磨损对一件工件而言将产生锥度 对一批工件而言将使工件平均尺寸上升 磨损误差是系统性误差 可用公式表达 c L 0式中 总磨损量 m c 初始磨损量 m 0 单位磨损量 m kmL 切削路程 km 例 用YT15车刀加工长5M的丝杆外圆 工件材料为45钢 要求加工后D 100h7 选V 150m min f 0 3mm r ap 1 5mm 1 计算工件因刀具磨损而引起的误差 2 能否满足工件的精度要求 若不满足应取何对策 解 1 A求总磨损量根据切削条件查表 C 8 m 0 8 m 切削路程L Dn总 100 5000 0 3 106 5 236km c L 0 8 5 236 8 49 888 m 50 mB求磨损引起的直径增量 D 2 2 50 100 m 0 1mm2 查公差表 h7的公差为0 035mm 显然0 1 0 035 三对策A提高刀具耐用度 如更换刀具材料 对刀具进行涂层处理等 B采用可补偿性刀具 如用电致伸缩器 C采用数控车床加工 对其磨损自动进行补偿 D留加工余量 采用高一级的加工方法精加工 如磨削 夹具的制造误差与磨损也直接影响工件的加工精度 其中以定位元件与刀具导引件影响较大 如图1 25所示结论 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 1 2 4夹具的制造误差与磨损 返回 图1 25 一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称为调整误差 主要产生于调整法加工 二工件的安装误差的来源定位基面与定位元件未贴紧 见例子 定位面间的间隙 定位基准与设计基准不重合 夹紧变形 1 2 5安装与调整误差 例 如图1 26所示 在卧式铣床上用两把三面刃铣刀同时铣某仪表机床底座导轨两侧面 要求铣后两侧面相对于端面垂直度0 08 工件以底面作为主定位面 置于铣床工作台上 以侧面作为导向面 设置两个支承钉 因批量不大 用螺栓压板压在工作台上 铣完后发现 两侧面相对于端面垂直度达0 5左右 大大超出规定的公差 分析原因 是在拧紧螺栓时的摩擦力矩使工件一头脱离了支承钉 图1 26铣导轨两侧面 返回 机械加工中 工艺系统在切削力 重力 夹紧力 惯性力等外力作用下 都会发生变形 破坏刀刃与工件的相对位置 导致加工误差 1 3 1工艺系统的刚度1 工艺系统是一个弹性系统 图1 27 受力后易产生变形 2 影响机理工艺系统各种力的作用下 1 3工艺系统的受力变形 返回 图1 27 3 变形y的大小变形y的大小取决于作用力F的大小和工艺系统的刚度K 系统自身抵抗变形的能力 刚度K 作用力F 变形y N mm 4 工艺系统的刚度计算yxt yjc yd yg yjj式中 yxt 工艺系统的刚度 yjc 机床的刚度 yd 刀具的刚度 yg 工件的刚度 yjj 夹具的刚度 Kxt Kjc Kd Kg Kjj分别为工艺系统 机床 刀具 夹具的刚度 1 3 2工艺系统受力变形对加工精度的影响 1 3 2 1工艺系统的受力变形 1 一切削中刚度变化引起的误差1 机床的变形机床是影响机加工精度最主要的因素 机床的变形是各部件变形的综合结果 如图1 28所示 图1 28在两顶尖装夹下车外圆 返回 由此可得机床刚度的计算公式 1 3 2 2工艺系统的受力变形 2 3工艺系统的总变形由于刀具的变形比较小 略去不计 所以yxt yjc yg把前面的 4 5 式代入得 由上式可见 当Kjc大 Kg小时 工件让刀 加工后工件呈腰鼓形 如图1 29a所示 当Kjc小 Kg大时 两头让刀大 中间为床头与尾座共同承担 让刀小 加工后工件呈双曲线形 如图1 29b所示 图1 29 二毛坯误差的复映 1毛坯误差复映规律加工中发现 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 图1 30a 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 图1 30b 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 图1 30 在图1 30左图中 m 1 2 a b ap1 ap2式中 m 毛坯误差 a b 分别为毛坯长径 短径 ap1 ap2 分别为长 短径方向的背吃刀量 2工件误差的计算 g y1 y2 Fy1 Fy2 Kxt式中 g 工件误差 mm y1 y2 长 短径方向的变形 mm Fy1 Fy2 长 短径方向的径向力 N Kxt 系统刚度 N mm Fy1 CFyf0 75ap1 Cap1Fy2 CFyf0 75ap2 Cap2 C CFyf0 75 式中CFy 与工件材料有关的系数 f 进给量 mm r ap 背吃刀量 mm g C ap1 ap2 Kxt令 g m 则 C Kxt第一次车 g1 m第二次车 g2 g1 2 m 第i次车 gi i m分析 1 毛坯误差复映的本质是系统的刚度 y Fy Kxt 而Fy CFyf0 75ap 由于ap1 ap2 Fy1 Fy2 y1 y2 D1 D2 毛坯误差传给工件是必然的 采用调整法加工影响显著 2 毛坯误差要经过几次加工才能消除 零件要经过多次加工 才能达到较高精度 3 10 1 10 2 gi i m 毛坯误差减少得很快 一般只需2 3次即可消除 三惯性力引起的误差旋转质量不平衡时会产生离心力Q 图1 31 因Q的方向不断变化 当Q与Fy方向相同时将减少切深 方向相反时将増加切深 车削时使工件形成圆度误差 误差大小可根据离心力来估算 Y方向上 水平方向 的合力R可按下式计算Rymax Fy QRymin Fy Q式中Rymax Rymin Y方向上的最大 最小合力 Fy 径向切削力 Q 离心力 Q m 2 不平衡质量质心至回转中心的距离 角速度 1 3 2 3工艺系统的受力变形 3 返回 图1 图1 31 由上式可见不平衡质量越大 转速越高 加工误差越大 生产中常采用反向配重 降低转速来减少误差 导致的工件变形为 1 3 2 4工艺系统的受力变形 4 四工件的夹紧变形当工件刚度较差时 夹紧力的作用点和大小的选择非常重要 选择不当将导致较大的误差 例1 铣削连杆端面时 F直接加在杆身上 如图1 32 所示 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 图1 32夹紧力的作用点选择 例2 在车床上镗薄壁管件的孔 用三爪卡盘夹紧 由于夹紧力过大 产生弹性变形 加工完内孔去掉F 夹紧力 后 孔仍然不圆 见图1 33 图1 33 例3 在平面磨床上磨薄板 一般用电磁盘吸紧工件 当工件不平时被吸平 磨完后松开工件 工件又变得不平 见图1 34 结论应该正确对待夹紧1 夹紧力足够而不过大 2 作用于刚性好的部位 3 以均布载荷代替集中载荷 见图1 35 图1 35 图1 34 1 3 3机床刚度的测定 一静态测定法用螺旋测力器测出工件中间的受力 用千分表测出前后顶尖和刀架的变形量 根据K Fy y计算出刚度 例如 测定某机床刀架的静刚度曲线如图1 36所示 红线为加载曲线 蓝线为卸载曲线 一般用两端连线的斜率表示平均刚度 K Fy y 240 0 052 4600N mm 图1 36 二动态测定法静态测定法测定的刚度误差较大 生产中常用生产状态测定法 其原理是根据毛坯误差复映规律 在一根大刚度轴上车出三个台阶 D 然后走一次刀车掉台阶 测出三点的直径 d 求出三个台阶的误差复映系数 即可测出机床刚度 因为 g m C Kxt 图1 37 图1 37 图1 38 一定义互相接触的两个表面抵抗变形的能力称为接触刚度 两个互相接触的表面并非理想的面接触 实际上只有少量凸峰接触 在受到外力时就会发生变形 图1 39 二影响接触刚度的因素 零件表面几何形状误差及粗糙度 影响接触面积 薄件本身的变形 如导轨镶条 间隙与摩擦 交变负荷影响显著 1 3 4接触刚度 1 3 5减少受力变形的措施 一减少切削力二正确处理F重 F夹三减少间隙 提高刚度 图1 40 返回 图1 39 返回 图1 40 1 4工艺系统的热变形 1 4 1工艺系统的热源一热源种类 二影响机理 1 4 2工艺系统的温升及其计算公式一工艺系统的温升1 温升工艺系统在各种热源的作用下 温度逐渐升高 同时又向周围散热 温升曲线见图1 41 可见 对于精密件的加工 要在工艺系统处于热平衡阶段进行 图1 41中Tp 平均温升 Tpmax 热平衡时的最大平均温升 c1 时间常数 不散热升至Tpmax所需时间 c2 时间常数 图1 41 二计算公式1 切削热的计算Q FzVk J s W 式中Fz 主切削力 N V 切削速度 m s k 传入的百分比 2 等温体不散热时的平均温升Tp q mc 式中q 单位时间内输入物体的热量 W 输入热量的时间 s m 物体的质量 kg c 物体的比热 J kg 3 热平衡时的最大温升Tpmax q As s 式中As 散热面积 m2 s 物体散热表面与周围介质的换热系数 W m2 1 4 3机床的热变形及其对工件的影响一车 铣 钻 镗类机床的热变形普通车床主要热源是主轴箱内的传动元件的摩擦热 主轴箱热量传入导轨及导轨与溜板箱之间的摩擦热使导轨上凸导致主轴抬高并有倾斜 如图1 42所示 导致工件产生圆柱度误差 图1 42 二磨床类机床热变形的影响主要热源是砂轮架 头架和液压系统及冷却液 1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1 43 导致工件产生圆柱度误差 图1 43 2平面磨床圆台平面磨床易使立柱弯曲 图1 43 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 图1 43 三大型机床热变形对加工的影响大型机床如龙门刨 图1 44 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 如一台长12M高0 8M的导轨磨床 导轨面与底面温差1 其弯曲变形量达0 22mm 图1 44 1 4 4工件与刀具的热变形一工件的热变形 一 受热较均匀 图1 45 图1 45薄壁环状工件的受热 长轴工件由于纵向受热不均匀 使工件产生纵向形状误差 如图1 46所示 尺寸误差的大小可按下式计算平均温升Tp q mc FzV k mc直径变形 D DTp长度变形 L LTp式中 材料线胀系数 D 工件直径 L 工件长度 图1 46 二 不均匀受热所谓不均匀受热是指工件单面受热 如铣 刨 磨加工平面时 由于上下表面温度不同 导致工件上凸 切削后冷下来变成下凹 造成平面度误差 如图1 47所示 其平面度误差可按下式计算 TpL2 8H式中H 工件厚度 mm 图1 47 二刀具的热变形切削热传入刀具 引起刀具的热变形 刀杆伸长 变形曲线如图1 48所示 图1 48 1 减少热源 如电机 冷却池 液压装置尽量装在机床外部 2 采用热对称设计 如图1 49所示 图1 49 1 4 5工艺系统热变形的对策 3 采用热平衡或热补偿 如图1 50a所示 平面磨床上使冷却油在导轨 床身上下循环 图b把主轴处的热空气通过管道送到后立柱 使之均匀受热 减少了变形 图1 50 4 加冷却液 散热片强制冷却 5 建立恒温室 空载运转待机床热平衡后再加工 6 隔热设计 如图1 51 把立柱里面的电机 变速箱发出的热量用隔热材料隔起来 引出立柱 7 控制变形方向 使之无害于加工 图1 52a中由于箱体的定位块设在后导轨上 使孔的变形导致的加工误差大于图b 图1 52 图1 51 一产生因素1毛坯制造引起 铸 锻 焊时 加热 冷却不匀 收缩不匀 2冷校直储能引起 外力去掉 应力出现 导致变形 3切削加工引起 塑性变形不均 铸件切去外表 破坏原有平衡 如图1 53所示 加工完后 残余应力出现 导致导轨变形 4金相组织转化不匀 组织不同 体积不同 1 5残余应力引起的变形 图1 53 二变形特点三减少变形的对策1正确设计毛坯结构及制造工艺 铸件壁厚均匀 圆角过渡 如图1 54所示 减少热节 砂型预热 开箱不要过早 焊缝均匀等 2合理划分工段 粗精分开 适当热处理 加工过程中应安排时效处理 图1 54 一测