第二章_机械加工精度及其控制整理版本PPT课件.ppt

第二章机械加工精度 2 1概述 零件的加工质量是保证机械产品工作性能和产品寿命的基础 衡量进行加工质量的指标有两方面 加工精度表面质量 本章的任务是讨论零件的机械加工精度问题 一 机械加工精度和加工误差 在机械加工过程中 由于各种因素的影响 使刀具和工件间的正确位置发生偏移 因而加工出来的零件不可能与理想的要求完全符合 两者的符合程度可用机械加工精度和加工误差来表示 从保证产品的使用性能分析 没有必要把每个零件都加工得绝对准确 可以允许有 定的加工误差 只要加工误差不超过图样规定的偏差 即为合格品 是指零件加工后的实际几何参数 尺寸 形状和位置 与理想几何参数的符合程度 1 机械加工精度 2 加工误差 是指零件加工后的实际几何参数 尺寸 形状和位置 与理想几何参数的偏离程度 加工精度越高 则加工误差越小 反之越大 加工精度的高低是以国家有关公差标准来表示的 保证和提高加工精度实际上就是限制和降低加工误差 3 机械加工精度包含的内容 尺寸精度形状精度位置精度 机械加工精度 三者之间的关系 1 当尺寸精度要求高时 相应的位置精度和形状精度也要求高 形状公差应限制在位置公差内 位置公差应限制在尺寸公差内 2 当形状精度要求高时 相应的位置精度和尺寸精度不一定要求高 4 加工精度与加工成本和生产效率的关系 一般地 加工精度要求 加工成本 生产效率 5 研究加工精度的目的 研究加工精度的目的 就是弄清各种原始误差对加工精度影响的规律 掌握控制加工误差的方法 以获得预期的加工精度 必要时能指出进一步提高加工精度的途径 6 研究加工精度的方法 因素分析法统计分析法 在实际生产中 常常结合起来应用 一是先用统计分析法寻找误差的出现规律 初步判断产生加工误差的可能原因 然后运用单因素分析法进行分析 试验 以便迅速 有效地找出影响加工精度的主要原因 补充知识 1 获得零件形状精度的方法轨迹法 依靠刀尖的运动轨迹即成形运动精度 成形法 依靠成形刀具即成形精度 和成形运动精度 展成法 依靠展成运动即展成运动的精度 2 获得零件尺寸精度的方法试切法 切削 测量 调整 切削 测量 再调整 调整法 依靠试件 样件 挡块等定行程装置 定尺寸刀具法 依靠刀具自身制造精度 自动控制法 自动化的试切法或调整法3 获得零件表面的相互位置精度一次安装 连续加工 不受定位精度 夹紧精度影响多次安装 多次加工 受定位精度 夹紧精度影响 二 影响加工精度的因素 零件的尺寸 几何形状和表面间的相互位置的形成 归根到底取决于工件和刀具在切削过程间的相互位置 由于工艺系统存在各种原始误差 它们以不同的方式和程度反映为加工误差 由此可见 1 原始误差 机床夹具刀具工件 亦称机械加工工艺系统 构成了机械加工系统 故 工艺系统误差称为原始误差 工艺系统误差是 因 是根源 加工误差是 果 是表现 2 零件加工中的各种原理误差 调整误差定位误差夹紧误差制造误差测量误差因残余应力产生的误差加工原理误差 机加工前 对机床 夹具 刀具调整中 由切削力 惯性力 刀具磨损 切削热等引起 工件加工 测量好后 由于采用了近似的加工方法 机械加工中的原始误差可归纳为 三 误差的敏感方向 在加工过程中 各种原始误差的影响会使刀具和工件间正确的几何关系遭到破坏 引起加工误差 各种原始误差的大小和方向各不相同 而加工误差则必须在工序尺寸方向度量 因此 不同的原始误差对加工精度有不同的影响 当原始误差的方向与工序尺寸方向一致时 其对加工精度的影响最大 下面以外圆车削为例说明两者的关系 如图 车削时工件的回转轴线为O 刀尖正确位置在A 设某一瞬时由于各种原始误差的影响 使刀尖位移到A AA 即为原始误差 它与OA间的夹角为 由此引起工件加工后的半径由R0 OA变为R OA 故半径上的加工误差 R为 当原始误差的方向恰为加工表面的法向方向 0 时 引起的加工误差最大 可以看出 当原始误差的方向恰为加工表面的切线方向 90 引起的加工误差最小 把对加工精度影响最大的那个方向称为误差的敏感方向 对加工精度影响最小的那个方向则称为误差的不敏感方向 刨床的误差敏感方向呢 工件的垂直方向镗削的误差敏感方向呢 工件内圆切削点的法向方向磨削的误差敏感方向呢 工件的法向方向 加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的切削刃轮廓进行加工而产生的误差 一 加工原理误差 如 1 在数控机床上采用 行切法 加工复杂形面 2 2工艺系统的几何精度对加工精度的影响 2 车削模数蜗杆 由于蜗杆的螺距等于蜗轮的齿距 即 m 其中m是模数 而 是一个无理数3 14159 但是车床配换齿轮的齿数是有限的 因此 在选择配换齿轮时 只能将 化为近似的分数值计算 这样就会引起刀具相对工件的成形运动 螺旋运动 不准确 造成螺距误差 但是 这种螺距误差可通过配换齿轮的合理选配而减小 滚齿加工用的齿轮滚刀有两种误差 一是切削刃齿廓近似造形误差 由于制造上的困难 采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆 二是由于滚刀刀齿数有限 且有容屑槽实际上加工出的齿形是一条折线 和理论上的光滑渐开线有差异 包洛造形误差 3 滚齿加工 注意 采用近似的成形运动或近似的切削刃轮廓 虽然会带来加工原理误差 但往往可简化机床或刀具的结构 提高生产效率 有时反而能得到较高的加工精度 因此 只要刀具误差不超过规定的精度要求 在生产中仍能得到广泛的应用 二 调整误差 在机械加工的每一工序中 总是要对工艺系统进行这样或那样的调整工作不可能绝对地准确 因而产生调整误差 工艺系统的调整的基本方式 1 试切法调整 2 调整法调整 1 试切法调整 1 测量误差 由量具本身精度度 测量方法及使用条件引起 2 进给机构的位移误差 在微量调整刀具的位置 低速微量进给中 常常出现进给机构的 爬行 现象 其结果使刀具的实际位移与刻度盘上的数值不一致 造成加工误差 3 试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响 精加工时 最后一道切削刃只起挤压作用而不起切削作用 但正式切削时的深度较大 粗加工反之 让刀 应用 单件小批生产中 方法 对工件进行试切 测量 调整 再试切 直到达到要求的精度为止 这时 引起调整误差的因素有 2 调整法调整 影响调整精度的因素有 1 用定程机构调整时 调整精度取决于行程挡块 靠模及凸轮等机构的制造精度和刚度 2 用样件或样板调整时 调整精度取决于样件或样板的制造 安装和对刀精度 3 工艺系统初调好以后 般要试切几个工件 并以其平均尺寸作为判断调整是否准确的依据 由于试切加工的工件数 称为抽样件数 不可能太多 不能完全反映整批工件切削过程中的各种随机误差 故试切加工几个工件的平均尺寸与总体尺寸不能完全符合 也造成加工误差 三 机床误差 机床的制造误差 安装误差以及使用中的磨损都直接影响工件的加工精度 机床误差可归纳为 机床导轨导向误差机床主轴回转误差机床传动链的误差 机床误差 1 机床导轨误差 机床导轨误差多达21项 机床导轨是实现直线运动的主要部件 其制造和装配精度是影响直线运动的主要因素 直接影响工件的加工质量 机床导轨误差 机床导轨误差多达21项 3 6 3 21 导轨在水平面内直线度误差导轨在垂直面内直线度误差导轨面间平行度 扭曲 误差导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度误差 1 直线导轨导向精度的主要内容有 1 磨床导轨在水平面内直线度误差的影响引起工件在半径方向上的误差 当磨削长外圆时 造成圆柱度误差 2 磨床导轨在垂直面内直线度误差的影响由于磨床导轨在垂直面内存在误差 磨削外圆时 工件沿砂轮切线方向产生位移 误差非敏感方向 此时工件产生较小的圆柱度误差 对平面磨床 龙门刨床 铣床等法向方向的位移 误差敏感方向 将直接反映被加工件的表面形成的形状误差 Y Y o D R 水平面 导轨水平面内直线度 敏感方向 使工件产生圆柱度误差 垂直平面 导轨垂直面直线度 Z d R Z R d 2 非敏感方向 可忽略不计 3 导轨面间平行度 扭曲 误差的影响如车床两导轨的平行度误差 扭曲 使床鞍产生横向倾斜 刀具产生位移 因而引起工件形状误差 4 导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度误差的影响 造成加工表面下凹 实际应用中 为防止 扫刀 往往将主轴与进给方向倾斜一微小角度 30 其他因素引起工件形位误差 a 前后导轨的磨损 b 机床热变形 靠主轴位温度高 成翘曲 c 润滑d 导轨副的磨损 2 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 2 主轴回转运动误差的形式 端面圆跳动 轴向漂移 径向圆跳动 径向漂移 倾角摆动 角向漂移 主轴的回转运动误差的基本形式 注意 实际中常是这几种误差的合成 端面圆跳动 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 径向圆跳动 瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动b 它主要影响圆柱面的精度 角度摆动 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 3 主轴回转误差对加工精度的影响 1 端面圆跳动 1 对圆柱面的加工 无影响 轴向 误差不敏感方向 2 对加工端面的影响 3 对螺纹加工的影响 法向 如图 a A R tg 螺距周期误差 如图 b 2 径向圆跳动 使工件产生圆度误差 但影响程度因加工方法的不同而异 如 1 镗孔时 设原始误差 主轴径向回转误差表现为y向简谐运动 h Acos 在任一时刻刀尖a的位置为 分析 这是椭圆的参数方程 加工出的孔呈椭圆形 圆度误差为A 2 车削时 3 倾角摆动1 几何轴线相对于平均轴线在空间成一定锥角 的圆锥轨迹 正圆锥形状误差 从垂直于平均轴线的截面看 2 几何轴线在某个平面内做角度摆动 摆动频率与主轴回转频率一致 从垂直于平均轴线的截面看 圆柱度 车削 刀尖到平均轴线的距离不变 椭圆体误差 镗削 镗刀尖到几何轴线的距离不变 但刀尖到平均轴线的距离变化 4 主轴回转运动误差的影响因素 主轴的误差 制造轴承的误差 圆度 波度 主轴颈与内孔 轴承的间隙 影响油膜厚度 与轴承配合零件的误差 轴颈和箱体轴承孔主轴系统的径向不等刚度和热变形等 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 滑动轴承 工件回转类 刀具回转类 思考 1滑动轴承误差 a刀具回转类 镗床 磨床 铣床 主轴回转一周 主轴径向跳动两次 来回 次 b工件回转类 车床 主轴回转一周 主轴径向跳动 次 2滚动轴承误差 内圈 主轴颈外圈 轴承孔滚动体尺寸误差 依保持架与主轴转速比而定 3向心推力轴承误差 滚道的端面误差内外滚道的倾斜 圆度与波度 4 提高主轴回转精度的措施 1 提高主轴部件的制造精度 首先应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 其次应提高轴承组件的接触刚度 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 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 如下图 对滚动轴承适当预紧 微量过盈可使轴承内 外圈和滚动体的弹性变形相互制约 这样既增加轴承刚度 又对滚动体的误差起均化作用 因而可提高主轴的回转精度 外圆磨床磨削外圆柱面时 采用固定顶尖支承 在镗床上加工箱体类零件上的孔时 采用前 后导向套的镗模 刀杆与主轴浮动联接 所以刀杆的回转精度与机床主轴回转精度也无关 仅由刀杆和导套的配合质量决定 三 机床传动链误差 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 在螺纹加工或用展成法加工齿轮等工件时 必须保证工件与刀具间有严格的运动关系 传动链的传动误差影响其加工精度的主要因素 1 传动链的传动误差 例如 在滚齿机上用单头滚刀加工直齿轮时 要求滚刀与工件之间具有严格的运动关系 滚刀转一转 工件转过一个齿 这种运动关系是由刀具与工件间的传动链来保证的 由于各传动件在传动链中所处的位置不同 它们对工件加工精度 即末端件的转角误差 的影响程度是不同的 如传动链是升速传动 则传动元件的转角误差将被扩大 反之 则转角误差将被缩小 如图所示的机床传动系统 可具体表示为 2 传动链误差的传递系数 传动链误差一般可用传动链末端元件的转角误差来衡量 假设滚刀轴均匀旋转 若齿轮Z1有转角误差 1 而其他各传动件无误差 则传到末端件所产生的转角误差 1n为 由于所有的传动件都存在误差 因此 各传动件对工件精度影响的总和 为各传动元件所引起末端元件转角误差的叠加 同理 可求得其它齿轮转角误差 i 对末端件所产生的转角误差为 如果考虑到传动链中各传动元件的转角误差都是独立的随机变量 则传动链末端元件的总转角误差可用概率法进行估算 可以认为 各传动元件的转角误差是转角的正弦函数如以末端元件的圆频率为基准 各传动元件引起末端元件的转角误差就是其各次的谐波分量 3 减少传动链传动误差的措施 1 尽可能缩短传动链 2 减少各传动元件装配时的几何偏心 提高装配精度 3 提高传动链末端元件的制造精度 在一般的降速传动链中 末端元件的误差影响最大 在传动链中按降速比递增的原则分配备传动副的传动比 传动链末端传动副的降速比取得越大 则传动链中其余各传动元件误差的影响就越小 4 传动比i应小 校正装置的实质是在原传动链中人为地加入一误差 其大小与传动链本身的误差相等而方向相反 从而使之相互抵消 5 采用校正装置 注意 采用机械式的校正装置只能校正机床静态的传动误差 如果要校正机床静态及动态传动误差 则需采用计算机控制的传动误差补偿装置 6 采用数控技术 如开放式数控系统中的电子齿轮 三 其他几何误差 一般刀具 如普通车刀 单刃镗刀和平面铣刀等 的制造误差 对加工精度没有直接影响 1 刀具误差 一般刀具定尺寸刀具成形刀具展成刀具 机加工中常用的刀具有 定尺寸刀具 如钻头 铰刀 拉刀等 的尺寸误差直接影响加工工件的尺寸精度 刀具在安装使用中不当将产生跳动 也将影响加工相应 成形刀具 如成形车刀 成形铣刀及齿轮刀具等 的制造误差和磨损 主要影响被加工表面的形状精度 展成刀具 齿轮滚刀 花键滚刀 插齿刀 其切削刃的形状精度影响加工表面的形状精度 1 定位元件 刀具导向元件 分度机构和夹具体的制造误差2 夹具元件装配误差3 夹具在长期使用过程中工作表面的磨损 2 工件的装夹误差与夹具制造 磨损 工件装夹误差是指定位误差和夹紧误差 夹具制造 磨损 1 工件在加工过程中要用各种量具 量仪等进行检验测量 再根据测量结果对工件进行试切或调整机床 2 量具本身的制造误差 测量时的接触力 温度 目测正确程度等 都直接影响加工误差 3 测量误差 因此 要正确地选择和使用量具 以保证测量精度 2 3工艺系统的受力变形对加工精度的影响 一 基本概念 工艺系统加工中受到的力 切削力传动力惯性力夹紧力重力等 工艺系统在这些力的作用下 将产生相应的变形 这种变形将破坏切削刃和工件之间已调整好的正确的位置关系 从而产生加工误差 1 2 在内圆磨床上用横向切入磨孔时 磨出的孔会产生带有锥度的圆柱度误差 如图 b 所示 1 车削细长轴时 工件在切削力作用下的弯曲变形 加工后会产生鼓形的圆柱度误差如图 a 所示 a b 例如 1 加工中一项很重要的原始误差 2 严重影响工件的加工精度 3 影响加工表面质量 4 限制加工生产率的提高 2 工艺系统受力对其性能的影响 3 工艺系统承受受力变形能力的评价 从材料力学知道 任何一个受力物体总要产生一些变形 物体承受受力变形的能力可由静刚度 简称刚度 来表示 静刚度可表示为 切削加工中 在各种外力作用下 工艺系统各部分将在各个受力方向产生相应的变形 工件和刀具的法向切削分力Fy与在总切削力的作用下 工艺系统在该方向上的相对位移yxt的比值 即 工艺系统刚度 对于工艺系统受力变形 主要研究误差敏感方向 因此 工艺系统刚度Axt定义为 由于法向位移是在总切削力作用下工艺系统综合变形的结果 因此有可能出现变形方向与Fy的方向不一致的情况 当Fy与yxt方向相反时 即出现负刚度 负刚度现象对保证加工质量是不利的 应尽量避免 如图所示 负刚度现象 刨削 车削 二 工艺系统刚度的计算 工艺系统的刚度 yxt yjc yjj yd yg 而 工艺系统某点法向总变形 三 工艺系统受力变形对加工精度的影响 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 1 车短轴 机床 刀架变形 一 受力点位置变化引起的形状误差 刀具切削点工件轴线位移 机床总变形 由刚度定义 机床总变形 马鞍形 工件形状 2 车细长轴 工件的变形 机床 夹具 刀具的变形 简支梁的工件变形量 腰鼓形 工件形状 立式车床 龙门刨床 龙门铣床等的横梁及刀架 大型铣镗床滑枕内的轴等 其刚度均随刀架位置或滑枕伸出长度不同而异 镗床 铣床 3 其他受力作用点变化 分析时 参照以上例子具体分析 二 切削力大小发生变化 误差复映规律 工件就形成圆度误差 这种现象称为 误差复映 假设车削外圆 工件毛坯存在圆度误差 椭圆 由于工件毛坯存在圆度误差 切削深度在ap1与ap2之间变化 切削分力f也随切削深度ap的变化由最大Fmax变到最小Fmin 工艺系统将产生相应的变形最大ymax变到最小ymax 1 误差复映 在车床上加工短轴 工艺系统刚度变化不大 可近似地作为常数 这时 由于被加工表面的形状误差或材料硬度不均匀而引起切削力变化 使受力变形不一致而产生加工误差 毛坯圆度的最大误差 车削后工件的圆度误差 称为误差复映系数 定义 1复映系数定量地反映了毛坯误差经过加工后减少的程度 它与工艺系统刚度成反比 与径向切削力系数A成正比 2要减少工件的复映误差 可增加工艺系统刚度或减少径向切削力系数 当毛坯误差较大 一次进给不能满足加工精度要求时 需要多次进给来消除毛坯误差 m复映到工件上 3 误差复映规律的应用 第二次进给后工件的误差为 第n次进给后工件的误差为 误差复映规律的应用 1 估算加工后的工件误差 2 根据工件的公差值与毛坯误差值来确定加工次数 设第一次进给量为f1 毛坯误差为 m1 则由上式可得到第一次进给后工件的误差 w1为 三 其它力引起的加工误差 1 夹紧力引起的加工误差 薄壁套 薄壁件磨削 2 重力引起的加工误差在工艺系统中 由于零部件的自重也会产生变形 如龙门铣床 龙门刨床刀架横粱的变形 铣镗床镗杆伸长而下垂变形等 都会造成加工误差 3 惯性力引起的加工误差 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 离心力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 车床主轴轴颈和轴套内孔表面的接触点就会不停地变化 轴套孔的圆度误差将传给工件的回转轴心 对重平衡 4 传动力车床 两顶尖定位 单爪拨盘带动件形成圆周进给 四 机床部件刚度测量1静态测定法 机床不工作状态2工作状态测定法 依据误差复映规律 五 影响机床部件刚度的因素 1 连接表面接触变形的影响 试验表明 接触变形y与压强F的关系如图所示 接触刚度将随载荷的增加而增大 接触变形 塑性和弹性变形 如果部件中有某些刚度很低的零件时 受力后这些低刚度零件会产生很大的变形 使整个部件的刚度降低 2 部件中薄弱零件的影响 由于床鞍部件中的楔铁细长 刚性差 不易加工平直 使用接触不良 故在外力作用下最易变形 零件配合面间的间隙的影响 主要反映在载荷经常变化的铣 镗床 铣床上 当载荷方向改变时 间隙引起位移 3 零件间间隙的影响 4 零件间的摩擦力的影响 如果载荷是单向的 那么在第一次加载消除间隙后 对加工精度影响较小 摩擦力对接触刚度的影响是这样的 当加载时 摩擦力阻止变形增加 而卸载时 摩擦力又阻止变形减少 零件间间隙和摩擦力的影响 加载与卸载曲线不重合 六 减少工艺系统受力变形的措施 一般地 部件的接触刚度低于实际零件的刚度 提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键 1 提高接触刚度 1 改善工艺系统主要零件接触面的配合质量 常用方法 2 在接触面间预加载荷 刮研或研磨配合面 提高配合表面的形状精度 减小表面粗糙度值 使实际接触面增加 从而有效地提高接触刚度 如机床导轨副 锥体与锥孔 顶尖与中心孔等 可消除配合面间的间隙触面积 减少受力后的变形量 如各类轴承的调整中 2 提高工件的刚度 适用场合 在加工中 由于工件本身的刚度较低 特别是叉架类 细长轴等零件 容易变形 措施 缩小切削力的作用点到支承之间的距离 以增大工件在切削时的刚度 3 提高机床部件的刚度 在切削加工中 有时由于机床部件刚度低而产生变形和振动 影响加工精度和生产率的提高 图b所示是采用转动导向支承套 用加强杆和导向支承套提高部件的刚度 图a所示是在转塔机床上采用固定导向支承套 图a 图b 4 合理装夹工件以减少夹紧变形 合理选择装夹位置采用辅助支承 跟刀架 随刀架等 方法 七 工件残余应力引起的误差 残余应力是指外部裁荷去除后 仍残存在工件内部的应力 零件中的残余应力往往处于一种很不稳定的相对平衡状态 在常温下特别是在外界某种因素的影响下很容易失去原有状态 使残余应力重新分布 零件产生相应的变形 从而破坏了原有的精度 必须采取措施消除残余应力对零件加工精度的影响 一 产生残余应力的原因 在铸 锻 焊及热处理等热加工过程中 由于工件各部分热胀冷缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化 使毛坯内部产生了相当大的残余应力 残余应力是由金属内部的相邻组织发生了不均匀的体积变化而产生的 1 毛坯制造中产生的残余应力 弯曲的工件 原来无残余应力 要校直 常采用冷校直 2 冷校直带来的残余应力 图例 图例 切削过程中产生的力和热 也会使被加工工件的表面层变形 产生残余应力 3 切削加工中产生的残余应力 二 减少或消除残余应力的措施 1 合理设计零件结构 2 对工件进行热处理和时效处理 3 合理安排工艺过程 例如 对铸 锻 焊接件进行退火或回火 零件淬火后进行回火 对精度要求高的零件 如床身 丝杆 箱体 精密主轴等 在粗加工后进行时效处理 例如 粗 精加工分开在不同工序中进行 留有一定时间让残余应力重新分布 在加工大型工件时 粗 精加工往往在一个工序中来完成 这时应在粗加工后松开工件 让工件有自由变形的可能 然后再用较小的夹紧力夹紧工件后进行精加工 2 4工艺系统的热变形对加工精度的影响 在机械加工过程中 工艺系统在各种热源的影响下常产生复杂的变形 破坏工件与切削刃相对的正确位置 从而产生加工误差 一 概述 据统计 在精密加工中 由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40 一70 高效 高精度 自动化加工技术的发展 使工艺系统热变形问题变得更为突出 已成为机械加工技术进一步发展的一个重要的研究课题 1 引起工艺系统受热变形的热源 系统内部热源 切削热和摩擦热 系统外部热源 如太阳辐射热 导热传热对流传热辐射传热 2 热的传递方式 追求的目标 一方面 工艺系统受热源影响 温度逐渐升高 另一方面 热量通过各种传导方式向周围散发 热平衡状态 单位时间内传入的热量 传出的热量 工艺系统各部分的热变形趋于稳定状态 是由切削过程中切削层金属的弹性 塑性变形及刀具与工件 切屑间的摩擦所产生 并由工件 刀具 夹具 机床 切屑 切削液及周围介质传出 1 切削热 3 工艺系统的热源 车削时 大量的切削热由切屑带走 传给工件的为10 一30 传给刀具的为1 一5 孔加工时 大量切屑滞留在孔中 使大量的切削热 50 左右 传入工件 磨削时 由于磨屑小 带走的热量很少 大部分传入工件 故易产生磨削烧伤 2 摩擦热 主要由机床和液压系统中的运动部分产生的 如电动机 轴承 齿轮等传动副 导轨副 液压泵 阀等运动部分产生的摩擦热 摩擦热是机床热变形的主要热源 工艺系统的外部热源 主要是环境温度的变化和热的辐射 大型和精密工件的加工受此影响较大 3 外部热源 4 不稳态温度场与稳态温度场 不稳态温度场 由于作用于工艺系统各组成部分的热源 其发热的数量 位置和作用时间各不相同 各部分的热容量 散热条件也不一样 因此各部分的温升不等 即使是同一物体 处于不同空间位置上的各点在不同时间的温度也是不等的 物体中各点温度的分布称为温度场 温度场 当物体未达到热平衡时 各点温度不仅是坐标位置的函数 也是时间的函数 稳态温度场 物体达到热平衡后 各点温度将不再随时间而变化 而只是其坐标位置的函数 二 机床热变形引起的加工误差 机床受热源的影响 各部分温升将发生变化 由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性 机床各部件将发生不同程度的热变形 破坏了机床原有的几何精度 从而降低了机床的加工精度 1 车床类机床 后果 主轴箱和床身的温度上升 造成机床主轴抬高和倾斜 主要热源 是主轴箱轴承的摩擦热和主轴箱中油池的发热 结果 如图所示为车床空运转时 主轴的温升和位移的测量结果 主轴在水平方向的位移仅10 m 垂直方向的位移却高达180 200 m 2 外圆磨床 如图所示是外圆磨床温度分布和热变形的测量结果 机床工作台与砂轮架间的热变形 当采用切入式定程磨削时 被磨工件直径的变化 可达100 m 两者基本相符 3 大型机床 如导轨磨床 外圆磨床 龙门铣床等的长床身部件 表面温度比床身底面温度高 形成温差 床身产生弯曲变形 4 几种机床的热变形趋势 平面磨床 车床 铣床 双端面磨床 图例 导轨磨床热变形 立式铣床受热变形形态 三 工件热变形引起的加工误差 切削热 是主要的 外部热源 对于精密件不可忽视 使工件产生变形的热源 当然不同的加工方法 不同的工件材料 结构和尺寸件的受热变形也不相同 而6级精度丝杠的螺距累积误差 按规定在全长上不许超过0 02mm 例1 精密丝杠磨削时 工件的热伸长会引起螺距的累积误差 如 3m长的丝杠 每磨一刀温度就要升高3 工件伸长量 L 3000 11 4 106 3mm 0 1mm 11 4 106是碳钢的平均线胀系数 受热变形的严重性 例2 细长轴在顶尖间车削时 热变形使工件伸长 导致工件因弯曲变形而产生圆柱度误差 单面受热 与底面产生温差 引起热变形 影响导轨的直线度 例3 床身导轨面的磨削 此时粗 精加工间隔时间较短 粗加工时的热变形将影响到精加工 工件冷却后 将产生加工误差 例4 在三工位的组合机床上 通过钻 扩 铰加工孔 如 工件的尺寸是 外径40mm 孔径为20mm 长40mm 材料为钢材 钻孔时切削用量为n 310r min f 0 36mm 钻孔后 温升达107 接着扩孔和铰孔 当工件冷却后孔的收缩量已超过精度规定值 采取冷却措施 否则将出现废品 如 高速钢刀具车削时刃部的温度可高达700 800 刀具的热伸长量可达0 03 0 05mm 因此 其影响不可忽略 四 刀具热变形引起的加工误差 刀具的热变形主要是切削热引起的 传给刀具的热量虽不多 但由于刀具体积小 热容量小且热量又集中在切削部分 因此切削部分仍产生很高的温升 思考题 车细长轴工件时 单考虑车刀热变形 工件将产生什么形状误差 五 减少和控制工艺系统热变形的主要途径 1 减少热源的发热2 用热补偿方法减少热变形3 采用合理的机床部件结构减少热变形的影响4 加速达到工艺系统的热平衡状态5 控制环境温度 对于不能分离的热源 如主抽轴承 丝杠螺母副 高速运动的导轨副等 则可以从结构 润滑等方面改善其摩擦特性 减少发热 1 减少热源的发热 采用有效的冷却措施 为了减少机床的热变形 凡是可能分离出去的热源应移出 如电动机 变速箱 液压系统 冷却系统等 均应移出 热源可能分离出去 减少发热 例如 采用静压轴承 静压导轨 改用低粘度润滑油 理基润滑脂等 也可用隔热材料将发热部件和机床大件 如床身 立柱等 隔离开来 如增加散热面积或使用强制式的风冷 水冷 循环润滑等 例如 目前 大型数控机床 加工中心普遍采用冷冻机 对润滑油 切削液进行强制冷却 以提高冷却效果 在精密丝杠磨床的母丝杠中通以冷却液 以减少热变形 平面磨床采用热空气加热温升较低的立柱后壁 以减小立柱前后壁的温度差 从而减少立柱的弯曲变形 采取这种指施后 工件的加工直线度误差可降低为原来的1 3 1 4 2 用热补偿方法减少热变形 单纯的减少温升有时不能收到满意的效果 可采用热补偿的方法使机床的温度场比较均匀 从而使机床产生不影响加工精度的均匀热变形 3 采用合理的机床部件结构减少热变形的影响 因L2 L1 当主轴与箱体产生热变形时 在误差敏感方向的热变形 L2 Ll 因此 选择图a的定位方案比较合理 1 采用热对称结构在变速箱中 将轴 轴承 传动齿轮尽量对称布置 可使箱壁温升均匀 从而减少箱体变形 2 合理选择机床部件的装配基准 如图所示为车床主轴箱在床身上的两种不同定位方式 对于精密机床 特别是大型机床 达到热平衡的时间较长 为了缩短这个时间 可预先高速空运转机床或设置控制热源 人为地给机床加热 使之较快达到热平衡状态 然后进行加工 因此 精密加工机床应尽量避免中途停车 4 加速达到工艺系统的热平衡状态 精密机床一般安装在恒温车间 其恒温精度一般控制在 l 室温平均温度一般为20 冬季可取17 夏季取23 5 控制环境温度 2 5加工误差的综合分析 一 加工误差的性质及分类 随机性误差 可采用统计分析法 缩小它们的变动范围 变值系统性误差 查明其大小和方向随时间变化的规律后 采用自动连续补偿或自动周期补偿的方法消除 常值系统性误差 查明其大小和方向后 通过调整消除 不同性质误差的解决途径 二 加工误差的统计分析法 加工误差的统计分析法指以生产现场观察 检测所得的结果为基础 运用数理统计的方法进行归纳 分析和判断 找出产生误差的原因 从而采取相应的措施 误差的统计分析常用2类方法 实际分布图 直方图 理论分布曲线 正态分布曲线 分布图分析法 点图分析法 1 实际分布图基本参数 分布图分析法 样本 成批加工下所抽取一定数量进行测量的零件 样本容量n 抽取的零件件数 极差R 尺寸分散的范围 组距d 组数k d R k 1 频数mi 尺寸落入到改组内零件数 频率fi fi mi n 频率密度y y fi d 2 实际分布图 直方图 加工一批工件 由于各种误差的存在 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 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 直方图 可以判断生产过程是否稳定 估计生产过程的加工质量及产生废品的可能性 分布图分析法 图例 零件尺寸直方图 直方图的作法与步骤 1 收集数据 抽取一个样本 样本容量一般取100件左右 测量各零件的尺寸 并找出xmax和xmin 2 分组 组数过多 分布图会被频数的随即波动所歪曲 组数太少 分布特征将被掩盖 3 确定组距及分组组界 组距 d xmax xmin k 1 第i组上界值 xi xmin i 1 d d 2第i组下界值 xi xmin j 1 d d 2 4 统计频数分布 将各组的尺寸频数 频率和频率密度填入表中 5 绘制直方图 按表列数据以频率为纵坐标 组距为横坐标画出直方图 取在一次调整下加工出来的轴件200个 经测量 得到最大轴径为 15 145mm 最小轴径为 15 015mm 统计每组的工件数 结果如下表 画出实际分布曲线 工件频数分布表 1 下图的纵坐标为频率密度y 而不是频数fi 有啥好处 表示了该样本尺寸分散中心 取决于调整误差和常值性系统误差 3 理论分布图 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 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 反映了该批零件的尺寸分散程度 取决于变值性系统误差和随机误差 误差大s也大 反之亦然 正态分布曲线方程式为 尺寸分布概率密度 工序的标准偏差 工件平均尺寸 分散中心 1 直线以x 左右对称 改变u值 分布曲线沿x轴移动 而不改变曲线形状 u是表征曲线位置的参数 2 分布曲线最大值与标准差成反比 标准差大 分布曲线向上伸展 标准差小 分布曲线向四周延长 标准差是表征曲线形状的参数 3 总体算术平均值为0 标准差为1时 称为标准正态分布曲线 其分布函数 正态分布曲线的特征参数和 算术平均值 是确定曲线位置的参数 决定一批工件尺寸分散中心的坐标位置 改变时 整个曲线沿 轴平移 但曲线形状不变 值主要由常值系统误差确定 2 工序标准偏差 决定了分布曲线的形状和分散范围 值减小时曲线形状陡峭 尺寸分散的范围小 值增大时曲线形状平坦 尺寸分散的范围大 值主要由随机误差和变值系统误差决定 4 生产中典型的非正态分布图 1 双峰曲线 两次调整下抽取混合的样本 2 平顶曲线 刀具磨损等变值性系统误差 3 不对称曲线 热变形 试切法 主观愿望加工孔时宁小勿大 加工轴类宁大勿小 端面圆跳动无方向性的误差等 不对称曲线的表征方式 不对称系数e 4 孤岛 类似尾巴的曲线 毛刺存在 5 分布曲线法的应用 1 判断加工误差的性质 加工过程中不存在变值系统误差 分布曲线成正态分布形态 总体算术平均值是否与公差带中心相重合 存在常值性系统误差 依据尺寸标准差来分析随机误差项的大小 2 判断加工方法是否合适 工序能力系数 判断工艺能力能否满足加工精度要求 3 分布曲线法的应用