第4章 机械加工精度

第4章机械加工精度 4 1概述4 2工艺系统的几何误差4 3工艺系统的受力变形4 4工艺系统受热变形引起的误差4 5内应力对加工精度的影响4 6加工误差的统计分析法4 7提高加工精度的途径 4 1 1加工精度与加工误差的概念 1 加工精度2 加工误差3 误差敏感方向4 经济加工精度 4 1概述 4 1 2获得加工精度的方法 1 获得尺寸精度的方法2 获得形状精度的方法3 获得位置精度的方法 1 获得尺寸精度的方法 1 试切法通过试切出一小段测量调刀再试切 反复进行 直至达到规定的尺寸再进行加工的一种加工方法称为试切法 2 调整法先调整好刀具的位置 然后以不变的位置加工一批零件的方法称为调整法 3 定尺寸刀具法通过刀具的尺寸来保证加工表面的尺寸与精度 这种方法叫定尺寸刀具法 4 自动控制法自动控制法是通过自动测量和数字控制装置 在达到尺寸精度时自动停止加工的一种尺寸控制方法 图4 3调整法铣平面 2 获得形状精度的方法 1 运动轨迹法利用机床运动使刀尖与工件的相对运动轨迹符合被加工表面形状的方法 2 成形法利用成形刀具对工件进行加工的方法 3 仿形法刀具按照仿形装置进给对工件进行加工的方法 4 展成法用工件和刀具作展成运动对工件进行加工的方法 3 获得位置精度的方法 1 一次安装获得法工件在同一次安装中 加工具有相互位置要求的各个表面 从而保证其相互位置精度的方法 2 多次安装获得法工件表面的位置精度由加工表面与定位基准之间的位置精度来保证 4 1 3原始误差的概念及种类 1 与工艺系统初始状态有关的原始误差 几何误差 2 与加工过程有关的原始误差 4 1 4研究机械加工精度的方法 1 因素分析法通过分析 计算或实验 测试等方法 研究某一确定因素对加工精度的影响 2 统计分析法运用数理统计方法对生产中一批工件的实测结果进行数据处理 用以控制工艺过程的正常进行 4 2工艺系统的几何误差 4 2 1加工原理误差4 2 2机床误差4 2 3刀具的制造误差及磨损4 2 4调整误差4 2 5夹具误差 1 采用近似刀具加工所造成的误差 1 用滚刀切削渐开线齿轮用滚刀切削渐开线齿轮时 滚刀应为一渐开线蜗杆滚刀 此滚刀在轴向截面上 齿形的两边均为曲线轮廓 2 用模数铣刀加工渐开线齿轮用模数铣刀切削渐开线齿轮时 理论上相同模数 不同齿数的齿轮都应有一把相应的刀具 4 2 1加工原理误差 2 采用近似的加工运动方法所造成的误差 1 用展成法切削齿轮用滚刀切削渐开线齿轮是利用展成法原理 2 用近似传动比切削螺纹利用机床运动使刀尖与工件的相对运动轨迹符合被加工表面形状的方法进行加工 图4 4用展成法切削齿轮时的齿形误差 图4 5用近似传动比切削螺纹 4 2 2机床误差 1 主轴回转误差2 导轨误差3 传动链误差 图4 6主轴回转误差的三种基本形式 1 主轴回转误差 1 径向圆跳动它是主轴回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量 2 轴向窜动它是主轴回转轴线沿平均回转轴线方向的变动量 3 角度摆动它是指主轴回转轴线相对平均回转轴线成一倾斜角度的运动 图4 7采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动误差 2 导轨误差 1 导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响导轨在水平面内有直线度误差 y时 如图4 8所示 在导轨全长上刀具相对于工件的正确位置将产生 y的偏移量 使工件半径产生 R y的误差 2 导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度的影响导轨在垂直平面内有直线度误差 z时 如图4 9所示 也会使车刀在水平面内发生位移 使工件半径产生误差 R 2R 3 导轨间的平行度误差对加工精度的影响当前后导轨在垂直平面内有平行度误差 扭曲误差 时 如图4 10所示 刀架将产生摆动 刀架沿床身导轨作纵向进给运动时 刀尖的运动轨迹是一条空间曲线 使工件产生圆柱度误差 R H H B 图4 8导轨水平面内的直线度误差对加工精度的影响 图4 10导轨间平行度误差对加工精度的影响 图4 9导轨垂直面内的直线度误差对加工精度的影响 3 传动链误差 1 传动链短 则传动精度高 2 传动链中最后一个传动件的精度要高 3 传动比i小 则传动精度高 传动链中采用降速比的传动是保证传动精度的重要原则 图4 11车螺纹时传动链误差对加工精度的影响 4 2 3刀具的制造误差及磨损 刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同 采用定尺寸刀具 成形刀具 展成刀具加工时 刀具的制造误差会直接影响工件的加工精度 而对一般刀具 如车刀等 其制造误差对工件加工精度无直接影响 任何刀具在切削过程中 都不可避免地要产生磨损 并由此引起工件尺寸和形状的改变 4 2 4调整误差 在工序的调整工作中所存在的误差即调整误差一次调整后存在的误差对这一批零件的影响是不变的 但大批量加工中存在多次调整 不可能每次完全相同 4 2 5夹具误差 夹具误差包括定位误差 夹紧误差 夹具安装误差 导引误差和夹具的磨损等 夹具误差将直接影响工件加工表面的位置精度或尺寸精度 例如 图4 12所示为轴承座的钻孔夹具 钻套中心至夹具体上定位平面间的距离误差 图4 12轴承座的钻孔夹具 4 3工艺系统的受力变形 4 3 1工艺系统刚度4 3 2工艺系统受力变形对加工精度的影响4 3 3减小工艺系统受力变形的途径 4 3 1工艺系统刚度 1 刚度2 工艺系统的刚度3 工艺系统刚度的测定及计算 1 刚度 物理学上的定义 物体在受力方向上产生单位弹性变形所需要的力称为刚度 2 工艺系统的刚度 图4 13工艺系统受力变形引起的加工误差 3 工艺系统刚度的测定及计算 1 机床部件刚度的测定 2 影响机床部件刚度的因素 3 工艺系统刚度的计算 1 机床部件刚度的测定 图4 14工艺系统静刚度的测定1 短轴2 3 7 百分表4 测力环5 螺旋加力器6 方刀架8 螺钉9 测力仪 1 机床部件刚度的测定 图4 15刀架部件刚度实测曲线 1 机床部件刚度的测定 图4 16多次重复加卸载变形曲线 2 影响机床部件刚度的因素 图4 17接触面表面质量对接触刚度的影响 2 影响机床部件刚度的因素 图4 18刚度较差的零件 镶条 2 影响机床部件刚度的因素 图4 19薄弱零件 薄壁衬套 3 工艺系统刚度 图4 21正反加卸载变形曲线 图4 20加载变形曲线 4 3 2工艺系统受力变形对加工精度的影响 1 切削力对加工精度的影响 以车削加工为例 2 传动力对加工精度的影响3 惯性力对加工精度的影响4 夹紧力对加工精度的影响5 重力对加工精度的影响 1 切削力对加工精度的影响 以车削加工为例 1 切削力作用点位置变化引起的加工误图4 22所示 主轴 尾座所受的力分别为 2 切削力大小变化引起的加工误差加工过程中 由于毛坯加工余量和工件材质不均等因素 会引起切削力变化 使工艺系统变形发生变化 从而产生加工误差 图4 22切削力作用点位置变化对加工精度的影响 图4 23工艺系统变形曲线1 机床变形2 工件变形3 工艺系统变形 图4 24毛坯形状误差的复映 2 传动力对加工精度的影响 图4 25传动力对加工精度的影响 图4 26传动力引起的加工误差 2 传动力对加工精度的影响 图4 27用双爪拨盘带动工件回转 3 惯性力对加工精度的影响 图4 28惯性力对加工精度的影响 4 夹紧力对加工精度的影响 图4 29薄壁套筒零件由于夹紧力引起的加工误差 4 夹紧力对加工精度的影响 图4 30平面磨削薄片零件由于夹紧力引起的加工误差 图4 31利用夹紧力使工件变形达到所要求的精度 5 重力对加工精度的影响 图4 32机床部件的重力所引起的加工误差 图4 33铣床床鞍等零件自重所引起的加工误差 4 3 3减小工艺系统受力变形的途径 1 提高工艺系统刚度2 减小切削力及其变化 1 提高工艺系统刚度 1 设计机械制造装备时应切实保证关键零部件的刚度在机床和夹具中应保证支承件 如床身 立柱 横梁 夹具体等 主轴部件和传动件有足够的刚度 2 提高接触刚度提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键 3 采用合理的装夹方式和加工方法提高工件的装夹刚度 应从定位和夹紧两个方面采取措施 如图4 34所示 图4 34零件的两种安装方法 提高表面配合质量 以提高接触刚度或者预加载荷 以提高接触刚度或者锁紧暂不需移动的部件 以提高接触刚度设置辅助支承 提高部件刚度 2减小受力途径 4 4工艺系统受热变形引起的误差 4 4 1工艺系统的热源4 4 2工艺系统热变形对加工精度的影响4 4 3减小工艺系统热变形的途径 4 4 1工艺系统的热源 1 切削热2 摩擦热3 外部热源 图4 35车削加工时切削热的分配 4 4 2工艺系统热变形对加工精度的影响 1 工件热变形对加工精度的影响2 刀具热变形对加工精度的影响3 机床热变形对加工精度的影响 1 工件热变形对加工精度的影响 1 棒料轴类零件在车削或磨削加工时 一般是均匀受热 开始切削时工件温升为零 随着切削的进行 工件温度逐渐升高 直径逐渐增大 加工终了时直径增至最大 但增大部分均被刀具所切除 当工件冷却后形成锥形 产生圆柱度和尺寸误差 2 板材在刨 铣或磨削平面时 工件单面受热 图4 36不均匀受热引起的热变形 2 刀具热变形对加工精度的影响 1 刀具连续工作时的热变形图4 37所示为车削时车刀的热伸长量与切削时间的关系曲线 2 刀具断续工作时的热变形在间断车削时 如车削一批短轴零件 因需不时装卸工件 加工时断时续 刀具大多处于断续工作状态 刀具切削时产生热伸长 间断时就冷却产生缩短 此时刀具热变形曲线具有热胀与冷缩双重特性 见断续加工时的曲线 图4 37刀具的热变形 3 机床热变形对加工精度的影响 图4 38常用机床的受热变形示意图a 车床b 立式铣床c 卧式铣床d 坐标镗床e 加工中心f 外圆磨床g 双端面磨床h 大型导轨磨床 4 4 3减小工艺系统热变形的途径 1 减少热源产生的热量2 改善散热条件3 均衡温度场4 改进机床结构 改进机床结构 1 采用热对称结构在变速箱中 将轴 轴承 传动齿轮对称布置 可使箱壁温升均衡 从而减少变形 2 合理选择装配基准在设计上使关键件的热变形在无碍于加工精度的方向上移动 3 合理设计零部件的相对位置图4 42中控制砂轮架y方向位置的丝杠长度L1比L短 因热变形造成丝杠的螺距累积误差要小 所以砂轮的定位精度较高 图4 42b的结构比图4 42a的好 图4 41合理选择装配基准 图4 42合理设计零部件的相对位置 4 5内应力对加工精度的影响 4 5 1毛坯热应力4 5 2冷校直内应力4 5 3切削加工内应力4 5 4工件热处理时的内应力4 5 5减少内应力的措施 4 5 1毛坯热应力 图4 43铸件内应力引起的变形 4 5 1毛坯热应力 图4 44床身内应力引起的变形 4 5 1毛坯热应力 图4 45冷校直内应力 4 5 2冷校直内应力 丝杠一类的细长轴经车削后 棒料在轧制过程中产生的内应力会重新分布 使轴产生弯曲变形 为了纠正这种变形 常采用冷校直 4 5 3切削加工内应力 工件在进行切削加工时 其表面层在切削力和切削热的作用下 使工件各部分产生不同程度的塑性变形 以及金属组织的变化所引起的体积改变 从而产生内应力并造成加工后工件的变形 通常 力的作用使工件表层产生压应力 热作用使工件表层产生拉应力 4 5 4工件热处理时的内应力 工件在进行热处理时 由于金相组织产生变化而引起体积变化 或工件各处温度不同 冷却速度不一 使工件产生内应力 4 5 5减少内应力的措施 1 时效处理 2 结构上保证壁厚均匀 3 刚度适当 4 减小切削力 小背吃刀量 多走刀 5 尽量不用冷校直工序 4 6 1分布曲线法 1 正态分布曲线2 利用分布曲线判别加工误差的性质3 利用分布曲线进行工艺验证4 利用分布曲线计算一批零件的合格率和废品率5 利用分布曲线进行误差分析6 应用分布曲线法存在的问题 4 6加工误差的统计分析法 4 6 1分布曲线法 图4 46分组统计盘 图4 47分布概率密度直方图 4 6 1分布曲线法 图4 48正态分布曲线 1 正态分布曲线 2 分布曲线判断加工误差的性质 图4 49用分布曲线判断加工误差的性质 3 利用分布曲线进行工艺验证 1 Cp 1 67特级 但过高 造成浪费 2 1 67 Cp 1 33一级 足够 全部零件合格 3 1 33 Cp 1 0二级 勉强 易出废品 4 1 0 Cp 0 67三级 不足 需改进 5 Cp 0 67四级 不合格 应停产 4 利用分布曲线计算一批零件的合格率和废品率 1 工艺能力系数CpCp T 6 1 12 表明本工序等级为二级 工艺能力勉强 必须密切注意 2 计算合格品率和废品率 表4 1活塞销孔直径的测量结果 4 利用分布曲线计算一批零件的合格率和废品率 图4 50活塞销孔实际尺寸分布曲线 5 利用分布曲线进行误差分析 1 如果尺寸分布中心与公差带中心不重合 则一定存在常值系统误差 2 等概率分布曲线 存在线性变值误差 如刀具的磨损 3 不对称分布曲线 存在随机误差 4 多峰值分布曲线 存在阶跃变值系统误差 图4 51非正态分布曲线 6 应用分布曲线法存在的问题 1 分布曲线法未考虑零件的加工先后顺序 不能反映出系统误差的变化规律及发展趋势 2 只有一批零件加工完后才能画出 不能在加工进行过程中提供工艺过程是否稳定的必要信息 3 发现问题后 对本批零件已无法补救 4 6 2点图法 1 质量控制图2 制定 R图的步骤3 用 R图进行生产稳定性判断 图4 53算术平均值 极差图 图4 52点图 1 质量控制图 图4 54 R控制图 1 质量控制图 表4 2系数A 2 制定 R图的步骤 1 按时间顺序取K个样本 K 10 30 每个样本容量m 2 10 2 实测样本 3 计算样本的均值 极差4 计算样本均值和极差的平均值5 计算上下控制线 3 用 R图进行生产稳定性判断 1 正常波动由工艺系统