第四章-机械加工精度讲述

第四章机械加工精度及其控制 第一节概述第二节工艺系统的几何误差 第三节工艺系统的受力变形 第四节工艺系统的受热变形 第五节加工误差的统计分析 第六节保证和提高加工精度的措施 第一节概述 加工质量 机械加工精度 表面质量 尺寸精度 如长度 宽度 高度和直径 形状精度 如圆度 锥度 圆柱度 平面度和直线度 位置精度 如平行度 垂直度和同轴度 加工表面的几何形状误差 表面层的物理力学性能和化学性能 一 机械加工精度与加工误差 1 机械加工精度的概念 机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数 尺寸 形状和表面间的相互位置 与理想几何参数的符合程度 2 机械加工误差的概念 机械加工误差是指零件加工后的实际几何参数 尺寸 形状和表面间的相互位置 与理想几何参数的偏离程度 3 机械加工精度与机械加工误差的关系 加工精度的高低是通过加工误差的大小来表示的 所谓保证和提高加工精度问题 实际上就是限制和降低加工误差问题 即误差就是精度的度量 4 工艺系统的概念 在机械加工时 机床 夹具 刀具和工件就构成了一个完整的系统 称之为工艺系统 5 原始误差 把工艺系统中存在的各种误差称之为原始误差 它总是以不同方式和比例反映出来 使零件加工后产生加工误差 6 研究加工精度的目的 就是要弄清各种原始误差的物理 力学本质 以及它们对加工精度影响的规律 掌握控制加工误差的方法 从而找出提高加工精度的途径 二 影响机械加工精度的因素 各原始误差的大小和方向是各不相同的 而加工误差则必须在工序尺寸方向上度量 三 误差的敏感方向 R OA OA Ro2 2 2Ro cos 1 2 Ro cos 2 2Ro当 0时 Rmax 当 90时 Rmin 2 2Ro误差的敏感方向 对加工精度影响最大的那个方向 即通过刀刃的加工表面的法向 R2 Ro2 Z2 Ro R 2 Ro2 Z2 R Z2 2Ro误差的不敏感方向 对加工精度影响最小的那个方向 即通过刀刃的加工表面的切向 四 研究加工精度的方法 1 单因素分析法 2 统计分析法 研究某一确定因素对加工精度的影响 不考虑其它因素的同时作用 以实测为基础 运用统计方法进行数据处理 以控制工艺过程 统计分析法只适用批量生产 第二节工艺系统的几何误差 1 近似刀具加工所造成的误差 2 由于采用近似的加工运动方法所造成的误差 展成法切削齿轮 一 加工原理误差 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 二 调整误差 1 试切法中影响调整误差的因素 单件小批生产 2 调整法中影响调整误差的因素 成批大量生产 1 测量误差 指量具的精度 测量的方法或使用条件的影响产生 2 机床进给机构的位移误差 当试切最后 刀时 常会出现进给机构的 爬行 现象 试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响 1 精加工 刀刃半径 切削层厚度 打滑2 粗加工 切削层厚度大 变形大 除以试切为依据外 1 定程机构误差 广泛采用行程挡块 靠模 凸轮等2 样件或样板的误差 包括样件或样板的制造误差 安装误差和对刀误差 3 测量有限试件造成的误差 1 机床导轨的几何误差 机床导轨导向误差的概念 机床导轨副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 导轨导向精度是指机床导轨副的运动件实际运动方向与理想运动方向的符合程度 导轨导向误差是指机床导轨副的运动件实际运动方向与理想运动方向的偏离程度 三 机床误差 1 机床导轨的几何误差 机床导轨导向误差的类型 导轨在水平面内的直线度误差导轨在垂直面内的直线度误差前后导轨的平行度误差d 导轨与主轴回转轴线的平行度误差 一般机床 1000 0 02精密机床 1000 0 01接触精度 每平方英寸不少于20个点 机床导轨误差对工件精度的影响 a 水平面内直线度误差的影响 由于刀尖相对于工件回转轴线在加工表面径向方向的变化属敏感方向 故其对零件的形状精度影响很大 1 机床导轨的几何误差 由于刀尖相对于工件回转轴线在加工表面切线方向的变化属非敏感方向 故其对零件的形状精度影响极小 b 垂直面内直线度误差的影响 1 机床导轨的几何误差 前后导轨的平行度误差的影响 车床 H B 2 3磨床 H B对零件精度的影响不容忽视 1 机床导轨的几何误差 机床安装或地基不良导轨磨损加工过程中的力 热 1 机床导轨的几何误差 机床导轨误差产生的原因 设计与制造时 从结构 材料 润滑 防护装置采取措施安装时 校正好水平和保证地基质量使用时 调整导轨配合间隙 保证良好的润滑和维护 提高机床导轨精度的措施 2 机床主轴的回转误差 1 主轴回转误差 指主轴实际回转轴线对其理想回转轴线的漂移 理想回转轴线 回转轴线的空间位置应该固定不变 即回转轴线没有任何运动 平均回转轴线 主轴各瞬时回转轴线的平均值 主轴回转误差就是主轴瞬时回转轴线对其平均回转轴线的飘移 主轴回转误差的概念 2 机床主轴的回转误差 回转误差的表现形式 轴向窜动 瞬时回转轴线始终沿平均回转轴线方向的轴向运动 影响端面形状 产生端面凸轮 和轴向尺寸 径向跳动 瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动 影响圆度和圆柱度 角度摆动 瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾角 但其交点位置固定不变的运动 影响圆柱面与端面 2 机床主轴的回转误差 主轴回转误差对加工精度的影响 例 镗孔时镗杆回转 镗杆中心作y方向的简谐振动 刀尖至实际回转轴线的距离为定值R 镗杆半径 2 机床主轴的回转误差 主轴回转误差对加工精度的影响 例 车削时工件回转 主轴中心作y方向的简谐振动 车刀刀尖到平均回转轴线o的距离R为定值 2 机床主轴的回转误差 影响主轴回转精度的因素 1 轴承误差的影响 a 工件回转类机床b 刀具回转类机床2 轴承间隙的影响3 与轴承配合零件误差的影响4 主轴转速的影响5 主轴系统的径向不等刚度和热变形 2 机床主轴的回转误差 提高主轴回转精度的措施 1 提高主轴部件的制造精度a 提高轴承的回转精度b 提高箱体支承孔 主轴轴颈和与轴承相配合有关表面的加工精度c 补偿或抵消误差2 对滚动轴承进行预紧 增加轴承刚度 对误差起均化作用3 使主轴的回转误差不反映到工件上a 外圆磨床 固定双顶尖 b 前后支承的镗模 传动链传动误差的概念 3 机床传动链的传动误差 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 是螺纹 齿轮以及其它按展成原理加工时 影响加工精度的主要因素 产生传动链传动误差的原因 传动链中各传动元件如齿轮 蜗轮 蜗杆 丝杠 螺母等有制造误差 装配误差和磨损 传动链误差对工件加工精度的影响 3 机床传动链的传动误差 传动链传动误差用传动链末端元件的转角误差来衡量 1n 1 64 16 23 23 23 23 46 46 ic if 1 96 k1 1 2n 2 23 23 23 23 46 46 ic if 1 96 k2 1 n 1 n n 1 1 96 nn n 1 概率法 传动件数越少 传动链越短 则传动精度高 传动比i小 特别是传动链末端传动副的传动比小 则传动链中其余各传动元件误差对传动精度的影响就越小 因此传动链中采用降速比的传动是保证传动精度的重要原则 传动链中各传动件的加工 装配误差对传动精度均有影响 其中传动链中最后一个传动件的影响最大 采用校正装置 3 机床传动链的传动误差 减少传动链传动误差的措施 四 夹具的制造误差与磨损 定位元件 刀具导向元件 分度机构 夹具体的制造误差 夹具装配后 以上各元件工作面间的相对尺寸误差 夹具在使用过程中工作表面的磨损 五 刀具的制造精度和尺寸磨损 定尺寸刀具 刀具的尺寸精度直接影响工件的尺寸精度 一般刀具 车刀 立铣刀等 主要靠调整刀具位置来保证加工尺寸 其制造精度不影响加工尺寸精度 但刀具磨损将对工件的加工精度产生影响 初期磨损阶段正常磨损阶段急剧磨损阶段 成形刀具 刀具的形状误差将直接影响工件的形状精度 展成刀具 刀刃形状必须是加工表面的共轭曲线 因此刀刃的形状误差将影响加工表面的形状精度 五 刀具的制造精度和尺寸磨损 选用合理的刀具材料 进行刀具补偿 选用最佳的切削用量 高速钢刀具 V佳 0 4 0 5m s硬质合金刀具 V佳 1 7 3 2m s 减少刀具尺寸磨损对加工精度影响的措施 第三节工艺系统的受力变形 基本概念 刚度和柔度 基本概念 工艺系统的刚度 式中 Fy 切削力在Y方向的分力 y 系统在切削力Fx Fy Fz共同作用下在Y方向上的变形 工艺系统是由机床 刀具 夹具 工件等组成 系统的受力变形应等于各环节在误差敏感方向的变形之和 即 依据刚度的定义 工艺系统刚度的计算 基本概念 工艺系统受力变形对加工精度的影响 切削力作用点位置变化引起的工件形状误差 以车削为例 只考虑机床变形 工件短而粗 车刀悬伸很短 工件和刀具的变形可以忽略不汁 工件余量均匀 切削力保持不变 考虑刀架的变形 切削力作用点位置变化引起的工件形状误差 仅考虑工件的变形 加工细长轴 相当于简支梁 切削力作用点位置变化引起的工件形状误差 工艺系统的总变形 切削力大小变化引起的加工误差 以车短轴为例 工艺系统的刚度近似地看作常量k 毛坯形状误差大或材料硬度不均匀 切削力有较大变化 工艺系统的变形变化 工件加工误差 切削分力Fy可表示为 车削时XFc 1 在一次走刀中f不变 故 车削前圆度误差 车削后圆度误差 以车削椭圆形横截面毛坯为例 m ap1 ap2 g y1 y2 称为误差复映 令 则 第一次走刀 第二次走刀 第n次走刀 可见 n 则 Kxt 则 切削力大小变化引起的加工误差 1 夹紧力引起的变形对工件的影响 2 重力引起的变形对工件的影响 3 夹紧力和重力引起的加工误差 三 机床刚度的测定 变形与作用力不是线性关系 非纯粹弹性变形 加载与卸载曲线不重合 克服摩擦和接触变形 卸载后不回到原点 说明有残余变形 部件刚度远小于按实体估算的刚度 机床部件刚度的测定 影响机床部件刚度的因素 连接表面的接触变形 接触表面之间的摩擦 连接表面间的间隙影响 薄弱零件本身的变形 四 减少工艺系统受力变形的措施 合理的结构设计 提高连接表面的接触刚度 a 提高机床部件中零件间结合表面的质量 b 给机床部件以预加载荷 c 提高工件定位基准面的精度和表面质量 4 选用合理的切削用量 合理的刀具角度 减小切削力 3 采用合理的安装 加工方法 五 内应力 残余应力 对加工精度的影响 工件的内应力 毛坯热应力 切削加工内应力 冷校直内应力 对于铸 锻 焊毛坯 由于各部分厚度不均 冷却速度不等而产生的内应力 对于铸件 厚拉薄压 心部受拉 表层受压 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 在大多数的情况下热的作用大于力的作用 故工件表层应力通常呈 表层受拉 里层受压 状态 减少内应力的措施 时效处理 结构上保证壁厚均匀 减小切削力 小切深 多走刀 尽量不用冷校直工序 第四节工艺系统受热变形 一 热源 切削热 内部热源 一般传入工件或刀具的切削热用下式估算 铣 刨时 Q工件50 磨削时 Q屑 4 Q砂轮 12 Q工件 84 摩擦热 内部热源 3 环境温度 外部热源 1 工件的热变形 特点 工件热变形主要是受切削热的影响 工件受切削热的量不同 变形的影响也不同 各部分的温升不同且随时间而变化 不同的加工方法 工件的形状不同 产生的热变形也不同 棒料 车削或磨削外圆时 切削热是从四周均匀传入工件 主要是使工件的长度和直径增大 其尺寸误差可以按物理学计算热膨胀的公式求出 即 式中 工件材料的线膨胀系数 L D 工件原有的长度和直径 t 工件切削后的温升 二 工艺系统热变形对加工精度的影响 板材 例如 精刨铸铁导轨 L 2000mm h 600mm 如果床面与床脚温差为2 4 1 1 10 5 则 减少工件热变形的措施 粗 精分开 合理选择切削用量 合理选择刀具的几何形状 充分利用冷却液 2 刀具的热变形 刀具连续工作时的热变形 刀具断续工作时的热变形 c1 时间常数 与刀具质量 比热 截面积等有关 一般取 c1 4min 刀具的热变形主要影响工件的形状误差 如车削长轴时 工件可能由于刀具的伸长而产生锥度 3 机床的热变形 如图所示 主轴转速1200rpm 工作8小时后 主轴抬高量达140 m 在垂直面上的倾斜为60 m 300mm 机床的热变形主要体现在 主轴部件 导轨 床身 立柱 工作台等部件上 车 镗类机床其主要热源为主轴箱的发热 造成主轴的位移和倾斜 铣床主要表现在主轴在垂直面上的倾斜 铣削后将影响工件的平面与定位基面之间的平行度或垂直度 外圆磨床主要表现在砂轮架 工件头架的位移和导轨的凸起 龙门刨 龙门铣床的热变形主要表现在导轨的凸起 如 10m长的龙门刨床床身高为0 8m 当床身上导轨面与底面温差为1 时 床身导轨的中凸量可达0 19mm 这个数值可表示为 0 02 1000mm 三 减少工艺系统热变形的措施 减少热源产生的热量 减少切削热和磨削热减少机床各运动副的摩擦热 分离热源 隔离热源 冷却 通风与散热 对加工件进行大流量或喷雾等方法冷却机床发热部件采取冷油强制冷却热源部分采用通风散热措施 均衡温度场 三 减少工艺系统热变形的措施 5 改进机床结构 减少热变形对加工精度的影响 采用热对称结构 合理选择装配基准 7 控制环境温度 6 加速热平衡 第五节加工误差的统计分析 加工误差的性质 分布图分析法 点图分析法 机床调整尺寸 一 加工误差的性质 顺序加工一批工件时 其大小和方向均不改变 或按一定规律变化的加工误差为系统误差 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 工艺系统在静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 一 加工误差的性质 顺序加工一批工件时 其大小和方向随机变化的加工误差为随机误差 随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用而引起的 随机误差服从统计学规律 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 二 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72页表2 2确定分组数k 确定组距d 取整 d d 确定各组组界 组中值统计各组频数 频率 频率密度 二 分布图分析法 3 计算样本平均值和标准差 4 画直方图 二 分布图分析法 理论分布曲线 6 非正态分布曲线 等概率分布曲线 存在线性变值误差 如刀具的磨损 不对称分布曲线 存在随机误差 多峰值分布曲线 存在阶跃变值系统误差 分布曲线的应用 大 则曲线平坦 尺寸分布范围大 加工方法的加工精度低 令 CP 工艺能力系数 T 6 则表示全部零件合格T 6 则加工方法精度过高造成浪费T 6 则加工方法勉强 易出废品T 6 则工艺能力不足 需改进 CP 1 67特级 但过高1 67 CP 1 33一级 足够1 33 CP 1 0二级 勉强1 0 CP 0 67三级 不足CP 0 67四级 不行 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 利用分布曲线计算一批零件的合格率和废品率 被加工零件尺寸 Xmax X2 D esXmin X1 D ei 中心偏差 为 表示分布中心比公差带中心大 不可修复废品 可修复废品 x2 x1 利用分布曲线计算一批零件的合格率和废品率 令 利用分布曲线计算一批零件的合格率和废品率 计算举例 例 加工一批外圆 尺寸公差T 0 3mm 加工完的分布曲线中已知 0 05 0 05 求可修复的废品率和不可修复的废品率 解 已知 0 05 0 可修复的废品率 0 5 0 4772 0 0228 2 28 不可修复的废品率 0 5 0 499968 0 000032 0 0032 x1 x2 存在的问题 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 只有一批零件加工完后才能画出 发现问题后 对本批零件已无法补救 三 点图分析法 单值点图 在大批量生产中 采用小子样抽检方法 顺序地每隔一定的时间间隔抽检一组零件 m 2 10 根据小子样的统计特征量来估算判断整体的变化 子样均值 子样极差 质量控制图 R图上控制线 R图下控制线 R图中心线 系数A