制造工艺学-周哲波第五讲----机械加工完整度ppt课件

.,第五讲机械加工精度,.,5-1概述一、本讲的研究内容1.了解有关机械加工精度的基本概念；2.掌握影响加工精度的因素；3.掌握分析加工误差的方法；4.提高加工精度的方法。二、学习的目的1.解决实际生产中废品处理方法；2.提出改进和提高产品加工质量的方法；3.提出工艺系统改进和修复的办法；。4.了解改进产品结构的方法。,.,1.加工精度：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）尺寸精度：加工后零件的实际尺寸（直径、长度和表面间距离等尺寸）与理想尺寸相符的程度。2）形状精度：加工后零件的实际几何要素（形状）与理想几何要素（形状）相符的程度。3）位置精度：加工后零件有关几何要素之间的实际位置与理想位置相符的程度。,三、加工精度和加工误差,.,注：1）加工精度的三个方面既有区别，又有联系。形状精度、上尺寸与位置精度是互相关联的。2）加工精度是以公差值大小或公差等级来表示的。零件图上对其尺寸、形状和有关表面间的位置须以一定形式标注。3）公差值或公差等级越小，表示机械加工精度要求越高。,.,2.加工误差：加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度。加工误差大小表示加工精度的高低。加工误差越小，加工精度越高。生产实际中用控制加工误差的方法来保证加工精度。加工精度和加工误差是从两种观点来评定零件几何参数，所谓保证和提高加工精度问题就是限制和降低加工误差问题。,.,1）加工精度与成本：加工精度，质量，成本，生产率。加工精度，质量，成本，生产率。合理的加工精度能提高生产率和降低成本。,注：,2）提高加工精度的目的：弄清各种因素对零件加工精度影响的规律。掌握控制加工误差的方法，找出进一步提高加工精度的途径。,.,引起加工误差的根本原因是工艺系统存在误差，将工艺系统的误差称为原始误差。,四、影响加工精度的因素,原始误差构成,.,原始误差,工艺系统静误差,工艺系统动误差,调整误差,机床误差,刀具制造误差,夹具误差,加工原理误差,工件装夹误差,工艺系统受力变形,刀具磨损,残余应力引起变形,测量误差,工艺系统热变形,加工前,加工中,加工后,.,.,例：活塞销孔精镗工序中的各种原始误差，包括：1.夹具误差：因定位基准与设计基准不重合而产生的定位误差；2.工件装夹误差：因夹紧力过大而产生的夹紧变形；3.机床误差：因机床制造或使用中的磨损产生的导轨导向误差；4.调整误差：因调整刀具与工件之间相对位置而产生的对刀误差；5.工艺系统热变形：因切削热、摩擦热等因素的影响而产生的机床热变形；6.加工过程中的刀具磨损；7.测量误差：因测量方法和量具本身的误差而产生。,.,如右图：,显然：,1）误差敏感方向：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。2）误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。,.,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。一般不考虑其它因素的同时作用，主要是分析各项误差单独的变化规律。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。主要是研究各项误差综合的变化规律，只适合于大批、大量的生产。,五、研究机械加工精度的方法,.,.,5-2加工精度的获得方法,1.尺寸精度的获得方法1）试切法：通过试切测量调整再试切的反复过程来获得尺寸精度的方法。特点与应用：效率低，尺寸精度不稳定，要求操作者有较高的技术水平。单件及小批生产。2）定尺寸刀具法：用有一定形状和尺寸的刀具加工，使加工表面得到要求的形状和尺寸。特点与应用：效率较高，加工精度与刀具的制造精度关系很大，要求操作者水平一般。应用较广。,.,.,3）调整法：按规定尺寸预先调整机床、夹具、刀具与工件的相对位置，再进行加工。特点与应用：效率高，精度在很大程度上取决于调整精度。要求调整工有较高的技术水平。广泛应用于各类半自动、自动机和自动线上。4）自动控制法：加工过程中的测量、调整和切削等一系列工作自动完成。特点与应用：效率高，工件尺寸精度稳定，要求维护、调整工有较高的技术水平。适用于零件加工精度高，形状比较复杂的单件、小、中批生产。,.,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。,试切法与调整法,.,2.形状精度的获得方法1）成形运动法：刀具相对工件做有规律的切削成形运动，使加工表面获得所要求形状。特点与应用：刀具相对工件运动的切削成形面即是工件的加工表面。常见零件表面有圆柱面、圆锥面、平面、球面、螺旋面和渐开线面等。（1）轨迹法：依靠切削刃与工件之间的相对运动轨迹来获得所要求的工件表面几何形状。特点与应用：形状精度取决于成形运动精度。应用较广。,.,（2）成形法：利用刀具刃口形状来获得所要求的工件表面几何形状。特点与应用：效率高，简化机床，形状精度主要取决于刀刃形状精度，刀具复杂。广泛应用于大批大量生产。（3）展成法：利用刀具与工件之间严格啮合运动形成的包络线来形成工件被加工表面的几何形状。特点与应用：效率高，刀刃须是被加工面的共轭曲线，须保持确定的速比关系。适用于零件加工精度高，形状比较复杂的单件、小、中批生产。,.,.,2）非成形运动法：零件表面形状精度的获得不是靠刀具相对工件的准确成形运动，是靠在加工过程中对加工表面形状的不断检测和操作者对其进行精细修整加工来获得的方法。特点与应用：效率低，设备简单，形状精度主要取操作者，主要为手工作业。广泛应用于复杂形状表面和形状精度要求很高表面。,.,3.位置精度的获得方法1）一次装夹获得法：通过一次装夹将加工面连同其设计基准（需加工）一并加工出来，有关表面间的位置精度是由刀具相对工件的成形运动之间的位置关系来保证，不受两次定位、夹紧等影响。特点与应用：刀具相对工件的位置精度决定加工位置精度。常见轴类或盘类零件的外圆轴线与端面或台阶面垂直度、端面与孔轴线垂直度、外圆与孔同轴度；箱体孔系中各孔轴线之间的同轴度、平行度和垂直度等。,.,2）多次装夹获得法：不能一次装夹将有相互位置关系要求的所有加工面全部加工出来，零件有关表面间的位置精度是由刀具相对工件的成形运动与定位基准面之间的位置关系来保证。特点与应用：加工精度取决与前道工序的加工基准面、夹具和刀具的制造和安装位置精度。轴类上键槽中心线对外圆轴线的对称度、箱体平面与平面之间的平行度、垂直度，箱体孔轴线与平面之间的平行度和垂直度等。,.,（1）直接装夹：机床直接装夹工件来保证加工面与定位基准面之间位置精度。特点与应用：机床几何性质（装卡面与成形面的相对位置精度）是保证加工面相对位置精度的关键。三爪卡盘直接装夹等。,.,（2）找正装夹：通过找正工件相对刀具切削成形运动之间的准确位置来保证加工面与定位基准面之间位置精度。特点与应用：费时，生产率低，定位精度与操作者技术水平和所用找正工具密切相关。四爪卡盘直接装夹等。,.,（3）夹具装夹：通过夹具来确定工件与刀具切削刃口成形运动之间的准确位置，从而保证加工面与定位基准面之间位置精度。特点与应用：夹具和机床几何性质是保证工件加工要求基础，投资相对较大。应用与大批、中批及加工精度要求高的重要件。,.,.,是指采用了近似成型运动或近似刀刃轮廓进行加工而产生的误差。,5-3工艺系统几何精度对加工精度的影响,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,.,注：1）确保加工的可行性，在保证一定加工精度的前提下，简化加工过程，简化刀具的结构，提高生产率、降低制造成本；2）简化机床结构，减少运动链及误差，对保证加工精度有利。,.,1.采用近似刀具轮廓造成的误差1）误差根源：切削刃完全符合理论曲线轮廓，非常困难，采用圆弧、直线等简单线型近似代替理论曲线。如齿轮滚刀，为滚刀制造方便，用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线蜗杆。2）应用：成形法和范成法加工。2.近似运动关系的成形运动造成的误差1）误差根源：机床传动关系、运动关系，成型运动合成。2）应用：车床加模数螺纹和蜗杆。,.,二、调整误差对加工精度的影响调整是指使刀具切削刃与工件定位基准间在从切削开始到切削终了都保持正确的相对位置。主要包括机床调整、夹具调整、刀具调整。调整产生的误差为调整误差，是原始误差，不可避免，引起因素有：1.测量误差1）定义：因测量方法和精密量具无法精确保证刀具、夹具等调整位置精确所引起的误差。2）产生原因：量具量仪制造误差及磨损，环境温度，读数误差，施力不当引起量具量仪变形等。,.,2.进给机构的位移误差1）定义：进给机构中各传动元件的制造误差和各传动副间的间隙引起的位移误差（刀具或工件实际位移与刻度指示值之间的误差）。2）产生原因：刻度盘的分度值，传动元件的制造误差，各传动副间的间隙。3.调整误差来源1）试切法加工调整误差产生的原因（2）加工余量原因：精加工余量太小产生“滑刀”引起尺寸变化；粗加工余量大，切削力大，产生“退刀”引起尺寸变化。措施：合适选择切削深度。,.,.,（2）微量进给产生的误差原因：进给机构的“爬行”，会产生刀具实际移动要比手轮上转动的刻度数偏大或偏小，尺寸很难精确控制，造成加工误差。措施：微量进给前先退刀，再快速引刀至手轮刻度值，中间不停顿，进给机构滑动面不产生摩擦；轻敲手轮，振动消除静摩擦（消除爬行现象），取决于操作者的操作水平和经验。,.,2）调整法产生误差的原因（1）定程装置的重复定位精度原因：挡块结构形式（固定挡块的精度高于活动挡块）、挡块与触头间作用力大小、挡块位置和刚度等有关。措施：机动进刀挡块与触头相接触时，须及时脱开进刀传动链。控制脱开传动链的离合器、限位开关或控制阀等的灵敏度。（2）测量有限试件造成的误差原因：随机性误差引起工件尺寸波动，试切件数（抽样件数）有限，。措施：增加试切件数。,.,（3）调整所用刻度盘、定程机构（行程挡块、凸轮、靠模等）的精度及与之配合使用的离合器、电气开关、控制阀等元件的灵敏度；（4）测量样板、标准样件、仪表本身的误差有关。注：样板本身误差和对刀误差是构成调整误差的主要因素。,.,三、机床误差对加工精度的影响,1）定义：主轴实际回转线对理想回转轴线的漂移。2）研究方法：分解为径向圆跳动、轴向(端面)圆跳动(或轴向窜动)和倾角摆动。,主轴回转误差基本形式,.,3）主轴回转误差对加工精度的影响,（1）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。,式中：R刀尖回转半径；主轴转角。,显然，上式为椭圆，引起圆度误差。,则刀尖的坐标值为：,.,径向跳动对车外圆精度影响,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。,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、圆柱度误差。,车外圆,.,（2）轴向(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。,（3）倾角摆动对加工精度的影响,与径向跳动影响类似，不仅影响圆度误差，而且影响圆柱度误差。,.,.,4）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。,（1）滑动轴承,镗床：轴承孔不圆引起镗床主轴径向跳动。,（2）滚动轴承,车床：轴颈不圆引起车床主轴径向跳动（注意其频率特性）。,静压轴承：对轴承孔或轴颈圆度误差起均化作用。,.,镗床主轴受力随镗刀旋转方向不断变化轴承孔误差影响大,.,（3）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。,（4）其他因素,轴承孔、轴颈圆度误差；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。,.,（1）传统测量方法存在问题：,5）主轴回转误差的测量,（2）准确测量方法,包含心轴、锥孔误差在内非运动状态。,.,1）定义:导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向偏差。2）内容：水平面内的直线度，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。,3）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,.,导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响,.,在水平面内的直线度（以卧式车床为例）,1将直接反映在工件加工表面法线方向（误差敏感方向）上，误差R=1，对加工精度影响最大。刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。,.,在垂直面内的直线度对工件的尺寸和形状误差影响比1小得多。,对卧式车床R22/D若设2=0.1mm,D=40mm，则R=0.00025mm，影响可忽略不计。而对平面磨床、龙门刨床误差将直接反映在工件上。,.,导轨在垂直面内的直线度的特殊情况为斜坡状，加工的工件轴向形状为鞍形。,.,4）影响导轨导向精度的主要因素,（1）机床制造误差；（2）机床安装误差；（3）导轨磨损。,.,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。,1）机床传动误差对加工精度的影响,.,（1）缩短传动链长度；（2）提高末端元件的制造精度与安装精度；（3）采用降速传动；（4）采用频谱分析方法，找出影响传动精度误差环节；（5）对传动误差进行补偿。,末端元件转角误差,2）提高传动精度措施,.,四、刀具与夹具误差,1）定尺寸刀具（钻头、绞刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差；2）成形刀具和展成刃形形状误差影响加工形状误差；3）刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差。,.,1）夹具误差影响加工位置精度。2）与夹具有关的影响位置误差因素包括：,3）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；,.,加工误差敏感方向上工艺系统所受外力与变形量之比：,5-4工艺系统的受力变形对加工精度的影响一、基本概念,式中：k工艺系统刚度；Fp吃刀抗力；X艺系统的位移（切削合力作用下的位移）。,.,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：,.,1）机床变形引起的加工误差,二、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。,.,工件加工后成鞍形。,机床受力变形引起的加工误差,2）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。,工件受力变形引起的加工误差,.,.,3）机床变形和工件变形共同引起的加工误差,工艺系统刚度,.,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。,1）以椭圆截面车削为例说明,由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映到工件上。,2）误差复映,.,3）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。,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。由上式可得：,.,3.夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差,1）夹紧力,a）b）薄壁套夹紧变形,薄壁工件磨削,【例】薄壁套夹紧变形解决：加开口套。,【例】薄壁工件磨削解决：加橡皮垫。,.,.,龙门铣横梁变形,【例】龙门铣横梁,龙门铣横梁变形转移,龙门铣横梁变形补偿,2）重力,解决1：重量转移,解决2：变形补偿,.,3）传动力与惯性力,（1）理论上不会产生圆度误差（但会产生圆柱度误差）；（2）易会引起强迫振动。,.,三、机床部件刚度及其影响因素,1）非线性关系，不完全弹性变形；2）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；3）存在残余变形，反复加载卸载后残余变形04）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。,.,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。,1）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；2）连接表面接触变形：其大小与接触面压强有关；,3）结合面间隙；4）零件表面摩擦力的影响。,.,四、减小受力变形对加工精度影响措施,1）合理设计零部件结构和截面形状；2）提高连接表面接触刚度（降低表面粗糙度值，改进接触质量，予加载荷）；3）辅助支承（中心架，跟刀架，镗杆支承等）；,支座零件不同安装方法,转塔车床导向杆,4）合理装夹和加工方式。,.,五、工件残余应力引起的变形,铸件残余应力引起变形,冷校直引起的残余应力,1）设计合理零件结构；2）粗、精加工分开；3）避免冷校直；4）时效处理。,1）毛坯制造和热处理产生的残余应力；,2）冷校直带来的残余应力；,3）切削加工带来的残余应力。,.,5-5工艺系统热变形及其对加工精度的影响一、概述,精密加工和大件加工，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约4070%。,1）温度场：工艺系统各部分温度分布；2）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；3）温度场与热平衡研究：目前以实验研究为主。,.,二、机床热变形对加工精度影响,1）体积大、热容量大、温升不高，达到热平衡时间长；2）结构复杂、温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著。,车床受热变形,a）车床受热变形形态,b）温升与变形曲线,.,1）立铣（图a）,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,2）外圆磨（图b）,3）导轨磨（图c）,.,.,三、刀具和工件热变形对加工精度影响,（1）体积小，热容量小，达到热平衡时间较短；（2）温升高，变形不容忽视（达0.030.05mm）。,1）特点,2）变形曲线,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34分钟）。,.,1）圆柱类工件热变形,5级丝杠累积误差全长5m，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。,（1）长度：,（2）直径：,（3）例：长400mm丝杠，加工过程温升1，热伸长量为：,.,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。,2）板类工件单面加工时的热变形,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：,.,四、减小热变形对加工精度影响的措施,例：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：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。,均衡立柱前后壁温度场,1）减少切削热和磨削热，粗、精加工分开；2）充分冷却和强制冷却；3）隔离热源。,.,1）热对称结构2）热补偿结构（主轴热补偿）,图a双端面磨床主轴热补偿1主轴2壳体3过渡套筒,3）合理选择装配基准（图b）,1）高速空运转；2）人为加热。,1）恒温；2）人体隔离。,.,5-5加工误差的统计分析,顺序加工一批工件，其大小和方向均不改变，或按一定规律变化的加工误差。,1）常值系统误差：大小和方向均不改变。如机床、夹具、刀具的制造误差，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。2）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。,.,1）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；2）随机误差是工艺系统中大量随机因素共同作用而引起的；3）随机误差服从统计学规律；4）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=502002）确定分组数、组距、组界、组中值。（1）按教材283页表5-5初选分组数k；（2）确定组距d：,取整，dd（3）确定分组数k：,（4）确定各组组界、组中值（5）统计各组频数,.,3）计算样本平均值和标准差:,4）画直方图,.,1）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：xN(0,1),1）概率密度函数,.,2）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。,称z为标准化变量,.,3）非正态分布,（1）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a）；,（2）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b）；,（3）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c）。,几种非正态分布,a）双峰分布,.,4）形位误差的分布,（1