第5章 机械加工精度

第五章机械加工精度,学习目的与要求,（1）掌握机械加工精度的概念以及加工精度与加工误差的关系（2）熟悉工艺系统的原始误差种类及其对加工精度的影响，（3）掌握加工误差问题的综合分析与解决（4）掌握加工误差的基本计算方法（5）熟悉提高和保证加工精度的途径、常用方法,主要内容,第5章机械加工精度5.1机械加工精度概述5.2工艺系统的制造精度和磨损对工件精度的影响5.3工艺系统的受力变形及其对工件精度的影响5.4工艺系统的热变形及其对工件精度的影响5.5保证和提高加工精度的途径5.6加工误差的统计分析法5.7点图分析法5.8质量管理图,一、精度的概念加工精度：加工误差：理想零件参数：尺寸、形状、位置,5.1机械加工精度概述,二、获得加工精度的方法1、2、,试切法加工,调整法加工,定尺寸刀具法加工,轨迹法加工,成形法加工,展成法加工,3、,三、影响加工精度的因素1、原理误差：采用近似加工原理或近似刀具切削刃形状2、安装误差：定位误差、夹紧误差、夹具本身误差3、调整误差：调整方法与调整时的测量误差等4、测量误差：量具本身、方法、温度5、工艺系统的制造精度和磨损6、工艺系统的受力变形切削力、传动力、重力、离心力、夹紧力7、工艺系统的受热变形切削热、环境、运动、电机,5-2工艺系统的制造精度和磨损对加工精度的影响,一、机床主轴的回转精度及其对工件精度的影响1、主轴回转精度的概念回转动态过程机床主轴在转动时，主轴的各个截面上必有它的回转中心，各截面的回转中心的连线即为回转轴线。理想回转中心：在主轴回转时，在主轴的任一截面上只有一点O其速度始终为V0，此即为理想回转中心，理想回转中心是固定不变的，各个截面理想回转中心的连线即为理想回转轴线。瞬时回转中心：由于各种因素的影响，实际仅存在的一个时刻变动的回转中心，即瞬时回转中心。瞬时回转轴线：各个截面的瞬时回转中心连线。,平均回转轴线机床主轴在回转时，其理想主轴是不存在的，由于瞬时回转轴线的空间位置时刻在做周期性变化，所以一般把瞬时回转轴线的平均空间位置平均轴线，作为机床的理想回转轴线。误差敏感方向：如图5.9，在车床上加工外圆柱面，在Y方向的误差会全部的反映在工件的径向尺寸上面。而Z方向的误差，由于方向的不同，则基本上是可以忽略不计的。故此有所谓的误差敏感方向。经过刀具刀刃的切削点又垂直于已加工表面的方向。误差敏感方向上的误差对工件加工精度影响很大，而垂直于该方向的误差则影响很小。误差敏感方向与机床的结构布局有关。,主轴回转精度：主轴回转轴线在回转时相对其平均轴线的变动量在误差敏感方向的最大位移值。,径向跳动,轴向跳动,摆动,2、主轴回转精度的分析主轴径向跳动分析在分析主轴径向跳动的时候，一般根据切削力的方向是否变化，分为两种情况：工件回转类工件安装在机床主轴上，随同主轴一块回转，而切削力的方向则不变。结果就是滚动轴承内环（或滑动轴承轴颈）的每一点均为承载点，而外环则不然。,这样对于滚动轴承而言，其的内环其精度的高低直接影响主轴的回转精度。而轴承的外环，其精度的高低对主轴的回转精度影响就不大了。对滑动轴承亦是如此，主轴轴颈的精度高低是起到决定性的作用，而轴瓦内孔的精度则影响不大。刀具回转类这时刀具安装在主轴上面，并随同主轴一块旋转，所以切削力的方向是回转的。结果就是滚动轴承外环（或滑动轴承的轴瓦）的每一点均为承载点，而内环则不然。即外环精度的高低直接影响机床主轴的回转精度，内环精度对主轴回转精度的影响就较小。对滑动轴承亦是如此，轴瓦内孔的精度高低是起到决定性的作用，而主轴轴颈的精度则影响不大。,工件回转类,刀具回转类,主轴几何轴线径向跳动产生的加工误差,滚动轴承此外，造成主轴轴向窜动的原因,轴承间隙对主轴轴线位置的影响,推力轴承端面跳动的影响,B滚动轴承与上述类似，同时滚动体影响,A滑动轴承,定圈,动圈,主轴回转轴线的轴向跳动将产生加工端面的平面度误差,主轴轴向跳动引起的加工误差,3、主轴回转精度的测量表测法双向测量法（捷克VUOSO）刀具回转当没有回转误差时，间隙变化为示波器上为,示波器上光点的向径为常数。当主轴有偏差时示波器上，向径为,坐标变换，使x与e重合是与的和，即示波器银屏变化不能反映误差，只有e=0或才能真正反映。李沙育图，其半径差为主轴回转精度。,这种方法适合刀具回转型机床的主轴回转精度测量，如镗，而不适合车床,测量镗床主轴回转精度,钢球安装偏心对测量的影响,单向测量法（美国LRL法）测定车床主轴回转精度的方法,传感器传感器K0K传感器示波器输入信号向径为当S=0时，当S0时,放大K倍,放大K0倍,4、获得高圆度工件的方法高精度主轴车床补偿使主轴误差不反映到工件上,二、直线运动精度对工件精度的影响1、机床导轨精度指标导轨在水平面内的直线度导轨在垂直平面内的直线度前后导轨的平行度（扭曲）2、机床导轨误差对加工精度的影响普通车床水平面直线度：1：1影响纵截面形状垂直面直线度：属误差不敏感方向，影响较小。扭曲影响：可分解为水平、垂直,车床导轨扭曲对工件形状的影响,对于车床，H/B为0.67对于磨床，H/B为1,外圆磨床：与车床相同。但由于要求高，采用工作台转角龙门刨床：就地刨镗：,3、导轨运动误差的来源新机床导轨的制造精度磨损材料表面处理，润滑安装精度地基，找正三、机床的几何精度对加工精度的影响几何精度各成形运动在空间的相互位置准确性车外圆,误差具体形状具体分析,车端面若工件的回转轴线与导轨不垂直，则端面变成为锥面外凸锥面面，内内凹锥面。,镗孔在镗孔时，若镗杆的回转轴线与工作台的导轨不平行，如图所示。当为镗杆进给时，则孔的轴线与镗杆的轴线一致，即所得到的孔为一倾斜的圆柱面。当为工作台进给时，则孔的轴线与工作台的导轨一致，而得到的孔为一椭圆柱面。短轴为d*cos，长轴为d。圆度误差为d(1-cos)/2。,铣平面当用端铣刀铣平面时，如铣刀的轴线与工作台导轨存在一角度误差，如图所示。则加工表面为一凹曲面，如下图。当铣刀轴线与工件的对称面共面时，误差为：,四、机床的传动精度及对加工精度的影响1、机床传动精度分析,在加工具有导程、分齿等要求的加工表面时，要求刀具与工件之间存在严格准确的传动速比关系。例如在加工螺纹、丝杠、蜗杆、齿轮等，要求车床主轴到刀具的进给传动链，或滚齿机的滚刀到工作台的传动链具有较高的传动精度。这种成形运动间的传动链称坐内传动链。传动精度与构成传动链的各个传动元件的制造、安装精度及磨损有关。也与传动元件在传动链中所处的位置有关与该传动元件的传动比有关，传动比即为此传动元件的传动误差关于传动链传动误差的权重系数。这样对于减速传动，传动链的末端元件的制造、安装精度对传动精度的影响较大，而增速传动则相反。提高传动精度的方法：1、提高传动元件的制造、安装精度，尤其是影响较大的传动元件。2、采用较短的传动链进行传动。,五、机床的定位精度对工件精度的影响定位精度：工作台从一个位置移动到另一个位置的准确度1、进给机构的传动精度主要取决于选用的进给机构型式及进给机构的传动精度,2、进给与测量分开时的测量精度原理误差阿贝误差被测的与实际的不在一条直线上产生的误差3、爬行误差解决办法,六、刀具、夹具、量具的制造精度和磨损对工件影响1、刀具的制造精度和磨损的影响尺寸刀具和成形刀具的制造精度和尺寸磨损对加工精度的影响钻头、绞刀、镗刀块、拉刀影响尺寸磨损后不能重修复滚刀、插刀、成形车刀影响形状重磨一般刀具的磨损对加工精度的影响如车刀、镗刀、铣刀等，制造精度不会影响加工尺寸，但磨损则产生影响,一：起始磨损，非线性二：正常磨损，三：快速（剧烈）磨损,三个阶段,减少影响方法,砂轮的磨损及修复（快、与硬度有关）2、夹具的制造精度和磨损夹具的制造精度和磨损影响工件的精度3、量具测量误差为工件公差的，最多,5-3工艺系统的受力变形及其对工件精度的影响,一、基本概念1、变形现象,车棒,车长轴,磨孔,2、概念刚度：物体或构件受外力后抵抗变形的能力工艺系统的刚度：在误差敏感方向上的分力py与在此方向上刀具对工件的全部变形（位移）量y的比值静刚度：在静态条件下静力与变形的比值动刚度：某一频率范围内产生单位振幅所需的激振力幅值,二、机床部件刚度特点及影响因素,车床刚度的单向静测定,1、部件变形过程与刚度曲线特点（1）加载变形曲线不成线性有预紧力，当载荷有刚性很差的零件，当该大于力时，K变小零件变形减小时，K增大（2）正反加卸载变形曲线不重合,塑性变形摩擦力等消耗能量,（2）正反加卸载变形曲线不重合（3）多次重复加载变形曲线第一次加载“磁滞”现象严重，以后减小加、卸载曲线接近，起始点重合,塑性变形摩擦力等消耗能量,（4）部件刚度曲线特点力和变形不是直线性，不符合胡克定律部件变形不纯粹是弹性变形加载与卸载曲线不重合当载荷去除后，变形不能恢复原点有塑性变形。反复加载后，残余变形减到0，重合部件刚度远比想象小,2、影响部件刚度的因素接触变形个别薄弱环节连接夹紧力的影响摩擦力间隙影响变形的复合性,两零件接触面接触情况,间隙对刚度影响曲线,机床刚度中薄弱环节,三、工艺系统的刚度工艺系统总变形及合成刚度为而因此，有,四、工艺系统受力变形对加工精度的影响1、由于切削力产生的系统变形对加工精度的影响（1）由于切削点位置的变化引起的刚度、变形变化而产生的形状误差,在线弹性的范围内，可以应用叠加原理分别讨论各个因素单独存在的情况，然后再求和。工件短粗，刚度高视工件为刚体，而仅考虑机床、刀具的变形。如右图所示，当刀具处在任意的位置时，床头、尾架的变形与受力状况。,P尾,受力：变形：任意点处的变形：,此时刀架变形为因此，当当当,工件细长视机床为刚体，而仅考虑工件、刀具的变形和时，时，最大，为,刚度在该工件轴向的各个位置是不同的加工后工件各横截面的直径尺寸也不同形状误差（锥度、鼓形、鞍形等）,（2）由于工件加工余量不均或其他原因导致切削力变化变形变化引起形状尺寸误差对于椭圆型毛坯：切深大切削力大切削变形也大加工后的误差亦呈椭圆状。,在1处，加工余量ap1，变形y1。在2处，加工余量ap2，变形y2。由于切削量的不同，加工时的切削力是不同的，在系统刚度不变的前提下，系统所产生的变形也是不同的。由于切削力可以表示为：，以及：，故此有：误差复映系数：，多次加工：。,毛坯的形状误差，圆度、圆柱度、平面度等误差都以一定比例复映成工件的加工误差，这是由余量不均引起的采用多次走刀减小误差复映调整法加工时，毛坯大小不一工件尺寸分散计算误差复映,误差复映,例：在车床上镗一短孔。现知在加工前内孔有圆度误差0.4mm，车床床头刚度，刀架刚度，以及、在仅考虑机床的影响因素时，需几次走刀才能将加工后的圆度误差控制在0.01mm之内。解：系统刚度，因为，。一次走刀后圆度误差为当切削条件不变时，两次走刀即可满足加工的要求。,2、由于夹紧力、重力等产生的系统变形对加工精度影响（1）由于工件的夹紧变形引起的加工误差,床身导轨面,应用,薄板零件的磨削,（2）由于重力所引起的加工误差,重力引起机床变形,五、由于内应力产生变形对加工精度影响内应力：零件在没有外加载荷作用下，加工后内部存在的应力成为残余内应力，称为。工件在铸、锻、切削后内部应力相互平衡一旦外界条件变化平衡破坏变形,1、内应力的产生毛坯：工件壁厚不均匀，而使冷却速度不均匀。工件切削内应力热处理校直2、内应力的减少和消除法时效处理：天然、人工铸、锻件结构，应壁厚均匀，不能差太多零件的结构主要考虑刚度问题机械加工时，注意减少切削力尽量不采用冷校直,六、机床刚度的测定1、机床刚度的静测定法单向加载测定法：不能反映切削状态；只加载力，而都对刚度有影响三向加载测定法：三向加载，三向测力,2、用生产法测定车床刚度按误差复映原理进行的,3、接触刚度的测定,七、提高工艺系统刚度的措施1、选用合理的零部件结构和断面形状封闭式箱型结构、空心结构（断面面积不变）,2、提高连接表面的接触刚度提高连接面几何形状精度降低表面粗糙度，施加预载荷3、采用正确的装夹方式4、提高加工时刀具的刚度悬伸短、刀杆、导向套、导向杆5、减小接触面6、工件刚度低时，缩短切削力与支承点的距离车中心架、跟刀架,5-4工艺系统热变形及加工精度的影响,一、工艺系统热源与热平衡1、工艺系统热源2、工艺系统热平衡散出热量=传入热量热平衡温度不变变形稳定,二、机床热变形对加工精度的影响1、机床的温升与热平衡机床各部件达到热平衡的时间不同，热容量大的需要的时间长2、各类机床热变形及其对加工精度的影响（1）车、铣、镗床类机床的热变形主轴箱发热箱体、机床发生变形和翘曲，从而主轴的位移和倾斜,（2）磨床的热变形砂轮轴承和液压系统（3）导轨磨床、龙门刨床的热变形床身的热变形,3、减少机床热变形对加工影响的措施（1）结构设计措施热对称结构设计单柱改双柱使关键件热变形在误差不敏感方向移动合理安排支承位置，使热位移有效部分缩短对发热大的热源采用足够的冷却措施改善轴承的润滑条件隔离热源油池和冷却液箱独立变形均衡关键件温升,（2）工艺措施安装机床的区域保持恒定环境温度均布加热器，取暖，门帘，不靠窗照射机床达到热平衡状态后再加工空转一段时间热平衡不断续加工精密机床恒温室严格控制切削用量以减少工件发热三、工件热变形对加工精度的影响1、工件热变形及其对加工影响,典型工件的热变形分析,薄片状零件的热变形轴类零件的热变形长径比大的零件，如丝杠、细长轴等，受热伸长，不能忽视2、减少工件热变形对加工精度影响的措施充分冷却，降低切削温度提高切削速度和进给量工件精加工前充分冷却经常刃磨和修正刀具和砂轮使工件在紧张状态下有伸缩自由,四、刀具的热变形及对加工精度的影响1、刀具连续工作时的热变形2、刀具断续加工时的热变形,五、减少工艺系统热变形办法1、减少热源产生热量采用低速小用量切削减少切削热和摩擦热2、控制热源的影响采用冷却、恒温等手段3、从结构上减少变形机床：工件：尽量避免薄壁、薄片、空心等易热变形的结构（实心容量大）刀具：减少悬伸长度，控制热变形方向不在敏感方向4、进行综合补偿及校正,5-5保证和提高加工材料精度的途径,一、直接消除或减小原始误差的方法,细长轴车削时的受力情况和变形状况,大进给量反向切削法加工细长轴,进给方向由卡盘向尾座方向，后面采用浮动活顶尖采用大进给量和大主偏角车刀,采用浮动活顶尖缓解工件热伸长将工件的卡盘端车出一缩颈，消除轴心线歪斜影响二、补偿或抵消原始误差的方法人为的造成一种新原始误差去抵消原来的误差，正误差用人为的负误差去抵消，负误差用人为的正误差去抵消，两者大小相等，方向相反。用人为误差抵消装配后因自重产生变形精加工磨床床身导轨时预加载荷抵消装配后部件自重变形前后双刀架对刀,三、分组调整或均分误差法四、变形转移或误差转移1、转移变形2、转移误差,六角车床“力刀”安装,横梁变形转移,五、就地加工达到最终精度的方法,5-6加工误差的统计分析,一、加工误差的性质及分析方法1、分析加工误差的目的及方法研究某一主要因素对加工精度的影响单一因素分析法根据加工误差的表现形式及变化规律分析其产生的原因统计分析法2、加工误差的性质系统性误差常值性系统误差、变值性系统误差随机性误差,常值系统误差查明大小和方向相应调整或检修工艺装配或补偿变值系统误差摸清规律自动连续补偿或自动周期补偿随机性误差只能找到根源，对其采取的措施以缩短其影响,解决途径,二、分布图分析法1、实际分布图频数分布直方图分散范围=最大尺寸-最小尺寸分散范围小于公差带本工序的加工精度的能力满足加工的要求尺寸分散中心与公差带中心偏离说明系统存在常值系统误差，易于产生废品。,注意,组距（分组数）选择频数作纵坐标时，图行高矮受组距影响频数作纵坐标时，工件总数也影响图形高矮纵坐标改用频率密度,2、正态分布随机事件的分布正态分布相互独立的若干个随机事件和的随机事件正态分布对加工来说，若随机误差是由很多相互独立的随机因素所构组成，其中没有一个起决定作用的非正态分布的随机因素，那么加工中随机误差也符合正态分布正态分布的概率密度：其中，均值（数学期望），标准差。,正态分布由均值、标准差两个参数确定，均值决定分布曲线的位置，标准差决定分布曲线的形状。如下图所示，标准差增大，分布曲线向平缓方向变化，标准差减少，分布曲线向陡峭方向变化。均值增大，分布曲线将向右平移，均值减少，分布曲线将向左平移。,标准正态分布：一般正态分布，利用坐标变换，可将一般正态分布转换为标准正态分布。而标准正态分布概率是可以由概率积分表查询的。一般正态分布概率：标准正态分布概率：,正态分布的特点：分布曲线对称于均值，均值的变化使分布曲线沿横坐标平移，而不会使分布曲线的形状发生变化，标准差的变化使分布曲线的形状发生变化，而不会使分布曲线沿横坐标移动。分布曲线两端与x轴相交于无穷远分布曲线下与x轴之间的总面积为1，在对称与均值轴的6范围内，概率值为99.73%。对于标准正态分布，均值为0，故此分布曲线是对称于原点的。所以积分表一般仅给出大于零的那部分。,3、分布图的作用与缺点（1）作用判断工艺能否满足加工精度要求判断超差原因常值系统性误差还是随机误差（2）缺点没有考虑工件加工先后顺序必须等一批工件加工完才能画图，不主动控制精度如出现问题，无法对本批零件采取措施，而只能对下一批零件起作用，不便积累控制资料计算量大,4、正态分布图的应用（1）判断某一工艺过程能否保证加工精度要求工艺能力和工艺能力系数一个工序的尺寸分散范围代表了该工序的工艺能力工艺能力系数：工件加工公差与工艺能力的比值。当公差带的中心与随机量的均值重合时机械加工系统不纯在常值系统误差，这时随机量在（3）的概率为99.67。故以此来定义工艺能力系数。,绝大多数的零件加工合格加工能力较强，遇到外来因素影响不合格品加工能力不足但应注意：工艺能力系数高，仅说明该工艺系统具有较高的加工能力，此时并不代表该系统在加工时一定就是废品率很低，因为此时还与常值系统误差、变值系统误差等有关。,工艺等级,（2）合格率与不合格品率的确定某小轴的尺寸为，其分布服从正态分布，且均值，标准差。现估计其合格率及废品率。首先做变换，得到标准正态分布的积分限、。再由标准正态积分表查的积分值、合格率：+。不合格率：1-。合格率与不合格率之和为一，即为必然事件,可修复与不可修复废品率对于实际的加工而言，有些废品是可以修复的，而另外一些则是不可修复的，此时与尺寸的形式有关。对于包容尺寸（如孔），小于最小极限尺寸的废品是可以修复的，可修复废品率。而对于被包容尺寸（如轴），大于最大极限尺寸的废品是可以修复的，可修复废品率。计算时用0.5减去对应部分的合格率即可。实际解题中，在做向标准正态分布变换时，也可以是这样的：、。,例：加工一批小轴，已知直径，现知此工序的加工结果分布服从于正态分布，标准差，分布曲线的峰顶位置与公差带中心相差0.03mm，且分布曲线的峰顶位置大于公差带中心。求：本工序的加工合格率？可修复的废品率？工艺能力系数？如何提高加工的合格率？解：标准正态分布下的积分限因为合格率：0