动力机械制造与维修

2020/5/12,1,2020/5/12,2,第二章机械加工精度2-1加工精度的基本概念Basicconceptionofworkingaccuracy,机械零件的加工质量指标有两大类:加工精度、加工表面质量.1.加工精度零件加工以后的几何参数(尺寸、形状和位置)与理想零件的几何参数相符合程度。例:IT6、IT7。,2020/5/12,3,理想零件(idealworkpiece):对表面形状而言，就是绝对正确的圆柱面、平面、锥面等；对于表面位置而言，就是绝对平行、垂直、同轴和一定角度。对尺寸而言，就是零件尺寸的公差带中心。,2020/5/12,4,2.加工误差(mismachiningtolerance)零件加工后的几何参数与理想零件几何参数的偏差程度。精度是对一定尺寸、形状、位置的精确程度。误差是对一定尺寸、形状、位置的相差程度。,2020/5/12,5,误差是精度的度量。加工精度高低是通过加工误差大小来反映。所谓保证加工精度，实际上就是限制与减少加工误差问题。,2020/5/12,6,idealdimension:100.0105,Foranexample:Diametersofparts,精度等级：IT80.033；IT70.021,偏差:0.021,如果加工出来的产品平均尺寸为：,2020/5/12,7,2-2影响加工精度的因素及其分析factorsofinfluencingprocessingprecessionandanalysis,加工误差包括:加工原理误差、工艺系统静误差(机床、夹具、刀具)、工艺系统动误差(受力、高热、刀具磨损、内应力变形)、度量误差、调整误差、工件安装误差。,2020/5/12,8,1.加工原理误差（errorofprocessingprinciple）即加工方法误差，在加工中采用近似的刀刃形状或成型运动代替理论的刀刃形状或成型运动而产生的。,2020/5/12,9,例:模数铣刀铣齿mz=d；m相同，d不同，则齿型不同。每一种模数的齿轮设计一套模数铣刀(826)，每把铣刀可加工某一齿数范围的齿轮。只要将加工误差控制在某一范围内，这种方法都可以认为是可行的。,2020/5/12,10,modulusofintwogeargroupssame，buttheirgearnumbersofnot,2020/5/12,11,例:活塞部椭圆弧加工采用偏心法,2020/5/12,12,2.机床的制造误差和磨损(wear),一定精度的机床只能加工出相应精度的工件，影响加工精度的机床误差主要有以下几个方面:机床主轴误差(erroroftoolspindle)机床导轨的误差(errorofguiderail)主轴轴线与导轨的平行度误差（parallelismerror）机床传动误差(transmissionerror),2020/5/12,13,机床主轴是工件、刀具的位置基础和运动基准。主轴回转精度与受力、受热、制造精度有关.(1)主轴颈圆度误差(roundnesserror);(2)轴颈同轴度误差(axiality);(3)轴承本身的多种误差;(4)轴承之间的同轴度误差;(5)主轴磨损;(6)支承端面对轴颈轴线的垂直度误差(errorofperpendicularity)。,2020/5/12,14,FORCEDDEFORMATION,2020/5/12,15,纯径向跳动（radialrunout）,纯角度摆动（angleoscillation）,例:主轴存在回转误差表现形式(纯径向跳动、纯角度摆动和轴向窜动),纯轴向窜动（axialdrunkenness）,r/min,r/min,2020/5/12,16,Boring,workpiecenotmoves,toolturns,主轴在y方向有径向跳动，假定为简谐跳动y=Acos+Rcosz=Rsiny2/(A+R)2+z2/R2=1,2020/5/12,17,车削时主轴径向跳动(circularrunout)对工件圆度(rundness)影响很小,2020/5/12,18,轴向窜动对于孔与外圆无影响，对加工端面有影响。向前窜动，右旋面；向后窜动，左旋面。,B,A,右旋面,左旋面,2020/5/12,19,2020/5/12,20,主轴部件制造误差对加工精度的影响.1)滑动轴承（slidingbearing）(1)车削,P-cuttingforceW-spindleweight(includingpartweight),2020/5/12,21,车削时：轴承孔误差对加工精度影响较小；工作时误差敏感方向固定不变，主轴上的载荷大小与方向可看作不变，轴承上承载区位置也固定不变；主轴颈误差对加工精度影响较大。,2020/5/12,22,2020/5/12,23,2020/5/12,24,轴承孔形状对主轴回转精度仍有一定影响；镗孔时，切削力的方向是变化的，也就是说轴颈与滑动轴承的接触点A是变化的。轴承孔误差对加工精度影响较大；主轴颈误差对加工精度影响较小。,2020/5/12,25,2）滚动轴承（rollingbearing)内外环滚道圆度误差，内环的壁厚以及滚动体的尺寸误差和圆度误差。这些误差综合造成主轴线的跳动和漂移(excursion)，并传给工件，形成工件加工表面的圆度误差和波度。,2020/5/12,26,漂移(excursion):主轴每一转的跳动方位和跳动量都是变化的一种现象。滚锥、向心推力轴承的内外滚道的倾斜窜动+径向窜动。推力轴承滚道端面跳动轴向窜动。,2020/5/12,27,（1）水平内误差床身导轨水平面内弯曲，在纵向切削过程内，刀尖的运动轨迹相对于工件轴线之间就不能保持平行。,3)机床导轨误差导轨是机床确定主要部件相对位置的基准，也是运动的基准(reference)。,2020/5/12,28,2020/5/12,29,2)垂直面误差(errorverticalplane)导轨在垂直平面内的弯曲对加工精度的影响小。,2020/5/12,30,(R+R)2=z2+R2R2+2RR+R2=z2+R2R=z2/2R误差敏感方向是工件的法线(normal)方向,在切线(tangent)方向上产生的误差可以忽略。例:六角车床经常将刀具垂直安装，导轨水平面产生误差时，其误差发生在工件切线方向，可以略去。,2020/5/12,31,(3)前后导轨的平行误差(扭曲),导轨产生扭曲后，刀架和工件之间相对位置也就发生了变化。,2020/5/12,32,3)主轴轴线与床身导轨的平行度误差(parallelerror)(1)主轴回转轴线与导轨在水平面内不平行，圆柱工件加工成锥面。,2020/5/12,33,(2)主轴回转轴线与导轨在垂直平面内不平行时，工件成曲面。,AC为刀尖运动轨迹。设x=0;r0半径；c处半径为rx；tg=bx/x,tg=b/l,bx=xtgrx2=bx2+r02rx2/r02-x2b2/(r02l2)=1(双曲线),2020/5/12,34,4）传动链误差(errorofdrivingchain),机床传动链中多个传动元件(如齿轮、分度蜗轮副及螺杆螺母副等)的制造误差，装配误差以及使用中的磨损，对成形运动间速度关系有影响。各元件在传动中的位置不同，其影响程度也不同。,2020/5/12,35,i1-2=z2/z1=n1/n2,drivinggearz1,减速传动i1-21，i1-n=i1-2i2-3i3-4in-1-n设传动比为i，在理想情况下，传动链始末二端的传动比一般为常数，1i2。则当始端传动件产生1角时，终端传动链的转角为i(11）即1+1i(2十2)21/i一般，称为传动链误差。在传动过程中，它是时间的函数。单位为角秒或微弧度。,2020/5/12,36,提高传动精度的途径1)缩短传动链提高传动件的制造和装配精度。以减少误差来源。2)取降速传动接近末端件的传动副降速幅度应尽可能取大些，以便使所有中间传动件误差均得到有效的缩小。采用大降速的蜗轮副或齿轮副。3)重视末端件上的传动副的制造和装配精度末端件上的传动副误差直接反映在末端件上。例，滚齿机加工齿轮的周节误差，由工作台传动蜗杆所引起的约占45，由工作台传动蜗轮所引起的约占27；加工齿轮的周节累积误差，由蜗轮误差所引起的约占(5052)，蜗杆所引起的约占12。通常蜗轮副的精度应比加工齿轮的精度提高12级。,2020/5/12,37,4)工作台蜗轮的直径尽可能取大一些。因为转角误差与线误差的关系为l=r；工作台上的工件的转角误差与蜗轮的转角误差是相等的，若蜗轮直径dw比工件直径dg大则工件上的线误差lg将按两者直径比例缩小，即lglw(dgdw)。lw为蜗轮的线误差。5)传动链中尽可能少用锥齿轮和斜齿轮。蜗杆和丝杠的牙形角宜取小一些，例如，可取1015，以减小由于径向跳动而引起的转角误差。6)用误差校正装置来进一步提高传动精度。,2020/5/12,38,3.夹具的制造误差和磨损processingerrorandwearofjigs,由于定位元件、刀具导向装置、对刀装置，分度机构以及夹具体等零件制造误差。例:刀具导向间距误差(钻套)，钻2孔。SL,2020/5/12,39,措施:精加工时，尺寸精度规定为工件上相应尺寸公差的1/21/3;粗加工时，则可取1/51/10。L=100.00100.04100.020.02S精=100.020.01S粗=100.020.004,2020/5/12,40,4.刀具的制造误差和磨损,1）定尺寸刀具(dimensiontool)例:钻头、铰刀、板牙(screwdie)的制造精度;2）成形刀具(formingtool)例:成形车刀、成形铣刀、成形砂轮(刀具形状直接决定工件被加工表面的形状,刀具刃口及有关尺寸).3）创成刀具(creationtoolofvacuum)例:齿轮铣刀、插齿刀、花键铣刀。刀刃形状及有关尺寸直接影响被加工工件的形状精度。一般刀具,分普通车刀、镗刀、铣刀、砂轮等。刀具本身的制造误差对工件的加工精度没有直接影响,但刀具磨损对工件加工精度有影响。,2020/5/12,41,刀具开始磨损快,到正常磨损时，磨损量与切削路程成正比，最后再增加。砂轮磨损大，尤其在磨孔时，砂轮小，影响大，应修正；磨外圆，砂轮大，影响小。,2020/5/12,42,5.工件安装误差fittingerrorofworkpiece,工件安装包括定位与夹紧整个过程(在夹具章详讲)。,2020/5/12,43,6.工艺系统受力变形所引起的误差theerrorresultedfromdeformationintechnologysystem,工艺系统:由机床、夹具、工件所组成的系统。它是一个弹性系统，变形由外力作用引起(切削刀、夹紧力、传动力、重力和惯性力)。,2020/5/12,44,1)工艺系统刚度概念,工艺系统静刚度：工艺系统在静载荷作用下，会产生静变形，静力与静力作用下产生变形的比值Jj=Fy/yj(N/mm)Fy=N;yj=mm,2020/5/12,45,2020/5/12,46,工艺系统刚度:(rigidityofprocesssystem）工艺系统在切削力综合作用下，Y方向的切削分力Fy与Y方向的变形的比值。J=Fy/Y,2020/5/12,47,y值是Fx、Fy、Fz共同作用下，产生的变形。总变形有可能等于”0”或负值，所以刚度”无穷大”或”负刚度”。,2020/5/12,48,2)工艺系统的刚度(stiffness)及其对加工精度的影响工艺系统刚度由多个环节(机床、刀具、工件)刚度计算求得。（1）机床刚度对加工精度的影响(stiffnessofmachinetool),2020/5/12,49,Staticstiffnesscalculation,2020/5/12,50,在任意点“C”Fy作用下，工件ABAB处，刀尖由C移到C。这时机床总位移量：y机=yx+y刀yx=y头+kk=(y头y尾).x/Ly机=y刀+y头+(y头y尾).x/L,2020/5/12,51,F头=Fy(Lx)/L;F尾=Fy.x/Ly头=F头/j头=Fy(L-x)/j头.L;y尾=Fyx/(L.j尾)y刀=Fy/j刀,2020/5/12,52,j机=Fy/y机=1/(1/j刀+(L-x)L2/j头+(x/L)2/j尾机床刚度随刀具所处位置不同而不同，它是的函数。,2020/5/12,53,(2)刀具刚度及其对加工精度的影响例:镗孔时镗杆变形.,y=FL3/3EIJ杆=F/y=3EI/L3L增大，J杆下降。减少悬伸长度L，可提高加工精度。,2020/5/12,54,Workpiecenotmoves,boringrodmovesforward,2020/5/12,55,(3)工件刚度及其对加工精度的影响工件刚度计算,x,Fy,L,y工=FyL3(x/L)2(L-x)/L)2/(3EI)当x=L/2时，y工=FyL3/(48EI),2020/5/12,56,例:在机床上车削一根80mm，2000mm长轴，工件材料为45钢，b=600700pa。已知床头J头=50kN/mm，J尾=40kN/mm，J刀=30kN/mm，切削用量ap=1mm，f=0.25mm/round，v=120m/min，使用YT15硬质合金刀具，=0.5。求:车床和工件变形对工件轴向截面精度的影响。,2020/5/12,57,计算切削力:Fy=CFZapf0.75=0.51910.110.250.75=337.6(N)y机=Fy(1/j刀+(L-x)L2/j头+(x/.L)2/j尾.=337.61/30000+(2000-x)/20002/50000+(x/20000)2/40000（不考虑工件刚度）,x025050075010001250150017502000(mm)y机0.0180.01660.01550.015080.015050.01550.01640.01780.0197,2020/5/12,58,仅考虑工件刚度y工=FyL3(x/L)2(L-x)/L)2/(3EI)=337.6(20003/(2*1011)(106/(0.05*804)(x/2000)2(2000-x)/20002=0.000002197(x/2000)2(2000-x)/20002.106=20197(x/2000)2(2000-x)/20002其中:E=21011(Pa)=2105(MPa)=2105(N/mm2),x025050075010001250150017502000yI00.02630.07720.12070.13700.12070.07720.02630,2020/5/12,59,y系统y工+y机x025050075010001250150017502000y0.0180.04290.09280.13570.1520.13620.09360.04410.019,2020/5/12,60,()误差复映规律,定义:加工后工件表面仍保留着与毛坯表面相类似的，但数值已大大缩小的尺寸或形状误差，这种现象称为”误差复映”。,2020/5/12,61,jy工艺系统刚度(processsystemrigidity)ap1,y1,Fy1为最大切深和相应的位移及分力；ap2,y2,Fy2为最小切深和相应的位移及分力。y1=Fy1/jyy2=Fy2/jyFy=CFZapf0.75CFZ与工件材料，刀具几何角度有关的系数;f进给量，mm/r。,2020/5/12,62,一次走刀后的半径误差:工=y1y2=Fy1/jy-Fy2/jy=CFZf0.75(ap1-ap2)/jy=毛CFZf0.75/jy工/毛=CFZf0.75/jy=误差复映系数1。工=毛.毛坯误差较大时,可采用多次走刀（cuttingfeed）。工=1.n.毛=(CFZ/jy)n.毛(fi)0.75i,2020/5/12,63,例:车销一批轴件，材料为45钢，毛坯直径为503mm，用YT15车刀(r0=0，xr=75)一次车到工序尺寸，所用的进给量1mm/r,v(切削速度)1.66m/s，系统刚度为19600N/mm，求这批工件加工后的直径误差。解:毛=3-(-3)=6(mm);CFZ=1872;=0.351=CFZf0.75/jy=0.03342之间，最合理。,2020/5/12,94,2-4加工误差的综合分析Syntheticalanalysisofprocessingerror,生产中出现的加工精度问题往往是综合性很强的工艺问题。1.误差性质(errornature)多种加工误差，按它们在一批零件中出现的规律来看可分为两大类：系统误差与随机误差。(systemicerrorandrandomerror),2020/5/12,95,1）系统误差：当连续加工一批零件时，这类误差的大小和方向保持不变或是按一定规律变化，前者为:常值系统误差(constantsystemerror)后者为:变值系统误差(variatesystemerror)加工原理误差、机床、刀具、夹具、量具的制造误差、调整误差、工艺系统的受力变形都是常值系统误差。,2020/5/12,96,Forexample,绞刀（reamer）本身制造时，尺寸(直径)偏大0.02mm，加工出来的孔都大0.02mm；机床、夹具和量具的磨损值在一定时间内可看作是常值系统误差。刀具磨损、热变形可看作具有一定规律变化。例；车刀车外圆。对于常值性误差:通过相应的调整或检修工艺装备的办法来解决;有时可人为地用一种常值误差去补偿本来常值误差。对于变值性误差：对于变值系统误差在摸清其规律后，可通过自动补偿(连续补偿)、自动周期补偿等办法解决。例：磨床上对砂轮磨损和砂轮修正的自动补偿（compensate）。,2020/5/12,97,2）随机误差(RANDEMERROR)加工一批零件中，这类误差的大小和方向是不规律地变化或称偶然误差。例:毛坯余量大小不一，硬度不均匀的复映，定位误差、夹紧误差、调整误差、内应力引起误差等。,2020/5/12,98,随机误差很难完全消除，只能对其产生的根源采取适当的措施以缩少其影响。例:毛坯带来的误差，应缩小铸造时毛坯本身误差，提高工艺系统刚度。在一些自动化机床上加工过程中采取积极检验，控制一批工件加工误差。,2020/5/12,99,2.加工误差的统计分析法(analysismethod)对生产实际中因复杂因素而出现的加工误差，不能用单因素估算方法，更不能从单个工件的检查来得出结论。应用统计方法来研究加工精度(分布曲线法、点图法)。,2020/5/12,100,例:测量一批精镗后的活塞销孔直径，图纸尺寸为mm.,2020/5/12,101,抽查件数为100(n)，分6个组，mi为每组的件数，每组尺寸间隔0.002mm(教材P29)，xi为每组的中点尺寸。尺寸分散=最大尺寸-最小尺寸=28.0045-27.9925=0.012分散范围中心(即平均孔径)(mi.xi)/n=27.9984(mm)公差带中心=(28+28-0.015)/2=27.9925(mm)=27.998427.9925=0.0059(mm)具体讲，镗孔时要将镗刀调整得短一些。,2020/5/12,102,2020/5/12,103,例:在无心磨床上用贯穿法磨活塞销，其直径为mm，公差范围27.999-27.990=0.009(mm)。假定工件加工尺寸范围为0.016mm；尺寸分散中心=27.998mm；公差带中心=27.9945mm；即使将尺寸分散中心调到公差带中心27.9945，也还要产生不合格产品。,2020/5/12,104,2020/5/12,105,解决方法:减少系统性误差。减少砂轮与工件间的调整误差。减少随机性误差，主要是毛坯误差复映。当数据多时，尺寸分布可看成正态分布曲线（Gaosdistributioncurve）。,2020/5/12,106,分布曲线法统计废品率,2020/5/12,107,2020/5/12,108,正态分布曲线特点:曲线呈钟形，中间高，两边低。这表示尺寸最近分散中心的工件占大部分，而尺寸远离分散中心工件极小数。工件尺寸大于X和小于X的频率是相等的。控制正态分布曲线形状的参数是。，曲线平坦，尺寸越分散，即加工精度越低；越小，曲线越陡峭，尺寸越集中即加工精度越高。,2020/5/12,109,尺寸在3以外的比例频率只占0.27%，可忽略不计。一般取正态分布曲线的分散范围为3。6大小代表了某一种加工方法在规定条件（毛坯余量、切削用量、正常的机床、夹具、刀具）下所能达到的加工精度。公差6时不会产生废品(waste)，机床调整时有定值系数误差,6+,2020/5/12,110,例:无心磨床上加工一批直径mm的工件。初步调整机床后，试磨一批工件，测得其平均尺寸，均方根差=0.01mm。如果要使不可修复的废品率控制在1%以下，应如何再次调整机床?,2020/5/12,111,废品16.49%,2020/5/12,112,要使不可修复的废品率Q1%，则应使p249%，,查表z2=2.4，(z2)=0.49180.49,X=22=0.024-0.01=0.014(mm),X,=2.40.01=0.024(mm),由于公差不变(0.035)，要使2=0.024mm，将平均尺寸由原来的11.975mm，增加x，即,2020/5/12,113,调整后，工件加工平均尺寸为，即将无心磨床导轮退出0.014mm.,2020/5/12,114,=+X=11.975+0.014=11.989再计算一下可修复的废品率Q=12-11.989=0.011Z