第三章 机械加工精度20120508.ppt

,机械制造工艺学,机电工程学院,第三章,3机械加工精度,学习目标：质量好、效率高、成本低是生产中追求的三个目标。而加工精度就是加工质量的最重要方面。通过本章学习，应理解加工精度的基本概念，掌握影响加工精度的各种原始误差因素及加工误差的统计方法。了解保证和提高加工精度的各种工艺措施。章节内容：3.1概述3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响3.3工艺系统的受力变形3.4工艺系统的热变形3.5加工过程的其它误差3.6加工误差的统计分析3.7保证和提高加工精度的主要方法,3.1概述,3.1.1加工精度加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）对理想几何参数的符合程度（或接近程度）。（由各种因素影响-不可能完全符合.）1.尺寸精度加工后零件各表面本身或表面之间的实际尺寸与理想尺寸之间的符合程度。理想尺寸是指零件图上所注的有关尺寸的平均值。2.形状精度加工后零件各表面的实际形状与表面理想形状之间的符合程度。如：平面、圆柱面、球面、螺旋面等。3.位置精度加工后零件表面之间的实际位置与表面之间理想位置的符合程度。如：两平面平行、两平面垂直、两圆柱面同轴等。,三者之间的关系：（1）当尺寸精度要求高时，相应的位置精度和形状精度也要求高。形状公差应限制在位置公差内，位置公差应限制在尺寸公差内。（2）当形状精度要求高时，相应的位置精度和尺寸精度不一定要求高。,3.1概述,3.1.2加工误差,加工误差加工误差是指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度。（无论采用何种加工方法，加工后的零件在尺寸、形状和位置方面都与理想零件有所不同，它们的差值分别称为尺寸、形状和位置误差）,原始误差造成零件加工后在尺寸、形状和位置加工误差的工艺因素。工艺系统的原始误差原有的、客观存在的。主要有：加工原理误差、机床误差、夹具和刀具误差、工件误差、测量误差，以及定位和安装调整误差。加工过程中的其它因素由力、热和磨损等因素影响。主要有：工艺系统的受力变形、工艺系统热变形、工艺系统磨损和残余应力等。,3.1概述,3.1.3加工精度的获得的方法1.尺寸精度的获得方法试切法调整法定尺寸刀具法自动控制法2.形状精度的获得方法成形运动法非成形运动法3.位置精度的获得方法一次装夹获得法多次装夹获得法,直接装夹法,夹具装夹法,找正装夹法,3.1概述,3.1概述,3.1.4影响机械加工精度的原始误差因素如图3-1，以活塞加工中精镗销孔工序的加工过程为例说明,图3-1活塞销孔精镗工序示意图,定位止口,对刀尺寸,设计基准,设计尺寸,菱形销,定位基准,F,f,夹具,3.1概述,以下三方面分析：1.装夹：止口及端面为定位基准，菱形销插入销孔实现周向定位。设计基准与定位基准不重合；各定位处的配合间隙引起定位误差；夹紧力F过大，造成工件变形而产生的夹紧误差。2.调整：装夹工件前后必须对机床、刀具和夹具进行调整，不可能绝对准确，产生调整误差。另外机床、刀具、夹具本身都有制造误差，加工前就已存在，又称之为工艺系统的几何误差。3.加工：加工过程中的切削力、切削热和摩擦会引起工艺系统的变形，造成已调整好的刀具与工件的相对位置，这类原始误差亦称为工艺系统动误差。测量器具不可能绝对准确，也存在原始误差；毛坯制造（铸、锻、焊、轧制等）、切削加工、热处理时在力和热作用下产生内应力，将引起工件的变形。,工件装夹误差,3.1概述,原始误差,与工艺系统初始状态有关的原始误差(几何误差),与工艺过程有关的原始误差(动误差),原始误差构成,3.1概述,3.1.5原始误差与加工误差的关系,R,R,图3-2原始误差与加工误差的关系,a）,原始误差的存在会使刀具与工件之间的正确几何关系破坏而引起加工误差；各原始误差的大小、方向不同，而加工误差则必须在工序尺寸方向上度量，对加工精度影响程度是不同的，当方向一致时影响最大；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），称为误差敏感方向。,显然：,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,（1）主轴回转运动的概念与形式,3.2.1机床制造误差及磨损机床主轴回转运动、机床导轨直线运动和机床传动链三种误差。,理想回转中心：机床主轴做回转运动时，主轴的各个截面必然有它的回转中心，在主轴的任一截面，主轴回转时若只有一点速度始终为零，则这一点即为理想回转中心。,瞬时回转中心：主轴在实际回转过程中，在一个位置或时刻的回转中心，称为瞬时回转中心，主轴各截面瞬时回转中心的连线叫瞬时回转轴线。,主轴的回转运动误差：是指主轴的瞬时回转轴线相对其平均回转轴线(瞬时回转轴线的对称中心)，在规定测量平面内的变动量。变动量越小，主轴回转精度越高；反之越低。,1.机床主轴回转运动误差,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,机床主轴回转运动误差实际就是指主轴实际回转线对其理想回转轴线的漂移量。为便于研究，可将主轴回转误差分解为三种基本型式。a）端面圆跳动：影响端面形状和轴向尺寸；b）径向圆跳动：影响圆柱面的精度；c）角度摆动：影响圆柱面与端面加工精度。,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,（2）主轴回转运动误差的影响因素主要有：主轴的误差、轴承的误差、轴承间隙、与轴承配合零件的误差及主轴系统的径向不等刚度和热变形等；对于工件回转类机床（车床、外圆磨床等），因切削力方向不变，如（a）图所示，轴径圆度误差影响大而轴承孔圆度影响小；对于刀具回转类机床（钻、铣、镗床等），因切削力方向随旋转而改变，结论正好与上例相反。如（b）图所示。,图3-4两类主轴回转误差的影响,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,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。,其他因素,轴承孔、轴径圆度误差；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。,a）b）,0,止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响,影响主轴轴向精度的主要因素,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,主轴回转误差对加工精度的影响,径向圆跳动对加工精度的影响,径向跳动对镗孔精度影响,径向跳动对车外圆精度影响,结论：主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差。,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,主轴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。,主轴倾角摆动对加工精度的影响,径向跳动与端面跳动综合影响的类似结果,不仅影响端面精度，而且影响圆柱面加工精度。,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,（3）主轴回转精度的测量,图3-5主轴回转精度的千分表测量法,a),b),图3-6铣镗床类主轴回转精度测量法1摆动盘2，4传感器3精密测球5放大器6示波器,千分表测量法,传感器测量法,包含心轴、锥孔误差在内；非运动状态。,精密心棒,千分表,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,提高主轴回转精度的措施1）提高主轴部件的制造精度：2）对滚动轴承进行预紧：适当预紧可消除间隙，甚至产生微量过盈，轴承内、外圈和滚动体弹性变形,提高轴承的回转精度，选用高精度滚动轴承或高精度的多油楔动压轴承和静压轴承；提高箱体支承孔、主轴颈和与轴承相配合表面的加工精度。,增加了轴承刚度；滚道及滚动体的误差均化。,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,3）使主轴的回转精度不反映到工件上,常采用两个固定顶尖支承，主轴只起传动作用。工件的回转精度完全取决于顶尖和中心孔的形状误差和同轴度误差，而提高顶尖和中心孔的精度要比提高主轴部件的精度容易且经济得多。,外圆磨床用固定顶尖支承,利用镗模提高镗孔精度,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,2.机床导轨误差：导向误差,导轨在水平面内直线度误差导轨在垂直面内直线度误差导轨面间平行度（扭曲）误差导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度误差,主要有,1)磨床导轨在水平面内直线度误差的影响引起工件在半径方向上的误差。当磨削长外圆时，造成圆柱度误差。,图3-7磨床导轨在水平面内直线度误差的影响,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,2)磨床导轨在垂直面内直线度误差的影响由于磨床导轨在垂直面内存在误差，磨削外圆时，工件沿砂轮切线方向产生位移(非误差敏感方向)，此时工件产生圆柱度误差。,对平面磨床、龙门刨床、铣床等法向方向的位移(误差敏感方向)，将直接反映被加工件的表面形成的形状误差。,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,3)导轨面间平行度（扭曲）误差的影响如车床两导轨的平行度误差(扭曲)使床鞍产生横向倾斜，刀具产生位移，因而引起工件形状误差。,Y,图3-9车床导轨面间的平行度误差,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,4）导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响。,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,3.机床传动链误差,（1）传动链的传动误差,是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。,在螺纹加工或用展成法加工齿轮等工件时，必须保证工件与刀具间有严格的运动关系，传动链的传动误差影响其加工精度的主要因素。,例如：在该齿机上用单头滚刀加工直齿轮时，要求滚刀与工件之间具有严格的运动关系：滚刀转一转，工件转过一个齿。这种运动关系是由刀具与工件间的传动链来保证的。,制造误差、装配误差、磨损,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,（2）传动链误差的传递系数,传动链误差一般可用传动链末端元件的转角误差来衡量。,由于各传动件在传动链中所处的位置不同，它们对工件加工精度(即末端件的转角误差)的影响程度是不同的。如传动链是升速传动，则传动元件的转角误差将被扩大；反之，则转角误差将被缩小。,由于所有的传动件都存在误差，因此，各传动件对工件精度影响的总和为各传动元件所引起末端元件转角误差的叠加：,如果考虑到传动链中各传动元件的转角误差都是独立的随机变量，则传动链末端元件的总转角误差可用概率法进行估算：,最大值,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,（3）减少传动链传动误差的措施,1)尽可能缩短传动链；,2)减少各传动元件装配时的几何偏心，提高装配精度；,3)提高传动链末端元件的制造精度；,在一般的降速传动链中，末端元件的误差影响最大。,4)按降速比递增的原则分配备传动副的传动比；,传动链末端传动副的降速比取得越大，则传动链中其余各传动元件误差的影响就越小；,图3-11精密螺纹磨床传动系统1工作台2工件3砂轮3砂轮5螺母6母丝杠,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,校正装置的实质是在原传动链中人为地加入一误差，其大小与传动链本身的误差相等而方向相反，从而使之相互抵消。,5)采用校正装置,注意：采用机械式的校正装置只能校正机床静态的传动误差。如果要校正机床静态及动态传动误差，则需采用计算机控制的传动误差补偿装置。,6)采用数控技术,如开放式数控系统中的电子齿轮,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,4）一般刀具(如普通车刀、单刃镗刀和平面铣刀等)的制造误差，对加工精度没有直接影响。,1.刀具误差,1）定尺寸刀具(如钻头、铰刀、拉刀等)的尺寸误差直接影响加工工件的尺寸精度。刀具在安装使用中不当将产生跳动，也将影响加工精度。,2）成形刀具(如成形车刀、成形铣刀及齿轮刀具等)的制造误差和磨损，直接影响工件的形状精度。,3.2.2刀具制造误差及磨损,3）展成刀具(如齿轮滚刀、花键滚刀及插齿刀等)的制造误差和磨损，主要影响被加工表面的形状精度。,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,2.刀具磨损,刀具尺寸的磨损是指刀刃在加工表面的法线方向（亦即误差敏感方向）上的磨损量，它直接反映出刀具磨损对加工精度的影响。,刀具尺寸磨损的过程可分为三个阶段，如图3-14。正常磨损阶段，尺寸磨损与切削路程成正比。,图3-13车刀的尺寸磨损,图3-14车刀磨损过程,初期磨损,急剧磨损,正常磨损,3.2工艺系统制造误差及磨损对加工精度的影响,3.2.3夹具制造误差及磨损,20,H7,g6,Z,图3-15钻孔夹具误差对加工精度的影响,夹具误差直接影响工件加工表面加工位置精度或尺寸精度；与夹具误差有关的影响因素：,1）定位元件、刀具导向（对刀）元件、分度机构、夹具体等的制造误差；2）夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对尺寸误差；3）夹具在使用过程中工作表面的磨损；4）夹紧过程误差；,通常要求：精加工用夹具定位误差和夹具制造误差不大于工件相应公差的1/2-1/3。粗加工用夹具则可取为1/5-1/10。,?,3.3工艺系统的受力变形,工艺系统加工中受到的力有：,切削力传动力惯性力夹紧力重力,工艺系统（机床、夹具、刀具和工件）在这些力的作用下，将产生相应的变形。这种变形将破坏切削刃和工件之间已调整好的正确的位置关系，从而产生加工误差。,例如：,3.3工艺系统的受力变形,（2）在内圆磨床上用横向切入磨孔时，磨出的孔会产生带有锥度的圆柱度误差，如右图所示。,（1）车削细长轴时，工件在切削力作用下的弯曲变形，加工后会产生鼓形的圆柱度误差如右图所示。,（a）,工件变形,砂轮轴变形,图3-16工艺系统受力变形引起的加工误差,3.3工艺系统的受力变形,作用力F（静载）与由它所引起的在作用力方向上产生的变形量y的比值，称为物体的静刚度k（简称刚度）。,式中k静刚度,N/mm；F作用力，N；y沿作用力方向的变形量，mm。,受力变形是机械加工中一项很重要的原始误差，不仅严重影响工件的加工精度，而且还影响加工表面质量，限制加工生产率的提高。,？,3.3工艺系统的受力变形,对于工艺系统受力变形，主要研究误差敏感方向。因此，工艺系统刚度kxt定义为：,3.3.1工艺系统刚度,工件和刀具的法向切削分力Fy与在总切削力的作用下，工艺系统在该方向上的相对位移yxt的比值，即：,由于法向位移是在总切削力作用下工艺系统综合变形的结果，因此有可能出现变形方向与Fy的方向不一致的情况。当Fy与yxt方向相反时，即出现负刚度。负刚度现象对保证加工质量是不利的，应尽量避免，如图3-17所示。,3.3工艺系统的受力变形,负刚度现象：,刨削,车削,图3-17工艺系统的负刚度现象,刨削加工,车削加工,3.3工艺系统的受力变形,工艺系统的刚度：,yxt=yjc+yjj+ydj+yg,而：,工艺系统的总变形量,3.3工艺系统的受力变形,3.3.2工艺系统受力变形对加工精度的影响,在车床顶尖间车削粗而短的光轴，由于车刀和工件变形极小，此时，工艺系统的总变形完全取决于主轴箱、尾座(包括顶尖)和刀架的变形。,（1）车短轴,1.受力点位置变化引起的形状误差,图3-18（a）车短轴,3.3工艺系统的受力变形,（2）车细长轴,在两顶尖间车削细长轴，由于工件细长、刚度小，在切削力作用下其变形大大超过机床、夹具和刀具所产生的变形。因此，机床、夹具和刀具的受力变形可略去不计，工艺系统的变形完全取决于工件的变形。,图3-18（b）车细长轴,3.3工艺系统的受力变形,工艺系统刚度随受力点位置变化而异的例于很多，例如立式车床、龙门刨床、龙门铣床等的横梁及刀架，大型铣镗床滑枕内的轴等，其刚度均随刀架位置或滑枕伸出长度不同而异，分析时应具体分析。,镗床,铣床,镗杆的变形,悬臂梁的变形,3.3工艺系统的受力变形,在车床上加工短轴，工艺系统刚度变化不大，可近似地作为常数。这时，由于被加工表面的形状误差或材料硬度不均匀而引起切削力变化，使受力变形不一致而产生加工误差。,2.误差复映规律,工件就形成圆度误差，这种现象称为“误差复映”。,以车削为例，工件毛坯存在圆度误差(例如椭圆)，如图所示。,由于工件毛坯存在圆度误差,车削时使切削深度在ap1与ap2之间变化。,切削分力f也随切削深度a的变化由最大ymax变到最小ymin,工艺系统将产生相应的变形,（1）误差复映,图3-20零件形状误差的复映,3.3工艺系统的受力变形,（2）误差复映系数,毛坯圆度的最大误差,车削后工件的圆度误差,称为误差复映系数,而,又,所以,则：,定义：,复映系数定量地反映了毛坯误差经过加工后减少的程度，它与工艺系统刚度成反比，与径向切削力系数A成正比。可见，要减少工件的复映误差，可增加工艺系统刚度或减少径向切削力系数,如何做到？,加大主偏角Kr、减小进给量f！,3.3工艺系统的受力变形,（3）误差复映规律的应用,当毛坯误差较大，一次进给不能满足加工精度要求时，需要多次进给来消除毛坯误差m复映到工件上。设第一次进给量为f1，毛坯误差为m1，则由上式可得到第一次进给后工件的误差w1为：,第二次进给后工件的误差为：,同理，第n次进给后工件的误差为：,应用：1、估算加工后的工件误差,2、根据工件的公差值与毛坯误差值来确定加工行程数。,1，小数相乘更小。因此，一般IT7要求的工件经过23次进给后，可能使m复映到工件上的误差减小到公差允许值的范围内。,3.3工艺系统的受力变形,3.其它力引起的加工误差（1）夹紧力引起的加工误差被加工工件在装夹过程中，由于刚度较低或着力点不当，都会引起工件的变形。特别是薄壁套、薄板等零件。,薄壁套夹紧变形,【例】薄壁套夹紧变形解决：加开口套,3.3工艺系统的受力变形,（2）重力引起的加工误差在工艺系统中，由于零部件的自重也会产生变形。如：龙门铣床、龙门刨床刀架横梁的变形，铣镗床镗杆伸长而下垂。,龙门铣横梁变形,【例】龙门铣横梁,方案2：龙门铣横梁变形补偿,解决1：重量转移解决2：变形补偿解决3：增加刚度，改为鱼腹梁,方案1：龙门铣横梁变形转移,副梁承载,3.3工艺系统的受力变形,（3）惯性力引起的加工误差工艺系统中如存在不平衡的高速旋转的构件，就会产生离心力。,传动力对加工精度的影响,R,X,Y,Fp,Fc,Fcd,Fcdx,r,a）,O,O,r0,X,Y,Fp,A,rcd=Fcd/kc,O,Fc,Fc/kc,Fp/kc,b）,O,不均匀传动力也会引起加工误差,3.3工艺系统的受力变形,3.3.3工艺系统刚度的测定,估算工艺系统刚度的重点是机床的刚度，它是由许多零件组成的，其受力变形情况比单个弹性体复杂得多。,1.单向静载测定法,在机床静止状态下，模拟切削时的主要作用力，对机床施加静载荷并测定其变形量。,图3-21单向静载测定法,1，3，6，7百分表2短轴4测力环5螺旋加力器,3.3工艺系统的受力变形,左图为机床三次加载卸载循环，可以看出机床部件的刚度曲线的特点：,变形与作用力不是线性关系，反应刀架变形不纯粹是弹性变形；加载与卸载曲线不重合，说明在循环中有能量损失，消耗在内部零件间的摩擦和接触变性；卸载后曲线不回到原点，说明有残余变形，数次循环后，残余变形逐步接近于零；部件的实际刚度远比按实体所估算的小。,静刚度测定法，结构简单易行，但与机床实际受力状态出入较大，故一般只用来比较机床刚度的高低。,次加载,次加载,次加载,3.3工艺系统的受力变形,2.三向静载测定法,进一步模拟实际车削受力Fx、Fy、Fz的比值，从三个方向加载，这样测定的机床刚度比较接近实际。,A向,C-C,A,图3-23三向静载测定1-前顶尖；2-接长套筒；3-测力环；4-螺杆；5-弓形加载器；6-定位杆；7-模拟车刀,3.3工艺系统的受力变形,3.工作状态测定法,工作状态测定法的依据是误差复映规律，比较接近实际情况。,图3-24车床刚度工作状态测量法,左、中、右台阶处的复映系数为,三处的刚度为,由于心轴刚度大，其变形可忽略，车刀的变形也可忽略，故算得的刚度就是机床刚度。,列方程组,解得三处刚度,3.3工艺系统的受力变形,3.3.4影响工艺系统刚度的因素,连接表面接触变形的影响零件表面总是存在宏观和微观的形状误差，连接表面的实际接触面积只是名义接触面积的一部分，在外力作用下，各接触处将产生较大的接触应力而引起接触变形。,图3-26接触变形与压强的关系,x,O,p,p,p,x,x,图3-25表面接触情况,3.3工艺系统的受力变形,2.部件中薄弱零件的影响,如果部件中有某些刚度很低的零件时，受力后这些低刚度零件会产生很大的变形，使整个部件的刚度降低。如图3-27所示，由于床鞍部件中的楔铁细长、刚性差，不易加工平直，造成接触不良，机床工作时在外力作用下最易变形。,图3-27机床部件中刚度薄弱环节,楔铁,燕尾型导轨,3.3工艺系统的受力变形,3.零件间的间隙和摩擦力的影响,零件配合面间的间隙的影响，主要反映在载荷经常变化的铣镗床、铣床上。当载荷方向改变时，间隙引起位移。,如图3-28所示，如果载荷是单向的，那么在第一次加载消除间隙后，对加工精度影响较小。,摩擦力对接触刚度的影响：当加载时，摩擦力阻止变形增加，而卸载时，摩擦力又阻止变形减少。因此，卸载曲线不与加裁曲线相重合，如图3-28所示(表面间的塑性变形也是使加裁和卸载曲线不重合的原因之一)。,图3-28间隙的影响,3.3工艺系统的受力变形,3.3.4提高工艺系统刚度的措施,减少工艺系统受力变形，是机械加工中保证产品质量和提高生产率的主要途径之一，根据生产实际情况，可采取以下几方面措施。,1合理的结构设计,应尽量减少接触面数量；注意刚度的匹配，防止存在局部低刚度环节；理选择零件结构形状，如在等截面积情况下，空心比实心截面形状的刚度好；封闭比开口截面形状的刚度好；适当增加加强肋,3.3工艺系统的受力变形,2提高连接表面的接触刚度,一般情况下部件的接触刚度低于实际零件的刚度，提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。,改善工艺系统主要零件接触面的配合质量；,刮研或研磨配合面，提高配合表面的形状精度，减小表面粗糙度值，使实际接触面增加，从而有效地提高接触刚度。如机床导轨副、锥体与锥孔、顶尖与中心孔等的加工。,在接触面间预加载荷；,可消除配合面间的间隙，增加实际接触面积，减少受力后的变形量。如各类轴承、滚珠丝杠的调整中的预紧。,提高工件定位基准面的精度和减少它的表面粗糙度值；,工件的定位基准面一般总是承受夹紧力和切削力,如果尺寸、形状误差较大，表面粗糙度值较大，就会产生较大的接触变形。,3.3工艺系统的受力变形,3采用合理的装夹和加工方式,图3-29铣角铁形零件的两种装夹方式,采用中心架,采用跟刀架,工件刚度,好,差,细长杆件的刚度差，加工时必须注意。分析加工后轴类零件产生鞍形、腰鼓形、锥形误差的原因。,4.增加辅助支承，如：中心架、跟刀架、镗杆支承等。,3.3工艺系统的受力变形,提高机床部件的刚度,在切削加工中有时由于机床部件刚度低而产生变形和振动，影响加工精度和生产率的提高。,在转塔机床上采用固定导向支承套。,采用转动导向支承套，用加强杆和导向支承套提高部件的刚度。,钻套、镗套的有何作用？,3.4工艺系统的热变形,3.4.1工艺系统的热源及温度场,在机械加工过程中，工艺系统在各种热源的影响下常产生复杂的变形，破坏工件与切削刃相对的正确位置，从而产生加工误差。,据统计，在精密加工中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的4070。高效、高精度、自动化加工技术的发展，使工艺系统热变形问题变得更为突出，已成为机械加工技术进一步发展的一个重要的研究课题。,3.4工艺系统的热变形,1、引起工艺系统受热变形的热源：,系统内部热源(切削热和摩擦热)系统外部热源(如太阳辐射热),导热传热对流传热辐射传热,2、热的传递方式：,当单位时间内的热量传入与传出相等时，温度不再升高，这时工艺系统就达到热平衡状态。在热平衡状态下，工艺系统各部分的温度就保持在一相对固定的数值上，因而各部分的热变形也就相应地趋于稳定。这就是我们要追求的目标。,一方面，工艺系统受热源影响，温度逐渐升高；,另一方面，热量通过各种传导方式向周围散发。,3.4工艺系统的热变形,是由切削过程中切削层金属的弹性、塑性变形及刀具与工件、切屑间的摩擦所产生，并由工件、刀具、夹具、机床、切屑、切削液及周围介质传出。,切削热,车削时，大量的切削热由切屑带走，传给工件的为1030，传给刀具的为15。孔加工时，大量切屑滞留在孔中，使大量的切削热(50左右)传入工件。磨削时，由于磨屑小，带走的热量很少，大部分传入工件，故易产生磨削烧伤。,3、工艺系统的热源,3.4工艺系统的热变形,摩擦热,主要由机床和液压系统中的运动部分产生的，如电动机、轴承、齿轮等传动副、导轨副、液压泵等运动部分产生的摩擦热。摩擦热是机床热变形的主要热源。,工艺系统的外部热源，主要是环境温度的变化和热辐射，大型和精密工件的加工受此影响较大。,外部热源,3.4工艺系统的热变形,4、不稳态温度场与稳态温度场,由于作用于工艺系统各组成部分的热源，其发热的数量、位置和作用时间各不相同，各部分的热容量、散热条件也不一样，因此各部分的温升不等。即使是同一物体，处于不同空间位置上的各点在不同时间的温度也是不等的。物体中各点温度的分布称为温度场。当物体未达到热平衡时，各点温度不仅是坐标位置的函数，也是时间的函数。这种温度场称为不稳态温度场。,物体达到热平衡后，各点温度将不再随时间而变化，而只是其坐标位置的函数，这种温度场则称为稳态温度场。此时的工艺系统稳定，利于保证工件的加工精度。,3.4工艺系统的热变形,3.4.2机床热变形,机床受热源的影响，各部分温升将发生变化由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件将发生不同程度的热变形，破坏了机床原有的几何精度，从而降低了机床的加工精度。,1.车床类机床,后果：主轴箱和床身的温度上升，造成机床主轴抬高和倾斜。,主要热源：是主轴箱轴承的摩擦热和主轴箱中油池的发热。,结果：如图3-30所示为车床空运转时，主轴的温升和位移的测量结果。,3.4工艺系统的热变形,主轴在水平方向的位移仅10m,垂直方向的位移却高达180200m。,图3-30车床主轴箱的热变形,对于刀具水平安装的卧式车床和刀具垂直安装的自动车床和转塔车床的影响是不同的！,3.4工艺系统的热变形,2.外圆磨床,如图3-31所示是外圆磨床温度分布和热变形的测量结果。,机床工作台与砂轮架间的热变形,当采用切入式定程磨削时，被磨工件直径的变化，可达100m。,两者基本相符,3.4工艺系统的热变形,3.大型机床,如导轨磨床、外圆磨床、龙门铣床等的长床身部件,表面温度比床身底面温度高,形成温差,床身产生弯曲变形。,3.4工艺系统的热变形,b）外圆磨床受热变形形态,c）铣床受热变形形态,d）导轨磨床受热变形形态,a）车床受热变形形态,4.几种机床的热变形,3.4工艺系统的热变形,铣床,双端面磨床,平面磨床,3.4工艺系统的热变形,3.4.3工件热变形,切削热（是主要的）外部热源（对于精密件不可忽视）,使工件产生变形的热源,同时，不同的加工方法，不同的工件材料、结构和尺寸件的受热变形也不相同。,而IT6级精度丝杠的螺距累积误差，按规定在全长上不许超过0.02mm。可见受热变形的严重性。,例1：精密丝杠磨削时，工件的热伸长会引起螺距的累积误差。,如：3m长的丝杠，每磨一刀温度就要升高3，工件伸长量,L300011.41063mm0.1mm,(11.4106是碳钢的平均线胀系数),3.4工艺系统的热变形,例2：细长轴在顶尖间车削时：,热变形使工件伸长，导致工件因弯曲变形而产生圆柱度误差。,单面受热，与底面产生温差，引起热变形，影响导轨的直线度。,例3：床身导轨面的磨削,此时粗、精加工间隔时间较短，粗加工时的热变形将影响到精加工，工件冷却后，将产生加工误差。,例4：在三工位的组合机床上，通过钻扩铰加工孔,如：工件的尺寸是：外径40mm，孔径为20mm，长40mm，材料为钢材。钻孔时切削用量为n310rmin，f0.36mm。钻孔后，温升达107，接着扩孔和铰孔，当工件冷却后孔的收缩量已超过精度规定值。,因此，在这种情况下一定要采取冷却措施，否则将出现废品。,3.4工艺系统的热变形,如：高速钢刀具车削时刃部的温度可高达700800，刀具的热伸长量可达0.030.05mm。变形不可忽视。,刀具的热变形主要是切削热引起的，传给刀具的热量虽不多，但由于刀具体积小、热容量小且热量又集中在切削部分，因此切削部分仍产生很高的温升。,3.4.4刀具热变形,图3-34车刀热伸长与切削时间的关系,A连续切削时车刀的变形曲线，1020min可达到热平衡；,B车削停止刀具的冷却变形曲线；,C车削一批短轴，加工时断时续，刀具的变形过程曲线。,热平衡后，对加工精度影响不明显,3.4工艺系统的热变形,3.4.5减少工艺系统热变形的措施,对于不能分离的热源，如主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动的导轨副等，则可以从结构、润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热。,1减少热源的发热,采用有效的冷却措施,为了减少机床的热变形，凡是可能分离出去的热源应移出，如电动机、变速箱、液压系统、冷却系统等，均应移出。,热源尽可能分离出去,减少发热,例如：采用静压轴承、静压导轨，改用低粘度润滑油、锂基润滑脂等，也可用隔热材料将发热部件和机床大件(如床身、立柱等)隔离开来。,如增加散热面积或使用强制式的风冷、水冷、循环润滑等。例如，目前，大型数控机床、加工中心普遍采用冷冻机，对润滑油、切削液进行强制冷却，以提高冷却效果。在精密丝杠磨床的母丝杠中通以冷却液，以减少热变形。,3.4工艺系统的热变形,平面磨床采用热空气加热温升较低的立柱后壁，以减小立柱前后壁的温度差，从而减少立柱的弯曲变形。采取这种指施后，工件的加工直线度误差可降低为原来的1314。,2用热补偿方法减少热变形,单纯的减少温升有时不能收到满意的效果，可采用热补偿的方法使机床的温度场比较均匀，从而使机床产生不影响加工精度的均匀热变形。,图3-36均衡立柱前后壁的温度场,图3-37M7150A型磨床的热补偿油沟,3.4工艺系统的热变形,3采用合理的机床部件结构减少热变形的影响,因L2L1，当主轴与箱体产生热变形时，在误差敏感方向的热变形L2Ll，因此，选择图a的定位方案比较合理。,(1)采用热对称结构在变速箱中，将轴、轴承、传动齿轮尽量对称布置，可使箱壁温升均匀，从而减少箱体变形。,(2)合理选择机床部件的装配基准,如图3-38所示为车床主轴箱在床身上的两种不同定位方式。,图3-38定位面位置对变形的影响,3.4工艺系统的热变形,对于精密机床，特别是大型机床，达到热平衡的时间较长，为了缩短这个时间，可预先高速空运转机床或设置控制热源，人为地给机床加热，使之较快达到热平衡状态，然后进行加工。基于同样原因，精密加工机床应尽量避免中途停车。,4加速达到工艺系统的热平衡状态,精密机床一般安装在恒温车间，其恒温精度一般控制在l。室温平均温度一般为20，冬季可取17，夏季取23。,5控制环境温度,3.5加工过程中的其他误差,加工原理误差是指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。,3.5.1加工原理误差,如：,1、在数控机床上采用“行切法”加工复杂形面。,3.5加工过程中的其他误差,2、车削模数蜗杆,由于蜗杆的螺距等于蜗轮的齿距(即m，其中m是模数，而是一个无理数314159)，但是车床配换齿轮的齿数是有限的。因此，在选择配换齿轮时，只能将化为近似的分数值计算，这样就会引起刀具相对工件的成形运动(螺旋运动)不准确，造成螺距误差。但是，这种螺距误差可通过配换齿轮的合理选配而减小。,滚齿加工用的齿轮滚刀有两种误差：一是切削刃齿廓近似造形误差，由于制造上的困难，采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆；二是由于滚刀刀齿数有限，实际上加工出的齿形是一条折线，和理论上的光滑渐开线有差异。,3、滚齿加工,3.5加工过程中的其他误差,注意：采用近似的成形运动或近似的切削刃轮廓，虽然会带来加工原理误差，但往往可简化机床或刀具的结构，提高生产效率，有时反而能得到较高的加工精度。因此，只要具误差不超过规定的精度要求、在生产中仍能得到广泛的应用。,3.5加工过程中的其他误差,3.5.2测量误差,测量结果是用来鉴别工件是否合格，工艺系统调整和工艺过程调整的依据。但任何一种精密量具、量仪和测量方法都不能绝对准确，测量结果只是一个近似值。测量误差必然引起加工误差。,1.量具、量仪和测量方法本身的误差,量具、量仪的制造误差刻度不准确,测量方法和量具结构不符合“阿贝原则”产生较大的测量误差。,“阿贝原则”测量时工件的被测量线应与量具上作为基准尺的测量线在同一直线上。,3.5加工过程中的其他误差,2.环境条件的影响测量时影响测量精度的环境因素最主要的是温度和振动。温度引起工件与量具的热变形量不同。温度不同材料不同,3.操作人员主观因素的影响测量力测量力过大，将引起较大的接触变形而出现测量误差；测量力过小，不能保证量具与被测表面良好接触。测量技术分辨能力、视差、视角等。,量具的精度要与被测工件的精度相适应,3.5加工过程中的其他误差,3.5.3调整误差,在机械加工的每一工序中。总是要对工艺系统进行这样或那样的调整工作不可能绝对地准确，因而产生调整误差。,工艺系统的调整的基本方式,(1)试切法调整(2)调整法调整,1.试切法,应用：单件小批生产中。,方法：对工件进行试切测量调整再试切，直到达到要求的精度为止。,3.5加工过程中的其他误差,2)进给机构的位移误差：在微量调整刀具的位置、低速微量进给中，常常出现进给机构的“爬行”现象，其结果使刀具的实际位移与刻度盘上的数值不一致、造成加工误差。3)试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响：试切加工少量金属时，切削刃只起挤压作用而不起切削作用，但正式切削时的深度较大工件。,引起试切调整误差的因素有：,1)测量误差：由量具本身精度、测量方法及使用条件引起。,3.5加工过程中的其他误差,1）上述影响试切法调整精度的因素，因为采用调整法对工艺系统进行调整时，也要以试切为依据。,2.调整法,2）用定程机构调整时，调整精度取决于行程挡块、靠模及凸轮等机构的制造精度和刚度；3）用样件或样板调整时，调整精度取决于样件或样板的制造、安装和对刀精度；4）工艺系统初调好以后，一般要试切几个工件，并以其平均尺寸作为判断调整是否准确的依据。由于试切加工的工件数(称为抽样件数)不可能太多，不能完全反映整批工件切削过程中的各种随机误差，故试切加工几个工件的平均尺寸与总体尺寸不能完全符合，也造成加工误差。,3.5加工过程中的其他误差,3.5.4工件残余应力引起的误差,残余应力是指外部裁荷去除后，仍残存在工件内部的应力。零件中的残余应力往往处于一种很不稳定的相对平衡状态，在常温下特别是在外界某种因素的影响下很容易失去原有状态，使残余应力重新分布，零件产生相应的变形，从而破坏了原有的精度。因此，必须采取措施消除残余应力对零件加工精度的影响。,1.产生残余应力的原因,残余应力是由金属内部的相邻组织发生了不均匀的体积变化而产生的。,3.5加工过程中的其他误差,在铸、锻、焊及热处理等热加工过程中，由于工件各部分热胀冷缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，使毛坯内部产生了相当大的残余应力。毛坯的结构越复杂、壁厚越不均匀，散热的条件差别越大，毛坯的残余应力也越大。毛坯中的残余应力一般情况下处于相对平衡状态，变形缓慢。但是当在毛坯上切削去一层金属后，就打破了这种平衡，残余应力重新分布，工件就出现明显变形。,（1）毛坯制造中产生的残余应力,3.5加工过程中的其他误差,弯曲的工件(原来无残余应力)要校直，常采用冷校直。,（2）冷校直带来的残余应力,冷校直虽能减小弯曲，但工件处于不稳定状态，如再次加工，应力将重新分布，又将产生新的变形。,高精度丝杠的加工，不允许冷校直，而是用多次人工时效来消除残余应力。,（3）切削加工产生的残余应力切削过程中的力和热会使工件被加工表面层变形而产生残余应力，详见下一章。,3.5加工过程中的其他误差,2.减少或消除残余应力的措施,（1）合理设计零件结构,（2）对工件进行热处理和时效处理,（3）合理安排工艺过程,例如：对铸、锻、焊接件进行退火或回火；零件淬火后进行回火；对精度要求高的零件，如床身、丝杆、箱体、精密主轴等，在粗加工后进行时效处理。,例如：粗、精加工分开在不同工序中进行，留有一定时间让残余应力重新分布；在加工大型工件时，粗、精加工往往在一个工序中来完成，这时应在粗加工后松开工件，让工件有自由变形的可能，然后再用较小的夹紧力夹紧工件后进行精加工。,尽量简化结构、增大零件的刚度，壁厚均匀或良好过渡。,3.6加工误差的统计分析,3.6.1概述,加工误差,系统性误差,随机性误差,常值系统误差,变值系统误差,1.加工误差的性质,系统误差,在顺序加工一批工件中，其大小和方向均不改变或按一定规律变化的加工误差。即有章可循。,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，工艺系统在的受力变形，调整误差，机床、夹具、量具的磨损很慢，在一定时间内也可看作常值系统误差。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。,3.6加工误差的统计分析,在顺序加工一批工件中，其大小和方向不同且不规律变化的加工误差。如毛坯余量或硬度不均匀，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。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。,随机误差,在不同场合下，误差的表现性质也不同：机床一次调整常值机床多次调整随机,2.加工误差的统计分析法,分布曲线法点图分析法,3.6加工误差的统计分析,3.6.2分布曲线法,1.实际分布曲线直方图,每一工序加工出来的一批工件，由于存在各种误差，会引起工序加工尺寸的变化（称为尺寸分散）。同一尺寸（实为很小一段尺寸间隔）的工件数目称为频数，频数与这批工件总数之比称为频率。如果以工件的尺寸（很小一段尺寸间隔）为横坐标，以频数或频率为纵坐标，就可以做出该工序工件加工尺寸的实际分布图直方图。一般采用频率密度为纵坐标。,所有各组频率之和等于100%，直方图上全部矩形面积之和应等于1。,每个矩形的面积=频率密度组距=频率,3.6加工误差的统计分析,统计数字特征：平均值X标准偏差,样本的平均值X表示该样本的尺寸分散中心，它取决于调整尺寸的大小和常值系统误差,样本的标准偏差反映了该批工件的尺寸分散程度，它是由变值系统误差决定的。误差大，也大；误差小，也小。,式中样本含量各工件的尺寸,直方图做法见教材P118,3.6加工误差的统计分析,2.理论分布曲线,（1）正态分布曲线高斯曲线,大量的实验、统计和理论分析表明：当一批工件总数极多，加工中的误差是由许多相互独立的随机因素引起的，而这些误差因素中又都没有任何优势倾向，则分布是服从正态分布的。,概率密度函数,式中分布的概率密度；随机变量；正态分布随机变量总体算术平均值（分散中心）；正态分布随机变量的标准偏差。,3.6加工误差的统计分析,当时,这是曲线的最大值，也是曲线的分布中心。在它左右的曲线是对称的。,正态分布总体的和通常是不知道的，用样本的X和来代替，在成批加工后抽检工件的加工尺寸，即可判断整批的加工精度。,总体平均值=0时，总体标准偏差=1的正态分布曲线称为标准正态分布曲线。任何不同的和的正态分布曲线，可以通过Z变换而变成正态分布曲线，概率密度值查表3-6,正态分布曲线,曲线以直线为左右对称，靠近的工件尺寸出现概率较大，远离较小；对的正、负偏差概率相等；分布曲线与横坐标所围成的面积包括了全部零件数（即100%），其中范围内的面积占了99.73%，即99.73%的工件尺寸落在3范围内，外部仅为0.27%，可以忽略不计。,3.6加工误差的统计分析,从正态分布图上我们可以看出下列特征：,3（或6）的概念，在研究加工误差时应用很广，是一个重要概念,6的大小代表某加工方法在一定条件（如毛坯余量、切削用量、正常的机床、夹具、刀具等）所能达到的加工精度：6T公差带宽度,3.6加工误差的统计分析,是表征分布曲线位置的参数，X的变化是由常值系统误差引起的，如图3-46,是表征分布曲线形状的参数，表示随机变量的的分散程度，如图3-47,图3-46相同时X对曲线位置的影响,图3-47X相同时值对分布曲线的影响,3.6加工误差的统计分析,（2）非正态分布曲线,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3-48）。,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4-49)。,偏态分布：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4-50）。,3.6加工误差的统计分析,形位误差的分布,差数模分布：正态分布大于零的部分与小于零的部分对零轴线映射后的迭加，如对称度、直线与平面的平行度等。,瑞利分布：二维正态分布，在只考虑平面向量模情况下转换成为一维分布,如同轴度、平面平行度、端面圆跳动误差等(不考虑系统误差)。,3.6加工误差的统计分析,3.分布曲线法的应用,（1）判断加工误差的性质,实际分布与正态分布基本相符：加工过程中没有变值系统误差（或影响很小）,X与公差带中心重合：加工过程没有常值系统误差，否则就说明存在常值系统误差。,（2）确定各种加工方法所能达到的精度由于各种加工方法随机性因素影响下所得的加工尺寸的分布符合正态分布，因而可以在多次统计的基础上，为每一种加工方法求得标准偏差值，然后按分布范围等于6的规律，可确定各种加工方法所能达到的精度。,3.6加工误差的统计分析,（3）确定工序能力及其等级工序能力即工序处于稳定状态时，加工误差正常波动的幅度。由于加工时误差超出分散范围的概率极小，可以用该工序的尺寸分散范围来表示工序能力。当加工尺寸分布接近正态分布是，工序能