机械制造第五章

,第五章机械制造质量,分析与控制,圆锥面外圆渐开线表面,螺纹表面内孔平面,对任何一台机器或仪器，为保证它们的使用性能，必然对其组成零件提出许多方面的质量要求。机械加工精度、机械加工表面质量，是许多质量要求的两个主要方面。,教学目标：,各种原始误差对加工精度的影响和解决方法，阐述机械加工表面质量的基本概念，分析影响表面质量的各种因素及其对机械零件以及整台机器的使用性能和使用寿命的影响。简单介绍机械加工中的振动和热效应问题。目的:理解加工精度的基本概念，了解影响加工精度的主要因素，能运用统计分析法进行零件加工质量和废品率分析，提出提高加工精度的措施。理解和掌握表面质量的一些基本概念，学会分析表面质量的方法，能采取改善表面质量的工艺措施，解决生产实际问题。,教学重点和难点：,工艺系统的各种原始误差及其对加工精度的影响；工艺系统受力变形产生的误差；机械加工振动、热变形和残余应力产生机理及其导致的误差；保证和提高加工精度及表面质量的途径；加工误差统计分析计算。,案例导入：分析如图所示零件:图中有哪些尺寸、形状位置精度以及表面质量要求;加工过程中机床、夹具、刀具和工件怎样影响它们;,需要采取什么方法和措施才能较好的保证这些加工精度？,概述现代制造技术在日新月异地发展,新技术新工艺也在不断涌现,但现代制造工艺的一些基本理论却是基本不变的,它们也是我们进一步学习和研究现代制造工艺技术的基础。理论主要包括:,机械加工精度;表面质量理论;加工误差统计分析计算；机械加工过程中的振动和热效应理论。,理想几何参数,位置绝对平行、垂直、同轴等；尺寸位于公差带中心。,一.加工精度对任何一台机器或仪器，为保证它们的使用性能，必然对其组成零件提出许多方面的质量要求。机械加工精度、机械加工表面质量，则是许多质量要求的两个主要方面。1.加工精度：是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状及各表面间相互位置等参数）与理想几何参数的符合程度。符合程度越高，加工精度就越高。反之，越低。在机械加工过程中，由于各种因素的影响，使得加工出的零件，不可能与理想的要求完全符合。2.加工误差：是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状及各表面间相互位置等参数）与理想几何参数的偏离程度。加工误差的大小反映了加工精度的高低。表面绝对平面、圆柱面等；,零件加工精度,形状精度,位置精度尺寸精度：机械加工后零件的直径、长度和表面间距离等尺寸的实际值与理想值的接近程度。形状精度：机械加工后零件几何图形的实际形状与理想形状的接近程度。位置精度：机械加工后零件几何图形的实际位置与理想位置的接近程度。这三者之间是有联系的。通常形状公差应限制在位置公差之内，而位置误差一般也应限制在尺寸公差之内。当尺寸精度要求高时，相应的位置精度、形状精度也要求高。但形状精度要求高时，相应的位置精度和尺寸精度有时不一定要求高，这要根据零件的功能要求来决定。,一.加工精度尺寸精度,3.加工经济精度：是指在正常生产条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间）所能保证的加工精度。,加工过程中有很多因素影响零件的加工精度，即使是同一种加工方法，在不同的工作条件下所能达到的加工精度也是不相同的。,每一种加工方法的加工经济精度并不是固定不变的，它将随着工艺技术的发展，设备及工艺装备的改进，以及生产管理水平的不断提高而逐渐提高。,一.加工精度,试切法,定尺寸刀具法,调整法,自动控制法,4.获得加工精度的方法：,1.获得尺寸精度的方法,一.加工精度,4.获得加工精度的方法：,1.获得尺寸精度的方法（1）试切法,操作工人在每一次走刀前先对刀，然后通过试切测量调整再试切的循环反复过程，直到被加工尺寸达到规定要求为止的加工方法称试切法。,试切法不需要复杂的装置，但生产率较低，加工精度取决于操作者的技术水平，不稳定，通常只适用于单件、小批生产。,一.加工精度,4.获得加工精度的方法：1.获得尺寸精度的方法（2）调整法,先调整好刀具和工件在机床上的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持这个位置不变，以保证被加工尺寸，从而自动获得所需尺寸精度的方法。,一.加工精度,工件的尺寸精度取决于调整精度。调整法的生产率,高，广泛用于各类半自动、自动机床和自动线上，适合于成批、大量生产。,4.获得加工精度的方法：,1.获得尺寸精度的方法（3）定尺寸刀具法,用刀具的相应尺寸来保证工件尺寸的方法。如,钻孔、铰孔、镗孔、拉孔和攻丝等。,这种方法的生产率较高，但刀具制造较复杂，,常用于孔、螺纹和成形表面的加工。,一.加工精度,4.获得加工精度的方法：,1.获得尺寸精度的方法（4）自动控制法,利用测量装置、进给装置和控制系统，使工件在,加工过程中，自动测量、进给、补偿，当工件达到要求的尺寸时，自动停止加工。具体方法有自动测量和数字控制。,这种方法在自动加工机床和生产自动线上广泛应,用，生产率高，工件的尺寸精度易于保证。,一.加工精度,轨迹法,成形法,展成法,相切法,2.获得形状精度的方法,4.获得加工精度的方法：,一.加工精度,切削加工中发生线是由刀具的切削刃和轨迹的相对运动得到的，不同的加工运动、不同的切削刃形状，形成发生线的方式不同，获得的零件表面就不同。形成零件表面的方法可以归纳为以下4种：,表面成形原理,零件几何表面可以看作是一条线（称为母线）沿另一条线（称为导线）运动形成的轨迹。,母线和导线统称为形成表面的发生线。,零件表面的形成方法就是发生线的形成方法。,一.加工精度,4.获得加工精度的方法：,1)成形法利用成形刀具对工件进行加工的方法。刀具刀刃就是切削线，它的形状及尺寸与需要成形的发生线一致（刀具不需要专门的成形运动）。利用成形刀具刀刃的几何形状切削出工件的形状，这种加工方法中，工件的形状精度与刀刃的形状精度和刀具的安装精度有关。,一.加工精度,例如：切削刃1的形状和长度与所需形成的发生线（母线2）完全吻合，工件作回转运动形成导线，最终也获得回转曲面。,4.获得加工精度的方法：,2)轨迹法利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件进行加工的方法。切削刃与被加工表面为点接触，发生线为接触点的轨迹线;利用切削运动中刀具刀尖的运动轨迹形成工件被加工表面的形状。,一.加工精度,例如：工件外圆车削加工中，工件作旋转主运动，刀具作轴向进给运动，刀尖相对于工件的运动轨迹即形成了工件的外圆柱面。,4.获得加工精度的方法：,3)相切法利用刀具边旋转边作轨迹运动对工件进行加工,的方法。,一.加工精度,例如：刀刃1作回转运动，同时刀具轴线沿着发生线的等距线作轨迹运动，切削点运动轨迹的包络线就是所需的发生线。为了用相切法得到发生线，需要二个成形运动，即刀具的旋转运动和刀具中心按一定规律运动。如：用铣刀、砂轮等旋转类刀具加工。,一.加工精度4.获得加工精度的方法：4)展成法利用工件和刀具作展成运动进行切削加工的方法。刀具和工件作展成切削运动时，刀刃在被加工表面上的包络面形成工件的加工表面。在运动（展成运动）中，切削线与发生线逐点相切，发生线是切削线的包络线。,例如：刀具1与工件按确定的运动关系作相对运动，切削刃与被加工表面相切，切削刃各瞬时位置的包络线，就是所需的发生线。用展成法形成发生线需要一个成形运动（即刀具运动A与工件运动B组合而成的展成运动3）。,切削线发生线,划线找正法夹具定位法,3.获得位置精度的方法,一.加工精度4.获得加工精度的方法：直接找正法,在机械加工中，零件的尺寸、几何形状和表面间相对位置的形成，归结到一点，就是取决于工件和刀具在切削运动过程中相互位置的关系，而工件和刀具，又安装在夹具和机床上，并受到夹具和机床的约束。,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。,由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统存在各种误差，这些误差会在不同的具体条件下，以不同的程度反映到加工零件上去，而造成加工误差。这种造成加工误差的工艺系统原有误差，称为原始误差。,二.原始误差,调整误差机床误差夹具误差刀具误差刀具磨损工艺系统受力变形,工艺系统受热变形内应力引起的变形测量误差,加工前加工中,加工后,与初始状态有关,与工艺过程有关,工艺系统静误差工艺系统,动误差,二.原始误差造成加工误差的原始误差主要包括：工艺系统的几何误差、定位误差、受力变形引起的加工误差、受热变形引起的加工误差、内应力重新分布引起的变形以及原理误差、调整误差和测量误差等。原理误差工件装夹误差,原,工艺系统静误差,机床误差,刀具误差,夹具误差,主轴回转误差,导轨误差,传动链误差,一般刀具,定尺寸刀具,成形刀具,展成法刀具,工艺系统几何误差,原理误差,调整误差,试切法,调整法,工艺系统动误差,测量误差,定位误差,工艺系统受力变形,刀具磨损,工艺系统热变形,工件内应力引起变形,外力作用点变化,外力方向变化,外力大小变化,机床热变形,工件热变形,刀具热变形,产,生加,工误差的根源包括,主轴回转误差导轨误差传动链误差一般刀具定尺寸刀具成形刀具展成法刀具,试切法调整法,工艺系统几何误差,原理误差,调整误差,工艺系统动误差,机床误差刀具误差夹具误差,外力作用点变化外力方向变化外力大小变化机床热变形工件热变形刀具热变形,二.原始误差工艺系统静误差始误差,测量误差定位误差工艺系统受力变形刀具磨损工艺系统热变形工件内应力引起变形,1.分析计算法2.统计分析法,是在掌握各种原始误差对加工精度影响规律的基础上，分析工件加工中所出现的误差可能是哪一种或哪几种主要原始误差所引起的，并找出原始误差与加工误差之间的影响关系，通过估算来确定工件加工误差的大小，再通过试验测试来加以验证。是对具体加工条件下得到的几何参数进行实际测量，然后运用数理统计学方法对这些测试数据进行分析处理，找出工件加工误差的规律和性质，进而控制加工质量。,二.原始误差研究机械加工精度的方法,Y,R,R,R,Y22R0,RY=,RX=X显然：RXRY,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，称为误差敏感方向。例：车削外圆时,Y,R0,X,a）,Y误差敏感方向,R0,XR=X,b）,误差敏感方向一般为加工表面过切削点的法线方向。,二.原始误差误差敏感方向,切削加工过程中，由于各种原始误差的影响，会使刀具和工件间的正确几何关系遭到破坏，引起加工误差。各种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度量。不同的原始误差对加工精度有不同的影响。当原始误差的方向与工序尺寸方向一致时，其对加工精度的影响就最大。对加工精度影响最大的那个方向称为误差敏感方向。,二.原始误差误差敏感方向,原理误差是指由于采用了近似的加工方法、近似的成,形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。,例如：滚齿用的齿轮滚刀，就有两种误差，一是为了制造方便，采用阿基米德蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造形误差；二是由于滚刀切削刃数有限，切削是不连续的，因而滚切出的齿轮齿形不是光滑的渐开线，而是折线。,成形车刀、成形铣刀也采用了近似的刀具轮廓。采用近似的成形运动和刀具刃形，不但可以简化机床或刀具的结构，而且能提高生产效率和加工的经济效益。,1.原理误差,二.原始误差,机床几何误差的来源,机床制造,磨损安装机床几何误差的组成主轴误差导轨误差传动链误差,二.原始误差2.机床误差,机床主轴误差,机床几何误差,机床导轨误差,机床传动链误差,内联传动链始末两,端传动元件间相对,运动误差,机床几何误差,机床主轴误差,机床导轨误差机床传动链误差,轴向窜动径向跳动角度摆动,水平面内直线度垂直面内直线度前后导轨的平行度内联传动链始末两端传动元件间相对运动误差,二.原始误差2.机床误差,主轴回转误差的基本形式,轴向窜动纯径向跳动纯角度摆动,二.原始误差2.机床误差A：机床主轴误差：主轴的实际回转轴线对其理想回转轴线（一般用平均回转轴线来代替）产生的变动量（偏移量）。,实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。由于主轴实际回转轴线在空间的位置是在不断变化的，由上述三种运动所产生的位移（即误差）是一个瞬时值。,主轴误差对加工精度的影响：,2.机床误差,二.原始误差,（1）径向圆跳动：是瞬时主轴回转轴线相对于平均回转轴线的径向跳动运动，如图a所示。车外圆时它使加工面产生圆度和圆柱度误差。,产生径向圆跳动误差的主要原因有：主轴支承轴颈的圆度,误差、轴承工作表面的圆度误差等。,主轴误差对加工精度的影响：,2.机床误差,二.原始误差,（2）轴向圆跳动：是瞬时主轴回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动，图b所示。,车端面时它使工件端面产生垂直度、平面度误差。产生轴向国跳动的原因是主轴轴肩端面和推力轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。,主轴误差对加工精度的影响：,2.机床误差,二.原始误差,（3）角度摆动：瞬时主轴回转轴线相对平均回转轴线成一倾斜角度，但其交点位置是固定不变的运动，如图c所示。车削时，它使加工表面产生圆柱度误差和端面的形状误差。,工件回转类刀具回转类,车床镗床,误差敏感方向不变加工时误差敏感方向和切削力方,向随主轴回转而不断变化下面以在镗床上镗孔、车床上车外圆为例来说明主轴误差对加工精度的影响。,二.原始误差2.机床误差主轴误差对加工精度的影响：,R,1,AcosOmOAA,2,3,O,Rsin,(A+R）cos1，,二.原始误差镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响,镗削加工：镗刀回转，工件不转假设由于主轴的,纯径向跳动而使轴线在y坐标方向作简谐运动，其频率与主轴转速相同，简谐幅值,为A；则:Y=Acos（t）且主轴中心偏移最大（等于A）时，镗刀尖正好通过水平位置1处。,4当镗刀转过一个角时（位置1），刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分别计算得：y=Acos+Rcos=(A+R)cosZ=Rsin将上两式平方相加得:y2/(A+R)2+Z2/R2=1表明此时镗出的孔为椭圆形。,Y2+Z2=R2+A2Sin2由此可见，主轴的纯径向跳动对车削加工工件的圆度影响很小。,2.机床几何误差主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响车床加工：工件回转，刀具移动假设主轴轴线沿y轴作简谐运动，在工件的1处（主轴中心偏移最大之处）切出的半径比在工件的2、4处切出的半径小一个幅值A；在工件的3处切出的半径比在工件的2、4处切出的半径大一个幅值A。这样，上述四点工件的直径都相等，其它各点直径误差也很小，所以车削出的工件表面接近于一个真圆。,车削时纯径向跳动对加工精度的影响,轴向窜动对车、镗削加工精度的影响,2.机床几何误差,主轴的轴向窜动对内、,外圆的加工精度没有影响，但加工端面时，会使加工的端面与内外圆轴线产生垂直度误差。,主轴每转一周，要沿轴,向窜动一次，使得切出的端面产生平面度误差。当加工螺纹时，会产生螺距误差。,主轴轴向窜动对端面加工精度的影响,主轴纯角度摆动对加工精度的影响，取决于不同,的加工内容。,车削加工时工件每一横截面内的圆度误差很小，但,轴平面有圆柱度误差（锥度）。,车外圆：得到圆形工件，但产生圆柱度误差（锥体）车端面：产生平面度误差,镗孔时，由于主轴的纯角度摆动使得主轴回转轴线与工作台导轨不平行，使镗出的孔呈椭圆形。,角度摆动对车、镗削加工精度的影响,2.机床几何误差,主轴纯角度摆动对镗孔精度的影响,角度摆动对车、镗削加工精度的影响,2.机床几何误差,提高主轴的轴承精度。减少机床主轴回转误差对加工精度的影响。对滚动轴承进行预紧，以消除间隙。提高主轴箱体支承孔、主轴轴颈和与轴承相配合的,零件有关表面的加工精度。,二.原始误差2.机床误差提高主轴回转精度的措施：,思考题,端铣时，若主轴回转轴线与工件进给方向不垂直，会产生何种加工误差？误差大小？,机床导轨误差的基本形式,垂直面内的直线度,前后导轨的平行度（扭曲）以卧式车床为例，说明导轨误差是怎样影响工件的加工精度的。,二.原始误差2.机床误差B:机床导轨误差机床导轨是机床中确定某些主要部件相对位置的基准，也是某些主要部件的运动基准。水平面内的直线度,（1）导轨在水平面内直线度误差的影响,当导轨在水平面内的直线度误差为y时,引起工件,在半径方向的误差为：R=y,由此可见：床身导轨在水平面内如果有直线度误,差，使工件在纵向截面和横向截面内分别产生形状误差和尺寸误差。,当导轨向后凸出时，工件上产生鞍形加工误差；当导轨向前凸出时，工件上产生鼓形加工误差。,B:机床导轨误差,2.机床误差,二.原始误差,Do,RY,水平面,Y导轨在水平面内直线度误差,（1）导轨在水平面内直线度误差的影响导轨水平面内直线度,床身导轨在垂直面内有直线度误差，会引起刀尖产生切,向位移Z，造成工件在半径方向产生的误差为：,R2Z/d,设：Z=Y=0.01mm，R=50mm，,则由于法向原始误差而产生的加工误差,R=Y=0.01mm,由于切向原始误差产生的加工误差,RZ2/d=0.000001mm,此值完全可以忽略不计。由于2Z数值很小，因此该误,差对工件的尺寸精度和形状精度影响甚小。,（2）导轨在垂直面内直线度误差的影响,B:机床导轨误差,二.原始误差,d,Z,Z导轨垂直面直线度垂直平面导轨在垂直面内直线度误差,R,d/2,导轨在垂直面内直线度误差的影响R,上，造成形状误差。,龙门刨床导轨垂直面内直线度误差,1刨刀,2工件,3工作台,4床,身导轨,结论：原始误差引起工件相对于刀具产生相对位移，若产生在加工表面法向方向（误差敏感方向），对加工精度有直接影响；产生在加工表面切向方向（误差非敏感方向），可忽略不计。对平面磨床，龙门刨床及铣床等，导轨在垂直面内的直线度误差会引起工件相对于砂轮（刀具）产生法向位移，其误差将直接反映到被加工工件,yH/B,一般车床H2B/3，外圆磨床HB，因此该项原始误差对加工精度的影响很大。,二.原始误差B:机床导轨误差（3）前后导轨平行度误差的影响床身前后导轨有平行度误差（扭曲）时，会使车床溜板在沿床身移动时发生偏斜，从而使刀尖相对工件产生偏移，使工件产生形状误差（鼓形、鞍形、锥度）。从图可知，车床前后导轨扭曲的最终结果反映在工件上，于是产生了加工误差y。从几何关系中可得出：,车床导轨扭曲对工件形状精度影响,（3）前后导轨平行度误差的影响,思考题,镗床上镗孔时，工作台进给，即工件直线进给运动，镗杆旋转运动。导轨在水平面、垂直面内的直线度误差对加工精度有何影响？答：孔径没有误差，有圆柱度误差，轴线不直。因为误差敏感方向不断变化。,讨论,若镗杆进给，即镗杆既旋转又移动，导轨误差对加工精度有无影响？答：不会产生孔的形状误差，但会产生孔的位置误差。,思考题,讨论,刨平面时，导轨误差对加工精度有何影响？答：产生加工表面的直线度误差、平面度误差。,C:机床传动链误差,二.原始误差,在车螺纹、插齿、滚齿等加工时，刀具与工件之间有严格的传动比要求。要满足这一要求，机床内联系传动链的误差必须控制在允许的范围内。,机床传动链误差指传动链始末两端执行元件间相对运动,的误差。,传动链末端元件产生的转角误差。它的大小对车、磨、铣螺纹，滚、插、磨（展成法磨齿）齿轮等加工会影响分度精度，造成加工表面的形状误差，如螺距精度、齿距精度等。,2.机床误差,Z2,S=,T=i1i2i3i4T=iT,z1z3z5z7z2z4z6z8,驱动丝杠误差的产生:Z1,z1z2,i12=,2=i121,1,2,二.原始误差C:机床传动链误差例如，车螺纹时，要求主轴与传动丝杠的转速比恒定，即：,车螺纹的传动误差示意图,S工件导程；T丝杠导程；Z1Z8各齿轮齿数,C:机床传动链误差,二.原始误差,Z1Z2,12,1n=i1n12n=i2n2,Zn,n,nn=innn,在任一时刻，各齿轮的转角误差反映到丝杠的总误差为：n=1n+2n+nn=jijnj=1,C:机床传动链误差若齿轮Z1有转角误差1，造成Z2的转角误差为：12i121传到丝杠上的转角误差为1n，即：,尽量缩短传动链。提高传动件的制造和安装精度，尤其是末端零件的精,度。,尽可能采用降速运动，且传动比最小的一级传动件应,在最后。,消除传动链中齿轮副的间隙。采用误差校正机构。,二.原始误差2.机床误差减少传动链误差的措施,丝杠加工误差校正装置,1工件,2螺母,3母丝杠,4杠杆,5校正尺,6触头,7校正曲线,刀具误差,一般刀具定尺寸刀具,成形刀具展成法刀具,如普通车刀、单刃镗刀和面铣刀等）的制造误差对加工精度没有直接影响，但磨损后对工件尺寸或形状精度有一定影响。,定尺寸刀具（如钻头、铰刀、圆孔拉刀等）的尺寸误差直接影响被加工工件的尺寸精度。刀具的安装和使用不当，,成形刀具（如成形车刀、成形铣刀、盘形齿轮铣刀等）的误差主要影响被加工面的形状精度。,也会影响加工精度。展成法刀具（如齿轮滚刀、插齿刀等）加工齿,轮时，刀刃的几何形状及有关尺寸精度会直接影响齿轮加工精度。,3.刀具误差,车刀的尺寸磨损,车刀磨损过程,二.原始误差3.刀具误差,夹具的误差主要是指：,1）定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等零件的制造误差。,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。工件的安装误差包括定位误差和夹紧误差。,通常取精加工夹具公差为工件上相应尺寸公差的1/2-,1/3，粗加工夹具则取1/5-1/10。,4.夹具误差和工件安装误差,二.原始误差,测量误差,（3）测量人员主观因素的影响（视力、测量力大小等）（4）正确选择和使用量具，以保证测量精度,二.原始误差5.测量误差（1）量具、量仪和测量方法本身的误差（2）环境条件的影响（温度、振动等）,大批量生产时常采用行程挡块、靠模、凸轮作为定程机构，其制造精度和调整精度产生调整误差样件、样板的制造精度和安装精度、对刀精度产生调整误差,测量误差进给机构位移误差（爬行现象）加工余量的影响（余量,很小时，刀刃打滑）定程机构调整,6.调整误差样板、样件调整夹具安装调整影响工件在机床上占有正确的加工位置,二.原始误差试切法调整,7.工艺系统磨损引起的误差,磨损破坏了成形运动，改变了工件与刀具的相对位置和速比，产生加工误差。,刀具磨损严重影响工件的形状精度、尺寸精度。,二.原始误差,机床、夹具、工件、刀具,外力：切削力、传动力、惯性力、夹,紧力、重力工艺系统：,破坏了刀具、工件间相对位置产生加工误差,工艺系统受力变形现象,二.原始误差8.工艺系统受力变形引起的加工误差,二.原始误差8.工艺系统受力变形引起的加工误差产生原因：切削加工时，由机床、刀具、夹具和工件组成的工艺系统，在切削力、夹紧力以及重力等的作用下，将产生相应的变形，使刀具和工件在静态下调整好的相互位置、以及切削成形运动而需要的正确几何关系发生变化，而造成加工误差。受力变形对工件精度的影响,a)车长轴,b）磨内孔,1)工艺系统刚度：工艺系统整体抵抗其变形的能力。,其大小为：背向力Fp（径向切削分力Fy）与工艺系统在该方向上的变形y系的比值，即,K系=Fp/y系,注意:,(1)这里变形y是总切削力的三个分力Fc、Fp、Ff（Fz、Fy、Fx）综合作用的结果。,(2)工艺系统受力变形通常是弹性变形,工艺系统抵抗弹性变形的能力越强，则加工精度越高。,8.工艺系统受力变形引起的加工误差,二.原始误差,工艺系统的总变形量为：,K系=Fp/y系,k机=Fp/y机，k刀=Fp/y刀,k夹=Fp/y夹，k工=Fp/y工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。111k系k机k夹k刀k工工艺系统刚度的倒数等于各组成部分刚度的倒数之和。,y系=y机+y夹+y刀+y工,二.原始误差8.工艺系统受力变形引起的加工误差2）工艺系统刚度及总变形工艺系统的刚度是由组成工艺系统各部件的刚度决定的，,k尾架k刀架；车细长轴时，k工件最,1）对于车床，k头架小。,2）对于卧式铣床，k升降台,k工作台k主轴k刀杆。,3）对于镗床，k镗杆最小。4）对于内圆磨床，k磨杆最小。,二.原始误差8.工艺系统受力变形引起的加工误差2）工艺系统刚度及总变形一般情况下，常见工艺系统的低刚度环节如下：,（1）切削力作用点位置变化引起的工件形状误差（2）切削力大小变化引起的加工误差（3）夹紧力和重力引起的加工误差（4）传动力和惯性力对加工精度影响,2）工艺系统刚度及总变形,二.原始误差,8.工艺系统受力变形引起的加工误差,112,lx,x,1,k主,1lx,k主l,111lx,1x,2,=,12+,k系=,Fpy系,1xk尾l,1k刀架,2,2=+,k系k刀架k主lk尾l,即,y系=y刀架,2,+yx=Fp+,k刀架lk尾l,工艺系统受力变形随切削位置而变化,刚度变化造成工件误差1：理想的工件形状；2：k头k尾时车出的工件形状,可以看出:y系=f(x)，是一个二次抛物线,方程，变形大小随刀具在x方向位置变化,使车出的工件呈抛物线形状。,二.原始误差8.工艺系统受力变形引起的加工误差2）工艺系统刚度及总变形（1）切削力作用点位置变化引起的工件形状误差,k主,y系min,11a=Fp+k刀架1+a,机床受力变形而使得加工出来的工件呈两端粗，中间细的马鞍型。,二.原始误差8.工艺系统受力变形引起的加工误差2）工艺系统刚度及总变形（1）切削力作用点位置变化引起的工件形状误差11lx21x2y系=Fp+令a=k主/k尾，则x=l/(1+a)时，y系最小：,当x0或xL时，变形最小，为0；当xL/2时，工件刚度最小，变形最大。加工结果：工件呈鼓形。,Fy(Lx)2x23EIL,yg=,二.原始误差8.工艺系统受力变形引起的加工误差2）工艺系统刚度及总变形（1）切削力作用点位置变化引起的工件形状误差在两顶尖装夹刚性差的细长轴，假设不考虑机床刀具变形，即可由公式得出：,由于工艺系统受力变形的变化，而使毛坯误差反映到加工后的工件表面的现象,毛坯形状误差复映,称为“误差复映”。误差复映可用误差复映系数来表示：=,工毛,二.原始误差2）工艺系统刚度及总变形（2）切削力大小变化引起的加工误差在加工过程中，由于工件加工余量或材料硬度不均匀，都会引起背向力的变化，从而使工艺系统受力变形不一致而产生加工误差。以车削短圆柱工件外圆为例，如右所示。由于毛坯存在的圆度误差m=ap1-ap2引起了工件产生圆度误差w=y1-y2，且越大，mw越大。,提高工艺系统刚度，对减小误差复映系数具有重要意义。,毛坯的各种形状误差（圆度、圆柱度、同轴度、平面度等）都会以一定的复映系数，复映成工件的加工误差。,毛坯材料的不均匀，HB有变化，同样会引起背向力的变化,，产生加工误差，分析方法同误差复映规律。,二.原始误差误差复映概念的推广：1）每一件毛坯的误差都会因切削余量不均匀而复映；2）工艺系统刚度低的场合，误差复映现象较明显；3）大批量生产中，有必要查明误差复映的大小。减小误差复映的措施：增加走刀次数,可减小误差复映,提高加工精度,但生产率降低了。,套筒夹紧变形误差工件开口过渡环,在单爪拨盘传动下车削出来的工件是一个正园柱，并不产生加工误差。,二.原始误差8.工艺系统受力变形引起的加工误差2）工艺系统刚度及总变形（3）夹紧力和重力引起的加工误差单爪拨盘传动下工件的受力分析,a)毛坯翘曲d)磨削凸面,b)电磁工件台吸紧e)磨削凹面,c)f),磨后松开，工件翘曲磨后松开，工件平直,二.原始误差8.工艺系统受力变形引起的加工误差2）工艺系统刚度及总变形（3）夹紧力和重力引起的加工误差薄片工件的磨削,（3）夹紧力和重力引起的加工误差,2）工艺系统刚度及总变形,机床部件自重引起的横梁变形,二.原始误差,8.工艺系统受力变形引起的加工误差,在高速切削时，如果工艺系统中有不平衡的高速旋转的构件存在，就会产生离心力。它和传动力一样，在工件的每一转中不断变更方向，引起工件几何轴线作上述相同形式的摆角运动，理论上讲会造成工件圆度误差。特别是当不平衡质量的离心力大于切削力时，车床主轴轴颈和轴承内孔表面的接触点就会不断地变化，轴承孔地圆度误差将传给工件地回转轴心。,因此可采用配重平衡的方法来消除这种影响，必要时亦可适当降低主轴转速，以减小离心力的影响。,二.原始误差,2）工艺系统刚度及总变形（4）由于惯性力引起的误差,力Fp作用下引起的变形。,单向静载测定车床刚度1心轴2、3、6千分表,4测力环,5螺旋加力器,二.原始误差8.工艺系统受力变形引起的误差机床部件刚度特点:机床结构复杂，组成的零部件多，各零部件之间有不同的联接和运动方式，因而机床部件的刚度问题就比较复杂。它的计算至今还没有合适的方法，需要通过实验来测定。右图为单向加载时车床刚度测定示意图。主轴部件、尾座及刀架的变形可分别从千分表2、3和6读出。这种方法测得的y方向位移是背向,构的估计值小。,车床刀架部件的刚度曲线一次加载二次加载三次加载,二.原始误差8.工艺系统受力变形引起的误差下图是以Fp为纵坐标，刀架变形ydj为横坐标的某车床刀架部件的刚度实测曲线。实验中进行了三次加载卸载循环，由图可以看出，机床部件的刚度曲线有以下特点：（1）机床部件刚度的特点:背向力Fp与刀架变形ydj不是线性关系。加载曲线与卸载曲线不重合。加载曲线与卸载曲线不封闭（卸载后由于存在残余变形，曲线回不到原点）。部件的实际刚度远比按实体结,变形逐渐接近于0。4、部件的实际刚度远小于估算刚度。,车床刀架部件的刚度曲线一次加载二次加载三次加载,二.原始误差8.工艺系统受力变形引起的误差结论：1、变形与作用力不是线性关系，反映刀架变形不纯粹是弹性变形。2、加载与卸载曲线不重合，说明有能量损失克服部件内零件摩擦和接触塑性变形所做的功。3、卸载后曲线不回到原点，说明有残留变形，反复加载，残留,连接表面间的接触变形薄弱零件本身的影响接合面间的间隙,接合面间摩擦力的影响施力方向的影响,8.工艺系统受力变形引起的误差（2）影响机床部件刚度的因素:,二.原始误差,两零件结合面间的接触情况,表面接触变形与压强的关系,二.原始误差（2）影响机床部件刚度的因素:1）连接表面间的接触变形实验研究表明，两个相接触的表面间受力作用时，两表面的接触变形y是表面压强p的递增函数。因此，机床部件接合表面间刚度可较确切地用接触刚度来表示，即压强的微分dp与位移的微分dy的比值称为接触刚度kjkj=dp/dy,a)溜板中的楔铁,b)轴承套,二.原始误差（2）影响机床部件刚度的因素:2）薄弱零件本身的影响机床部件刚度的薄弱环节,3）接合面间摩擦力的影响,（2）影响机床部件刚度的因素:,二.原始误差,（3）减小工艺系统受力变形的措施,（1）提高接触刚度通过提高导轨等结合面的刮研质量、形状精度并降低表面粗糙度，都能增加接触面积，有效地提高接触刚度。预加载荷，也可增大接触刚度。（5）合理使用机床,（2）提高零部件刚度减小受力变形加工细长轴时，采用中心架或跟刀架来提高工件的刚度。采用导套、导杆等辅助支承来加强刀架的刚度。（6）合理安排工艺，粗精分开,（3）合理安装工件减小夹紧变形对刚性较差的工件选择合适的夹紧方法，能减小夹紧变形，提高加工精度。（7）转移或补偿弹性变形,4减少摩擦防止微量进给时的“爬行”采用滑动导轨，其摩擦特性好，有效防止低速爬行，运行平稳，定位精度高，具有良好的耐磨性、减振性和工艺性。此外，还有滚动导轨和静压导轨。减少工艺系统受力变形,9.工艺系统热变形引起的加工误差,工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形，从而破坏工件与刀具间正确的相对位置，造成加工误差。据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%-70%。工艺系统的热变形不仅严重地影响加工精度，而且还影响加工效率的提高。,实现数控加工后，加工误差不能再由人工进行补偿，全靠机床自动控制，因此热变形的影响就显得特别重要。工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的一个,重大研究课题。,二.原始误差,内部热源,切削热,工件、刀具、切屑、,切削液,热源,摩擦热,电机、轴承、齿轮、,油泵等,外部热源,环境温度,气温、室温变化、,热、冷风等,热辐射,日光、照明、暖气,、体温等,热源,内部热源外部热源,切削热摩擦热环境温度热辐射,工件、刀具、切屑、切削液电机、轴承、齿轮、油泵等气温、室温变化、热、冷风等日光、照明、暖气、体温等,二.原始误差9.工艺系统热变形引起的加工误差1)工艺系统的热源,L=LD=D,长度：直径：,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；温升。例：长400mm丝杠，加工过程温升1，热伸长量为：L=L=1.171054001=0.0047(mm)=4.7(m)5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性。,二.原始误差9.工艺系统热变形引起的加工误差2）工件热变形对加工精度的影响（1）工件均匀受热（轴类零件处于相对稳定的温度场中）,H,f,式中，,f工件凸起量（变形挠度）；L，H工件原有长度和厚度；工件材料线膨胀系数；上下表面之间的温差。,L28H,f=,/4,平面加工热变形,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，冷却后工件上表面下凹。措施：控制上下表面的温差。,二.原始误差9.工艺系统热变形引起的加工误差2）工件热变形对加工精度的影响（2）工件不均匀受热（板类工件单面加工时）L,3）刀具热变形对加工精度的影响,体积小，热容量小，达到热平衡时间较短,温升高，变形不容忽视（达0.030.05mm）,特点：,A连续切削变形曲线B冷却变形曲线,C间断切削变形曲线,9.工艺系统热变形引起的加工误差,二.原始误差,车、铣、钻、镗等机床，主要热源为主轴箱的发热,二.原始误差9.工艺系统热变形引起的加工误差4）机床热变形对加工精度的影响结构复杂，热源分布不均匀，工作条件变化大，机床各部分的温升不同，影响加工精度。不同类型机床的热变形,4）机床热变形对加工精度的影响,牛头刨、龙门刨、立车等机床，主要热源为工作台与床身导轨间的摩擦热,9.工艺系统热变形引起的加工误差,二.原始误差,4）机床热变形对加工精度的影响,磨床的主要热源为磨头轴承和液压系统的发热,9.工艺系统热变形引起的加工误差,二.原始误差,有时可采用强制冷却法，吸收热源热量，控制机床温升和热变形。合理安排工,采用隔热罩减少热变形,艺、粗精分开。（2）均衡温度场1）减小温差；2）均衡关键件的温升，避免弯曲变形。用热空气均衡立柱前后壁的温度场,二.原始误差9.工艺系统热变形引起的加工误差5）减少工艺系统热变形的主要途径（1）减少发热和隔离热源分离热源、采用隔热措施，改善摩擦条件，减少热量产生，如右图所示。,车床上主轴箱两种结构的热位移,（5）控制环境温度,恒温车间、使用门帘、取暖装置均匀布置；恒温精度一般控制在1以内，精密级较高的机床为0.5。恒温室平均温度一般为20，在夏季取23，在冬季可取17。（6）热位移补偿寻求各部件热变形的规律建立热变形位移数字模型并存入计算机中进行实时补偿。,二.原始误差9.工艺系统热变形引起的加工误差（3）改进机床布局和结构设计1)采用热对称结构2)合理选择机床零部件的安装基准（4）保持工艺系统的热平衡加工前使机床高速空转，达到热平衡时再切削加工。,10.工件残余应力引起的加工误差,二.原始误差,（1）残余应力是指在没有外部载荷的情况下，存在于工件内部的应力，又称内应力。（2）产生原因：,残余应力是由金属内部的相邻宏观或微观组织发生了不均匀的体积变化而产生的，促使这种变化的因素主要来自热加工或冷加工。（3）特点：,始终要求处于平衡状态，外部因素发生变化，内应力就会重新分布；,随着时间的推移，会逐渐减小，直到自行消失；,残余应力的重新分布或自行消失都会引起工件的变形。,（4）残余应力对零件的影响,存在残余应力的零件，始终处于一种不稳定状态，其内部组织有要恢复到一种新的稳定的没有内应力状态的倾向。,在内应力变化的过程中，零件产生相应的变形，原有的加工精度