机械加工精度及其控制培训课件(ppt 109页).ppt

第二章机械加工精度,2.1概述,零件的加工质量是保证机械产品工作性能和产品寿命的基础。,衡量进行加工质量的指标有两方面,加工精度表面质量,本章的任务是讨论零件的机械加工精度问题。,一、机械加工精度和加工误差,在机械加工过程中，由于各种因素的影响，使刀具和工件间的正确位置发生偏移，因而加工出来的零件不可能与理想的要求完全符合，两者的符合程度可用机械加工精度和加工误差来表示。,从保证产品的使用性能分析，没有必要把每个零件都加工得绝对准确，可以允许有定的加工误差，只要加工误差不超过图样规定的偏差，即为合格品。,是指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、机械加工精度：,2、加工误差：,是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的偏离程度。加工精度越高，则加工误差越小，反之越大。,加工精度的高低是以国家有关公差标准来表示的。保证和提高加工精度实际上就是限制和降低加工误差。,3、机械加工精度包含的内容,尺寸精度形状精度位置精度,机械加工精度,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。,4、加工精度与加工成本和生产效率的关系,一般地，加工精度要求，加工成本，生产效率。,5、研究加工精度的目的,研究加工精度的目的、就是弄清各种原始误差对加工精度影响的规律，掌握控制加工误差的方法，以获得预期的加工精度，必要时能指出进一步提高加工精度的途径。,6、研究加工精度的方法,因素分析法统计分析法,在实际生产中，常常结合起来应用。一是先用统计分析法寻找误差的出现规律，初步判断产生加工误差的可能原因，然后运用单因素分析法进行分析、试验，以便迅速、有效地找出影响加工精度的主要原因。,二、影响加工精度的因素,零件的尺寸、几何形状和表面间的相互位置的形成，归根到底取决于工件和刀具在切削过程间的相互位置。由于工艺系统存在各种原始误差，它们以不同的方式和程度反映为加工误差。由此可见：,1、原始误差,机床夹具刀具工件,亦称机械加工工艺系统,构成了机械加工系统,故：工艺系统误差称为原始误差。,工艺系统误差是“因”，是根源；加工误差是“果”，是表现。,2、零件加工中的各种原理误差,调整误差装夹误差加工误差测量误差工件毛坯制造误差加工原理误差,夹具位置的调整、对刀调整、同轴度调整；,由切削力、惯性力、刀具磨损、切削热等工艺系统受力、受热变形和磨损零件与刀具之间的相对位置加工误差；,铸、锻、焊、轧制、加工等：切削加工、热处理的力、热作用内应力工件变形加工误差,由于采用了近似的加工方法。,机械加工中的原始误差可归纳为：,定位误差、夹紧误差。合称工件装夹误差；,测量方法、测量工具（量具和仪器）误差测量误差；,原始误差,工艺系统(几何误差),加工过程(动误差),工艺系统制造和磨损,工艺系统的力、热效应,机床的制造和磨损夹具的制造和磨损刀具的制造和磨损,受力变形受热变形应力变形,调整误差工件装夹误差加工误差测量误差加工原理误差,三、误差的敏感方向,在加工过程中，各种原始误差的影响会使刀具和工件间正确的几何关系遭到破坏，引起加工误差，各种原始误差的大小和方向各不相同，而加工误差则必须在工序尺寸方向度量。因此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最大。通过刀尖的加工表面的法线方向。垂直于切削加工速度的方向。,下面以外圆车削为例说明两者的关系。,如图，车削时工件的回转轴线为O，刀尖正确位置在A。设某一瞬时由于各种原始误差的影响，使刀尖位移到A，AA即为原始误差，它与OA间的夹角为，由此引起工件加工后的半径由R0OA变为ROA，故半径上的加工误差R为：,当原始误差的方向恰为加工表面的法向方向(0)时，引起的加工误差最大；,可以看出：,当原始误差的方向恰为加工表面的切线方向(90)引起的加工误差最小。,把对加工精度影响最大的那个方向称为误差的敏感方向；对加工精度影响最小的那个方向则称为误差的不敏感方向。,刨床的误差敏感方向呢？工件的垂直方向镗削的误差敏感方向呢？工件内圆切削点的法向方向磨削的误差敏感方向呢？工件的法向方向,四、研究加工精度的方法1）因素分析法：研究某一确定因素对加工精度的影响，不考虑因素的同时作用；2）统计分析法：以实测结果为基础，运用数理统计方法进行数据处理,在实际生产中，常常结合起来应用。一是先用统计分析法寻找误差的出现规律，初步判断产生加工误差的可能原因，然后运用单因素分析法进行分析、试验，以便迅速、有效地找出影响加工精度的主要原因。,四、全面质量管理（一）（TQM）概念：一个组织以质量为中心，以全员参加为基础，目的在于通过让顾客满意和本组织所有成员及社会受益而达到长期成功的管理途径；源于美国，发展于日本，推广于世界。质量管理：质量在于生产；全面质量管理：质量在于生产、企业各项管理工作、设计、生产经营活动等（二）基本观点质量第一的观点；一切为用户服务的观点；质量形成于生产的观点；质量好坏凭数据说话的观点；预防为主，防检结合的观点；以人为本的管理观点（以全体员工特别是生产一线的职工为本）；突出质量改进的动态性管理观点（有组织、有计划、持续地进行质量改进，不断满足变化着的市场和用户的需求）。,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。数控直线插补、滚齿用的齿轮滚刀：（1）用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆代替渐开线基本蜗杆刀刃齿廓近似造型误差。（2）滚刀齿有限：实际加工出的齿形是一条由微小折线段组成的曲线和理论上的渐开线有差异加工原理误差。（3）成型铣刀铣齿轮。,一、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。,2.2工艺系统的几何精度对加工精度的影响,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，且有容屑槽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。(包洛造形误差),3、滚齿加工,补充知识:1、获得零件形状精度的方法轨迹法:依靠刀尖的运动轨迹即成形运动精度;成形法:依靠成形刀具即成形精度,和成形运动精度;展成法:依靠展成运动即展成运动的精度;2、获得零件尺寸精度的方法试切法:切削测量调整切削测量再调整-调整法:依靠试件、样件、挡块等定行程装置；定尺寸刀具法:依靠刀具自身制造精度；自动控制法：自动化的试切法或调整法3、获得零件表面的相互位置精度一次安装，连续加工-不受定位精度，夹紧精度影响多次安装，多次加工-受定位精度，夹紧精度影响,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，只要刀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。,二、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)试切法调整,1)测量误差。由量具本身精度度、测量方法及使用条件引起。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。精加工时，最后一道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。粗加工反之(让刀)。,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。,这时，引起调整误差的因素有：,(2)调整法调整,影响调整精度的因素有：,1）定程机构误差：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；2）样件或样板误差：调整精度取决于样件或样板的制造、安装和对刀精度；3）试切法的影响因素和测量有限样件的制造误差：工艺系统初调好以后，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(抽样数)有限，不能完全反映整批工件切削加工的各种随机误差。,三、机床误差,机床的制造误差、安装误差以及使用中的磨损都直接影响工件的加工精度。机床误差可归纳为：,机床导轨导向误差机床主轴回转误差机床传动链的误差,机床误差,1、机床导轨误差,机床导轨误差多达21项。,机床导轨是实现直线运动的主要部件，其制造和装配精度是影响直线运动的主要因素，直接影响工件的加工质量。,机床导轨误差,机床导轨误差多达21项。36+3=21。,导轨在水平面内直线度误差y导轨在垂直面内直线度误差x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,（1）直线导轨导向精度的主要内容有：,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。,导向精度：导轨副运动件实际运动方向与理想运动方向的符合程度。其之差为导向误差。,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(误差非敏感方向)，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)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。,4)导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度误差的影响。,造成加工表面下凹。,实际应用中，为防止“扫刀”，往往将主轴与进给方向倾斜一微小角度（30”）。,其他因素引起工件形位误差;a.前后导轨的磨损;b.机床热变形,靠主轴位温度高,成翘曲;c.润滑d.导轨副的磨损;,解决措施：1）选择合理的导轨形状及组合;合适的配合长度（均化），双三角（导向保持性好）2）提高导轨的制造精度;3）采用静压导轨、耐磨材料贴面等,（二）机床主轴的回转误差,（1）主轴回转误差的概念（回转轴线理论上是一条固定不变，主轴实际回转轴线对理想回转轴线的漂移）,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。,通常用实际回转轴线的平均植（平均位置）作为理想回转轴线,（2）主轴回转运动误差的形式,端面圆跳动（轴向漂移）沿平均轴线上窜动径向圆跳动（径向漂移）轴线始终平行于平均轴线倾角摆动（角向漂移）与平均轴线始终有个倾角,主轴的回转运动误差的基本形式,注意：实际中常是这几种误差的合成。,端面圆跳动瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动。它主要影响端面形状和轴向尺寸精度。径向圆跳动瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动b。它主要影响圆柱面的精度。角度摆动瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度，但其交点位置固定不变的运动。在不同横截面内，轴心运动误差轨迹相似，它影响圆柱面与端面加工精度。,3.主轴回转误差对加工精度的影响,（1）端面圆跳动,1）对圆柱面的加工,无影响(轴向:误差不敏感方向)；,2）对加工端面的影响,3）对螺纹加工的影响,(法向)如图（a):A/R=tg,螺距周期误差:如图（b）,（2）径向圆跳动,使工件产生圆度误差，但影响程度因加工方法的不同而异。如：,1)镗孔时,设原始误差：主轴径向回转误差表现为y向简谐运动。h=Acos,在任一时刻刀尖a的位置为：,分析：这是椭圆的参数方程，加工出的孔呈椭圆形，圆度误差为A。,2)车削时,（3）倾角摆动1）几何轴线相对于平均轴线在空间成一定锥角的圆锥轨迹-正圆锥形状误差(从垂直于平均轴线的截面看)2）几何轴线在某个平面内做角度摆动，摆动频率与主轴回转频率一致.从垂直于平均轴线的截面看:-圆柱度（车削）:刀尖到平均轴线的距离不变;-椭圆体误差（镗削）:镗刀尖到几何轴线的距离不变,但刀尖到平均轴线的距离变化,4.主轴回转运动误差的影响因素,主轴的误差：制造轴承的误差：圆度、波度（主轴颈与内孔）轴承的间隙：影响油膜厚度;与轴承配合零件的误差：轴颈和箱体轴承孔主轴系统的径向不等刚度和热变形等,影响主轴回转运动误差的主要因素,对于不同类型的机床，其影响因素也各不相同。(滑动轴承),工件回转类,刀具回转类,思考：1滑动轴承误差?a刀具回转类-镗床,磨床,铣床.主轴回转一周,主轴径向跳动两次-来回两次.b工件回转类-车床.主轴回转一周,主轴径向跳动一次.2滚动轴承误差？内圈-主轴颈外圈-轴承孔滚动体尺寸误差(依保持架与主轴转速比而定)3向心推力轴承误差？滚道的端面误差内外滚道的倾斜,圆度与波度,（4）提高主轴回转精度的措施,1)提高主轴部件的制造精度和选择合理的主轴结构,首先应提高轴承的回转精度,选用高精度的滚动轴承采用高精度的多油楔动压轴承采用高精度的静压轴承,提高箱体支承孔的加工精度主轴轴颈的加工精度与轴承相配合表面的加工精度,其次应提高轴承组件的接触刚度,a)采用固定的顶尖定位加工（简单而行之有效的方法），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。B)采用无心磨削加工（环类零件：外圆-无心磨床；内圆-内圆磨床+电磁）；c)采用双支承镗模支承加工,2)对滚动轴承进行预紧,可消除间隙增加轴承刚度均化滚动体的误差,3)采取合适的加工工艺,如下图,对滚动轴承适当预紧,微量过盈可使轴承内、外圈和滚动体的弹性变形相互制约，这样既增加轴承刚度，又对滚动体的误差起均化作用，因而可提高主轴的回转精度。,外圆磨床磨削外圆柱面时，采用固定顶尖支承。,在镗床上加工箱体类零件上的孔时，采用前、后导向套的镗模，刀杆与主轴浮动联接，所以刀杆的回转精度与机床主轴回转精度也无关，仅由刀杆和导套的配合质量决定。,（三）机床传动链误差,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。,1.传动链的传动误差,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。,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。,如图所示的机床传动系统，可具体表示为,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。,假设滚刀轴均匀旋转，若齿轮Z1有转角误差1，而其他各传动件无误差，则传到末端件所产生的转角误差1n为：,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：,同理，可求得其它齿轮转角误差i，对末端件所产生的转角误差为,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：,可以认为:各传动元件的转角误差是转角的正弦函数如以末端元件的圆频率为基准,各传动元件引起末端元件的转角误差就是其各次的谐波分量.,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)各元件在传动链中位置不同，对转动精度的影响不同；,末端元件的误差影响最大，尽可能提高末端元件的安装、制造精度。,在传动链中按降速比递增的原则分配备传动副的传动比；降速比尽量放在末端，则传动链中其余各传动元件误差的影响就越小；,4)传动比i应小（传动比1,误差大；传动比机床、夹具、刀具的变形,简支梁的工件变形量：,“腰鼓形”工件形状,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。,镗床,铣床,3、其他受力作用点变化（刀具的变形）,分析时：参照以上例子具体分析。,（二）切削力大小发生变化（引起原因：余量不均和材质不均）,工件就形成圆度误差，这种现象称为“误差复映”。,假设车削外圆，工件毛坯存在圆度误差（椭圆)：,由于工件毛坯存在圆度误差,切削深度在ap1与ap2之间变化。,切削分力f也随切削深度ap的变化由最大Fmax变到最小Fmin,工艺系统将产生相应的变形最大ymax变到最小ymin,1、误差复映,工艺系统由于受力变形的变化使工件产生相应的圆度误差，g=y1-y2，这种现象称误差复印。,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,定义,1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C成正比。,2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。,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。,3、误差复映规律的应用,第二次进给后工件的误差为：,第n次进给后工件的误差为：,误差复映规律的应用：,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次数。,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：,误差复印规律的实质：由于工艺系统刚度不足加上切削力大小变化而引起加工误差。（k系=c.m/g，可测量系统刚度）,（三）其它力引起的加工误差,(1)夹紧力引起的加工误差,薄壁套,薄壁件磨削,(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、龙门刨床刀架横粱的变形，铣镗床镗杆伸长而下垂变形等，都会造成加工误差。,(3)惯性力引起的加工误差,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,离心力在工件的每一转中不断变更方向，当不平衡质量的离心力大于切削力时,车床主轴轴颈和轴套内孔表面的接触点就会不停地变化，轴套孔的圆度误差将传给工件的回转轴心,对重平衡,(4)传动力车床:两顶尖定位,单爪拨盘带动件形成圆周进给;,四、机床部件刚度（一）机床部件刚度的测定1静态测定法：机床不工作状态2工作状态测定法：依据误差复映规律,1、静态测定法,机床不工作，模拟切削力情况，对机床施加静载荷，测出机床各部件的静载变形，作出刚度特性曲线及计算其刚度,刚度曲线的特点：1）变形与作用力不是线性关系，不纯粹是弹性变形;2）加载与卸载曲线不重合，包容面积表示损失的能量，克服摩擦、接触变形等；3）卸载曲线不回原点，有残留变形，反复加-卸载后残留变形趋于零。4）部件的实际刚度远比实体估算小（刚度是指平均刚度。）,2、工作状态测定法,依据误差复印规律测定系统刚度（见课本）,（二）影响机床部件刚度的因素,1连接表面接触变形（实际接触面积远小于理论接触面积）,试验表明，接触变形y与压强F的关系如图所示，接触刚度将随载荷的增加而增大。,接触变形：塑性和弹性变形,接触刚度：零件接触表面抵抗因外力而产生变形的能力,原因：实际接触面积小于理想接触面积，实际接触面积的大小与该表面的加工方法有关。,措施：1）（用配刮、配研等方法）增大接触面积；2）预加接触载荷，提高接触刚度；3）减少配合零件的数目以减少接合面数量,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。,2机床零件本身刚度,由于床鞍部件中的楔铁细长、刚性差，不易加工平直，使用接触不良，故在外力作用下最易变形。,垫板,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。,3零件间间隙的影响（间隙大、刚度小）,4零件间的摩擦力的影响（零件间受力而发生错动）,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是这样的：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。,零件间间隙和摩擦力的影响,加载与卸载曲线不重合？,五、减少工艺系统受力变形对加工精度影响的措施（一、提高刚度；二、减小载荷及其变化量）,1、合理的结构设计1）减少连接面数；2）合理选择零件结构和截面形状。（实心与空心、封闭与开口、加强筋等）,（一）提高工艺系统刚度,2）提高连接表面的接触刚度：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。,3）采用合理的装夹和加工方式：增加辅助支撑（中心架、跟刀架）等、双顶尖“倒车”。（二）减小载荷及其变化合理选择刀具的几何参数（大前角）、切削用量、使加工余量均匀、减少复印误差。,提高工件的刚度,适用场合：在加工中，由于工件本身的刚度较低，特别是叉架类、细长轴等零件，容易变形。,措施：缩小切削力的作用点到支承之间的距离，以增大工件在切削时的刚度。,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。,图b所示是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。,图a所示是在转塔机床上采用固定导向支承套。,图a,图b,合理装夹工件以减少夹紧变形,合理选择装夹位置采用辅助支承：跟刀架，随刀架等,方法,六、工件残余应力引起的变形,残余应力（内应力）：指在没有外力作用下或去除外力后在工件内存留的应力。特点：内应力会重新分布。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，在外界条件发生变化时，原内应力的平稳会遭破坏，工件将发生形状的变化，并形成新的平衡。平衡不平衡新的平衡（外界条件变化）外界条件：1）环境温度变化；2）进行切削或撞击工作等,必须采取措施消除残余应力对零件加工精度的影响。,（一）产生残余应力的原因,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。,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。,1毛坯制造和热处理中产生的残余应力,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,切削过程中产生的力和热，也会使被加工工件的表面层变形，产生残余应力。,3切削加工中产生的残余应力,（二）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。,2.4工艺系统的热变形对加工精度的影响,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。,一、概述,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40一70。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，热变形影响加工效率（机床预热平衡、降低切削用量、粗加工停机为半精加工散热等），已成为机械加工技术进一步发展的一个重要的研究课题。,热变形破坏刀具与工件的正确几何关系工件的加工误差,(一)工艺系统的热源：,系统内部热源(切削热、摩擦热、派生热)系统外部热源(如太阳辐射热、照明热),1、切削热（仅0.5%扩散出去）：工件、刀具和切屑各占一部分2、传动系统的摩擦热和能量损耗对机床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、阀等运动部分产生的摩擦热3、派生热源：切削液、切屑落在床身上机床4、外部热源：周围环境（温度，空气对流；热源，通过光照辐射，而且是局部）,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10一30，传给刀具的为1一5。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。,（二）工艺系统的热平衡和温度场的概念,热平衡状态,单位时间内传入的热量=传出的热量,工艺系统各部分的热变形趋于稳定状态,工艺系统在各种热源的作用下，温度会逐渐升高，同时通过各种方式向周围介质散热。,当工件、刀具和机床温度达到某一数值时，单位时间内散出的热量与热源传入的热量趋于相等，工艺系统就达到了热平衡。工艺系统各部分温度保持在相对固定的数值，热变形趋于稳定。,温度场：物体各点温度的分布,不稳定温度场：温度是坐标位置、时间的函数,稳定温度场：只是坐标位置的函数,温度检测：热电偶、热敏电阻、半导体温度计、红外测温、激光全息照相、光导纤维（红外热像仪）数学手段：有限元法和有限差分法在温度场热变形上的研究,二、工件热变形引起的加工误差,切削热（是主要的）外部热源（对于精密件不可忽视）,（一）比较均匀受热,长度：L=tLt，t线胀系数,t温升直径：D=tDt,（轴类、套类、盘类可看成是等温体）,影响零件的尺寸精度,Fz切削力，T切削温度V切削速度，C比热K传热比例，V体积比量,而6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,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),受热变形的严重性,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。,采取冷却措施，否则将出现废品,（二）受热不均匀,（铣、刨、磨平面，单面受热）,影响工件的形状精度,措施：1）使用大量的切削液2）采用误差补偿（微凹装夹）,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。因此，其影响不可忽略。,三、刀具热变形引起的加工误差(刀具热容量小),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。,思考题：车细长轴工件时，单考虑车刀热变形，工件将产生什么形状误差？,连续工件：热平衡前影响形状精度间歇工作：变形量比连续切削小，但在一定误差范围内波动,措施：合力选择刀具的几何参数和切削用量；充分冷却。,四、机床热变形引起的加工误差,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：主轴上台，并向操作者处靠拢,主要热源：是主轴箱轴承的摩擦热和主轴箱中油池的发热,L=tLt,结果：如图所示为车床空运转时，主轴的温升和位移的测量结果。,主轴在水平方向的位移仅10m,垂直方向的位移却高达180200m。,2.外圆磨床,如图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.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,4.几种机床的热变形趋势,平面磨床,车床,铣床,双端面磨床,措施：（1）使机床热变形均衡（机床设计人员），如何配置热源。(2)使机床恒温，对机床进行预热，使机床在工作前处于热平衡状态（工艺人员）。,五、减少和控制工艺系统热变形的主要途径,1减少热源和隔离热源，均衡温度场2采用合理的机床部件结构减少热变形的影响3加速温升，保持热平衡（高速空转、某部位人为加热）4充分冷却控制环境温度5主动测量,消除温度的影响6采用补偿法减少热变形,对于不能分离的热源，如主抽轴承、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、理基润滑脂等，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。,2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,如图所示为车床主轴箱在床身上的两种不同定位方式。,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。因此，精密加工机床应尽量避免中途停车。,3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,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。,6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