专题四加工精度和表面质量.ppt

机械加工精度和加工误差概述,一、机械加工精度和加工误差1、机械加工精度,加工精度是指：零件加工后的几何参数（尺寸、形状及各表面间相互位置等参数）的实际值与理论值相符合的程度。符合程度越高，加工精度就越高。反之，越低。,表面绝对平面、圆柱面等；位置绝对平行、垂直、同轴等；尺寸位于公差带中心。,2、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，所以，加工误差的大小反映了加工精度的高低。,实际加工时不可能也没有必要把零件做得与理想零件完全一致，而总会有一定的偏差，即加工误差。只要这些误差在规定的范围内，即能满足机器使用性能的要求。,二、尺寸、形状和位置精度间的关系,独立原则是处理形位公差和尺寸公差关系的基本原则，即尺寸精度和形位精度按照使用要求分别满足；在一般情况下，尺寸精度高，其形状和位置精度也高；通常，零件的形状误差约占相应尺寸公差的3050；位置误差约为尺寸公差的6585。,三、获得加工精度的方法,获得尺寸精度的方法,通过试切小段测量调刀再试切，达到规定尺寸的加工方法。,先调正好刀具，然后以不变的刀具位置加工一批零件的方法。,通过刀具的尺寸来保证加工表面的尺寸精度,通过自动测量和数字控制装置,三、获得加工精度的方法,获得形状精度的方法,通过刀尖的运动轨迹来获得形状精度。,利用成型刀具对工件加工莱获得形状精度。,利用工件和刀具作展成切削运动形成包络线。,三、获得加工精度的方法,获得位置精度的方法,用划针或百分表直接在机床上找正位置,先按图样在毛坯上划好线，再以所划线为基准找正它在机床中的位置,工件在夹具中定位,四、原始误差,由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统的误差是工件产生加工误差的根源。我们把工艺系统的各种误差称之为原始误差。,工艺系统的几何误差工艺系统受力变形引起的误差工艺系统热变形引起的误差工件的残余应力引起的误差伺服进给系统位移误差等,按照工艺系统误差的性质可归纳为：,工艺系统静误差,工艺系统几何误差,工艺系统动误差,机床几何误差,刀具几何误差,夹具几何误差,原理误差,调整误差,测量误差,定位误差,工艺系统力变形,工艺系统热变形,工艺系统内应力变形,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,机床热变形工件热变形刀具热变形,五、常值系统误差与随机误差,加工一批工件中，其加工误差的大小和方向都保持不变或基本不变的系统误差。,特点：与加工（顺序）时间无关；预先可以估计；较易完全消除；不会引起工件尺寸波动（常值系统误差对于同批工件的影响是一致的，不会引起各工件之间的差异）；不影响尺寸分布曲线形状。,例如：铰刀的直径偏大0.02mm，加工后一批孔的尺寸也都偏大0.02mm。,2、随机误差,特点：预先不能估计到；较难完全消除，只能减小到最小限度；工件尺寸忽大忽小，造成一批工件的尺寸在一定的加工条件下随机误差的数值总在一定范围内波动。,随机误差加工一批零件时，由无规律变化的因素所引起的加工误差。,例如：热变形、受力变形、刀具磨损引起的加工误差。,常值系统误差与随机误差,说明：误差性质不同，解决的途径也不同。对于常值系统误差，若能掌握其大小和方向。就可以通过调整消除；对于随机误差，只能缩小它们的变动范围，而不可能完全消除。,加工误差产生的原因,一、工艺系统的几何轨迹误差1、原理性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（见下图）。,原理误差是指由于采用了近似的刀具轮廓、近似的成形运动轨迹或近似的传动比而产生的误差。,原理性误差,图：原理性加工误差,2、机床的几何误差,机床几何误差,机床主轴回转误差,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,2、机床的几何误差,机床本身各部件的制造误差安装误差使用过程的磨损,机床的几何误差包括：,主轴的回转误差,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）产生的偏移量。,轴向窜动纯径向跳动纯角度摆动,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。,机床主轴回转误差的概念,主轴的回转误差的基本形式,主轴的回转误差,主轴孔、主轴轴颈以及轴承等零部件的制造误差，使主轴的回转轴心线在空间的位置在每一瞬间都是变动的。主轴回转误差：是指主轴实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。主轴回转误差将直接影响被加工工件的形状精度和位置精度。,主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响,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。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:/+/=1表明此时镗出的孔为椭圆形。,镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响,.,A,A,R,Om,1,1，,Acos,O,2,3,4,O,Rsin,(A+R）cos,主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响,车外圆时：工件回转，刀具移动,假设主轴轴线沿y轴作简谐运动（如下图所示），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。,主轴的纯径向跳动对车削和镗削加工精度的影响,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。,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。,误差的敏感方向,误差的敏感方向：加工误差对加工精度影响最大的方向，为误差的敏感方向。例如：车削外圆柱面，加工误差敏感方向为外圆的直径方向,主轴轴线角度摆动,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，如下图所示。,主轴轴线角度摆动,主轴轴向窜动,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和平面度误差；当加工螺纹时：会产生螺距误差。,主轴轴承误差分析,主轴部件采用滑动轴承作为支承时：主轴轴径在滑动轴承的轴瓦孔内旋转（如下图所示）：,主轴轴承误差分析,对于车床主轴,车削外圆时：由于切削力的方向不变，主轴旋转时，主轴轴颈始终被压向轴瓦孔的某一侧如上图(a)所示，故主轴轴颈的圆度误差将直接传给被切削的工件。而轴瓦孔的圆度误差基本不影响主轴轴线的回转精度。,主轴轴承误差分析,.,主轴上的切削力的方向是随镗刀的旋转而改变,如上图(b)所示，在切削力F的作用下，主轴总是以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，部分轴颈表面在轴瓦孔的孔壁上滑动，故轴瓦孔的形状误差将直接传给工件而轴颈的形状误差将不影响加工精度。,主轴轴承误差分析,.,提高主轴回转精度的措施,1）提高主轴制造精度高精度的滚动轴承、多油楔动压轴承和静压轴承、箱体支承孔、主轴轴颈2）滚动轴承预紧消除间隙，产生微量过盈3）误差转移法外圆磨床:采用固定顶尖支承工件,机床导轨误差,导轨精度要求主要有以下三方面：,在水平面内的直线度（以卧式车床为例）,机床导轨误差,.,误差1将直接反映在工件加工表面法线方向（误差敏感方向）上，对加工精度影响最大。刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。,在垂直面内的直线度,对工件的尺寸和形状误差影响比1小得多（如下图）：,在垂直面内的直线度,对卧式车床R2/D,若设2=0.1mm,D=40mm，则R=0.00025mm，影响可忽略不计。而对平面磨床、龙门刨床误差将直接反映在工件上。,.,将使工件与刀具的正确位置在误差敏感方向产生偏移量，使工件半径产生R=y的误差，对加工精度影响较大。,导轨在垂直面内的平行度,导轨磨损,导轨磨损,导轨的不均匀磨损和安装质量，也是造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。可采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴塑导轨、滚动导轨、导轨表面淬火等措施。,3、刀具的制造误差,例如：用螺纹车刀车削丝杠的梯形牙形时，当螺纹车刀实际刀宽小于规定齿槽槽宽时，工件将产生槽宽的加工误差齿宽大于齿槽宽。,4、机床传动链误差,间相对运动的误差,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。,（1）机床传动链误差定义,指传动链始末两端执行元件间相对运动的误差。,（2）机床传动链误差描述,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。,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（图示），即,减少传动链误差的措施,1）尽量缩短传动链。2）提高传动件的制造和安装精度，尤其是末端零件的精度。3）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。4）消除传动链中齿轮副的间隙。5）采用误差校正机构,二、工艺系统受力变形产生的加工误差,1、工艺系统受力变形现象,工艺系统的变形现象,机械加工中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、惯性力和重力等的作用下，将产生相应变形,使工件产生加工误差。,由此看来，为了保证和提高工件的加工精度，就必须深入研究并控制以至消除工艺系统及其有关组成部分的变形。,2、工艺系统的刚度,工艺系统整体抵抗其变形的能力。其大小为：径向切削分力Fy与工艺系统在该方向上的变形y的比值，即：=,1)工艺系统刚度的概念,工艺系统的刚度是由组成工艺系统各部件的刚度决定的。工艺系统的总变形量为：各环节的刚度：代入上式，可得：由此可知，工艺系统的刚度的倒数等于系统各环节刚度的倒数之和。工艺系统的刚度主要取决于薄弱环节的刚度。,2)系统刚度与环节刚度,工艺系统的刚度,.,（1）零件刚度若零件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，其变形对加工精度影响比较大，最大变形量按材料力学公式估算。长轴两顶尖装夹按简支梁计算；三爪卡盘装夹按悬臂梁计算。,工艺系统的刚度,（2）刀具刚度外圆刀具在加工表面法线方向上的刚度很大，变形可忽略；镗小孔刀杆刚度很差，变形对加工精度影响很大，刀杆变形按材料力学公式估算。,（3）机床部件刚度机床结构形状复杂，刚度计算主要通过实验方法来测定。,3、支承刚度不足引起的加工误差,例如：用双顶尖支承短圆柱形工件，当左顶尖与主轴锥孔之间由于不干净而造成支承刚度不足，右顶尖由于套筒有间隙也会造成支承刚度不足，车削时，由于顶尖带动工件让刀而产生加工误差。误差形状如下图所示：,图：双曲线形状误差,4、毛坯加工余量不均产生的加工误差,图：毛坯形状误差的复映1毛坯孔表面2工件表面,毛坯形状的复映误差,复映现象产生的加工误差，可通过增加走刀次数加以消除。,当毛坯孔的加工余量不均时，镗出孔的误差的形状与毛坯孔的误差形状相似，即：毛坯的误差将复映到加工过程中去，这种规律称为误差复映规律。,毛坯形状的复映误差,5、夹紧变形对加工精度的影响,工件刚性差（薄件、圆环）装夹不当会产生受力变形,6.工件内应力引起的变形,1）毛坯制造中产生的残余应力,在铸造、锻造、焊接及热处理过程中，由于工件各部分冷却收缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，在毛坯内部就会产生残余应力。(如图所示）,毛坯的结构越复杂，各部分壁厚越不均匀以及散热条件相差越大，毛坯内部产生的残余应力就越大。内应力重新分布，工件就会产生变形。,铸件内应力分布情况,下图所示为一个内外壁厚相差较大的铸件，在浇铸后的冷却过程中产生残余应力的情况。,工件内应力引起的变形,2）冷校直引起的残余应力,现象,冷校直工艺方法是在一些长棒料或细长零件弯曲的反方向施加外力F以达到校直目的，如下图a)所示。,原因,在外力F的作用下，工件内部的应力重新分布，如下b)所示，在轴心线以上的部分产生压应力（用负号表示），在轴心线以下的部分产生拉应力（用正号表示）。在轴心线和两条虚线之间，是弹性变形区域，在虚线以外是塑性变形区域。,冷校直引起的内应力,冷校直引起的内应力,1,影响,当外力F去除后，弹性变形本可完全恢复，但因塑性变形部分的阻止而恢复不了，使残余应力重新分布而达到平衡，如上图所示。,措施,对精度要求较高的细长轴（如精密丝杠），不允许采用冷校直来减小弯曲变形，而采用加大毛坯余量，经过多次切削和时效处理来消除内应力，或采用热校直。,工件内应力引起的变形,3）切削加工中引起的残余应力,工件在切削加工时，其表面层在切削力和切削热的作用下，会产生不同程度的塑性变形，引起体积改变，从而产生残余应力。这种残余应力的分布情况由加工时的工艺因素决定。,内部有残余应力的工件在切去表面的一层金属后，残余应力要重新分布，从而引起工件的变形。在拟定工艺规程时，要将加工划分为粗、精等不同阶段进行，以使粗加工后内应力重新分布所产生的变形在精加工阶段去除。,机床热变形,主要是主轴部件、床身导轨及两者相对位置的热变形,机床热变形,提高零件的刚度的措施：,一、减少加工工艺系统受力变形的措施,采用空心截面；,采用封闭图形截面；,增设加强筋。,减少加工工艺系统受力变形的措施,2、合理采用装夹和加工方式,工件的装夹方式,3、车细长轴时防止切削变形的措施,加工细长轴时易产生弯曲和振动。可采取下列措施:,使用跟刀架或中心架，增加工件刚度；,采用反向进给的切削方法（在进给力作用下，会因“压杆失稳”而被压弯）,使用弹性的尾座顶尖（在切削热的作用下，工件会变长，防止工件产生弯曲变形）,增大主偏角减小径向力；,3、车细长轴时防止切削变形的措施,4、转移原始误差,如镗孔时镗杆与主轴采用浮动连接，使用镗模将机床误差转移到新装置上加以控制转塔刀架的转位误差转移到误差不敏感方向：,5、误差补偿法,利用原有误差或制造误差来抵消原始误差。如龙门铣床因铣削头自重产生下凹变形，刮研横梁导轨使上凸。,二、减少工艺系统热变形的主要措施,1、减少热源的发热量：将热源从机床分离,图：精密机床的布局示意图,减少加工工艺系统热变形的措施,不能分离的发热部件，可采用风冷、水冷等措施。2、采用热补偿方法减少热变形如：精密机床的床头箱是主要的热源，床头与床尾温差大，而使机床导轨产生热变形。可在床身中部、尾部设置升温装置，使整个导轨基本处于热平衡状态。3、控制环境温度精密机床一般都在恒温车间内安装、加工。,机械加工表面质量,机械加工表面质量决定了机器的使用性能和延长使用寿命。本章主要研究零件表面层在加工中的变化和发生变化的机理，掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响规律，运用这些规律来控制加工中的各种影响因素，以满足表面质量的要求。,表面层冷作硬化表面层金相组织的变化表面层残余应力,表面质量,表面层的几何形状表面层的物理机械性能,1、表面层的表面粗糙度,是指表面微观几何形状误差,2、表面层的物理机械性能,表面质量的含义,表面层冷作硬化,零件在加工中表面层金属产生强烈的塑性变形后，引起的强度和硬度都有所提高的现象。,表面层金相组织的变化,由于切削热引起工件表面温升过高，表面层金属发生金相组织变化的现象。,表面质量的含义,表面层残余应力,由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生的残余应力。,3、对零件抗腐蚀性能的影响,二、表面质量对零件使用性能的影响,在摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件已经确定的情况下，零件的表面质量对耐磨性能起决定性的作用，如图所示。,1、对零件耐磨性的影响,表面质量对零件使用性能的影响,表面层的冷硬可显著地减少零件的磨损，但如果表面硬化过度，会发生表面层剥落现象，使磨损加剧。表面层产生金相组织变化时，由于改变了基体材料原来的硬度，因而也直接影响其耐磨性。,2、对零件疲劳强度的影响,零件表面微观不平会产生应力集中现象，而且表面粗糙度值越大，即凹陷越深和越尖，应力集中越严重，越容易形成和扩展疲劳裂纹,表面质量对零件使用性能的影响,表面质量对零件的配合质量、密封性能及摩擦系数都有很大的影响。,零件表面粗糙度值越大，潮湿空气和腐蚀介质越容易堆积在零件表面四处而发生化学腐蚀,三、影响表面粗糙度的因素,1、刀具刀尖的几何形状的影响,图:理论表面粗糙度,工件表面的残留面积,车外圆：,理论表面粗糙度,如右上图所示，由国家标准规定的表面粗糙度定义，轮廓的算术平均偏差：阴影部分面积/测量长度同理，如右下图所示，取测量长度为f的一段工件轮廓，则理论表面粗糙度：阴影部分面积/测量长度=,理论表面粗糙度,而三角形底边长度即故工件外圆的轮廓的算术平均偏差（理论表面粗糙度）为：,由上式分析可知：刀具的几何形状影响工件的表面粗糙度。生产中，一般应减小f和来提高表面粗糙度精度。,影响表面粗糙度的因素,鳞刺：工件表面上微小的鱼鳞状倒刺。,2、积屑瘤的影响,3、鳞刺的影响,4、切削振动的影响,积屑瘤将严重影响工件的表面粗糙度。,切削过程中出现振动，刀具将在工件上切出波纹，严重影响工件的表面粗糙度。,鳞刺的生成机理：在中低速切削塑性金属材料且较大时，刀屑之间由于冷焊而产生粘结现象，切屑在前刀面上流动时周期性地受阻而瞬时停留，切屑代替前刀面推挤切削层，造成已加工表面上出现拉应力而导裂，生成鳞刺。,四、加工表面产生残余应力的机理,如上右图所示，具有钝圆刃的刀具切削工件时，有一厚度为的薄层金属无法被钝圆刃切离工件而被强烈挤压成为已加工表面。,1、由于刀具钝圆刃切削时的