机械制造工程基础-第5章 机械加工精度及表面质量ppt课件

1、 尺寸精度尺寸精度形状精度形状精度位置精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）置公差限制在尺寸公差内）加工精度加工精度图图5-1 加工质量包含的内容加工质量包含的内容 引起加工误差的根本原因是工艺系统存在引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。原始原始误差误差与工艺系统原始状与工艺系统原始状态有关的原始误差态有关的原始误差(几何误差几何误差)与工艺过程有关的与工艺过程有关的原始误差原始误差(动误差动误差)原理误差原理误差定位误差定位误差调整误差调整误差刀具误差

2、刀具误差夹具误差夹具误差机床误差机床误差工艺系统受力变形包括夹紧变形）工艺系统受力变形包括夹紧变形）工艺系统受热变形工艺系统受热变形刀具磨损刀具磨损测量误差测量误差工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形工件相对于刀具静止状态下工件相对于刀具静止状态下的误差的误差工件相对于工件相对于刀具运动状刀具运动状态下的误差态下的误差主轴回转误差主轴回转误差导轨导向误差导轨导向误差传动误差传动误差图图5-2 原始误差构成原始误差构成RYYRRRX 202YYRR（5-1）XRX （5-2）显然：显然：XYRR 图图5-3 误差敏感方向误差敏感方向YR0Xa）YR0Xb）加工原理误差是指采用了近似的成型

3、运动或近似的刀刃轮加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。廓进行加工而产生的误差。式中式中 R 球头刀半径；球头刀半径； h 允许的残留高度。允许的残留高度。例例2：用阿基米德蜗杆滚刀：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮滚切渐开线齿轮例例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件(图图5-4)SRh图图5-4 空间曲面数控加工空间曲面数控加工8SR h （5-3）b端面圆跳动端面圆跳动a径向圆跳动径向圆跳动c倾角摆动倾角摆动图图5-5 主轴回转误差基本形式主轴回转误差基本形式考虑最简单的情况，主轴回转中心在考虑最简单的情况

4、，主轴回转中心在X方向上作简谐方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀。则刀尖的坐标值为：尖的坐标值为：e图图5-6 径向跳动对镗孔精度影响径向跳动对镗孔精度影响式中式中 R 刀尖回转半径；刀尖回转半径； 主轴转角。主轴转角。显然，上式为一椭圆。显然，上式为一椭圆。sincos)(RYeRX图图5-7 径向跳动对车外圆精度影响径向跳动对车外圆精度影响12345678仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在仍考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e

5、。则刀尖。则刀尖运动轨迹接近于正圆图运动轨迹接近于正圆图5-7）。）。结论：主轴径向跳动影响结论：主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差。加工表面的圆度误差。e主轴回转误差的基本形式车床上车削镗床上镗削内、外圆端面螺纹孔端面纯径向跳动影响极小无影响圆度误差无影响纯轴向窜动无影响平面度误差 垂直度误差螺距误差无影响平面度误差 垂直度误差纯角度摆动圆柱度误差形响极小螺距误差圆柱度误差平面度误差机床主轴回转误差产生的加工误差机床主轴回转误差产生的加工误差L0.056F710F7k620H 7g 6YZ图图5-8 钻径向孔的夹具钻径向孔的夹具 通常要求定位误差和夹具通常要求定位误差和夹具制造误差不大于工件

6、相应制造误差不大于工件相应公差的公差的1/3。1定位误差；定位误差；2刀具导向对刀误差；刀具导向对刀误差；3夹紧误差；夹紧误差；4夹具制造误差；夹具制造误差；5夹具安装误差；夹具安装误差；a a）b b）图图5-9 试切法与调整法试切法与调整法211.86.59.88/jxzz/wljx/wlkc/%B5%DA%CA%AE%D5%C2/Untitled-1-3.htm调整误差调整误差试切法调整试切法调整定程机构调整定程机构调整样板、样件调整样板、样件调整夹具安装调整夹具安装调整 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、样板的制造精度样件、样板的

7、制造精度和安装精度、对刀精度和安装精度、对刀精度产生调整误差产生调整误差测量误差测量误差进给机构位移误差爬进给机构位移误差爬行现象）行现象）加工余量的影响余量加工余量的影响余量很小时，刀刃打滑）很小时，刀刃打滑） 影响工件在机床上占有正确的加工位置a） b）图图5-10 薄壁套夹紧变形薄壁套夹紧变形图图5-10 薄壁工件磨削薄壁工件磨削【例【例1】薄壁套夹紧变形】薄壁套夹紧变形 处理：加开口套处理：加开口套【例【例2】薄壁工件磨削】薄壁工件磨削 处理：加橡皮垫处理：加橡皮垫图图5-11 龙门铣横梁变形龙门铣横梁变形【例】龙门铣横梁【例】龙门铣横梁图图5-12 龙门铣横梁变形转移龙门铣横梁变形转

8、移图图5-13 龙门铣横梁变形补偿龙门铣横梁变形补偿 解决解决1 1：重量转移：重量转移 解决解决2 2：变形补偿：变形补偿图图5-15 铸件残余应力引起变形铸件残余应力引起变形图图5-16 冷校直引起的残余应力冷校直引起的残余应力压拉加载压压拉拉卸载v 设计合理零件结构；设计合理零件结构；v 粗、精加工分开；粗、精加工分开；v 避免冷校直；避免冷校直；v 时效处理。时效处理。v毛坯制造和热处理产生的毛坯制造和热处理产生的残余应力图残余应力图5-15）；）；v 冷校直带来的残余应力冷校直带来的残余应力图图5-16）；）；v切削加工带来的残余应力。切削加工带来的残余应力。 在精密加工和大件加工中

9、，工艺系统热变形引起的在精密加工和大件加工中，工艺系统热变形引起的加工误差占总误差的约加工误差占总误差的约4070%。v温度场温度场工艺系统各部分温度分布；工艺系统各部分温度分布；v热平衡热平衡单位时间内，系统传入的热量与传出的热量相单位时间内，系统传入的热量与传出的热量相等，系统各部分温度保持在一相对稳定的数值上；等，系统各部分温度保持在一相对稳定的数值上；v温度场与热平衡研究温度场与热平衡研究目前以实验研究为主。目前以实验研究为主。工艺系统热源工艺系统热源内部热源内部热源外部热源外部热源切削热切削热摩擦热摩擦热环境热源环境热源辐射热辐射热工件、刀具、切屑、切削液电机、轴承、齿轮、油泵等气温

10、、室温变化、热、冷风等日光、照明、暖气、体温等v 体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长；体积大，热容量大，温升不高，达到热平衡时间长；v 结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著。结构复杂，温度场和变形不均匀，对加工精度影响显著。运转时间运转时间 / h0 1 2 3 450150100200位移位移 /m20406080温升温升 / YX前轴承温升前轴承温升图图5-17 车床受热变形车床受热变形a） 车床受热变形形态车床受热变形形态b） 温升与变形曲线温升与变形曲线v 立铣图立铣图a）图图5-18 立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形立式铣床、外圆磨床、导轨磨床受热变形a铣床

11、受热变形形态铣床受热变形形态b外圆磨床受热变形形态外圆磨床受热变形形态c导轨磨床受热变形形态导轨磨床受热变形形态v 外圆磨图外圆磨图b）v 导轨磨图导轨磨图c）max1ce（5-16）式中式中 热伸长量；热伸长量； max 达到热平衡热伸长量；达到热平衡热伸长量； 切削时间；切削时间； c 时间常数热伸长量为热平衡热伸长量约时间常数热伸长量为热平衡热伸长量约63%的时间，的时间，常取常取34分钟）。分钟）。(min)图图5-19 车刀热变形曲线车刀热变形曲线连续切削升温曲线连续切削升温曲线冷却曲线冷却曲线间断切削升温曲线间断切削升温曲线m）maxb0c0.63max 5级丝杠累积误差全长级丝杠

12、累积误差全长5m，可见热变形的严重性。，可见热变形的严重性。531.1 1040014.410()4.4()LLtmmm式中式中 L， D 长度和直径热变形量；长度和直径热变形量； L，D 工件原有长度和直径；工件原有长度和直径； 工件材料线膨胀系数；工件材料线膨胀系数； t 温升。温升。LLt（5-17）DDt（5-18）式中式中 X 变形挠度；变形挠度； L，S 工件原有长度和厚度；工件原有长度和厚度； 工件材料线膨胀系数；工件材料线膨胀系数； t 温升。温升。28LtXS（5-19）图图5-20 平面加工热变形平面加工热变形X/ 4LS221.120003886000.022 ()LtX

13、Smm此值已大于精密导轨平直度要求此值已大于精密导轨平直度要求结果：加工时上表面升温，工件向结果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。冷却后工件下凹。例：高例：高600mm，长，长2000mm的床身，的床身，若上表面温升为若上表面温升为3，则变形量为：，则变形量为：例例1：磨床油箱置于床身内，：磨床油箱置于床身内，其发热使导轨中凹其发热使导轨中凹处理：导轨下加回油槽处理：导轨下加回油槽图图5-21 平面磨床补偿油沟平面磨床补偿油沟例例2：立式平面磨床立柱前壁：立式平面磨床立柱前壁温度高，产生后倾。温度高，产生后倾。处理：采用热空气

14、加热立柱后处理：采用热空气加热立柱后壁图壁图5-22）。）。图图5-22 均衡立柱前后壁温度场均衡立柱前后壁温度场v 减少切削热和磨削热，粗、减少切削热和磨削热，粗、精加工分开。精加工分开。v 充分冷却和强制冷却。充分冷却和强制冷却。v 隔离热源。隔离热源。图图5-24 支承距影响热变形支承距影响热变形L1L2v 热对称结构热对称结构v 热补偿结构热补偿结构(图图5-23, 主轴热补偿主轴热补偿)。图图5-23 双端面磨床主轴热补偿双端面磨床主轴热补偿1主轴主轴 2壳体壳体 3过渡套筒过渡套筒热伸长方向热伸长方向v合理选择装配基准合理选择装配基准图图5-24）。）。v高速空运转；高速空运转；v

15、人为加热。人为加热。v 恒温；恒温；v 人体隔离。人体隔离。表面粗糙度表面粗糙度波度波度纹理方向纹理方向伤痕伤痕 (划痕、裂纹、砂眼等划痕、裂纹、砂眼等)表面质量表面质量表面几何形状精度表面几何形状精度表面物理、机械性能表面物理、机械性能表层加工硬化表层加工硬化表层金相组织变化表层金相组织变化表层残余应力表层残余应力图图5-25 加工质量包含的内容加工质量包含的内容 a波度波度 b表面粗糙度表面粗糙度 图图5-26 零件加工表面的粗糙度与波度零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZRam）初始磨损量初始磨损量重载荷重载荷轻载荷轻载荷图图5-27 表面粗糙度表面粗糙度与初始磨损量与初始磨损量表面粗糙

16、度值表面粗糙度值 耐疲劳性耐疲劳性；适当硬化可提高耐疲劳性。适当硬化可提高耐疲劳性。表面粗糙度值表面粗糙度值耐蚀性耐蚀性；表面压应力：有利于提高耐蚀性。表面压应力：有利于提高耐蚀性。表面粗糙度值表面粗糙度值 配合质量配合质量。表面粗糙度值表面粗糙度值耐磨性耐磨性，但有一定限度，但有一定限度(图图5-27）；）；纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好;适当硬化可提高耐磨性。适当硬化可提高耐磨性。图图5-28 车削时残留面积的高度车削时残留面积的高度rrfHctgctg28fHr影响因素：刀尖圆弧半径影响因素：刀尖圆弧半径rg，主偏角，主偏角k，副偏角，副偏角k ，

17、进给量进给量f。frHvfrb）Hfa）vfrr图图5-29切削切削45钢时切削速度与粗糙度关系钢时切削速度与粗糙度关系100120vm/min）020406080140表面粗糙度表面粗糙度Rzm）481216202428收缩系数收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度积屑瘤高度 hm） 0200400600hKsRz00.20.40.60.81.0磨损宽度磨损宽度VB(mm)100180260340硬度硬度(HV)50钢，钢，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z)图图5-31 后刀面磨损对冷硬影响后刀面磨损对冷硬影响图图5-30 f 和和 v 对冷硬的影响对冷硬

18、的影响硬度硬度(HV)0f (mm /r)0.20.40.60.8v =170(m/min)(m/min)100(m/min )50(m/min)100200300400工件材料：工件材料：45图图5-32 磨削深度对冷硬的影响磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削普通磨削高速磨削高速磨削图图5-34 f 对残余应力的影响对残余应力的影响工件：工件：45，切削条件：，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加，不加切削液切削液 残余应力残余应力(Gpa)0.2000.200100200300400距离表面深度距离表面深度(m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r仅讨论切削加工仅讨论切削加工图图5-33 vc 对残余应力的影响对残余应力的影响0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件工件：45切削条件：切削条件：ap=0.3mm, f=0.05mm/r, 不加切削液不加切削液050100150200距离表面深度距离表面深度(m)残余应力残余应力(Gpa)-0.2000.2