机制工艺07.ppt

1、第七章 机械加工精度,机械零件的加工质量直接影响整台机器的工作性能和寿命。随着科学技术的发展，对机器性能的要求不断提高，因而要求机器零件具有更高的加工精度。深入了解和研究影响加工精度的因素及其规律，以及采用何种工艺措施确保零件的加工精度，是工艺人员的首要任务，也是机械制造学要研究的重要课题。和方法。,第一节 机械加工精度的概念,一、加工精度与加工误差 加工精度 是指零件经加工后的实际几何参数与理想零件几何参数的相符合程度。 加工误差 零件加工后实际几何参数与理想零件几何参数的不符合程度。 加工误差大，则加工精度低；反之，加工误差小，则加工精度高。实际生产中，加工精度的高低就是用加工误差的大小来

2、评定的。,第七章 机械加工精度,零件的几何参数包括几何形状、尺寸和相互位置于个方面，故加工精度包括以下三方面： 几何形状精度 指加工表面本身的实际形状与理想表面形状之间相符合的程度，它们之间的差值称为形状误差。如圆度、圆柱度、平面度、直线度等。 尺寸精度 指加工表面与其基准间的实际尺寸与理想尺寸相符合的程度，它们之间的差值称为尺寸误差。 相互位置精度 指加工表面之间的实际位置与表面之间的理想位置相符合的程度，它们之间的差值称为位置误差。如两平面间的平行度、两平面间的垂直度、两圆柱面间的同轴度等。 二、研究加工精度的方法 因素分析法 通过分析计算、建模、实验或实测的方法，研究某一因素对加工精度的

3、影响。 统计分析法 用数理统计原理，分析质量特性的分布状况、工序能力和利用质量控制图实施工序控制等。,第七章 机械加工精度,第二节 影响加工精度的因素,在机械加工中，零件的尺寸、几何形状和表而相对位置的形成，主要取决于工件和刀具在切削成形运动过程中相互位置的正确程度。工件和刀具是安装在夹具和机床上的，并受到夹具和机床的约束。因此，在切削加工时，机床夹具刀具工件就构成了一个完整的系统，称之为机械加工工艺系统（简称工艺系统）。加工精度问题也就牵涉到整个工艺系统的精度问题，切削加工过程中工艺系统各环节，如果偏离了正确的相对位置，就会产生加工误差。 根据产生加工误差的各个环节，可将加工误差分为加工前的

4、误差、加工过程中的误差和加工后的误差三类，如下图所示。,第七章 机械加工精度,第七章 机械加工精度,第七章 机械加工精度,一、原理误差 原理误差 是指采用近似的加工方法而产生的误差。近似加工法最常遇到的是采用近似的加工成形运动或近似的刀具轮廓两种形式。 在某些比较复杂的型面加工时，为了简化机床设备或刀的结构，常采用近似的加工方法。如滚切加工渐开线的齿形时，为了便于工具制造，采用阿基米德蜗杆来代替渐开线基本蜗杆的滚刀，就产生了原理误差。另外，滚刀需要切削而开刃，因而加工后不是光滑的渐开线齿形曲线，而是为折线所代替。在用离散点定义的复杂曲面加工时，常采用回转面族的包络面去逼近原曲面，这也要产生原理

5、误差。另外，在数控机床上，常用直线或圆弧插补来加工轮廓曲线和曲面，也有原理误差存在。 二、工艺系统的几何误差 工艺系统的几何误差包括机床的误差、夹具的误差和刀具的误差，夹具和刀具的误差在前面章节已作讨论，在此主要介绍机床的误差。,第七章 机械加工精度,被加工工件的精度，在很大程度上取决于机床的误差。机床误差包括机床的制造误差、磨损和安装误差。在机床的这些误差中，对加工精度影响较大的有主轴回转误差、导轨的导向误差以及传动链的误差。 1. 主轴回转误差 （1）主轴回转误差的概念 机床主轴用以安装工件或刀具，其回转精度要影响工件在加工时的表面形状、表面间的位置关系精度，以及表面的粗精度等，是机床精度

6、的重要指标之一。 主轴的回转误差 是指主轴实际的回转轴线相对于理论轴线的漂移。 主轴回转误差一般可分三种基本形式，即径向跳动、角度摆动和轴向窜动,如下图所示。 主轴的径向回转误差是径向跳动和角度摆动的合成，轴向回转误差是轴向窜动和角度摆动的合成。不同的加工方法，对不同的回转误差所造成的影响也是不同的。,第七章 机械加工精度,由于主轴存在着轴颈的圆度误差、轴颈间的同轴度误差，以及轴承的各种误差（如上图所示）、轴承孔的误差、主轴箱上轴承孔间的同轴度误差等等，这些误差都要影响主轴轴心线的位置。在加工过程中，还要受到各种力及温度等多种因素的影响，造成主轴回转轴线的空间位置发生周期性的变化，从而使轴线漂

7、移。 （2）主轴回转误差对加工精度的影响 不同类型的主轴回转误差对加工精度的影响是不同的，同一类型的回转误差在不同的加工方式中的影响也不同。如在加工外圆或内孔时，径向回转误差要引起圆度和圆柱度误差，而径向回转误差对加工端面则无直接影响。轴向回转误差对加工内孔或外圆影响不大，而对端面垂直度则有很大的影响，如下图所示。在车螺纹时，它使螺旋面的导程产生周期误差。 由以上分析可知，对圆柱面及端面等的精密加工，需要采用能稳定主轴回转的轴系。因此，静压轴承等结构，在精密机床上的应用日益增多。对于采用滚动轴承的主轴，则需要保持适当的预载荷以稳定主轴的回转。,第七章 机械加工精度,第七章 机械加工精度,第七章

8、 机械加工精度,2. 导轨误差 导轨是机床各部件运动的基准，机床的直线运动精度主要取决于机床导轨的精度。机床导轨的误差包括：导轨在垂直平面内的直线度误差、导轨在水平平面内的直线度误差、前后导轨的平行度误差和导轨与主轴回转轴线的平行度误差。 （1）导轨在垂直面内的直线度误差 如图所示，为导轨在垂直平面内的直线度误差，引起刀具有Z的位移，从而引起加工误差R。,第七章 机械加工精度,图可知：,忽略高次项误差，得：,从上式可以看出，由导轨在垂直平面内的直线度误差而引起的加工误差是很小的，在一般精度要求下可以忽略不计，因此，称这个方向的误差为非敏感方向的误差，对加工精度影响较小。不同的机床其误差敏感方向

9、是不同的。 （2）导轨在水平面内的直线度误差 下图为导轨在垂直平面内的直线度误差，引起刀具有Z的位移，从而引起加工误差R。,第七章 机械加工工艺规程的制定,由图可知，R=Z，即导轨在这个方向的直线度误差，会1:1地反映在工件上。所以这个方向被称为误差敏感方向。,第七章 机械加工精度,（3）前后导轨的平行度误差（扭曲） 导轨间的不平行度（扭曲）误差，也要影响刀架和工件之间的相对位置，从而引起加工误差，如图所示。,设导轨的扭曲量为Z，由之而引起车刀在水平方向的位移量为Y，则：,第七章 机械加工精度,一般车床H/B约为2/3，外圆磨床H/B约为1。可见这项误差是不可忽略的。 （4）导轨与主轴回转轴线

10、的平行度误差 导轨与主轴间的不平行度误差如果出现在水平面内，加工内外圆时会产生锥度；如果出现在垂直面内，加工内外圆时会产生回转双曲面，如图所示。,第七章 机械加工精度,3. 传动链误差 在某些加工过程中，成形运动有一定的速度关系，如齿轮的齿形与螺纹等表面的加工。刀具和工件之间的运动关系，通常是通过机床的传动链来保证的。因此，传动系统的误差将对工件的加工误差产生直接的影响。 （1）机床的传动误差 机床传动链的误差一般用传动链末端件的转角误差来衡量的。各传动链的转角误差可用下式表示：,式中：j第j个传动元件的转角误差，rad； j第j个传动元件转角误差的幅值，rad； j第j个传动元件的角速度，r

11、ad/s； j第j个传动元件转角误差的初始角，rad。 从上式可以看出，转角误差是一种周期性的误差。,第七章 机械加工精度,（2）误差传递规律 设第一个传动元件的转角误差为1，则第一个元件传递到末端件的转角误差为：,同理第二个元件传到末端件的转角误差为：,通式为：,所以整个传动链的转角误差为：,式中：uj第j级传动比；kj第j个元件的误差传递系数。 从式中可知，当k1时，为升速传动，使误差扩大；当k1时，为降速传动，使误差缩小。,第七章 机械加工精度,三、工艺系统受力变形 在机械加工过程中，由机床夹具刀具工件组成的工艺系统，在切削力、夹紧力、重力和惯性力等作用下，要产生变形。从而改变了已调整好

12、的刀具和工件的相对位置，因而导致加工误差的产生，并破坏了切削过程的稳定性，如下图所示。 工艺系统在受力后的变形，取决于系统的刚度。 1. 工艺系统刚度 在机械加工中，工艺系统的刚度是加工表面法向所受的外力与该方向上位移的比值，即：,工艺系统的刚度，是以系统中各个环节的刚度来进行计算的。,第七章 机械加工精度,第七章 机械加工精度,工艺系统的刚度，与系统中各个环节的刚度的关系为：,（1）零件的刚度 形状规则、简单的零件的刚度，可用相关的材料力学公式进行计算。例如，上图所示的细长轴，可按简支梁进行计算：,式中：L工件长度；x刀尖距左顶尖的距离；E工件材料的弹性模量，N/mm2； I工件截面的惯性矩

13、，mm4。 当用三瓜卡盘装夹时，可按悬臂梁进行计算：,（3）刀具的刚度 对于车（或镗）孔时 ，刀具的变形可简化为悬臂梁，计算公式同上。对外圆车刀，可按压杆进行计算：,第七章 机械加工精度,式中：l刀具的悬伸长度；A刀杆的截面面积。 （4）机床的刚度 单个零件的刚度，一般可由材料力学近似计算求得，而由多个零件组成的机床部件，受力变形的情况远不同于单个零件，其刚度计算十分复杂，一般采用实验方法测定。在静载荷条件下测定的机床刚度为静刚度，在加工（或模拟加工）条件下测得的刚度为机床的动刚度。 机床的静刚度实验 机床静刚度实验及实验结果如下图所示。,第七章 机械加工精度,第七章 机械加工精度,静刚度曲线

14、 从实验获得的机床静刚度曲线，可以看出该曲线具有如下特点： 力与变形呈非线性关系，这反映了部件的变形不纯粹是弹性变形。 加载曲线与卸载曲线不重合，表明在加载和卸载的过程中有能量的损失，两曲线包容的面积即代表了在加载和卸载的循环中所损失的能量，也就是克服部件内零件之间的摩擦力和接触面塑性变形所作的功。 加载曲线与卸载曲线不封闭，说明部件的变形不单是弹性变形、而且还产生了不可恢复的塑性变形（残余变形）。经反复加、卸载后，残余变形消除，两曲线封闭。 部件的实际刚度远比按整体所估计的要小且不是一个常数。这是因为机床的刚度受很多因素的影响，如机床部件中的薄弱环节、零部件间的间隙、接触刚度的影响等，如下图

15、所示。,第七章 机械加工精度,第七章 机械加工精度,2. 工艺系统受力对加工精度的影响 （1）切削力作用点位量变化产生的加工误差 切削过程中，工艺系统的刚度会随着切削力作用点位置的变化而变化，因而工艺系统的变形也是随之变化的。现以在车床顶尖间加工光轴为例进行分析，如下图所示。,根据力和力矩平衡方程，不难求出机床头架、尾架和刀架处所受的力为：,有限元分析结果,第七章 机械加工精度,根据刚度公式，可导出机床头架、尾架和刀架处的变形分别为：,工件的变形前面已作过计算，且车刀短而粗，其变形可忽略不记，则x处的总变形量为：,从上式可以看出，加工时工艺系统的变形Y是刀尖位置x的函数，加工出的工件就会产生圆

16、柱度的误差。,第七章 机械加工精度,（2）切削力大小变化产生的加工误差 切削过程中，由于毛坯加工余量和材料硬度的变化，引起切削力和工艺系统受力变形的变化，因而产生了工件的尺寸误差和形状误差。这种切削力的变化引起的工件加工误差，可用误差复映规律进行分析。 误差复映规律 如图所示，切削一个有椭圆形圆度误差的工件毛坯，车削前将车刀调整到图中虚线所示位置。在工件每一转中，由于切削深度的变化，切削力从最大变到最小，作用于工艺系统上，工艺系统的变形也从最大变到最小，加工后的工件具有与毛坯相应的形状误差，这个规律就是毛坯误差的复映规律。,第七章 机械加工精度,设毛坯最大背吃刀量为ap1，最小背吃刀量为ap2

17、，则毛坯误差m ap1 ap2。根据金属切削原理，在一定的切削条件下，切削力与背吃刀量成正比，即：,工艺系统变形为：,则工件误差为：,误差复映系数。 一般机床的刚度K都比较大，所以误差复映系数是一个很小的数。也就是说，复映误差要大大小于毛坯的误差。上述公式也说明，通过多次加工就可以逐步消除复映误差的影响。,第七章 机械加工精度,四、工艺系统受热变形 在机械加工过程中，由于各种热源的影响，工艺系统将因温度的升高而产生复杂的变形，从而改变了工艺系统中各部件之间的相对位置，破坏了工件与刀具之间相对运动的准确性，就会产生加工误差。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，

18、因而严重地影响了工件的加工精度。随着现代高效、高精度和自动化加工技术的发展，工艺系统热变形问题已越来越显得突出，已成为机械加工技术进一步发展的一个重要研究课题，日益受到各方面的重视。 工艺系统的热源包括：切削热、摩擦热、派生热源和外部热源。切削热是由切削过程中切削层金属的弹、塑性变形以及刀具、工件和切屑之间的摩擦所消耗的能量转化而成。切削热与被加工的材料性质、刀具几何参数、切削用量和切削时的冷却润滑条件等有关。摩擦热主要是传动系统中轴承、齿轮副、摩擦离合器、溜板和导轨、丝杠和螺母等运动副的磨擦热，以及电机、液压马达等动力源的损耗热。尽管摩擦热比切削热少。但由于摩擦热产生在工艺系统的局部，会引起

19、局部温升而造成变形。部分切削热由切削液、切屑带起，它们落到床身上，再把热量传到床身，形成派生热源，派生热源对机床热变形也有很大影响。外部热源主要是周围环境温度通过空气对流以及其它环境热源如日光、照明灯具、加热器等通过幅射传到工艺系统的热量。,第七章 机械加工精度,1. 机床热变形对加工精度的影响 由于各类机床的结构和工作条件相差很大，所以引起机床热变形的热源和变形形式也是多种多样的，如下图所示。变形如果是在误差敏感方向，则对加工精度的影响较大。,2. 刀具热变形对加工精度的影响 刀具热变形的主要热源是切削热。加工中产生的切削热大约有10左右传给了刀具。由于切削区温度高，刀体的质量又轻，热容量小

20、，因此切削时刀具的温升较大，有时可达1000以上，引起的热变形也很大，如图所示。,第七章 机械加工精度,第七章 机械加工精度,3.工件热变形对加工精度的影响 工件热变形的热源主要是切削热。一些精密零件和大型零件加工中，周围环境温度和局部受到日光等外部热源的辐射热，也不容忽视。工件热变形可归纳为均匀受热和非均匀受热两种情况。 一些形状简单的短轴类、套类和盘类零件的内外圆加工时、切削热比较均匀地传入工件，可近似地看作为均匀受热。均匀受热量可根据温升估算其热变形：,第七章 机械加工精度,五.工件内应力引起的变形 内应力是在没有外加载荷的情况下，存在于工件材料内部的应力。 工件经过冷、热加工后，一般都

21、要产生内应力。如毛坯的锻、铸、淬火热处理、冷校正和切削加工等，都会在不同程度上使工件产生内应力。在通常情况下，内应力处于平衡状态，对具有内应力的工件进行切削加工时，工件内应力原有的平衡状态遭到破坏，在重新平衡时，将使工件产生变形，如图所示。,第七章 机械加工精度,第二节 影响加工精度的因素,一、加工误差的分类 加工误差可以按其性质不同分为:系统误差和随机误差。加工误差的性质不同，其统计学规律不同解决的途径也不同。 1. 系统误差 在连续加工一批零件时，加工误差的大小 和方向基本上保持不变，称为常值系统误差。 如果加工误差是按零件的加工次序作有规律变化的，则称为变值系统误差。 2. 随机误差 在

22、连续加工一批零件中，出现的误差如果大小和方向是不规则变化着的，则称为随机误差。,第七章 机械加工精度,二、分布曲线法 采用调整法大批量加工的一批零件中，随机抽取足够数量的工件（称作样本），进行加工尺寸X的测量、记录。以零件的尺寸为横坐标，频数或频率密度为纵坐标可纵出等宽直方图。再连接直方图中每一直方宽度的中点（组中值）得到一条折线，即实际分布曲线。 1. 正态分布曲线方程 实践和理论分析表明，当用调整法加工一批总数极多的而且这些误差因素中又都没有任何优势的倾向进，其分布是服从正态分布曲线（高斯曲线）。,第七章 机械加工精度,2. 工艺能力系统 在实际生产中，常以工艺能力系数Cp来衡量工艺能力：

23、 工艺能力系数说明了工艺能力满足公差要求的程度。 特级 Cp 1.67 工艺能力过高 一级 1.67 Cp 1.33 工艺能力足够 二级 1.33 Cp 1.00 工艺能力勉强 三级 1.00 Cp 0.67 工艺能力不足 四级 0.67 Cp 工艺能力不行,第七章 机械加工精度,三、点图法 以零件加工的先后顺序作出尺寸的变化图，揭示整个加工过程误差变化的全貌。以加工零件顺序号为横坐标，零件加工后测量所得尺寸为纵坐标，画成点图。,尺寸偏差,工件序号,第七章 机械加工精度,一、减少误差法 在查明产生加工误差的主要因素后，可采取相应的措施直接消除或减少原始误差。例如在加工细长轴时工件刚度较差，容易

24、产生弯曲变形和振动，严重影响工件的加工精度。采用中心架或跟刀架后，则可增加工件的刚度，提高加工精度，如图所示。,第四节 提高加工精度的途径,第七章 机械加工精度,二、误差补偿法 误差补偿就是人为地造成一种新的误差去抵消原有的原始误差，或利用原有的一种误差去补偿另一种误差，从而达到减少加工误差的目的。例如，利用使龙门铣床横梁产生相反的须变形以抵消铣头自重引起的挠曲变形，如图所示。再譬如，利用螺纹加工校正装置，提高螺纹加工的精度，如图所示。,第七章 机械加工精度,三、误差分组法 在成批或大量生产中，对于配合精度要求很高的偶件（如轴和孔），由于制造公差太小，当采用提高加工精度的措施仍不能经济地保证配合精度时，则可采用误差分组的方法。其具体做法是将工件按经济加工精度制造（即扩大制造公差），加工后逐件测量，并按尺寸大小分组，装配时按对应组进行配合，从而达到规定的配合精度。,第七章 机械加工精度,四、误差转移法 误差转移就是将原始误差转移到不