机械加工工艺 第5章 机械加工质量分析与提高生产率方法

1、【学习目的】1了解机械加工精度和机械加工表面质量的概念2知道影响加工精度的要素及其分析3知道影响表面质量的工艺要素4知道控制工艺路径5知道提高生产效率的方法5章机械加工质量分析和提高生产率的方法，1加工精度的基本概念加工精度是零配件加工后的几何残奥仪(尺寸形状位置)为图纸要求的理想几何残奥仪因此，机械加工精度包括尺寸精度、形状精度、位置精度3个项目。 在零配件的实际加工中不能绝对正确地制造零配件。 必然会产生与理想几何残奥仪表的偏差。 这个偏差加工误差。 实际生产中加工精度的高低用加工误差的大小表示。 加工精度按公差等级进行测量，等级值越小，精度越高。加工误差用数值表示，加工误差越小，加工精度

2、越高，随之加工成本也高，生产效率相对低。 为了保证零配件的加工精度，加工误差可以处于零件图所容许的偏差范围内。5.1.1机械加工精度简介、5.1机械加工精度、2影响加工精度的因素是机械加工中工作母机、夹具、手工工具和工件组成完整的机械加工系统，被称为工艺系统。 工艺系统各部分的工作母机、夹具、手工工具、工件有误差，统称为工艺系统误差。 因为它是原始存在的，所以也被称为原始误差。 过程系统误差在加工中必然影响工件与手工工具的相对运动关系，使工件产生加工误差. 因此，工艺系统的误差是影响工件加工精度的主要因素。 过程系统的误差分类如图5-1所示。 5.1.1机械加工精度的概要、5.1机械加工精度、

3、3机械加工精度的取得方法(1)尺寸精度的取得方法。 试切法。 通过尝试测量工件，调整手工工具，比较重新调整的方法，直到得到要求的尺寸。 调整法。 用试切割的工件尺寸、标准品或对刀仪摇滾乐等调整工具相对于工件定位基准的正确位置，在保持该正确位置的状态下加工一组工件的方法。 定尺手工工具。 加工中采用具有一定尺寸的手工工具或组合手工工具，保证被加工零配件尺寸精度的方法。 自动控制法。 通过由测量装置、进给装置、切削机构和操纵系统组成的控制加工系统，自动完成加工中的尺寸测量、手工工具调整和切削加工等工作，得到要求的尺寸精度的加工方法。 5.1.1机械加工精度的概要、5.1机械加工精度、(2)形状精度

4、的获得方法。 轨迹法。 该方法利用刀尖的运动轨迹形成所要求的表面几何形状。 尖端的运动轨迹由手工工具和工件的相对运动(即成形运动)决定。 用这种方法得到的形状精度取决于工作母机的成形运动精度。 成型法。 此方法使用成形手工工具代替常规手工工具来获得所需几何形状的表面。 工作母机的一部分成形运动被成形手工工具的刀刃所代替，工作母机的构造被简化，提高了生产效率。 由该方法得到的表面形状精度依赖于刃的形状精度和工作母机的成形运动的精度两者。 范成法。 零配件表面的几何形状在手工工具和工件的啮合运动中由刀尖的包络面形成。 因此，刀刃必须是被加工面的共轭曲面，必须在成形运动之间保持一定的速比关系，加工齿

5、轮经常使用这种方法。 5.1.1机械加工精度的概要、5.1机械加工精度、(3)位置精度的取得方法。 初级卡盘法。 工件上的几个加工表面是用一次夹头加工的。 多次卡盘法。 即，通过手工工具相对于工件的成形运动和工件定位基准面(或工件上次被夹持时的加工面)的位置关系来保证与零配件相关的表面间的位置精度。 多次卡盘法可以如下进行分类： a直接卡盘法。即直接在工作母机上安装工件的方法。 b找正装尺回形针。 即找到工件相对于手工工具切削成形运动的正确位置的方法。 c夹具卡盘法。 即，利用夹具决定工件与手工工具切削刃的成形运动之间的正确位置的方法。 5.1.1机械加工精度的概要、5.1机械加工精度、加工原

6、理误差为近似成形运动或使用近似刀刃轮廓加工产生的误差。 实际上，通常难以实现完全准确的加工原理，加工效率低，或者极其复杂而难以制造。 由于连接网络链接多，工作母机的传动链条中的误差增加，有时难以保证工作母机的刚性和制造精度。 用滚刀切削车内鲁特琴齿轮时，滚刀必须是车内鲁特琴蜗杆。 实际上，为了使滚刀制造变得容易，一般采用阿基米德的基本蜗杆杆或垂直剖面的基本蜗杆杆来代替进给鲁特琴蜗杆杆，加工原理产生误差，另外，滚刀刃数有限，因此，齿形根据各个齿的轨迹包络曲线此外，由于用组件铣刀研磨机成形铣削齿轮，每个组件以1定径套(826根)的铣刀研磨机分别加工一定齿数范围内的所有齿轮，各铣刀研磨机按照一种组件

7、的齿数设定修正进行制造，故在加工其它齿数的齿轮时，齿廓存在误差。 采用近似的成形运动和近似的刃轮廓会带来加工原理的误差，但由于能够简化工作母机和手工工具的构造，所以往往得到较高的加工精度。 因此，只要其误差不超过规定的精度要求，就可以广泛应用于生产。 5.1.2加工原理误差、5.1机械加工精度、工作母机误差起因于工作母机的制造误差、安装误差和磨损等。 由于工作母机误差项较多，重点分析了导轨导轨误差、主轴回转误差、传动链条误差等对工件加工精度影响较大的误差。 1导轨误差工作母机的导轨是工作母机各主要零配件的相对位置和运动的标准，其精度直接影响工作母机成形运动间的相互位置关系，是产生工件形状误差和

8、位置误差的主要因素之一。 轨道误差分为直线度误差、扭转误差、相互位置误差三种形式。 (1)机器导轨在水平面内的直线度误差。 如图5-2所示，导轨在y方向上产生直线度误差，车刀在被加工表面的法线方向上产生位移y，工件半径上的误差R=y。 对长外周进行车削时，会产生圆柱度误差。 5.1.3工作母机几何误差、5.1机械加工精度、(2)工作母机导轨在垂直面内的直线度误差。 如图5-3所示，导轨在垂直方向上有误差，使车刀在被加工面的切线方向上位移，引起半径上的误差r，该误差不怎么影响。 但是，平面磨床、龙门刨床、成形铣刀盘等会引起工件相对于磨刀石和手工工具的法线位移，该误差直接反映到被加工表面，引起形状

9、误差。 (3)轨道面间的平行度误差。 如图5-4所示，车床的两导轨的平行度误差(扭曲)使鞍部产生横向倾斜，使刀具产生位移，引起工件形状误差。 可以根据图示的几何关系求出Ry=(HB )。 由于是普通车床的H/B2/3、外圆磨机床HB，对加工精度的影响不容忽视。 由于沿着导轨的全长的不同，工件产生圆柱度误差。 5.1.3工作母机几何误差、5.1机械加工精度、(4)工作母机导轨对主轴轴心线平行度误差的影响。 用车床或磨床加工时，如果导轨和主轴轴心线不平行，就会引起工件的几何形状误差。 以NC车床为例，如果床导轨在水平面内弯曲(前凸)，则如图5-5(a )所示，工件有可能形成腰鼓形的圆柱度。 如果床

10、位导轨与主轴的轴心在水平面内不平行，则如图5-5(b )所示，工件可能会产生锥状的圆柱度误差。 如果床位导轨与主轴轴线在垂直面内不平行，则如图5-5(c )所示，工件可能会产生鞍形的圆柱度误差。工作母机的安装对导轨精度有很大影响，特别是在床较长的工作母机中，由于床的刚性差，在自重引起的地基沉降作用下，导轨经常变形。 因此，工作母机在安装时有良好的基础，严格进行测量和校准，并在使用期间定期进行校准和调整。 5.1.3工作母机的几何误差、5.1机械加工精度、图5-5工作母机的轨道误差对工件精度的影响、2主轴的旋转运动误差(1)主轴旋转误差定义。 主轴工作时，理论上其旋转轴心线在空间中的位置应该是稳

11、定的，实际上其位置总是有些变动。 主轴的旋转运动误差是指主轴的实际旋转轴线相对于其理论旋转轴线的片偏移值。 片偏移值越小，主轴的旋转精度越高，反而越低。 机床主轴的旋转运动误差分为径向线抖动、轴向的晃动、角度抖动三种基本形式，分别如图5-6(a )、(b )、(c )所示。 实际上主轴旋转误差的3个基本形式存在于云同步，如图5-6(d )所示。5.1.3工作母机几何误差、5.1机械加工精度、图5-6主轴旋转误差的基本形式、(2)主轴旋转误差产生的要素及主轴旋转误差对工件加工误差的影响。 影响主轴旋转精度的主要原因有主轴的制造误差、轴承间隙、配合轴承的零配件(主轴、壳体孔等)的精度、主轴系统的径

12、向不均匀刚性和热变形等。 主轴转速对主轴转速误差也有一定的影响。 产生主轴旋转误差的主要原因集中在主轴的轴承部，应该从主轴轴径的精度、轴承的精度、用于安装轴承的外壳孔的精度等方面探讨原因。 主轴径向线跳动的主要原因有：轴径和壳体孔圆度误差、轴承间隙、轴承轨道和滚动体的形状误差、轴和孔安装后的同轴度误差等。 加工时，主轴的径向线跳动会影响工件的真圆度误差。 主轴轴方向产生晃动的主要原因有推力滑动轴承端面轨道的跳动和轴承间隙等。 加工时主轴轴方向的晃动会影响工件的端面平面度误差。 在螺纹加工时影响音调误差。 主轴摆动的主要原因是前后轴承、前后轴承孔和前后轴径的同轴度误差。 主轴角度晃动时，工件会产

13、生真圆度误差和圆柱度误差。 镗削加工时，主轴晃动时，工件会产生椭圆形的真圆度误差。 如上所述，主轴的旋转精度影响工件加工表面的形状误差，特别是在精加工时，机床主轴的旋转误差成为影响工件真圆度的主要原因。 5.1.3工作母机几何误差、5.1机械加工精度、(3)提高主轴回转精度的措施。 提高机床主轴的旋转精度。 主要通过提高工作母机主轴组件的设定、制造和安装精度，采用高精度的轴承等方法提高工作母机精度。 避免主轴的旋转精度对加工的影响。 采用工件的定位基准或由被加工面本身与夹具定位要素之间构成的旋转副，实现工件相对于手工工具的旋转，避免主轴的旋转精度对加工的影响。 磨削外周时，磨床采用死中心定位，

14、回转运动的标准为2个中心孔，避免了机床主轴回转误差对工件加工的影响。 5.1.3工作母机的几何误差、5.1机械加工精度、3传动链条误差工作母机的切削运动是通过某个传动机构实现的。 这些个的传动机构由于自身的制造误差、安装误差和工作中的磨损，必然引起传动链条两端部件间的相对运动误差，这种误差称为传动链条误差。 工作母机的传动误差对切削运动的精准性有很大影响。 特别是在切削运动需要严格的内在联系的情况下，成为影响加工精度的主要原因。 例如订书机、订书机、车床上车螺钉等。 图5-7表示车削螺纹传动链条的示意图。 汽车开螺纹时，工件旋转一周的手工工具必须使一个导程直线移动，传动时必须使S=iT(S为工

15、件导程，t为螺纹导程，I为齿轮比)保持一定值。 但是，在实际的车削中，机床螺纹导程和各齿轮的制造误差必然引起工件螺纹导程的误差。5.1.3工作母机的几何误差、5.1机械加工精度、传动链条误差是由于工作母机传动链条中各传动要素(齿轮、分度蜗轮副、螺旋螺母柱副等)存在制造误差和装配误差，使用中磨损也产生传动链条误差。 各传动要素在传动链条中的位置不同，其影响程度不同。 传动误差的间谐波分析可以判断误差来自传动链条的哪个传动因素，从其大小可以找到影响传动链条误差的主要环节。 降低传动链条误差的措施主要是采用减少传动链条中的零配件数、缩短传动链条、提高传动部件的制造、组装精度、消除间隙的误差补偿系统等

16、。5.1.3工作母机几何误差、5.1机械加工精度、切削加工时由工作母机、手工工具、夹具和工件组成的工艺系统，由于切削力、夹紧力及重力等的作用，产生相应的变形， 使手工工具和工件静态调整的相互位置和切削时的成形运动的正确几何关系发生变化的1现场加工中，工艺系统受力变形的现象是在车床加工细长轴时，在纵向进给过程中切屑的厚度发生变化，中间切屑层越薄，加工的工件越出现两个细中间粗腰鼓形的误差。 之所以容易从力学知识来判断，是因为由于工件的刚性太差，当受到切削力时会向与刀具相反的方向变形，中间变形，实际的后刀量也越小，产生躯干膨胀的加工误差。 有时，工件刚性好，切削力不会使工件变形，但也产生了“使用刀”

17、的现象。 例如，在二手车的床上加工刚性高的工件时，经过粗糙的车后，加工时，不仅不横向进给刀架，相反地稍微转动一下，加工时为了满足加工精度和表面粗度的要求，必须切割非常薄的层。 不这样做的话，实际的内刃量可能会过多。 如图5-8所示。 5.1.4工艺系统受力变形引起的误差和改善措施，5.1由于上述细长轴的弹性变形构想，导致该现象发生的原因是，由于使用日长，工艺系统中与工作母机加工尺寸有关的部分(如刀头信息帧、末端信息帧或刀架)作用于切削力粗车完成后，受力恢复变形，此时使刀架稍微后退后再送，刀尖也会切到金属。 因此，在此情况下控制加工精度的问题实际上主要是控制过程系统受到的力变形的问题。 5.1.

18、4工艺系统受力变形引起的误差和改善措施，5.1机械加工精度，2工艺系统刚性工艺系统的变形通常为弹性变形。 工艺系统抵抗变形的能力越大，工件的加工精度越高。 工艺系统对变形的抵抗力用刚性来描述。 工艺系统刚性是指，作用于工件加工面法线方向的切削分力Fn、与切削力对工件的手工工具在其方向的位移之比，即k=Fn/y式中： k静刚性(N/mm )； Fn法向力(n) y垂直位移(mm )。 工艺系统的刚度必须包括工作母机刚度、手工工具刚度、夹具刚度和工件刚度。 因此，在求出工艺系统的刚性之前，需要分别求出工作母机、手工工具、夹具、工件的刚性。 但是，零配件刚度问题比较复杂，从来没有合适的修正方法，只能用实验方法测定。 5.1.4工艺系统因力变形而产生的误差和改善措施、5.1机械加工精度、3工艺系统因力变形对加工精度的影响(1)因切削力作用点位置的变化而产生的加工误差。 切削过程中工艺系统的刚度随切削力作用点的位置而变化，直接影响工件的几何形状误差。例如，在车床用两顶尖夹持刚性好的工件的情况下，主要考虑工件和夹具的变形，加工后的工件呈两端粗、中间细的菱形，而在用两顶尖夹持细长的轴的情况下，工件的刚性最小、变形最大，加工后的工件呈桶形。 (2)因切削力的变化而产生的加工误差。 在切削加工中，由于工件空白对照加工的质量和材料的硬度的不同，导致切削力的变化，切削和工艺系统受力变形的