机械制造技术基础第19讲(2015年)

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1、第二节 影响机械加工精度的因素,一、工艺系统的几何误差 二、装夹误差 三、工艺系统受力变形引起的误差,4-13 在三台车床上分别加工三批工件的外圆表面，加工后经测量，三批工件分别产生了如图4-76所示的形状误差，试分析产生上述形状误差的主要原因。,图4-76 习题4-13图,四、工艺系统受热变形引起的误差 工艺系统在热源作用下产生的局部变形，会破坏刀具与工件的正确位置关系，使工件产生加工误差。 热变形对加工精度影响较大，特别是在精密加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差通常会占到工件加工总误差的40%70%。,（一） 工艺系统的热源 （1） 切削热 切削加工过程中，消耗能量的绝大部分转化为切

2、削热。切削热将传入工件、刀具、切屑和周围介质，它是工艺系统中工件和刀具热变形的主要热源。 车削时传给工件的热量占总切削热的30%左右；铣削、刨削时小于30%；钻削和镗削时往往超过50%；磨削有时多达80 %以上。,（2） 摩擦热和动力装置能量损耗发出的热 机床运动部件为克服摩擦所做机械功转变的热量,机床动力装置工作时因能量损耗发出的热，它们是机床热变形的主要热源。 （3） 外部热源 主要是指周围环境温度通过空气对流以及日光、照明、取暖设备等热源通过辐射传到工艺系统的热量。其对机床热变形的影响也不可忽视。,在工作状态下，工艺系统一方面经受各种热源的作用使温度逐渐升高，另一方面同时通过各种传热方式

3、向周围介质散发热量。 当工件、刀具和机床的温度达到某一数值时，单位时间内传出和传入的热量接近相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。在热平衡状态下，工艺系统各部分的温度保持在某一相对固定的数值上，工艺系统的热变形将趋于相对稳定。,（二）工艺系统热变形对加工精度的影响 1. 工件热变形对加工精度的影响 机械加工过程中，使工件产生热变形的热源主要是切削热。对于精密零件，环境温度变化和日光、取暖设备等外部热源对工艺系统的局部辐射等也不容忽视。,车削或磨削轴类工件外圆时，可近似看成是均匀受热的情况。工件均匀受热影响工件的尺寸精度，其变形量L（mm）可按下式估算：,（4-19）,式中 L工件变形方向的长度（

4、或直径）（mm）； 工件的热膨胀系数（1/C ） ； 工件的平均温升（C）。,对于精密加工，热变形是一个不容忽视的重要问题。例如在磨削400mm长丝杠螺纹时，如被磨丝杠的温度比机床母丝杠高1C，则被磨丝杠将伸长 L=1.1710-54001 = 0.0047 mm 5 级丝杠的螺距累积误差在400mm长度上，不允许超过5m，由此可见，热变形对精密加工件的影响是很大的。,磨削加工薄片类工件的平面，如图4 -30所示，就属于不均匀受热的情况（常在铣、刨、磨平面时出现）。,图4-30 不均匀受热引起的热变形,由图知，工件的凸起量 （420） 由式（4 -20）可知，工件凸起量f 与工件长度 L 的平

5、方成正比，且工件的厚度H愈小（在一定范围内），工件的凸起量f 就越大。,2. 刀具热变形对加工精度的影响 使刀具产生热变形的热源主要是切削热。 切削热传入刀具的比例虽然不大(车削时约为5%左右)，但由于刀具体积小，热容量小，所以刀具切削部分的温升仍较高。例如，车削时，高速钢车刀刀刃部位的温度可达600C，刀具的热伸长量可达0.030.05mm；硬质合金刀具刀刃部位的温度可达1000C。,图4 -31为车刀的热变形曲线。 实际加工中，刀具往往作间断切削，有短暂的冷却时间，热变形量相对较小。,断续切削使车刀达到热平衡所需时间比连续切削时车刀达到热平衡所需时间要短。,图4-31 车刀的热变形曲线,粗

6、加工时，刀具热变形对加工精度的影响一般可以忽略不计；精加工尤其是精密加工时，刀具热变形对加工精度的影响较为显著，它会使加工表面产生尺寸误差或形状误差。 3. 机床热变形对加工精度的影响 使机床产生热变形的热源主要是摩擦热、传动热和外界热源传入的热量。,由于机床内部热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件的温升是各不相同的，机床零部件间会产生不均匀的变形，这就破坏了机床各部件原有的相互位置关系。 不同类型的机床，其主要热源各不相同，热变形对加工精度的影响也不相同。,车床、铣床和钻、镗类机床的主要热源来自主轴箱（图4 32）。,图4-32 车床的热变形示意图,磨床通常都有液压传动系统和高速回

7、转的磨头，并使用大量冷却液，它们都是磨床的主要热源。,图4-33 外圆磨床的热变形示意图 1-床身 2-导轨 3-头架 4-砂轮 5-砂轮架 6-螺母,立式铣床受热变形形态,导轨磨床受热变形形态,（三） 减小工艺系统热变形的途径 1. 减少发热量 分离热源，改善摩擦条件，加强润滑，采取隔热措施（隔热罩、风扇等）。通过控制切削用量和刀具几何参数，可减少切削热。 2. 改善散热条件 加工时采用切削液；使用风扇、散热片，利用循环润滑冷却系统，还可采用强制冷却等方法。,3. 均衡温度场 如图4-34所示为平面磨床所采用的均衡温度场措施的示意图。,图4-34 平面磨床床身底部用回油加温,油箱,油沟,4.

8、 改进机床结构 （如图4 -35a、b，图4 -36）。,图4-35 车床主轴箱定位面位置对热变形方向的影响,5. 加快温度场平衡 加工前对机床进行高速空运转，使其在较短时间内尽快进入热平衡状态。 6. 控制环境温度 精密加工、计量和装配都应在恒温条件下进行。,图4-36 双端面磨床主轴结构,五、工件内应力重新分布引起的误差 （一） 内应力及其对加工精度的影响 1. 内应力 内应力亦称残余应力，是指在没有外力作用下或去除外力作用后残留在工件内部的应力。 它是由于金属内部宏观的或微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的。,工件一旦有内应力产生，就会使工件处于一种高能位不稳定的平衡状态，它本能地要

9、向低能位稳定的平衡状态转化，转化速度或快或慢，但迟早总是要转化的，转化的速度取决于外界条件。 当带有内应力的工件受到力或热的作用而失去原有的平衡时，内应力就将重新分布以达到新的平衡。在内应力变化的过程中，零件产生相应的变形，从而使工件丧失原有的加工精度。,2. 内应力产生的原因 （1） 热加工中产生的内应力 在铸造、锻压、焊接和热处理等加工中，由于工件壁厚不均、冷却不均或金相组织转变等原因，都会使工件产生,内应力。现以铸造如图4 -37a所示的内外壁厚相差较大的铸件说明。,图4-37a） 铸件内应力的形成,如果在有内应力的工件上A处开一缺口，则工件的内应力将重新分布并达到新的平衡状态。在内应力

10、重新分布过程中，工件将伴有变形产生。,图4-37 铸件内应力的形成及变形,（2）冷校直产生的内应力,图4-38 冷校直引起的内应力,冷校直工艺方法是指常温下，在一些长棒料或细长零件弯曲的反方向施加外力，使工件产生塑性变形，以达到校直的目的。,但在冷校直后的工件内部却产生了附加内应力。,图4-38 冷校直引起的内应力,当应力平衡状态一旦被破坏之后（或由于在轴上切掉一层材料，或由于其它外界条件变化），工件内部的应力又会重新分布而使工件还会朝原来的弯曲方向变回去（参见图4 40）。,图4-40 内应力重新分布引起的工件变形,3. 内应力重新分布引起的变形 如果工件内部存在拉、压平衡的内应力，经过加工

11、后，原有的内应力平衡状态受到破坏，工件就将通过变形重新建立新的应力平衡。,图4-39 铸件加工由内应力重新分布引起的工件变形,（二） 减小或消除内应力变形误差的途径 1. 合理设计零件结构 应尽量做到壁厚均匀、结构对称，以减小内应力的产生。 2. 合理安排工艺过程 工件中如有内应力产生,必然会有变形发生，应使内应力重新分布引起的变形能在进行机械加工之前或在粗加工阶段尽早完成，不让内应力变形发生在精加工阶段或精加工之后。,铸件、锻件、焊接件在进入机械加工之前，应安排退火、回火等热处理工序；对箱体、床身等重要零件，在粗加工之后尚需适当安排时效工序；工件上一些重要表面的粗、精加工工序宜分阶段安排，使

12、工件在粗加工之后能有更多的时间通过变形使内应力重新分布，待工件充分变形之后再进行精加工，以减小内应力对加工精度的影响。,六、其它误差 1. 原理误差 原理误差是指由于采用了近似的成形运动、近似的刀刃形状等原因而产生的加工误差。 利用成形法铣削加工直齿圆柱齿轮时，理论上对模数相同而齿数不同的齿轮都要设计专用的齿轮铣刀，但在实际生产中，将齿轮的常用齿数进行分组，每一组齿轮都用同一把铣刀加工，这样就不可避免产生齿形误差。,附表 一组8把模数铣刀所铣的齿轮齿数,机械加工中，采用近似的成形运动或近似的刀刃形状进行加工，虽然会由此产生一定的原理误差，但却可以简化机床结构和减少刀具数，只要加工误差能够控制在

13、允许的制造公差范围内，就可采用近似加工方法。,2. 调整误差 在机械加工过程中，有许多调整工作要做，例如，调整夹具在机床上的位置，调整刀具相对于工件的位置等。由于调整不准确产生的误差，称为调整误差。 工艺系统的调整有试切法调整和调整法调整两类基本方式，产生调整误差的原因各不相同。 引起调整误差的因素很多，例如调整时所用刻度盘、样板或样件等的制造误差等。,3. 测量误差 测量误差是工件的测量尺寸与实际尺寸的差值。一定的加工精度要求应采用相应的测量方法和测量仪器。 产生测量误差的原因主要有：量具量仪本身的制造误差及磨损，测量过程中环境温度的影响，测量者的测量读数误差，测量者施力不当引起量具量仪的变

14、形等。,加工前,加工中,加工后,机床误差,刀具误差,夹具误差,装夹误差,原理误差,调整误差,机床、刀具、夹具磨损,工艺系统受力变形,工艺系统受热变形,工件内应力引起变形,测量误差,工艺系统的误差（原始误差）,七、提高加工精度的途径 为保证和提高机械加工精度，首先要找出产生加工误差的主要因素，然后采取相应的工艺措施以减少或控制这些因素的影响。 （1） 减小和消除原始误差 这是生产中应用较广的一种基本方法。它是在查明产生加工误差的主要因素后，设法对其直接进行消除或减弱。,（2）转移原始误差 误差转移法就是把原始误差从误差敏感方向转移到误差的非敏感方向。,图4-41 立轴转塔车床刀架转位误差的转移,

15、（3）均分原始误差 误差分组法是把毛坯或上工序加工的工件尺寸经测量按大小分为 n 组，每组工件的尺寸误差就缩减为原来的1/n。然后按各组的误差范围分别调整刀具相对于工件的位置，使整批工件的尺寸分散范围大大缩小。,（4）采用误差补偿技术 误差补偿技术其实质就是人为地造出一种新的原始误差，去抵消原来工艺系统中存在的原始误差，尽量使两者大小相等、方向相反而达到使误差抵消得尽可能彻底的目的。,图4-42 精密丝杠螺距误差补偿装置,4-14 在外圆磨床磨削图4-77所示轴类工件的外圆,若机床几何精度良好，试分析磨外圆后A-A截面的形状误差。,图4-77 习题4-14图,4-16 按图4-78a的装夹方式在外圆磨床上磨削薄壁套筒A，卸下工件后发现工件呈鞍形，如图4-78b所示，试分析产生该形状误差的原因。,图4-78 习题4-16图,4-17 在卧式铣床上按图4-79的装夹方式用铣刀A铣键槽，经测量发现，工件右端槽深大于中间槽深，试分析产生这一现象的原因。,图4-79 习题4-17图,