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1、第五章机械加工精度 学习目的与要求 1 掌握机械加工精度的概念以及加工精度与加工误差的关系 2 熟悉工艺系统的原始误差种类及其对加工精度的影响 3 掌握加工误差问题的综合分析与解决 4 掌握加工误差的基本计算方法 5 熟悉提高和保证加工精度的途径 常用方法 主要内容 第5章机械加工精度5 1机械加工精度概述5 2工艺系统的制造精度和磨损对工件精度的影响5 3工艺系统的受力变形及其对工件精度的影响5 4工艺系统的热变形及其对工件精度的影响5 5保证和提高加工精度的途径5 6加工误差的统计分析法5 7点图分析法5 8质量管理图 一 精度的概念加工精度 加工误差 理想零件参数 尺寸 形状 位置 5
2、1机械加工精度概述 二 获得加工精度的方法1 2 试切法加工 调整法加工 定尺寸刀具法加工 轨迹法加工 成形法加工 展成法加工 3 三 影响加工精度的因素1 原理误差 采用近似加工原理或近似刀具切削刃形状2 安装误差 定位误差 夹紧误差 夹具本身误差3 调整误差 调整方法与调整时的测量误差等4 测量误差 量具本身 方法 温度5 工艺系统的制造精度和磨损6 工艺系统的受力变形切削力 传动力 重力 离心力 夹紧力7 工艺系统的受热变形切削热 环境 运动 电机 5 2工艺系统的制造精度和磨损对加工精度的影响 一 机床主轴的回转精度及其对工件精度的影响1 主轴回转精度的概念 回转动态过程理想回转中心
3、在主轴的任一界面上有一点O其速度始终为V 0瞬时回转中心 实际存在的一个变动的回转中心瞬时回转轴线 各瞬时回转中心连线t 时间 转角 瞬时回转中心相对于理想回转中心的位置变动量 误差敏感方向 经过刀具刀刃的切削点又垂直于已加工表面的方向 误差敏感方向上的误差对工件加工精度影响很大 而垂直于该方向的误差则影响很小 主轴回转精度 主轴回转轴线在回转时相对其平均轴线的变动量在误差敏感方向的最大位移值 径向跳动 轴向跳动 摆动 2 主轴回转精度的分析 主轴径向跳动分析滑动轴承轴颈圆度 轴瓦内孔圆度及其配合 工件回转类 刀具回转类 主轴几何轴线径向跳动产生的加工误差 滚动轴承此外 造成主轴轴向窜动的原因
4、 轴承间隙对主轴轴线位置的影响 推力轴承端面跳动的影响 接触点为误差的变化 取决于B 滚动轴承与上述类似 同时滚动体影响 A 滑动 主轴回转轴线的轴向跳动将产生加工端面的平面度误差 主轴轴向跳动引起的加工误差 3 主轴回转精度的测量 表测法 双向测量法 捷克VUOSO 刀具回转当没有回转误差时 间隙变化为示波器上为 示波器上光点的向径为常数 当主轴有偏差 时示波器上 向径为 坐标变换 使x与e重合是与的和 即示波器银屏变化不能反映误差 只有e 0或才能真正反映 李沙育图 其半径差为主轴回转精度 这种方法适合刀具回转型机床的主轴回转精度测量 如镗 而不适合车床 测量镗床主轴回转精度 钢球安装偏心
5、对测量的影响 单向测量法 美国LRL法 测定车床主轴回转精度的方法 传感器 传感器 K0 K传感器 示波器输入信号向径为当S 0时 当S 0时 放大K倍 放大K0倍 4 获得高圆度工件的方法 高精度主轴车床 补偿 使主轴误差不反映到工件上 二 直线运动精度对工件精度的影响1 机床导轨精度指标 运动在水平面内的直线度 运动在垂直平面内的直线度 前后导轨的平行度 扭曲 2 机床导轨误差对加工精度的影响 普通车床水平面直线度 1 1影响纵截面形状垂直面直线度 属误差不敏感方向 影响较小扭曲影响 可分解为水平 垂直 车床导轨扭曲对工件形状的影响 外圆磨床 与车床相同 但由于要求高 采用工作台转角 龙门
6、刨床 就地刨 镗 3 导轨运动误差的来源新机床导轨的制造精度磨损 材料表面处理 润滑安装精度 地基 找正三 机床的几何精度对加工精度的影响几何精度 各成形运动在空间的相互位置准确性 车外圆 误差具体形状具体分析 车端面 回转轴线与导轨不垂直 凸面 凹面 镗孔 铣平面 滚齿机 四 机床的传动精度及对加工精度的影响1 机床传动精度分析 五 机床的定位精度对工件精度的影响定位精度 工作台从一个位置移动到另一个位置的准确度1 进给机构的传动精度主要取决于选用的进给机构型式及进给机构的传动精度 2 进给与测量分开时的测量精度原理误差 阿贝误差 被测的与实际的不在一条直线上产生的误差3 爬行误差解决办法
7、六 刀具 夹具 量具的制造精度和磨损对工件影响1 刀具的制造精度和磨损的影响 尺寸刀具和成形刀具的制造精度和尺寸磨损对加工精度的影响钻头 绞刀 镗刀块 拉刀 影响尺寸 磨损后不能重修复滚刀 插刀 成形车刀 影响形状 重磨 一般刀具的磨损对加工精度的影响如车刀 镗刀 铣刀等 制造精度不会影响加工尺寸 但磨损则产生影响 一 起始磨损 非线性二 正常磨损 三 快速 剧烈 磨损 三个阶段 减少影响方法 砂轮的磨损及修复 快 与硬度有关 2 夹具的制造精度和磨损夹具的制造精度和磨损影响工件的精度3 量具测量误差为工件公差的 最多 5 3工艺系统的受力变形及其对工件精度的影响 一 基本概念1 变形现象 车
8、棒 车长轴 磨孔 2 概念刚度 物体或构件受外力后抵抗变形的能力工艺系统的刚度 在误差敏感方向上的分力py与在此方向上刀具对工件的变形 位移 量y的比值静刚度 在静态条件下静力与变形的比值动刚度 某一频率范围内产生单位振幅所需的激振力幅值 二 机床部件刚度特点及影响因素 车床刚度的单向静测定 1 部件变形过程与刚度曲线特点 1 加载变形曲线 不成线性有预紧力 当载荷有刚性很差的零件 当该大于力时 K变小零件变形减小时 K增大 2 正反加卸载变形曲线不重合 塑性变形摩擦力等消耗能量 2 正反加卸载变形曲线不重合 3 多次重复加载变形曲线第一次加载 磁滞 现象严重 以后减小加 卸载曲线接近 起始点
9、重合 塑性变形摩擦力等消耗能量 4 部件刚度曲线特点 力和变形不是直线性 不符合胡克定律 部件变形不纯粹是弹性变形 加载与卸载曲线不重合 当载荷去除后 变形不能恢复原点 有塑性变形 反复加载后 残余变形减到0 重合 部件刚度远比想象小 2 影响部件刚度的因素 接触变形 个别薄弱环节 连接夹紧力的影响 摩擦力 间隙影响 变形的复合性 两零件接触面接触情况 间隙对刚度影响曲线 机床刚度中薄弱环节 三 工艺系统的刚度工艺系统总变形及合成刚度为而因此 有 四 工艺系统受力变形对加工精度的影响1 由于切削力产生的系统变形对加工精度的影响 1 由于切削点位置的变化引起的刚度 变形变化而产生的形状误差 工件
10、短粗 刚度高 鞍形 P尾 力 位移 此时刀架变形为因此 当当当 工件细长 鼓形和时 时 最大 为 刚度在该工件轴向的各个位置是不同的加工后工件各横截面的直径尺寸也不同形状误差 锥度 鼓形 鞍形等 2 由于工件加工余量不均或其他原因 导致切削力变化 变形变化 引起形状尺寸误差 对于椭圆毛坯 切深大 力大 变形大 椭圆 毛坯的形状误差 圆度 圆柱度 平面度等都以一定误差复映成工件的加工误差 这是由余量不均引起的 采用多次走刀减小误差复映 调整法加工时 毛坯大小不一 工件尺寸分散 计算误差复映 误差复映 2 由于夹紧力 重力等产生的系统变形对加工精度影响 1 由于工件的夹紧变形引起的加工误差 床身导
11、轨面 应用 薄板零件的磨削 2 由于重力所引起的加工误差 重力引起机床变形 五 由于内应力产生变形对加工精度影响内应力 零件在没有外加载荷作用下 加工后内部存在的应力成为残余内应力 称为 工件在铸 锻 切削后内部应力相互平衡一旦外界条件变化 平衡破坏 变形 1 内应力的产生 毛坯 工件壁厚不均 工件切削内应力 热处理 校直2 内应力的减少和消除法 时效处理 天然 人工 铸 锻件结构 应壁厚均匀 不能差太多 零件的结构主要考虑港督问题 机械加工时 注意减少切削力 尽量不采用冷校直 六 机床刚度的测定1 机床刚度的静测定法单向加载测定法 不能反映切削状态 只加载力 而都对刚度有影响三向加载测定法
12、三向加载 三向测力 2 用生产法测定车床刚度 按误差复映原理进行的 3 接触刚度的测定 七 提高工艺系统刚度的措施1 选用合理的零部件结构和断面形状封闭式箱型结构 空心结构 断面面积不变 2 提高连接表面的接触刚度提高连接面几何形状精度降低表面粗糙度 施加预载荷3 采用正确的装夹方式4 提高加工时刀具的刚度悬伸短 刀杆 导向套 导向杆5 减小接触面6 工件刚度低时 缩短切削力与支承点的距离车中心架 跟刀架 5 4工艺系统热变形及加工精度的影响 一 工艺系统热源与热平衡1 工艺系统热源2 工艺系统热平衡散出热量 传入热量 热平衡 温度不变 变形稳定 二 机床热变形对加工精度的影响1 机床的温升与
13、热平衡机床各部件达到热平衡的时间不同 热容量大的需要的时间长2 各类机床热变形及其对加工精度的影响 1 车 铣 镗床类机床的热变形主轴箱发热 箱体 机床发生变形和翘曲 从而主轴的位移和倾斜 2 磨床的热变形砂轮轴承和液压系统 3 导轨磨床 龙门刨床的热变形床身的热变形 3 减少机床热变形对加工影响的措施 1 结构设计措施热对称结构设计 单柱改双柱使关键件热变形在误差不敏感方向移动合理安排支承位置 使热位移有效部分缩短对发热大的热源采用足够的冷却措施改善轴承的润滑条件隔离热源油池和冷却液箱独立 变形均衡关键件温升 2 工艺措施安装机床的区域保持恒定环境温度均布加热器 取暖 门帘 不靠窗照射机床达
14、到热平衡状态后再加工空转一段时间 热平衡 不断续加工精密机床 恒温室严格控制切削用量以减少工件发热三 工件热变形对加工精度的影响1 工件热变形及其对加工影响 典型工件的热变形分析 薄片状零件的热变形 轴类零件的热变形 长径比大的零件 如丝杠 细长轴等 受热伸长 不能忽视2 减少工件热变形对加工精度影响的措施 充分冷却 降低切削温度 提高切削速度和进给量 工件精加工前充分冷却 经常刃磨和修正刀具和砂轮 使工件在紧张状态下有伸缩自由 四 刀具的热变形及对加工精度的影响1 刀具连续工作时的热变形2 刀具断续加工时的热变形 五 减少工艺系统热变形办法1 减少热源产生热量采用低速小用量切削 减少切削热和
15、摩擦热2 控制热源的影响采用冷却 恒温等手段3 从结构上减少变形机床 工件 尽量避免薄壁 薄片 空心等易热变形的结构 实心容量大 刀具 减少悬伸长度 控制热变形方向不在敏感方向4 进行综合补偿及校正 5 5保证和提高加工材料精度的途径 一 直接消除或减小原始误差的方法 细长轴车削时的受力情况和变形状况 大进给量反向切削法加工细长轴 进给方向由卡盘向尾座方向 后面采用浮动活顶尖 采用大进给量和大主偏角车刀 采用浮动活顶尖缓解工件热伸长 将工件的卡盘端车出一缩颈 消除轴心线歪斜影响二 补偿或抵消原始误差的方法人为的造成一种新原始误差去抵消原来的误差 正误差用人为的负误差去抵消 负误差用人为的正误差
16、去抵消 两者大小相等 方向相反 用人为误差抵消装配后因自重产生变形精加工磨床床身导轨时预加载荷抵消装配后部件自重变形前后双刀架对刀 三 分组调整或均分误差法四 变形转移或误差转移1 转移变形2 转移误差 六角车床 力刀 安装 横梁变形转移 五 就地加工达到最终精度的方法 5 6加工误差的统计分析 一 加工误差的性质及分析方法1 分析加工误差的目的及方法研究某一主要因素对加工精度的影响 单一因素分析法根据加工误差的表现形式及变化规律分析其产生的原因 统计分析法2 加工误差的性质 系统性误差常值性系统误差 变值性系统误差 随机性误差 常值系统误差 查明大小和方向 相应调整或检修工艺装配或补偿变值系统误差 摸清规律 自动连续补偿或自动周期补偿随机性误差 只能找到根源 对其采取的措施以缩短其影响 解决途径 二 分布图分析法1 实际分布图 频数分布直方图分散范围 最大尺寸 最小尺寸分散范围小于公差带 本工序的加工精度满足公差要求尺寸分散中心与公差带中心偏离太远 产生废品 注意 组距 分组数 选择 频数作纵坐标时 图行高矮受组距影响 频数作纵坐标时 工件总数也影响图形高矮 纵坐标改用频率密度 2
