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1、第七章机械加工精度 本章提要机器零件的加工质量是整台机器质量的基础 机器零件的加工质量一般用机械加工精度和加工表面质量两个重要指标表示 它的高低将直接影响整台机器的使用性能和寿命 本章研究机械加工精度的问题 本章讨论的内容有机械加工精度的基本概念 影响加工精度的因素 加工误差的综合分析及提高加工精度的途径四个方面 内容提纲 7 1机械加工精度的基本概念 7 2影响加工精度的因素 7 3加工误差的统计分析 7 4提高加工精度的途径 7 1机械加工精度的基本概念 7 1 1加工精度与加工误差加工精度 零件加工后的实际几何参数 尺寸 形状和位置 与理想几何参数相符合的程度 符合程度越高则加工精度就越
2、高 加工误差 零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度称为加工误差 加工误差的大小表示了加工精度的高低 加工误差是加工精度的度量 加工精度 和 加工误差 是评定零件几何参数准确程度的两种不同概念 生产实际中用控制加工误差的方法或现代主动适应加工方法来保证加工精度 7 1 2研究加工精度的方法 研究加工精度的方法一般有两种 一是因素分析法 通过分析计算或实验 测试等方法 研究某一确定因素对加工精度的影响 一般不考虑其它因素的同时作用 主要是分析各项误差单独的变化规律 二是统计分析法 运用数理统计方法对生产中一批工件的实测结果进行数据处理 用以控制工艺过程的正常进行 这两种方法在生产实际中
3、往往结合起来应用 一般先用统计分析法找出误差的出现规律 判断产生加工误差的可能原因 然后运用因素分析法进行分析 试验 以便迅速有效地找出影响加工精度的关键因素 7 2影响加工精度的因素 零件的机械加工是在由机床 夹具 刀具和工件组成的工艺系统中进行的 工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都称为原始误差 原始误差的存在 使工艺系统各组成部分之间的位置关系或速度关系偏离了理想状态 致使加工后的零件产生了加工误差 若原始误差是在加工前已存在 即在无切削负荷的情况下检验的 称为工艺系统静误差 若在有切削负荷情况下产生的则称为工艺系统动误差 原始误差的分类归纳 7 2 1加工原理误差 加工原理是指加工
4、表面的形成原理 加工原理误差是由于采用了近似的切削运动或近似的切削刃形状所产生的加工误差 为了获得规定的加工表面 要求切削刃完全符合理论曲线的形状 刀具和工件之间必须作相对准确的切削运动 但往往为了简化机床或刀具的设计与制造 降低生产成本 提高生产率和方便使用而采用了近似的加工原理 在允许的范围内存在一定的原理误差 7 2 2机床误差 机床误差是指在无切削负荷下 来自机床本身的制适误差 安装误差和磨损 7 2 2 1主轴回转误差 1 主轴回转误差的概念理论上机床主轴回转时 回转轴线的空间位置是固定不变的 即它的瞬时速度为零 而实际主轴系统中存在着各种影响因素 使主轴回转轴线的位置发生变化 将主
5、轴实际回转轴线对理想回转轴线漂移在误差敏感方向上的最大变动量称为主轴回转误差 纯角度摆动 实际回转轴线与理想回转轴线始终成一倾角 在一个平面上作等幅摆动 且交点位置不变 纯径向跳动 实际回转轴线始终平行于理想回转轴线 在一个平面内作等幅的跳动 纯轴向窜动 实际回转轴线始终沿理想回转轴线作等幅的窜动 主轴回转误差可分为如图7 3所示的三种基本类型 观看动画 2 主轴回转误差对加工精度的影响 不同型式的主轴回转误差对加工精度的影响是不同的 而同一类型的回转误差在不同的加工方式中的影响也不相同 如图7 5 7 6 7 7 7 8和表7 1所示 观看动画 7 2 2 2导轨误差 机床导轨是机床主要部件
6、的相对位置及运动的基准 导轨误差将直接影响加工精度 1 导轨在垂直面内的直线度误差观看动画卧式车床或外圆磨床的导轨垂直面内有直线度误差 Z 图7 9 a 使刀尖运动轨迹产生直线度误差 Z 由于是误差非敏感方向 零件的加工误差 R 2R可忽略不计 平面磨床 龙门刨床这时是误差敏感方向 所以导轨误差将直接反映到被加工的零件上 2 导轨在水平面内的直线度误差 卧式车床或外圆磨床的导轨水平面内有直线度误差 Y 图7 9 b 将使刀尖的直线运动轨迹产生同样的直线度误差 Y 由于是误差敏感方向 零件的加工误差 R Y 造成零件的圆柱度误差 平面磨床和龙门刨床的导轨水平方向为误差非敏感方向 加工误差可忽略
7、3 前后导轨的平行度误差 当卧式车床或外圆磨床的前后导轨存在平行度误差 扭曲 时 见图7 10 刀具和工件之间的相对位置发生了变化 结果引起了工件的形状误差 在垂直于纵向走刀的某一截面内 若前后导轨的平行度误差为 Z 则零件的半径误差为 R Y Z H B一般车床H B 2 3 外圆磨床11 B 1 因此这项原始误差对加工精度的影响不能忽略 观看动画 4 导轨与主轴回转轴线的平行度误差 若车床导轨与主轴回转轴线在水平面内有平行度误差 车出的内外圆柱面就产生锥度 若在垂直面内有平行度误差 则圆柱面成双曲线回转体 图7 11 因是误差非敏感方向故可略 图7 11车床导轨与主轴线在垂直平面内的平行度
8、误差产生的加工误差 7 2 2 3传动链误差 加工螺旋面 齿轮 蜗轮等成形表面时 刀具和零件之间精确的运动关系 回转运动速度与直线运动速度或回转运动速度与回转运动速度之间的恒定关系是由机床传动系统即传动链来保证的 传动链误差是指机床内联系传动链始末两端传动元件之间相对运动的误差 7 2 3工艺系统受力变形 工艺系统受力变形不但影响工件的加工精度 而且还影响表面质量 限制切削用量和生产率的提高 机械加工过程中 工艺系统在切削力 夹紧力 传动力 重力和惯性力等外力作用下 会产生变形 破坏刀具和零件之间的正确位置关系 使零件产生加工误差 例如图7 12 a 车细长轴 在切削力作用下零件因弹性变形而产
9、生 让刀 现象 在零件全长上吃刀深度先由多变少 再由少变多 零件产生圆柱度误差 图7 12 b 为车削粗短工件时 机床床头 尾架受力变形 零件产生加工误差 图7 12 c 所示在车床加工薄壁零件的内孔 零件因三爪卡盘夹紧而弹性变形 加工后取下零件 变形得到恢复 内孔产生圆度误差 图7 12工艺系统受力变形产生加工误差 a 细长工件的变形观看动画 b 粗短工件的变形观看动画 c 薄壁零件镗孔 刚度的倒数称为柔度C mm N 由于力与变形一般都是在静态条件下进行考虑和测量的 故上述刚度 柔度分别称为静刚度和静柔度 静刚度是工艺系统本身的属性 在线性范围内可认为与外力无关 为分析工艺系统各组成部分的
10、变形规律及其特点 现介绍工艺系统各组成部分的刚度 1 零件的刚度形状规则 简单的零件的刚度可用有关力学公式推算 如图7 18细长回转体零件用两顶尖装夹 工件的变形Y可按简支梁计算 式中L 工件长度 mm x 刀尖距右顶尖的距离 mm E 工件材料的弹性模量 N mm I 工件截面的惯性矩 mm 2 机床部件的刚度 机床的结构形状复杂 各部件受力影响变形各不相同 且变形后对工件加工精度的影响也不同 机床部件的受力变形过程首先是消除各有关 零件之间的间隙 挤掉其间的油膜层的变形 接着是部件中薄弱零件变形如图7 13刀架溜板中楔铁变形 最后才是其它组成零件本身的弹性变形和相互接触面的接触变形 图7
11、13 图7 15为单向测定车床静刚度的实验方法 图中1为刚性轴装在车床顶尖间 2为螺旋加力器装在刀架上 3为测力环装在加力器与心轴之间 与心轴中点接触 4为千分表 转动加力器的加力螺钉5 通过测力环使刀架与心轴之间产生作用力 力的大小由测力环中的千分表读出 测力环预先在材料试验机上用标准压力标定 这时 床头 尾座和刀架在力的作用下产生变形的大小可分别从千分表4中读出 图7 15车床刀架 头尾架单向静刚度测试 观看动画 试验时可以进行几次加载和卸载 根据测得的Fy 和Y数据可分别画出刀架 床头和尾座等部件的静刚度曲线 图7 16为车床刀架静刚度的实测曲线 图7 16车床刀架静刚度曲线观看动画 3
12、 工艺系统的刚度 工艺系统在切削力作用下都会产生不同程度的变形 导致刀刃和加工表面在作用力方向上的相对位置发生变化 于是产生加工误差 工艺系统受力总变形是各个组成部分变形的迭加 即 而工艺系统各部件的刚度为 式中 机床刚度 N mm 夹具刚度 N mm 刀具刚度 N mm 工件刚度 N mm 所以工艺系统刚度为 即 因此 知道工艺系统各组成部分的刚度后 就可以求出整个工艺系统的刚度 式 7 11 还表达了工艺系统刚度的一个特点 整个工艺系统的刚度比其中刚度最小的那个环节的刚度还小 7 2 3 2工艺系统受力对加工精度的影响 1 切削过程重力作用位置的变化对加工精度的影响工艺系统的刚度另一个特点
13、是工艺系统的各环节的刚度和整个工艺系统的刚度 是随着受力点位置变化而变化 由此可见 工艺系统刚度在沿工件轴向的各个位置是不同的 所以加工后工件各个横截面上的直径尺寸也不相同 造成加工后的形状误差 2 切削过程中受力大小变化对加工精度的影响 在零件同一截面内切削 由于材料硬度不均或加工余量的变化将引起切削力大小的变化 而此时工艺系统的刚度K系统是常量 所以变形不一致 导致零件的加工误差 图7 20为车削有椭圆形圆度误差的短圆柱毛坯外圆 刀尖调整到要求的尺寸 图中虚线位置 在工件的每一转中切深由毛坯长半径的最大值ap1变化到短半径的最小值ap2时 切削力也就由最大的FY1 变化到最小的FY2 由Y
14、 Fy K可知切削力变化引起对应的让刀变形Y1 Y2 图7 20毛坯形状误差的复映观看动画 根据金属切削原理 在一定的切削条件下 切削力与实际切深成正比 即 式中 径向切削力系数 为常数 N mm 切削深度 mm5 法向切削分力 N 则工件的变形量是 令为毛坯误差 为一次走刀后工件的误差 为误差复映系数 所以有 7 2 4工艺系统的热变形 机械加工过程中 工艺系统在各种热源的影响下 产生复杂的变形 破坏了工件与刀具相对位置和相对运动的准确性 引起加工误差 在现代的高速度 高精度 自动化加工中 工艺系统热变形问题越来越突出 已成为制造技术的重要研究课题 工艺系统主要热源为系统内部的摩擦热 切削热
15、和外部的环境温度 阳光辐射等 7 2 4 l机床热变形对加M精度的影响 机床工作时 由于内 外部热源的影响 温度会逐渐升高 由于机床结构的复杂 热源不同 机床温度场一般都不均匀 使原有的机床精度遭到破坏 引起相应的加工误差 车床 铣床 钻床和螳床的主要热源是主轴箱 图7 21 a 是车床的热变形趋势 车床主轴箱的温升导致主轴线抬高 主轴前轴承的温升高于后轴承又使主轴倾斜 主轴箱的热量经油池传到床身 导致床身中凸 更促使主轴线向上倾斜 最终导致主轴回转轴线与导轨的平行度误差 使加工后的零件产生圆柱度误差 图7 21 b 万能铣床的热源也是主传动系统 由于左箱壁温度高也导致主轴线升高并倾斜 图7
16、21几种机床的热变形趋势 a 车床的热变形观看动画 b 万能铣床的热变形观看动画 7 2 4 2刀具的热变形对加工精度的影响 刀具热变形的热源是切削热 传给刀具的切削热虽然很少 但刀具质量小 热容量小 所以仍会有很高的温升 引起刀具的热伸长而产生加工误差 某些工件加工时刀具连续工作时间较长 随着切削时间的增加 刀具逐渐受热伸长如图7 22 车刀的热伸长中连续工作曲线A 使加工后的工件产生圆柱度误差或端面的平面度误差 在成批生产小型工件时每个工件切削的时间较短 刀具断续工作 刀具受热和冷却是交替进行的 热变形情况如图7 22中断续切削曲线C所示 对每一个工件来说 产生的形状误差是较小的 对一批工件来说 在刀具未达到热平衡时 加工出的一批工件尺寸有一定的误差 造成一批工件尺寸的分散 图7 22车刀的热伸长观看动画 7 2 4 3工件的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 对有些大型件 精密件 环境温度也有很大的影响 传人工件的热量越多 工件的质量越小测热变形越大 7 2 5工件残余应力引起的变形 残余应力 又称内应力 是指当外部载荷去除以后 仍然残存在工件内部的应力 它是因
