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1、第四章 机械加工质量及其控制,4.1 机械加工质量概述 4.2 机械加工精度的影响因素 4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响 4.4 工艺系统受力变形与受热变形对加工精度的影响 4.5 工件内应力对加工精度影响 4.6 加工误差的统计分析 4.7 机械加工表面质量,学习指南,机械加工质量主要包括加工精度和加工表面质量两个方面。 在影响机械加工精度的诸多误差因素中，机床的几何误差、工艺系统的受力变形和受热变形占有突出的位置，学习者应了解这些误差因素是如何影响加工误差的。 在影响机械加工表面质量的诸多因素中，切削用量、刀具几何角度以及工件、刀具材料等起重要作用，学习者应了解这些因素对加工表面质
2、量的影响规律。 应学会分析加工误差产生的物理原因，从而找出控制加工误差的方法。同时还应学会运用统计学方法对加工误差进行统计分析，以从加工误差的统计特征，确定出加工误差的变化规律及可能采取的控制方法。,4.1 机械加工质量概述,学习要点： 掌握机械加工质量和加工精度的概念 熟知尺寸精度、形状精度和位置精度的获得方法 了解表面质量对零件使用性能的影响。,4.1 机械加工质量概述,机械加工质量的内涵,机械加工后最外层表面与周围环境界面的几何形状误差,波度：介于宏观几何形状误差与微观表面粗糙度之间的几何形状误差,4.1 机械加工质量概述,零件加工表面的粗糙度和波度 波度：波长，波高H,4.1 机械加工
3、质量概述,机械加工质量的内涵,机械加工后，零件一定深度表面层的物理力学性质等方面的质量与基体相比发生的变化，称加工变质层,4.1 机械加工质量概述,加工变质层的构成情况 （P116）,4.1 机械加工质量概述,加工精度及加工误差 零件加工后实际几何参数（尺寸、形状和各表面间相互位置）与理想几何参数（形状、位置无误差，尺寸位于零件图纸规定的公差带中心）的 符合 程度 加工精度 不符合 程度 加工误差,符合程度高，加工精度高； 加工精度高，加工误差小。,形状误差应限制在形状公差之内； 位置误差应限制在位置公差范围之内。,如不作特殊说明，零件的形状误差和位置误差不应大于零件尺寸公差的二分之一。如对零
4、件的形状误差或位置误差有特别要求，应在尺寸公差之外另加标注。,如图所示夹具底板零件，其顶面于底面之间的距离尺寸为自由公差，但其顶面对底面的平行度误差要求很高，需特别加以标注。,4.1 机械加工质量概述,机械加工精度的获得方法 尺寸精度 （1）试切法 （2）调整法 （3）定尺寸刀具法 零件加工表面尺寸由刀具确定，孔（钻、扩、铰）；键槽（键槽铣刀）；成形刀具（成型表面） （4）自动控制法 数控加工（尺寸测量装置+进给机构+控制装置加工过程中的尺寸测量+刀具补偿调整）,试切法,试切+测量+调整 效率低，对操作者水平要求高 单件、小批生产或高精度零件加工,调整法,试切好工件/标准样件+对刀装置 成批、
5、大量生产,4.1 机械加工质量概述,机械加工精度的获得方法 形状精度 （1）成形运动法：刀具相对于工件有规律的切削成形运动 例：轨迹法、展成法、相切法和成形刀具法 （2）非成形运动法：通过表面形状检验，人工修整加工,成形运动法,轨迹法 工件表面的生线（母线和导线）均由轨迹运动生成,成型法 工件的一条生线通过刀刃的形状直接获得,成形运动法,相切法 工件的一条生线是刀刃运动轨迹的包络线,范成法/展成法 其工件的一条生线也是刀刃运动轨迹的包络线，且包络线需通过刀具与工件之间的范成运动来生成,4.1 机械加工质量概述,机械加工精度的获得方法 形状精度 （1）成形运动法：刀具相对于工件有规律的切削成形运
6、动 例：轨迹法、展成法、相切法和成形刀具法 （2）非成形运动法：通过表面形状检验，人工修整加工 例：样板加工 效率低，但当零件形状精度要求很高（高于机床设备所能提供的成形运动精度）时采用,4.1 机械加工质量概述,机械加工精度的获得方法 位置精度 （1）一次装夹获得法 零件表面的位置精度在一次装夹中由刀具相对于工件的成形运动位置关系保证； （2）多次装夹获得法 通过刀具相对工件的成形运动与工件定位基准面之间的位置关系来保证零件表面的位置精度 （3）非成形运动法 人工修整，反复检测、加工,4.1 机械加工质量概述,一次装夹获得法 车床上一次安装车外圆和端面，则端面相对于外圆表面的垂直度由车床横向
7、溜板运动轨迹与车床主轴回转中心线的垂直度来保证,4.1 机械加工质量概述,机械加工精度的获得方法 位置精度 （1）一次装夹获得法 零件表面的位置精度在一次装夹中由刀具相对于工件的成形运动位置关系保证； （2）多次装夹获得法 通过刀具相对工件的成形运动与工件定位基准面之间的位置关系来保证零件表面的位置精度 （3）非成形运动法 人工修整，反复检测、加工,4.1 机械加工质量概述,多次装夹获得法,4.2 机械加工精度的影响因素,学习要点：掌握机械加工工艺系统原始误差的概念，掌握工艺系统原始误差（包括静误差和动误差）对机械加工精度的影响及控制方法，深刻理解和掌握误差敏感方向的概念及其在机械加工精度分析
8、中的应用。,4.2 机械加工精度的影响因素,概念：机械加工工艺系统 加工过程中，由机床、夹具、刀具、量具和工件构成的封闭系统称为机械加工工艺系统,4.2 机械加工精度的影响因素,工艺系统原始误差,零件未加工前工艺系统本身所具有的误差,例：数控插补加工、相切法和范成法加工,工艺系统静误差,工艺系统原有精度被破坏而产生的附加误差因素,工艺系统动误差,4.2 机械加工精度的影响因素,误差敏感方向 切削加工过程中，由于各种原始误差的影响，会使刀具和工件之间正确的几何关系遭到破坏，引起加工误差。 不同方向的原始误差，对加工误差的影响程度不同。 当原始误差与工序尺寸方向一致时，原始误差对加工精度的影响最大
9、。,4.2 机械加工精度的影响因素,误差敏感方向 刀尖由A移至A或A导致的工件半径上的误差是一样的，为R,设：Ro=25mm，y=0.1mm 则：R=0.0002mm,4.2 机械加工精度的影响因素,误差敏感方向,当原始误差的方向在加工表面法线方向时，引起的加工误差最大。,当原始误差的方向在加工表面切线方向时，引起的加工误差最小，可以忽略不计,影响加工精度最大的方向（即通过刀刃的加工表面的法向）称为误差敏感方向。,4.2 机械加工精度的影响因素,误差的敏感方向,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,学习要点： 掌握机床主轴回转精度的概念及对加工精度的影响，了解主轴回转误差产生的原因及提高主
10、轴回转精度的措施； 掌握机床导轨导向精度的概念及对加工精度的影响，掌握机床成形运动之间的位置关系精度及其对加工精度的影响，了解提高这些精度的措施。,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,机床几何原始误差,基本成形运动自身误差 主轴回转误差 直线进给运动误差 成形运动之间的相对误差 纵向进给与主轴轴线不平行 纵向、横向进给不垂直,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,机床主轴回转精度,O,机床主轴作回转运动时，在任一截面上若只有一点O的速度为零，则该点为主轴的回转中心。,由于主轴回转误差，回转中心的位置时刻变动，为瞬时回转中心。,主轴回转精度高低，以规定测量截面内，主轴瞬时回转中心相对于
11、其平均位置来衡量,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,主轴回转误差 - 三种形式,举例,举例,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,举例：采用滑动轴承时主轴径向跳动分析,车床：切削力方向不变，主轴轴颈的圆度误差将在回转过程中引起轴线位置产生瞬时变化，造成径向跳动；而轴承内孔有圆度误差时，其影响较小,镗床：由于切削力作用方向是变化的，因而当滑动轴承内孔有圆度误差时，将使主轴在回转的过程中产生径向跳动，引起镗孔的圆度误差,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,主轴径向跳动的主要原因- 主轴轴承副的制造误差 滑动轴承 轴颈不圆 轴承孔不圆 油膜涡动 滚动轴承 外环与箱体配合质量 内环与
12、轴颈配合质量 内外环滚道圆度 间隙、受力变形 滚动体形状不一致,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,举例： 止推轴承端面误差对主轴轴向跳动的影响,若只有一个端面滚道存在误差，对端面跳动影响很小；只有当两个滚道端面均存在误差时，才会引起较大的跳动量,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,主轴轴向窜动的主要原因- 滚动轴承： 止推轴承两个滚道与轴线的垂直度误差 滚动体的形状误差和尺寸一致性 滑动轴承： 主轴轴颈的轴向承载面或主轴轴承的承载端面与主轴回转轴线之间的垂直度误差,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,主轴回转误差对加工精度的影响 考虑误差敏感方向 主轴径向跳动 回转面加工：
13、圆度误差 eg：车床上车外圆、镗孔 镗床上镗孔 平面加工：平面度误差 eg：卧式铣床上铣平面,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,主轴回转误差对加工精度的影响 主轴轴向窜动 端面加工（车、镗） 平面度误差 端面相对于内外圆的垂直度误差 螺纹加工：螺距误差,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,主轴回转误差对加工精度的影响 主轴角度摆动 主轴角度摆动对加工误差的影响与主轴径向跳动对加工误差的影响相似，主要区别在于主轴的角度摆动不仅影响工件加工表面的圆度误差，而且影响工件加工表面的圆柱度误差,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,直线运动精度 机床的直线运动精度主要是指导轨的导向精度
14、 导轨制造精度 导轨在水平面内的直线度 导轨在垂直面内的直线度 双导轨在垂直方向的平行度 导轨与工作台之间的接触精度,导致刀尖相对于工件的位置变化 从而影响加工精度,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,导轨在水平面内有直线度误差x,刀尖相对于工件回转轴线在加工表面的法线方向（加工误差敏感方向）产生位移； 位移量等于导轨的直线度误差；,刀尖在水平面内的运动轨迹不是一条直线，造成工件的轴向形状误差（圆柱度误差）,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,导轨在垂直面内有直线度误差y,刀尖相对于工件回转轴线在加工表面的切线方向（加工误差非敏感方向）产生位移； 位移量等于导轨的直线度误差；,刀尖
15、在水平面内的运动轨迹也不是一条直线，造成工件的轴向形状误差（圆柱度误差）,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,前后导轨扭曲n,工作台在运动过程中产生摆动,刀尖运动轨迹为一条空间曲线，产生加工误差（圆柱度误差）,例：车床H/B=2/3，n影响很大,导轨扭曲引起的加工误差,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,成形运动间相对位置误差的影响 车床纵向导轨与主轴在水平面内有平行度误差,例： 导轨与主轴平行度误差： Hx 工件直径差： D=2L*Hx,工件产生圆柱度误差,圆锥形,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,成形运动间相对位置误差的影响 车床纵向导轨与主轴在垂直面内有平行度误差,鞍
16、形（轴剖面内为双曲线）,例：导轨与主轴平行度误差：Hy 工件直径差：D=Hy2/Ro,4.3 机床几何误差及其对加工精度的影响,成形运动间相对位置误差的影响 车床横向导轨与主轴轴线有垂直度误差,n,f,工件端面产生内凹或外凸 的平面度误差,例： 横向导轨与主轴夹角： 平面度误差：=(d/2)*tan(),思考题,设在卧式镗床上镗孔，已知镗床主轴轴线与纵向导轨有平行度误差，请分析下面两种情况下产生的加工误差： （1）镗杆进给 （2）工件进给,卧式镗床上工件进给镗孔时，若工件直线进给运动方向与镗杆回转轴线不平行,4.4 工艺系统受力变形与受热变形对加工精度的影响,学习要点： 掌握工艺系统刚度的概念及其对加工精度的影响，重点掌握切削力作用点位置变化和切削力大小变化对加工形状精度的影响；掌握误差复映的概念；了解影响工艺系统刚
