C7.机械加工质量与控制

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1、C7 机械加工质量与控制,主要内容（1）影响加工精度的因素 （2）加工误差的分析方法 （3）机械加工表面质量,7.1 机械加工精度概述 一、加工精度与加工误差 1、加工精度是零件在加工后，其尺寸、几何形状、表面相互位置等几何参数的实际数值与理想零件的几何参数值相符合的程度。加工精度的几个方面： 尺寸精度 形状精度 位置精度 表面粗糙度,加工误差零件实际几何参数与理想几何参数的偏差。公差几何参数允许的变动量。只要误差大小不影响仪器的使用性能，就允许它在一定的范围内变动。 规定公差就是为了限制加工误差，控制加工难度。,精度 分为： 正确度表征测量结果稳定地接近真值的程度。（系统误差）精密度表征测量

2、结果的一致性或误差的分散性。（随机误差）准确度表征测量结果与真值之间的一致程度。包含以上两者。是综合。,误差： （按数学特征分） 随机误差由大量的独立微小因素的影响所造成，其数值的大小和方向没有一定的规律。服从统计规律。大多数服从正态分布。系统误差由一些稳定的误差因素的影响所造成。其数值大小、方向在测量过程中恒定不变或按照一定规律变化。可以预测它的出现，并可进行调整和修正。粗大误差指超出规定条件所产生的误差。一般是由于疏忽或错误所引起。测量中出现，应予以剔除。,二、 获得规定加工精度的方法 1）尺寸精度 试切法 定尺寸刀具法 调整法 数控加工2）形状精度 仿形法：用特定形状的刀具切削工件。 成

3、形运动法：刀具相对于工件作一定规律的切削运动。 非成形运动法：人工加工3）位置精度：主要由机床、夹具和刀具精度来保证。,7.2 影响加工精度的工艺因素 一、工艺系统的几何误差1.机床误差 1）主轴回转误差 主轴是工件或刀具的位置基准和回转运动基准，其误差直接影响工件加工精度。主轴回转误差分为：轴向窜动误差径向圆跳动误差角度偏摆 影响主轴回转精度 主要是支承主轴的轴承精度及安装精度。,2）机床导轨误差： 刨床、铣床工作面加工表面的平面度。 车床、镗床工作面加工外圆、孔的圆度和圆柱度,以卧式车床导轨为例: （1）导轨在水平面的直线度1 将直接反映在被加工工件表面的法线方向上。 R1= 1 对加工精

4、度的影响最大。,（2）导轨在垂直平面内的直线度2,误差敏感方向是指加工中刀具接触处工件的法线方向。 加工误差的方向与误差敏感方向一致：对加工精度的影响较大。 加工误差的方向与误差敏感方向垂直：对加工精度的影响较小。,2对加工精度的影响比1小得多。,（3）前后导轨在垂直平面内的平行度误差3 -表征前后导轨存在扭曲，刀架移动时产生摆动。 R=H /B 3 H-导轨面到主轴回转中心的距离； B-两轨的距离；一般，车床H/B=2/3磨床H/B=1 3也是直接反映到被加工工件上。,3）机床传动链误差 对加工精度影响很大提高传动链精度的方法：减少传动元件数量提高传动元件精度采用校正装置来减少传动链误差,2

5、、夹具误差和磨损 -严重影响工件的加工精度夹具误差包括：制造误差定位元件和导向元件的磨损夹具在机床上安装误差夹具制造公差应小于被加工工件的公差 粗加工：取工件尺寸公差的1/51/10。 精加工：取工件尺寸公差的1/31/5。,3、刀具误差和磨损 加工精度与采用的刀具精度磨损程度刀具在机床上的正确安装均有直接关系。减小刀具对加工精度的影响：（1）合理规定刀具的制造误差（2）根据工件材料及加工要求正确选择刀具材料、几何参数、切削用量（3）选择合适的冷却液，减小刀具磨损，提高刀具寿命。,4、工件安装、调整和测量的误差 （1）工件安装误差 是指工件在夹具中定位和夹紧时产生的误差。 （2）调整误差 是指

6、在开始加工前，由于工艺系统各部分的调整所带来的误差。 （3）测量误差 包括量仪本身误差和测量过程条件变化引起的误差。,二、工艺系统的受力变形 1、基本概念 刚度是物体抵抗使其变形的外力的能力。 J=F/Y F-外力（N） Y-外力作用方向的变形量(mm) J-刚度(N/mm)2、工艺系统刚度及其对加工精度的影响 （1）机床、夹具、刀具、工件在切削力作用下，都有不同程度的变形Yi； 工艺系统受力作用的变形Y系是各组成部分变形的叠加值： Y系=Y机床+Y夹+Y刀+Y工 系统刚度 1/J系=1/J机床+1/J夹+1/J刀+1/J工,例：车床的刚度分析,（2）复映误差对加工精度的影响 背吃刀量ap的变

7、化，引起切削力的变化，导致工艺系统的变形量Y的变化。 ap= ap1- ap2= 毛ap1-最大背吃刀量；ap2-最小背吃刀量； 毛-毛坯在半径上的尺寸差。切削力计算公式Fy=Cpy ap f0.75Cpy-切削力系数；f-进给量。对工艺系统而言，变形量Y的变化：Y=Y1-Y2= Cpyf0.75 （ ap1- ap2 ）/ J系,Y是工件在同一径向截面上，由于ap不同，导致Fy不同，-造成加工后工件在半径上径向尺寸误差 工。 工/ 毛= Y/ ap = Cpyf0.75 / J系=K（常数） 即 工=K 毛 每进给一次，毛坯的误差会以一定的缩小比例“复映”在加工后的工件上。比值K-复映系数

8、正常的加工系统：K1,复映： 毛坯是椭圆，加工后工件仍为椭圆； 毛坯偏心，加工后工件仍有偏心。 但椭圆度和偏心度减小了，工件加工后的这种误差称为“复映误差”。 这种误差传递规律称为“误差复映规律”。经过粗加工K1、精加工K2 K12= K1 K2 ； 经过n次加工n= K1 K2 -K n 毛=K总 毛Ki1; K总 Ki 即多次进给（加工）能提高加工精度-渐精概念问题：高精度加工，为什么要采用多次加工？,3、减少工艺系统受力变形的途径 实际上是提高工艺系统的刚度,即增大J系。 （1）提高机床部件中零件结合表面质量；增加接触面积。 （2）对部件运动面预加荷载，消除结合面的间隙；增加接触面积。

9、（3）提高工件定位基面的精度和减小定位基面的表面粗糙度；增加接触面积。 （4）设置辅助支承，提高工艺系统刚度；如中心架、跟刀架； （5）采用合理的安装夹紧方式减少装夹变形。,三、工艺系统受热变形 分为：工件热变形机床热变形刀具热变形都破坏原先调整好的刀具和工件之间的相对位置，改变实际背吃刀量来形成加工误差。1、热源种类 （1）切削热最直接影响（工件、刀具） （2）摩擦热运动幅（机床） （3）辐射热和环境温度,2、机床热变形对加工精度的影响,3、工件热变形对加工精度的影响,4、刀具热变形对加工精度的影响,5、减少工艺系统热变形的措施 （1）减小发热和隔热 （2）合理设计机床结构 （3）恒温技术，

10、进行误差补偿。,四、工件内应力引起的变形 1、残余内应力 铸造、煅造或焊接及热处理过程中，各部分热胀冷缩不均匀以及金相组织转变时体积变化，在毛坯内部产生相当大的内应力，毛坯成形后，这些内应力不可能完全消失，有一部分遗留下来，残留在零件内部，这就是残余内应力。毛坯成形内应力暂时是处于相对平衡状态，当进行切削加工时，表层金属被去掉，就会打破这种平衡，内应力会重新分布，并发生变形，直至建立新的平衡。,2、减小内应力的措施时效处理 自然时效 是将毛坯或工件长期放在室外，使其受气温变化的影响，自然松弛和变形，以减小内应力。人工时效 是采用人工的办法来减小工件内应力。时效 本质是利用金属材料产生蠕变，从而

11、导致应力松弛。,五、原理误差、调整误差、测量误差 原理误差 方法误差（原理误差）是由于加工时采用了近似的加工运动方式，或者形状近似的刀具轮廓而产生的加工误差。 调整误差 在机械加工过程中，有许多调整工作要做，由于调整不可能绝对准确，由此产生的误差。 测量误差 工件的测量尺寸与实际尺寸的差值。,六、提高加工精度的途径 减小或消除原始误差 补偿或抵消原始误差 转移原始误差,1.在车床上加工短而粗的光轴，已知径向切削分力 为1000N，主轴刚度 为100000 N/ mm，尾座刚度50000 N/ mm ，试求机床刚度不均匀引起的加工表面的形状误差为多少？,2.在卧式车床上加工一光轴，已知径向切削分

12、力 为4000N，主轴刚度 为300000 N/ mm，尾座刚度56600 N/ mm ，刀架刚度 为300000 N/ mm，设工件、刀具、夹具的刚度都较大。试求工艺系统刚度变化引起的圆柱度误差为多少？,3.车削具有偏心量e=1.5mm的短阶梯轴，分两次进给粗车小头外圆，设两次进给的误差复映系数均为0.1，试估算加工后阶梯轴的偏心量为多大？,4.一套筒零件在外圆磨床上用心轴定位磨削外圆，由于磨削区的高温冷却后存在残余应力，试分析外圆及内孔处残余应力的符号。若用锯片刀铣开此套筒，铣开后的两个半圆环将产生怎样的变形？,5.图示为采用一夹具装夹加工一批工件的通槽，试分析只考虑工艺系统静误差影响，造

13、成加工后通槽侧面与工件侧面 A 平行度误差的主要因素。,6.在镗床上镗孔，镗床主轴与工作台面有平行度误差。当工作台作进给运动时，所加工的孔将产生何种误差？其值为多大？当主轴作进给运动时，该孔将产生何种误差？其值为多大？,7.假设工件的刚度极大，且车床主轴刚度大于尾座刚度，试分析下面三种情况加工后工件表面会产生何种形状误差？,8.在外圆磨床上抹削一根带有键槽的细长轴。机床的几何精度高，且头架刚度大于尾座刚度。试分析只考虑工艺系统受力变形影响下，往复磨削一次后，被磨削轴径在轴向和径向将产生何种形状误差？采取何措施可提高加工后的形状精度？,9.加工一合金钢管，其公称直径为100mm，长度为2100m

14、m,圆柱度公差在全长范围内为0.02mm。选用刀具材料YT15（单位磨损量为8.5微米/米，初始磨损量为4微米），进给量为0.32mm/r,试计算由于刀具磨损所产生的圆柱度误差是否超差？若改用刀具材料YT30 （单位磨损量为3.5微米/米，初始磨损量为2微米）， 进给量为1.98mm/r,试计算由于刀具磨损所产生的圆柱度误差是否超差？,10.在车床上加工一丝杠，工件总长2650mm，螺纹部分长2000mm,工件与机床丝杠的材料均为45钢，线膨胀系数为，加工时室温为20度，加工后工件温升至45度，丝杠温升至30度，试求工件全长上由于热变形引起的螺距累积误差。,7.3 加工精度统计分析方法,一、加

15、工误差的分类 从各种加工误差在一批零件加工中出现的规律，可归纳为系统误差和随机误差。 系统误差-其数值大小、方向恒定不变或按一定规律变化。常值系统误差变值系统误差 方法误差；机床、刀具和夹具的制造误差-常值系统误差 热平衡前，系统的热变形误差；刀具磨损误差-变值系统误差随机误差-其数值大小、方向是无规律变化的。,预防、减少误差的措施： 常值系统误差 -查明大小、方向后，可通过相应 的调整工艺设备和检测设备等予以消除； -可人为用一常值系统误差去抵偿原来的常值系统误差。变值系统误差 -掌握其变化规律后，通过自动连续补偿、周期补偿等办法加以控制。随机误差 -无明显规律而不可完全消除；只能对其产生原

16、因采取适当措施以减少其影响。,二、加工误差的统计分析 1、直方图 样本 样本容量n 级差R 组数k 组距d 频数mi 频率fi,样本的平均值,样本的标准差,分组数的选定,直方图： 以工件尺寸（或误差）为横坐标，以频数（或频率）为纵坐标，就可作出该批工件加工尺寸（或误差）的实验分布图。,2、正态分布分析法 若同时满足三个条件： （1）无变值系统误差 （2）各随机因素相互独立 （3）各随机因素中没有一个其主导作用的 则连续加工的一批工件的加工尺寸就服从正态分布。概率密度函数：,Y-分布曲线的纵坐标，概率密度函数。（表示某一尺寸出现的频率或频率比） X-分布曲线的横坐标（表示工件尺寸） 两个特征参数： （1）算术平均值： 代表曲线分布中心的位置 其大小反映了机床的调整位置反映了加工中的调刀尺寸（2）均方根偏差（标准偏差） -误差 -残余误差 只影响正态分布曲线的形状大-尺寸越分散-表示加工精度越差小-尺寸越集中-表示加工精度越高 反映了机床的加工精度水平,