机械制造工程学04第四章机械加工精度

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1、Machine Manufacturing Engineering,机 械 制 造 工 程 学,2019年7月3日,第四章 机械加工精度,第一节 概述 第二节 加工原理误差对零件加工精度的影响 第三节 工艺系统几何误差对加工精度的影响 第四节 工艺系统受力变形对加工精度的影响 第五节 工艺系统受热变形对加工精度的影响 第六节 加工误差的统计分析法,第一节 概述,一、机械加工精度,机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的符合程度。,加工质量,机械加工精度,表面质量,尺寸精度,形状精度,位置精度,表面粗糙度,表面层的物理、力学性能,二、误差的分类：,加工误差是指零件加工后的实际几何

2、参数与理想几何参数的偏差程度。精度的高低是用误差的大小来评价的。,加工原理误差 工艺系统的几何误差 工件与刀具的相对位置在静止状态已存在的误差。如：刀具、夹具的制造误差与磨损，定位误差等。 工件与刀具的相对位置在运动状态下存在的误差。如：机床主轴回转误差导轨导向误差、传动链误差等。 工艺系统的受力变形力效应误差 工艺系统的受热变形热效应误差 调整误差 测量误差,误差的性质,系统误差,常值系统误差,变值系统误差,随机误差,随机误差有大有小它们对称分布于尺寸分布中心的左右。 距尺寸分布中心越近的随机误差出现的可能性越大。 随机误差在一定范围内分布。,二、误差的分类：,第二节 加工原理误差对零件加工

3、精度的影响,一、近似刀具加工所造成的误差,二、由于采用近似的加工运动方法所造成的误差,展成法切削齿轮：,车削模数(m=2)螺纹：,如：使用阿基米德齿轮滚刀代替渐开线齿轮滚刀加工齿轮，存在齿形误差；成形铣刀加工齿轮，齿形形状也是近似的。,加工原理误差(也称理论误差)即是在加工中采用了近似的加工运动、近似的刀具轮廓和近似的加工方法而产生的原始误差。,第二节 加工原理误差对零件加工精度的影响,一、近似刀具加工所造成的误差,二、由于采用近似的加工运动方法所造成的误差,展成法切削齿轮：,车削模数(m=2)螺纹：,模数螺纹：P=m=23.1415927=6.2831854,挂轮齿数：Z1=26、Z2=24

4、、Z3=29、Z4=30,若蜗杆长度为100mm，则导程的累积误差为：,第三节 工艺系统几何误差对加工精度的影响,一、机床的误差：,主轴的回转精度：,例：镗孔时镗杆回转，镗杆中心作某一方向的简谐振动。h=A*COS,1.主轴的回转精度：,回转精度的表现形式：,a.轴向窜动： 指回转轴线在轴向的位置变化。,b.径向跳动： 指回转轴线绕平均轴线作平行的公转运动。,主轴的轴向窜动对内、外圆加工没有影响，但所加工的端面却与内外圆不垂直。 当加工螺纹时，会产生单个螺距内的周期误差。,车削时，主轴的纯径向跳动对工件的圆度影响很小。,1.主轴的回转精度：,回转精度的表现形式：,a.轴向窜动： 指回转轴线在轴

5、向的位置变化。,b.径向跳动： 指回转轴线绕平均轴线作平行的公转运动。,c.角度摆动 ： 指回转轴线绕平均轴线作不平行的公转运动。,车削时仍然能够得到一个圆的工件，但工件成锥形。 镗孔时，镗出的孔将成椭圆形。,1.主轴的回转精度：,影响主轴回转精度的因素：,前后支承轴承的影响： 前后支承轴颈的圆度误差的影响：,主轴回转精度的测量：,2.导轨的几何精度：,对机床导轨的精度要求：,导轨在水平面内的直线度,导轨在垂直面内的直线度,导轨与导轨之间垂直方向的平行度,一般机床：10000.02 精密机床：10000.01 接触精度：每平方英寸不少于20个点。,机床导轨误差对工件精度的影响：,由于刀尖相对于

6、工件回转轴线在加工表面切线方向的变化属非敏感方向，故其对零件的形状精度影响极小。,垂直面内直线度误差的影响,注：垂直面内直线度误差对车床的影响较小，可以忽略不计。但对于龙门刨床、龙门铣床及导轨磨床来说，导轨在垂直面内的直线度误差将直接反映到工件上。,机床导轨误差对工件精度的影响：,水平面内直线度误差的影响,由于刀尖相对于工件回转轴线在加工表面径向方向的变化属敏感方向，故其对零件的形状精度影响很大。,机床导轨误差对工件精度的影响：,导轨之间垂直方向的平行度误差的影响,一般： 车床： 磨床：,对零件精度的影响不容忽视,3.传动链精度,以车螺纹为例，说明传动链精度对工件加工精度的影响：,如图所示：,

7、对上式微分：,工件导程误差可表示为：,3.传动链精度,若仅考虑传动比的误差因素：,i的变化量最终反映到工件上是转角误差，故i可表示为：,： 丝杠总的转角误差，即由各传动件的转角误差累积到丝杠上的误差之和。,设： ：为传动链中第j个环节传动件在工件转一转内的转角误差 ：为第j个传动件到机床丝杠的传动比 ：第j个传动件的转角误差所引起的丝杠转角误差,则：,丝杠总的转角误差：,3.传动链精度,如图所示：,3.传动链精度,如图所示：,由此可见： 传动链短，则传动精度高； 传动链中最后一个传动件的精度要高； 传动比i小，则传动精度高；传动链中采用降速比的传动是保证传动精度的重要原则。,二、刀具的制造精度

8、和尺寸磨损,定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：,采用定尺寸刀具 (如钻头、铰刀、键槽铣刀、镗刀块及圆拉刀等) 加工时，刀具的尺寸精度直接影响工件的尺寸精度。 采用成形刀具 (如成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等) 加工时，刀具的形状精度将直接影响工件的形状精度。 展成刀具(如齿轮滚刀、花键滚刀、插齿刀等)的刀刃形状必须是加工表面的共扼曲线。因此，刀刃的形状误差会影响加工表面的形状精度。,二、刀具的制造精度和尺寸磨损,一般刀具的尺寸磨损对加工精度的影响：,一般刀具，如车刀、立铣刀等，主要靠调整刀具位置来保证加工尺寸，刀具制造精度不会影响加工尺寸精度。但刀具的尺寸磨损将对工件的

9、加工精度产生影响。,二、刀具的制造精度和尺寸磨损,初期磨损阶段：,正常磨损阶段：,式中：L：切削行程长度(m) L0：初期磨损的切削行程长度(m) 0：单位磨损量(m/Km) B：刀具的初期磨损量(m),一般刀具的尺寸磨损对加工精度的影响：,一般刀具，如车刀、立铣刀等，主要靠调整刀具位置来保证加工尺寸，刀具制造精度不会影响加工尺寸精度。但刀具的尺寸磨损将对工件的加工精度产生影响。,二、刀具的制造精度和尺寸磨损,减少刀具尺寸磨损对加工精度影响的措施：,进行刀具补偿； 选用合理的刀具材料； 选用最佳的切削用量；,高速钢刀具： V佳=0.40.5 m/s 硬质合金刀具: V佳=1.73.2 m/s,

10、三、夹具的制造精度与磨损,夹具误差包括： 定位误差； 夹紧误差； 夹具安装误差； 导引误差； 夹具的磨损。,对IT5IT7级精度工件来说，夹具精度取工件精度的1/31/5。,第四节 工艺系统受力变形对加工精度的影响,一、基本概念：,刚度和柔度：,第四节 工艺系统受力变形对加工精度的影响,一、基本概念：,刚度和柔度：,刚度概念: 用来表征物体受力后抵抗受力变形的能力。 物体在受力方向上产生单位弹性变形所需要的力称为刚度。,注：FyY方向的外力(N) y 在Y受力方向上的变形(mm),第四节 工艺系统受力变形对加工精度的影响,一、基本概念：,刚度和柔度：,物体在受力方向上某一时刻的力变化与在该方向

11、上产生的变形变化量的比值被称为瞬时刚度。,柔度是物体受单位力时在受力方向的变形，它是刚度的倒数。,一、基本概念,工艺系统的刚度,一、基本概念,工艺系统的刚度,在工艺系统中，往往一个方向的力同时会产生几个方向的变形。因此工艺系统的变形具有复合性。,一、基本概念,工艺系统的刚度,式中： Fy：切削力在Y方向的分力； y：系统在切削力Fx、Fy、Fz共同作用下在Y方向上的变形。,二、工艺系统刚度的测定,加载、卸载曲线不符合虎克定律； 有残余变形； 加载曲线平坦，卸载曲线较陡； 部件刚度远小于单件的刚度。,机床部件刚度的测定：,二、工艺系统刚度的测定,影响机床部件刚度的因素：,连接表面的接触变形,薄弱

12、零件本身的变形,接触表面之间的摩擦,连接表面间的间隙影响,连接件夹紧力的影响,二、工艺系统刚度的测定,工艺系统是由机床、刀具、夹具、工件等组成，系统的受力变形应等于各环节在误差敏感方向的变形之和。即：,依据刚度的定义：,工艺系统刚度的计算：,三、工艺系统受力变形对加工精度的影响,切削力对加工精度的影响：,以车削为例：,切削力的位置是变化的,考虑床头、尾座的变形：,切削力对加工精度的影响,考虑刀架的变形：,切削力对加工精度的影响,考虑工件的变形：,工艺系统的变形曲线,切削力对加工精度的影响,切削力的大小是变化的误差复映原理,切削分力Fy可表示为：,车削时XFc=1，在一次走刀中f不变，故：,车削

13、前圆度误差：,车削后圆度误差：, 切削力的大小是变化的误差复映原理,令：,则：,第一次走刀：,第二次走刀：,第n次走刀：,可见：n，则：；KST ，则： A(f、Kr=90)，则：,其它作用力对加工精度的影响,传动力引起的变形对工件的影响：,如图：,传动力F在Y方向的分力为：,其它作用力对加工精度的影响,传动力引起的变形对工件的影响：,如图：,传动力F在Y方向的分力为：,由传动力引起的工件夹持端在Y方向的位移为：,传动力引起的变形对工件的影响,在x处工件和刀具的相对位移：,在x处工件的实际半径：,令：,则：,r是x和的函数， x引起圆柱度误差，的变化造成圆度误差。,传动力引起的变形对工件的影响

14、,在加工精密零件时改用双爪拨盘或柔性连接装置带动工件旋转,根据以上分析计算，可知加工出的零件形状如下：,惯性力引起的变形对工件的影响,不平衡质量为M，工件转速为n。,在Y方向上由F引起的变形：, 夹紧力引起的变形对工件的影响, 重力引起的变形对工件的影响,内应力的重新分布对加工精度的影响,工件的内应力,毛坯热应力,切削加工内应力,冷校直内应力,对于铸、锻、焊毛坯，由于各部分厚度不均，冷却速度不等而产生的内应力。 对于铸件： “厚拉薄压” “心部受拉、表层受压”,内应力的重新分布对加工精度的影响,工件的内应力,毛坯热应力,切削加工内应力,冷校直内应力,通过冷校直后产生应力，当应力释放后，又产生变

15、形。,内应力的重新分布对加工精度的影响,工件的内应力,毛坯热应力,切削加工内应力,冷校直内应力,力的作用使工件表层产生压应力，热作用使工件表层产生拉应力。在大多数的情况下热的作用大于力的作用，故工件表层应力通常呈“表层受拉，里层受压”状态。,减少内应力的措施： 时效处理； 结构上保证壁厚均匀； 刚度适当； 减少切削力，“小切深，多走刀”； 尽量不用冷校直工序。,减少工艺系统受力变形的措施,提高机床构件自身刚度； 提高零部件间的接触刚度； 设置辅助支承，提高系统刚度； 加预紧力； 采用合理的安装、加工方法。,对于机床的床身、立柱、横梁、夹具的夹具体这些对工艺系统刚度有较大影响的构件，选用合理的结

16、构，如采用封闭截面，可以大大提高其刚度；合理布置筋板。,增加辅助支承也是提高工件刚度的常用方法。加工细长轴时采用中心架或跟刀架。,一般部件的接触刚度大大低于实体零件本身的刚度，提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。通过刮研改善配合的表面粗糙度和形状精度，使实际接触面积增加，能有效提高接触刚度。,加工细长轴时，如改为反向进给(从主轴箱向尾座方向进给)，使工件从原来的轴向受压变为轴向受拉，也可提高工件刚度。,预加载荷，可消除配合面间的间隙，增加接触面积，减少受力后的变形，此方法常用于各类轴承的调整。,第五节 工艺系统受热变形对加工精度的影响,一、热源：,切削热（内部热源）,一般传入工件或刀具的切削热用下式估算：,铣、刨时：Q工件50% 磨削时： Q屑4%， Q砂轮12%， Q工件84%,摩擦热（内部热源）,如环境温度、阳光、灯光的热辐射等。,主要为机床和液压系统中运动部件间的摩擦热 。,切削热是由于切削过程中，切削层金属的弹性、塑性变形及刀具与工件、切屑之间摩擦而产生的