机械制造工艺学第二章-2012.ppt

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1、第二章 机械加工精度及其控制,2-1概述 产品性能与零件加工质量和产品装配质量有关，而零件加工质量是保证产品质量的基础，零件加工质量包括机械加工精度和表面质量。 一、机械加工精度 零件加工表面的尺寸、形状和位置都是通过机械加工方法获得的，实际加工时获的尺寸、形状和位置不可能的绝对准确，与理想零件或多或少存在有差异。 1、加工精度： 零件加工后，实际几何参数与理想几何参数的接近程度。实际值越接近理想值，加工精度越高。 在满足使用性能前提下，允许实际几何参数与理想参数的偏差就是公差。,2、加工误差 在加工中由于受各种因素的影响，不可能也不必要把零件做得绝对准确，总有大小不同的偏差。加工误差指零件加

2、工后实际几何参数与理想几何参数的偏离程度。 加工精度和加工误差是从两个不同角度评价零件加工后几何参数。加工精度的高低通过加工误差的大小来表示。保证和提高加工精度，就是限制和降低加工误差。 加工精度：包括尺寸精度、形状精度和位置精度 1）尺寸精度：实际尺寸与理想零件尺寸之间符合程度。 2）形状精度：实际形状与理想零件各表面形状之间的符合程度。 3）位置精度：各表面实际位置与理想位置的符合程度。,三者之间相互联系。通常形状公差限制在位置公差之内，位置公差限制在尺寸公差之内。 尺寸精度要求很高时，形状精度和位置精度要求也高。但形状精度要求很高时，位置精度和尺寸精度不一定要求很高。 对于一个零件，加工

3、后的尺寸、形状和位置误差如果在图纸规定公差范围内，则加工精度满足要求，即为合格品，如超出公差范围则为不合格品。 研究加工精度的目的：弄清各种原始误差对加工精度的影响规律。掌握控制加工误差的方法，达到进一步提高加工精度的目的。,二、影响机械加工精度的原始误差及分类,为什么会产生加工误差？引起零件产生加工误差的因素较多，如机床、刀具、夹具、工件本身。 造成零件加工误差的因素称原始误差。 原始误差有两个方面： 1）工艺系统的原有误差：加工前已存在。如机床误差、刀具误差、夹具误差、定位误差、测量误差，以及定位和调整误差。工艺系统本身存在的误差会不同程度的反映到被加工零件上去。 2）工艺系统的动误差：在

4、加工过程中，工艺系统的受力变形、受热变形、磨损和残余应力等。这些因素破坏工艺系统原有精度。,1. 装夹误差： 定位误差：定位基准与设计基准不重合引起的定位误差。 定位基准：端面6，止口，定位销5 设计基准：顶面3 夹紧误差：夹紧力作用在顶面3，可能引起变形。,2. 调整误差：对工艺系统调整不准确引起的误差。如夹具的安装与调整、刀具的对刀调整 3.加工：加工过程中由于力、热引起的变形，以及刀具、夹具的磨损，产生加工误差。这类误差称为动误差。 此外，还有测量误差、内应力引起的误差。加工一般零件，测量误差占工件公差的1/5-1/10,精密加工占1/3,三、误差敏感方向,由于原始误差的大小和方向各不相

5、同，而加工误差则在工序尺寸方向上测量，当原始误差的方向与加工误差的方面一致时，对加工精度影响最大。 对加工精度影响最大的误差方向称误差敏感方向，通常为加工表面的法线方向。,四、研究加工精度的方法,1、单因素分析法 研究某一确定因素对加工精度的影响，通过分析计算、测试实验得出某因素与加工精度的关系。在分析某一因素时,不考虑其他因素的影响. 2、统计分析法 加工一批零件，运用数理统计的方法进行数据处理，从中判断误差的性质，找出其出现的规律。 如用调整法加工时，同时增大,或同时减小。试切法加工时，轴的尺寸偏大，孔的尺寸偏小。 生产中两种方法同时应用，先用统计分析法，找出误差出现的规律，初步判断产生误

6、差的原因，再用单因素法，找出影响加工精度的主要因素。,五、全面质量管理,（一）概念： 一个组织以质量为中心，以全员参与为基础，目的在于通过让顾客满意和本组织所有成员及社会受益而达到长期成功的管理途径。 强调组织的所有职能均纳入质量管理的范畴，一个组织必须以质量为中心。 （二）基本观点： 1）质量第一的观点 产品质量的好坏关系到企业的生存和发展。 2）一切为顾客服务的观点 顾客的要求就是产品质量的目标，也是检验产品质量好坏的客观标准。 全面质量管理将这一思想推广，企业后续工序是前道工序的顾客。企业的每个人要明确自己的下道工序。,3）质量形成于生产全过程的观点 与产品全生命周期的每个阶段有关，包括

7、设计、原材料、设备、工艺和加工等。产品质量不是检验出来的，是制造出来的。 4）质量好坏凭数据说话的观点 质量分析时要有准确的数据。 5）预防为主，防检结合的观点 将质量管理的工作重点从事后把关转移到事前预防，从对产品结果的控制转移到对质量形成因素的控制。（三检制，持证上岗） 6）是一种以人为本的管理 充分调动人的积极性，发挥人的创造性。产品质量不仅要让顾客满意，而且要让本组织每个职工满意。 7）是一种突出质量改进的动态性管理,3.2 工艺系统几何精度对加工精度的影响,加工原理误差是指采用了近似的成型运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。,式中 R 球头刀半径； h 允许的残留高度。,例1：

8、在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件,一、加工原理误差,例5： 用成形齿轮铣刀铣削齿轮,采用近似的成形运动或近似的刀刃轮廓，往往可简化机床结构或刀具形状，或可提高加工效率，甚至可以提高加工精度。因此，在实际生产中是允许存在的。,例2：曲面数控加工,例3：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮,例6：在车床上加工外圆,由螺旋线构成圆柱面.,例4：由于滚刀齿数有限,加工出的齿形是由折线断组成的,而非光滑的渐开线,二、调整误差 机械加工时，必须对工艺系统进行调整，由于调整过程的不准确引起的误差，称为调整误差。 不同的调整方式有不同的误差来源。,（一）试切法调整,先试切小部分加工表面，测量所得尺寸，再按要

9、求的尺寸调整刀具，然后再试切再测量，在满足尺寸要求后，再切削整个待加工表面。 试切-测量-调整-试切 特点：生产率低，只适用于单件小批生产。试切法可以获得很高的加工精度，但与工人的技术水平有关。 试切法引起调整误差的因素主要有三个：,2）测量部位，目测和估计不准的影响,由此可以看出，当一定时，D越大，则测量误差越大,1、测量误差。 1）测量工具本身精度的影响 测量工具本身不可能做得绝对准确,3）测量过程所使用的对比标准、其它测量工具的精度和数学运算精度的影响。 如果精密量块、三针和弓高弦长规有误差，则影响测量精度。计算公式如果精度不同，也会影响测量结果。,2、机床进给机构的位移误差,影响进给精

10、度的因素主要是进给机构的爬行 爬行:使刀具的实际位移与刻度盘显示值不一至。 ）,3、试切与正式切削切削厚度不同的影响,切削过程中切削刀具的刃口半径不同，其最小切削层厚度也不一样。切削厚度太小，会产生打滑，失去切削能力，也会产生加工误差。另外，切削厚度不同，切削力大小也不同，产生的切削变形也不一样，从而影响刀具和工件的相对位置，同样会引进加工误差。 精加工外圆时，实际加工尺寸比试切尺寸要小； 粗加工外圆时，实际加工尺寸比试切尺寸要大。,（二）调整法,按试切的工件尺寸、标准件或对刀块调整刀具位置，使其相对于工件定位基准的位置准确，然后加工一批工件。 特点：生产率高，适用于成批或大量生产。 调整法以

11、试切为依据，影响试切法的因素对调整法同样有影响。 影响调整精度的因素还有： 1）定程机构误差 刀具的弹性变形和行程挡块受力变形 2）样件或样板的误差 样件本身的制造误差、安装误差和对刀误差 3）测量有限试件所造成的误差 工艺系统调整以后，一般需要试切几个工件取其平均值作为调整依据，由于试切件数有限，也会造成误差。,三、机床误差,机床误差包括,机床制造误差,安装误差,磨损,机床误差中对加工精度影响较大的误差主要有,导轨误差,主轴回转误差,传动链误差,1、导轨导向精度对加工精度的影响 导轨精度主要有以下几方面要求： 导轨在水平面内的直线度 导轨在垂直面内的直线度 导轨间在垂直面内的平行度 导轨与主

12、轴轴线的平行度 不同加工方法，导轨误差对加工精度的影响不同。主要考虑误差敏感方向的误差,（一）机床导轨误差,1）车床导轨误差对加工精度的影响 a、导轨在水平面内的直线度误差：发生在被加工表面的法线方向上（误差敏感方向），对加工精度影响大。 b、导轨在垂直面内的直线度误差：发生在被加工表面的切线方向上（非误差敏感方向）对零件加工精度影响小。可见导轨在垂直面内的直线度误差对加工精度影响小。 c、在垂直面内的平行度误差：前向导轨扭曲，刀架产生摆动，刀尖成形运动轨迹成空间曲线使工件产生形状误差.,车床和外圆磨床此误差不可忽略,2）刨床导轨误差对加工精度的影响 误差敏感方向为垂直方向，导轨在垂直面内的直

13、线度误差，对加工精度影响大。引起加工表面直线度和平面度误差。 3）平面磨床导轨误差对形状精度的影响 砂轮架和工作台导轨在垂直面内的直线度误差及平行度误差，发生在被加工面的法线方向（误差敏感方向），对加工精度影响大，而在水平面内的直线度误差（非误差敏感方向）对加工精度影响小。,4）镗床导轨误差对加工精度的影响 由于其误差敏感方向随主轴回转而变化，因此在水平面内和垂直面内的直线度误差对加工精度均有影响。 当镗床用镗杆进给时，导轨不直或与主轴轴线不平行，会引起孔的轴线与基准产生位置误差，但不会产生孔的形状误差。 如果用工作台进给，当导轨不直时，会引起加工孔的轴线不直。 如果导轨与主轴轴线不平行时，则

14、加工出的孔呈椭圆形。a/b=cosa,导轨与主轴回转轴线位置误差对加工精度的影响,2、其他因素对导轨精度的影响 1）机床的安装 因安装不正确而引起的导轨误差远远大于制造误差，特别是重型机床(龙门刨、落地镗），在自重的作用下引起的变形很大，对地基有严格的要求 2）导轨的磨损 磨损是造成导轨误差的另一个重要因素，车床前导轨每年的磨损量0.04-0.05mm,如果是粗加工，磨损量可达每年0.1-0.2mm,如果加工铸铁,磨损更大.,1）设计时，要从结构、材料、润滑和防护方面采取措施提高导轨精度； 2）安装时校正好水平，保证地基质量； 3）使用时及时调整导轨间隙，润滑良好及时维护。,3、提高导轨精度的

15、主要措施,（二）机床主轴的回转误差,（1）回转误差的概念 机床主轴用于安装刀具或工件，因此机床主轴的回转精度直接影响工件的形状精度、位置精度和表面粗糙度。理论上主轴轴线是固定的，但实际上由于受多种因素的影响主轴轴线是漂移的。 主轴回转误差：是指主轴的实际回转轴线相对于理想回转轴线的变动量。 由于理想回转轴线无法确定其位置，常用平均回转轴线代替。,主轴回转轴线运动误差包括：,1）径向圆跳动 主轴实际回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量； 2）轴向圆跳动 主轴实际回转轴线相对于平均回转轴线在轴线方向的变动量； 3）倾角摆动 主轴实际回转轴线相对于平均回转轴线成一定角度的运动。,不同加工方法，和

16、不同主轴回转误差所引起的加工误差不同。 1）主轴轴向圆跳动 加工外圆：对圆柱面的加工精度没有影响, 加工端面：会使加工的端面与轴线不垂直。如果回转一周，跳动一次，则加工出的端面近似为螺旋面。 加工螺纹：使螺距产生周期误差,2、主轴回转误差对加工精度的影响：,tan=A/R,2）主轴径向圆跳动对加工精度的影响,考虑最简单的情况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖的坐标值为：,式中 R 刀尖回转半径； 主轴转角。,上式为椭圆参数方程。圆度误差为e。,Y,X,使工件产生圆度误差。加工方法不同，影响程度不同。,镗孔,径向跳动对车外圆精度影响,仍考虑最简单的情

17、况，主轴回转中心在X方向上作简谐直线运动，其频率与主轴转速相同，幅值为2e。则刀尖运动轨迹接近于正圆。,结论：主轴径向跳动影响加工表面的圆度误差, 车外圆,X,Y,分两种情况： A：几何轴线相对于平均轴线在空间成一个锥角的圆锥轨迹。无论是车还是镗都得到一个正圆锥 B：几何轴线在某个平面内作角摆动 对车而言，在垂直于轴线的横截面内都是正圆，整个表面是一个圆柱。 对镗孔而言，在垂直于轴线的横截面内，形成椭圆，整个表面则为一个椭圆柱。 实际加工出来的零件是上述三个误差的合成，既影响圆柱面的形状精度，也影响端面的形状精度。,3）倾角摆动误差,3、影响主轴回转精度的因素：,（1）轴承误差的影响 A：主轴

18、为滑动轴承 轴承误差主要是主轴颈和轴承内孔的圆度误差和波度 i 工件类回转机床（车床） 切削力方向不变，主轴颈以不同部位与轴孔的固定部位接触，回转精度取决于轴颈的形状精度（圆度、波度），而轴承孔的精度影响较小。如主轴颈存在椭圆误差，则主轴回转一周，径向跳动两次。,影响主轴轴线漂移的因素有：轴承精度、轴承间隙、主轴精度、床头箱主轴孔精度等。,ii 刀具类回转机床（镗床） 作用在主轴上的力,其大小和方向不断变化，主轴颈以固定部位与轴承孔的不同部位接触，因此主轴孔的精度对主轴回转精度影响大，而轴颈的精度对回转精度影响较小，如果轴承孔有椭圆误差则主轴回转一周，轴线跳动一次。,上面分析适用于单油楔动压轴

19、承，如果采用多油楔动压轴承，几个油楔将主轴推向中心，油膜刚度也提高，因而主轴回转精度较高。此时影响主轴回转精度的主要因素是轴颈的圆度。,对于静压轴承，油膜压力与转速无关，且油腔对称分布，且厚度变化引进的漂移小，同时油膜厚度较厚，可起到均化误差的作用，因而回转精度高。,B:主轴为滚动轴承,i 滚道误差： 对于工件类回转机床（车）： 轴承内环外滚道的圆度误差对回转精度影响大。 对于刀具类回转机床（镗）：轴承外环内滚道的圆度误差对回转精度影响大。 ii 滚动体尺寸误差：滚动体的尺寸误差引起主轴径向跳动，当最大滚动体通过承载区主轴回转轴线跳动一次。 iii 滚道有波纹：内外环滚道有波纹会引起主轴产生高

20、频振动. iiii 前后轴承内环滚道与内孔偏心不会影响主轴的回转精度，但会造成加工面与基准面的位置误差。 配合零件和装配质量也影响主轴的回转精度。,（2）轴承间隙的影响 轴承间隙过大，会使主轴工作时油膜厚度增大，油膜承载能力降低。当载荷变化时，油膜厚度变化大，主轴轴线的漂移增大。 （3）与轴承配合零件误差的影响 由于轴承内外圈和轴瓦都是薄壁零件，受力后容易变形，因此对轴颈和箱体孔的精度要求较高。 与轴承圈端面配合的零件,如轴肩、过渡套、端盖和螺母的端面与轴线的垂直度均有要求，如果不垂直，轴承圈倾斜，会造成主轴的径向跳动和轴向跳动。前后轴承孔的同轴度也有要求。,（4）主轴转速的影响 由于主轴部件

21、质量和不平衡，机床的各种随机振动，随主轴转速增高而增大。机床只在某个转速范围内精度较高。 （5）主轴系统径向不等刚度和热变形 主轴系统的刚度在不同的方位不同，当所受外力方向变化时，变形不一样，从而使主轴产生漂移。 机床工作时，主轴系统温度升高，使主轴产生径向和轴向位移.,（1）提高主轴部件的制造精度 提高轴承的回转精度，采用高精度的滚动轴承，或采用高精度的多油楔动压轴承或静压轴承。提高轴承孔及相关零件的制造精度，或通过误差补偿。 （2）对滚动轴承预紧。预紧不仅可消除轴承间隙、而且可以提高轴承刚度。 改进滑动轴承结构，采用短三瓦自位轴承，减小轴承间隙提高回转精度。 用于外圆磨床。,4、提高主轴回

22、转精度的主要措施,1）采用固定顶尖加工（即死顶尖） 用固定顶尖定位，可保证加工时零件的瞬时回转轴线不变。使工件的回转精度不再受主轴回转精度的影响。要求两顶尖孔形状精度高且两固定顶尖同轴。 因此，在零件加工前应先研磨顶尖孔，在成批生产中采用专用的铣端面打顶尖孔机床。,用镗模镗箱体孔,（3）使主轴回转误差不体现在工件上,2）采用无心磨削加工,加工精密零件时，其形状精度要求有时超出了现有设备的加工能力，采用无心磨削 无心磨削使工件的回转精度不再受主轴回转精度的影响。如磨削轴承的内外圈，活塞销等 无心磨可以磨外圆和内孔。对于直径小于100mm的轴承，其圆度误差可控制到0.2-1.5um,砂轮,导轮,托

23、板,工件,（三）机床传动链的传动误差,对于平面、园柱面、锥面及球面，其成形过程对各成形运动间的速度关系没有严格要求，但对于复杂面如螺纹、齿面，在成形过程中，要求各成形运动具有准确的速度关系，这种速度关系的保证靠机床传动链。 1、传动链精度分析 传动链传动误差是指内联系传动链中首末传动元件之间相对运动的误差。是影响螺纹、齿轮精度的主要因素。 例如加工螺纹时，除要求刀具和工件本身的运动精度及相对位置关系外，要求工件回转一周刀具移动一个导程，否则产生螺纹误差。,刀具和工件的速度关系由机床内联系传动链精度来保证，传动键中每个元件(齿轮蜗轮蜗杆丝杆螺母) 对传动精度都有影响。 传动链传动误差可用传动链末

24、端传动元件的转角误差来衡量。处于不同位置的元件，其误差影响程度不同。 如果装在齿轮滚刀轴上的齿轮Z1有转角误差1，则工件产生的转角误差为,以齿轮机床传动链为例：,滚齿时必须保证滚刀与工件两个回转运动之间的速度关系不变。滚刀转一周，工件转一个齿。即：,k1为Z1到末端传动件传动比.也称该元件的误差传递系数.,每个传动元件的制造误差都影响齿轮加工精度，传动链的总误差为各元件误差转化为工作台误差之和。,式中 n 传动链末端元件转角误差； kj 第j 个传动元件的误差传递系数，表明第j个传动元件对末端元件转角误差影响程度，其数值等于该元件至末端元件的传动比； n 传动链末端元件角速度； j 第j 个传

25、动元件转角误差的初相角。,在齿轮加工机床中，带动工件台转动用蜗轮蜗杆机构，加大降速比，可以减小传动元件误差对加工精度的影响。 如分度蜗轮本身有误差，全部传递到工件上 即kn=1 传动链中传动元件的位置不同，对加工精度的影响不同。其中末端传动副的转角误差对加工精度影响最大，加大蜗轮齿数可减小其他传动元件对滚齿精度的影响。,4、减少传动链误差的措施,提高内传动链的传动精度有两种方法：一是减少或消除误差来源，二是进行误差补偿。主要措施有： 1）缩短传动链 传动元件越少,误差来源越少.传动精度越高.如螺纹加工机床，采用更换挂轮进行各种规格的螺纹加工。 2）采用降速传动,加大末端传动副的降速比 传动比越

26、小，特别是末端传动副的传动比小，则传动链中其余传动件的误差对加工精度的影响就越小。 3）提高机床内联系传动链中各元件的加工和装配精度。 内传动链中的传动齿轮一般采用6级或更高级的精度。控制主轴、丝杆和分度蜗轮的制造精度，减小其径向、轴向跳动。 4）采用校正装置,补偿传动误差,图4-31,采用校正装置,补偿传动误差,四、夹具制造误差与磨损,夹具误差主要包括： 1）定位元件、刀具导向元件、分度机构和夹具体等制造误差； 2）夹具装配后，以上元件的工作面间的相对尺寸误差。 3）夹具在使用过程中的磨损。 夹具误差直接影响工作的位置精度和尺寸精度。图2-25 夹具对加工表面的位置误差影响最大。设计时，凡影

27、响工作精度的尺寸应严格控制尺寸。夹具尺寸公差一般取工件相应尺寸的1/2至1/3，粗加工时取1/5至1/10,五、刀具的制造误差与磨损,1、刀具误差对加工精度的影响 刀具种类不同其影响程度不同 1）用定尺寸刀具加工 如钻头、铰刀、键槽铣刀和拉刀等，刀具的制造精度和磨损直接影响零件的加工精度。 2）成形刀具加工 如成形车刀、成形铣刀和成形砂轮，刀具的形状精度直接影响工件的尺寸精度。如果刀具存在安装误差也会影响形状精度。 3）展成刀具 如齿轮滚刀、花键滚刀、插齿刀，其切削刃的形状必须是加工表面的共轭曲线，切削刃的形状误差直接影响加工表面的形状精度。 4）一般刀具 如：车刀、铣刀、镗刀，其制造精度对加

28、工精度无直接影响，这类刀具寿命低，容易磨损。,在切削原理中，刀具磨损主要指后刀面磨损。当刀具磨损到一定程度后失去切削能力。即当磨过大，刀具后角a=0，刀具将无法切削。 在加工精度中，刀具磨损主要是前刀面磨损。当磨损到一定程度后，将影响零件加工精度，称尺寸磨损尺磨。 刀具在使用过程中，不可避免存在磨损。成形刀具磨损直接反映在工件上，造成加工表面的形状误差和尺寸误差；加工大件时，刀具的磨损影响工件的形状精度；用调整法加工时，刀具磨损会扩大工件的尺寸范围。 刀具磨损分三个阶段：初期磨损、正常磨损和急剧磨损。,2、刀具磨损,第三节工艺系统的受力变形对加工精度的影响,一、基本概念,工艺系统加工中受到的力

29、有：,切削力 传动力 惯性力 夹紧力 重力等,工艺系统在这些力的作用下，将产生相应的变形。这种变形将破坏切削刃和工件之间已调整好的正确的位置关系，从而产生加工误差。,（2）在内圆磨床上用横向切入磨孔时，磨出的孔会产生带有锥度的圆柱度误差.,（1）车削细长轴时，工件在切削力作用下的弯曲变形，加工后会产生鼓形的圆柱度误差,（a）,（b）,工艺系统受力变形，不仅影响加工精度，同时还影响表面质量、限制生产效率的提高。,工艺系统刚度：工件加工表面在切削力法向分力Fp的作用下，刀具相对工件在该方向上位移的比值。,工艺系统受力变形主要是弹性变形,工艺系统抵抗弹性变形的能力称工艺系统的刚度。,Y包括其它方向分

30、力所引起的变形，是Ff Fp Fc综合作用的结果。,工艺系统的刚度：,而：,机床、刀具、夹具和工件在各种外力的作用下，都会产生变形。工艺系统的变形为各组成部分的变形之和。,二、工艺系统刚度的计算,当工艺系统比较简单，或某个环节刚度明显较低时 直接用材料力学的有关公式求解. 如：车床卡盘中长棒料车削，简化为悬臂梁,车床两头顶尖间长棒料车削：,E：材料弹性模量 I：截面惯性矩,实验测定,当工艺系统比较复杂,应根据具体情况简化，如车外圆时，刀具变形小，对加工误差的影响小，可忽略；镗孔时，镗杆变形对加工精度影响大，不能忽略，而可忽略工件变形。,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,（一）切削力作用点位置的

31、变化 以车床顶尖加工光轴为例。,1、机床的变形 若工件短粗，则只考虑机床变形：头架、尾座和刀架,当x=0时,当x=L时,当x=L/2时,当 时，,工件最终形状马鞍形：,机床总变形,最小尺寸并不在中间，因为头部和尾部的刚度不相同,2、工件的变形 若车削细长轴，则工件变形必须考虑。,当x=0或L时，yg=0；当x=L/2时,3、工艺系统的总变形 同时考虑机床和工件的变形，则工艺系统总变形和刚度：,工件呈鼓形,（忽略刀具变形）,（二）切削力大小变化引起的加工误差 若毛坯形状误差较大或材料硬度不均匀，则切削力大小随之变化，工艺系统变形也会发生变化，引起工件加工误差。,工件圆度误差：,误差复映系数,误差

32、复映：切削加工时，工件的形状误差或位置误差、毛坯硬度不均匀，会引起切削力大小发生变化，使得加工后的工件仍然具有相应的误差。 成批生产时，毛坯尺寸大小不一致，加工后工件尺寸仍然不一致。 措施：提高系统刚度或增加走刀多次 系统刚度越大，复印系数越小，即前道工序的误差复印到工件上的部分越小。当分几次走刀时，设每次走刀的误差复印系数为1 、2 、3 总的复印系数为 总 = 1 2 3 由于误差复印系数一般是小于1的，故增加走刀次数可减小复印误差。 这是为什么切削时要进行多次走刀的原因。,（三）夹紧力重力引起的加工误差 1、夹紧力的影响 由于工件或夹具的刚度过低，或夹紧位置不当，会引起工件变形而产生加工

33、误差。,磨削薄片零件时，夹紧力引起的变形。,2、重力的影响（大型立车）,着力点不当引起的加工误差,（四）传动力和惯性力对加工精度的影响,1、传动力的影响 采用单爪拔盘带动工件回转时，传动力方向不断变化，工件的瞬时回转中心不再是中心孔。整个工件在空间作圆锥运动，后顶点为圆锥角的顶点，前顶尖带着工件在空间画一个圆。加工出来的工件是一个正圆柱，并不产生加工误差。以前有心脏线形状误差的说法。,2、惯性力的影响: 高速回转时，如质量不平衡,则产生离心力，与传动力一样，其方向也不断变化,引起工件产生形状误差。 周期性变化的惯性力会引起系统的强迫振动。 为消除离心力的影响，通常采用配重的方式加工解决，必要进

34、要降低转速。,四、机床部件的刚度 （一）机床部件刚度的测定 对于刀具和工件，可用力学公式直接计算；机床因组成零件数目多，计算复杂且不准确，常用实验测定。 1、静态测量法. 在非工作状态下，模拟切削时的受力情况，施加静载并测量变形。,其计算刚度为246000N/mm，实测刚度为30000 N/mm，相差8倍，主要是由于有关零件本身的变形和接触变形。,机床刚度曲线的特点: 1)变形与作用力不是线性关系,说明不单独存在弹性变形。 2)加载和卸载曲线不重合,两曲线包容的面积代表加载和卸载过程中的能量损失. 3) 卸载后,曲线回不到原点,说明存在残余变形. 4)部件的实际刚度远小于计算刚度.,2、工作状

35、态测定法 静态测定法只是模拟切削时的切削力，与实际加工情况不一样。工作状态测定法是依据误差复映规律来测定。 用一根刚度很大的心轴，在前、后及中间各车一个台阶，经过一次走刀后，根据其尺寸，可分别计算出床头箱、尾座和刀架的刚度。,左、中、右台阶处的误差复映系数：,H11, H12, H21, H22, H31, H32为预先做出的台阶尺寸， h11, h12, h21, h22, h31, h32为加工后残留误差尺寸，,左、中、右台阶处的刚度：,心轴刚度很大，变形可以忽略，车刀变形也可忽略，列方程组并解之可得主轴箱、尾座和刀架的刚度分别是：,工作状态测定法其不足之处在于，不能测出完整的刚度特性曲线

36、，而且由于材料不均匀引起的切削力变化，和切削过程中的其他随机因素，测量结果存在有一定的误差。,(二)影响机床部件刚度的因素,1、表面的接触变形 刀架实测刚度小于计算刚度的主要原因：组成刀架的各有关零部件不仅本身受力产生变形，而且在连接面之间也产生接触变形。 零件表面存在有宏观几何误差和微观表面粗糙，使实际接触面积小于名义接触面积。外力作用时，产生较大的接触变形，其中既有弹性变形也有塑性变形。这是刚度曲线不呈直线、及与卸载曲线不重合的原因。 抵抗接触变形能力用接触刚度表示 kj=dp/dy 接触刚度随法向载荷的增大而增大 并受接触表面的材料、硬度、表面粗 糙度、几何形状误差等因素的影响。,2、零

37、件间摩擦力的影响 加载时摩擦力阻碍变形发生，卸载时摩擦力阻碍变形减小，使加载和卸曲线不重合。 3、接合面间的间隙 如果存在间隙，较小的外力会产生较大的变形，表现为刚度很低。 4、薄弱零件本身的变形 部件中，刚度薄弱的零件对整个部件刚度的影响很大。如机床溜板中的楔铁。,五、减小工艺系统受力变形对加工精度影响的措施,（一）提高工艺系统刚度 要提高工艺系统刚度，必须提高机床、刀具、夹具和工件的刚度，特别是提高其中刚度最薄弱的部分。 1、合理的结构设计 设计工装时，尽量减少联接面的数目，注意刚度匹配，防止局部低刚度环节出现；合理选择零件结构和截面形状，尽量采用封闭形截面。 2、提高表面接触刚度 1）提

38、高连接表面的形状精度，并降低其表面粗糙度(常用刮研或研磨配合面，增加实际接触面，从而有效地提高接触刚度。) 2）对于固定联接件，装配时采取预紧措施 预紧力可以增加实际接触面积，并提高接触刚度 3）提高工件定位基准面的精度，减小其表面粗糙度数值。,3、采取合理的装夹和加工方式,对细长零件用中心架、跟刀架或前后支承架等措施。也可以采取反向走刀方式。,（二）减小载荷及其变化 合理选择刀具参数和切削用量以减小切削力，将毛坯分组，使加工余量均匀，减少加工过程中切削力的变化。,在箱体和主轴加工中，通常要安排时效处理，其目的是消除残余应力。 残余应力（也称内应力） ：是指在没有外力的作用下，而残存于零件内部

39、的应力。 特点：始终要求处于相互平衡状态。平衡没破坏之前，零件外表没什么变化，一旦失去平衡，内应力重新分布并伴随有变形发生，使工件原有精度丧失。当内应力超过材料强度极限时，会有裂纹产生。 残余应力会使工件处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位的稳定状态转变，转化速度或快或慢，但迟早要转化。这是为什么产品出厂精度下降的原因之一。 残余应力是由于金属内部相邻组织不均匀的体积变化而引起的。体积变化的因素来自于冷加工和热加工。,六、工艺系统残余应力的引起的变形,（一）毛坯制造和热处理过程中产生的残余应力,在铸造、锻造、焊接和热处理过程中，由于冷却速度不同及金相组织变化，会使毛坯内部存在较大的残

40、余应力。 结构越复杂、壁厚相差越大、散热条件越相差越大，则产生的内应力越大。,冷却快的部分产生压应力，冷却慢的部分产生拉应力。,右图零件： 壁厚相同，壁厚薄一些，分开铸造，则不产生内应力； 第一阶段：0t1 均处于弹塑转变温度以上（6200）均为塑性状态，冷却速度不一样，但不会产生内应力。 第二阶段：t1t2 II温度低于6200 处于弹性状态，I、III高于6200 处于塑性状态，铸件按II的曲线规律收缩仍不会产生内应力。 第三阶段：t2t3 均处弹性状态，但I、III的温度高，II的温度低，降到同一温度时，I、III收缩得多，II收缩得少，但两者连在一起收缩相同，故I、III产生拉应力II

41、产生压应力. 如果切断。,产生的拉压应力为：,E越大，产生的残余应力越大，由于钢的弹性模量比铸铁大一倍，因此，同一铸件，用铸钢比用铸铁的内应力大。故选材料尽量选铸铁而不用铸钢。 导轨铸造时，导轨面和床脚冷却快，中间冷却慢，故导轨面产生残余压应力中间为拉应力。,（二）冷校直产生的残余应力 细长零件刚度低，加工时易弯曲，常用校直的方法。加力使其表层超过屈服极限并产生塑性变形。 由于冷校直后工件内部会存在残余应力，不可能长期保持其形状情况，对于高精度丝杆零件不宜采用,而采用多次车削,加时效处理.,（三）机械加工过程中残余应力的产生,机械加工过程中，由于力和热的作用，工件表面层产生塑性变形也会产生相应

42、的残余应力，造成加工后的变形。 如工件磨削发生二次淬火表面产生压应力。 消除残余应力的措施 1）安排消除内应力的热处理工序（时效处理，退火或回火） 2）重要零件粗加工后安排时效处理 3）重要表面粗精加工尽量拉开 4）合理设计结构，使其壁厚均匀，减少毛坏制造的内应力 5）采用热校直的方法,第四节、工艺系统热变形对加工精度的影响,一、概述 工艺系统受热源的影响，机床、刀具、夹具和工件会因温度升高而产生复杂变形，从而改变相对位置，破坏已调整的尺寸，影响刀具和工件相对运动的准确性。热变形对加工精度影响较大，特别是精密和大件加工,热变形引起的加工误差占工件总误差的4070%。 热变形不仅影响加工精度，同

43、时影响生产效率。为减少机床热变形对加工精度的影响，通常需要预热机床，或降低切削用量以减少切削热和摩擦热。有的则要进行粗精加工分开。 工艺系统复杂，影响热变形的因素很多，因此控制和减小热变形对加工精度的影响也比较复杂。,一、概述 在机械加工过程中，工艺系统会产生各种热量，引起温度升高，破坏刀具与工件的正确几何关系和运动关系，造成工件的加工误差。 工艺系统热变形会影响加工精度：精密加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差通常会占到工件加工总误差的4070。 工艺系统热变形会影响加工效率：预热以获得热平衡，或降低切削用量以减少热量，或粗加工后停机以待热量散发后再进行精加工，或增加工序(使粗、精加工分

44、开)等等。 工艺系统复杂，影响热变形的因素很多，因此控制和减小热变形对加工精度的影响也比较复杂。,第四节、工艺系统热变形对加工精度的影响,（一）工艺系统的热源,热变形是因为在加工过程中存在各种热源而引起的 。 热源分为内部热源和外部热源。 传热方式主要有三种：热传导，热对流和热辐射。 1、内部热源 切削热、摩擦热，转化热以热传导的方式传递。,1）切削热 切削过程中所消耗的能量绝大多数转化成切削热。Q=Fcvt 这些热量将传给工件、刀具和切屑。车削加工时，传给工件的热量一般为30%.随着切削速度的提高，传给工件的热量减少，高速时10%。传给刀具的热量相对较少，5%左右，高速时约为1%。,在铣刨加

45、工中，传给工件的热量一般为30%，钻孔和镗孔传给工件的热量为50%； 磨削加工中，传给工件的热量大，约占84%，切屑占4%，砂轮占12%，故容易引起工件表面的温度升高。磨削区域中的温度可达800至1000度。 2）摩擦热 由各运动副相对运动而产生的热量，如齿轮与齿轮、轴与轴承、丝杆与螺母和床鞍与导轨、蜗轮与蜗杆等。 虽然摩擦热相比切削热小很多，但因发生在局部，会引起局部热变形。 3）转化热 由机床动力源的能量消耗所转化的热量，如电机、液压马达和液压系统,4）次生热源：是摩擦热、切削热在机床内部所形成的热源。如摩擦热切削热随冷却液散布到各部位。 2、外部热源 1）环境温度 环境温度发生变化，会引

46、起工艺系统产生热变形。如空气对流、热风、冷风以及地基的温度等。 2）辐射热 阳光、照明及取暖设备产生辐射热。人体的体温也可看成辐射热。 （二）工艺系统的热平衡与温度场 在热源作用下，工艺系统温度升高，同时向外散失热量增强。当单位时间里工艺系统产生的热量和散失的热量相等时，机床达到了热平衡状态。 温度场：由于热源的位置和发热量大小的不同，以及各部的散热条件不一样，各处的温度不同。工艺系统各部分的温度分布，即为温度场。,二、工件热变形对加工精度的影响,工件热形变的主要热源为切削热，外部热源影响较小，但对大型零件和精密零件，外部热源不可忽略。 （一）工件均匀受热情况 对均匀受热情况，主要影响尺寸精度

47、 ，如车、磨外圆时在长度和直径方向的热变形量为 加工盘类、长度较短的轴、套零件时，由于走刀行程短，沿轴线方向的误差可以忽略。 加工长零件时，开始切削温度低，随加工的进行，温度升高直径增大，工件加工冷却后收缩产生圆柱度误差。 Rmax=a*(D/2)*t,一般零件长度尺寸精度要求不高，热变形伸长可不考虑，但对于用顶尖定位的工件，如果顶尖不能轴向位移，工件受顶尖的压力而产生弯曲变形。加工丝杆类零件时，宜用弹性顶尖或液压尾座顶尖。 例：磨长2m的丝杆，若温度升高3度，其热变形量为 L=2000X1.17 X10-5X3=0.07mm 对于6级丝杆其全长最大螺距误差为0.02mm 例：组合机床对工作进

48、行钻、扩、铰一个直径为20的孔，材料为铸铁，钻孔时温升达100度，工件的膨胀量为： D=a*D*t=1.05X10-5X20X100=0.021 冷却后将收缩，收缩量与IT7的公差相当。 为避免粗加工的热变形对精加工的影响，应粗精分开。,式中 X 变形挠度； L，S 工件原有长度和厚度； 工件材料线膨胀系数； t 温升。, （二）工件不均匀受热 在铣、磨平面时，由于单面受热，则产生形状误差。,此值已大于精密导轨平直度要求,结果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。 例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：,三、刀具热变形对加工精度

49、的影响,切削过程中，传入到刀具的热量比较小，但由于刀具体积小，热容量小，因而使得刀具仍有较大的温升（高速钢刀具700-800度，硬质合金达1000度），引起刀具热伸长并造成加工误差 。,A连续切削；B冷却曲线；C间断切削,加工大型零件时，刀具热变形造成几何误差，为减小刀具的热变形，应用合理选择切削用量和刀具几何参数，并进行充分冷却和润滑。,四、机床热变形对加工精度的影响,1、机床热变形的影响 受内外热源的影响，机床温度逐渐升高，由于各部件温升不一样，其变形的大小不同，使机床部件的相对位置和相对运动发生变化，破坏机床原有几何精度，产生加工误差。 机床热平衡：各部件传入的热量与散失的热量基本相等。达到热平衡后，温度不再上升，热变形量也不再继续增加,机床精度相对稳定下来。 热平衡状态的几何精度称热态几何精度。 由于机床各部件体积大，热容量大，因此其温升一般不高。 车床主轴箱温升一般为60 ，磨床温升一般不在大于15-2