【大学课件】机械加工精度.ppt

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1、第七章 机械加工精度,优质、高产、低消耗是企业发展的必由之路。 优质就是高的产品质量。 高产就是生产效率高。 低消耗就是成本低。 产品的质量与零件的加工质量、产品的装配质量密切相关，而零件的加工质量是保证产品质量的基础。它包括零件的加工精度和表面质量两方面。 零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度。,第一节 机械加工精度概 述,http:/ 位置绝对平行、垂直、同 轴等； 尺寸位于公差带中心。,http:/ 获得形状精度的方法,3. 获得位置精度的方法,http:/ 工艺系统受力变形引起的误差 工艺系统热变形引起的误差 工件的残余应力引起的误差 伺服进给系统位移误差等,http:/

2、 工艺系统的几何误差,一、原理误差,原理误差是指由于采用了近似的加工方法、近似的成形运动或近似的刀具轮廓而产生的误差。,例如滚齿用的齿轮滚刀，就有两种误差，一是为了制造方便，采用阿基米德蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的刀刃齿廓近似造形误差；二是由于滚刀切削刃数有限，切削是不连续的，因而滚切出的齿轮齿形不是光滑的渐开线，而是折线。 成形车刀、成形铣刀也采用了近似的刀具轮廓。 采用近似的成形运动和刀具刃形，不但可以简化机床或刀具的结构，而且能提高生产效率和加工的经济效益。,http:/ 磨损 安装,主轴回转误差 导轨误差 传动链误差,http:/ 垂直面内的直线度 前后导轨的平行度（扭曲）,现以卧式

3、车床为例，说明导轨误差是怎样影响工件的加工精度的。,http:/ R=y,由此可见：床身导轨在水平面内如果有直线度误差，使工件在纵向截面和横向截面内分别产生形状误差和尺寸误差。,当导轨向后凸出时，工件上产生鞍形加工误差； 当导轨向前凸出时，工件上产生鼓形加工误差。,http:/ 导轨在水平面内直线度误差,http:/ RZ2/d,（2）导轨在垂直面内直线度误差的影响,设：Z=Y=0.01mm ，R=50mm ， 则由于法向原始误差而产生的加工误差 R= Y =0.01mm, 由于切向原始误差产生的加工误差 R Z2/d =0.000001mm 此值完全可以忽略不计。由于Z2数值很小，因此该误差

4、对工件的尺寸精度和形状精度影响甚小。,http:/ 导轨在垂直面内直线度误差,R,d/2,http:/ ，可忽略不计。,结论：,图7-3 龙门刨床导轨垂直面 内直线度误差 1刨刀 2工件 3工作台 4床身导轨,http:/ yH/B 一般车床H2B/3，外圆磨床HB，因此该项原始误差对加工精度的影响很大。,http:/ 车床导轨扭曲对工件形状精度影响,http:/ 纯径向跳动 纯角度摆动,实际上主轴回转误差是上述三种形式误差的合成。由于主轴实际回转轴线在空间的位置是在不断变化的，由上述三种运动所产生的位移（即误差）是一个瞬时值。,http:/ 方向不变,镗床,车床,加工时误差敏感 方向和切削力

5、方 向随主轴回转而 不断变化,（2）主轴回转误差对加工精度的影响,http:/ 假设由于主轴的纯径向跳动而使轴线在y坐标方向作简谐运动（图7-5），其频率与主轴转速相同，简谐幅值为A； 则: Y = Acos （ t） 且主轴中心偏移最大（等于A）时，镗刀尖正好通过水平位置1处。 当镗刀转过一个角时（位置1），刀尖轨迹的水平分量和垂直分量分别计算得： y=Acos+Rcos=(A+R)cos Z=Rsin 将上两式平方相加得: y2/(A+R)2+Z2/R2=1 表明此时镗出的孔为椭圆形。,http:/ 镗孔时纯径向跳动对加工精度的影响,http:/ 这样，上述四点工件的直径都相等，其它各点直

6、径误差也很小，所以车削出的工件表面接近于一个真圆。 Y2+Z2=R2+A2Sin2,由此可见，主轴的纯径向跳动对车削加工工件的圆度影响很小。,http:/ 车削时纯径向跳动对加工精度的影响 1-理想工件位置 2-实际工件位置,http:/ 主轴每转一周，要沿轴向窜动一次，使得切出的端面产生平面度误差（图7-7）。当加工螺纹时，会产生螺距误差。,http:/ 主轴轴向窜动对端面加工精度的影响,http:/ 车外圆：得到圆形工件，但产生圆柱度误差（锥体） 车端面：产生平面度误差 镗孔时，由于主轴的纯角度摆动 使得主轴回转轴线与工作台导轨不平行，使镗出的孔呈椭圆形，如图7-8所示。,主轴纯角度摆动对

7、加工精度的影响，取决于不同的加工内容。,http:/ 主轴纯角度摆动对镗孔精度的影响,http:/ 车螺纹的传动误差示意图 S工件导程；T丝杠导程；Z1Z8各齿轮齿数,http:/ 1 1n=i1n1,Z2 2 2n=i2n2,Zn n nn=innn,在任一时刻，各齿轮的转角误差反映到丝杠的总误差为：,传到丝杠上的转角误差为1n，即：,http:/ 2）提高传动件的制造和安装精度，尤其是末端零件的精度。 3）尽可能采用降速运动，且传动比最小的一级传动件应在最后。 4）消除传动链中齿轮副的间隙。 5）采用误差校正机构,http:/ 丝杠加工误差校正装置 1工件 2螺母 3母丝杠 4杠杆 5校正

8、尺 6触头 7校正曲线,http:/ 镗刀和面铣刀等）的制 造误差对加工精度没有 直接影响，但磨损后对 工件尺寸或形状精度有 一定影响,定尺寸刀具（如钻 头、铰刀、圆孔拉刀等） 的尺寸误差直接影响被 加工工件的尺寸精度。 刀具的安装和使用不当， 也会影响加工精度。,成形刀具（如成形车 刀、成形铣刀、盘形齿 轮铣刀等）的误差主要 影响被加工面的形状精 度,展成法刀具（如齿轮 滚刀、插齿刀等）加工齿 轮时，刀刃的几何形状及 有关尺寸精度会直接影响 齿轮加工精度,三、工艺系统其它几何误差,http:/ 车刀的尺寸磨损,图例 车刀磨损过程,http:/ 1）定位元件、刀具导向元件、分度机构、夹具体等零

9、件的制造误差。 2）夹具装配后，以上各种元件工作面间的相对尺寸误差。 3）夹具在使用过程中工作表面的磨损。（图例） 工件的安装误差包括定位误差和夹紧误差。具体内容在机械制造装备课程中讲述。,2、夹具误差和工件安装误差,http:/ 钻孔夹具误差对加工精度的影响,http:/ 行程挡块、靠模、凸轮 作为定程机构，其制造 精度和调整精度产生调 整误差,样件、样板的制造精度 和安装精度、对刀精度 产生调整误差,测量误差 进给机构位移误差（爬 行现象） 加工余量的影响（余量 很小时，刀刃打滑）,影响工件在机床上 占有正确的加工位置,http:/ 工艺系统受力变形引起的加工误差,工艺系统受力变形现象,h

10、ttp:/ 受力变形对工件精度的影响 a) 车长轴 b） 磨内孔,由此看来，为了保证和提高工件的加工精度，就必须深入研究并控制以至消除工艺系统及其有关组成部分的变形。,http:/ 背向力Fp （旧标准中为径向切削分力Fy）与工艺系统在该方向上的变形yxt的比值，即 kxt=Fp/yxt,注意：这里变形yxt是总切削力的三个分力Fc、Fp、Ff（旧标准中为Fz、Fy、Fx）综合作用的结果。,1. 工艺系统刚度的概念,http:/ 在Fc力作用下引起的变形y与Fp方向相反（图b）。,负刚度现象对保证加工质量是不利的，此时车刀的刀尖将扎入工件（扎刀）的外圆表面，引起刀具的破损和振动，应尽量避免。,

11、http:/ 车削加工中的负刚度现象,http:/ yxt= yjc+ydj+yjj+ygj kxt=Fp/yxt, kjc= Fp/yjc ， kdj= Fp/ydj , kjj= Fp/yjj， kgj= Fp/ygj 工艺系统刚度的一般式为： kxt= 1/(1/kjc+1/ kdj+1/ kj+1/ kgj),若已知工艺系统各组成部分的刚度（即环节刚度），就可以求出工艺系统的刚度。,http:/ 机床部件刚度特点,机床结构复杂，组成的零部件多，各零部件之间有不同的联接和运动方式，因而机床部件的刚度问题就比较复杂。它的计算至今还没有合适的方法，需要通过实验来测定。 下图为单向加载时车床刚

12、度测定示意图。主轴部件、尾座及刀架的变形可分别从千分表2、3和6读出。 这种方法测得的y方向位移是背向力Fp作用下引起的变形。,http:/ 单向静载测定车床刚度 1心轴 2、3、6千分表 4测力环 5螺旋加力器,图车床刀架部件的刚度曲线 一次加载 二次加载 三次加载,http:/ 背向力Fp与刀架变形ydj不是线性关系。 2） 加载曲线与卸载曲线不重合。 3） 加载曲线与卸载曲线不封闭（卸载后 由于存在残余变形，曲线回不到原点）。 4）部件的实际刚度远比按实体结构的估计 值小。,图7-15是以Fp为纵坐标，刀架变形ydj为横坐标的某车床刀架部件的刚度实测曲线。实验中进行了三次加载卸载循环，由

13、图可以看出，机床部件的刚度曲线有以下特点：,http:/ 薄弱零件本身的影响（图716） 接合面间的间隙 接合面间摩擦力的影响,http:/ 触 刚 度,实验研究表明，两个相接触的表面间受力作用时，两表面的接触变形y是表面压强p的递增函数（图）。 因此，机床部件接合表面间刚度可较确切地用接触刚度来表示，即压强的微分dp与位移的微分dy的比值称为接触刚度kj kj =dp/dy,http:/ 表面接触变形与压强的关系,http:/ 机床部件刚度的薄弱环节 a) 溜板中的楔铁 b) 轴承套,http:/ yw=Fp(L-x)2x2/3E I L (7-18) 从上式的计算结果和车削的实际情况都可证

14、实，切削后的工件呈鼓形，其最大直径在通过轴线中点的横截面内。,1） 工件的刚度及其变形,http:/ 工件短而粗,即此时工艺系统刚度主要取决于机床刚度,当刀具切削到工件的任意位置 C时（图7-17示），工艺系统的总变形 y系统为： yxtyx+y刀架 通过推证可知工艺系统在工件切削点处的变形量为: y系统=Fp1/k刀+1/k头(L-x/x)2+1/k尾(x/L)2 (7-16) 可以看出 : y系统 =f(x)，是一个二次抛物线方程，变形大小随刀具在x方向位置变化,使车出的工件呈抛物线形状（图718）。,http:/ 工艺系统受力变形随切削位置而变化,http:/ 刚度变化造成工件误差 1理

15、想的工件形状； 2k头k尾时车出的工件形状,http:/ Y系统=Fp1/k刀架+1/k头(L-x/x)2+1/k尾(x/L)2 +(L-x)2x2/3EIL 工艺系统的刚度为 Kxt=Fp/yxt=1/ 1/k刀架+1/k头(L-x/x)2+1/k尾(x/L)2 +(L-x)2x2/3EIL 可以看出 Kxt=f(x) 由于在工件加工的不同位置， Kxt不同，使加工后工件的径向尺寸不同，从而产生形状误差。,http:/ 大小变化引起的加工误差（误差复映）,在加工过程中，由于工件加工余量或材料硬度不均匀，都会引起背向力的变化，从而使工艺系统受力变形不一致而产生加工误差。,以车削短圆柱工件外圆为

16、例，如图7-19所示。,由于毛坯存在的圆度误差m=ap1-ap2 引起了工件产生圆度误差w=y1 -y2 且m越大，w越大，这种由于工艺系统受力变形的变化而使毛坯椭圆形状误差复映到加工后工件表面的现象称为“误差复映”。,http:/ 毛坯形状误差复映,http:/ 、vc 分别为进给量、背吃刀量和切削速度；,式中,与切削条件有关；,指数；,，所以,在一次走刀加工中，切削速度、进给量及其它切削条件设为不变，即,C为常数，在车削加工中，,即,http:/ 一般1,经加工之后工件的误差比加工前的误差减小,经多道工序或多次走刀加工之后,工件的误差就会减小到工件公差所许可的范围内。 若经过n次走刀加工后

17、，则误差复映为 w=12nm 总的误差复映系数 z=12n,http:/ z=n,增加走刀次数,可减小误差复映,提高加工精度,但生产率降 低了。 提高工艺系统刚度，对减小误差复映系数具有重要意义。 毛坯的各种形状误差（圆度、圆柱度、同轴度、平面度等）都会以一定的复映系数，复映成工件的加工误差。 毛坯材料的不均匀，HB有变化，同样会引起背向力的变化，产生加工误差，分析方法同误差复映规律。,讨论：,http:/ 单爪拨盘传动下工件的受力分析,http:/ 单爪拨盘传动下工件的变形分析,http:/ 因此可采用配重平衡的方法来消除这种影响，必要时亦可适当降低主轴转速，以减小离心力的影响。,http:

18、/ 机床部件自重引起地横梁变形,http:/ 套筒夹紧变形误差 工件 开口过渡环,http:/ 薄片工件的磨削 毛坯翘曲 b) 电磁工件台吸紧 c) 磨后松开，工件翘曲 d) 磨削凸面 e) 磨削凹面 f) 磨后松开，工件平直,http:/ 接触刚度,（2）提高零部 件刚度减小受力 变形,（3）合理安 装工件减小 夹紧变形,4减少摩擦防止微量进给时的“爬行”,五、减小工艺系统受力变形的措施,（5）合理使 用机床,（6）合理安排 工艺，粗精分开,（7）转移或 补偿弹性变形,减少工艺系统受力变形,通过提高导轨等 结合面的刮研质 量、形状精度并 降低表面粗糙度， 都能增加接触面 积，有效地提高 接触

19、刚度。预加 载荷，也可增大 接触刚度,加工细长轴时， 采用中心架或 跟刀架来提高 工件的刚度。 采用导套、导 杆等辅助支承 来加强刀架的 刚度。,对刚性较差 的工件选择 合适的夹紧 方法，能减 小夹紧变形， 提高加工精度,采用塑料滑动导轨，其摩擦特性好，有效防止低速爬行，运行平稳，定位精度高，具有良好的耐磨性、减振性和工艺性。此外，还有滚动导轨和静压导轨。,http:/ 工艺系统热变形引起的加工误差,（一）概 述,工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形，从而破坏工件与刀具间正确的相对位置，造成加工误差。,据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%70%。工艺系统的热变形不仅严

20、重地影响加工精度，而且还影响加工效率的提高。 实现数控加工后，加工误差不能再由人工进行补偿，全靠机床自动控制，因此热变形的影响就显得特别重要。 工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的一个重大研究课题。,http:/ 工艺系统的热源,电机、轴承、齿轮、油泵等,工件、刀具、切屑、切削液,气温、室温变化、热、冷风等,热源,日光、照明、暖气、体温等,http:/ 工艺系统的热平衡,工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐升高。同时，它们也通过各种传热方式向周围散发热量。,当单位时间内传入和散发的热量相等时，工艺系统达到了热平衡状态。 而工艺系统的热变形也就达到某种程度的稳定。,http:/ 分布称

21、为温度场, T=f( x , y, z ,t ),当物体未达热平 衡时，各点温度 不仅是坐标位置 的函数，也是时 间的函数。这种 温度场称为不稳 态温度场,物体达到热平衡后， 各点温度将不再随 时间而变化，只是 其坐标位置的函数。 这种温度场称为 稳态温度场,http:/ 因此，精密加工应在热平衡状态下进行。,在生产中，必须注意:,http:/ 车、铣、钻、镗类机床,主轴箱中的齿轮、 轴承摩擦发热、 润滑油发热。,（图）,http:/ 车床的热变形,http:/ 种 磨 床,砂轮主轴轴承的发热和液压系统的发热,（图例）,（图例）,http:/ a) 原滑枕截面图 b)原滑枕热变形示意图 c)

22、滑枕热对称结构,http:/ 1床身 2导轨 3工件 4砂轮 5砂轮架 6螺母,http:/ 工件均匀受热,对于一些形状简单、对称的零件，如轴、套筒等，加工时（如车削、磨削）切削热能较均匀地传入工件，工件热变形量可按下式估算：,L=Lt 式中 工件材料的热膨胀系数，单位为1/； L工件在热变形方向的尺寸，单位为mm； t工件温升，单位为。,http:/ 例,在精密丝杆加工中，工件的热伸长会产生螺距的累积误差。 在较长的轴类零件加工中，将出现锥度误差。,例如：在磨削400mm长的丝杠螺纹时，每磨一次温度升高1，则被磨丝杠将伸长 L=1.1710-54001mm=0.0047mm 而5级丝杠的螺距

23、累积误差在400mm长度上不允许超过5m左右。 因此，热变形对工件加工精度影响很大。,http:/ 工件不均匀受热,在刨削、铣削、磨削加工平面时，工件单面受热，上下平面间产生温差，导致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生了中凹，造成了几何形状误差。,工件凸起量f可按图例所示图形进行估算。由于中心角很小，其中性层的长度可近似认为等于原长L，则 f =L/2 tan(/4）L/8 且 （R+H）-R =tL = tL/H 所以 f tL2/8H,http:/ 薄板磨削时的弯曲变形,http:/ 曲线A 车刀连续工作时的热伸长曲线； 曲线B 切削停止后，车刀温度下降曲线；

24、 曲线C 传动作间断切削的热变形切削。,车外圆时，车刀热变形会使工件产生圆柱度误差（喇叭口）。加工内孔又如何？,http:/ 车刀热变形曲线 1 刀具加热至热平衡时间 2 刀具加热至热平衡时间 0 刀具间断切削至热平衡时间,http:/ 采用热对称结构 2) 合理选择机床零部件的 安装基准(图7-35),寻求各部件热变形的规 律建立热变形位移数字 模型并存入计算机中进 行实时补偿,加工前使机床高速空转， 达到热平衡时再切削加工,1）减小温差； 2）均衡关键件的温升，避免 弯曲变形（如图所示）,恒温车间、使用门帘、取暖装置均匀布置； 恒温精度一般控制在1以内，精密级较 高的机床为0.5。恒温室平

25、均温度一般为 20，在夏季取23，在冬季可取17,2均衡温度场,3改进机床布局和结构设计,4保持工艺系统的热平衡,5控制环境温度,6.热位移补偿,http:/ 采用隔热罩减少热变形,http:/ 用热空气均衡立柱前后壁的温度场,http:/ 车床上主轴箱两种结构的热位移,http:/ 工件残余应力引起的加工误差,（一）内应力的产生及其对加工精度的影响,什么是残 余 应 力,残余应力是指在没有外部载荷的情况下，存在于工件内部的应力，又称内应力。,产生原 因,残余应力是由金属内部的相邻宏观或微观组织发生了不均匀的体积变化而产生的，促使这种变化的因素主要来自热加工或冷加工。,http:/ 在内应力变

26、化的过程中，零件产生相应的变形，原有的加工精度受到破坏。 用这些零件装配成机器，在机器使用中也会逐渐产生变形，从而影响整台机器的质量。,http:/ 铸件残余应力引起的变形,图7-36所示为一个内外壁厚相差较大的铸件，在浇铸后的冷却过程中产生残余应力的情况。,http:/ 象,原 因,在外力F的作用下，工件内部的应力重新分布，如图7-31b所示，在轴心线以上的部分产生压应力（用负号表示），在轴心线以下的部分产生拉应力（用正号表示）。在轴心线和两条虚线之间，是弹性变形区域，在虚线以外是塑性变形区域。,冷校直工艺方法是在一些长棒料或细长零件弯曲的反方向施加外力F以达到校直目的，如图7-31a所示。,http:/ 响,措 施,当外力F去除后，弹性变形本可完全恢复，但因塑性变形部分的阻止而恢复不了，使残余应力重新分布而达到平衡，如图7-31c所示。,对精度要求较高的细长轴（如精密丝杠），不允许采用冷校直来减小弯曲变形，而采用加大毛坯余量，经过多次切削和时效处理来消除内应力，或采用热校直。,http:/