4机械加工质量

第4章机械加工质量本章要点机械加工中的振动影响加工精度的因素影响机械加工表面质量的因素工艺系统几何误差工艺系统受力变形工艺系统热变形加工误差的统计分析机械制造技术基础第4章机械加工质量MachiningQuality4.1机械加工质量概述IntroductiontoMachiningQuality4.1.1机械加工误差与机械加工精度加工质量机械加工表面变质层材料性能方面的质量－表面波度－振动产生械加工表面粗糙度微观几何形状误差－机机械加工误差位置误差形状误差尺寸误差宏观几何误差表面几何方面的质量机械加工质量机械加工质量的三个内容：机械加工精度机械表面加工质量机械加工表面变质层4.1.1机械加工误差与机械加工精度加工质量◆零件宏观几何形状误差、表面波度、表面粗糙度a）波度b）表面粗糙度图4-1零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ宏观几何形状误差（平面度、圆度等）—波长/波高＞1000表面波度—波长/波高=50～1000；且具有周期特性(因加工中的振动形成)表面粗糙度——波长/波高＜50◆加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度。加工精度尺寸精度形状精度位置精度(通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内)4.1.1机械加工误差与机械加工精度机械加工精度4.1.2机械加工表面质量及其对零件使用性能的影响机械加工表面质量残余应力加工硬化加工表面变质层表面粗糙度机械加工表面质量图4-2加工变质层模型表4-1加工表面变质层的构成情况4.1.2机械加工表面质量及其对零件使用性能的影响★影响耐磨性Ra（μm）初始磨损量重载荷轻载荷图4-3表面粗糙度与初始磨损量表面粗糙度值↓→耐疲劳性↑适当硬化可提高耐疲劳性表面粗糙度值↓→耐蚀性↑表面压应力：有利于提高耐蚀性表面粗糙度值↑→配合质量↓表面粗糙度值↓→耐磨性↑，但有一定限度（图4-3）★影响疲劳强度★影响耐蚀性★影响配合性质纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好适当硬化可提高耐磨性机械加工表面质量对使用性能的影响★影响接合面的密封性表面粗糙度值↑→密封性↓★影响运动平稳性★影响噪声引起加工误差的根本原因是工艺系统存在着误差，将工艺系统的误差称为原始误差。原始误差与工艺系统原始状态有关的原始误差(几何误差)与工艺过程有关的原始误差(动误差)原理误差定位误差调整误差刀具误差夹具误差机床误差工艺系统受力变形（包括夹紧变形）工艺系统受热变形刀具磨损测量误差工件残余应力引起的变形工件相对于刀具静止状态下的误差工件相对于刀具运动状态下的误差主轴回转误差导轨导向误差传动误差原始误差——原始误差分类原始误差构成4.1.3机械加工工艺系统的原始误差4.1.4误差敏感方向图4-5：ΔRΔYΔR=ΔX202YYRR（4-1）XRX（4-2）显然：XYRR工艺系统原始误差方向不同，对加工精度的影响程度也不同。对加工精度影响最大的方向，称为误差敏感方向。误差敏感方向一般为已加工表面过切削点的法线方向。图4-5误差敏感方向ＯYXa）ＯYXb）误差敏感方向4.1.5机械加工精度的获得方法◆试切法尺寸精度的获得方法形状精度的获得方法◆成形运动法轨迹法、展成法和成形刀具法◆非成形运动法利用人工对加工表面进行检测和修整，以获得所要求的形状精度。位置精度的获得方法◆一次装夹法◆多次装夹法◆非成形运动法利用人工对加工表面进行检测和修整，以获得所要求的位置精度。◆尺寸刀具法◆调整法◆自动控制法机械制造技术基础第4章机械加工质量MachiningQuality4.2工艺系统原有误差对加工精度的影响及控制OriginalerrorofTechnologicalSysteminfluencetomachiningPrecisionanditsControl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。4.2.1加工原理误差对加工精度的影响及其控制式中R——球头刀半径；h——允许的残留高度。例2：用阿基米德蜗杆滚刀滚切渐开线齿轮例1：在数控铣床上采用球头刀铣削复杂形面零件Sh空间曲面数控加工8SRh加工原理误差4.2.2量具误差与测量误差对加工精度的影响及其控制计量器具误差是由示值误差、示值稳定性、回程误差和灵敏度等四个方面综合起来的极限误差。测量者的视力、判断能力、测量经验；相对测量或间接测量中所用的对比标准、数学运算精确度；单次测量判断的不准确等。量具误差测量误差4.2.3装夹误差与夹具误差对加工精度的影响及其控制利用夹具装夹工件进行加工时，造成工件加工表面之间尺寸和位置误差的因素主要有：工件装夹误差△ZJ包括定位误差△DW和夹紧误差△JJ。夹紧误差是夹紧工件时引起工件和夹具变形所造成的加工误差。夹具对定误差△DD包括对刀误差△DA和夹具位置误差△JW。30±0.05φ6F7φ10F7k6H7g6YZ图4-7钻径向孔的夹具在夹具设计时，对于结构上与工件加工精度有关的技术要求都要严格。一般精加工用夹具的有关尺寸公差取工件相应尺寸公差的1/2~1/3；粗加工时取1/5~1/10。4.2.3装夹误差与夹具误差对加工精度的影响及其控制定位误差是由基准位置误差和基准不重合误差组成。为减小定位误差，应尽量选用工序基准作为定位基准，并要求夹具定位元件和工件定位基准面的制造误差。一般应将定位误差控制在≤1/3工件尺寸或位置公差。夹紧误差是夹具和工件在夹紧力的作用下发生变形而带来的加工误差。通常夹具的变形影响很小，可忽略不计。对刀误差产生于对刀导引元件的制造、装配和使用过程。将影响刀具相对于定位元件位置的准确性和一致性，造成一批工件的加工误差。4.2.4刀具误差与调整误差对加工精度的影响及其控制刀具的制造与安装精度刀具刃口质量直接影响微量切削。定尺寸刀具（钻头、绞刀等）尺寸误差影响加工尺寸误差成形刀具和展成刀具形状误差影响加工形状误差刀具磨损影响加工尺寸误差或形状误差为提高成形刀具的刃磨和安装精度，可采用光学曲面磨床进行精确刃磨，通过对刀样板或对刀显微镜，实现成形刀具的准确安装。在分度转位刀架上安装刀具加工时，应注意尺寸减少分度误差对加工精度的影响。(误差敏感方向对加工精度的影响)图4-8立轴转塔车床刀架转位误差的转移刀具的调整4.2.4刀具误差与调整误差对加工精度的影响及其控制生产中常用的刀具调整方法有：按标准样块或对刀块(导套)调整刀具按试切一个工件后的实测尺寸调整刀具。在成批及大量生产的调整法加工中，零件加工后的尺寸精度很大程度上取决于刀具的调整精度。按标准样块或对刀块(导套)调整刀具，影响刀具调整精度的因素：标准样板本身的尺寸精度、对刀块(导套)相对工件定位元件之间的尺寸精度、刀具调整时的目测精度、切削加工时刀具相对于工件加工表面的弹性退让、行程挡块的受力变形。按试切一个工件后的实测尺寸调整刀具时，可能导致进给机构的重复定位精度和按试切一个工件尺寸调整刀具的不准确性，引起加工后这批零件尺寸分布中心位置的偏离。可采用试切几个工件取平均值的方法进行刀具调整，提高对一批工件尺寸分布中心位置判断的准确性。4.2.4刀具误差与调整误差对加工精度的影响及其控制微量进给精度提高微量进给机构的主要措施：尽量传动链，减小传动丝杠的长径比，消除各传动元件间的间隙，以提高进给机构的传动刚度；采用滚珠丝杠螺母副、滚动导轨副或静压导轨，使用性能优越的导轨材料和润滑油，以减小进给机构各传动副间的摩擦力和静、动摩擦系数差；合理布置传动机构的结构布局，防止运动部件受扭侧力矩而增大摩擦阻力。采用新型的微量进给原理，如电致伸缩微量进给机构、尺蠖(huò)机构、摩擦驱动机构等。4.2.5机床几何误差对加工精度的影响及其控制机床的几何精度传动精度运动间位置关系精度直线运动精度回转运动精度机床主轴回转精度的高低，以在规定测量截面内，主轴一转或数转内诸回转中心相对于其平均位置(平均轴线)的变动范围来衡量。回转运动精度主轴回转误差主轴回转时实际回转轴线与理想回转轴线的偏移量。主轴回转精度的三种形式b）主轴轴向窜动a）主轴径向跳动c）主轴角度摆动图4-10主轴回转误差形式回转运动精度径向跳动产生径向跳动的原因主要是轴承副的制造误差。根据不同的主轴部件布置情况影响支加工精度。主轴轴承为滑动轴承时，主轴轴颈的误差将在回转过程中引起轴线产生瞬时变化，造成径向跳动。4.2.5机床几何误差对加工精度的影响及其控制图4-11采用滑动轴承时主轴径向跳动分析主轴轴承为滚动轴承时，影响径向跳动的因素：外环与箱体孔间的配合质量内环与主轴轴颈的配合质量外环滚道和内环滚道的圆度外环滚道对其外圆的同轴度内环滚道对其内孔的同轴度轴承装配引起的受力变形滚动轴承间隙滚动体的形状及尺寸的一致性回转运动精度4.2.5机床几何误差对加工精度的影响及其控制★由于存在误差敏感方向，加工不同表面时，主轴径向跳动所引起的加工误差也不同。车床上加工外圆、内孔时，主轴径向跳动将引起工件圆度误差，对工件端面加工无影响。4.2.5机床几何误差对加工精度的影响及其控制回转运动精度轴向窜动滑动轴承主轴的轴向窜动，是主轴轴颈的轴向承载面或主轴轴承的承载面与主轴回转轴线间的垂直度误差引起的。滚动轴承主轴的轴向窜动决定于止推轴承两个滚道的精度和滚动体的精度。★根据误差敏感方向分析，车端面时，主轴的轴向窜动将造成工件端面的平面度误差及端面相对于内、外圆的垂直度误差；车削螺纹时会造成螺距误差；主轴的轴向窜动对加工外圆或内孔影响不大。a）b）Δ≈0Δ图4-12止推轴承端面误差对主轴轴向窜动的影响角度摆动4.2.5机床几何误差对加工精度的影响及其控制回转运动精度★角度摆动不仅影响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。车削外圆或内孔时，角度摆动会造成锥度误差；在镗孔时，会使镗出的孔为椭圆形。提高主轴回转精度的措施4.2.5机床几何误差对加工精度的影响及其控制回转运动精度选用高精度的轴承，并提高主轴及箱体的制造精度和主轴部件的装配精度。对高速主轴部件要进行动平衡，对精密滚动轴承要采取预加载荷等工艺措施。采用液体或气体静压轴承，由于无磨损，高刚度（是滚动轴承的5～6倍），以及对主轴轴颈的形状误差的均化作用，可以大幅度地提高主轴回转精度。★轴类零件采用双固定顶尖定位加工，可避开主轴回转精度对加工精度的直接影响，这在精密磨削加工中经常使用。在这种情况下，工件顶尖孔的形状误差成为影响被加工工件形状精度的决定因素，必须对其及时地进行修整。4.2.5机床几何误差对加工精度的影响及其控制直线运动精度机床的直线运动精度主要指导轨的导向精度。准确的直线运动主要取决于：机床导轨的制造精度机床导轨与其工作台间的接触精度机床导轨精度包括：导轨在水平面内的直线度导轨在垂直面内的直线度双导轨间在垂直方向的平行度接触精度以相互配合的导轨面间单位面积接触斑点个数量。机床导轨误差对刀具或工件的直线运动精度有直接影响。它将导致刀尖相对于工件加工表面的位置变化，而对工件的形状精度产生影响。直线运动精度4.2.5机床几何误差对加工精度的影响及其控制△X△XΔx将直接反映在工件加工表面法线方向(加工误差敏感方向)上，误差ΔR=Δx，对加工精度影响最大。刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。导轨在水平面内的直线度4.2.5机床几何误差对加工精度的影响及其控制直线运动精度△Y对卧式车床Δd≈ΔY2/d若设ΔY=0.1mm,d=40mm，则Δd=0.00025mm，影响可忽略不计(加工误差非敏感方向)。而对平面磨床、龙门刨床误差将直接反映在工件上。导轨在垂直面内的直线度4.2.5机床几何误差对加工精度的影响及其控制ΔX图4-13导轨扭曲引起的加工误差δΔRDαBXY双导轨间在垂直方向的平行度直线运动精度nBHXR△n－车床前后纵导轨间存在的平行度误差。★一般车床H/