机械制造工艺学第二章机械加工精度及其控制

第二章机械加工精度及其控制概述工艺系统的受力变形对加工精度的影响工艺系统的几何精度对加工精度的影响工艺系统的热变形对加工精度的影响加工误差的统计分析提高和保证加工精度的途径第一节概述零件的加工质量是保证机械产品工作性能和产品寿命的基础。衡量加工质量的指标有两方面机械加工精度加工表面质量一、机械加工精度和加工误差在机械加工过程中，由于各种因素的影响，使刀具和工件间的正确位置发生偏移，因而加工出来的零件不可能与理想的要求完全符合，两者的符合程度可用机械加工精度和加工误差来表示。从保证产品的使用性能分析，没有必要把每个零件都加工得绝对准确，可以允许有—定的加工误差，只要加工误差不超过图样规定的偏差，即为合格品。是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。1、机械加工精度2、加工误差是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的偏离程度。加工精度越高，则加工误差越小，反之越大。加工精度的高低是以国家有关公差标准来表示的。保证和提高加工精度实际上就是限制和降低加工误差。3、机械加工精度包含的内容尺寸精度形状精度位置精度机械加工精度三者之间的关系：（1）当尺寸精度要求高时，相应的位置精度和形状精度也要求高。形状公差应限制在位置公差内，位置公差应限制在尺寸公差内。（2）当形状精度要求高时，相应的位置精度和尺寸精度不一定要求高。4、加工精度与加工成本和生产效率的关系一般地，加工精度要求↑，加工成本↑，生产效率↓。5、原始误差零件的尺寸、几何形状和表面间的相互位置的形成，归根到底取决于工件和刀具在切削过程间的相互位置。由于工艺系统存在各种原始误差，它们以不同的方式和程度反映为加工误差。由此可见：在机械加工时，机床、夹具、刀具和工件构成工艺系统。所以，工艺系统误差称为原始误差。工艺系统误差是“因”，是根源；加工误差是“果”，是表现。二、影响机械加工精度的原始误差及分类三、误差的敏感方向在加工过程中，各种原始误差的影响会使刀具和工件间正确的几何关系遭到破坏，引起加工误差，各种原始误差的大小和方向各不相同，而加工误差则必须在工序尺寸方向度量。因此，不同的原始误差对加工精度有不同的影响。当原始误差的方向与工序尺寸方向一致时，其对加工相度的影响最大。如图，车削时工件的回转轴线为o，刀尖正确位置在A。设某一瞬时由于各种原始误差的影响，使刀尖位移到A’，AA’即为原始误差δ，它与OA间的夹角为φ，由此引起工件加工后的半径由R0＝OA变为R＝OA’，故半径上的加工误差△R为：当原始误差的方向恰为加工表面的法向方向(φ＝0°)时，引起的加工误差最大；可以看出：当原始误差的方向恰为加工表面的切线方向(φ＝90°)引起的加工误差最小。把对加工精度影响最大的那个方向称为误差的敏感方向，对加工精度影响最小的那个方向则称为误差的不敏感方向。2220000'2coscos2ROAOARRRR四、研究加工精度的方法四、研究加工精度的方法分析研究某一个或某几个因素对加工精度的影响。通常分析、计算、测试、实验，得出单因素与加工误差间的关系。以生产一批工件的实例结果为基础，运用数理统计方法进行数据处理。用以控制工艺过程的正常进行，当发生质量问题时可以从中判断误差性质，找出误差出现的规律。11、单因素分析法、单因素分析法22、统计分析法、统计分析法实际生产中，两种方法常常结合应用。先用统计分析法寻找误差的出现规律，初步判断加工误差的可能原因，再适用单因素法分析，试验，以便迅速有效地找出影响加工精度的主要原因。回首页加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的切削刃轮廓进行加工而产生的误差。一、加工原理误差如：1、在数控机床上采用“行切法”加工复杂形面。XYZRshRhs8第二节工艺系统的几何精度对加工精度的影响2、车削模数蜗杆由于蜗杆的螺距等于蜗轮的齿距(即πm，其中m是模数，而π是一个无理数3.14159…)，但是车床配换齿轮的齿数是有限的。因此，在选择配换齿轮时，只能将π化为近似的分数值计算，这样就会引起刀具相对工件的成形运动(螺旋运动)不准确，造成螺距误差。但是，这种螺距误差可通过配换齿轮的合理选配而减小。滚齿加工用的齿轮滚刀有两种误差：一是切削刃齿廓近似造形误差，由于制造上的困难，采用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆；二是由于滚刀刀齿数有限，实际上加工出的齿形是一条折线，和理论上的光滑渐开线有差异。3、滚齿加工注意：采用近似的成形运动或近似的切削刃轮廓，虽然会带来加工原理误差，但往往可简化机床或刀具的结构，提高生产效率，有时反而能得到较高的加工精度。因此，只要其误差不超过规定的精度要求、在生产中仍能得到广泛的应用。二、调整误差在机械加工的每一工序中。总是要对工艺系统进行这样或那样的调整工作不可能绝对地准确，因而产生调整误差。工艺系统的调整的基本方式(1)试切法调整(2)调整法调整(1)试切法调整应用：单件小批生产中。方法：对工件进行试切—测量—调整—再试切，直到达到要求的精度为止。1)测量误差。由量具本身精度、测量方法及使用条件引起。2)进给机构的位移误差。在微量调整刀具的位置、低速微量进给中，常常出现进给机构的“爬行”现象，其结果使刀具的实际位移与刻度盘上的数值不一致、造成加工误差。3)试切时与正式切削时切削层厚度不同的影响。精加工时，切削刃只起挤压作用而不起切削作用，但正式切削时的深度较大工件。引起调整误差的因素有：(2)调整法在成批、大量生产中，广泛采用试切法（或样件、样板）预先调整好刀具与工件的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持这种相对位置不变来获得所要求的零件尺寸。影响调整精度的因素有：1）上述影响试切法调整精度的因素，因为采用调整法对工艺系统进行调整时，也要以试切为依据。2）用定程机构调整时，调整精度取决于行程挡块、靠模及凸轮等机构的制造精度和刚度。3）用样件或样板调整时，调整精度取决于样件或样板的制造、安装和对刀精度。4）工艺系统初调好以后，—般要试切几个工件，并以其平均尺寸作为判断调整是否准确的依据。由于试切加工的工件数(称为抽样件数)不可能太多，不能完全反映整批工件切削过程中的各种随机误差，故试切加工几个工件的平均尺寸与总体尺寸不能完全符合，也造成加工误差。三、机床误差机床的制造误差、安装误差以及使用中的磨损都直接影响工件的加工精度。机床误差可归纳为：机床导轨导向误差机床主轴回转误差机床传动链的误差机床误差(一）机床导轨导向误差机床导轨是实现直线运动的主要部件，其制造和装配精度是影响直线运动的主要因素，直接影响工件的加工质量。导轨在水平面内直线度误差Δy导轨在垂直面内直线度误差Δz导轨面间平行度（扭曲）误差δ导轨对主轴回转轴线的平行度或垂直度误差直线导轨导向精度的主要内容有：1)导轨在水平面内直线度误差的影响minmaxmaxyRyyRyΔΔΔΔΔ2)导轨在垂直面内直线度误差的影响DzRz/)(2ΔΔ3)导轨面间平行平行度（扭曲）误差的影响如车床两导轨的平行度误差(扭曲)使床鞍产生横向倾斜，刀具产生位移，因而引起工件形状误差。BHHyRr/(二）机床主轴的回转运动误差1、主轴回转运动误差的概念理想回转中心：机床主轴做回转运动时，主轴的各个截面必然有它的回转中心，在主轴的任一截面，主轴回转时若只有一点速度始终为零，则这一点即为理想回转中心。瞬时回转中心：主轴在实际回转过程中，在一个位置或时刻的回转中心，称为瞬时回转中心，主轴各截面瞬时回转中心的连线叫瞬时回转轴线。主轴的回转运动误差：是指主轴的瞬时回转轴线相对其平均回转轴线(瞬时回转轴线的对称中心)，在规定测量平面内的变动量。变动量越小，主轴回转精度越高；反之越低。2．主轴回转运动误差的形式端面圆跳动（轴向漂移）径向圆跳动（径向漂移）角度摆动（角向漂移）主轴的回转运动误差的基本形式注意：实际中常是这几种误差的合成。端面圆跳动——瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的轴向运动。它主要影响端面形状和轴向尺寸精度。径向圆跳动——瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线方向的径向运动。它主要影响圆柱面的精度。角度摆动——瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角度，但其交点位置固定不变的运动。在不同横截面内，轴心运动误差轨迹相似，它影响圆柱面与端面加工精度。3.主轴回转误差对加工精度的影响（1）端面圆跳动1）对圆柱面的加工无影响；2）对加工端面的影响3）对螺纹加工的影响如图（a）如图（b）（2）径向圆跳动使工件产生圆度误差，但影响程度因加工方法的不同而异。1)镗孔时设原始误差：主轴径向回转误差表现为y向简谐运动。h=AcosΦ在任一时刻刀尖a的位置为：分析：这是椭圆的参数方程，加工出的孔呈椭圆形，圆度误差为A。径向跳动对镗孔精度影响A2)车削时车刀刀尖到平均回转轴线Om的距离R为定值，实际回转轴线O1相对于Om的变动径向跳动对车外圆精度影响12345678A4.主轴回转运动误差的影响因素轴承的误差轴承的间隙与轴承配合零件的误差主轴系统的径向不等刚度和热变形等影响主轴回转运动误差的主要因素（a）采用滑动轴承工件回转类机床（车床）：主轴轴颈误差反映到工件上刀具回转类机床（镗床）：轴承孔内圈表面的圆度误差将反映到工件上(1)轴承误差的影响（b）采用滚动轴承工件回转类机床（车床）：轴承内环外滚道的几何形状误差反映到工件上刀具回转类机床（镗床）：外环内滚道误差反映到工件上（相当滑动轴内圆面）(2)轴承间隙的影响(3)与轴承配合的零件误差的影响(4)主轴转速的影响(5)主轴系统的零件径向不等刚度和热变形误差的影响5．提高主轴回转精度的措施(1)提高主轴部件的制造精度首先应提高轴承的回转精度选用高精度的滚动轴承采用高精度的多油楔动压轴承采用高精度的静压轴承提高箱体支承孔的加工精度主轴轴颈的加工精度与轴承相配合表面的加工精度其次应提高轴承组件的接触刚度常采用两个固定顶尖支承，主轴只起传动作用。工件的回转精度完全取决于顶尖和中心孔的形状误差和同轴度误差，而提高顶尖和中心孔的精度要比提高主轴部件的精度容易且经济得多。(2)对滚动轴承进行预紧可消除间隙增加轴承刚度均化滚动体的误差(3)使主轴的回转精度不反映到工件上对滚动轴承适当预紧微量过盈可使轴承内、外圈和滚动体的弹性变形相互制约，这样既增加轴承刚度，又对滚动体的误差起均化作用，因而可提高主轴的回转精度。外圆磨床磨削外圆柱面时，采用固定顶尖支承。在镗床上加工箱体类零件上的孔时，采用前、后导向套的镗模，刀杆与主轴浮动联接，所以刀杆的回转精度与机床主轴回转精度也无关，仅由刀杆和导套的配合质量决定。三、机床传动链误差是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差。在螺纹加工或用展成法加工齿轮等工件时，必须保证工件与刀具间有严格的运动关系，传动链的传动误差是影响其加工精度的主要因素。1.传动链的传动误差例如：在滚齿机上用单头滚刀加工直齿轮时，要求滚刀与工件之间具有严格的运动关系：滚刀转一转，工件转过一个齿。这种运动关系是由刀具与工件间的传动链来保证的。由于各传动件在传动链中所处的位置不同，它们对工件加工精度(即末端件的转角误差)的影响程度是不同的。如传动链是升速传动，则传动元件的转角误差将被扩大；反之，则转角误差将被缩小。如图所示的机床传动系统，可具体表示为9614646232323231664)(fcdgnii2．传动链误差的传递系数传动链误差一般可用传动链末端元件的转角误差来衡量。11119614646232323231664kiifcn假设滚刀轴均匀旋转，若齿轮Z1有转角误差Δφ1，而其他各传动件无误差，则传到末端件所产生的转角误差Δφ1n为：由于所有的传动件都存在误差，因此，各传动件对工件精度影响的总和ΔφΣ为各传动元件所引起末端元件转角误差的叠加：同理，可求得其它齿轮转角误差Δφi，对末端件所产生的转角误差为Δφin。如果考虑到传动链中各传动元件