第二章加工精度分析与制造质量

加工精度分析与制造质量监控技术重点、难点：加工精度的概念获得规定加工精度的方法影响机械加工精度的工艺因素加工误差的统计分析表面质量对仪器使用性能的影响影响表面质量的工艺因素切削加工过程的振动§2.1基本概念⑴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。⑵加工误差：指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度。①尺寸精度：指加工后零件的实际尺寸与零件尺寸的公差带中心的符合程度；②形状精度：指加工后零件的实际几何形状与理想几何形状的相符合程度；理想的几何形状：绝对平面、绝对圆柱面、绝对圆锥面、绝对渐开面、绝对螺旋面等。学过的形状公差：直线度（一）、平面度（）、圆度（○）、圆柱度（）、线轮廓度（）、面轮廓度（）。③位置精度：指加工后零件有关表面之间的实际位置与理想位置的相符合程度。理想位置：绝对的平行、绝对的垂直、绝对同轴和绝对角度。学过的位置公差：平行度（∥）、垂直度（⊥）、倾斜度（∠）、同轴度（◎）、对称度（）、位置度（）、圆跳动（）、全跳动（）。2.1.2获得规定加工精度的方法(2013.4.1)⑴获得尺寸精度的方法①试切法：②定尺寸刀具法③调整法④数控加工法①试切法：通过试切——测量——调整——再试切的反复过程来获得尺寸精度的方法。其加工精度取决于测量精度和进刀机构精度。试切法可能达到很高的精度，但它费时效率低，且依赖技工水平。试切法适用于单件、小批生产。②定尺寸刀具法用具有一定形状和尺寸的刀具加工，使加工表面得到要求的形状和尺寸。加工精度取决于刀具本身的尺寸精度、磨损和刀具安装，适用于各种类型的生产。例如：钻孔、铰孔、拉孔、镗孔和攻丝等。加工精度比较稳定，几乎与工人技术水平无关，生产率较高。③调整法用择件或首件试切，预先调整好机床、夹具、刀具和工件的相对位置和相互运动关系，再进行加工。加工精度取决于调整精度，适用于成批或大量生产。在应用调整法加工过程中，应根据刀具或砂轮的磨损规律，对机床作定期补充调整，以避免工件尺寸超差。④数控加工法采用数字控制法加工零件时，只要将刀具用对刀装置安装在一定的位置上，依靠软件输入的信息，通过计算机和数字控制装置，就能使数控机床保证刀具和工件间按预定的相对运动轨迹运动，获得所要求的加工尺寸。适用于各种加工类型的零件加工。⑵获得形状精度的主要方法①成形运动法②非成形运动法①成形运动法以刀具的刀尖作为一点，相对工件作有规律的切削运动，从而使零件表面获得所要求形状的加工方法。在生产中，为了提高效率，常用刀具整个刃口来代替刀尖。将成形运动法大致分为以下三类：i)轨迹法ii)成形法iii)展成法（范成法）i)轨迹法让刀具相对于工件作有规律的运动，以其刀尖轨迹获得所要求的表面几何形状。下图所示为车圆锥面。加工精度动画\轨迹法.swfii)成形法用成型刀取代普通刀，成型刀的切削刃就是工件外形。下图所示为用成形法车球面。这种方法可以简化机床，提高生产率。精度取决于成形运动的精度，取决于刀刃的形状精度。加工精度动画\成型法.swfiii)展成法（范成法）利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法称为展成法。展成法所得被加工表面是切削刃和工件作展成运动过程中所形成的包络面，切削刃形状必须是被加工面的共轭曲线。它所获得的精度取决于切削刃的形状和展成运动的精度等。这种方法用于各种齿轮齿廓、花键键齿、蜗轮轮齿的加工，其特点是刀刃的形状与所需表面几何形状不同。例如齿轮加工，刀刃为直线（滚刀、齿条刀），而加工表面为渐开线。展成法形成的渐开线是滚刀与工件按严格速比转动，刀刃的一系列切削位置的包络线。加工精度动画\范成法.swf②非成形运动法定义：通过对加工表面形状的检测，由工人对其进行相应的修整加工，以获得所要求的形状精度。尽管非成形运动法是获得零件表面形状精度的最原始方法，效率相对比较低，但当零件形状精度要求很高（超过现有机床设备所能提供的成形运动精度）时，常采用此方法。例如，0级平板的加工，就是通过三块平板配刮方法来保证其平面度要求的。零件表面形状精度是靠加工过程中对加工表面的积极检验和工人熟练操作技术获得的。到目前为止，对某些复杂的成形表面和形状精度要求很高的表面仍采用非成形运动法。3.获得位置精度的方法①一次安装法②多次安装法①一次安装法有位置精度要求的零件各有关表面是在工件同一次安装中完成并保证的。例如，轴类零件外圆与端面的垂直度、箱体孔系中各孔之间的平行度、垂直度，同一轴线上各孔的同轴度。②多次安装法零件有关表面间的位置精度是由加工表面与工件定位基准面之间的位置精度决定的。例如，轴类零件上键槽对外表面的对称度，箱体平面与平面之间的平行度、垂直度等。i)直接安装法工件直接安装在机床上，从而保证加工表面与定位基准面之间的位置精度。例如，在车床上加工与外圆同轴的内孔，可用三爪卡盘直接安装工件，如图所示。找正安装法可分为直接找正安装和划线找正安装两种。(a)直接找正(b)划线找正直接找正直接找正安装是用划针和百分表或通过目测直接在机床上找正工件位置的装夹方法。上图（a）所示是用四爪单动卡盘装夹套筒，先用百分表按工件外圆A进行找正后，再夹紧工件进行外圆B的车削，以保证套筒的A、B圆柱面的同轴度。划线找正划线找正安装是用划针根据毛坯或半成品上所划的线为基准找正它在机床上正确位置的一种安装方法。如上图（b）所示的车床床身毛坯，为保证床身各加工面和非加工面的位置尺寸及各加工面的余量，可先在钳工台上划好线，然后在龙门刨床工作台上用可调支承支起床身毛坯，用划针按线找正并夹紧，再对床身底平面进行粗刨。iii)夹具安装法：通过夹具保证加工表面与定位基准面之间的位置精度，即用夹具上的定位元件使工件获得正确位置的一种方法。这种方法定位迅速、方便，定位精度高、稳定。但专用夹具的制造周期长、费用高，故广泛用于成批、大量生产中。第二节影响机械加工精度的工艺因素一、方法误差方法误差：亦即理论误差，是指采用了近似的加工方法进行加工而产生的误差。近似的加工方法包括：近似的刀具轮廓，近似的成形运动，近似的传动方式。2.以齿轮滚刀加工齿轮为例，分析出这种方法同时存在两种误差。图1-2-1滚切渐开线齿形①用阿基米德基本蜗杆或法向齿廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆而产生的方法误差。②如图1-2-1所示，由于滚刀的切削刃是直线，切出的齿形并非是一条连续的渐开线，而是由折线组成的近似渐开线齿形。3.存在方法误差的必要性采用近似的加工原理，在保证一定加工精度的前提下，可以大大简化加工工艺过程，简化机床、刀具等工装结构，降低制造费用，由于简化了机床结构，减少了运动环节及其误差。二、机床误差主轴回转误差机床误差包括机床导轨误差机床传动链误差㈠机床主轴回转误差轴向窜动误差：主轴实际回转轴线的位置作纯轴向偏移；径向跳动误差：主轴实际回转轴线作纯径向偏移与由主轴轴线角摆动所引起的径向偏移之和。1.主轴使用滑动轴承时的结构中，影响主轴回转精度的主要因素是主轴轴颈或轴承内径的圆度误差以及它们之间的配合情况。①径向跳动的影响i)工件回转类机床（如车床、磨床）上，主轴轴颈的圆度误差对主轴径向跳动影响较大，而轴承内径的圆度误差对主轴径向跳动影响较小，如图1-2-2所示。因为在这种情形下，切削力（或磨削力）的方向基本不变，主轴在切削力的作用下，主轴颈以不同的部位和轴承内径的某一固定部位相接触，故而主轴轴颈的圆度误差对主轴径向跳动影响较大，而轴承内径的圆度误差对主轴径向跳动影响较小。ii)刀具回转类机床（如镗床）上，轴承内表面的圆度误差对主轴径向跳动影响较大，而主轴颈圆度误差的影响则不大，如图1-2-3所示因为在此情形下，切削力方向随着主轴回转而变化，主轴颈在切削力作用下总是以某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，故而轴承内表面的圆度误差对主轴径向跳动影响较大，而主轴颈圆度误差的影响则不大。②轴向窜动的影响主轴的轴向窜动主要是由主轴轴颈的轴向承载面和主轴箱体孔轴承承载面的精度所引起；并且决定于轴承承载端面和主轴轴颈的轴向承载面这两者中精度较高的一个，只要两者中有一个精度非常高，则主轴的轴向窜动就可以非常小。如图1-2-4所示。图1-2-4主轴轴颈与轴承的配合情况2.当机床主轴是使用滚动轴承结构时，主轴回转精度不但取决于滚动轴承本身的精度，而且在很大程度上和配合件的精度有关。①对径向跳动的影响因素很多，主要由外圈与箱体孔的配合情况，内圈与主轴轴颈的配合情况，内外圈滚道的圆度、外圈滚道对外圆的同轴度，内圈滚道对内孔的同轴度，以及滚动体的形状精度和尺寸一致性等。i)内外圈滚道的圆度误差和滚道相对于轴承内孔的偏心引起的径向跳动最大。对工件回转类机床，内圈滚道的精度影响较大；对刀具回转类机床，外圈滚道的精度影响较大。ii)内外圈滚道的波纹度对主轴产生高频的径向跳动，如图1-2-5所示iii)滚动体的形状精度和尺寸一致性也会造成主轴的径向跳动，如图1-2-6所示。图1-2-5滚动轴承滚道波纹图1-2-6滚动轴承的滚动体对回转精度的影响尺寸差对回转精度的影响双转跳动保持架转速约为内环转速的1/2，即每当主轴回转两周，主轴轴线就径向跳动一次，所谓的双转跳动。②对轴向窜动的影响：决定于两个滚道的精度和滚动体的精度（如图1-2-7）图1-2-7滚动体的形状误差和尺寸不一致对轴向窜动的影响i)两个滚道与轴线的垂直度对主轴轴向窜动的影响与滑动轴承相似主轴的轴向窜动决定于两者中精度较高的一个，如果其中的一个滚道精度非常高，则主轴的轴向窜动量将很小。ii)滚动体的形状误差和尺寸一致性会影响主轴的轴向窜动，其中形状误差会造成轴向间隙的变化，尺寸的不一致会造成少数滚动体承载，刚度降低而易于变形。3.在装配前、后轴承时，不正确的装配方法会引起较大的径向跳动。在下图1-2-8中：图1-2-8不同装配方法引起的不同精度效果L——前后轴承跨距a——主轴前支承至测量界面距离ea——主轴前支承的跳动量eb——主轴后支承的跳动量由图1-2-8（a）可得：aLeLeebcbaLaeLaebac)1(由图1-2-8（b）可得：aLaeecbcaLaeLaebac)1(0c欲使条件为：LaeLaeba)1(LaeLaeba)1(由此式可知，为了减小主轴的径向跳动误差，装配时应保证：①前后轴承的最大跳动量ea、eb应在同一轴向截面内，且应在同一轴侧；②eaeb，即前轴承的精度高于后轴承；③滚动轴承预紧情况良好。㈡机床导轨误差在水平面内的直线度机床导轨的精度在垂直面内的直线度前后导轨在垂直面内的平行度1.在水平面内的直线度误差△1△1将使刀尖在水平面内产生位移，造成工件在该处半径方向上产生误差△R1，由下图1-2-9可知（针对车床而言）：图1-2-9车床导轨在水平面内不直度引起的误差△R1＝△1由此式可知，导轨在水平面内的直线度误差△1直接反映在被加工工件表面的法线方向上。由于水平面内直线度误差△1的存在，使得刀具在整个切削过程中，刀尖的运动轨迹不能与轴线保持平行，就会产生鞍形或鼓形加工误差。2.在垂直面内的直线度误差△2车床导轨的△2将使刀尖在垂直面内产生误差，由此引起工件在该处半径方向产生相应误差△R2，如图1-2-10所示，刀尖由a点降至b点，所降距离为△2，由图可得关系：图1-2-10车床导轨在垂直面内不直度引起的误差因为很小，所以可以忽略，那么有：现设，，则：22222RRR0222222RRRR22RDRR2222mm1.021mmD40mmR1.011mmDR00025.0401.02222可见，也就是说，在垂直面内的直线度误差对加工精度影响很小，可以忽略不计，而水平面内的直线度误差对加工精度的影响很大，不能忽视。214