《汽车制造工艺学》第三章课件

掌握机械加工质量的基本概念影响加工精度、表面质量的因素；了解表面质量对机器零件使用性能的影响。重点：掌握机械加工质量的基本概念及影响加工精度、表面质量的因素。难点：表面质量对机器零件使用性能的影响。本章提要机器产品的质量包括装配质量和零件的加工质量。机械制造工艺的三个指标：质量、生产率、经济性。机械加工质量问题是本课程研究的主要内容之一。一、机械加工精度机械加工质量的基本概念3.1机械加工质量的基本概念加工精度：零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数相符合的程度。符合程度越高则加工精度就越高。加工误差：零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度称为加工误差。加工误差的大小表示了加工精度的高低，加工误差是加工精度的度量。“加工精度”和“加工误差”是评定零件几何参数准确程度的两种不同概念。生产实际中用控制加工误差的方法或现代主动适应加工方法来保证加工精度。加工精度包括三个方面内容：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相符合程度。几何形状精度指加工后的零件表面的实际几何形状与理想的几何形状的相符合程度。位置精度指加工后零件有关表面之间的实际位置与理想机械加工质量的基本概念表面质量是指机器零件加工后表面层的状态。有两部分：二、机械加工表面质量（1）表面几何学特征表面几何学特征是指零件最外层表面的微观几何形状，通常用表面粗糙度、表面波度表示。表面层材质的变化是指一定深度的零件表面层出现与基体材料组织不同的变质情况，主要指表面层冷作硬化（简称冷硬）、由于切削热引起工件表面温升过高，表面层金属发生金相组织变化的现象、表面层残余应力（2）表面层材质的变化加工表面质量的重要性在于：它对机器零件的使用性能以及整部机械的工作性能有很大的影响。三、获得加工精度的方法和经济加工精度机械加工质量的基本概念(一)机械加工中获得工件尺寸精度的方法（1）试切法即经过数次试切、测量，直至达到要求尺寸。（2）定尺寸刀具法用刀具的尺寸保证工件的加工尺寸。（3）调整法预先调整好的刀具位置，然后加工一批工件。（4）自动控制法自动测量在工件达到要求时，自动测量装置使机床自动退刀并停止工作。数字控制尺寸的获得(刀架的移动或工作台的移动)由预先编制好的程序通过计算机数字控制装置自动控制。（二）机械加工获得工件形状精度的方法（1）轨迹法由切削运动中刀尖轨迹形成被加工表面的形状。（2）成形法由成形刀具刀刃的几何形状切削出工件的形状。（3）展成法刀具和工件作展成切削运动时，由刀刃在被加工表面上的包络面形成成形表面。（三）位置精度的获得方法（1）一次装夹获得法零件表面的位置精度在一次安装中，由刀具相对于工件的成形运动位置关系保证。（2）多次装夹获得法通过刀具相对工件的成形运动与工件定位基准面之间的位置关系来保证零件表面的位置精度。（3）非成形运动法利用人工，而不是依靠机床精度，对工件的相关表面进行反复的检测和加工，使之达到零件的位置精度要求。机械加工质量的基本概念（四）经济加工精度机械加工质量的基本概念加工成本与精度的关系在I、Ⅲ段应用此法加工是不经济的。在Ⅱ段，加工方法与加工精度是相互适应的，加工误差与成本基本上是反比关系，可以较经济地达到一定的精度，Ⅱ段的精度范围就称为这种加工方法的经济精度。机械加工质量的基本概念某种加工方法的经济精度，是指在正常的工作条件下(包括完好的机床设备、必要的工艺装备、标准的工人技术等级、标准的耗用时间和生产费用)所能达到的加工精度。与经济加工精度相似，各种加工方法所能达到的表面粗糙度也有一个较经济的范围。各种加工方法所能达到的经济精度、表面粗糙度以及表面形状以及位置精度可查阅《金属机械加工工艺人员手册》。为了获得零件的尺寸、形状和相对位置精度，必须分析研究加工过程中影响加工精度的因素。3.2影响加工精度的因素零件的机械加工是在由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统中进行的。工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。原始误差的存在，使工艺系统各组成部分之间的位置关系或速度关系偏离了理想状态，致使加工后的零件产生了加工误差。原始误差的分类归纳如下。若原始误差是在加工前已存在，即在无切削负荷的情况下检验的，称为工艺系统静误差；若在有切削负荷情况下产生的则称为工艺系统动误差。影响加工精度的因素图7．1为活塞销孔精镗工序中的各种原始误差：由于定位基准不是设计基准而产生的定位误差;由于夹紧力过大而产生的夹紧误差属工件装夹误差；机床制造或使用中的磨损产生的导轨误差属于机床误差；调整刀具与工件之间位置而产生的对刀误差属调整误差；由于切削热、摩擦热等因素的影响而产生的机床热变形属于工艺系统热变形;还有加工过程中的刀具磨损;加工完毕测量工序尺寸时,由于测量方法和量具本身的误差而产生的测量误差。各种原始误差的大小和方向各有不相同，而加工误差则必须在工序尺寸方向上测量。所以原始误差的方向不同时对加工误差的影响也不同。图3．2（或观看动画）以车削为例说明原始误差与加工误差的关系。图中实线为刀尖正确位置，虚线为误差位置。原始误差的方向不同时对加工误差的影响也不同。把对加工误差影响最大的那个方向（即通过刀刃的加工表面的法线方向）称为误差敏感方向。RZR22（3．1）YR（3．2）影响加工精度的因素一、加工原理误差加工原理是指加工表面的形成原理。加工原理误差是由于采用了近似的切削运动或近似的切削刃形状所产生的加工误差。为了获得规定的加工表面，要求切削刃完全符合理论曲线的形状，刀具和工件之间必须作相对准确的切削运动。但往往为了简化机床或刀具的设计与制造，降低生产成本，提高生产率和方便使用而采用了近似的加工原理，在允许的范围内存在一定的原理误差。影响加工精度的因素例如：滚齿就是一种近似的加工方法。由于滚动的齿数是有限的，所以滚切出来的渐开线不是理想的光滑渐开线而是多条趋近于该曲线的折线。车螺纹时，如果螺距具有几位小数，在选择挂轮时，因为挂轮的齿数是固定的，所以往往只能得到近似的螺距。二、机床的制造误差及磨损机床误差是指在无切削负荷下，来自机床本身制造误差、安装误差和磨损，主要包括主轴回转误差、导轨误差、传动链误差。（一）主轴回转误差的概念主轴回转误差的概念理论上机床主轴回转时，回转轴线的空间位置是固定不变的，即它的瞬时速度为零。而实际主轴系统中存在着各种影响因素，使主轴回转轴线的位置发生变化。将主轴实际回转轴线对理想回转轴线漂移在误差敏感方向上的最大变动量称为主轴回转误差。影响加工精度的因素主轴回转误差可分为所示的三种基本类型：如图纯径向跳动：实际回转轴线始终平行于理想回转轴线，在一个平面内作等幅的跳动。纯轴向窜动：实际回转轴线始终沿理想回转轴线作等幅的窜动。纯角度摆动：实际回转轴线与理想回转轴线始终成一倾角，在一个平面上作等幅摆动，且交点位置不变。一、是主轴轴颈与支承座孔的圆度误差，波度和同轴度、止推面或轴肩与回转轴线的垂直度误差。二、是滑动轴承轴颈和轴承孔的圆度、波度和同轴度、端面与回转轴线的垂直度；或滚动轴承滚道的圆度、波度、滚动体的圆度误差和尺寸误差，滚道与轴承内孔的同轴度误差(如图7.4);轴承间隙及止推滚动轴承的滚道与回转轴线的垂直度误差等。影响加工精度的因素不同型式的主轴回转误差对加工精度的影响是不同的；同一类型的回转误差在不同的加工方式中的影响也不相同。如图7.5、7.6、7.7、7.8和表7.1所示。影响主轴回转精度的主要因素主轴回转误差对加工精度的影响主轴回转误差的基本形式车床上车削镗床上镗削内、外圆端面螺纹孔端面纯径向跳动影响极小无影响圆度误差无影响纯轴向窜动无影响平面度误差垂直度误差螺距误差无影响平面度误差垂直度误差纯角度摆动圆柱度误差形响极小螺距误差圆柱度误差平面度误差机床主轴回转误差产生的加工误差影响加工精度的因素影响加工精度的因素举例：在外圆磨床上加工如图的零件，当n1＝2n2，或n1＝n2时，若只考虑主铀回转误差的影响．试分析在图中给定的两种情况下，磨削后工件的外圆应是什么形状?为什么?（二）导轨误差机床导轨是机床主要部件的相对位置及运动的基准，导轨误差将直接影响加工精度。（1）导轨在垂直面内的直线度误差卧式车床或外圆磨床的导轨垂直面内有直线度误差ΔZ如图7.9(a)，使刀尖运动轨迹产生直线度误差ΔZ，由于是误差非敏感方向，零件的加工误差ΔR≈ΔZ2／2R可忽略不计。而平面磨床、尤门刨床这时是误差敏感方向，所以导轨误差将直接反映到被加工的零件上。影响加工精度的因素导轨在水平面内的直线度误差(2)导轨在水平面内的直线度误差卧式车床或外圆磨床的导轨水平面内有直线度误差△Y如图7.9(b)，将使刀尖的直线运动轨迹产生同样的直线度误差ΔY，由于是误差敏感方向，工件的加工误差△R＝△Y，造成零件的圆柱度误差。对平面磨床和龙门刨床，导轨水平方向为误差非敏感方向，加工误差可忽略。导轨的平行度误差BHZYR（7.3）一般车床H/B≈2/3，外圆磨床H/B≈1。因此这项原始误差对加工精度的影响不能忽略。(4)导轨与主轴回转轴线的平行度误差若车床导轨与主轴回转轴线在水平面内有平行度误差，车出的内外圆柱面产生锥度；若在垂直面内有平行度误差，则圆柱面成双曲线回转体如图7.11，因是误差非敏感方向故可忽略。当卧式车床或外圆磨床的前后导轨存在平行度误差(扭曲)时(见图7.10)，刀具和工件之间的相对位置发生了变化，结果引起了工件的形状误差。在垂直于纵向走刀的某一截面内，若前后导轨的平行度误差头△Z，则零件的半径误差为：(3)前后导轨的平行度(扭曲)导轨的平行度误差举例为什么对车床床身导轨在水平面的直线度要求高于在垂直面的直线度要求?而对平面磨床的床身导轨其要求则相反呢?对镗床导轨的直线度为什么在水平面与垂直面都有较高的要求？举例在车床上加工圆盘件的端面时，有时会出现圆锥面(中凸或中凹)或端面凸轮似的形状(如螺旋面)，试从机床几何误差的影响分析造成如图所示的端面几何形状误差的原因是什么?产生图(a)，端面中凸或中凹的主要原因是横进给刀架导轨与主轴回转轴线不垂直．或横导轨在水平面的不直度引起的。产生图(b)端面凸轮状的主要原因是主轴的轴向窜动，或横导轨在水平面的不直度。(三）传动链误差传动链误差传动链误差是指机床内联系传动链始末两端传动元件之间相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。(滚齿机---单线滚刀加工齿轮；滚刀一转—工件一齿)产生的原因是传动链中各传动元件的制造误差、装配误差及磨损等。若传动元件j，在某一时刻产生转角误差是转角的正弦或余弦为：Δφi=Δisin(ωjt+αj)则所造成传动链末端元件n的转角误差：Δφjn=kjΔφj。kj为误差传递系数。各传动件对工件精度影响的总和,即传动链的总转角误差为：Δφ∑=∑Δφjn=∑kjΔisin(ωjt+αj)控制机床误差的措施(四）控制机床误差的措施（1)减小导轨误差的方法：提高刚度、耐磨性；滚动导轨、静压导轨；（2)减小主轴回转误差的方法：滑动轴承、静压轴承；主轴部件做动平衡；（3)防止机床磨损的方法：润滑油；设防护罩；滚动或静压导轨轴承；使用耐磨材料；三、刀具的制造误差及磨损（1)刀具误差对加工精度的影响刀具误差对加工精度的影响随刀具种类不同而异：定尺寸刀具；成形刀具；展成法刀具；普通刀具；刀具磨损引起的误差占总加工误差的比例很大。（2)刀具的磨损分三个阶段第一阶段：时间短(1km）；第二阶段：磨损量与切削路程成正比（30km）；第三阶段：切削刃变钝（切削力变大、工艺系统变形增加)刀具的制造误差及磨损刀具的制造误差及磨损（3)减少刀具磨损对加工误差影响的措施尺寸补偿或调整；根据工件材料选用亲和力小、耐磨的材料，如陶瓷合金、立方氮化硼、人造金刚石、表面涂层硬质合金；选择合适的切削液；砂轮的自动修正与补偿；适当减小切削用量，以提高刀具的耐用度。四、工艺系统受力、受热变形引起的误差系统系统YFKY工艺系统受力、受热变形引起的误差（1）工艺系统刚度工艺系统在切削力作用下在各个受力方向产生相应变形，但影响最大的是误差敏感方向